Transkription und Translation Flashcards
Der genetische Kode
Die Informationseinheit der DNA für eine Aminosäure besteht aus einer Folge von drei Basen, einem sogenannten Basentriplett (Codon, Leserraster).
Von den 64 Möglichkeiten:
43=64 Codons für 20 Aminosäure
61 Codons für Aminosäuren
3 Stopcodons
Basenkomplementärität
A-T
G-C
Eigenschaften des genetischen Kodes
Degeneration (Redundanz):
viele Aminosäuern werden von mehr als einem Basentriplett codiert (z.B. für Arg->6 Codons, für Gly->4 Codons)
Universalität:
fast alle Organismen besitzen den gleichen genetischen Code
*Wackelbasen-Hypothese: *
In einem Zell, nicht mehr als 41 verschiedene tRNAs in einer Zelle existieren. Damit kann eine tRNA an verschiedene Codon-Tripletts gebunden werden.
Kolinear:
Die Reihenfolge der Kodewörter in der DNA entspricht der Reihenfolge der zugeordneten Aminosäure im Protein.
Kommafrei:
Die aufeinanderfolgende Kodewörter benötigen keine Spalten (Kommas) , um getrennt voneinander lebar zu sein.
Überlappungsfrei:
Ein Nukleotid ist niemals Bestandteil zweier benachbarter, verschiedener Kodewörter.
Die Transkription
Die Transkription bedeutet – unabhängig von den Typen –
die Synthese der (jeden) Ribonukleinsäuren (RNA)
Ziel der Transkription
§ Das Ziel der Transkription ist ein transportierbares Kopie der genomischen Information zu produzieren, welches für die verschiedenen Zellorganellen die Instruktionen des Zellkerns erteilen kann.
§ Diese transportierbare Schrift ist die Ribonukleinsäure, die RNA.
§
§ Die DNA (Σ = das Genom) ist also die Information, welche bestimmt, was der Zellkern alles „kann”.
§ Die RNA dagegen (Σ = das Transkriptom) bestimmt, was der Zellkern gerade „will”.
Die RNA Sorten
Messenger RNA (mRNA):
Enthält die in der DNA gespeicherten Informationen welche bestimmen die Aminosärensequenz eines Proteins.
Transfer RNA (tRNA):
Bindet eine gewisse Aminosäure an und transportiert die gebundeten AS zum Ribosom, wo die AS in den synthetisierenden Protein eingebaut wird.
Ribosomale RNA (rRNA):
Nimmt in Herasbildung der nötigen Raumstruktur und in gewisssen Funktionen der Ribosomen teil.
Kleine RNAs (sNuRNA, sNoRNA):
Nehmen im Zellkern und im Kernkörperchen in der Prozessierung der RNAs teil.
Mikro RNAs (miRNA, siRNA):
Nehmen in der Regulation der Transkription teil.
Die Transkription (Ablauf)
- Die Transkription benötigt die Entwindung der DNA Doppelhelix (Helicase, Topoisomerase)
- Für die Transkription wird immer nur einer der zwei DNA-Stränge als Matrize benutzt (Templat-Strang)
- Die synthetisierende RNA ist auf Grund der Basenpaarungsregel gebildet (Komplementärität).
- Das Ablesen der DNA-Strang läuft in 3’ → 5’ Richtung, die Bildung der RNA in 5’ → 3’ Richtung ab (Antiparallelität).
- Sie ist eine enzym-katalisierte Polymerisations-reaktion, welche eine RNA-Polymerase benötigt
- §Die zur Synthesevorgang nötige Energie sichern die Nukleosidtriphosphatmokeülen, welche als Substrate zur Synthese der RNA benutzt sind.
Die Transkription läuft in 3 Schritten ab:
- Initiation: erkännung von dem Templat und Startpunkt
- Elongation: synthese von RNA
- Termination: die Beendigung des Transkriptionsvorganges
Die Transkription in Prokaryoten
Inititiation:
- Das Promotor wird vom s-Faktor erkannt, und der s-Faktor wird angebunden.
- An diese Stelle bindet sich eine RNA-Polymerase an
- Es gibt in Prokaryoten nur eine RNA-Polymerase; dieses Enzym synthetisiert jede RNA-Typen.
Elongation:
- Die RNA-Polymerase synthetisiert über dem Templat DNA-Strang die RNA-Kette
- Der s-Faktor verlässt den Komplex
- Termination:*
- Als die RNA-Polymerase auf eine Terminator-Sequenz stosst, wird die Synthese beendet
Die Transkription in Eukaryoten
RNA Polymerasen
Im Gegensatz zu prokaryotischen Zellen besitzen eukaryotische Zellen nicht nur eine, sondern gleich drei verschiedene RNA-Polymerasen:
- Die RNA-Polymerase I befindet sich im Nucleolus und transkribiert diejenigen Gene, die für ribosomale RNA (18S, 28S) kodieren.
- Die RNA-Polymerase II transkribiert vorwiegend Gene, welche für Proteine kodieren.
- Die RNA-Polymerase III synthetisiert die kleineren RNAs wie tRNA, ribosomale 5S-RNA und einen Teil der kleinen Kern-RNA-Arten (snRNA=small nuclear RNA).
Wie die prokaryotische RNA-Polymerase sind sie alle sehr gross und aus mehreren Untereinheiten aufgebaut.
Und wie jede andere Polymerase synthetisieren sie neue Ketten in 5’ -> 3’ Richtung.
Diese RNA-Polymerasen erkennen Promotoren, welche sich strukturell stark voneinander unterscheiden.
Eukaryontische mRNAs sind monocistronisch, d.h. sie codieren für ein Gen
Chromatin-Remodellierung
- Die DNA eukaryotischer Zellen ist als Chromatin organisiert
- Jede Zelle transkribiert zu einem gewissen Zeitpunkt nur einen Teil ihres Genoms
- Nicht-transkribierte Gene und benachbarte DNA-Regionen sind sehr dicht gepackte DNA-Protein-Komplexe (Heterochromatin)
- Transkribierte Gene und benachbarte DNA-Regionen sind weniger dicht gepackt (Euchromatin) und teilweise sogar frei von Histonen
↓
Die Aufhebung der Heterochromatin-Struktur wird durch DNA-bindende Proteine und Acetylierung von Histonen erreicht
Diese Vorgänge werden als Chromatin-Remodellierung bezeichnet und sind Voraussetzung für die Transkription
Initiation der Transkription in Eukaryoten
Die Transkription durch die Polymerase II startet an der TATA-Box
↓
Vor der Transkription bildet sich an dieser Stelle der Präinitiationskomplex durch sukzessive Anlagerung der einzelnen Proteine:
- zunächst bindet das TATA-Box-Bindeprotein (TBP) und der Transkriptionsfaktor TFIID
- TFIIA bindet an die DNA und den Komplex aus TBP und TFIID
- TFIIB, TFIIE lagert sich an
- TFIIF und die RNA-Polymerase II binden (TFIIF hat dabei eine Funktion, die mit dem σ-Faktor der bakteriellen Polymerasen vergleichbar ist)
- TFIIH bindet, ein Komplex, der u.a. auch eine DNA-Helicase enthält, die die DNA lokal entwindet
Die Aktivität der Polymerase II kann durch viele Faktoren beeinflusst werden:
Die Aktivität der Polymerase II kann durch viele Faktoren beeinflusst werden:
- So können beispielsweise negativ wirkende Transkriptionsregulatoren (Repressoren) die DNA im Promotor-Bereich binden und den Zusammenbau des Initiationskomplexes inhibieren.
- Neben der TATA-Box wird die Transkription von weiteren, vor der TATA-Box gelegenen Sequenzen reguliert, die von verschiedenen weiteren Transkriptionsfaktoren (den Transkriptionsaktivatoren oder URF für upstream regulatory factors) gebunden werden können:
Die GC-Box (eine GC-reiche Region mit der Konsensus-Sequenz GGGCGG) liegt bei vielen Genen etwa 40 Nucleotide vor der Startstelle der Transkription.
Die CAAT-Box (mit der Konsensus-Sequenz GGCCAATCT) liegt oft etwa 70 Nucleotide vor der Startstelle der Transkription.
Die Enchancer/Silencer Elementen befindet sich noch weiter vor der Transkriptionsstartstelle.
Eukaryotische Gen Struktur
Regulation von Transkription:
Promoter bindete Transkriptionfaktoren haben direkt Effekte
Enchancer bindete Regulations proteine bildet eine Schleife
Elongation
- Die Helicase entwindet den DNA-Doppelstrang
- Die Transkriptionsfaktoren (TFs) dissoziieren schrittweise von der RNA-Polymerase ab, und die Polymerisation (Synthese) der RNA beginnt
- Die RNA-Polymerase bei jeden DNA Nukleotiden bindet ein komplementäre RNA Nukleotide an, und es baut in die wachsende RNA-Kette ein.
- Die Synthese der mRNA wird am Stopp-Codon beendet
Termination
- Die Elongation wird solange fortgesetzt, bis die Polymerase eine Terminatorsequenz erkennt
- Der geöffnete Teil der DNA-Dopplehelix wird geschlossen
- Mit Hilfe von Terminationsfaktoren die RNA- Polymerase lässt die neusynthetisierten RNA-Kette frei
- Und verlässt auch selbst: die Transkription ist vollendet
mRNA-Reifung
Prokaryonten:
- keine Reifung
- beginnt die nachfolgende Translation noch während die Transkription im Gang ist, da keine Trennung in Zellkern und Cytoplasma gegeben ist
Eukaryonten:
- in dem Nucleus
- Drei Modifikationen:
a. 5’ Ende Modifikation der mRNA (Capping)
b. 3’ Ende Modifikation der mRNA (Polyadenylation)
c. Splicing
mRNA-Reifung (Eukaryonten)
Capping:
Nach der Transcription wird die prä-m-RNA am 5´-Ende mit einer Kappe (= Cap) versehen (= Capping)
Dabei wird eine spezielles Nukleotid (7-Methyl-Guanosin) in einer 5’-5’ Bindung an das 5´-Ende der prä-mRNA gebunden
Diese “Kappe” ist fürdie Anbindung an das Ribosom wichtig
Polyadenylierung:
An das 3´-Ende werden zwischen 20 und 250 Adenin-Nukleotide angefügt. (= Poly-A-Schwanz)
Splicing:
Danach werden die durch einen Komplex (= Spliceosom) aus Proteinen und speziellen RNAs (= snRNAs) die Introns herausgeschnitten und die Exons zusammengefügt.
Alternatives Splicing
In vielen Fällen können die Exons beim Spleißen in unterschiedlicher Weise miteinander kombiniert werden („alternatives“, „differentielles“ oder „gewebespezifisches Spleißen“).
Auf diese Weise kann aus einem einzigen Gen-Abschnitt eine große Zahl unterschiedlicher Proteine entstehen.
Den Rekord hält gegenwärtig das dscam-Gen der Fruchtfliege Drosophila mit 38016 verschiedenen Proteinen.
Eine fertige mRNA im Eukaryoten
Die transfer RNA (tRNA)
ist ein Träger für Aminosäuren und wird bei der Translation benötigt
- Innerhalb der Kette sind zu einander komplementäre Bereiche, zwischen der intramolekulare doppelhelikale Bereiche entstehen
- Die so entstehene „Kleeblattstruktur” enthällt drei Schleifen
- Die wahre Raumstruktur des Moleküls ist eher L-förm7
- Akzeptorstamm:* Hier ist die Aminosäure am 3’-OH angebunden.
- Anticodonarm:* Hier ist die zum Codon komplementäre Sequenz zu finden.
Die Aminosäure-Bindestelle (am 3’-Ende der Kette), und die ribosomale Bindestelle sind in jeder tRNA identisch (sog. nicht-spezifische Bindestellen).
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen
sind cytoplasmatische Enzyme, die die tRNAs abhängig von ihrer Sequenz (insbesondere ihrer Anticodon-Sequenz) mit ihren spezifischen Aminosäuren beladen.
es gibt mindestens 20 verschiedene Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Moleküle, eines pro Aminosäure.
Beladen der t-RNAs (Schema)
Die Ribosomale RNA (rRNA)
Die 5S rRNA ist im Chromatin (d.h. ausser der Nucleoli) gebildet.
Die weitere rRNAs (18S rRNA, 28S rRNA und 5.8S rRNA) sind durch die RNA-Polimerase I im Nucleolus transkribiert.
Im Nucleolus ist eine einzige prä-rRNA (45S rRNA) gebildet, welche in mehreren Schritten modifiziert (editiert, zerschnitten und abgeschnitten) werden bis die entgültige, funktionsfähige rRNAs entstehen.
Ribosomen bestehen aus rRNA und Protein und sind ca. 20 x 30 nm groß.
Sie bestehen aus 2 Untereinheiten die im Nukleolus des Zellkern gebildet, und im Cytoplasma zusammengebaut werden
70S Ribosomen gibt es in Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten
80S Ribosomen liegen im Zytoplasma der eukaryotischen Zellen vor.
Polysoms (Polyribosomen)
Viele auf einmal transkribierende Ribosomen
Translation
Unter Translation versteht man die Übersetzung der Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins, die an den Ribosomen geschieht.
Es wird die Reihenfolge der vorliegenden Nukleotide der mRNA in eine Reihenfolge von Aminosäuren “abgeschrieben”.
Je drei aneinanderfolgende Nukleotide (Codons) entsprechen einer
bestimmten Aminosäure
Translation in Prokaryoten / Eukaryoten
Im Prokaryoten:
die Transkription und die Translation sind nicht von einander räumlich getrennt;
die Translation schon während der Transkription begonnen ist.
die Ribosomen langsamer sind als die RNA-Polymerase (drei neue Nucleotide sollen in derselben Zeit eingebaut werden, wie eine weitere Aminosäure)
Im Eukaryoten:
die Transkription und die Translation sind von einander räumlich getrennt;
die Synthese und die Reifung der mRNA findet im Zellkern statt, die Translation dagegen nur nach dem Transport der mRNA ins Zytoplasma begonnen ist.
Vorbereitungen für die Translation
Erforderlich:
- Informationen für Bestimmung der Aminosäurensequenz (mRNA)
- Aminosäure (gebunden an tRNA)
- Ort für die Synthese (Ribosomen)
- Energie (ATP und GTP)
Die Translation (Allgemein)
- Die Aminosäurensequenz des bildenden Proteins ist durch die Basensequenz (Reihenfolge der Kodonen) der mRNA bestimmt.
- Das Ablesen der mRNA findet in 5’ → 3’ Richtung, die Synthese des Proteins in N-terminale → C-terminale Richtung statt.
- Die Proteinsynthese geschieht am Oberfläche der Ribosomen
- Der Einbau von einer Aminosäuren benötigt die Energie von 2 GTP und 2 ATP
- Die hergestellte Proteine werden noch oft modifiziert.
- Bakterielle Proteine beginnen in der Translation immer mit einem N-Formylmethionin (fMet), eukaryontische mit Methyonin(Met). In beiden Fällen wird aber eine spezifische tRNA verwendet.
- Das Ribosom hat 3 Bindungsstellen:
Die A- oder Aminoacyl-Bindungsstelle,
die P- oder Peptidyl-Bindungsstelle und
die E- oder Exit-Bindungsstelle.
- Es gibt spezifische Initiations- und Elongationsfaktoren, sowie Release-Faktoren die in der Schritten der Translation beteiligt sind.
Die Translation (Ablauf)
1 .Initiation: Die kleine Untereinheit bindet an die mRNA, an das Startcodon AUG bindet die tRNA mit Methionin. Die große Untereinheit bindet ebenfalls an die mRNA und es ist ein funktionstüchtiges Ribosom entstanden.
●
2. Elongation: Pro Zyklus wird eine neue AS an die Peptidkette gebunden. Die Ausbildung der Peptidbindung wird dabei durch die rRNA katalysiert (Ribozym)
●
3. Termination: Die Elongation endet wenn eines der Stop-Codons (UAA, UAG, UGA) erreicht wurde. Ein bestimmtes Protein (der Release-Factor) bindet an dem Stop-Codon an der A-Stelle und spaltet die Bindung zwischen dem entstandenen Polypeptid und der tRNA. Die mRNA und das Polypeptid werden freigesetzt und das Ribosom dissoziiert wieder in die kleine und die große Untereinheit.
Die Initiation im Prokaryoten
Während das Ribosom die mRNA ohne spezifische Signalstrukturen erkennt, wird für die Erkennung eines Start-Codons eine spezielle Sequenz benötigt.
Diese Stelle heißt Ribosomen-Bindungsstelle.
Sie gliedert sich in das Start-Codon ATG (GTG, TTG) und die sog. Shine-Dalgarno-Sequenz.
Die Shine-Dalgarno-Sequenz ist komplementär zum 3´-Ende der 16S RNA.
- In der Initiation der Translation nehmen auch in der Prokaryoten proteinartige Initiatonsfaktoren teil
- Erste Amynosäure ist N-formylmethionin
Die Initiation im Eukaryonten
- Bindung der kleinen 40S Untereinheit an die mRNA wird durch Proteine (z.B. eIF4E), die an die Cap-Struktur binden, ermöglicht
- Kozak-Sequenz: 5‘-nicht translatierte Region vor AUG
- Ribosom wandert an mRNA entlang bis sie auf ein Startcodon (AUG) trifft
- dann wird 60S Untereinheit angefügt
Die Termination
Am Terminator-Codon (UAA, UAG, oder UGA) bricht die Synthese wegen des Fehlens einer passenden t-RNA ab.
Hier bindet sich ein Releasing Factor (RF) an der
A-Stelle, schneidet das Protein von der tRNA ab, und die zwei Untereinheiten des Ribosoms dissoziieren sich ab.
Nach der Translation wird bei vielen Polypeptiden und Proteinen die Aminosäurekette modifiziert. Einige werden gespalten, andere mit Kohlenhydrate verbunden oder Aminosäuren phosphoryliert.
Das Methionin in der ersten Polypeptidposition wird meist entfernt.
