Nucleoside & Mononucleotide

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1 Nucleoside & Mononucleotide Nucleoside und Nucleotide setzen sich aus einer Base und einer Pentose, respektive aus einer Base, einer Pentose und einem Phosphatrest zusammen: - - P - - C () Base N Nucleosid Mononucleotid Als Zucker finden sich in Nucleosiden und Mono- bzw. Polynucleotiden ausschliesslich die Pentose D-Ribose respektive die am C2 reduzierte Pentose 2-Desoxy-D-Ribose. Ribose und Desoxyribose kommen als Zucker in einem Polynucleotid niemals gemeinsam vor. Dementsprechend werden die Polynucleotide als bezeichnet. Ribonucleinsäure - RNS, resp. RNA Desoxyribonucleinsäure - DNS, resp. DNA pb/0703

2 Pyrimidin- und Purinbasen Die verschiedenen in den Nucleotiden vorkommenden Basen leiten sich formal von Pyrimidin resp. Purin ab: Vorkommen der Basen in Nucleinsäuren: Cytosin - kommt in allen Nucleinsäuren vor Thymin - kommt hauptsächlich in DNA vor, in geringen Mengen auch in Transfer-RNA Uracil - wird ausschliesslich in RNA verwendet Adenin & Guanin - kommen sowohl in DNA als auch RNA vor 2

3 Nomenklatur der Nucleotide Die Benennung der Nucleoside und Nucleotide leitet sich von den jeweiligen Basenbestandteilen ab: Base Nucleosid Abkürzung Nucleotid Abkürzung Adenin Adenosin A Adenosin- AMP monophosphat Guanin Guanosin G Guanosin- GMP monophosphat Cytosin Cytidin C Cytidin- CMP monophosphat Thymin Thymidin T Thymidin- TMP monophosphat Uracil Uridin U Uridin- UMP monophosphat Nucleotide sind 5 bzw. 3 -Nucleosidmonophosphate: Da die meisten am Stoffwechsel beteiligten Nucleotide die Phosphatgruppe am C5 tragen, wird nach Konvention das Präfix 5 weggelassen: z.b. AMP. 3

4 Funktionen von Nucleotiden Neben ihrer Funktion als Bausteine für RNA und DNA, dienen Nucleotide als: 1) Träger energiereicher Phosphate: Durch Anlagerung weiter Phosphorsäuremoleküle an die Phosphatgruppe von Mononucleotiden entstehen Nucleosiddiphosphate und Nucleosidtriphosphate. Beispiele: ADP, ATP, GDP, GTP, UDP, UTP 2) Bausteine von gruppenübertragenden Coenzymen. Beispiele: NAD +, NADP +, Coenzym A, FAD, Vit. B 12 3) Intrazelluläre Signalmoleküle: Durch Bildung eines zyklischen Phosphates durch sog. Cyclasen entstehen intrazelluläre Botenstoffe. Beispiele: camp, cgmp 4) Träger von Bausteinen für die Lipid- und Saccharidbiosynthese: Nucleotide werden bei einigen Biosynthesewegen zur Aktivierung von Bauteilen verwendet. Beispiele: UDP-Glucose, UDP-Galactose, CDP-Diacylglycerin, CDP-Cholin 4

5 Funktionen von Nucleotiden (Forts.) zu 1) Träger energiereicher Phosphate: Eine besondere Bedeutung im Stoffwechsel hat das Adenosin-5 -triphosphat (ATP): Bei den Bindungen zwischen dem - und -, bzw. - und -Phosphat handelt es sich um sehr energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen! Nucleosidtriphosphate gibt es ausserdem von Guanosin (GTP), Uridin (UTP), Cytidin (CTP) und Inosin (ITP). Diese Verbindungen können die -Phosphatgruppe auf andere Moleküle übertragen und diese reaktionsfreudiger machen (s. nachfolgende Stoffwechselvorlesungen). 5

6 Funktionen von Nucleotiden (Forts. 2) zu 2) Nucleotide als Bestandteile von Coenzymen: zu 3) Nucleotide als Signalmoleküle: 6

7 Nucleinsäuren Nucleinsäuren sind Polymere aus Mononucleotiden. Die Verbindung zwischen den einzelnen Mononucleotiden erfolgt durch eine Phosphodiesterbindung zwischen dem C-Atom 3 der einen Pentose und dem C-Atom 5 der nächsten. Die Ketten sind immer unverzweigt. 5 -Ende { P C 2 Base { P C 2 Base DNA { P C 2 Base { P 3 -Ende Die Struktur einer Nucleinsäure kann in abgekürzter Form mit ilfe der Symbole für die Basen A, G, C, und U oder T angegeben werden: z.b. 5 -TACG-3. 7

8 DNA-Doppelhelix Aufgrund der Beobachtung, dass das molare Verhältnis von Adenin:Thymin sowie Guanin:Cytosin in gereinigter DNA immer 1 ist, und durchgeführten Röntgenstruktur-analysen, postulierten James Watson und Francis Crick 1953 das Strukturmodell der DNA-Doppelhelix. Es beruht auf der Ausbildung einer maximalen Zahl von -Brücken und hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Gliedern des DNA-Moleküls. Der Doppelstrang besteht aus 2 Nucleotidketten mit den hydrophilen Phosphodiesterbindungen und den Zuckern nach aussen und den hydrophoben Basen nach innen gerichtet. 8

9 DNA-Doppelhelix (Forts.) Damit diese thermodynamisch stabilste Struktur erreicht werden kann, müssen die beiden DNA-Stränge komplementär zueinander sein. Zudem sind sie antiparallel angeordnet: 9

10 Strukturmodelle der DNA-Doppelhelix Schematische Darstellung der DNA-Doppelhelix (oben); Atommodell (unten) 10

11 DNA-Gehalt von Zellen Setzt man den DNA-Gehalt von E. coli gleich 1, so können höhere Pflanzen und Wirbeltiere einen bis zu x höheren DNA-Gehalt aufweisen: Der DNA-Gehalt einer Säugerzelle liegt zwischen 4 und 8 pg/zelle. Wenn man von der Annahme ausgeht, dass die DNA in der Zelle als ein einziges lineares Makromolekül vorliegt, weist die DNA von E. coli eine Länge von 1.36 µm auf, diejenige des Menschen von 1.8 m! 11

12 Lokalisation der DNA Die DNA von Prokaryonten ist meist ringförmig und liegt als stark gefaltetes Gebilde im Cytoplasma vor: DNA eines (lysierten) Bakteriums, Vergrösserung x 12

13 Lokalisation der DNA (Forts.) Die DNA aller Eukaryoten liegt in kondensierter Form als Chromatin im Zellkern vor. Sie assoziiert dort mit den istonproteinen (oktamere basische Proteinkomplexe) und bildet sog. Nucleosomen: 13

14 Chromosomen Im Zellkern lassen sich Partikel nachweisen, die sich mit basischen Farbstoffen anfärben lassen und demzufolge als Chromosomen bezeichnet werden (Entdeckung durch Friedrich Miescher): 14

15 Der menschliche Chromosomensatz Somatische Zellen enthalten normalerweise zwei Kopien eines jeden Chromosoms und werden deshalb als diploid bezeichnet. Gameten (Keimzellen) enthalten nur eine Kopie eines jeden Chromosoms und werden darum als haploid bezeichnet. Dementsprechend enthalten menschliche somatische Zellen 46, menschliche Gameten dagegen 23 Chromosomen. Die Zahl der Chromosomen ist speziesspezifisch und ist meist nur während der Zellteilung gut zu beobachten, wenn jedes einzelne Chromosom verdoppelt wird: 15

16 DNA als Träger von Erbinformationen Mit Ausnahme von geringen Mengen an mitochondrialer DNS, ist die gesamte DNS eukaryoter Zellen in den Chromosomen enthalten. Dabei kann jedem Gen als kleinster vererbbarer Einheit auf einen DNS-Molekül eine Peptidkette zugeordnet werden: Auf der DNS ist die genetische Information für alle Proteine enthalten. Die Anzahl der Gene ist nicht proportional zur DNA-Menge und spiegelt nicht die Komplexität eines rganismus wieder: rganismus Genomgrösse Zahl der Gene ämophilus inluenza 1.8 Mbasen 1740 Saccharomyces cerevisiae 12.1 Mbasen 6034 Caenorhabditis elegans 97 Mbasen Arabidopsis thaliana 100 Mbasen Drosophila melanogaster 180 Mbasen omo sapiens 3000 Mbasen

17 DNA als Träger von Erbinformationen (Forts.) Prinzip der Informationsspeicherung: Wenn einem Gen (=definierter Abschnitt auf der DNS) ein Peptid entspricht, so folgt daraus, dass die individuelle Sequenz der einzelnen Aminosäuren dieses Peptids in einem eindeutigen linearen Code auf der DNS festgelegt sein muss. Da die DNS aus nur 4 verschiedenen Nucleotiden mit den Basen A, T, G, und C besteht, lässt sich berechnen, wie viele Basen für die Festlegung einer Aminosäure benötigt werden: 4 2 => 16 Worte 4 3 => 64 Worte Da Proteine aus 20 verschiedenen Aminosäuren ( Worten ) aufgebaut sind, bedeutet dies, dass eine Sequenz von mindestens drei Basen (Basentriplett) benötigt wird, um eine Aminosäure zu definieren. Andererseits können mit 4 3 Kombinationen mehr als die benötigten 20 Worte gebildet werden, was bedeutet, dass mehrere Basentripletts für die gleiche Aminosäure codieren können. -> Degeneration des genetischen Codes! Beachte: Der genetische Code ist universal und gilt (mit ganz wenigen Ausnahmen) in allen rganismen. Das Abschreiben (Transkription) und Uebersetzen (Translation) des genetischen Codes von DNA zu Protein erfolgt mittels RNS-Molekülen. 17

18 Fluss der genetischen Information Bei der Zellteilung und Fortpflanzung muss die in der DNS gespeicherte Information identisch weitergegeben werden: -> REPLIKATIN Für die Proteinbiosynthese und die Regulation vieler zellulärer Vorgänge werden nur Einzelteile des DNS-Stranges benötigt. Diese werden in Form eines RNS-Moleküls kopiert: -> TRANSKRIPTIN Die RNS wiederum dient an den Ribosomen (rt der Proteinbiosynthese) als Matrize für die Verknüpfung der Aminosäuren: -> TRANSLATIN ZENTRALES DGMA DER MLEKULARBILGIE Dieses Dogma wurde im Grundsatz bisher bestätigt. Allerdings kennt man heute Viren (-> Retroviren), bei denen eine Informationsübertragung von der RNS in die DNS möglich ist. 18

19 RNS-Strukturen RNS-Moleküle sind prinzipiell gleichartig aufgebaut wie DNS-Moleküle. Im Unterschied zur DNS wird jedoch als Zucker die Ribose (in der DNS Desoxyribose) verwendet; ausserdem enthält RNS die Pyrimidinbase Uracil statt der in der DNS vorkommenden Pyrimidinbase Thymin. RNS-Moleküle sind wesentlich kürzer als DNS-Moleküle. Dennoch enthalten Zellen wesentlich mehr RNS als DNS! Nach ihrer Funktion und ihrem Vorkommen unterscheidet man: Bezeichnung Nucleotidreste Struktur Funktion Messenger RNS Einzelstrang Matrize bei der (mrns) Proteinbiosynthese Transfer-RNS Kleeblatt Bindung der (trns) Aminosäuren Ribosomale RNS Einzelstrang Ribosomenstruktur (rrns) 19

20 RNS-Strukturen (Forts.) bschon RNS-Moleküle grundsätzlich einzelsträngig sind, können Teile des Moleküls durch intramolekulare Zusammenlagerung als Doppelstrang vorliegen -> Ausbildung von RNS-Sekundärstrukturen Schematische Darstellung der Struktur einer trna (Kleeblattstruktur) 20

21 Der genetische Code Mit ilfe von sog. zellfreien Systemen gelang es in den 60er Jahren, den genetischen Code der DNA, resp. RNA, zu entschlüsseln: Polynucleotid Peptidprodukt Folgerung 5 -UUUUUUUUU-3 Phe-Phe-Phe Codon für Phe besteht nur aus U 5 -AAAAAAAAA-3 Lys-Lys-Lys Codon für Lys besteht nur aus A 5 -AGAGAGAGA-3 Arg-Glu-Arg Codon besteht aus 3 NT; AGA für Arg, GAG für Glu 5 -UUCUUCUUC-3 Phe-Phe-Phe Codon für Phe ist UUC (UUU) (Degeneration des Codes) 5 -UUCUUCUUC-3 Ser-Ser-Ser Codon für Ser ist UCU (Startpunkt verschoben) 5 -UUCUUCUUC-3 Leu-Leu-Leu Codon für Leu ist CUU (Startpunkt verschoben) usw. 21

22 Der genetische Code (Forts.) Tabelle zum Uebersetzen einer RNA- (DNA-) Sequenz in eine Aminosäurekette. 22

23 Weitergabe der genetischen Information: Die Zellteilung Zellzyklus. Dargestellt ist die Teilung einer hypothetischen eukaryontischen Zelle mit zwei Chromosomen, um zu veranschaulichen, wie in jedem Zellzyklus zwei genetisch identische Zellen gebildet werden. Die Dauer des Zellzyklus hängt sehr vom Zelltyp ab: Zelltyp Zellzyklusdauer Froschembryo 30 Minuten efezellen Stunden Dünndarm-Epithelzellen (Mensch) ca. 12 Stunden Leberzellen (Mensch) ca. 1 Jahr 23

24 Weitergabe der genetischen Information: Mitose und Meiose Während der als Mitose bezeichneten Zellteilung werden die verdoppelten Chromosomen (aus S-Phase) getrennt, so dass jede Tochterzelle einen diploiden Chromosomensatz erhält. Während der als Meiose bezeichneten Teilung von Keimzellen werden die verdoppelten Chromosomen in einer zweiten Phase nochmals getrennt, so dass jede Tochterzelle einen haploiden Chromosomensatz erhält. Dabei kann es zu Kombinationen von Chromosomen kommen. 24

25 Die Replikation der DNA Die korrekte Verdoppelung der DNA ist der zentrale Vorgang im Zellzyklus. Läuft sie unvollständig oder fehlerhaft ab, kann sich eine Zelle nicht teilen. Der Vorgang der Replikation wurde in Bakterien aufgeklärt, läuft aber in allen Zellen (ausser in gewissen Viren) nach dem gleichen Prinzip ab. Das entscheidende Experiment zur Aufklärung des Mechanismus der DNA- Verdoppelung: Die Replikation erfolgt sog. semikonservativ, d.h. die neu entstandene DNS besteht aus einem parenteralen ( alten ) sowie einem neuen Strang. Dabei wird die Sequenz der neu gebildeten DNS-Kette durch die Sequenz der parenteralen Kette vorgegeben (Basenkomplementierung!) und sorgt so für einen exakten Kopiervorgang. 25

26 Die Replikation der DNA (Forts.) Bei einem Bakterium beginnt die Replikation an einer genau definierten Stelle des Chromosoms, der Initiationsstelle ( origin of replikation ). Bei eukaryoten Zellen erfolgt die Replikation an mehreren Stellen der DNS gleichzeitig (-> Replikationsblasen). 26

27 Mechanismus der DNA-Replikation Die Replikation der DNS ist ein äusserst komplizierter Vorgang und erfordert die Mitwirkung von mehreren verschiedenen Enzymen. Die Replikation beginnt mit der erstellung einer kleinen komplementären RNS- Sequenz ( Primer ), an dessen Ende die DNS-Polymerase ansetzt, um mit der Synthese des komplementären DNS-Doppelstranges zu beginnen. 27

28 Mechanismus der DNA-Replikation (Forts.) Der Mechanismus der DNS-Kettenverlängerung durch DNS-Polymerasen beinhaltet einen nucleophilen Angriff des 3 - des Primers an das - Phosphat des einzubauenden DNS-Bausteins: 28