Molekularbiologie: Von Gen zum Protein

Vom Gen zum Protein

• Das Zentrale Dogma der Molekularbiologie beschreibt den Weg vom Gen zum Protein: DNA -> RNA -> Protein
• Der Verlauf des Weges vom Gen zum Protein ist in Bacteria und Eukarya grundsätzlich gleich

Aufbau der RNA

• Ribose statt Desoxyribose im Zuckermolekül
• Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Uracil (U) statt Thymin (T)
• 5‘-Ende: Phosphatrest, 3‘-Ende: Hydroxyl-(OH)-Gruppe
• RNA liegt in der Zelle meist als Einzelstrang vor

Struktur eukaryotischer Gene

• Promotor: Bereich, in dem die Transkription initiiert wird
• Startcodon: Basetriplett, das die erste Aminosäure des kodierten Proteins repräsentiert
• Stopcodon: Basetriplett, das das Ende der Aminosäurebiosynthese kennzeichnet
• 5‘-UTR und 3‘-UTR: Bereich am 5‘- und 3‘-Ende der RNA, die nicht für Aminosäuren des Proteins kodiert
• Exon: für das Protein kodierender Bereich
• Intron: Bereich zwischen Exons, die nicht in Aminosäuren übersetzt werden

Transkription

• Initiation: Bindung von Transkriptionsfaktoren an den Promotor
• Elongation: Synthese der RNA-Chain durch die RNA-Polymerase
• Termination: Beendigung der Transkription durch erreichen eines Stopcodons
• Posttranskriptionelle Prozessierung: Polyadenylierung, Spleißen und RNA-Editing

Spleißen der mRNA

• Entfernen der Intron-Bereiche zwischen den Exon-Regionen
• Vermittelt durch konservierte Sequenzmotive im Intron
• Zwei aufeinanderfolgende Umesterungsreaktionen

Der Genetische Code

• Übersetzung der Nukleotidsequenz eines RNA-Moleküls in die Aminosäuresequenz eines Proteins
• Prinzip: eine Abfolge aus drei Basen (Triplett, Codon) wird einer Aminosäure zugeordnet
• Universell und degeneriert

Translation

• Struktur der Ribosomen: 40S-Untereinheit und 60S-Untereinheit
• tRNA: transfer-RNA, Kurze einzelsträngige RNA-Moleküle mit Kleeblattstruktur
• Initiation der Translation: Bindung der ersten (Start)-tRNA in Eukarya mit Methionin
• Elongation und Termination: Verknüpfung der Aminosäure in A-Position mit wachsender Peptidkette und Translokation des Ribosoms entlang der mRNA

Alternatives Splicing

• Ein Gen kodiert für mehrere Proteine durch alternatives Splicing
• Widerlegt die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese

Fehlerhaftes Splicing

• Änderung der Basenzusammensetzung an hochkonservierten Positionen führt zu fehlerhaftem Splicing
• Führt zu funktionslosen oder funktionell eingeschränkten Proteinen

Regulation der Transkription

• Aktivator- und Repressorproteine regulieren die Transkription über distal lokalisierte Elemente

• Verstärkung oder Verminderung der Expression durch Bindung an Ribosom wird durch Multiproteinkomplex vermittelt### Operon und Genexpression

• Ein Operon besteht aus mehreren Genen, die von einem gemeinsamen Promotor gesteuert werden.

• Die Transkription des Operons erfolgt durch die Bildung eines polycistronischen mRNA-Moleküls.

Regulation der Genexpression durch das lac-Operon

• Das lac-Operon wird durch den Lac-Repressor reguliert.
• Der Lac-Repressor bindet an den Operatorbereich und blockiert den Zugang von RNA-Pol II zum Promotor.
• Bei Anwesenheit von Lactose wird die b-Galactosidase exprimiert und wandelt Lactose in Allolactose um.
• Allolactose bindet an den Lac-Repressor und führt zu einer Konformationsänderung des Proteins.
• Der Lac-Repressor kann dann nicht mehr den Operatorbereich besetzen und RNA-Pol II kann an den Promotorbereich binden.
• Die Gene des Operons werden daraufhin transkribiert und die Genexpression wird induziert.

Typ der Regulation

• Die Regulation der Genexpression durch das lac-Operon ist ein Beispiel für eine positive Regulation (Katabolitrepression).

Lerne die grundlegenden Prinzipien der Genexpression und des zentralen Dogmas der Molekularbiologie. Entdecke den Weg von DNA über RNA zum Protein in Bakterien und Eukaryoten.