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 ArgMet Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Gly Ile

Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette (hydrophob)

Hydroxylierte Aminosäuren

Basische Aminosäuren (mit positiver Ladung)

Saure Aminosäuren (mit negativer Ladung ) und deren Derivate

Aromatische Aminosäuren (hydrophob)

Helix-brechende Aminosäure

Schwefelhaltige Aminosäuren

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 ArgMet Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Gly Ile

Man kann sich verschiedene Möglichkeiten der Codierung vorstellen:

(1) 2er-Code = 4 Code-Buchstaben A C G T in 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 A C G T in 3er Gruppen: z. B. A T G = Met; GAG = Asp

>> reicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren (43 = 64)

Umsetzung des genetischen Codes in Proteine

der nicht-überlappende Triplett-Code wurde letztendlich und zweifelsfrei durch viele Experimente nachgewiesen (z. B. Deletions- und Insertionsmutationen)

Umsetzung des genetischen Codes in Proteine

TyrAlaVal Gly

GlyVal Ser His

mRNA

SerAlaVal Arg

Insertion

ProVal Arg Glu

Deletion

der nicht-überlappende Triplett-Code wurde durch Deletions- bzw. Insertionsmutationen nachgewiesen:

(i) die Addition bzw. Deletion einer bzw. zweier Basen verändert den Triplett-Code

(iii) die gleichzeitige Addition und Deletion einer Base verändert den Triplett-Code nicht

(ii) die Addition bzw. Deletion von drei Basen verändert den Triplett-Code nicht

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--------

Übersetzen der dreimöglichen Triplett-Rasterin Amino-Säuren

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

Wie wurde der genetische Code “geknackt“?oder anders gefragt: welche Tripletts codieren für welche Aminosäure?

bakterieller Extrakt

synthetische mRNA Polypeptid

bakterielle Extrakte mit allen Komponenten für die Proteinsynthese außer mRNA

>> Zugabe von künstlicher mRNA (z. B. homopolymere RNA)

>>> Proteinsynthese: welche Polypeptide?

durch die clevere Zusammenstellung von Basen in heteropolymerer RNA konnten weitere Tripletts geknackt werden

in Versuchen mit synthetischen Polynukleotiden und Anbindung von spezifischen Aminoacyl-tRNAMolekülen an Ribosomen wurde der gesamte genetische Code Anfang der 60iger Jahre aufgeklärt

(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

Aminosäure

für eine Aminosäurecodierendes

Nukleotid-TriplettACU = Codon

Francis Crick hat schon früh vermutet,

daß die tRNA die Rolle eines Adaptersspielen könnte, wobei ein Teil der tRNAeine spezifische Aminosäure bindet und ein anderer Teil der tRNA die Triplett-Sequenez (Codon) in der mRNA erkennt, welche für diese Aminosäure codiert

mRNA

Adapter(tRNA)

BindebereichfürAminosäure

Wie können tRNA-Moleküle diese Doppelrolle erfüllen?

>> liegt in der Struktur der tRNA begründet!!!

Anticodon

5‘-P

3‘-OH Aminosäure-Bindestelle

UH2

UH2

UH2

mG

m2G

mI

mG

m2G

mI

(Ribose an C-5)

UH2

Seltene Basen

Aminosäure-Arm

Anticodon-Schleife 3.

2.1.

TC-Schleife

Extra-Armvariabel

DHU-Schleife

5‘-P

3‘-OH

tRNAs sind relativ klein und haben eine Länge von 73 - 93 Nukleotid-Bausteinen

wobble-Position

Geinzelsträngige und doppelsträngige Abschnitte (50%ige Paarung) > typische L-Struktur und Schleifen

tRNAs enthalten viele (7-15%) seltene Basen wie Pseudouridin, Inosin, Dihydrouridin, Methyl- und Dimethyl-Guanosin etc.

5‘-Ende hat meistens ein G und Phosphat

Basensequenz am 3‘-Ende ist immer CCA

Anticodon ist in der Anticodonschleife

Kleeblatt-Model dreidimensional-gefaltete tRNA

Anticodon Anticodon

Anticodon-SchleifeAnticodon-Schleife

Aminosäure-ArmAminosäure-Arm

AA

Anticodon

AA

tRNA-Moleküle haben in Wirklichkeit in ihrer 3-D Struktur die Form eines auf den Kopf gestellten “L“

> 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

als Ergebnis der Röntgen-Strukturanalyse von kristallisierter tRNA konnte 1975 die 3-D-Struktur der Phenylalanyl-tRNA von Hefe bestimmt werden

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

Transfer-RNAs

(A) weisen intramolekulare Basenpaarungen auf

(B) tragen das Anticodon am 3’-Ende (ihrer 3D-Struktur)

(C) werden im Zytoplasma gebildet

(D) benötigen UTP, um eine Aminosäure zu binden

(E) enthalten Desoxyribonucleotide

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

5‘3‘-ACC 5‘3‘-ACC

Anticodon für Asp

5‘---------------G-A-T---------3‘

Codon für Asp

mRNA

Asp + tRNAAsp Asp-tRNAAsp Aminoacyl-tRNA-

Synthetase

ATP

für jede Aminosäure gibt es eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase

Anticodon für His

3‘-ACC

5‘---------------C-A-T---------3‘

Codon für 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 Aminosäureund dazugehörige tRNA

Asp-

Asp-His-

Aminosäure

5‘-Aminoacyladenylat(Aminoacyl-AMP)

ATP

PPi

1. Aktivierung der AminosäureAminoacyl-AMP

Aminoacyl-tRNA

2. Übertragung der Amino-säure auf die tRNA

(Klasse II-Synthetasen)

3‘

AA-RSAminosäure + tRNA + ATP Aminoacyl-tRNA + AMP + 2Pi

Go‘ = -29 kJ mol-1

Anticodon

ATP

3‘-Ende

Aminoacyl-tRNA-Synthetase

tRNA

Kristallstruktur der Glutaminyl-tRNA-Synthetase mit gebundener Glutaminyl-tRNA

für die Erkennung der richtigen tRNAdurch die Aminoacyl-tRNA-Synthetasekönnen verschiedene Strukturen inner-halb des tRNA-Moleküls beteiligt sein

Erkennungsbereiche von tRNA-Molekülen, die für die Bindung an Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und Beladung der richtigen Aminosäure notwendig sind

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Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

Cystein Alanin

Anticodonfür Cystein

Anticodon für CysteinCodon für CysteinmRNA

+Ni(H)

wird nachträglich die Aminosäure einer bereits beladenen tRNA chemisch umge-wandelt, wird bei der Proteinsynthese eine falsche Aminosäure ins Protein eingebaut

d. h. auf der Stufe des Ribosoms kann eine falsch aminoacylierte tRNA nicht mehrausgesiebt werden!!!!

es gibt bei den Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ein Korrektur-Lesen, um das Einbauen falscher Aminosäuren zu verhindern

Die tRNA entziffert die mRNA über die Codon::Anticodon-Wechselwirkung mit Hilfe der Basenpaarung

Paarung zwischen Codon::Anticodon bedeutetgegenseitige Ausrichtung der RNA-Molekülein antiparalleler Weise5‘-------3‘ (mRNA)3‘-------5‘ (tRNA)(d.h. erste Base des Codons paart mit dritter Basedes Anticodons etc.)

bei typischer Watson::Crick-Paarung (A::U; G:::C)

zwischen Codon und Anticodon müßte es 61 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

mehr als ein Codon lesen

= Wobble-Paarung (“wobble“ = wackeln)

Die Wobbel-HypotheseNichtstandard-Wobble Basenpaarungen

Inosin

Inosin

Inosin

Guanin

Cytosin

Adenin

Uracil

Uracil3. Auf der Wobble-Position bilden sich häufig Nichtstandard-Watson-Crick-Paarungen aus

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

4. Auf Grund der Wobbel-Hypothese könnendie 61 Codons, die für 20 Aminosäuren codieren, von weniger als 61 tRNAs gelesen werden

Ribosom

mRNA

tRNA

Anticodon