Kontrolle der Genexpression auf mRNA-Ebene · Diptherie-Toxin ist ein Protein aus Corynebacterium...

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Kontrolle der Genexpression auf mRNA-Ebene

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

RNA interference (RNAi)

•  siRNA •  (small interfering

RNA) •  miRNA (micro

RNA)

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Transcriptional silencing

Inhibition of translation mRNA degradation

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

•  Inhibitoren der Transkription Rifampicin, Actinomycin α-Amanitin

•  Inhibitoren der Translation Puromycin, Streptomycin, Tetracycline, Chloramphenicol Diphterie-Toxin

Antibiotika sind oft Inhibitoren der Genexpression

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Rifamycin & Rifampicin inhibieren prokaryotische, aber nicht eukaryotische

RNA-Polymerasen

Rifampicin ist ein halbsynthetisches Derivat von Rifamycin B, das von Streptomyces mediterranei produziert wird.

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

•  aus Streptomyces antibioticus

•  inhibiert DNA- und RNA-Polymerasen

•  Interkaliert zwischen Basenpaare der dsDNA

Actinomycin D

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

α-Amanitin (Amatoxine)

•  aus Amanita phalloides (Grüner Knollenblätterpilz)

•  Inhibiert v.a. eukaryotische RNA-Polymerase II u. III, aber nicht I, und nicht prokaryot. RNA-Polymerasen

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Puromycin (inhibiert die Translation)

Bindet ohne EF-Tu die A-Stelle im Ribosom und es wird ein Peptidylpuromycin gebildet.

Eine weiter Transpeptidierung kann nicht stattfinden.

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Bindet an die grosse Untereinheit und inhibiert die Peptidyltransferase Aktivität von prokaryotischen Ribosomen

Chloramphenicol

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Binden an die kleine Untereinheit prokaryotischer Ribosomen und verhindert die Bindung von Aminoacyl-tRNAs.

Tetracycline

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Streptomycin und andere Aminoglycoside inhibieren die Initiation (bei hoher Konzentration) und verursachen bereits bei niedriger Konzentration Fehleinbau

Streptomycin

Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Diphterie-Toxin (inhibiert die Translation)

Diptherie-Toxin ist ein Protein aus Corynebacterium diphteriae, das in der infizierten Zelle in zwei Fragmente gespalten wird.

Ein Fragment ist ein Enzym, das ADP-Ribose auf ein modifiziertes Histidin im EF-2 überträgt und dadurch EF-2 inaktiviert.

Bioenergetik

&

Stoffwechsel

Thermodynamik

•  Erster Hauptsatz (Energie bleibt erhalten)

•  Zweiter Hauptsatz (Entropie nimmt zu)

Exergone / Endergone Reaktionen

Freie Enthalpie, Enthalpie und Entropie

ΔG = ΔH – T·ΔS ‹ 0 (exergone Reaktion) › 0 (endergone Reaktion)

ΔG ist die Änderung der freien Enthalpie bis zum Erreichen des Gleichgewichts, wenn die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte zu Beginn der Reaktion gleich 1 mol/l sind (bei Gasen: 101,3 kPa)

Kriterium für die Spontanietät einer chemischen Reaktion

Biochemische Standardzustand

ΔGº Standardzustand (T=298K, P=101.3kPA, Konzentrationen = 1 mol/l, pH=0)

ΔG’º Biochemische Standardzustand (pH 7.0, [H+]=10-7 mol/l )

Spontanietät einer Reaktion

ΔH ΔS ΔG = ΔH - TΔS

- + Die Reaktion ist sowohl seitens der Enthalpie (exotherm) als auch seitens der Entropie begünstigt. Sie läuft bei allen Temperaturen spontan (exergon) ab.

- - Seitens der Enthalpie ist die Reaktion begünstigt, die Entropie wirkt aber dem entgegen. Sie läuft nur bei Temperaturen niedriger als T = ΔH/ΔS spontan ab.

+ + Die Reaktion ist seitens der Enthalpie gehindert (endotherm), aber entropische beguenstigt. Sie läuft nur bei Temperaturen oberhalb T = ΔH/ΔS spontan ab.

+ - Die Reaktion ist sowohl seitens der Enthalpie als auch Entropie gehindert (endergon). Sie läuft bei keiner Temperatur spontan ab.

Die Freie Enthalpie ΔG einer chemischen Reaktion hängt von den Konzentrationen ihrer Reaktanden und Produkte ab:

a·A + b·B c·C + d·D

ΔG = ΔG’º + R·T·ln

ΔG’º = - R·T·ln K’eq

Gleichgewichtskonstante und ΔG

[C]c [D]d

[A]a [B]b

im Gleichgewicht

R ist die Gaskonstante (8,315 J mol-1 K-1)

tatsächlichen Konzentrationen

Beziehung zwischen K‘eq und ΔG’º

S P ΔG’º = - R·T·ln K’eq = [P] [S]

K‘eq ΔG’º (kJ / mol) 10-6 34.2 10-4 22.8 10-2 11.4 10-1 5.7 1 0.0

101 -5.7 102 -11.4 103 -17.1

- R·T·ln

Änderungen der freien

Standardenthalpie sind additiv

Glucose + Phosphat Glucose-6-Phosphat + H20 13.8

ATP + H20 ADP + Phosphat -30.5 _____________________________________________________

Glucose + ATP Glucose-6-Phosphat + ADP -16.7

ΔG (kJ·mol-1)

Gleichgewichtskonstanten gekoppelter Reaktionen

[Glucose-6-P] [Glucose][P]

Keq(1) = = 3.9 · 10-3 mol-1 l

[ADP] [P] [ATP]

Keq(2) = = 2.0 · 105 mol l-1

[Glucose-6-P] [ADP] [P] [Glucose] [P] [ ATP]

Keq(3) = = 7.8 · 102 mol-1 l

Übertragung und Speicherung von Energie

Der Stoffwechsel (Metabolismus)

Der Metabolismus besteht aus vielen gekoppelten Reaktionen

Katabolismus

Anabolismus

ATP – ADP Zyklus

Biosynthesen Bewegung

Aktiver Transport Signalverstärkung

Oxidation von Brennstoffmolekülen

oder Photosynthese

Die Freie Enthalpie der ATP-Hydrolyse in Zellen

ΔG = ΔG’º + R·T·ln [ADP] [P]

[ATP]

Beispiel: in Erythrocyten beträgt [ATP] = 2,25 mmol l-1

[ADP] = 0,25 mmol l-1

[P] = 1,65 mmol l-1

ΔG = -30.5 J mol-1 + 8.315 J mol-1 K-1 ·298 K · ln (2.5 10-4)(1.65 10-3)

2.25 10-3

ΔG = -51800 J mol-1 =-51.8 kJ mol-1

Adenosintriphosphat (ATP)

Mg2+

Adenosindiphosphat (ADP)

Adenosinmonophosphat (AMP)

Biologische Redoxreaktionen

Messung des Standard-Reduktionspotentials

X + e- → X-

H+ + e- → ½ H2

Negatives Reduktions- Potential: X besitzt eine geringere Elektronenaffinität als H2

Bedeutung der Standard-Reduktionspotentiale Oxidierte Form

(Oxidationsmittel) Reduzierte Form

(Reduktionsmittel) Ein starkes Reduktions- Mittel (zB NADH) gibt leicht Elektronen ab und besitzt daher ein negatives Redox- potental.

Sauerstoff (O2) ist ein starkes Oxidationsmittel, d.h. es nimmt bereitwillig Elektronen auf und besitzt daher ein positves Redoxpotential.

Änderung der freien Enthalpie:

ΔG’º = -nFΔE’º

reaktive Stelle

R = H : NAD+

R = Phosphat: NADP+

Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD+)

Bei der Oxidation eines Substrates nimmt das NAD+ zwei Elektronen und ein Proton auf (= ein Hydridion)

Flavin-adenin-dinucleotid (FAD)

Reaktive Stellen

Glucose Stoffwechsel

Glykolyse, Milchsäuregärung und alkoholische Gärung

Glykolyse

Gärung vollständige Oxidation

Glykolyse 1: Phosphorylierung von Glucose

Mg2+

Glykolyse 2: Isomerisierung von Glucose-6-phosphat

Glucose-6-phosphat Glucose-6-phosphat Fructose-6-phosphat Fructose-6-phosphat

Glucosephosphat-Isomerase

Glykolyse 3: Phosporylierung von Fructose-6-phosphat

PFK ist ein allosterisches Enzym, das die Geschwindigkeit der Glykolyse bestimmt.

Glykolyse 4: Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat

-

Glycerinaldehyd- 3-phosphat

(GAP)

Glykolyse 5: Isomerisierung von Dihydroxyacetonphosphat

-

Triosephosphat- Isomerase

Glycerinaldehyd- 3-phosphat

(GAP)

Struktur und Funktion der Triosephosphat-Isomerase

(αβ)8-Barrel

Katalytische Mechanismus der Triosephosphat-Isomerase (1)

Katalytische Mechanismus der Triosephosphat- Isomerase (2)

Katalytische Mechanismus der Triosephosphat-Isomerase (3)

Zusammenfassung “Vorbereitende Stufe” der Glykolyse