Biologie Kapitel 5 - DNA und RNA

DNA Aufbau

• DNA besteht aus Nukleotiden
• Nukleotide bestehen aus einer Base, einem Zucker (Desoxyribose) und einem Phosphatrest.
• Es gibt vier Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).
• Nukleotide sind durch Phosphodiesterbindungen verbunden. Die Abfolge der Basen codiert genetische Informationen.

Genetische Information

• Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt, der für ein bestimmtes Protein codiert.
• Ein Gen codiert für die jeweilige Aminosäuresequenz eines Proteins.
• Ein Chromosom ist ein organisiertes genetisches Element, das lebenswichtige Gene für die Zellfunktionen enthält.
• Das Genom ist der Gesamtsatz aller Gene einer Zelle.

Bausteine der DNA: Nukleotide

• Die Basen Adenin (A) paaren sich mit Thymin (T).
• Die Basen Guanin (G) paaren sich mit Cytosin (C).
• Die Phosphatgruppen verbinden die Zuckermoleküle und bilden den DNA-Rückgrat.
• Die DNA-Sequenz beschreibt die Abfolge der Nukleotide.

Nukleotide

• dATP: Adenosin-triphosphat
• dADP: Adenosin-diphosphat
• dAMP: Adenosin-monophosphat

Bausteine der DNA/RNA: Nukleotide

• Nukleotide bestehen aus einer Base, einem Zucker (Desoxyribose bei DNA, Ribose bei RNA) und einem Phosphatrest.

Die Bausteine

• DNA enthält Desoxyribonukleinsäure (Desoxyribose als Zucker)
• RNA enthält Ribonukleinsäure (Ribose als Zucker)

Der DNA Strang

• Nukleotide sind über Phosphodiesterbindungen in längliche Ketten verbunden.
• Die DNA-Kette hat eine 5' und eine 3' Enden.
• Die DNA-Kettensynthese verläuft in 5' zu 3' Richtung.

Struktur der DNA: Doppelhelix

• Die DNA ist eine Doppelhelix, bestehend aus zwei komplementären Strängen.
• Die beiden Stränge sind antiparallel angeordnet (5' zu 3', 3' zu 5').
• Die Basen der beiden Stränge sind über Wasserstoffbrücken verbunden (A-T, G-C).

Die DNA-Doppelhelix

• Die DNA besteht aus zwei antiparallelen Strängen, die eine Doppelhelix bilden.
• Die Nukleinbasen liegen waagrecht zwischen den zwei Rückgratsträngen
• Die DNA-Doppelhelix ist durch eine Helix-Windung mit 10 Basenpaare charakterisiert.

Das Chromosom

• Prokaryonten besitzen ein einzelnes, kovalent geschlossenes, ringförmiges Chromosom.
• Das Chromosom ist im Nukleoid angeordnet.
• Das Chromosom wird durch Überspiralisierte Superhelices organisiert.

DNA-Gyrase

• DNA-Gyrase ist ein Enzym, das DNA-Doppelstrangbrüche einführt und wieder verknüpft.
• Das Enzym DNA-Gyrase verdreht die DNA und führt Doppelstrangbrüche ein.
• DNA-Gyrase sorgt für die Überspiralisierte DNA und Verdrillung.

DNA-Replikation

• Die Replikation ist der Prozess, bei dem eine DNA-Kopie erstellt wird.
• semikonservativ: jeder neue DNA-Doppelstrang enthält einen alten und einen neu synthetisierten Strang.
• Die DNA-Synthese findet an Replikationsgabeln statt.
• Die Replikationsrichtung verläuft von 5' zu 3'.

Replikationsrichtung

• Die DNA-Polymerasen arbeiten in der 5'-3' Richtung.

DNA-Polymerasen

• DNA-Polymerasen sind Enzyme, die an der DNA-Replikation beteiligt sind.
• DNA Polymerase I hat 3' zu 5' Exonukleaseaktivität und ist am Primerentfernen beteiligt, es gibt auch 5' zu 3' Exonukleaseaktivität für die Fehlererkennung und Korrektur.
• DNA-Polymerase II ist am Reparaturn Prozess der DNA beteiligt.
• DNA-Polymerase III ist die Hauptenzym der Replikation und ist wichtig für die kontinuierliche DNA-Synthese.
• DNA-Polymerasen haben eine Korrekturlesefunktion (3'→ 5' Exonuklease-Aktivität).

DNA Replikation: Der erste Schritt

• Für die Synthese einer neuen DNA-Kette ist ein Primer notwendig.
• Ein Primer ist ein kurzes RNA-Stück.
• Primase ist ein RNA-Polymerase-Enzym, das RNA Primer erzeugt.

Der RNA Primer

• RNA Primer dient als Startpunkt der DNA-Synthese.
• Der RNA Primer entspricht der zu kopierenden Mutter-DNA-Sequenz
• Die RNA Primer wird durch DNA-Polymerasen entfernt.

Replikation ringförmiger DNA

• Die Replikation von ringförmiger DNA beginnt an einem Replikationsursprung.
• Eine Replikationsgabel entsteht und die Synthese findet bidirektional statt.
• Die Replikation verläuft über eine Theta-Struktur
• Die DnaA Box ist der Ursprung der Replikation

Die Replikationsgabel

• Helikase trennt die DNA-Doppelhelix an der Replikationsgabel.
• Einzelstrang-Bindeproteine verhindern das erneute Verbinden der beiden Einzelstränge.
• Primase erzeugt RNA-Primer.
• DNA-Polymerase fügt Nukleotide zum Leitstrang und Folgestrang hinzu.
• Okazaki-Fragmente entstehen am Folgestrang, sie werden später durch DNA-Ligase verknüpft.

Verknüpfen von zwei DNA Fragmenten

• DNA-Polymerase III ist am Verbinden der Okazaki Fragmente beteiligt
• DNA-Polymerase I entfernt den RNA Primer
• DNA-Ligase verbindet die DNA Fragmente

Bidirektionale Replikation

• Die Replikation findet von einem Ursprung ausgehend in beide Richtungen statt.

Mutation

• Fehler in der DNA-Replikation können zu Mutationen führen.
• DNA-Polymerasen haben eine Korrekturlesefunktion mit 3'→ 5' Exonukleaseaktivität.
• Diese Aktivität entfernt fehlerhafte Nukleotide.

Korrekturlesen

• Während der Replikation entdeckte Fehler werden durch die 3'-5'-Exonuklease-Aktivität korrigiert. Fehler werden durch die Aktivität erkannt und durch das richtige Nukleotid ersetzt.

Transkription

• Die Transkription ist der Prozess, bei dem eine RNA-Kopie eines Gens hergestellt wird.
• RNA-Polymerasen katalysieren die Bildung von Phosphodiesterbindungen.
• Die Transkription verläuft in 5'→ 3' Richtung und verwendet DNA als Vorlage.

Die RNA Synthese

• RNA besteht aus einem Ribosenzucker, Phosphat und vier Basen: Adenin (A), Uracil (U), Guanin (G) und Cytosin (C).
• RNA ist einzelsträngig.
• RNA-Polymerase katalysiert die RNA Synthese.

Die RNA Haupttypen

• mRNA: Messenger-RNA, tragt die genetischen Informationen von DNA an die Ribosomen
• tRNA: Transfer-RNA, überträgt Aminosäuren zum Ribosom
• rRNA: Ribosomale RNA, bildet einen Bestandteil der Ribosomen zur Proteinbiosynthese

RNA Polymerase

• RNA Polymerasen sind Enzyme, die an der Transkription beteiligt sind.
• Nur ein DNA-Strang wird bei der Transkription kopiert
• Die Transkription beginnt am Promotor und endet am Terminator.
• Die 5′→ 3′ Richtung der DNA wird auch in der RNA 5′→ 3′ Richtung kopiert, was wichtig für die Proteinbiosynthese ist.

Genpromotoren

• Genpromotoren sind DNA-Sequenzen, die die Genexpression regulieren, indem sie die RNA-Polymerase an die richtige Stelle führen.

Schritte der RNA Synthese

• Initiations-, Elongations- und Terminationsschritte.
• RNA-Polymerase bindet an einen Promotor.
• Polymerase bewegt sich entlang des DNA-Stranges.
• Der Sigmafaktor wird während der Elongation freigesetzt.

Rho-unabhängige Termination

• Der Prozess der Transkription endet an bestimmten Sequenzen im DNA-Strang.
• Die RNA-Sequenz faltet zu einer Sekundärstruktur, die die Transkription beendet.
• Die Polymerase wird von der DNA abgelöst.

Rho-abhängige Termination

• Ein Protein namens Rho ist daran beteiligt, die RNA-Polymerase zu lösen.
• Rho bindet an die RNA und bewegt sich zum Transkriptionsende
• Die RNA-Polymerase wird von der DNA abgelöst.

rRNAs und tRNAs

• rRNA-Gene werden in Operonen transkribiert.
• Prozessierung ist notwendig, um reife tRNA zu erzeugen
• rRNA und tRNA sind wichtig für die Proteinbiosynthese.

Start- und Stopcodons

• Startcodon AUG kodiert für Methionin und
• Stoppcodons (UAA, UAG, UGA) beenden die Translation.
• Die Codons sind dreierlei Buchstabenkombinationen.

Mögliche Leserahmen

• mRNA kann auf drei verschiedene Arten gelesen werden
• Das Lesen beginnt mit dem Start-Codon AUG, welches auch den Amino-Acid-Start für die Sequenz darstellt. Die Leserichtung bestimmt das entstehende Protein.

Offene Leserahmen

• Offene Leserahmen (ORF) sind Abschnitte der mRNA, die von einem Startcodon bis zu einem Stopcodon reichen und ein Protein kodieren.

Die transfer-RNA

• tRNA-Moleküle haben eine kleeblattartige Sekundärstruktur
• tRNA hat ein Anticodon zum Codon der mRNA
• tRNA trägt die spezifische Aminosäure, die an das Codon passt.

Aminoacyl-tRNA-Synthetasen

• Aminoacyl-tRNA-Synthetasen verbinden tRNA-Moleküle mit ihren spezifischen Aminosäuren.
• Es gibt eine spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetase für jede Aminosäure.

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Der Vorgang der Proteintranslation

• Initiation, Elongation, Translokation und Termination

Shine-Dalgarno Sequenz

• Die Shine-Dalgarno-Sequenz ist eine kurze Nukleotidsequenz in der mRNA, dient als Ribosom-Bindungsstelle.

Der Vorgang der Proteintranslation - Initiation

• Die Initiator-tRNA bindet an die Startcodon (AUG) durch Wasserstoffbrücken.
• Die kleine Ribosomen-Untereinheit bindet am Startsignal auf die mRNA.
• Eine große Ribosomen Untereinheit bindet auch an die mRNA, und somit ist die Initiation abgeschlossen

Initiationskomplex

• Der Initiationskomplex besteht aus der mRNA, der Initiator tRNA, der kleinen und der großen Ribosomenuntereinheit.

Der Vorgang der Proteintranslation - Elongierung

• Beladene tRNA bindet an die A-Stelle.
• Bildung der Peptidbindung zur Aminosäure in der P-Stelle
• Die beladene tRNA positioniert sich nach der Peptidbildung in der P-Stelle.

Der Vorgang der Proteintranslation - Translokation

• Das Ribosom verschiebt sich entlang der mRNA, um zum nächsten Codon zu kommen.
• Die leere tRNA wird aus der E-Stelle freigesetzt.

Polysomen

• Translation einer einzigen mRNA durch mehrere Ribosomen zur Protein Bildung. Diese Mehrribosomen-Struktur wird als Polyribosom oder Polysom bezeichnet.

Der Vorgang der Proteintranslation - Termination

• Wenn ein Stopcodon (UAA, UAG oder UGA) erreicht wird, bricht die Synthese ab.
• Die beiden Ribosomen-Untereinheiten trennen sich von der mRNA.

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