Datenspeicherung und Datenfluß in der Zelle-

Grundlagen der Biochemie

Datenspeicherung und Datenfluß der Zelle

Transkription TranslationDNA RNA Protein

Aufbau

I. Grundlagen der organischen Chemie und chemische Bindungen

II. Struktur der BiomoleküleNukleinsäuren: DNA und RNAProteine

III. Von DNA zu Protein: Transkription und Translation

IV. Organisation der DNA im Menschen: Das menschliche Genom

Chemische Bindungen

Kovalente Bindung / Atombindung:

Zusammenhalt von Atomen, der durch die Ausbildung gemeinsamer Elektronenpaare zustande kommt

Chemische BindungenEs gibt drei Klassen nicht-kovalenter, reversibler Verbindungen:

• Ionenbindung (Salzbrücken)

• Wasserstoff - Brücken Bildung

• Van der Waals Wechselwirkungen

Spielen eine Schlüsselrolle in der Replikation der DNA der Proteinfaltung

Positiv geladene GruppeNegativ geladene Gruppe

Wasserstoffdonor Wasserstoffakzeptor

Die biochemischen Eigenschaften des Wassers

Wasser als elektrischer Dipol:

Wasserstoff-Brückenbildung im Wasser:

Wasser als Lösungsmittel:

Organische Chemie – funktionelle Gruppen

Amino Gruppe Carbonyl Gruppe Hydroxyl Gruppe Carboxyl Gruppe

Die funktionellen Gruppen bestimmen den Charakter einer organischen Verbindung

CarbonsäurenAlkoholeAmine Aldehyde/Ketone

Zucker

D-Ribose

C

C

O

H

OH

C

C

OH OH

HOCH2

H HH

C

CH

OH

C

C

OH H

HOCH2

H HH2

2

O

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

OH

OH

OH

OH

O

2

1

3

4

5

2-Desoxyribose

D-Ribose

Esterbindung

Ester = Säure + Alkohol

Desoxyribonucleinsäure (DNA)

DNA-Einzelstrang: Polydesoxynucleotid-Molekül

DNA = Polymer aus Nucleotideinheiten

Nucleotid = Base + Zucker + Phospat-Rest Nucleosid

dATP

Basen der DNA

Purin Guanin Adenin

Pyrimidin ThyminCytosin

Basenpaarung

GuaninCytosin

Thymin Adenin

Die DNA Doppelhelix

Querschnitt

B-DNA (vorherschende Konformation in der Zelle):

•rechtsgängig•Basen rechtwinklig zur Helixachse•Basen um 35° versetzt 10 Basenpaare/

Windung

Basenpaarung möglich, wenn:

•Stränge entgegengesetzte Polarität aufweisen•Doppelhelix

RNA-Strang

RNAVier Klassen von RNA:

•mRNA (5%)•tRNA (10-20%)•rRNA (80%)•snRNA (<1%)

Uracil

2-DesoxyriboseRibose

DNARNA

ThyminUracil

RNA / DNA im Vergleich:

Proteine

Proteine – Funktionen

Proteine sind fast für alle biologischen Prozesse essentiell:

•Enzymatische Katalyse•Transport+ Speicherung •Bewegung•Strukturbildung und -erhaltung•Schutz und Abwehr•Steuerung und Regelung

Gr. Proteios = of first rank (Berzelius)

Proteine – Aufbau

Der Baustein der Proteine ist die L-Aminosäure

Die 20 proteinogenenAminosäuren variieren in:

•Größe und Form•Ladung•Fähigkeit zur H2O -Brückenbildung•Chemische Reaktivität

Zwitterion

Die 20 proteinogenen Aminosäuren

+ +

--

Peptidbindung / Benennung von Peptiden

Carbonsäureamidbindung / Peptidbindung:

Peptidkette:

-Ter

min

us

C-Te

rminu

s

N

Hierarchie in der Proteinarchitektur

Unterteilung der Proteinstruktur (Globuläre Proteine):

Primärstruktur: Aminosäure-Sequenz Sekundärstruktur: Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation

•α-Helix•β-Faltblatt•Collagen-Helix

Tertiärstruktur: Dreidimensional gefaltete, biologisch aktiveKonformation eines Proteins

Quartärstruktur: Nicht kovalent zusammengelagerte Proteinmoleküle

Sekundärstrukturen – Helices

Collagenhelixα-Helix

Sekundärstrukturen –β-Faltblätter und β-Turn

Paralleles β-Faltblatt Antiparalleles β-Faltblatt

β-Turn

ProteinfaltungCharakteristika:

•Aminosäuresequenz 3 – D Stuktur•Geringster Energiezustand•Spontan / innerhalb weniger Minuten•Chaperone als Assistenten

Stabilisierende Kräfte:

•Wasserstoff-Brücken•Disulfid-Brücken•Elektrostatische Wechselwirkungen•Komplexbildung mit Metall-Ionen•Hydrophober Effekt

Transkription und Translation

Transkription und TranslationTranskription der DNA RNA

•Initiation•Elongation•Termination

Prozessierung der transkribierten RNA mRNA•Cap / poly (A)•Spleißen•Editing

Translation:•Der genetische Code und seine Umsetzung•Ablauf der Translation:

•Initiation•Elongation•Termination

Transkription - Initiation Sequenzelemente eines eukaryotischen Promotors:

Bildung eineTranskriptions-komplexes Basales Level anTranskription

Transkription - Elongation

Transkriptionsblase mit DNA - abhängiger RNA Polymerase•Ablesen des Matrizenstranges in 3´-5´Richtung•Syntheserichtung der RNA: 5´-3´ - Richtung

Transkription - Elongation

Ribo-nucleosid -Triphosphat

•Inhaltliche Übertragung: Basenpaarung zwischen Matrizen-/ Gegensinnstrang und RNA Sequenz wie Kodierender Strang

•Aktive Vorläufermoleküle:Ribonucleosid-Triphosphate (NTPs)

•Katalysierte Reaktion:Nucleophiler Angriff der 3´OH Gruppe auf den innersten Phosphat-Rest des NTPs

Transkription - Termination

Haarnadelschleifenbildung + U-reiche Sequenz Abfall der Polymerase

RNA - Prozessierung

Arten der RNA Modifikationen:• 5´Cap• Poly (A) - Schwanz• Spleißen• Editing

Bildung einer 5´Cap - Struktur

Funktion:Schutz vor Phosphatasen +Nucleasen

Poly (A) SchwanzFunktion: •Schutz vor Verdau•Bestimmt Lebenslänge der RNA

Spleißen

IntronsExons

DNA

Cap

Cap

Poly(A)

Poly(A)mRNA

Intron = intervening sequence

SpleißenDas Spleißosom als Beispiel eines RibozymsSpleißvorgang:

Editing

Editing: Nicht durch Spleißen verursachteposttranskriptionelle Änderung der Information

UUA GGC AUG GGA Deaminierung desCytidin UridinUUA GGU AUG GGA

Deletion oder Insertioneiner Base FrameshiftUUA GGA UGG GA

Genetischer Code

Charakteristika des genetischen Codes:

• 3 Basen = 1 Triplett /Codon

• 64 Codons

• 3 Stop Codons

• 1 Methionin Start codon

• Universell

Umsetzung des genetischen CodestRNA als Adaptermolekül

Codon Aminosäure?

Codon

Anticodon

AminosäuretRN

A

X‚Y

‚I

Umsetzung des genetischen CodesCodon und Anticodon Paarung

X‚Y

‚C X

‚Y

‚GX

‚Y

‚AX

‚Y

‚U

Anticodon(tRNA)

U GX‚Y

‚U X

‚Y

‚G

X‚Y

‚IX

‚Y

‚I I U+C+A

Basen-paarungen:

3 2 1

X Y G X Y CX Y UX Y ACodon(mRNA)

5´3´5´ 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

3 2 1 3 2 1 3 2 13´ Standard-paarung

Wobble base pairing 1 tRNA kann mehrere Codons erkennen

Umsetzung des genetischen CodesSpezifität der tRNA – Aminosäure Verknüpfung

Aminosäure-Bindestelle Spezifität durch Aminoacyl-tRNA-Ligasen

Anticodonloop

Esterbindung

Ablauf der TranslationRibosomenstruktur und Initiation der

Translation

Bestandteile eineseukaryotischen Ribosoms

PolysomInitiation:•Im Cytoplasma getrennt vorliegende Untereinheiten (UE)•Initiationsfaktoren Aktivierung der kl. UE und tRNA + Bindung dieser an dieCapstruktur •Scannen der mRNA +Bindung der Methionin-tRNA an das StartcodonAUG•Anlagerung der großen UE Ribosom

Elongation

Tran

slok

atio

n Synthese der Peptidbindung

P site: PeptidylstelleA site: Akzeptorstelle

Generierung der Peptidbindung

EFTU

GTP

G

DP

Das Humane Genom

Nukleäres Genom: 3300MB / 80000 Gene3% Kodierend Humanes Genom

Mitochondriales Genom: 16,6kb / 37 Gene

(22 Autosomen + 2 Gonosomen (XX / XY))* 2 (diploid) 46 Chromosomen

Im Durchnitt ist jedes Chromosom 5cm2m DNA müssen im Zellkern verpackt werden!!!

Organisation der DNA im Zellkern