Datenspeicherung und Datenfluß in der Zelle - Grundlagen der Biochemie

Transkript

1 Datenspeicherung und Datenfluß in der Zelle - Grundlagen der Biochemie

2 Datenspeicherung und Datenfluß der Zelle Transkription DNA RNA Translation Protein

3 Aufbau I. Grundlagen der organischen Chemie und chemische Bindungen II. III. Struktur der Biomoleküle Nukleinsäuren: DNA und RNA Proteine Von DNA zu Protein: Transkription und Translation IV. Organisation der DNA im Menschen: Das menschliche Genom

4 Chemische Bindungen Kovalente Bindung / Atombindung: Zusammenhalt von Atomen, der durch die Ausbildung gemeinsamer Elektronenpaare zustande kommt

5 Chemische Bindungen Es gibt drei Klassen nicht-kovalenter, reversibler Verbindungen: Ionenbindung (Salzbrücken) Wasserstoff - Brücken Bildung Negativ geladene Gruppe Positiv geladene Gruppe Wasserstoffdonor Wasserstoffakzeptor Van der Waals Wechselwirkungen Spielen eine Schlüsselrolle in der Replikation der DNA der Proteinfaltung

6 Die biochemischen Eigenschaften des Wassers Wasser als elektrischer Dipol: Wasserstoff- Brückenbildung im Wasser: Wasser als Lösungsmittel:

7 Organische Chemie funktionelle Gruppen Amino Gruppe Carbonyl Gruppe Hydroxyl Gruppe Carboxyl Gruppe Die funktionellen Gruppen bestimmen den Charakter einer organischen Verbindung Amine Aldehyde/Ketone Alkohole Carbonsäuren

8 Zucker D-Ribose C C O H OH C C OH OH HOCH 2 H H H C C H OH C C OH H HOCH 2 H H H 2 2 O C C C C C H H H H H H OH OH OH OH O Desoxyribose D-Ribose

9 Ester = Säure + Alkohol Esterbindung

10 Desoxyribonucleinsäure (DNA)

11 DNA-Einzelstrang: Polydesoxynucleotid-Molekül DNA = Polymer aus Nucleotideinheiten Nucleosid Nucleotid = Base + Zucker + Phospat-Rest datp

12 Basen der DNA Purin Guanin Adenin Pyrimidin Cytosin Thymin

13 Basenpaarung Cytosin Guanin Thymin Adenin

14 Die DNA Doppelhelix Basenpaarung möglich, wenn: Stränge entgegengesetzte Polarität aufweisen Doppelhelix Querschnitt B-DNA (vorherschende Konformation in der Zelle): rechtsgängig Basen rechtwinklig zur Helixachse Basen um 35 versetzt 10 Basenpaare/ Windung

15 RNA Uracil Vier Klassen von RNA: mrna (5%) trna (10-20%) rrna (80%) snrna (<1%) RNA / DNA im Vergleich: RNA DNA RNA-Strang Ribose Uracil 2-Desoxyribose Thymin

16 Proteine

17 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)

18 Proteine Aufbau Der Baustein der Proteine ist die L-Aminosäure Die 20 proteinogenen Aminosäuren variieren in: Größe und Form Ladung Fähigkeit zur H 2 O - Brückenbildung Chemische Reaktivität Zwitterion

19 Die 20 proteinogenen Aminosäuren

20 Peptidbindung / Benennung von Peptiden Carbonsäureamidbindung / Peptidbindung: Peptidkette: N -Terminus C-Terminus

21 Hierarchie in der Proteinarchitektur Unterteilung der Proteinstruktur (Globuläre Proteine): Primärstruktur: Sekundärstruktur: α-helix β-faltblatt Collagen-Helix Tertiärstruktur: Quartärstruktur: Aminosäure-Sequenz Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation Dreidimensional gefaltete, biologisch aktive Konformation eines Proteins Nicht kovalent zusammengelagerte Proteinmoleküle

22 Sekundärstrukturen Helices α-helix Collagenhelix

23 Sekundärstrukturen β-faltblätter und β-turn Paralleles β-faltblatt Antiparalleles β-faltblatt β-turn

24 Proteinfaltung Charakteristika: 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

25 Transkription und Translation

26 Translation: Der genetische Code und seine Umsetzung Ablauf der Translation: Initiation Elongation Termination Transkription und Translation Transkription der DNA RNA Initiation Elongation Termination Prozessierung der transkribierten RNA mrna Cap / poly (A) Spleißen Editing

27 Transkription - Initiation Sequenzelemente eines eukaryotischen Promotors: Bildung eine Transkriptionskomplexes Basales Level an Transkription

28 Transkription - Elongation Transkriptionsblase mit DNA - abhängiger RNA Polymerase Ablesen des Matrizenstranges in 3-5 Richtung Syntheserichtung der RNA: Richtung

29 Transkription - Elongation 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 Ribonucleosid - Triphosphat

30 Transkription - Termination Haarnadelschleifenbildung + U-reiche Sequenz Abfall der Polymerase

31 RNA - Prozessierung Arten der RNA Modifikationen: 5 Cap Poly (A) - Schwanz Spleißen Editing

32 Bildung einer 5 Cap - Struktur Funktion: Schutz vor Phosphatasen + Nucleasen Poly (A) Schwanz Funktion: Schutz vor Verdau Bestimmt Lebenslänge der RNA

33 Spleißen Exons Introns DNA Cap Poly(A) mrna Cap Poly(A) Intron = intervening sequence

34 Spleißen Spleißvorgang: Das Spleißosom als Beispiel eines Ribozyms

35 Editing Editing: Nicht durch Spleißen verursachte posttranskriptionelle Änderung der Information UUA GGC AUG GGA UUA GGU AUG GGA UUA GGA UGG GA Deaminierung des Cytidin Uridin Deletion oder Insertion einer Base Frameshift

36 Genetischer Code Charakteristika des genetischen Codes: 3 Basen = 1 Triplett /Codon 64 Codons 3 Stop Codons 1 Methionin Start codon Universell

37 Umsetzung des genetischen Codes trna als Adaptermolekül Codon? Aminosäure Codon trna Anticodon Aminosäure

38 Umsetzung des genetischen Codes Codon und Anticodon Paarung Basenpaarungen: Anticodon (trna) X Y I X Y I X Y I I U+C+A X Y U X Y G U G X Y U X Y C X Y A X Y G Codon (mrna) X Y A X Y G X Y U X Y C 5 3 Standard -paarung Wobble base pairing 1 trna kann mehrere Codons erkennen

39 Umsetzung des genetischen Codes Spezifität der trna Aminosäure Verknüpfung Aminosäure-Bindestelle Spezifität durch Aminoacyl-tRNA- Ligasen Esterbindung Anticodonloop

40 Ablauf der Translation Ribosomenstruktur und Initiation der Translation Bestandteile eines eukaryotischen Ribosoms Initiation: Im Cytoplasma getrennt vorliegende Untereinheiten (UE) Initiationsfaktoren Aktivierung der kl. UE und trna + Bindung dieser an die Capstruktur Scannen der mrna + Bindung der MethionintRNA an das Startcodon AUG Anlagerung der großen UE Ribosom Polysom

41 Elongation Translokation Synthese der Peptidbindung P site: Peptidylstelle A site: Akzeptorstelle

42 Generierung der Peptidbindung GTP GDP EFTU

43 Das Humane Genom Humanes Genom Nukleäres Genom: 3300MB / Gene 3% Kodierend Mitochondriales Genom: 16,6kb / 37 Gene (22 Autosomen + 2 Gonosomen (XX / XY)) * 2 (diploid) 46 Chromosomen Im Durchnitt ist jedes Chromosom 5cm 2m DNA müssen im Zellkern verpackt werden!!!

44 Organisation der DNA im Zellkern