DNA Aufbau - VO 3.pdf

P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG DNA Aufbau P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Genetische Information Gen: DNA Teilstück, das für ein Protein (über die Bildung einer mRNA), eine tRNA oder eine rRN...

P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG DNA Aufbau P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Genetische Information Gen: DNA Teilstück, das für ein Protein (über die Bildung einer mRNA), eine tRNA oder eine rRNA kodiert Chromosom: genetisches Element, das für die Zellfunktion lebenswichtige Gene enthält Genom: Die Gesamtheit aller Gene einer Zelle P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Bausteine der DNA: Nukleotide Basen Purinbasen Pyrimidinbasen (Desoxy) Ribose Phosphat P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Bausteine der DNA: Nukleotide Nukleosid: Phosphatgruppe Base Desoxyribose dATP: Adenosin-triphosphat Nukleotide: dADP: Adenosin-diphosphat dAMP: Adenosin-monophosphat P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Bausteine der DNA/RNA: Nukleotide Base Nukleosid Nukleotid (d)AMP Adenin Adenosin (d)ADP (d)ATP (d)GMP Guanin Guanosin (d)GDP (d)GTP (d)CMP Cytosin Cytidin (d)CDP (d)CTP dTMP Thymin Thymidin dTDP dTTP UMP Uracil Uridin UDP UTP P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die Bausteine DNA RNA Desoxyribonukleinsäure Ribonukleinsäure dATP ATP OH dCTP CTP OH dGTP GTP OH dTTP UTP P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG 4 5 3 4 3 5 2 2 1 1 Der DNA Strang + PPi + H2O P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Struktur der DNA: Doppelhelix Phosphatdesoxyribose- Rückgrat Grundbausteine der DNA: dAMP dGMP dTMP dCMP P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die DNA-Doppelhelix Die Nukleinbasen liegen waagrecht zwischen zwei Rückgratsträngen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Das Chromosom Prokaryonten: einzelnes, kovalent geschlossenes, ringförmiges Chromosom In einem dichten Knäuel angeordnet: Nukleoid Überspiralisierte Superhelix P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG DNA-Gyrase Enzym DNA-Gyrase: verdreht die DNA führt Doppelstrangbruch ein zieht intakten Strang durch geöffneten Strang verschließt den Doppelstrang Überspiralisierte DNA und Verdrillung P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Beantworten Sie folgende Fragen 1. Weil es übersichtlicher ist, wird die doppelsträngige DNA oft nur als Einzelstrang angegeben. Vervollständigen Sie den Einzelstrang zu einem Doppelstrang und geben Sie die Orientierung an: 5´-ATGGGCTTCGGAATGCGTA-3´ 2. Definieren Sie Nukleoid, Nukleosid und Nukleotid. 3. Wodurch unterscheiden sich dATP und ATP Moleküle? 4. Wodurch unterscheiden sich GTP, GDP und GMP? 5. Zeichnen Sie die Struktur des ATPs 6. Wodurch unterscheidet sich das Genom von tierischen Zellen und Bakterien? P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die DNA Replikation P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Schritte des Informationsflusses P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG DNA Replikation Replikation: DNA-Synthese mittels einer DNA Matrize Tochter- DNA-Stränge Parental- DNA-Strang P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Semikonservative Replikation DNA Synthese, bei der zwei neue Doppelhelices entstehen, die jeweils einen Elternstrang und einen Tochterstrang enthalten P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Replikationsrichtung: 5´ 3´ Richtung 5´ DNA-Polymerasen: fügen Nukleotide an Esterbindungen zwischen der 5´- Phosphatgruppe eines Nukleotids und der 3´-OH Gruppe des voherigen Nukleotids Bildung einer langen Kette in 5´ 3´ Richtung 3´ P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG DNA Polymerasen In E. coli gibt es drei DNA Polymerasen: DNA Polymerase I DNA Polymerase II DNA Polymerase III DNA Polymerase IV und V Bezeichnung Aufbau Biochemische Funktion in der Funktion Zelle DNA-Polymerase I 1 Untereinheit DNA-Polymerase 928 Aminosäuren 103 Kilodalton (kDa) 3' - 5' –Exonuclease Reparatur von DNA- Schäden 5‘ - 3'-Exonuclease Entfernung von RNA-Primer; DNA-Polymerase II 88 kDa DNA-Polymerase Reparatur DNA-Polymerase III 10 Untereinheiten DNA-Polymerase Replikations- (900 kDa) polymerase 3' - 5' –Exonuclease Korrekturlesefunktion P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG DNA Replikation: Der erste Schritt Damit eine neue Kette begonnen werden kann, muss eine 3´- OH Gruppe vorhanden sein Primer: Nukleinsäuremolekül, an das die Polymerase das erste Nukleotid binden kann Primer ist ein kurzes RNA Stück P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Der RNA Primer CGAACUUAG-OH GCTTGAATC…… Primase: RNA-polymerisierendes Enzym RNA Primer Primase macht viele Fehler RNA Primer ist komplementär zu den Basen der DNA Matrize An das 3´-OH Ende kann die DNA Polymerase die Desoxyribonukleotide binden: Verlängerung des RNA Primers als DNA Molekül P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Replikation ringförmiger DNA DnaA Box Stelle auf dem Chromosom, wo die DNA Synthese begonnen wird Sequenz von ca. 300 Basen, wo die Helix geöffnet und für den Replikationsapparat zugänglich wird: Replikationsgabel P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die Replikationsgabel Helikase: ATP-abhängiges Enzym, das helixabwärts wandert und die Stränge vor der Replikationsgabel trennt P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die Replikationsgabel Okazaki- Fragment Nicht-kontinuierliche DNA Synthese kontinuierliche DNA Synthese P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Verknüpfen von zwei DNA Fragmenten auf dem Folgestrang besitzt eine 5’-3‘ Exonukleaseaktivität Verknüpft 3´ und 5´ Ende der beiden Stränge P A R I S - L O D R O N Bidirektionale Replikation UNIVERSITY SALZBURG Die Thetastruktur: bidirektionale Replikation ringförmiger DNA von einem Ursprung ausgehend → Replikationszwischenprodukt ist dem Buchstaben Theta ähnlich P A R I S - L O D R O N Bidirektionale Replikation UNIVERSITY SALZBURG oriC DnaA Bindungsstelle Doppelte Replikationsgabeln in einem ringförmigen Chromosom entspringen am Ursprung P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Mutationen Fehler in der DNA Replikation führen zu Mutationen Jedoch ist die Mutationsrate von 10-8 bis 10-11 Fehlern pro Basenpaar sehr niedrig DNA Polymerasen I und III haben eine Korrekturlesefunktion: 3´ 5´ Exonuklease-Aktivität Entfernt falsch eingefügtes Nukleotid und setzt richtiges ein Zu unterscheiden von der 5´ 3´ Exonuklease-Aktivität von Pol I: entfernt RNA Primer P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Korrekturlesen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Beantworten Sie folgende Fragen 1. Was bedeutet der Begriff „semikonservative Replikation“? 2. Welche Funktion erfüllt der RNA Primer? 3. Wieso enthält der Replikationsursprung im bakteriellen Genom eine AT reiche Region? 4. Was ist ein Okazaki Fragment und warum entsteht es? 5. Warum besteht der Primer aus RNA und nicht aus DNA? Warum muss der RNA Primer überhaupt entfernt werden? 6. Welche Funktion erfüllt das Enzym Ligase? 7. In welche Richtung verläuft die DNA Replikation? P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Transkription P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die RNA Synthese wichtige Unterschiede zur DNA: RNA enthält Ribose als Zucker enthält die Base Uracil anstelle von Thymin RNA ist (meist) einzelsträngig Synthese kann de-novo beginnen (kein Primer notwendig) RNA weniger stabil als DNA P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die RNA Synthese Bausteine: ATP, GTP, UTP, CTP RNA Polymerasen: katalysieren die Bildung von Phosphodiesterbindungen und nutzt DNA als Matrize Syntheserichtung: 5´ 3´ Richtung, Matrizenstrang verläuft antiparallel zum neuen mRNA Strang P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die RNA Haupttypen als Transkriptionsprodukte existieren: Messenger-RNA: mRNA Transfer RNA: tRNA Ribosomale RNA: rRNA P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG RNA Polymerase DNA ist doppelsträngig, jedoch wird nur ein Strang transkribiert Vereinbart wurde: der 5´-3´ Strang liegt oben Als Matrize dient der 3´ 5´ Strang (unterer Strang), denn die RNA Synthese verläuft in 5´ 3´ Richtung P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Transkription P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG RNA Polymerase Archaea und Bakterien haben nur eine RNA Polymerase Eukaryoten haben drei RNA Polymerasen Die RNA Polymerase von E. coli: besteht aus vier Untereinheiten: β, β´, α,  Holoenzym: α2, ββ´,  Kernenzym: α2, ββ´, P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Genpromotoren Regulieren die Genexpression: nicht alle Gene werden gleichzeitig exprimiert Gehört zum nicht-kodierenden Bereich vor dem eigentlichen Gen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Genpromotoren P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Schritte der RNA Synthese Die Initiationsstelle ist eine spezifische Nukleotidsequenz auf der DNA: Promoter Der Sigma-Faktor wird während der Elongation freigesetzt Die RNA-Polymerase bewegt sich an der DNA-Kette abwärts Transkription eines DNA-Stranges Erreichen einer Terminationsstelle die mRNA und die Polymerase werden frei gesetzt P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG RNA Synthese Elektronenmikroskopische Aufnahme der Transkription eines Gens auf dem Chromosom von Escherichia coli. Die Region der aktiven Transkription umfasst ungefähr 2 kb DNA-Basenpaare P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Rho- unabhängige Termination Haarnadelstruktur P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Rho- abhängige Termination Rho- unabhängige Termination Rho- abhängige Termination hexameres Rho Protein, das an die RNA bindet Bestimmte DNA-Sequenzen bremsen die Geschwindigkeit der Transkription, so dass der Rho-Faktor bis an die RNA-Polymerase wandern kann. RNA Polymerase fällt ab und die Transkription wird beendet P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG rRNAs und tRNAs Nicht alle Gene kodieren für Proteine, sondern für RNAs, die nicht translatiert werden. Operon: Gene, die zusammen von einem einzigen Promotor transkribiert werden Hier: rRNA Operon RNA Polymerase transkribiert ganze Genreihen in einem einzigen langen mRNA Molekül: polycistronische mRNA P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Beantworten Sie folgende Fragen 1. Warum wird der untere Strang der doppelsträngigen DNA in mRNA transkribiert? 2. Welche Orientierung hat das RNA Molekül? 3. Welche direkten Transkriptionsprodukte werden synthetisiert? 4. Was ist ein Promotor und wie ist er aufgebaut? 5. Was ist eine polycistronische RNA und wie entsteht sie? 6. In welchen Eigenschaften unterscheiden sich RNA und DNA? P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG -Aminosäuren- Die Proteinsynthese P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Translation Proteine sind Ketten aus Aminosäuren Übersetzung der mRNA Sequenz in eine Aminosäuresequenz: 1 Base = maximal 4 Aminosäuren 2 Basen = maximal 42 (16) Aminosäuren 3 Basen = maximal 43 (64) Aminosäuren P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Aminosäuren P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Peptidbindung Carboxyl- Amino- gruppe gruppe N-terminale C-terminale Amino- Carboxyl- gruppe gruppe P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Peptidbindung 2 AS Dipeptid 3 AS Tripeptid < 10 AS Oligopeptid 10-60 AS Polypeptid > 60 AS Protein Vereinbart wurde: die Polypeptidkette beginnt mit dem N-Terminus Die Masse eines Proteins wird in Dalton angegeben; ein Dalton (d) entspricht einer Atommasseneinheit. z.B. Ein Protein mit einem Molekulargewicht von 30.000 hat die Masse 30.000 d beziehungsweise 30 kd P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Translation Die Sequenz der Aminosäuren in einem Polypeptid wird durch die spezifische Basensequenz der mRNA bestimmt Drei Basen auf der mRNA kodieren eine Aminosäure Ein solches Basentriplett bezeichnet man als Codon P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG 3. 2. 1. Der genetische Code Start P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG tRNA: kleeblattartige Sekundärstruktur tRNA trägt Anticodon, das das Codon auf der mRNA erkennt tRNAs: transfer-RNA kurze RNAs, vermitteln während der Translation die richtige Aminosäure zum entsprechenden Codon auf der mRNA Enthält auch modifizierte Basen: Dihydrouridin (D), Inosin (I), Thiouridin, Pseudouridin (Ψ), N4- Acetylcytidin (ac4C) und Ribothymidin (T) P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Das Wobble-Prinzip tRNAs können mehr als nur ein Codon erkennen: tRNA bildet Standardpaarungen an den beiden ersten Positionen aus, die dritte Position toleriert eine unregelmäßige Paarung P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Start- und Stopcodons Einige Codons kodieren keine Aminosäuren: UAA UAG UGA Stopcodons: terminieren die Translation AUG: kodiert für N- Formylmethionin, Startcodon (Methionin bei Eukaryoten) P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Mögliche Leserahmen 3 verschiedene Proteine? P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Offene Leserahmen ORF: „open reading frame“ beginnt mit AUG (Startcodon) gefolgt von einer Reihe an Codons und einem Stopcodon 5´ gaauucaugagccaggugacucauggauggaggaag 3´ gaauuc aug agc cag gug acu cau gga ugg agg aag mRNA fMet Ser Gln Val Thr His Gly Trp Arg Lys P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die transfer-RNA Kleeblattstruktur der Phenylalanin-tRNA Mehr als nur ein Anticodon! Trägt spezifische Aminosäure P A R I S - L O D R O N Aminoacyl-tRNA-Synthetasen UNIVERSITY SALZBURG Verbindet die tRNA und ihre spezifische Aminosäure P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Offene Leserahmen 5´ gaauucaugagccaggugacucauggauggaggaag 3´ gaauuc aug agc cag gug acu cau gga ugg agg aag mRNA fMet Ser Gln Val Thr His Gly Trp Arg Lys P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Beantworten Sie folgende Fragen 1. Wie ist der Beginn und das Ende eines Proteins definiert? 2. Woraus leitet sich der Begriff „Aminosäure“ ab? 3. Sie haben folgenden mRNA Strang: GCUUGCCGAUGGGCAAAACCGCGGGCUA ACGUGGG Diese mRNA sollen Sie mit Hilfe einer „Codon-Sonne“ in ein Protein übersetzen. Suchen Sie den ORF und translatieren Sie die Sequenz in ein Peptid 4. Was versteht man unter dem Wobble Prinzip und welche Konsequenzen hat das für die Translation? P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG -Translation- Die Proteinsynthese P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Der Vorgang der Proteintranslation Schritte der Proteinsynthese: Initiation Elongation Translokation Termination P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Shine-Dalgarno Sequenz Shine-Dalgarno-Sequenz: 5´ Nichtkodierungs-Region Bereich auf der mRNA, der vor dem Start-Codon liegt Teil davon geht Basenpaarung mit der 16S rRNA ein wichtig für die Stabilität des Initiationskomplexes mRNA P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Der Vorgang der Proteintranslation - Initiation 30S Struktur des Ribosoms: A-(Akzeptor)-Stelle P-(Peptid)-Stelle E-(Ausgangs)-Stelle kleine Untereinheit des Ribosoms bindet an die mRNA Initiator-t-RNA (F-Met-tRNA) bindet an das Starter-Codon (AUG) Wasserstoffbrücken zwischen dem Anticodon und dem Starter-Codon P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Initiationskomplex P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Der Vorgang der Proteintranslation - Elongierung Beladene tRNA bindet an die A-Stelle Ausbildung einer Peptidbindung zur Aminosäure an der tRNA in der P-Stelle P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Der Vorgang der Proteintranslation - Translokation Nach der Elongation muss die tRNA, die das Peptid hält, von der A-Stelle zur P-Stelle bewegt werden (A-Stelle wieder frei) Translokationsschritt: Ribosom rückt drei Nukleotide weiter Durch Translokation wird leere tRNA in E-Stelle gedrückt P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Polysomen Die Translation einer einzelnen Messenger-RNA durch mehrere Ribosomen führt zur Bildung des Polysoms: Steigerung der Geschwindigkeit und Effizienz P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Der Vorgang der Proteintranslation - Termination wenn ein Stopcodon erreicht wird Am Terminator-Codon (UAA, UAG oder UGA) bricht die Synthese wegen des Fehlens einer passenden tRNA ab die beiden Ribosomen-Untereinheiten fallen von der mRNA ab. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Beantworten Sie folgende Fragen 1. Welche Funktion übernimmt die Shine-Dalgano Sequenz? 2. In welche Schritte wird die Proteinbiosynthese unterteilt? 3. Wie wird die Translation beendet?