Biologie Semester 1 PDF

Zusammenfassung Biologie Semester 1 Reparatur durch Exonuclease Das falsche Nukleotid wird keine Watson-Crick...

Zusammenfassung Biologie Semester 1 Reparatur durch Exonuclease Das falsche Nukleotid wird keine Watson-Crick Basenpaare bilden und somit ein Stück herausragen und so in die Aktive Stelle der Exonuclease geraten. Diese schneidet dann das falsche Nukleotid heraus und die Replikation kann fortfahren. Mutationstypen 1. Punktmutationen: Transitionen: Purin zu Purin (häufiger) Transversionen: Purin zu Pyrimidin (weniger häufig, da energetisch Ungünstig) 2. Einfügungs- / Löschungsmutationen Reparatur erfolgt entweder, indem eine Base oder ein Nukleotid (Segment der DNA) entfernt wird. Wenn die DNA Polymerase den Fehler nicht korrigiert hat, so werden Proteine (In E. Coli MutS (erkennung des Fehlers) und MutL (rekrutiert MutH Exonuklease)) diesen Fehler beheben. Die Moleküle erkennen den Parent Strang dadurch, dass er methyliert ist. -> Passiert nur mit dem Strang, welcher schon eine Weile in der Zelle ist. Die Exonuklease I wird einen Teil (hunderte) von Nukleotiden des Tocherstrangs entfernen, inklusive der falschen (Einfachstrang Bindungsproteine schützen die Stelle). Danach wird die DNA Polymerase III den falschen Strang wieder synthetisieren und die DNA Ligase die Zwei Enden des Stranges verbinden. Der Fehler ist behoben. Seite 61 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Darmkrebs, 2 vererbbare Typen: - Familiär Adenomatöse Polyposis - Hereditäres non-polypöse Kolonkarzinom: Nichtfunktionierendes DNA Repariersystem, ähnlich wie E. Coli MutSLH Spontane Mutationen (Eine Zelle verliert 10'000 Purine und einige 100 Pyrimidine jeden Tag) - Säuren - Hitze - UV Strahlung - Ionisierende Radiation - Alkylierende Stoffe - Interkalierende Moleküle in der DNA - Sauerstoff Radikale In Saurer Umgebung wird durch Deamination eine nicht existierende Base gebildet, welche nicht richtig paaren kann. Uracil kann in der DNA als Resultat von Cytosin Deamination (durch Säure) auftreten und bindet sehr gut mit Adenin. Resultat: Falsches Basenpaar in der DNA. Seite 62 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Das Uracil muss also unbedingt entfernt werden, da es in der Nächsten Replikation zu einem Falschen Basenpaar (U-A) anstelle von (C-G) führen würde. Die Uracil DNA Glycosidase findet Stellen in der DNA in welcher Uracil vorkommt (welches in DNA nicht vorkommen kann) und AP Endonuclease entfernt es. DNA Polymerase I und DNA Ligase setzen dann das richtige Nukleotid (C) ein und verschliessen die Lücke im Backbone. Das ist der Grund, wieso DNA Thymine und nicht Uracil enthält. So kann dieser Fehler schnell erkannt werden. Einige Tiere können sehr hohe Dosen von Radiation aushalten. Brust X-Ray: 1 mGy E. Coli: 60Gy Tardigrade (Wasserbären): 4000 Gy Lethale Dosis 10 Gy D. Radiodurans: 6000 Gy Grund dafür: Rekombination. Rekombination passiert zwischen DNA Molekülen, welche ähnlich in der Sequenz sind. Sie spielt eine wichtige Rolle in der genetischen Diversität und der Diversität von Antikörpern. Seite 63 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Seitenspezifische Rekombination Seitenspezifische Cre Rekombinase ist eine Topoisomerase, welche spezifische IoxP Seiten (virale Rekombinase) erkennt und eine Holliday Struktur (links) formt. Die Cre Rekombinase verwendet Tyrosin Reste (Unten im Bild Y) um den Strangwechsel zu katalysieren. Homologe Rekombination Passiert auch bei uns, wenn eine Eizelle befruchtet wird. Läuft ähnlich ab wie die Seitenspezifische Rekombination. Zwei Stränge werden an einer Stelle eingeschnitten und über Kreuz verbunden. Der Unterschied ist, dass die anderen beiden Stränge nicht direkt an derselben Stelle (durch das Tetromer) verbunden werden, sondern etwas später. Ergebnis: viele Unterschiedliche Szenarios möglich, wie die zwei Moleküle verwechselt wurden. Das für homologe Rekombination verantwortliche Enzym wird RecA Protein genannt. Für diesen Vorgang wird ATP benötigt. Seite 64 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Genetische Elemente Chromosomen - Genetisches Hauptelement in Prokaryoten - Die meisten Bakterien und Archaeen haben einzelne zirkuläre Chromosomen (dsDNA), welche alle/die meisten Gene tragen - Eukaryoten: Zwei oder mere lineare Chromosomen (dsDNA) Viren und Plasminde Viren enthalten entweder RNA oder DNA genome - Können linear oder zirkular sein - Können Einfach- oder Doppelstränge sein Plasmide: Doppelstränge von DNA,welche separat von Chromosomen repliziert werden (Bakterien und Archaeen) - Meist Zirkular - Bringt generell Vorteile für die Zelle (z.B. Antibiotikaresistenz) - Variieren in Anzahl und Grösse - Nicht extrazellulär, wie bei Viren - Können Proteine tragen, welche andere Spezies oder Gene töten, welche wichtig für horizontalen Gentransfer sind. DNA Replikation in Eukaryoten Ist sehr Koordiniert Eukaryotische Polymerasen im Zellkern (Nukleus): DNA Polymerase Alpha: Initiator Polymerase (Synthetisiert RNA Primer und startet DNA Synthese) DNA Polymerase Beta (od. Epsilon): DNA Reparatur DNA Polymerase Delta: Primäres Enzym der DNA Synthese (äq. DNA Polymerase III) Seite 65 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 30'000 Ursprünge der Replikation - Jeder Ursprung der Replikation hat einen Komplex von 6 Proteinen (Ähnlich wie DnaA in Bakterien) - Helikase wird Rekrutiert - Zwei unterschiedliche Polymerasen Kopieren das Genom. DNA Polymerase Alpha startet (Primer und 20 dNTPs werden hinzugefügt) DNA Polymerase Delta führt die Arbeit fort (Polymerase Wechsel) Telomere Sind schützende, repetitive Sequenzen an den Chromosomenenden. Die Telomerase ist ein Enzym, welches seine eigenen RNA Templates verwendet, um die Enden der Telomere zu verlängern. Transkription RNA Allgemein Die einzige Differenz zwischen T und U ist eine Methylgruppe im T, ansonsten haben sie dieselben Eigenschaften. Im Linken Bild muss lediglich der rote Kreis mit H ersetzt werden für A U. Seite 66 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Einfachstränge von RNA werden lokale Doppelstränge bilden, da diese komplementär sind (= Sekundärstruktur der RNA). Dreidimensional kann sich RNA ähnlich wie Proteine zu komplexen 3D Strukturen formen (aber wegen WC Basenpaaren und Stapelung anstelle von Formung eines hydrophoben Kerns). Die Parameter dieser Doppelhelix sind ähnlich wie die der A Form von DNA. Messenger RNA (mRNA) Ist eine Kopie eines Teils der DNA, welche benötigt wird für die Proteinsynthese. mRNA «spricht» noch dieselbe Sprache wie die DNA und besteht aus den 4 Nukleotiden. Die mRNA wird im Nucleus hergestellt, aus dem Nucleus transportiert und im Cytoplasma weiterverarbeitet. Unterschiede zwischen DNA und RNA: DNA RNA Zucker: Desoxyribose Ribose Basen: ATGC AUGC Form: Doppelhelix Einfachstrang, Lokale Doppelstränge möglich (s.o.) Nomenklatur Das erste Nukleotid, welches transkribiert Nukleotid, welches nicht transkribiert wird, wird als -1 bezeichnet. Der Template Strang ist Transkripts ist normalerweise pppA oder pppG (p = Phosphat). Seite 67 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Wieso mRNA? 1. Original DNA wird geschützt 2. Einfachstrang Form ist besser geeignet um Informationen abzulesen 3. Ein Zwischenprodukt, welches in grossen Anzahlen produziert werden kann erlaubt mehr Kopien von einem Protein zur selben Zeit 4. Erlaubt ein einzigartiges Level an Regulation (wie viel mRNA vorhanden ist) 5. mRNA kann gespliced werden (Erlaubt die Produktion von mehreren Proteinen mit derselben mRNA) 6. Sekundärstruktur der mRNA kann ausgenutzt werden für Stabilität und Lesbarkeit Synthese von RNA aufgrund eines DNA Templates Zwar muss die DNA auch wieder entwickelt werden, jedoch kann sie sich (im Gegensatz zu der Replikation) gleich hinter dem Enzym wieder aufwickeln (Keine Enzyme zur Kontrolle von Supercoiling nötig). Ausserdem bildet der Template Strang und die RNA eine Helix, welche für die Genauigkeit wichtig ist. Die ersten gebildeten Nukleotide der mRNA sind nicht so korrekt, die Folgenden schon. Nukleophiler Angriff: Der Sauerstoff attackiert den Phosphor von einem Triphosphat (ATP, dem Sauerstoff und dem Phosphor. Dabei wird Diphosphat (PPi) abgespalten. Dieses Reagiert mit Wasser zu 2 Phosphat (Pi), welches wieder zur Herstellung von Triphosphaten verwendet werden kann. ->. Die Aktive Stelle der RNA Polymerase enthält 2 Mg2+ Ionen. Der Einzige Unterschied zu der Chemie der Replikation ist die OH Gruppe am Zucker (rot). Seite 68 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Initiation Zuerst haben die Transcription Factors der RNA Polymerase den richtigen Start (Promotor) für die Transkription zu finden. Dies ist möglich, ohne die DNA zu entwinden aufgrund des Minor und Major groove. Die RNA bindet an diesen Promotor und separiert die zwei Stränge in einer kleinen Region. NTPs beginnen mit dem Template Strang zu binden. Elongation Nachdem das erste Nukleotid gebunden ist beginnt die Elongation. Die RNA Polymerase fügt Nukleotid nach Nukleotid hinzu und bewegt die «Transkriptionsblase» entlang der DNA. Die Transcription Factors lösen sich. Wenn der gebildete RNA Strang eine gewisse länge hat, löst er sich von der DNA, sodass die DNA sich wieder winden kann. Termination Wenn eine gewisse Sequenz erreicht wird beginnt die Termination und die RNA Polymerase sowie die vollständig synthetisierte mRNA löst sich von der DNA. RNA Polymerase, Promotor, Sigma Subunits Promotoren (in Bakterien) haben 3 konservierte Elemente -10 Region: Pribnow Box TATAAT (kann leicht variieren z.B TGTAAT oder TATGTT) 10 BP vom Start der Transkription Entfernt. -35 Region TTGACA (kann wie oben leicht variieren) 35 BP vom Start der Transkription Entfernt. Spacer zwischen -10 und -35 Region Distanz zwischen den -10 und -35 Regionen enthält 17 +/- 1 BP Eigenschaften Transkription: - Promotor finden (Initiation): 1-2 Sekunden - Elongation: ca. 50 Nucleotide pro Sekunde (in Prokaryoten sowie Eukaryoten) - Gen mit normaler Grösse kopieren: 20-50 Sekunden - Mehrere RNA Polymerasen können gleichzeitig dasselbe Gen kopieren - Fehlerrate: 1 von 10'000 (viel höher als bei der Replikation) Seite 69 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 RNA Polymerase (in Bakterien) Bakterien besitzen nur eine DNA abhängige RNA Polymerase Kernenzym: 5 Untereinheiten, bindet stark an die DNA hat aber selbst keine Möglichkeit, einen Promotor zu finden. Holoenzym: Sigma Untereinheit und das Kerneznym, bindet nur schwach an die DNA, um den Promotor zu finden. Die verschiedenen Sigma Untereinheiten werden hergestellt und an RNA Polymerase Kernenzyme gebunden. Dies garantiert, dass die Transkription geregelt werden kann, je nachdem, in welcher Situation sich die Zelle befindet (Heat Shock, zu wenig Die Sigma Untereinheit erkennt die -10 und die -35 Region. (Die ca. 17 BP dazwischen sind nicht wichtig). Elongation Mechanismus Die Aktive Stelle (2Mg2+) sorgt dafür, dass das komplementäre Nukleotid an den Template Strang binden kann. Dieser befindet sich an dieser Stelle an der Richtigen Position. Durch einen nukleophilen Angriff wird das Nukleotid mit der RNA verbunden. Dass die Elongation weitergehen kann muss der Template Strang am nächsten Nukleotid wieder in die richtige Position gebracht werden. Dies passiert durch die Translokation. Dabei bewegt sich der DNA-RNA Hybrid durch die RNA Polymerase leicht verschoben, sodass das nächste Nukleotid des Template Strangs in Position ist, sodass ein neues Nukleotid daran binden kann. Seite 70 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Wenn ein falsches Nukleotid transkribiert wurde, so wird die translocation nicht wie oben beschrieben funktionieren (das unten orange Nukleotid kann keine WC BP mit dem Template Strang durchführen) und die RNA Polymerase führt in der Folge davon ein Backtracking aus (Aktive Stelle befindet sich ein Nukleotid weiter hinten anstelle von einem weiter vorn). Durch eine Hydrolyse wird das falsche Nukleotid vom RNA Strang entfernt. Die Transkription kann fortgeführt werden. Termination Die Termination wird Signalisiert durch einen Code bestehend aus 30-40 Nukleotiden im Template Strang, welcher dann eine stabile Haarnadel Formen wird (links). Aufgrund dessen wird sich die RNA Polymerase lösen. Die Transkription ist somit beendet und die RNA wird nicht mehr weiter transkribiert. Es gibt noch einen zweiten Mechanismus, auf den hier nicht weiter eingegangen wird. Einige wichtige Begriffe Transcriptional Units: DNA Segmente, welche in 1 RNA Molekül transkribiert werden Die meisten Gene dekodieren Proteine, einige jedoch werden nicht übersetzt (Translation): rRNA (16S, 23S, and 5S + tRNA), tRNA Operon: Ist eine Transcriptional Unit, welche die Information für verschiedene Proteine enthält. Somit kann dann 1 RNA Molekül (polycistronic RNA) Informationen für verschiedene Proteine enthalten. Seite 71 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 RNA Processing Sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten muss das gebildete primary Transkript durch Enzyme weiter verarbeitet werden zum Mature Transkript. Dabei werden die Spacers entfernt. Übrig bleiben lediglich noch die für spätere Verwendung wichtigen RNA Moleküle ohne Spacer. Wenn es sich um polycistronic mRNA handelt, so wird diese nicht weiter processed, sie kann direkt so verwendet werden für die Translation. Bei der Translation kann an den ORF (=Open Reading Frames) parallel gearbeitet werden. Archaeen Die RNA Polymerase von Archaeen ist komplizierter als die in Prokaryoten und Archaeen besitzen lediglich eine RNA Polymerase. Die wichtigste Erkennungssequenz ist die «TATA» Box. Transkriptionsfaktoren werden verwendet, um die Transkription zu kontrollieren. Translation Allgemein Es gibt 4 Nulkeotide, welche in die Sprache der 20 Aminosäuren übersetzt werden müssen. Somit müssen mindestens 3 Nukleotide aneinander gehängt werden um alle Aminosäuren abzudecken (43 = 64 Möglichkeiten) somit gibt es zu viele Möglichkeiten (der Code ist degenerate). Diese werden Abgedeckt, indem einige Möglichkeiten für Start oder Stopp verwendet werden und gewisse Aminosäuren dieselben Nukleotid Codes besitzen. Seite 72 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 2 Fehler: Frameshift Mutations (Verlängerug um z.B. Ein Nukleotid, RNA Code wird nutzlos) und Supressor Mutations (Verlängerung um z.B. 3 Nukleotide, RNA Code ist weiterhin lesbar und kann ziemlich sicher funktionierende Proteine erzeugen). Wichtige Begriffe Base: 1 Nukleotid 3 Basen: Triplet Alle Basen für 1 RNA Molekül: Gen Übersetzung von 1 Triplet: 1 Aminosäure Übersetzung von gesamten RNA Molekül: 1 Protein Codon / Anticodon Der genetische Code ist: - Degeneriert (hat mehr RNA Triplet Codes als Aminosäuren) - Nicht zufällig (Auch änderungen an einem Nukleotid bewirken meist keine grossen chemischen Änderungen) - UAG, UAA und UGA = STOP codons - AUG und manchmal GUG = START codons Adaptermolekül: tRNA Das Übersetzungsmolekül tRNA sieht aus e befindet sich die tRNA spezifische Aminosäure, am unteren Ende das Anticodon. Es gibt insgesamt 4 Stellen, wo durch WC BP die Stabilität erhöht wird. Dies führt zu der Kleeblattform. Die Aminoacyl-tRNA Synthetase ist ein Enzym, welches die Art der tRNA erkennt und die entsprechende Aminosäure mit Bei der Verbindung von tRNA und mRNA müssen die ersten Zwei BP exakt Stimmen, die dritte BP kann auch nicht ganz übereinstimmen. Dies führt trotzdem zu der richtigen Zusammensetzung von Aminosäuren, da der Code ja degeneriert ist. Ribosomen Dekodierungscenter Protein Faktor Bindungscenter Peptidyl Transferase Center Polypeptid Ausgangstunnel Seite 73 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Ribosomen bestehen aus Proteinen und rRNA und sehen etwas aus wie Kronen und bestehen immer aus 2 unterschiedlich grossen Teilen (Proteinen): Der grossen Subunit und der kleinen Subunit. Die beiden Subunits haben unterschiedliche Aufgaben: Die kleine Subunit interagiert mit der mRNA und die grosse Subunit ist der Ort, wo die Polypeptidkette geformt wird. Sie Katalysiert diesen Vorgang somit an dieser Stelle werden die Aminosäuren zusammengeführt und miteinander Verbunden. Die tRNA bindet zwischen den beiden Subunits. Die gebildete Polypeptidkette muss durch die grosse Subunit durch den «Tunnel», bevor sie sich falten kann. Protein Synthese Mechanismen - und das Protein wird von N Ende zum C Ende hergestellt (Siehe Experimente). Eine einzelne Aminosäure wird hinzugefügt und geht Bindungen ein zwischen einer anderen Aminosäure und ihrer tRNA. Die nächste Aminosäure wird dann zwischen der vorherigen Aminosäure und der tRNA binden. Dieser Prozess wird immer wieder wiederholt, bei jeder neuen Aminosäure. Somit Startet die Aminosäurenkette beim N Ende (oben) und wächst beim C Ende (unten). Schritte der Translation: - Initiation - Elongation - Termination Translation Factors Ribosomen sind nicht fähig, die Translation von sich selbst durchzuführen. Sie werden unterstützt durch die Sogenannten Translation Factors (Proteine), welche Unterteilt werden in 3 Initiation Factors, 3 Elongation Factors und 3 Release Factors. Seite 74 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Initiation Die Initiation passiert nur einmal an einem Startcodon (meistens AUG). Es handelt sich somit nicht um einen Zyklus wie die Elongation. Zu beginn bindet die kleine Subunit an der RNA. IF1 und IF3: Sobald die kleine Subunit an der RNA gebunden ist, helfen diese zwei Factors, dass die small Subunit sich nicht mehr von der RNA löst. IF2: Ist verantwortlich, eine spezielle Initiation tRNA (welche nicht dieselbe ist, welche später die AS bringt) zum Prozess zu bringen: Die fMet-tRNA, welche eine spezielle formylierte Methionin Aminosäure sowie GTP als Energiestoff trägt. Als nächstes lösen sich alle IF und die grosse Subunit bindet an die kleine -> es bildet sich der 70S Initiation Komplex (70S, da beide Subunits vorhanden) Wichtig: Wissen, was die IF machen und wo sie sich befiden (auch in Zeichnung) Elongation Die Elongation ist ein Zyklus. Es gibt 3 für die Elongation wichtige Bindungsstellen am Ribosom: A (tRNA mit neuer AS), P (tRNA mit Polypeptidkette) und E (Exit) Bindungsstelle. Wichtig: Die Polypeptidkette bleibt während dem ganzen Vorgang am Ribosom gebunden und erst bei der Termination abgetrennt. 1 Der EF-Tu wird die nächste benötigte tRNA mit AS zum Ribosom liefern, dabei wird GTP verbraucht (Hydrolyse) 2 Die neue AS wird mit der vorherigen AS verbunden und die Verbindung der vorherigen AS mit ihrer tRNA wird gelöst 3 Der EF-G setht GTP um, um das Ribosom ein Slot weiter nach vorne zu bewegen 4 Die tRNA (ohne AS oder Polypeptidkette) befindet sich nun an der E Bindungsstelle des Ribosoms und löst sich. 5 Die neue tRNA befindet sich mit der Polypeptidkette an der P Bindungsstelle. Der Zyklus beginnt wieder von vorn. Seite 75 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Peptidyl Transferase Reaktion (Katalysiert von der grossen ribosomalen Subunit) Wichtig: Die Reaktion links ist sehr wichtig, man muss sie aufzeichnen können! Nukleophiler Angriff zwischen der NH2 Gruppe der neuen AS und der Carbonyl Gruppe der peptidylen AS. So entsteht eine Verbindung der zwei Aminosäuren. Die linke tRNA hat somit keine AS mehr angehängt und die rechte tRNA trägt nun die Polypeptidkette. Termination Wenn ein Stopcodon (z.B. UAA) erreicht wird, kann dieses von keiner tRNA gelesen werden. Dieses Codon wird von einem Protein erkannt (RF1 und RF2: Der RF1 alleine erkennt ein Stopcodon, der RF2 erkennt ein Stopcodon und gemeinsam erkennen sie ein Stopcodon, also erkennen sie zusammen insgesamt 3 Stopcodons). Das Protein / die Proteine werden dann die Polypeptidkette weghydrolysieren, anstelle eine neue Aminosäure anzusetzen. Die Polypeptidkette wird so gelöst. Der RF3 wird dann ein GTP hydrolysieren, um RF1 und RF2 wieder zu entfernen. Polysome und gekoppelte Transkription/Translation Ähnlich wie z.B. bei der Transkription können mehrere Ribosomen gleichzeitig an derselben mRNA parallel arbeiten. Diese Gruppe von Ribosomen werden Polysome genannt (im Bild links eine Gruppe von grünen Punkten an derselben mRNA). Ausserdem ist in Bakterien die transkription und translation gekoppelt (läuft gleich nacheinander ab), wie man links im Bild gut erkennen kann. Seite 76 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Signalsequenzen (Bakterien, Archaeen und Eukaryoten) Je nach Bestimmungsort eines Proteins muss dieses speziell durch das Zytoplasma transportiert werden, da es z.B. sehr hydrophob ist. Wenn Proteine in der Zelle benötigt werden, besitzt es keine Signalsequenz und kann sich falten. Wenn es sich um hydrophobe Membranproteine handelt, können diese sich nicht im Zellinnern falten, sondern müssen zu der Zellmembran gebracht werden. Diese Proteine haben eine spezielle Sequenz am Ende (sogenannte Signal Sequenz), welche von Signalerkennungspartikeln erkennt werden. Danach wird das Ribosom zusammen mit dem Protein zur Zellmembran gebracht und da wird das Protein freigelassen im Bild leicht anders dargestellt, aber das Ribosom wird mittransportiert!). Proteine, welche durch die Membran transportiert werden müssen haben auch eine Signalsequenz, sind aber meist nicht so hydrophob (also können direkt abgespaltet werden) und werden dann durch SecA die Membrane transportiert. Die Signalsequenz befindet sich am N Ende, beträgt 15-20 AS und hindert das Protein zu früh zu falten. Regelung von Proteinmenge Ein Repressor bindet an Operator (neben Promotor) an der DNA und verhindert so, dass eine mRNA transkribiert wird. Ein Inducer (z.B. Laktose) bindet an den Repressor und sorgt dafür, dass er nicht mehr an DNA bindet. Die mRNA wird transkribiert und sorgt für die Herstellung von Proteinen, welche für die Umsetzung von Laktose nötig sind. So wird die Herstellung von bestimmten Proteinen in Zellen gesteuert. DNA Bindungsproteine - Kleine Proteine, welche verhindern, dass Proteine an DNA binden (verhindern Transkription) - Protein-Nukleinsäure Interaktionen können spezifisch oder nichtspezifisch sein - Die meisten DNA Bindung Proteine interagieren mit der DNA sequenzspezifisch - Spezifität druch Interaktionen zwischen Aminosäurenketten und Chemischen Gruppen von Basen und Zuckerphospat Rückgrat der DNA - Major groove der DNA wird hauptsächlich von DNA Bindungsproteinen zur Bindung genutzt Seite 77 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Viele DNA Bindungsproteine (wie der lac repressor) von Bakterien und Archeen besitzen eine spezielle Form: Helix-turn-helix. oft binden zwei Helix-turn-helix Bindungsproteine zusammen an bestimmte Sequenzen und aneinander. Dies garantiert eine höhere Spezifität der DNA Bindungsproteine, sodass sie nicht irgendwo binden, wo sie nicht binden sollten, lediglich weil möglicherweise die Sequenz an einer Stelle gleich oder ähnlich ist. Archaeen DNA Reprossorproteine in Archaeen blocken die RNA Polymerase Bindung oder Blocken die Bindung des TATA binding Proteins (TBP) und transcription factor B (TFB), welche von der archealen RNA Polymerase benötigt werden um am Promotor zu binden. Herstellung von Produkten durch Bakterien Seite 78 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Restriction Enzyme Bewahren die Bakterienzelle davor, uneigene DNA zu verarbeiten (z.B. von Phagen). Sie erkennen bestimmte Abschnitte, welche ein Palindrom darstellen, und machen einen Cut. Dadurch kann die DNA nicht mehr gelesen werden. Dies passiert nicht bei der bakteriellen DNA, da diese methyliert ist. Diese Restriction Enzyme können verwendet werden, um Plasmide synthetisch herzustellen. Diese Plasmide müssen: - Einen Replikationsstartpunkt besitzen - Selection marker (enzym, welches resistenz gegenüber Antibiotika garantiert) - Einzigartige Restriction Stelle (Ort, wo dann neue DNA eingebettet werden kann) - Das Plasmid muss in hoher Anzahl in der Zelle vorkommen - Das Plasmid sollte so kurz wie möglich sein Um Plasmide zur Umsetzung von Stoffen durch Bakterien verwenden zu können muss zuerst ein Plasmid und ein Stück gewünschte DNA (schwarz) mithilfe eines Restriction Enzyms gecutted werden. Dann wird das erstellte Plasmid mit Bakterien in Verbindung gebracht. Einige Bakterien werden dann dieses Plasmid aufnehmen. Zum Schluss muss man noch die Bakterien aussortieren, die das neue Plasmid tragen (z.B. Durch Farbindikatoren). Dieses Bakterium wird nun das gewünschte Protein herstellen. Seite 79 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Da die DNA Stücke gecutted wurden, müssen sie wieder verbunden werden. Dazu wird DNA Ligase verwendet. Um Plasmide zu synthetisieren werden somit 2 Enzyme dringend benötigt: - Restriction Enzyme (Cut) - DNA Ligase (Verbindung) Erkennung der gebildeten Proteine Einige Proteine haben zwar unterschiedliche Abfolgen der Aminosäuren, haben aber eine ähnliche 3D Struktur. Homologe Proteine haben ähnlichen Sequenzen und Strukturen. Diese Homologen Proteine können: - Ortholog sein: Sie besitzen dieselbe Funktion - Paralog sein: Sie besitzen unterschiedliche Funktionen Man kann die Proteinsequenzen prüfen und mit der Sequenz anderer Proteine mit bekannter Sequenz vergleichen, um herauszufinden, was ein Protein tut. Dabei gibt es die Möglichkeit, dass entweder die Sequenz exakt gleich ist oder dass es sich um ähnliche Aminosäuren handelt. Durch eine Matrix kann man dann prüfen, ob Aminosäuren ähnlich sind (positive Score, max. +11) oder ob sie extrem verschieden voneinander sind (negative Score, min. -4). Je grösser der Score desto ähnlicher sind sich die Aminosäuren. Auch Proteine, welche sehr geringe Sequenz Identität (auch < 20%) besitzen können immer noch dieselbe Struktur oder Funktion besitzen. Seite 80 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Durch das Vergleichen der Strukturen von heutigen Proteinen und das Abschätzen, wann in etwa eine Aufteilung der Proteine stattgefunden hat (z.B. «Pflanzliches Hemoglobin» und tierisches Hämoglobin vor 800 Mio Jahren), kann man herausfinden, wie sehr DNA konserviert wurde im Laufe der Zeit (= wie gleich sie geblieben ist). Seite 81 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 E: Reaktionskinetik, Bindungsgleichgewichte und enzymatische Katalyse (R. Glockshuber) Reaktionsgeschwindigkeit Beispiele von Reaktionen A + B -> C A+B->C+D* * A -> B + C Wichtig: k sind immer Geschwindigkeitskonstanten K sind immer Gleichgewichtskonstanten Reaktionen 1. Ordnung Edukte müssen nicht mit mindestens einem 2. Edukt zusammengeführt werden A -> B A -> B + C Beispiele: Radioaktiver Zerfall Spontaner Zerfall eines Protein Liganden Komplexes PL zu P + L = Geschwindigkeit zu einem beliebigen Zeitpunkt t = Zum Zeitpunkt t vorhandene Konz. A Seite 82 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Lösung der DGL = Anfangskonzentration von A bei t = 0 Halbwertszeit Erkenntnis: ist unabhängig von der Anfangskonzentration Obergrenze für k Streckschwingungsfrequenz einer C-C Bindung Definition Kehrwert von k Durchschnittliche Lebensdauer des Ausgangsmoleküls A Einheit [ ] = s Seite 83 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Reaktionen 2. Ordnung 2 Moleküle müssen zusammenkommen, dass die Reaktion stattfinden kann A + B -> C A + B -> C + D Beispiele Bildung eines Protein Liganden Komplexes Elektronenübertragungsreaktionen = Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung. Einheit [ ] = Diffusionsgeschwindigkeit (Durchquerung eines Moleküls durch die Zelle) Ecoli (0.5 µm x 2 µm, Ø Durchmesser ca. 1µm): 10ms HELA-Zelle (Ø Durchmesser ca. 30µm): 10s -> Zeit für das Zurücklegen einer gewissen Strecke durch freie Diffusion steigt quadratisch mit der Distanz Annahme: Berechnung der Halbwertszeit Seite 84 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Sonderfall Bildung eines homodimeren Proteionkomplex Anfangsgeschwindigkeit 1. Ordnung: 2. Ordnung: Obergrenze für k 2. Ordnung Jeder Zusammenstoss zwischen [A] und [B] für zum Reaktionsprodukt [C] (Diffusionskontrollierte Reaktionen) Maximalwert: Für Protein Ligandenkomplexe: Typische Werte von k für physologische biomolekulare Reaktionen: Langsamer ablaufende Reaktionen: nicht physiologisch Relevant. -> Die meisten Zusammenstösse zwischen A und B führen nicht zur Bildung von C Diffusionskontrollierte Reaktion zwischen 2 Proteinen [A] und [B] Mit Seite 85 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Beobachtung von sehr schnellen biomolekularen Reaktionen Start mit Stopped-Flow Mixing Reaktionen pseudo 1. Ordnung Einheit von Bei Reaktionen pseudo 1. Ordnung: ist proportional zu ist unabhängig von Reaktionen 0. Ordnung Bsp: 1. Abbauschritt von Alkohol im Blut durch Alkoholdehydrogenase zu Acetaldehyd Kommen nur vor bei katalysierten Reaktionen wenn der Katalysator vollständig mit dem Substrat abgesättigt ist Seite 86 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 K ist keine echte Naturkonstante, da abhängig von Zweizustands Gleichgewicht Gleichgewichtsbedingung: Geschwindigkeit der Bildung von B ist identisch mit der Geschwindigkeit des Zerfalls von B [A], [B]: Konzentration nach Einstellung des Gleichgewichts = Differenz der freien Standardenthalpien von A und B Gibbs-Gleichung R: Gaskonstante T: Temperatur in Kelvin Seite 87 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 K= % B im GG (kj/mol) 100:1 -11.4 99% 10:1 -5.7 91% 1:1 0 50% 1:10 +5.7 9% 1:100 +11.4 1% Aktivierungsenergie und Katalyse chemischer Reaktionen ÜZ liegt auf der Skala wesentlich höher als Edukt (S) und Produkt (P) kann nicht direkt experimentell beobachtet werden muss zwingend durchlaufen werden, damit Vorwärts- und Rückwärtsreaktion stattfinden können Seite 88 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Arrhenius Gleichung A -> Präexponentieller Faktor (Theoretische Obergrenze Für k ca. -> Faktor, um den sich A aufgrund der Aktivierungsenergie verringert Hohe -> hohe Temperaturabhängigkeit Niedrige -> niedrige Temperaturabhängigkeit Beschleunigungsfaktor In Analogie zur Gibbs-Gleichung: Absenkung der Aktivierungsenergie um 5.7kJ/mol -> Reaktionsbeschleunigung um den Faktor 10 Höchster bekannter Wert von = (OMP-Decarboxylase) -Werte von Stoffwechselreaktionen haben Halbwertszeiten zwischen wenigen Sekunden und mehreren Millionen Jahren. Seite 89 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Voraussetzungen eines Katalysators: Geht unverändert aus der Reaktion hervor Ein Katalysatormolekül kann viele Reaktionen nacheinander katalysieren Substöcheometrische Mengen (Katalytische Mengen) gegenüber S und P sind ausreichend zwischen S und P bleibt unverändert Vorwärts- und Rückwärtsreaktion wird um den gleichen Faktor beschleunigt -> Enzyme beschleunigen die Einstellung des Gleichgewichts -> der kat. Reaktion steigt linear mit der Enzymkonzentration Seite 90 von 136