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Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen

Mitarbeiterseminar der Medizinischen FakultätRuhr-Universität Bochum

Andreas Friebe Abteilung für Pharmakologie und Toxikologie

Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen

Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen

DNA RNA Protein

Replikation Transkription Translation

Zentrales Dogma der Molekularbiologie

Informationsfluss geht von DNA über RNA zum Protein

DNA

Gen: DNA-Abschnitt, der die Information für ein spezifisches Genprodukt codiert:

- Protein bzw. RNA-Molekül

Chromosomen: Erbinformation

Genom: Gesamtheit aller Chromosomen einer Zelle (Erbgut)

- 3 Milliarden Basen

- > 20.000 Gene (Mensch)

- 2 Meter DNA-Faden pro Zelle

Aufbau der DNA

Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen

Wasserstoffbrücken

- Zwischen Dipolmolekülen herrschen zwischenmolekulare Kräfte

Funktionelle Gruppen

- Hydroxyl-Gruppe R-OH - bildet Wasserstoffbrücken

- in Alkoholen und Zuckern

- Carboxyl-Gruppe R-COOH - bildet Wasserstoffbrücken, oft ionisiert: COOH → COO- + H+

- in organischen Säuren: Zitronensäure, Essigsäure

- Amino-Gruppe R-NH2 - bildet Wasserstoffbrücken, Base: NH2 + H+ → NH3+

- in Aminosäuren

- Phosphat-Gruppe R-PO4- - bildet Wasserstoffbrücken, immer geladen

- in DNA, RNA

- Sulfhydryl-Gruppe R-SH - zwei SH-Gruppen können zu einer Disulfid-Brücke reagieren

- Verknüpfung von Proteinketten -SH + -SH → -S-S- + 2H+

Aufbau der DNA: Nukleotide und Nukleoside

Desoxyribonukleinsäure: DNS (deoxyribonucleic acid, DNA)

Bausteine:

Nukleotide: Jedes Nukleotid besteht aus 3 Bestandteilen:

- einer organischen Base: A, G, C, T

- einem Zucker: Desoxyribose

- Phosphat

Nukleosid: organische Base + Zucker

Adenosin, Cytidin, Thymidin, Guanidin

Desoxyribose

Adenin Guanin

ThyminCytosinPyrimidine

Purine

Aufbau der DNA: Einzelstrang

Nukleotid-Bindung: Phosphat am 5'-Kohlenstoff verbunden mit Hydroxyl-Gruppe am 3'-Kohlenstoff

Desoxyribose

1

23

4

5

Dinukleotid

Mononukleotid

Trinukleotid

5'-Ende

3'-Ende

Aufbau der DNA: Doppelstrang (Helix)

BasenpaarPhosphat

ZuckerNukleotid

Basenpaare:

Adenin - Thymin: 2 H-Brücken

Guanin - Cytosin: 3 H-Brücken

DNA: Denaturierung und Renaturierung

Doppelstrang-DNA

- Denaturierung: Spaltung bei Erhitzen (Schmelzen)

→ Aufbrechen der Wasserstoffbrücken

- Renaturierung: Zusammenlagern der Einzelstränge bei langsamen Abkühlen (Hybridisierung)

→ Wiederausbildung der Wasserstoffbrücken

Anwendung: PCR, Mutagenese, Southern blot Hybridisierung

Aufbau, Struktur, Funktion von RNA

Ribonukleinsäure: RNS (ribonucleic acid, RNA)

Bausteine:

Nukleotide

Jedes Nukleotid besteht aus 3 Bestandteilen:

- einer organischen Base: A, G, C, U

- einem Zucker: Ribose

- Phosphat

Adenin Guanin

UracilCytosin

Aufbau und Vorkommen der RNA

m-RNAmessenger-RNA (Boten-RNA):entsteht beim Kopieren der Gene

t-RNAtransfer-RNA:transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen

r-RNAribosomale RNABestandteile der Ribosomen

Unterschiede RNA - DNA

- Der Zucker ist eine Ribose (statt Desoxyribose)

- Die Base Thymin ist durch Uracil ersetzt

- RNA kann auch als Einzelstrang vorliegen

- keine Helix als Raumstruktur

Aminosäure

Aufbau und Vorkommen der RNA

m-RNA t-RNA

r-RNA

→ Translation

Funktionen verschiedener Proteine

- katalytisch wirksame Proteine: Enzyme

- Faserproteine: Seide, Spinnengewebe

- Stützproteine: Knorpel > Sülze, Knochenmatrix, Haare, Hautschuppen, Keratin

- Sehnenproteine: Gelatine

- kontraktile Proteine: Muskelproteine

- Transportproteine im Blut: Albumine für den Fettsäuretransport

- Antikörper: Gammaglobuline

- Sauerstoffbindende Proteine: Hämoglobin, Myoglobin

- Bakterientoxine: Botulinustoxin, Diphtherietoxin

- Kanalproteine: Ionenkanäle

Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen

Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen

Unterscheidung von Proteinen

- Größe: Insulin 51 AS, Serumalbumin 584 AS

- Form: globulär, fibrillär etc.

- Konformation: einfach oder zusammengesetzt

- Lokalisation: intra-/extrazellulär, zytosolisch oder in der Membran

- Funktion: Enzyme, Membranproteine, Transkriptionsfaktoren etc.

- Sequenzverwandtschaft, Aufbau aus Domänen

→ kein stets sinnvolles Einteilungsschema vorhanden

Struktur

- Primärstruktur: Aminosäuresequenz

- Sekundärstruktur: α-Helix, β-Faltblatt

- Tertiärstruktur: räumliche Faltung der Aminosäurekette

- Quartärstruktur: räumliche Struktur von Proteinkomplexen

Aufbau von Proteinen: Aminosäuren

Nicht-ionische Form Geladene Form (Zwitterion) bei pH 7,4

Amino-Gruppe:: NH2 / NH3+

Säuregruppe: COOH / COO-

Aminosäurerest: R

Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen: Aminosäuren

Bausteine

- 20 verschiedene Aminosäuren

Vorkommen

- Dipeptide

- Oligopeptide 2-100 Aminosäuren

- Proteine (Eiweiße): > 100 Aminosäuren

Aminosäuren mit hydrophilen Resten

Neutrale Aminosäuren

Aromatische Aminosäuren

saure Aminosäuren

basische Aminosäuren

Aminosäuren mit hydrophoben Resten

Peptidbindung

Peptidbindungen

C-TerminusN-Terminus

Kondensationsreaktion

N C

Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur

Wasserstoffbrücken-Bindung Ionen-Bindung

Disulfid-Brücke

hydrophobe Wechsel-wirkung

Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur

Alpha-Helix

Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur

Beta-Faltblatt

Struktur von Proteinen: Tertiär- und Quartärstruktur

Tertiärstruktur

Quartärstruktur

Beispiel: Hämoglobin

Enzyme

Enzyme: 'Biokatalysatoren'

Zelle = Fabrik, Zellorganellen = Maschinen, Enzyme = Arbeiter

- mehr als 2000 Enzyme bekannt

- Leberzelle: ca. 50 Millionen Enzymmoleküle

Eigenschaften

- Endung: -ase

- Enzyme sind substratspezifisch und wirkungsspezifisch

- Enzyme wirken über einen Enzym-Substratkomplex

- Enzyme haben ein aktives Zentrum

- Enzyme lassen sich inaktivieren durch hohe Temperatur, pH-Wert-Änderung, Schwermetallionen

→ Denaturierung (= Verlust der Konformation)

Eigenschaften von Enzymen

Temperatur-Abhängigkeit pH-Abhängigkeit

- Oxidation/Reduktionsreaktionen: Oxidoreduktasen oder Dehydrogenasen Bsp.: Katalase, ADH

- Übertragen von funktionellen Gruppen: Transferasen Bsp.: Aminotransferase

- Bindungsspaltungen: Hydrolasen und Lyasen Bsp.: Peptidasen

- Verknüpfungsvorgänge: Ligasen Bsp.: DNA-Ligase