Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen

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1 Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen Mitarbeiterseminar der Medizinischen Fakultät Ruhr-Universität Bochum Andreas Friebe Abteilung für Pharmakologie und Toxikologie

2 Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen

3 Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen Zentrales Dogma der Molekularbiologie Informationsfluss geht von DNA über RNA zum Protein DNA RNA Protein Replikation Transkription Translation

4 DNA Gen: Chromosomen: Genom: DNA-Abschnitt, der die Information für ein spezifisches Genprodukt codiert: - Protein bzw. RNA-Molekül Erbinformation Gesamtheit aller Chromosomen einer Zelle (Erbgut) - 3 Milliarden Basen - > Gene (Mensch) - 2 Meter DNA-Faden pro Zelle

5 Aufbau der DNA

6 Wasserstoffbrücken Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen - Zwischen Dipolmolekülen herrschen zwischenmolekulare Kräfte Funktionelle Gruppen - Hydroxyl-Gruppe R-OH - bildet Wasserstoffbrücken - in Alkoholen und Zuckern - Carboxyl-Gruppe R-COOH - bildet Wasserstoffbrücken, oft ionisiert: COOH COO - + H + - in organischen Säuren: Zitronensäure, Essigsäure - Amino-Gruppe R-NH 2 - bildet Wasserstoffbrücken, Base: NH 2 + H + NH in Aminosäuren - Phosphat-Gruppe R-PO bildet Wasserstoffbrücken, immer geladen - in DNA, RNA - Sulfhydryl-Gruppe R-SH - zwei SH-Gruppen können zu einer Disulfid-Brücke reagieren - Verknüpfung von Proteinketten -SH + -SH -S-S- + 2H +

7 Aufbau der DNA: Nukleotide und Nukleoside Desoxyribonukleinsäure: DNS (deoxyribonucleic acid, DNA) Bausteine: Nukleotide: Jedes Nukleotid besteht aus 3 Bestandteilen: - einer organischen Base: A, G, C, T - einem Zucker: Desoxyribose - Phosphat Desoxyribose Adenin Purine Guanin Nukleosid: organische Base + Zucker Adenosin, Cytidin, Thymidin, Guanidin Cytosin Pyrimidine Thymin

8 Aufbau der DNA: Einzelstrang Desoxyribose 5 Trinukleotid 4 1 Dinukleotid 5'-Ende 3 2 Mononukleotid 3'-Ende Nukleotid-Bindung: Phosphat am 5'-Kohlenstoff verbunden mit Hydroxyl-Gruppe am 3'-Kohlenstoff

9 Aufbau der DNA: Doppelstrang (Helix) Basenpaar Phosphat Zucker Nukleotid Basenpaare: Adenin - Thymin: 2 H-Brücken Guanin - Cytosin: 3 H-Brücken

10 DNA: Denaturierung und Renaturierung Doppelstrang-DNA - Denaturierung: Spaltung bei Erhitzen (Schmelzen) Aufbrechen der Wasserstoffbrücken - Renaturierung: Zusammenlagern der Einzelstränge bei langsamen Abkühlen (Hybridisierung) Wiederausbildung der Wasserstoffbrücken Anwendung: PCR, Mutagenese, Southern blot Hybridisierung

11 Aufbau, Struktur, Funktion von RNA Ribonukleinsäure: RNS (ribonucleic acid, RNA) Bausteine: Nukleotide Jedes Nukleotid besteht aus 3 Bestandteilen: - einer organischen Base: A, G, C, U - einem Zucker: Ribose - Phosphat Adenin Guanin Cytosin Uracil

12 Aufbau und Vorkommen der RNA m-rna messenger-rna (Boten-RNA): entsteht beim Kopieren der Gene t-rna transfer-rna: transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen Aminosäure r-rna ribosomale RNA Bestandteile der Ribosomen Unterschiede RNA - DNA - Der Zucker ist eine Ribose (statt Desoxyribose) - Die Base Thymin ist durch Uracil ersetzt - RNA kann auch als Einzelstrang vorliegen - keine Helix als Raumstruktur

13 Aufbau und Vorkommen der RNA m-rna t-rna r-rna Translation

14 Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen Funktionen verschiedener Proteine - katalytisch wirksame Proteine: Enzyme - Faserproteine: Seide, Spinnengewebe - Stützproteine: Knorpel > Sülze, Knochenmatrix, Haare, Hautschuppen, Keratin - Sehnenproteine: Gelatine - kontraktile Proteine: Muskelproteine - Transportproteine im Blut: Albumine für den Fettsäuretransport - Antikörper: Gammaglobuline - Sauerstoffbindende Proteine: Hämoglobin, Myoglobin - Bakterientoxine: Botulinustoxin, Diphtherietoxin - Kanalproteine: Ionenkanäle

15 Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen Unterscheidung von Proteinen - Größe: Insulin 51 AS, Serumalbumin 584 AS - Form: globulär, fibrillär etc. - Konformation: einfach oder zusammengesetzt - Lokalisation: intra-/extrazellulär, zytosolisch oder in der Membran - Funktion: Enzyme, Membranproteine, Transkriptionsfaktoren etc. - Sequenzverwandtschaft, Aufbau aus Domänen kein stets sinnvolles Einteilungsschema vorhanden Struktur - Primärstruktur: Aminosäuresequenz - Sekundärstruktur: α-helix, β-faltblatt - Tertiärstruktur: räumliche Faltung der Aminosäurekette - Quartärstruktur: räumliche Struktur von Proteinkomplexen

16 Aufbau von Proteinen: Aminosäuren Nicht-ionische Form Geladene Form (Zwitterion) bei ph 7,4 Amino-Gruppe:: NH 2 / NH 3 + Säuregruppe: COOH / COO - Aminosäurerest: R

17 Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen: Aminosäuren Bausteine - 20 verschiedene Aminosäuren Aminosäuren mit hydrophoben Resten Vorkommen -Dipeptide - Oligopeptide Aminosäuren - Proteine (Eiweiße): > 100 Aminosäuren Aminosäuren mit hydrophilen Resten saure Aminosäuren basische Aminosäuren Neutrale Aminosäuren Aromatische Aminosäuren

18 Peptidbindung Kondensationsreaktion N C N-Terminus C-Terminus Peptidbindungen

19 Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur Wasserstoffbrücken- Bindung Ionen-Bindung Disulfid- Brücke hydrophobe Wechselwirkung

20 Alpha-Helix Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur

21 Beta-Faltblatt Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur

22 Struktur von Proteinen: Tertiär- und Quartärstruktur Beispiel: Hämoglobin Tertiärstruktur Quartärstruktur

23 Enzyme Enzyme: 'Biokatalysatoren' Zelle = Fabrik, Zellorganellen = Maschinen, Enzyme = Arbeiter - mehr als 2000 Enzyme bekannt - Leberzelle: ca. 50 Millionen Enzymmoleküle Eigenschaften - Endung: -ase - Enzyme sind substratspezifisch und wirkungsspezifisch - Enzyme wirken über einen Enzym-Substratkomplex - Enzyme haben ein aktives Zentrum - Enzyme lassen sich inaktivieren durch hohe Temperatur, ph-wert-änderung, Schwermetallionen Denaturierung (= Verlust der Konformation)

24 Eigenschaften von Enzymen Temperatur-Abhängigkeit ph-abhängigkeit - Oxidation/Reduktionsreaktionen: Oxidoreduktasen oder Dehydrogenasen Bsp.: Katalase, ADH - Übertragen von funktionellen Gruppen: Transferasen Bsp.: Aminotransferase - Bindungsspaltungen: Hydrolasen und Lyasen Bsp.: Peptidasen - Verknüpfungsvorgänge: Ligasen Bsp.: DNA-Ligase

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