Expression der genetischen Information Skript: Kapitel 5

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1 Prof. A. Sartori Medizin 1. Studienjahr Bachelor Molekulare Zellbiologie FS März 2013 Expression der genetischen Information Skript: Kapitel Struktur der RNA 5.2 RNA-Synthese (Transkription) 5.3 RNA-Polymerase 5.4 Promotoren und Transkriptionsfaktoren 5.5 Elongation der Transkription 5.6 Termination der Transkription 5.7 Messenger-RNA (mrna) 5.8 Spleissen 5.9 Ribosomale RNA (rrna) 5.10 Transfer-RNA (trna) 5.11 Proteinsynthese (Translation) 5.12 Hemmstoffe der Translation 5.13 Genauigkeit des DNA-Metabolismus 1

2 Zentrales Dogma der Molekularbiologie Die genetische Information läuft in allen Organismen unidirektional von DNA über RNA zu Proteinen. Es gibt also nur 3 allgemeine Uebertragungsarten genetischer Information: DNA è DNA Replikation DNA è RNA Transkription RNA è Protein Translation Ausnahmen (v.a. bei Viren): RNA è RNA RNA-Replikation (HCV) RNA è DNA Reverse Transkription (HIV), Telomerase! RNA is das essentielle Bindeglied zwischen DNA und Proteinen 2

3 RNA und DNA haben ähnliche Primärstrukturen RNA besteht aus 4 verschiedenen Ribonukleotiden: AMP (Adenosinmonophosphat), GMP, CMP, UMP Jedes Ribonukleotid enthält: Base: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Uracil (U) Zucker: Ribose (DNA: Desoxyribose) Phosphat Ribonukleotide sind durch Phosphodiesterbindungen verknüpft 3

4 RNA und DNA haben sehr verschiedene Sekundärstrukturen RNA-Moleküle kommen hauptsächlich einzelsträngig vor und sind dadurch sehr flexibel (DNA ist doppelsträngig und eher unelastisch) RNA-Moleküle bilden durch intra-molekulare ( auf demselben Strang ) Paarung von komplementären Basen häufig sog. Haarnadelschleifen (engl. hairpin-loops) 2 Hairpins 4

5 Ribozyme Einige RNAs besitzen katalytische Aktivität (sog. Ribozyme, analog zu Protein-Enzymen): d.h einige RNA Moleküle sind mitverantwortlich für viele wichtige Reaktionen während der RNA Prozessierung (z.b. Spleissen, 5.8) und der Proteinsynthese (Translation, 5.11) 3D-Struktur des katalytischen RNA-Moleküls der Ribonuklease P (E. coli): Links: Schematische Darstellung des RNA Moleküls von bakterieller RNase P Rechts: Kristallstruktur von RNase P (RNA+Protein) im Komplex mit trna Substrat (grün) 5

6 Zusammenfassung: DNA und RNA 6

7 Bei der RNA-Synthese wird DNA in RNA umgeschrieben ( transkribiert ) Analogien von Transkription und Replikation: 1) Komponenten: DNA als Matrize (einzelsträngig) ssdna template aktivierte Vorstufen: 4 Ribonukleosidtriphosphate (ATP, GTP, UTP, CTP) 2) Biochemie der Polymerisation (Synthese): nukleophiler Angriff der freien 3 -OH-Gruppe des wachsenden Strangs auf die innerste (α) Phosphatgruppe des neuen rntps Hydrolyse von Pyrophosphate (PPi) ist die treibende Kraft der Synthese 3) Synthese läuft in 5 è 3 Richtung 7

8 Bei der RNA-Synthese wird DNA in RNA umgeschrieben ( transkribiert ) Unterschiede zwischen Transkription und Replikation: 1. DNA wird vollständig repliziert, aber nur bestimmte Teile der DNA werden transkribiert (Gene) 2. Es wird nur 1 Strang eines jeweiligen Gens transkribiert (Matrizenstrang) 3. Die beiden DNA Stränge werden während der Transkription nur vorübergehend voneinander getrennt ( Transkriptionsblase ). DNA Replikation hingegen ist semikonservativ 4. RNA-Polymerase braucht keinen Primer Transkriptionsblase 8

9 Uebersicht Transkription

10 Aufgaben der RNA-Polymerasen Mensch: nur ca. 10 % des gesamten Genoms sind Gene (kodierende DNA) ca. 90 % des Genoms besteht aus nicht-kodierender DNA Wo im Genom befinden sich die Gene? Wie weiss die RNA-Polymerase wo sie mit der Transkription beginnen und wo aufhören soll? Wann soll ein beliebiges Gen exprimiert werden (d.h. zu welcher Zeit, in welcher Zelle?) Wieviele RNA Moleküle eines Gens müssen hergestellt werden? (Wie oft muss die RNA-Polymerase ein und dasselbe Gen transkribieren?) 9

11 Nummerierung und Nomenklatur Einige Konventionen bei der Beschreibung der Transkription Das erste transkribierte Nukleotid: Position +1 (= Startstelle) o o Nukleotid 3 (downstream, stromabwärts) der Startstelle: Position +2, etc. Nukleotid 5 (upstream, stromaufwärts) der Startstelle: Position -1, etc. Promoter-Sequenz: teilt der RNA-Polymerase mit wo sich die Startstelle befindet Sequenz des RNA Transkripts: o o ist komplementär zur Sequenz des Matrizenstranges ist identisch zur Sequenz des codierenden DNA Stranges = Nicht-Matrizenstrang! (ausser T in DNA wird zu U in RNA) 10

12 Die Transkription besteht aus 3 Schritten: Initiation, Elongation und Termination 11

13 Die Transkription besteht aus: Initiation, Elongation und Termination 12

14 Bakterien besitzen eine einzige RNA-Polymerase, die aus mehreren Untereinheiten besteht RNA-Polymerase in E. coli: Core-Enzym (ohne σ): α 2 ββ'ω (ca. 400 kda), aktiv, aber unspezifisch Holoenzym mit 6 Untereinheiten: α 2 ββ'σω (ca. 480 kda) Untereinheit Gen Anz. Masse Funktion (kd) α rpo A 2 37 Bindet regulatorische Sequenzen β rpo B Bildet Phosphod iesterbindungen Polymerase Aktivität β rpo C Bindet die DNA-Matrize σ 70 rpo D 1 70 Erkennt den Promotor und initiiert die Synthese ω rpo Z 1 10 nicht-essentielle Untereinheit, Stabilisiert den Komplex 13

15 Struktur der bakteriellen RNA-Polymerase mit DNA Matrize während der Elongation 5' 3' Transkriptionsrichtung 5' 14

16 Eukaryoten besitzen drei RNA-Polymerasen mit unterschiedlicher Funktion RNA-Polymerasen in Eukaryoten: Pol-I: Synthese der ribosomalen RNA (rrna) Kap. 5.9 Pol-II: Synthese der messenger RNA (mrna) Kap. 5.7 Pol-III: Synthese der transfer RNA (trna) Kap

17 Die Zusammensetzung der Untereinheiten ist bei allen RNA-Polymerasen ähnlich Nur die eukaryotische RNA-Pol II (RPB1 Untereinheit) hat eine C-terminale Domäne (CTD) die während aktiver Transkription phosphoryliert wird 16

18 Bakterielle und eukaryotische RNA-Polymerasen haben sehr ähnliche 3D Strukturen 17

19 Genorganisation in Pro- und Eukaryoten Bsp: Enzyme zur Herstellung der Aminosäure Tryptophan (Trp) Prokaryoten poly-cistronische mrna: wird von mehreren, hintereinanderliegenden Genen auf der DNA kodiert (sog. Operons) Eukaryoten mono-cistronische mrna: keine Operons (ein Gen codiert für eine mrna) 18

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