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DNA

Das zentrale Dogma des Lebens. DNA. RNA. Protein. Umsetzung des genetischen Codes in Proteine. Wie wird dechiffriert? 4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide) A C G T (U) 20 Buchstaben-Sprache der Proteine (Aminosäuren) Phe Leu Ser Tyr Cys Trp Pro His Gln Arg

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Presentation Transcript

  1. Das zentrale Dogma des Lebens DNA RNA Protein

  2. Umsetzung des genetischen Codes in Proteine Wie wird dechiffriert? 4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren(Nukleotide) AC G T (U) 20 Buchstaben-Sprache der Proteine(Aminosäuren) PheLeu SerTyrCysTrpProHisGlnArg MetThrAsnLysValAlaAspGluGlyIle

  3. Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette (hydrophob)

  4. Hydroxylierte Aminosäuren

  5. Basische Aminosäuren (mit positiver Ladung)

  6. Saure Aminosäuren (mit negativer Ladung ) und deren Derivate

  7. Aromatische Aminosäuren (hydrophob)

  8. Helix-brechende Aminosäure

  9. Schwefelhaltige Aminosäuren

  10. Umsetzung des genetischen Codes in Proteine Wie wird dechiffriert? 4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren(Nukleotide) AC G T (U) 20 Buchstaben-Sprache der Proteine(Aminosäuren) PheLeu SerTyrCysTrpProHisGlnArg MetThrAsnLysValAlaAspGluGlyIle Man kann sich verschiedene Möglichkeiten der Codierung vorstellen: (1) 2er-Code = 4 Code-Buchstaben AC G Tin 2er Gruppen: z. B. A T = Leu; CG = Asp >> reicht nicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren (42 = 16) (2) 3er-Code = 4 Code-Buchstaben AC G Tin 3er Gruppen: z. B. A T G = Met;GAG = Asp >> reicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren (43 = 64)

  11. Umsetzung des genetischen Codes in Proteine der nicht-überlappende Triplett-Code wurde letztendlich und zweifelsfrei durch viele Experimente nachgewiesen (z. B. Deletions- und Insertionsmutationen)

  12. Insertion Deletion Val Ala Tyr Gly Val Ala Ser Arg Val Pro Arg Glu Ser His Val Gly Umsetzung des genetischen Codes in Proteine mRNA der nicht-überlappende Triplett-Code wurde durch Deletions- bzw. Insertionsmutationen nachgewiesen: (i) die Addition bzw. Deletion einer bzw. zweier Basen verändert den Triplett-Code (ii) die Addition bzw. Deletion von drei Basen verändert den Triplett-Code nicht (iii) die gleichzeitige Addition und Deletion einer Base verändert den Triplett-Code nicht

  13. Übersetzen der drei möglichen Triplett- Raster in Amino- Säuren bei einem nicht-überlappenden Triplett-Code gibt es in der mRNA drei mögliche Triplett-Raster: jeder Raster würde für eine andere Aminosäure-Sequenz codieren!! Was legt den richtigen Raster fest? 5‘---U U C U C G G A C C U G G A G A U U C A C A G U ---3‘ ---Phe---Ser----Asp----Leu----Glu----Ile----His----Ser--- ---Ser---Arg----Thr----Trp----Arg----Phe----Thr------- ---Leu---Gly----Pro----Gly----Asp----Ser----Gln-------- Legt das erste Codon in der mRNA (UUC) den Leseraster fest? >>> in Wirklichkeit legt das erste AUG-Codon = Startcodon innerhalb der mRNA den Leseraster fest

  14. bakterieller Extrakt durch die clevere Zusammenstellung von Basen in heteropolymerer RNA konnten weitere Tripletts geknackt werden synthetische mRNA Polypeptid Wie wurde der genetische Code “geknackt“? oder anders gefragt: welche Tripletts codieren für welche Aminosäure? bakterielle Extrakte mit allen Komponenten für die Proteinsynthese außer mRNA >> Zugabe von künstlicher mRNA (z. B. homopolymere RNA) >>> Proteinsynthese: welche Polypeptide? in Versuchen mit synthetischen Polynukleotiden und Anbindung von spezifischen Aminoacyl-tRNA Molekülen an Ribosomen wurde der gesamte genetische Code Anfang der 60iger Jahre aufgeklärt

  15. Das Wörterbuch der Aminosäurecode-Wörter und ihre entsprechenden Codons auf der mRNA (1) für 3 der 64 Codons gibt es keine Aminosäure > >UAA, UAG, UGA =Stopcodons (2) alle Aminosäuren außer Methionin (Met) und Trypthophan (Trp) haben mehr als ein Codon machmal bis zu sechs Codons: z. B. Serin (Ser) >> genetische Code ist degeneriert, weil eine bestimmte Aminosäure von mehr als einem Codon spezifiziert wird

  16. für eine Aminosäure codierendes Nukleotid-Triplett ACU = Codon Die tRNA - Vermittler zwischen der 4-Buchstabensprache der DNA/RNA und der 20-Buchstabensprache der Proteine Francis Crick hat schon früh vermutet, daß die tRNA die Rolle eines Adapters spielen könnte, wobei ein Teil der tRNA eine spezifische Aminosäure bindet und ein anderer Teil der tRNA die Triplett-Sequenez (Codon) in der mRNA erkennt, welche für diese Aminosäure codiert Aminosäure Bindebereich fürAminosäure Adapter (tRNA) Wie können tRNA-Moleküle diese Doppelrolle erfüllen? >> liegt in der Struktur der tRNA begründet!!! mRNA

  17. mI Aminosäure- Bindestelle 3‘-OH UH2 Y m2G (Ribose an C-5) mG Basensequenz der Alanyl-tRNA 5‘-P UH2 mG Seltene Basen UH2 m2G UH2 Y mI Anticodon

  18. wobble-Position Allgemeiner Bauplan von tRNAs 3‘-OH Aminosäure- Arm tRNAs sind relativ klein und haben eine Länge von 73 - 93 Nukleotid-Bausteinen 5‘-P G einzelsträngige und doppelsträngige Abschnitte (50%ige Paarung) > typische L-Struktur und Schleifen TYC-Schleife DHU-Schleife tRNAs enthalten viele (7-15%) seltene Basen wie Pseudouridin, Inosin, Dihydrouridin, Methyl- und Dimethyl-Guanosin etc. Extra-Arm variabel 5‘-Ende hat meistens ein G und Phosphat Anticodon- Schleife Basensequenz am 3‘-Ende ist immer CCA 1. 3. 2. Anticodon ist in der Anticodonschleife

  19. dreidimensional-gefaltete tRNA Kleeblatt-Model Aminosäure-Arm Aminosäure-Arm Anticodon-Schleife Anticodon-Schleife Anticodon Anticodon

  20. tRNA-Moleküle haben in Wirklichkeit in ihrer 3-D Struktur die Form eines auf den Kopf gestellten “L“ AA AA Anticodon als Ergebnis der Röntgen-Strukturanalyse von kristallisierter tRNA konnte 1975 die 3-D-Struktur der Phenylalanyl-tRNA von Hefe bestimmt werden > CCA-Ende mit der Aminosäure-Bindestelle an einem Ende des „L“ Anticodon am anderen Ende des „L“ > alle tRNAs haben diese Struktur, wodurch die tRNA während der Proteinsynthese am Ribosom ihre Adapter-Rolle erfüllen kann

  21. Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

  22. Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

  23. 5‘ 3‘-ACC 3‘-ACC 5‘ mRNA 5‘---------------G-A-T---------3‘ 3‘-ACC Codon fürAsp Anticodon für His 5‘---------------C-A-T---------3‘ Asp + tRNAAsp Asp-tRNAAsp Codon fürHis ATP Aminoacyl-tRNA- Synthetase Aminoacyl-tRNA-Synthetasen Asp- Anticodon für Asp Asp- His- Genauigkeit der Übersetzung des genetische Codes in Proteine hängt ab von der Präzision der Beladung der tRNAs mit der richtigen Aminosäure Aminoacyl-tRNA-Synthetasen erkennen gleichzeitig Aminosäure und dazugehörige tRNA für jede Aminosäure gibt es eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase

  24. Aminoacyl-AMP ATP Aminosäure 1. Aktivierung der Aminosäure 2. Übertragung der Amino- säure auf die tRNA (Klasse II-Synthetasen) PPi 3‘ 5‘-Aminoacyladenylat (Aminoacyl-AMP) Aminoacyl-tRNA Der 2-Schritt-Mechanismus der biochemischen Reaktion bei der Aminoacylierung der tRNA Aminosäure+tRNA+ ATP Aminoacyl-tRNA+ AMP + 2Pi DGo‘ = -29 kJ mol-1 AA-RS

  25. Erkennungsbereiche von tRNA-Molekülen, die für die Bindung an Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und Beladung der richtigen Aminosäure notwendig sind Kristallstruktur der Glutaminyl-tRNA-Synthetase mit gebundener Glutaminyl-tRNA für die Erkennung der richtigen tRNA durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase können verschiedene Strukturen inner- halb des tRNA-Moleküls beteiligt sein tRNA 3‘-Ende ATP Anticodon Aminoacyl- tRNA-Synthetase

  26. Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

  27. Cystein Alanin +Ni(H) Anticodon für Cystein Anticodon für Cystein mRNA Codon für Cystein wird nachträglich die Aminosäure einer bereits beladenen tRNAchemischumge- wandelt, wird bei der Proteinsynthese eine falsche Aminosäure ins Protein eingebaut d. h. auf der Stufe des Ribosoms kann eine falsch aminoacylierte tRNA nicht mehr ausgesiebt werden!!!! es gibt bei den Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ein Korrektur-Lesen, um das Einbauen falscher Aminosäuren zu verhindern

  28. Die tRNA entziffert die mRNA über die Codon::Anticodon- Wechselwirkung mit Hilfe der Basenpaarung Paarung zwischen Codon::Anticodon bedeutet gegenseitige Ausrichtung der RNA-Moleküle in antiparalleler Weise 5‘-------3‘ (mRNA) 3‘-------5‘ (tRNA) (d.h. erste Base des Codons paart mit dritter Base des Anticodons etc.) bei typischer Watson::Crick-Paarung (A::U; G:::C) zwischen Codon und Anticodon müßte es61 verschiedene tRNA-Spezies geben (43 = 64 - 3 Stopcodons), welche für 20 Aminosäuren codieren !!! es gibt aber viel weniger tRNAs (ca. 40) !!! zahlreiche tRNAs können mit ihrem Anticodon mehrals ein Codon lesen = Wobble-Paarung (“wobble“ = wackeln)

  29. Nichtstandard-Wobble Basenpaarungen Cytosin Inosin Adenin Inosin Uracil Inosin Uracil Guanin Die Wobbel-Hypothese 1. Die ersten beiden Basen des Codons in der mRNA bilden stets starke Watson-Crick-Paare aus und tragen daher am meisten zur Spezifität der Codierung bei 2. Die erste Base einiger Anticodons (= 3. Base im Codon= wobble Position) bestimmt die Anzahl der Codons, die von einer gegebenen tRNA gelesen werden können 3. Auf der Wobble-Position bilden sich häufig Nichtstandard-Watson-Crick-Paarungen aus 4. Auf Grund der Wobbel-Hypothese können die 61 Codons, die für 20 Aminosäuren codieren, von weniger als 61 tRNAs gelesen werden

  30. Anticodon tRNA mRNA Ribosom

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