MOLEKULARBIOLOGIE

1. Uniformitätsregel

2. Spaltungsregel

3. Unabhängigkeitsregel

Uniformitätsregel

Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal Reinerbig unterscheiden, so sind die Nachkommen in der Tochtergeneration untereinander gleich.

Mischerbig

Heterozygotie ist die Mischerbigkeit in Bezug auf ein genetisches Merkmal. Ein Individuum mit zwei Chromosomensätzen ist mischerbig oder heterozygot in Bezug auf dieses Merkmal, wenn ein Gen in diesen Chromosomensätzen in zwei verschiedenen Ausprägungen vorliegt

Als Gen bezeichnet man eine Einheit der im Erbgut von Lebewesen enthaltenen Erbinformation, die zur Bildung aller zellulären und extrazellulären Proteine und RNA-Moleküle einer Zelle dient und in veränderter oder unveränderter Form durch Reproduktion an Tochtergenerationen weitervererbt wird.

Verschiedene Gene können unabhängig voneinander vererbt werden.

Bei einer Kreuzung der Heterozytogoten Individuen der ersten Tochtergeneration entstehen dann neue Kombinationen von Merkmalsausprägungen, die weder in der Parentalgeneration, noch in der ersten Tochtergeneration zu beobachten waren.

Griffiths Experiment, das 1928 von Frederick Griffith durchgeführt wurde, war der erste Nachweis der Transformation bei einem Bakterium, also der Übertragung von genetischer Information zwischen Bakterien.

Er experimentierte dabei mit dem Bakterium Streptococcus pneumoniae, das bei Mäusen Lungenentzündungen hervorruft.

Dieses Bakterium kommt in zwei Varianten vor:

als "S-Zellen" (smooth, glatt), die Schleimkapseln bilden können und daher im Lichtmikroskop glatt erscheinen sowie krankheitserregend sind. Die "R-Form" (rough, rau) dagegen hat die Fähigkeit zur Kapselbildung verloren, erscheint rau und ist nicht pathogen, da sie wegen der fehlenden Schutzkapsel vom Immunsystem der Maus erkannt wird.

Das Griffith-Experiment besteht nun aus folgenden vier Schritten:

1. Mäuse, denen Pneumokokken der S-Form injiziert werden, erkranken an Lungenentzündung.

2. Mäuse, denen Pneumokokken der R-Form injiziert werden, bleiben gesund.

3. Durch Hitze abgetötete Pneumokokken der S-Form werden injiziert. Die Tiere erkranken nicht.

4. Tote Pneumokokken sind demnach nicht pathogen. Wird Mäusen die abgetötete S-Form zusammen mit der lebenden R-Form injiziert, erkranken sie und sterben. Im Blut der erkrankten Mäuse können lebende Bakterien der S-Form nachgewiesen werden.

5. Damit war bewiesen, dass eine Transformation stattgefunden hatte: die pathogene Fähigkeit der Schleimkapselbildung wird von den toten S-Zellen auf die lebenden R-Zellen übertragen.

1944 zeigten Oswald Avery und seine Mitarbeiter in einem Versuch, dass die Transformation auf einer Übertragung von Desoxyribonukleinsäure (DNA)

beruht. Dies war ein wichtiger Schritt zu der Erkenntnis, dass DNA allgemein der Träger der Erbinformation ist.

Reinerbig

Homozygotie ist ein Begriff aus dem Fachgebiet der Genetik und bedeutet Reinerbigkeit. Ein diploider Organismus besitzt von jedem Gen, das z. B. die Blutgruppe oder Haarfarbe kodiert, zwei Kopien, in der Regel eine von jedem Elternteil. Diese liegen auf den homologen Chromosomen

Spaltungsregel

Kreuzt man die Individuen der ersten Tochtergeneration untereinander, so spaltet sich die erste Tochtergeneration im 3:1 Verhältnis

1. Das Giffith’sche Transformationsexperiment

2. Die Avery’sche Transformation

Mitochondriale Krankheiten sind meistens nicht letal, weil die Mitochondrien nur einen Teil der Energieproduktion in Zellen darstellen.

Selbst wenn es in einigen Zellen zu Problemen mit den Mitochondrien kommt, können andere Zellen in der Regel die Energieproduktion aufrechterhalten und somit das Funktionieren des Körpers aufrechterhalten.

Allerdings können mitochondriale Krankheiten dennoch schwere gesundheitliche Probleme verursachen, da die Mitochondrien in bestimmten Zellen wichtig für die Energieproduktion sind, insbesondere in Zellen des Gehirns, des Herzens und der Muskulatur.

Eine Schädigung der Mitochondrien in diesen Zellen kann zu Symptomen wie Schwäche, Müdigkeit, Atemproblemen, Sehstörungen und neurologischen Störungen führen.

Als Crossing over bezeichnet man einen Austausch von ganzen Chromosomenteilen bei der Meiose. Dabei legen sich zwei homologe (sich entsprechende) Chromatiden väterlicher und mütterlicher Herkunft während der Prophase I 'über Kreuz' (cross over).

Oswald Avery et al. fanden 1944 heraus, dass die chemische Grundlage der von Griffith entdeckten Transformation die DNA war.

Nucleasen, also DNA-zerstörende Enzyme, verhinderten eine Transformation, Proteasen, Lipasen und andere Enzyme dagegen nicht.

Kurz:

1. DNA ist allgemein der Träger der Erbinformation

2. DNA kann genetische Information übertragen

1944 zeigten schließlich Oswald Avery und seine Mitarbeiter in einem Versuch, dass die Transformation auf einer Übertragung von Desoxyribonukleinsäure (DNA) beruht.

Dies war ein wichtiger Schritt zu der Erkenntnis, dass DNA allgemein der Träger der Erbinformation ist

In untersuchten DNA- Proben war die Anzahl von Adeninresten genauso groß wie die Anzahl von Thyminresten, während die Anzahl der Guaninreste exakt der Anzahl der Cytosinreste entsprach

1953

DNA und RNA

(Synthese immer nach 5’ nach 3’!)

In Cricks ursprünglicher Form besagt die Hypothese:

Wenn (sequenzielle) Information einmal in ein Protein übersetzt wurde, kann sie dort nicht wieder herausgelangen.

1970 gab Crick eine alternative Formulierung des Dogmas an:

Es kann keine sequenzielle Information von Protein zu einem Protein oder zu Nukleinsäure übertragen werden.

DNA-Sequenzanalyse und Base Uracil nachweisen (oder auch nicht)

DNA/ RNA Polymerasen einsetzen und sehen was sich vermehrt

Helikase Einsatz

Massenspektroskopie

NMR-Spektroskopie

Zuckernachweis von Desoxyribose oder Ribose

DNA:

Träger (Speicher) der Erbinformation

An 2’ C-Atom ein H-Atom

Thymin anstatt Uracil

meist als Doppelstrang vorzufinden

wird von anderen Enzymen katalysiert

stabiler als RNA

DNA besitzt große und kleine Furche

Desoxyribose anstatt Ribose

RNA:

Informations(über)träger (u.a. Umsetzung genetischer Informationen in Proteinen)

An 2’ C-Atom eine OH-Gruppe

Uracil anstatt Thymin

meist einzelsträngig vorzufinden

wird von anderen Enzymen katalysiert

unstabilder als DNA

Ribose anstatt Desoxyribose

Abb:

Chargaff-Regel

In untersuchten DNA- Proben war die Anzahl von Adeninresten genauso groß wie die Anzahl von Thyminresten, während die Anzahl der Guaninreste exakt der Anzahl der Cytosinreste entsprach (1949).

liegt Einzelstängig vor: (Funktionell begründet für Transkription+Translation)

ist deshalb so effektiv und ökonomisch, da alle Informationen enthalten sind (in einem Strang) durch die Komplementarität der Basen

Die semikonservative Replikation ist der Prozess, durch den die DNA vor der Zellteilung kopiert wird, um sicherzustellen, dass jede Tochterzelle eine vollständige Kopie der ursprünglichen DNA erhält.

Dieser Prozess hat einige wichtige Vorteile für die Weitergabe der genetischen Information:

1. Ermöglicht die Vermehrung: Die semikonservative Replikation ermöglicht es, dass sich Zellen vermehren und sich teilen können, um neue Zellen zu bilden. Durch die Weitergabe der genetischen Information von einer Zelle auf ihre Tochterzellen wird sichergestellt, dass alle Zellen im Körper die gleichen genetischen Anweisungen haben.

2. Ermöglicht die Stabilität: Die semikonservative Replikation sorgt dafür, dass die genetische Information von Generation zu Generation stabil bleibt. Durch die sorgfältige Kopierung der DNA wird sichergestellt, dass keine wichtigen Informationen verloren gehen und keine Fehler in der genetischen Information entstehen.

3. Ermöglicht die Variabilität: Obwohl die semikonservative Replikation dafür sorgt, dass die genetische Information stabil bleibt, ermöglicht sie auch genetische Variabilität. Durch den Prozess der Mutation, bei dem sich die Nukleotide in der DNA verändern, entstehen neue Gene und damit neue Merkmale. Diese Variabilität ist wichtig für die Anpassung von Lebewesen an ihre Umgebung und für die Evolution.

10 μm-300nm

Chloroplasten

Zellsaftvakuole und Tonoplast

Zellwand

Plasmodesmen

5μm – 1000 μm

Kein Zellkern, DNA frei im Cytoplasma; einfache

innere Organisation der Zelle

Lysosomen (Aufgaben übernimmt Zellsaftvakuole)

Centriolen

Flagellen (außer manchen pflanzliche spermazellen)

Zellkern vorhanden; DNA im Zellkern; Vorhandensein von

membranumschlossenen Kompartimenten (Reaktionsräume) - Zellorganellen

Ribosomen

Zellkern (Chromatin, Nucleolus, Kernhülle)

Endoplasmatische Reticulum (rau und glatt)

Flagelle

Centrosom

Peroxisom

Mikrovili

Cytoskelett (Mikrofilamente, Intermediärfilamente, Mikrotubuli)

Lysosom

Mitochondrium

Plasmamembran

Golgi-Apparat

Cytoplasma

Zellkern (Chromatin, Nucleolus, Kernhülle)

Endoplasmatisches Reticulum (rau und glatt)

Ribosomen

Zellsaftvakuole

Golgi-Apparat

Peroxisom

Mitochondrium

Chloroplast

Cytoskelett ( Mikrofilamente, Intermediärfilamente, Mikrotubuli)

Plasmodesmen

Zellwand

Plasmamembran

Centrosom

Cytoplasma

Als Zellkern bezeichnet man ein im Zell- oder Cytoplasma gelegenes, meist rundlich geformtes Zellorganell eukaryotischer Zellen.

Vom Zellplasma ist der Zellkern durch eine Doppelmembran, die Kernhülle, abgegrenzt. In ihm liegt das Erbgut der Zelle in Form von Desoxyribonukleinsäure (DNA) vor. Der Zellkern kann als Informations- und Steuerzentrum der Zelle verstanden werden

Kernhülle trennt Zellkern von Cytoplasma

innere und äußere Kernmembran

äußere Membran geht fließend über das raue ER

besitzt perinukleäre Zisterne ( 10-15nm breiter Spaltraum)

innere Kernmembran grenzt an 20-100nm breite Kernlamina (bestehend aus Intermediärfilamenten)—> trennt innere Membran von Chromatin+ stützt den Zellkern

5 - 16 μm

Granuläres, fadenartiges Material, bestehend aus DNA, Histonen und anderen Proteinen

Replikation der DNA

Reparatur der DNA

Transkription, differentielle Genexpression

RNA-Bearbeitung (RNA processing)

Ribosomenbiogenese

Kontrollzentrum der Zelle!

Lagerung und Weitergabe der Erbinformation, die die Anweisungen für die Synthese von Proteinen enthalten

Die DNA in Zellkernen ist in Form von Chromosomen organisiert. Chromosomen sind lange, fädige Moleküle aus DNA und Proteinen, die in der Nucleinsäurekette einer Zelle vorkommen und die Erbanlagen einer Zelle enthalten.

Die meisten Zellen haben zwei Chromosomenpaare, die als Homologen bezeichnet werden.

Jedes Chromosomenpaar besteht aus einem Chromosom, das vom Vater stammt, und einem Chromosom, das von der Mutter stammt.

…

• Als Heterochromatin wird verdichtetes Chromatin im Zellkern bezeichnet,

• das sich gut anfärben lässt.

• Hier liegt die Desoxyribonukleinsäure (DNA) in stark an Histon- und Nichthiston-Proteine gebundener Form vor. Dadurch bleibt die Erbinformation weitgehend inaktiv.

• Der Begriff Heterochromatin wird in Abgrenzung zu Euchromatin verwendet, welches leichter zugänglich ist

• enthält überwiegend repetitive Sequenzen

• Euchromatin stellt die Bereiche des aufgelockerten Chromatingerüsts im Karyoplasma dar.

• Im Gegensatz zum Heterochromatin liegt die Desoxyribonucleinsäure (DNA) hier in weniger dicht gepackter Form vor.

• Im Euchromatin befinden sich die meisten Gene und fast die gesamte Genaktivität.

• Zum Teil sind hier die Doppelstränge der DNA durch Enzyme zu parallelen Einzelsträngen aufgetrennt.

ausschließlich in ekaryotischen Zellen

Prophase

Prometaphase

Metaphase

Anaphase

Telophase

Epigenetik befasst sich mit Zelleigenschaften (Phänotyp), die aber nicht in der DNA-Sequenz (dem Genotyp) festgelegt sind.

Hierbei erfolgen Veränderungen an den Chromosomen, wodurch Abschnitte oder ganze Chromosomen in ihrer Aktivität beeinflusst werden.

Die DNA-Sequenz wird dabei jedoch nicht verändert.

Die Chromosomen, bestehend aus je zwei Chromatiden, werden nun in die einzelnen Chromatiden getrennt

Die Tochterchromosomen werden zu den entgegengesetztem Zellpol gezogen und bilden zwei Diaster

Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene (Metaphasenplatte) an

bilden als typische Struktur ein Monaster

in dieser Phase können die Chromosomen deutlich in ihrer Form und Größe unterschieden werden, so dass ein Karyogramm hergestellt werden kann.

Die Chromosomen werden entspiralisiert (Dispirem)

Die Zellkernmembran wird neu gebildet und der Nucleolus sichtbar.

Die längsgeteilten Chromosomen werden sichtbar

Kernmembran und Kernkörperchen lösen sich auf

Kernteilung

die Phase im Zellzyklus, bei welcher sich der Zellkern teilt und die DNA (Chromosom zu Chromatiden) aufgeteilt wird

In der anschließenden Zellteilung wird so das genetisches Material einer Zelle auf zwei Tochterzellen verteilt.

Damit die Mitose ablaufen kann, ist vorher die Verdopplung der DNA in der S-Phase des Zellzyklus notwendig.

Die Mitose findet ausschließlich bei eukaryotischen

Zellen statt

bildet sich während der Prophase von Mitose und Meiose

es ist für die Auftrennung der Chromosomen in Chromatiden verantwortlich

es besteht aus Mikrotubuli

Zellorganellen bilden sich zurück und zerfallen

Chromosomen verdichten sich und bilden ein Knäul (Spirem)(erstmalig unter dem Mikroskop sichtbar)

vorher verdoppelte Centrosomen wandern zu den entgegengesetzten seiten des Nucleolus

zwischen ihnen entsteht ein Spindelapparat

Mikrotubuli können durch polymerisation von Tubulindimeren verlängern und durch depolymerisation verkürzt werden

durch gleichzeitige Verlängerung und Verkürzung gelangen die Chromatiden an die Spindelpolen

Der Phragmoplast (von griech. phrágma = Abgrenzung und plástes = Bildner, Former) oder auch „Wandbildner“ ist die Vorstufe der Zellwandplatte bei Pflanzen.

Er besteht aus einem Komplex aus Mikrotubuli, Mikrofilamenten und endoplasmatischem Retikulum

• nur während der Zellteilung anwesend

• Zellkern wird in Tochterzellen Zugewiesen

• “Brücke” oder “Stützstruktur” zwischen beiden Tochterzellen und hilft bei der Trennung der beiden (+Stabilisiert)

• werden von Mitosomen organisiert

Die Zellteilung ist ein biologischer Kernprozess, der das Wachstum und die Fortpflanzung aller Lebewesen gewährleistet

Euchromatin:

• DNA liegt in weniger dicht gepackter Form vor

• enthält die meisten Gene und Genaktivität

Heterochromatin

• verdichtetes Chromatin

• lässt sich gut anfärben

• DNA liegt in stark an Histon- und nicht Histon-Proteine gebudener Form

• die Erbinormation ist inaktiv

Als "polar" beschreibt man Zellen, die Zellpole mit verschiedenen Eigenschaften besitzen, und damit eine bestimmte Ausrichtung der Zelle festlegen.

Polarisierte Zellen treten häufig in Geweben auf, die an der Übertragung von Informationen beteiligt sind, wie zum Beispiel im Nervensystem und im Verdauungssystem.

• polarisierung von Zellen sind wichtige Prozesse für die normale Funktion von Gewebe und Organe

• Fehlfunktion führt zu Krankheiten wie Stoffwechselstörung oder neurologische Erkrankungen

2´-Desoxyribose

einer der vier Basen (Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin)

Phosphatrest

Epigenetische Modifikationen sind reversible chemische Veränderungen der DNA oder der Histone.

Diese chemischen Veränderungen sorgen dafür, dass Proteine, die die Genexpression vermitteln, angezogen oder abgestoßen werden.

• Methylierungsmuster: Methylgruppen hängen an den Histonen —> Beinflussung der Gene durch unterschiedliche Zugänglichkeit der Proteine und Enzyme

• Verpackung der DNA in den Chromosomen sind enger oder locker—> Beeinflussung wieder durch Zugänglichkeit der stellen

• Entstehung durch Umweltfaktoren wie Stress, Toxine und Diät

• kann vererbt werden

• kann zu Krankheiten führen

Pflanzliche Zelle hat eine Zellwand - Stabilität der Zelle, Schutz vor äußerlichen Wirkungen.

Tierische Zelle hat keine Zellwand - nur Plasmamembran.

für die Synthese werden Desoxy-nucleosid-tri-phosphate (dATP, dCTP, dGTP und dTTP) über 3´-5´-Phosphodiesterbindungen zu langen Ketten verbunden (Polynucleotid)

pyrophosphat wird abgespalten (PPi)

Tautomere sind Isomere, die durch die Wanderung einzelner Atome oder Atomgruppen schnell ineinander übergehen.

Die beiden Isomere stehen in einem dynamischen chemischen Gleichgewicht miteinander.

Kann zu Mutationen führen.

A, B und Z DNA

Möglichkeit eine Basenveränderung durchzuführen ohne die Gesamtstruktur der Doppelhelix aufzubrechen

Kann zu Mutationen führen.

Ribose

Base (Adenin, Cytosin, Guanin, Uracil)

Phosphatrest

Enzyme, die für das Supercoiling in DNA Molekülen sind

Die Katalyse verläuft über einen Drei-Schritt-Mechanismus:

Spaltung eines DNA-Strangs oder beider DNA-Stränge

Hindurchschieben eines DNA-Stranges durch die gebildete Lücke

abschließend Neuverknüpfung der Bruchstelle in der DNA.

Topoisomerase 1 spaltet nur eines der beiden DNA Stränge

Topoisomerase 2 (Gyrase) spaltet beide DNA Stränge

Für die Synthese der RNA werden ie Nucleosidtriphosphate (ATP, CTP, GTP und UTP) zu langen Ketten verknüpft (Polynucleotid)

enthalten RNA-Polynucleotide 3‘-5‘-Phosphodiesterbindungen

der RNA-Strang weist mit einem 3‘-OH- und einem 5‘-Phosphatende ebenfalls eine Polarität auf.

Ausbildung von intramolekularen Basenpaaren führt zu stemloops und Schleifen

Ausbildung von intramolekularen Basenpaaren kann auch zu Pseudoknoten führen

RNA kann nicht Watson-Crick-Basenpaarung eingehen

(Guanin-Uracil anstatt normalerweise Guanin-Cytosin)

RNA können Enzyme ausbilden; Ribozyme zbsp. Hammerhead-Ribozym

Ribozyme sind RNA-Moleküle mit katalytischer Aktivität.

basiert überwiegend auf der sequenzspezifischen Spaltung spezieller RNA-Moleküle durch die Spaltung der Phosphorsäureesterbindung.

—> 3 ́- und 5 ́-Enden der RNA ungeschützt vor

—> das RNA-Molekül wird durch Ribonukleasen degradiert

—> kann nicht translatiert werden

Das zugrundeliegende Gen wird also nicht mehr (oder zumindest vermindert) exprimiert. Seine Funktion wird stillgelegt.

• als Laborwerkzeug: Durch die Degradation spezieller mRNA-Moleküle können Gene gezielt ausgeschaltet und somit ihre Funktion untersucht werden.

• Therapie: Über den selben Mechanismus könnten die für die Krankheit verantwortlichen Gene ausgeschaltet werden. Interessant ist dieser Ansatz auch bei der Überwindung von Resistenzen gegenüber Medikamenten, indem auch hier die Expression der ursächlichen Gene verhindert würde.

Ein Enzym aus RNA: das Hammerhead-Ribozym Katalysiert eine alkalische Hydrolyse von RNA

mit basischen Farbstoffen lässt es sich leicht anfärben

6*10^9 Basenpaare

ca. 2m lang 2nm dick

—>findet platz in einer 10μm großen Zelle (20.000 fach komprimiert)

Organisationsstufen der DNA

A: DNA

B: Nucleofilament

C: Solenoid

D: C.-loops (Chromatinschleifen)

E: Chromosom

—>Topoisomerase? nuclear scaffold? Kerngerüst zusammengehalten?

Nukleosomen bilden einen Komplex aus DNA und Histonen. Dies ist die erste Verpackungsstufe der DNA im Zellkern eukaryotischer Zellen;

eine assoziation mit H1-Histonen führt zu einer kompakteren Struktur der nucleosomalen DNA

es ermöglicht sich eine engere Wicklung der enden der DNA um den Histon-kern

30nm Filament

1. DNA bindet an eine vielzahl von Histonen mit H1 Protein

2. DNA kugelt sich um die Histonen und H1 Protein festigt die Konstruktion ab—> es bildet sich ein String

3. gebildete Nucleosomen drehen sich zu eine Spule zusammen—> mit der gebildeten Spule wiederholt sich der vorgang (Superspiralisierung)

4. Spule formt eine Schleife bis zum Chromosom (3x)

Der Zugang am Nucleosom bildet angriffstelle für epigenetische Modifikationen

Acetyliert—> Protein mit Bromodomäne können anheften

Methyliert—> Protein mit Chromodomäne können anheften

Unmodifizierte und methylierte Histonschwänze liegen enger und fester vor als acetylierte Histonschwänze

—> Folge ist eine unterschiedliche Zugänglichkeit zur DNA während der Transkription

Enzyme verändern (indem diese mehr oder weniger verengt) bestimmte Abschnitte in der DNA, um diese besser oder schlechter abzulesen.

Nicht direkt an der Nucleotidsequenz sondern eine Ebene “drüber” (epi=über) wo die DNA um die Histonen gewickelt ist

So steuern Zellen welche Proteine wann und wie viel produziert werden sollen

Der Zellkern reagiert also abhängig von der Umwelt welche Gene ein- und ausgeschaltet werden

Durch anheften oder Ablösen kleiner chemischer Gruppen entsteht ein Markierungsmuster, welche dann von speziellen Enzymen abgelesen werden und weitere Schritte einleiten zbsp Gene ein- oder ausschalten.

Feine Umweltveränderungen können Einflüsse auf das Erbgut haben.

Persönlichkeitsmerkmale und Krankheiten könnten beeinflusst sein.

Chemische Markierungen an der DNA oder Histonproteinen bestimmen die Verpackungsdichte des Chromatins.

Epigenetische Modifikation verändern diese Markierungsmuster.

steigert die Aktivität eines DNA-Abschnittes, indem sie das Chromatin auflockert

hemmt die Aktivität eines DNA-Abschnittess, indem sie das Chromatin verdichtet

Histonen (seitenketten Methylierung und Acetylierung)

einzelnen Basen (Cytidin-Guanosin-Nucleotid-Dimeren)

beiden

Das Enzym DNMT3 methyliert jedes Desoxycytidin in einem GC/CG-Paar

Folge sind Proteinanbindungen und darauffolgend noch weitere Proteinbindungen

—>Verdichtung der Nucleosomen

—>RNA-Polymerase liest nicht mehr ab

—> Gen inaktiv

Anheftung von Acetyl-Gruppen an Lysin-Seitenketten der Histone

—>Öffnung der Nucleosomen-Konfirmation

—>RNA-Polymerase kann erleichtert ablesen

—>Gen aktiv

Repressorproteine

beschreibt die unterschiedliche Form eines DNA-Moleküls auf Grundlage der Topologie

Anzahl der Windungen um die eigene Achse (Verwindungszahl/ Linking number)

Anzahl der übergeordneten Doppelhelix (Windungszahl/ writing number)

(a) T=36, W=0 L=36

(b) T=36,W=4, L=32

(c) T=32, W=0, T=32

Anmerkung:

L=T+W

Links=- ; Rechts=+

Topoisomerase 1 spaltet nur eines der beiden DNA Stränge

Topoisomerase 2 (Gyrase) spaltet beide DNA Stränge

• RNA kann unter Umständen Doppelstrang ausbilden, aber

  • Strang ist kürzer

  • ist unstabiler

• RNA neigt dazu sich umzuformen (Ribozym)

• um stabiler zu werden verbinden diese sich mit Proteinen

DNA bekommt nicht die Chance dazu sich zu ein Ribozym zu formen, da DNA im Doppelstrang vorkommt und dazu meist länger ist.

Verpackungseinheit zusammengesetzt

Bestehend aus DNA und Histonoktamer (H1-4)

10,5

Verwindungszahl nimmt ab

Entspannt= 8

Gespannt= 7

Verdopplung der DNA

ein auf Francis Crick zurückgehendes Prinzip für den gerichteten Informationsfluss der genetischen Information vom Träger der Erbinformation DNA über RNA als Vermittler hin zum Protein, welche durch Transkription und Translation erfolgt.

also:

DNA -> RNA -> Protein

• keine Übertragung von Information vom Protein zur Ebene der Nucleinsäuren möglich

In der Regel vor der Zellteilung, damit genug Erbgut als vorlage da ist.

(Während der Synthese der S-Phase des Zellzyklus)

Semikonservativ

immer in 5’-3’-Richtung

Hydrolyse des Phosphatrestes

1. katalytische Aktivität erfordert eine korrekte Basenpaarung im aktiven Zentrum

2. Ribose anstatt Desoxy führt zu einer sterischen Abstoßung zw OH und Aminosäurerest im Aktiven Zentrum—>Phosphoratom zu weit von der 3’-OH Gruppe

3. dreidimensionale Struktur der Polymerase ähnelt einer halb geschlossenen rechten Hand

   

4. zwei Metallionen tragen zur katalytischen Aktivität bei

1. Aufgrund einer Konformationsänderung umgreift die DNA-Polymerase den Matrizenstrang und das eintretende dNTP – nachdem ein korrektes Basenpaar gebildet wurde

2. DNA-Polymerase verläuft prozessiv (Abtrennung erfolgt erst nach Eibnau mehrerer Basen)

3. Exonucleasen machen eine Korrekturlesung und entfernen fehlgepaarte Nucleotide

4. DNA-Replikation stellt einen häufig genutzten Angriffspunkt für chemotherapeutische Wirkstoffe dar (Aufgrund der Zerstörung des Wachstums)

Helikase spaltet die DNA Doppelhelix auf.

Dieser Bereich wird als Replikationsgabel bezeichnet.

An jedes der DNA wird Komplementär Synthetisiert.

Leitstrang wird einmal mit einem Primer markiert und Synthetisiert.

Folgestrang wird Fraktionell in die entgegengesetzte Richtung Synthetisiert. (Ozaki-Fragment)

Primer und Polymerase wird für jede Fraktion neu aufgesetzt.

Voraussetzung für eine Initiation der Synthese ist ein Primer.

RNA-Primer muss entfernt werden

(RNase baut den Primer ab)

Exonuclease fährt drüber

DNA-Polymerase baut lücke zu

DNA-Ligase verknüpft die DNA Stränge zu

Bevor die Replikation beginnt muss die Doppelhelix aufgeschwungen werden.

Dies erfolgt durch die Topoisomerase und die DNA-Helikase spaltet die DNA auf.

Topoisomerase schneidet die DNA zurecht

DNA-Polymerase-Switching

Durch Sliding Clamps kann die Prozessivität von DNA-Polymerasen dramatisch erhöht werden.

in 3’-5’-Richtung

Die Synthese verläuft bidirektional:

Am Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert, da dieser von 5ʹ-3ʹ verläuft, der Folgestrang dagegen diskontinuierlich, weil die Stränge antiparallel (gegenläufig) sind.

Daher entstehen am Folgestrang Okazaki-Fragmente (der Strang wird stückweise von der DNA-Polymerase III von 3ʹ zu 5ʹ synthetisiert).

Der Primer wird von einer anderen DNA-Polymerase ersetzt.

Die Fragmente werden dann von der Ligase (Klebeenzym) wieder zu einem Gesamtstrang verknüpft.

Das Ergebnis sind zwei identische DNA-Stränge; die Replikation erfolgte semi-konservativ, da jeder Doppelstrang aus einem ursprünglichen und einem neusynthetisierten Einzelstrang besteht.

• die eigentliche Polymerase-Domäne -> Anhängen von Nukleotiden

• die DNA-Klammer -> um auf der DNA zu gleiten, ohne abzusetzen

• 5'-3'-Exonuklease-Domäne -> Korrekturlesefunktion direkt nach dem Einbau der Basen

Gesamte DNA, die ausgehend von einem einzelnen bestimmten Replikationsursprung repliziert wird.

Spezifische Stellen, an denen die anfängliche Entwindung der DNA und die Initiation der Replikation stattfindet.

Gesamtheit aller cis-aktiven DNA- Sequenzen, die zur Steuerung der Replikation der DNA ausreichen

Protein, das spezifisch eine Sequenz im Replikator erkennt und durch die Bindung an diese Sequenz die Replikation der DNA auslöst

1. Initiator bindet an DNA

2. leicht schmelzende DNA Region -> Trennung der DNA-Stränge

3. Rekrutierung weiterer Proteine

a) Der Initiator (Protein DnaA + ATP) bindet an dem Replikator oriC (9 bp lange Sequenz)

b) Die DNA in diesem Bereich (13-mer Adenin- und Thymin-reiche Region) wickelt sich um die DnaA-Proteine, sodass es zur Krümmung und Destabilisierung des DNA-Doppelstranges kommt

c) Zwei DNA-Helikasen (DnaB), die DNA-Helikase-Ladern (DnaC) enthalten, binden an den beiden Strängen an den Stellen, wo die Krümmung passiert ist.

d) Es kommt zur Entwindung der DNA-Molekül und DnaC entfällt. Die Helikasen bewegen sich an die entgegengesetzten Stellen. Die “geöffnete” DNA-Molekül schließt sich nicht wegen der Helikase. Es entsteht eine Replikationsblase

e) Zwei Primasen binden sich an den Helikasen und ermöglichen die Bindung der RNA-Primers an den Strängen. Die Primers haben ein 3’-Ende

f) Die zwei DNA-Polymerase binden an den Strängen. Dazu binden sich zwei RNA-Primers an jedem Strang. Die Primers besitzen einen 5’-Anfang. Alles ist vorbereitet für die Elongation

g) Die DNA-Polymerasen bewehen sich entgegengesetzt in der Richtung 5’ - 3’ bis die Helikasen mit den anderen RNA-Primers errecht sind. Die Sliding Clamps “fixieren” den neusynthetisierten Strang (?)

h) Die DNA-Polymerasen “überspringen” auf die RNA-Primers, die an den Helikasen gebunden sind, und die Replikation verläuft weiter in der Richtung 5’ - 3’

Bei der Replikationsblase gibt es quasi zwei Replikationsgabel, die gleichzeitig funktionieren. Jede besitzt jeweils einen Leit- und einen Folgestrang

Bildung eines Präreplikationskomplexes

1. ORC (origin recognition complex) bindet an Replikatorsequenz in DNA

2. unphosphorylierte CDC6+CDT1 (cell division cycle;Regulator+Beladungsprotein) binden zusammen an DNA (vorne und hinten)

3. MCM2-7 (Minichromosome Maintenance; Enzymkomplex, der als replikative Helikase fungiert) bindet vorne und hinten

   ==>Präreplikationskomplex (prä-RC) wurde gebildet

4. CDC6+CDT1 wird phosphoryliert und entfernt sich

   1. =>Hilfsfaktoren und Polymerasen heften sich an

5. Polymerase alpha+Primase heften sich an

   1. =>Start der Leitstrang-Synthese

6. Sliding Clamp+Clamp Loader heften sich an —> Polymerase alpha+Primase entfernen sich

   1. =>Start der Folgestrang-Synthese

1. Für die Initiation der Replikation durch bereits vorhandenen prä-RCs ist eine hohe CDK-Aktivität erforderlich.

2. Die gleiche CDK-Aktivität führt gleichzeitig zu einer Hemmung der Bildung neuer prä-RCs.

3. Niedrige CDK-Aktivitäten fördern die Bildung neuer prä-RCs

4. Niedrige CDK-Aktivitäten verhindern die Auslösung der Replikationsinitiation durch die bereits gebildeten neuen prä-RCs

Cyclin-dependent-Kinases

Enzyme, die maßgeblich an der Kontrolle des Zellzyklus beteiligt sind.

Sie gehören zur Gruppe der Proteinkinasen und zur Untergruppe der Serin/Threoninkinasen

• periodisch aktivierbare Proteinkinasen

• wichtigste Komponente des Zellzyklus-Kontrollsystem

• wird beeinflusst durch:

  • Phosphorylierung von Transkriptionsfaktoren

  • Dephosphorylierung von Transkriptionsfaktoren

  • Aktivierung der CDK-UH durch Anlagerung der Cycline

Typ-II-Topoisomerase

Die normale Folgestrangsynthese ist an den äußersten Enden linearer Chromosomen nicht möglich, da stets ein primer mit einer freien 3‘Oh Gruppe benötigt wird.

Diese OH-Gruppe wird zwar im Rahmen der Elongation durch einen RNA-Primer gewährleistet.

Dieser Primer wird aber nach erfolgter Synthese abgebaut, so dass ein „unvollständiges“ Ende bleibt.

Wirkt der Verkürzung der Chromosomenden entgegen

(Bei jeder Mitose verkürzen sich die Telomeren, die aus mehreren hundert einzelsträngigen DNA-Sequenzwiederholungen bestehen)

Zellkern

• kurze Abschnitte aus DNA und RNA, die während der DNA-Replikation am Folgestrangs gebildet werden

• Ein solches Fragment kann bei Eukaryoten 100 bis 200 Nukleotide lang sein, bei Prokaryoten 1.000 bis 2.000

• werden anschließend durch die Ligase miteinander verknüpft

verhindern die Dissoziation von der DNA während der Replikation

Veränderung des Erbgutes eines Organismus

Gen-,

Chromosom-,

Genommutation

Mutation die sich nur auf ein Gen-Abschnitt beschränkt.

Die kleinste Form wäre eine Punktmutation eines einzelnen Nukleotids

Mutation, bei denen Teile von Chromosomen falsch eingebaut werden oder ganz verloren gehen.

Mutation, bei denen ganze Chromosomen vermehrt auftreten oder verloren gehen.

Während der Replikation

Austausch einer Base gegen eine andere

die den Charakter der Nukleobase erhält. So wird eine Purinbase (A, G) durch die andere Purinbase ersetzt, ebenso verhält es sich bei den Pyrimidinbasen (U/T, C)

bei denen eine Purinbase durch eine Pyrimidinbase substituiert wird und umgekehrt.

Bei der Deletion werden eine oder mehrere Basen aus der Sequenz entfernt und das Raster hinter der Mutation verschiebt sich.

Mit der Insertion werden ein oder mehrere Basen in die Sequenz eingefügt.

Das Leseraster verschiebt sich nun um eine oder mehrere Basen nach recht

Korrekturleseaktivität wird die Genauigkeit der DNA-Replikation um etwa den Faktor 100 erhöht

Die korrekturlesende Exonuclease arbeitet jedoch nicht vollkommen fehlerfrei.

Fehlgepaarte Nucleotide können der Detektion und Reparatur entgehen

Konsequenz: bei der zweiten Replikationsrunde wurde zu der falsch geppaarten Base eine komplementäre angeordnet. Somit unterscheiden sich die ursprüngliche und die neue Sequenzen

1. Schnelle Findung sonst droht Manifestierung der Mutation

2. Fehlpaarung muss fehlerfrei korrigieren (Nicht der elterliche Strang)

Methylierungsmuster (Methylierung von Adeninresten) zeigen dem Reparatursystem an, welcher Strang neu synthetisiert wurde (neuer Strang enthält zunächst unmethylierte Nucleotide)

Sie schützt das Genom vor das zerschneiden der eigenen DNA

Alkylierung, Oxidation und Strahlung

Ultraviolette Strahlung (Sonnenlicht!) verursacht die Bildung eines Thymin-Dimers.

Die DNA-Photolyase erkennt und bindet an das Thymin-Dimer.

Unter der Einwirkung von sichtbarem Licht kann die Photolyase anschließend den ursprünglichen Zustand mit zwei Thyminen wiederherstellen

Photoreaktivierung

Entfernung einer sauerstoffgebundenen Methylgruppe.

Eine Methyltransferase katalysiert die Übertragung der Methylgruppe eines O6- Methylguaninrestes auf einen ihrer eigenen Cysteinreste. Kostspieliger Prozess: Nach der Übernahme kann die Methyltransferase nicht noch einmal verwendet werden, da sie nicht regeneriert werden kann.

Entfernung von Uracil aus einem DNA-Strang durch Spaltung einer glycosidischen Bindung mittels des Enzyms Uracil-Glycosylase. Anschließend spaltet eine Endonuclease das DNA-Rückgrat und erzeugt ein 3‘-OH-Ende

danach wird das DNA-Rückgrat von einer Exonuclease geschnitten, damit ein 5‘-Phosphatende ensteht.

Die resultierende Lücke wird durch eine Polymerase wieder aufgefüllt.

über Detektion von Verzerrungen in der doppelhelikalen DNA-Struktur in E.coli

über Detektion einer Blockade der Fortbewegung von DNA-Polymerasen

homologe Rekombination

ein Mechanismus zur DNA-Reparatur von Doppelstrangbrüchen.

1. Zufälliger Doppelstrangbruch: Entstehung eines Doppelstrangbruchs, beispielsweise durch chemische Mutagene oder ionisierende Strahlung.

2. Erkennen der freien Endstücke durch Ku70/Ku80: Ein Heterodimer, bestehend aus Ku70/Ku80 bindet an die offenen Enden. Dieser Prozess findet bereits wenige Sekunden nach einem Strangbruch statt, da Ku70/Ku80 eine hohe, sequenzunabhängige Affinität für freie DNA-Enden besitzt und in hoher Konzentration im Zellkern vorliegt. Ku70/Ku80 dient als Gerüst für die Bindung von weiteren Faktoren wie DNA-PKcs, XRCC4, DNA-Ligase IV. Sowohl die Reihenfolge der Rekrutierung als auch die Zusammensetzung der Faktoren variiert je nach Art des Doppelstrangbruchs.

3. Bearbeitung der Enden: Bevor die Enden zusammengefügt werden können, müssen üblicherweise einige Nukleotide entfernt werden und blockierende Hydroxyl- oder Phosphatgruppen modifiziert werden. Diese Exo- und Endonukleasen werden durch die DNA-PKcs phosphoryliert und aktiviert.

   1. Ligation der Endstücke: Die gebundene DNA-Ligase IV kann nun die Endstücke zusammenfügen.

Deletion= Größere Basensequenzen bis hin zu ganze Chromosomenabschnitte können betroffen sein

Punktmutation= einzelne Basen wurden falsch eingebaut

Gendefekt auf den Huntingten-Gen in Chromosom 4

Amplifikation von Triplett-Repeats (CAG)

Bis zu 42 Repeats liegt die Erkrankungswahrscheinlichkeit bei 100%

Krankheit wird früh manifestiert

Wird eher väterlicher seits vererbt

Folgen: Überbewegung oder Bewegungsverarmung, Zittern und Gleichgewichtsstörung

Deletion:

• mehr als 1 Basenpaar wird entfernt/ vertauscht

  • je nach dem wird die Proteincodierende Sequenz mehr oder weniger stark beeinträchtigen

Punktmutation:

• 1 Basenpaar wird vertauscht

  • je nach Ort der Mutation ist es mehr oder weniger schlimm

  • einfacher zu beheben

  • Wahrscheinlichkeit ist geringer, dass es gravierend ist

(Ultraviolette) Strahlung

(kann die Bildung eines Cyclobutan- Rings zwischen zwei benachbarten Thyminbasen induzieren (Thymin-Dimer))

Basenanaloga und interkalierende Reagenzien

(5-Bromuracil analog zu Thymin)

(flache Moleküle mit polycyclischen Ringsystem; assoziieren leicht mit Basen)

Fehlerhafte Polymerase

Photoreaktivierung

Entfernung einer sauerstoffgebundenen Methylgruppe

Basenexzisionsreparatur

Nucleotidexzisionsreparatur

homologe Rekombination

Nichthomologe Endverknüpfung

Baseflipping?

Ist ein Mutagenes Kation

Die Mutagenität von Ethidium wird durch seine Fähigkeit erklärt, in die DNA einzudringen und ihre Struktur zu verändern.

Ethidium interagiert mit den Adenin-Basen in der DNA

—>führt zu einer Verformung der Doppelhelix.

—>Veränderungen in der Anordnung der Basen

==>Mutationen

Ethidium kann auch direkt mit DNA-Reparatur-Enzymen interagieren

—>Funktion hemmen

—>Schäden an der DNA werden nicht richtig repariert

==>Mutationen entstehen.

genetische Rekombination, die der DNA-Reparatur dient

Bei Thymindimeren handelt es sich um eine DNA-Mutation, welche durch UV-Strahlung induziert wird.

Dabei verbinden sich zwei auf einem DNA-Strang nebeneinanderliegende Thymin-Basen über eine [2+2]-Cycloaddition kovalent zu einem Dimer, das ein relativ stabiles Cyclobutan-Derivat ist.

Doppelstrang-Bruch initiiert es

die kritischste aller DNA-Schäden

Während der S- und G2-Phase im Zellzyklus

Prophase in Geschlechterzellen

Während der Meiose kann es zum austausch von Allelen zwischen den Schwesterchromatiden führen (Crossing-over)

Voraussetzung für Crossing-over müssen Chromatiden direkt nebeneinander sein

—>genetische Diversität kann gefördert werden

Kopplungsprotein (RAD 51 bei Euk.) sucht nach identischen oder ähnlichen Sequenz zum 3’-Überhang

Ist dieser gefunden worden, bewegt sich der 3’-Überhang in das DNA-Molekül.

Durch Bindung von DNA-Polymerasen bildet sich eine Holliday-Kreuzung aus.

3’-Überhang wird entsprechend der homologen Sequenz verlängert.

Prozess, bei dem der 3’-Überhang zwischen der homologen DNA untergeschoben wird und sich die Holliday-Kreuzung bildet.

1. In Abwesenheit eines zweiten Endes bildet sich eine vollständig geformte Replikationsgabel aus und vervollständigt den Strang über die gesamte Länge des Chromosoms.

2. In Anwesenheit eines zweiten Endes können nach Verlängerung des 3'-Endes mögliche Lücken der homologen Chromosomen mittels Ligation geschlossen werden

3. In Anwesenheit eines zweiten Endes kann es im Vergleich zu b) nach Verlängerung des 3'-Endes zur Formation von Holliday-Kreuzungen an beiden Enden des Doppelstrangbruchs kommen. Dies kann zum Austausch von Sequenzen zwischen den homologen Chromosomen führen.

RECA Protein

Vorkommen überall

fördert die Stranginvasion

assoziiert mit einzelsträngiger DNA-Moleküle

RecA=Stranginvasion

RecBCD= erzeugt ssDNA-Enden, die das bevorzugte Substrat für die Initiation des Strangaustausches zwischen homologen dsDNA-Molekülen durch Stranginvasion darstellen

der RecBCD-Komplex erzeugt ssDNA-Enden, die das bevorzugte Substrat für die Initiation des Strangaustausches zwischen homologen dsDNA-Molekülen durch Stranginvasion darstellen

Mit einer Chi-Sequenz (Crossover hotspot instigator).

Das Enzym verdaut beide Stränge von der Bruchstelle aus, bis es auf eine Chi-Sequenz stößt.

Wenn RecBCD die DNA entwindet, wird einer der beiden resultierenden DNA-Einzelstränge nahe der Chi-Sequenz gespalten, was zu einem Einzelstrang-Ende und einer Lücke führt. In diesem Fall kann dort Crossing over erfolgen.

Rekombinase

Unter einem Transposon versteht man Elemente des menschlichen Genoms, welche nicht statisch an einem Abschnitt der Gene fixiert sind, sondern durch die sogenannte Transposition ihren Standort auf einem Gen ändern können.

• DNA-Transposons

• Virus-ähnliche Retrotransposons und Retroviren

• Poly-A-Retrotransposons

Biologischer Prozess, bei dem einer der beiden DNA-Stränge als Matrize benutzt wird, um eine RNA zu transkribieren (übertragen).

Die RNA ist komplementär zu der Basensequenz der DNA.

Eukaryoten:

Zellkern —> zwischenprodukt hnRNA —>posttranskriptionale Modifikation—> mRNA

Prokaryoten:

Cytoplasma

Initiation:

Rekrutierung und Zusammenbau der Transkriptionsmaschinerie

Elongation:

Das Ablesen des Gens und der Synthese einer komplementären RNA

Termination:

Beendigung der Transkription an einer spezifischen Sequenz

derjenige DNA-Einzelstrang der DNA- Doppelhelix eines proteincodierenden Gens genannt, der bei der Transkription für den Aufbau eines RNA-Einzelstrangs genutzt wird

Ein Promotor ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Expression eines Gens reguliert

Codogenen Strang

Andockstelle für Proteine, die die Transkription starten und regulieren

Bindung kann Expression verstärken (Gen enhancing)

Bindung kann Expression abschalten (Gen silencing)

(immer auf nur ein Gen bezogen)

TFIIB-Erkennungssequenz (Bre-Sequenz)

TATA-Box

Initiator (Inr)

Verschiedene Downstream-Promotorelemente (DPE, DCE, MTE)

(==> entweder TATA-Box oder DPE Element)

regulatorische Sequenzen

(Proteinbindene stellen, die Verstärken oder Hemmen)

Transkriptionsfaktor für die RNA-Pol2 (TF2D)/(TATA-Bindungsprotein/TBP) erkennt die TATA-Box

Polymerase bildet ein Präinitiationskomplex

Grund für diese zusätzlichen Voraussetzungen:

DNA-Matrize liegt in vivo zu Nucleosomen verpackt im Chromatin vor. Dieser Zustand erschwert den Zugang des Transkriptionsapparates an die DNA.

transkriptional regulatorische Proteine,

Chromatin-Modifizierte-Enzyme,

Mediatorkomplex

Capping des 5’-Endes der RNA aus modifizierten Guanosinrest

Funktion:

- Schutz vor Abbau durch Exonucleasen

- effizienter Transport aus dem Zellkern

Polyandenylierung des 3’-Endes der RNA

Spaltung der RNA kurz hinter dem Austrittskanal der Pol2

Hinzufügung vieler Adenosinreste am 3’-Ende

Abbau des RNA-Fragments, was mit Pol2 assoziiert

Termination der Transkription

Funktion:

Schutz vor Abbau

Steigerung der Translationsrate (bis zu 20%)

Wichtiger Schritt zur Weiterverarbeitung (Prozessierung) der RNA, bei dem Prä-mRNA zur reifen mRNA entsteht.

Prä-mRNA beinhaltet noch Introns und Exons

Introns werden entfernt, da diese nicht-codierend sind

übrig bleiben die Exons, also die codierende Gene

==> fertige mRNA

zusammen mit Polyadenylierung des 3’-Endes nach der Transkription

(posttranskriptioneller Vorgang)

Der Spleißprozess beginnt, wenn ein Enzym namens Spliceosom an eine spezifische Stelle in der RNA bindet.

Diese Stelle wird als Intron-Exon-Grenze bezeichnet und markiert den Bereich, der aus der RNA entfernt werden soll.

(Introns werden in einer als Lasso bezeichneten Form entfernt)

Das Spliceosom fügt dann Enzyme hinzu, die das Intron aufspalten und die benachbarten Exons zusammenfügen.

Dieser Prozess wird als Spleißen bezeichnet.

Nach dem Spleißen wird das Intron entfernt und die verbleibenden Exons werden zu einer funktionalen RNA zusammengefügt.

Diese RNA kann dann in das Cytoplasma transportiert werden, wo sie als Vorlage für die Synthese von Proteinen dient.

Komplex aus etwa 150 Proteine und 5 RNA’s

U1-6 snRNAs (kleine fragmente RNAs)

zusammen mit mehreren Proteinen —> snRNPs (snurps/ kleine nucleäre Ribonucleoproteinkomplexe)

Gruppe-1-Introns

Gruppe-2-Introns

alternative Spleißvorgänge:

1. Exon wird übersprungen

2. Intron wird nicht ganz rausgeschnitten

3. Intron wird beibehalten

4. Exons werden verkehrt zusammengebracht

Zellorganellen wie Chloroplasten und Mitochondrien

Zweischrittmechanismus:

Guanosin in der RNA greift nucleophil an 5’-slice-site an

die 3’- Hydroxygruppe des 5’ gelegenen Exons, greift nun seinerseits als Nucleophil die 3’-splice-site an

beide Exons unter Freisetzung des Introns werden miteinander verknüpft

Zellorganellen wie Mitochondrien von Hefen und anderen Pilzen

Zweischrittmechanismus:

durch die Struktur der RNA ein 7 oder 8 Nukleotide upstream der 3’ splice-site gelegenes Adenosin wird in die Lage versetzt die 5’ splice-site nucleophil mit seiner 2’ Hydroxy-Gruppe angreifen zu können

In einer zweiten Reaktion, ähnlich der der Gruppe-I-Introns, greift schließlich die 5’- splice-site die 3’ splice-site nucleophil an, was zur Verknüpfung beider Exons und dem Freisetzen des Introns führt.

RNA dessen chemische Aktivität Introns entfernt, ohne hilfe weiterer Enzyme, also sind sie selbst Ribozyme.

Autokatalytisches Spleißen ist ein Prozess, bei dem RNA-Moleküle sich selbst spalten, um funktionelle RNA-Moleküle zu produzieren.

Dieser Prozess wird auch als Selbstspleißen bezeichnet und kommt in vielen verschiedenen Arten von RNA vor, einschließlich ribosomaler RNA (rRNA), Transfer-RNA (tRNA) und kleiner nucleärer RNA (snRNA).

CGRP steht für Calcitonin Gene-Related Peptide, ein neuropeptid, das in verschiedenen Teilen des Gehirns und des Zentralnervensystems produziert wird.

Es spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung von Schmerzen, Blutdruck, Magen-Darm-Funktion und anderen physiologischen Prozessen.

CGRP wird hauptsächlich in Neuronen produziert.

Bsp. für Gewebespezifisches Spleißen: Calcitonin aus der Schilddrüren-Follikel

(zu unterschiedlichen Hormonvarianten)

Das gleiche primäre Transkript kann in unterschiedlichen Orten im Körper zu unterschiedlichen RNA gespleißt werden und somit unterschiedliche Proteine raus kommen.

Eine Art von RNA-Editierung ist die Desaminierung, bei der eine Aminogruppe von einem RNA-Basenpaar entfernt oder ausgetauscht wird.

Dieser Prozess kann dazu führen, dass sich die Basensequenz des RNA-Moleküls von der Basensequenz der entsprechenden DNA unterscheidet. Die Desaminierung von RNA kann durch Enzyme vermittelt werden, die C zu U umwandeln oder A zu I wird usw...

Die RNA-Editierung ist ein weiterer Weg, die Sequenz einer mRNA.

(RNA-Editierung ist ein wichtiger Mechanismus zur Regulation von zellulären Prozessen und kann dazu beitragen, die Funktion von Proteinen zu verändern oder anzupassen. Es kann auch dazu beitragen, die Genexpression zu regulieren und die Entstehung von Krankheiten wie Krebs zu verhindern.)

Calcitonin ist ein Hormon, das vom Schilddrüsen-Follikel produziert wird und hauptsächlich in der Regulation des Kalziumstoffwechsels im Körper beteiligt ist. Es hat folgende Funktionen:

1. Senkung des Kalziumspiegels im Blut:

   (Calcitonin wird produziert und freigesetzt, wenn der Kalziumspiegel im Blut zu hoch ist. Es hilft, den Kalziumspiegel im Blut durch Hemmung der Knochenresorption und Förderung der Calciumeinstellung im Gewebe zu senken.)

2. Förderung der Knochenbildung:

   (Calcitonin kann auch dazu beitragen, die Bildung von neuem Knochengewebe zu fördern, indem es die Aktivität von Knochengewebszellen namens Osteoblasten stimuliert.)

3. Schmerzlinderung:

   (Calcitonin wird auch als Schmerzmittel verwendet, insbesondere bei Knochenschmerzen, die bei bestimmten Knochenerkrankungen auftreten können. Es wird in der Regel als Nasenspray oder Injektion verabreicht.)

4. Regulation des Calciumbedarfes:

   (Calcitonin hilft auch bei der Regulierung des Calciumbedarfes des Körpers, indem es die Calciumausscheidung durch die Nieren und die Calciumeinstellung im Gewebe reguliert.)

5. Andere Funktionen: Calcitonin wird auch angenommen, dass es eine Rolle bei der Regulation des Blutdrucks und der Herzfunktion spielt, obwohl diese Funktionen noch nicht vollständig verstanden sind. Es wurde auch gezeigt, dass Calcitonin eine immunmodulatorische Wirkung hat und bei der Behandlung von bestimmten Autoimmunerkrankungen eingesetzt werden kann.

Bsp. für Gewebespezifisches Spleißen: CGRP aus dem Gehirn und ZNS

1 - Capping des 5‘-Endes der RNA

2 - Polyadenylierung des 3‘-Endes der RNA

3 - Spleißen und Editieren von RNA

• TFIIB-Erkennungssequenz (Bre-Sequenz)

• TATA-Box

• Initiator (Inr)

• Verschiedene Downstream-Promotorelemente (DPE, DCE, MTE)

• effektiver Transport aus dem Zelkern

• Entfernung von nicht-codierenden Introns (bei Spleißing)

Ribozyme sind RNA, die chemische Reaktionen katalysieren

Beispiel: snRNAs im Spliceosom sind zuständig für die Umwandlung der hnRNA in reife mRNA bei der Transkription durch das Entfernen der Introns

mRNAs

tRNAs

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen

Ribosomen

Die Translation ist in der Biochemie ein Teilprozess der Proteinbiosynthese.

Sie bezeichnet die Übersetzung von Informationen, die in der Basensequenz der mRNA enthalten sind, in die Aminosäuresequenz der Proteine.

Die mRNA vereinigt sich im Zytoplasma mit den Ribosomen, an denen das Polypeptid gebildet wird.

Während die Ribosomen an der mRNA entlanggleiten, wird deren genetische Information in die Aminosäuresequenz des zu bildenden Proteinmoleküles übersetzt.

Die im Zytoplasma befindlichen, freien Aminosäuren werden an das 3'-Ende einer tRNA (transfer RNA) gebunden, welche sie zum Ribosom transportiert.

open reading frame = offener lese Rahmen

ORF liest man immer ab...

Startcodon (Eukaryoten: AUG / Prokaryoten: AUG, GUG, UUG) und Stoppcodon (UGA, UUA, UAG bei Euk+Prok)

in dreier Schritten wird eine Aminosäure notiert

immer von 5’-3’-Richtung

monocistronisch wird eine mRNA bezeichnet, die ein einzelnes Cistron codiert, was ein Gen entspricht.

—> nur ein ORF

polycistronisch wird eine mRNA bezeichnet, die mehrere Proteine codiert, was mehrere Gene entspricht.

—> mehrere ORF

(Als polycistronisch wird eine mRNA bezeichnet, wenn diese Informationen zur Synthese mehrerer Proteine bereitstellt, d.h. in sich die Information mehrerer Gene trägt.)

Prokaryoten - beide

Eukaryoten - monocistronisch

polycistronisch:

mehrere Ribosom-Bindungs-Stellen

mehrere Start-Stopp-Codons

—> mehrfache ORF

mehrere Aminosäureketten werden gebildet

Aminosäureketten sind ggf kürzer

monocistronisch:

1xStart-Stopp-Codon

1xAminosäurekette (ggf länger als polycistronisch)

—>1xORF

Ribosom-Bindungs-Stellen (RBS) auch Shine/Dalgarno-Sequenz genannt bindet ständig neue Ribosomen an, um die Aminosäurekette zu bilden

Eukaryontische mRNAs sind am 5‘- und am 3‘-Ende modifiziert, um die Translation zu erleichtern

Rekrutierung der Ribosome mithilfe der 5’-Cap Struktur.

Die 5‘Cap ist notwendig, um das Ribosom und die mRNA passgenau zusammenzuführen.

Ribosom wandert in 5‘-3‘-Richtung an der mRNA entlang, bis es auf das erste AUG trifft (Startcodon!)

Dieser Vorgang wird als Scanning bezeichnet

eine Purinbase (also Adenin oder Guanin) sitzt an dritter Stelle hinter dem Startcodon

1. Purinbase (A oder G) drei Nucleotide stromaufwärts des Startcodons zusammen mit einem Guanin unmittelbar hinter dem Startcodon

1. Poly-A-Schwanz am 3‘-Ende der mRNA (Anfügung durch die Poly-A-Polymerase).

   Poly-A-Schwanz verstärkt die Translation, indem er die Neuinitiation der Ribosomen fördert.

tRNA ist die Kurzform für Transfer-RNA.

Transfer-RNAs sind kurze Ribonukleinsäuren (RNA).

Die Länge reifer tRNAs liegt in der Regel zwischen 73 und 95 Nukleotiden.

Über das Basentriplett ihres Anticodons vermitteln sie bei der Translation die richtige Aminosäure zum entsprechenden Codon auf der mRNA.

tRNAs sind Adaptoren, die zwischen Codons und Aminosäuren vermitteln

Hier findet wird der zugehörige Aminoacylrest („die Aminosäure“) kovalent angeknüpft

Ausbildung einer Kleeblatt-Struktur

eine drei Nucleotide lange Sequenz, die für die Passung und Bindung eines komplementären Codons einer mRNA zuständig ist

(a) Kleeblatt-Struktur

(b) L-Förmige Tertiärstruktur

Schritt 1: Adenylierung

Schritt 2: Beladung der tRNA

• bestehend aus Proteinen und rRNA

• zelluläre Partikel, die die Proteinbiosynthese katalysieren

• zu finden im Cytoplasma, raues ER, Mitochondrien und Chloroplasten

rund bis ellipsoider Form

durchmesser 20-25nm

Die beiden Untereinheiten vereinen sich in Abhängigkeit von

Magnesium, Translationsfaktoren und mRNA

—> Beginn

Eukaryotische:

80S (GE=60S; KE=40S) groß

Prokaryotische:

70S (GE=50S; KE=30S) groß

S=Massenangabe als nichtlineare Svedberg-Zentrifugationskonstante

also wie schnell ein Partikel in einer Flüssigkeit sinkt?

GE= Peptidyltransferasezentrum (Verknüpfung der Peptidbindungen)

KE= Decodierungszentrum (Ablesen der Codons der mRNA durch die beladenen tRNAS)

GE=50S—> 5S-rRNA(120Nucleotide), 23S-rRNA(2.900 Nuclotide), ca. 34 Proteine

KE=30S —> 16S-rRNA(1.540 Nucleotide), 21 Proteine

Insgesamt 70S

GE= 60S

5,8S-rRNA(160 Nucleotide), 5S-rRNA(120 Nucleotide), 28S-rRNA(4.700 Nucleotide), 49 Proteine

KE= 40S

18S-rRNA(1.900 Nucleotide), ca. 33 Proteine

Transkription und Translation finden im selben Kompartiment statt

mehrere Ribosomen aneinandergereit

translatieren aus der mRNA die Polypeptidketten

A-Stelle: Akzeptorstelle

P-Stelle: Peptidylstelle

E-Stelle: Exit-Stelle

==>3

Stopcodons werden von Proteinen erkannt, die als Release-Faktoren bezeichnet werden und die hydrolytische Abspaltung des Polypeptids von der Peptidyl-tRNA auslösen

1. Ribosom und mRNA müssen zusammenfinden

2. beladene tRNA muss in die P-Stelle eintreten

3. Ribosom muss sich präzise über den Startcodon ausrichten

GE macht platz

IF3 Protein besetzt E-Stelle

IF1 Protein besetzt A-Stelle + teil von IF2 Protein unter Energieeinfluss von GTP heftet an IF1

fMet-tRNA+mRNA richtet sich an Ribosom

IF3 löst sich und GE setzt auf

IF1+2 löst sich (GDP+P entsteht)

Translation beginnt..

Initiator-tRNA besitzt ein Anticodon, das komplementär zu einem Startcodon ist (AUG) und initiiert somit die Translation.

Bei Prokaryoten:

Initiator-tRNA ist mit N-Formylmethionin beladen (Formylierung an der a- Aminogruppe) als Schutzgruppe, damit eine Reaktion des Aminoterminus verhindert wird.

1. Die korrekte Aminoacyl-tRNA wird an die A-Stelle (Akzeptorstelle ) des Ribosoms gebunden

2. Eine Peptidbindung zwischen der Aminoacyl-tRNA an der A- Stelle und der Peptidyl-tRNA an der P-Stelle wird gebildet.

3. Die neue, um einen Aminosäurerest verlängerte Peptidyl- tRNA muss von der A- an die P-Bindungsstelle wandern (Translokation)

Initiation

Elongation

Termination

Aminoacetyl-tRNA-Bindung

Peptidbindungsbildung

Translokation

funktionell eine tRNA

Aminosäuren werden durch Codons repräsentiert.

Viele AS besitzten mehr als ein Codon.

Da die 64 unterschiedlichen Codons für die 20 natürlichen Aminosäuren codieren, ist der genetische Code „degeneriert“ (also es kommt vor, dass mehreren Codons diesselbe Aminosäure entsprechen; zum Beispiel die Codons UAU und UAC codieren beide für die Aminosäure Tyrosin)

31-45

Adenin-Uracil, Guanin-Cytosin

Aufgestellt von Francis Crick 1966

ersten beiden Basen im Anticodon von 5’-3’-Richtung bilden starke Watson-Crick-Basenpaare (A-U, G-C)

dritte Base ist die Wobble-Base (geht auch weitere Basenpaarungen ein)

Da es AS gibt, die mehr als ein Codon besitzen, aber nur eine tRNA, kommt es zu unüblichen Basenpaarungen

(Bsp. Serin: -UUC- und -UCU-, Anticodon -AGG-; U paart sich mit G)

wird sterisch oder Keto-Enol-Tautomerie ermöglicht

(Damit diese Paarungen möglich sind, müssen die Basen aus ihrer Position am Ribosom während der Translation „herauswackeln“.)

Uracil, welches unübliche Wasserstoffbrückchen-Bindung eingeht

Inosin, welches Bindungen mit A, U und C eingeht

ACGTACGGATGCACGTGTCAGCTGGACTCTUGC AUG CCU ACG UGC ACA GUC GAC CUG AGA

Cys-Met-Pro-Thr-Cys-Thr-Val-Asp-Leu-Arg

mRNAs

tRNAs

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen

Ribosomen

Startcodon (Eukaryoten: AUG / Prokaryoten: AUG, GUG, UUG) und Stoppcodon (UGA, UUA, UAG bei Euk+Prok)

Polycistronisch bedeutet, dass die mRNAs durch mehrere verschiedene Gene kodiert werden

Findet nur bei Prokaryonten statt

Shine/Dalgarno-Sequenz - vermittelt die Anlagerung des Ribosoms an die mRNA und ist somit an der Bildung des Initiationskomplexes beteiligt

Kozak-Sequenz - 5’-G/ANNAUGG-3’ - reguliert die Effizienz der Translationsinitiation

die Sequenz auf der mRNA, ein Bestandteil der ribosomalen Bindungsstelle von prokaryotischen mRNAs

Viele Aminosäuren werden durch mehr als ein Codon repräsentiert

Die Tripletts, die für dieselbe Aminosäure codieren, unterscheiden sich oft nur in ihrer dritten Base. Die Tripletts 5’–UCC–3’ und 5’–UCU–3’ codieren zum Beispiel beide für Serin. An beide Tripletts kann nun die tRNA mit dem Anticodon 3’–AGG–5’ binden, was in einem der beiden Fälle zu der unüblichen Basenpaarung G–U führt. Damit diese Paarungen möglich sind, müssen die Basen aus ihrer Position am Ribosom während der Translation „herauswackeln“

Von der Wobble-Paarung ist also nur die letzte Base betroffen, also die in 3’-Richtung auf der mRNA bzw. komplementär in 5’-Richtung auf der tRNA. Die erste und zweite Base bilden stets die üblichen Watson-Crick-Paarungen (A–U und G–C)

erkennen als DNA-bindende Moleküle spezifische Stellen an den Genen oder in der Nähe von Genen und so beitragen zur Steuerung der Transkription

Stelle, an der ein Repressor bindet

• Aktivator: positiv wirkend, stimulierend

• Repressor: negativ wirkend, hemmend

1. Aktivierung durch Rekrutierung der RNA-Polymerase

2. Allosterische Aktivierung der RNA-Polymerase

Aktivatormoleküle, die auf diesen Promotortyp einwirken, rufen eine Konformationsänderung entweder der RNA-Polymerase oder der DNA hervor. Umwandlung in die offene Form ist so möglich

3. Fernwirkung und Schleifenbildung der DNA

Aminoacyl-tRNA

erkennt als Bestandteil des Initiationskomplexes das Startcodon auf der mRNA

in den meisten Fällen kodieren diese Gene für Proteine, die in ihrer Funktion dem selben Zweck dienen

Die Funktion des Operons wird durch verschiedene Repressoren bzw. Aktivatoren am Operator reguliert. So können z.B bei Anwesenheit eines Nährstoffes alle benötigten Enzyme hergestellt werden, die für die Umsetzung nötig sind. Gleichzeitig kann dieser Prozess auch über einen Repressor (z.B das Endprodukt) wieder deaktiviert werden.

ein Mechanismus in Prokaryonten, der die Transkription durch Abwandlung der Sekundärstruktur neu entstehender RNA-Moleküle reguliert

eine Funktionseinheit der prokaryotischen DNA

besteht aus:

Promotor, ein oder mehrer Operator(en), Strukturgene

Der Transkriptionsvorgang wird beendet, indem die transkribierende RNA-Polymerase von der DNA-Vorlage getrennt wird, wenn infolge von Wechselwirkungen innerhalb des soeben aufgebauten mRNA-Anfangsbereichs durch interne Basenpaarung eine Haarnadelstruktur gebildet wird an der Terminatorstelle, dem Attenuator.

Allerdings ist diese terminierende Schleifenbildung in der Sekundärstruktur der mRNA nicht möglich bei bestimmten Positionen eines gleichzeitig voranschreitenden und die entstehende mRNA translatierenden Ribosoms.

Diese Positionen nimmt das Ribosom aber nur ein bei einer verzögerten Translation, erst deren Verzögerung erlaubt somit die Fortsetzung der Transkription über den Attenuatorbereich hinaus. Verzögert wird der Translationsprozess etwa, wenn nicht prompt

Der häufigste Mechanismus der Genregulation: Geschwindigkeit, mit der die Transkription eingeleitet wird

Translation bietet auch Möglichkeiten, die in einer Zelle produzierten Proteinmengen zu regulieren.

Allgemein spricht man von der posttranskriptionellen Genregulation

1. Rekrutierung von Proteinkomplexen an die DNA durch eukaryontische Aktivatoren

1. Rekrutierung von Nucleosom-Modifizierer

1. Regulation durch Modifikationen der Histone und der DNA

1. Signaltransduktion und Steuerung von Transkriptionsregulatoren

1. Kontrolle der Genexpression nach der Transkription