mibi VL2 Flashcards
1) Struktur & Funktion der bakteriellen RNA-Polymerase
RNA-Polymerase:
Transkribiert DNA in RNA
- kann wie die anderen Pol. Nur in 5’-3’ Richtung synthetisieren
- besteht aus 5 (6) UE:
–> Core RNAP: (RNA Pol.):2 Alpha, 1 Beta, 1 Beta’ Untereinheiten, (1 Omega)
• Alpha subunit: Aktiviert Genexpression
⋅ elongation Form der RNAP
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–> RNA Holoenzym:
⋅ 2 Alpha, 1 Beta, 1 Beta’ Untereinheiten, (1 Omega); (= selbes wie Core RNAP)
⋅ + Sigma UE. → Holoenzym kann durch Sigma in der kleinen UE der P die PROMOTOREN erkennen
→ Initiation Form der RNAP
2) Struktur und Funktion der Sigma-Untereinheit der RNAP
Funktion: Regulation der Genexpression
- sehr konservierte Regionen
- ist Teil der Initiation form RNAP (Holoenzym) → Teil der RNA-Poymerase!!!
⋅ Transcription initiation signal for RNAP on the chromosome
⋅ ! Regulation of gene expression
→ Gene aktivieren/inaktivieren
→ SigmaUE der RNAP austauschen: große Gruppen v. Genen hoch/runter regulieren
→ Meiste Bak. Haben mehrere Sigma UE , erkennen untersch. Promotorsequenzen
→ Untersch. Sigma UE compete for RNA Core
3) Funktion des Promotors
- Binding sites für RNA- Polymerase – RNAP bindet am Promotor
- → werden von der Sigma- UE der NRAP erkannt
- Haben typische Nukleotidsequenzen: immer -35 und -10 Region, mit Spacer von ca. 17 bp.
- Haben auch invers palindromische Sequenzen – TATAAT(Box) und TTGACA (sind die idealen, aber selten)
- Wenn RNAP am Promotor gebunden beginnt dort Auftrennung der Stränge
4) Multiple Sigma-Untereinheiten und deren Austausch
Sigma-Einheit erkennt die für Beginn der RNA-Synthese geeignete Stelle
- δ70 : ‚housekeeping faktor’ – einfache Lebenserhaltung (vegetativer δ Faktor)
- δ32: Hitzeschockantwort: (unter Hitzeschockbedingungen werden andere Gene transkribiert: nicht Wachstums- sondern Hitzeschutz-Gene) Auslöser: denaturierte Proteine im Cytoplasma
- δs genereller Stress (Nährstoffmangel, hohe Osmolarität, Säurestress, Temperatur hoch/niedrig)
- δE periplasmatischer Stress (denaturierte Prot. Im Periplasma)
- δF Motilitäts-/ Chemotaxis-Proteine - Synthese v. Flagellen
- δ54 Expression von bei N-Mangel benötigten Proteinen → aktiviert u.A. Expression der Glutaminsynthetase = Schlüsselenzym für Stickstoff-Assimilierung
5) Funktion von Aktivatoren und Repressoren (Transkriptionsfaktoren)
Transkriptionsfaktoren: DNA-Bindende Proteine, hoch spezifisch, binden an Bereiche eines Promotors o. Enhancers, beeinflussen so die Transkription der darauf folgenden Operons
Aktivität der Transkriptionsfaktoren muss in Anpassung auf Umwelt- und Zellsignale REGULIERT werden → Signaltransduktion
Repressor: (negative Kontrolle)
Hemmung der mRNA-Synthese durch Aktivität spezif. Proteine
ist ein Protein, welches an die DNA bindet – verhindert somit die Transkription ab der Stelle.
Um ausgelöst zu werden u. an die DNA zu binden ist Effektor (Corepressor) notw. Er bindet an Repressorprotein, Konformationsänderung, Bindet an DNA – Operon (lineare Abfolge von Genen, ihre Expression von nur 1 Operator kontrolliert) wird nicht abgelesen/transkribiert.
→ Repression meist bei anabolischen Enzymen = an der Biosynthese beteiligte. => Endprodukt des biosynthet. Weges unterdrückt das Enzym des Weges
Aktivator: (positive Kontrolle)
Aktiviert/leitet die Bindung der RNAP an die DNA = hilft, Transkription zu beginnen
Positive Kontrolle: Synthese von Enzymen erfordert Bindung eines Aktivatorproteins an DNA
(Aktivatorprotein bindet an Aktivatorbindestelle an der DNA, bindet an RNAP, erlaubt Transkription (o. faltet DNA so, dass RNAP Promotor erreicht) → ! WEIL: auch mit δFaktor findet RNAP diese Promotoren nur schlecht. Braucht Aktivatorprotein, was sie hin bringt!
6) Unterschied zwischen Ein- und Zweikomponentensystemen der bakteriellen Signaltransduktion
• Einkomponentensysteme: (~Regulatoinssysteme)
⋅ Besteht AUS NUR 1 PROTEIN: dieses kann
- Signal aufnehmen &
- Regulatorische Antwort geben
⋅ Bindet ein kleines Molek. (Signal, Corepressor) , → binden dann an die spezif. Teil der DNA zur Regulation der Transkription
⋅ Rückkopplungsschleife zum Zurücksetzen: Phosphatase entfernt den Response- Regulator
⋅ (Repressor, der schon an DNA klemmt kann auch von einem Inducer gebunden werden und ab gehen → Transkription frei)
BSP: LacI-Repressor, CPR-Protein
• Zweikomponentensysteme: (~Regulatoinssysteme)
= die meisten Regulationssysteme bei Bak.
- 1) Sensor Phosphoryliert das Regulatorprotein ; 2) Regulatorprotein bindet an DNA und reguliert die Transkription
⋅ haben 1 spezif, Sensorkinase-Protein SK (in der Cytopl. Membran + ) Responseregulatorprotein RR (im Cytoplasma)
⋅ Kinase: Enzym, was Verbindungen phosphoryliert (ein P von ATP dran bindet)
⋅ Sensorkinase: nehmen Signal aus Umgebung auf, phosphorylieren sich selbst an spezif. Histidinrest . → dieses Phosphat wird dann auf Responseregulator übertragen
⋅ - Responseregulator RR ist DNA-Bindeprotein, reguliert Transkription
physiolog. Output: Virulenzfaktoren, Nährstoffmangel Stress response
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Sensorkinase –Proteine in der Cyt.Membran nehmen Signale auf von: kleinen Molek., Zustand bestimmter Proteine im Periplasma, Membranveränderungen
Diese Signale können beeinflussen: Änderungen in Transkription, Enzymaktivität, Chemotaxis
Sensorkinase bindet Signal. → Autophosphotylierung. Dieses P übergibt sie an Responseregulator. → Responseregulator interagiert mit DNA; = Intersktion mit RNAP
• Second Messenger signalling:
- Sensor bildet ein kleines Molekül = SECOND MESSENGER,
- Dieser bindet an Regulatorprotein = Effector an DNA
7) Zweikomponenten-Systeme: His-Sensorkinasen (SK) / Response-Regulatoren (RR) - physiologische Funktionen, molekulare Architektur und Funktion von SK und RR
SK Sensorkinase:
(Histidin-Sensorkinasen) sind die Proteine, meist in Cyt. Membran, die das Signal aufnehmen u. sich infolgedessen selbst an einem Histidinrest phosphorylieren (autophosphorylierung)
RR: Response regulators:
Proteine, die DNA binden und Transkription positiv/negativ beeinflussen können, → sobald die von SK ein Phosphor übertragen bekommen. (zB. Binden an Operator DNA= blockieren Transkription)
– reversibel durch Enzym Phosphatase: Dephosphorylierung = feedback loop
Kommunikation:
⋅ Phosphorylierung kann Struktur verändern – entweder leicht o. fundamental. zB Oberfläche durch Phosph. Von sauer → hydrophob → andere WW
⋅ HYDROPHOB → „sticky“ = bindet dimere, Oligomere
⋅ → Phosphorylierung steuert Oligomerisierung
⋅ wenn hydrophil auch Interaktionen, zB mit Flagellum
Physiologische Funktionen:
SENSING: Nährstoffmangel • Veränderungen. Osmolarität • Redoxzustand der Atmungskette• kleine Moleküle
PHYSISCHE OUTPUTS: •Anpassungen bei Stress-reaktionen • Chemotaxis • Virulenz • Entwicklung/Wachstum
Molek. Architektur:
SK:
membranintegrale Sensordomäne, Linker, Transmitter-Domäne mit Phosphorylation site, ATP-Bindestelle (hochkonserviert)
hochkonserviert: Transmitterdom.
variabel: Sensor dom.
RR:
Empfängerdom. (hcihkonserviert); Linker; Output-Dom. (variabel)
8) Turgordruck und die Rolle der Zellwand, Plasmolyse
Trugordruck:
(osmot. Druck) Druck im inneren der Zelle auf Zellmembran – entsteht weil im inneren d. Zelle mehr Osmolyten (kleine osmotisch aktive Substanzen) als in der Umgebung sind
Zellwand:
⋅ Dicke Zellwand+/Peptidoglykanhülle - widersteht Turgordruck
⋅ Bakterien wollen aktiv Differenz der Osmolyten aufrecht erhalten → Konzentration innen hoch
⋅ → dadurch: immer gewisser Wassereinstrom → extrem großer Druck innen (4atm)
→ PLASMOLYSE: Außen Osmolytenkonz. Höher als innen: Wasser will ausströmen, Makromoleküle innen gecrowded, zu hoher Salzgehalt, schlechte Zellfunktion!!
9) Bakterielle Gegenmaßnahmen bei Plasmolyse und Anpassung an hohe Osmolarität: schnelle Aufnahme von Kalium-Ionen, Synthese von Gegenionen (Glutamat), Austausch von K+ gegen “compatible solutes/osmoprotectants” (z.B. Glycinbetain, Prolin, Trehalose)
→ PLASMOLYSE: Außen Osmolytenkonz. Höher als innen: Wasser will ausströmen, Makromoleküle innen gecrowded, schlechte Zellfunktion!!
• Außen extrem viel salz: → hyperosmotic shift:
⋅ Bak. Lassen schnell K einströmen. Problem: K stört Zellfunktionen! Lösung:
⋅ COMPATIBLE SOLUTES: K ersetzt durch „Kompatible“ – OSMOPROTECTANTS - können aufgenommen oder synthetisiert werden (induziert durch hyperosmotic shifts)
- zB. Glycibetain: in unserem Verdauungstrakt (!) immer vorhanden
- Trehalose: unglaublich potentes Osmoprotectant – ein Disaccharid
- Prolin: ein compatable solute, kann von B. suubtilis aufgenommen werden
B. subtilis kann es acuh selber aus Glutamat herstellen
⋅ SYNTHESE V. GEGENIONEN: zB. Glutamat
⋅ → Transporter und s\Syntheseenzyme werden nach Osmo-upshift induziert
• HALOPHILE BAKTERIEN:
⋅ „SALT - IN“ STRATEGIE:
⋅ in extrem hohen Salzgehalten (5 M) NaCL reicht compatable solute Strategie nicht)
⋅ Salz soll draußen bleiben (weil schädlich in Zelle)
⋅ Aber außen zu viel Na: etwas wird rein gelassen, sonst zu energieaufwändig
→ Halophile haben sich an hohen Salzgehalt angepasst – Nische!!
→ Können NICHT im niedrigsalzhaltigen leben!!!
→ DEPLASMOLYSE: Osmolytkonzentration außen viel niedriger als innen
→ Wassereinstrom in Zelle → Stretching der Zelle = stretching der Proteine
→ Mechanosensitive Kanalproteine: im Normalzustand geschlossen, öffnen sich bei Ausdehnung der Zelle! – lassen schnell viele Moleküle heraus → KEIN PLATZEN, weniger Wassereinstrom
10) Hitzeschockantwort, Regulation von Sigma-32
Probleme: Denaturierung der Proteine; Aggregation = Zusammenklumpen; Fluidität der Membran
Genprodukte:
Proteasen: denaturieren falsch gefaltete Proteine – lösen Aggregationen auf
Chaperones: versuchen Flaschfaltungen zu korrigieren** Gro-EL/ES
Topoisomerase (topA): fügt zusätzliche Supercoils in DNA ein – stabiler
DNA-Reparaturenzyme
HS ist eine vorübergehende zelluläre Antwort auf plötzliche Erhöhung der Temperatur bis zum Maximum d. Toleranzbereiches (für Zellwachstum)
bei der Hitzeshock-Antwort wird Genexpression (Transkription, Translation) anderer Gene unterdrückt u. Translation v. Hitzeshockgenen induziert
(HS bei E .coli ist eine „feedfoward feedback“ Strategie)
bei Hitzestress: (in E.coli)
Sigma Faktor δ32 (RpoH) kontrolliert positiv (iitiiert) die Transkription v. HS-Genen (δ32 -Regulon)
Bei normalen T. ist δ32 -codierende mRNA extrem gefaltet u. doppelsträngig – schwere Translation! (u. schnell angebaut durch DnaK)
Der alternative Faktor δ32 (RpoH) wird idR. Schnell wieder abgebaut, durch Chaperones DnaK.
→ Bei HOHEN T.: mRNA („molekol. Thermometer“) wird viel lockerer, entfaltet sich → TRANSLATION MÖGLICH
→ Synthese von δ32 geht extrem hoch
→ δ32 bindet an core-RNAP (= wird Holoenzym RNAP), bringt sie an Promotoren von HS-Genen
Chaperones sind ein Typ von HS Proteinen – werden vermehrt synth. – Aufgabe: wegen Hitze partiell denaturierte Proteine retten
Bei HS denaturieren viele Proteine, = DnaK wird zu ihrer Rettung rekrutiert. Somit → δ32 haben die Möglichkeit an RNAP zu binden
→ HS Proteine sind DnaK, Gro-EL, Gro-ES
