Zusammenfassung Kapitel 17 Vom Gen zum Protein Die Verbindung zwischen Gen und Protein Gene spezifizieren Proteine Zellen bauen organische Moleküle über Stoffwechselprozesse auf und ab. Diese Prozesse werden von Enzymen katalysiert. Gene wiederum steuern die Produktion von Enzymen. Fehlt ein entsprechendes Enzym, entsteht ein anderer Phänotyp. Beadle und Tatum experimentierten mit Schimmelpilzen und schlossen daraus, dass ein einzelnes Gen für ein einzelnes Enzym zuständig ist (Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese). Später fand man heraus, dass nicht alle Proteine Enzyme sind. Man erkannte auch, dass viele Proteine aus mehreren Polypeptiden bestehen wobei jedes Polypeptid ein eigenes Gen hat. (Bsp. Hämoglobin besteht aus 2 Polypeptiden 2 Gene sind zuständig) Aus der ein-gen-ein-enzym-hypothese wurde somit die ein-gen-ein-polypeptid-hypothese. Transkription und Translation verbinden Gen und Protein Die Brücke zwischen Gen und Protein bildet eine RNA. (Sie ist ähnlich aufgebaut wie die DNA, hat jedoch an Stelle der Desoxyribose eine Ribose und an Stelle des Thymin (Base) ein Uracil. Zudem liegt die RNA meistens als Einzelstrang vor.) Ihre Aufgabe ist es, die Nukleotidsequenzen der DNA 1 in Aminosäuresequenzen zu übersetzen. Nukleotidtripletts bestimmen die Aminosäuren Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren, doch die DNA besteht nur aus vier verschiedenen Nukleotiden. Deshalb bilden jeweils drei Nukleotide ein Basentriplett (Codon) und sind so für eine Aminosäure spezifisch. Die genetische Sprache wird also als Folge von dreibuchstabigen Codewörtern gelesen. Bei der Transkription wird nur ein Strang des Gens übersetzt; er wird Matrizenstrang (template strand) genannt. Der andere Strang dient ausschliesslich zur Replikation. Welcher Strang als Matrizenstrang dient, ist von Gen zu Gen verschieden. Entschlüsselung des genetischen Codes Nirenberg stellte eine künstliche RNA aus U-Basen her poly-u. Er gab alle 20 Aminosäuren, Ribosome,.. dazu. Es entstand ein Polypeptid aus Phenylalanin. Er wusste nun also, dass das Codon UUU für Phenylalanin steht. Das gleiche wurde dann mit den anderen drei Basen gemacht. Man kannte nun also bereits den Code von vier Aminosäuren. Später gelang es auch, die restlichen Codons zu entschlüsseln. Es wurde erkannt, dass nur 61 Tripletts Aminosäuren codieren. Die restlichen drei dienen ausschliesslich als Stopcodons. AUG hat eine Doppelfunktion: Es dient als Startcodon, steht aber auch für Methionin. Somit tragen alle neu gebildeten Polypeptide ein Methionin als erste Aminosäure. Diese wird später teilweise wieder abgetrennt. Da es 61 Codons für 20 Aminosäuren gibt, haben einige Aminosäuren mehrere Codes. Diese unterscheiden sich meistens aber nur in der dritten Base. (Tabelle mit Aminosäuren und den zugehörigen Codons auf S. 299) Frühe Entwicklung des genetischen Codes Der genetische Code ist in fast allen Organismen identisch., egal ob einfaches Bakterium oder komplexer Mensch. Es gibt nur wenige Ausnahmen wie zum Beispiel Mitochondrien und Chloroplasten bei denen einige Codons eine andere Bedeutung haben. 1 ein Gen besteht aus 100en bis 1000en von Nukleotiden 1
Es ist möglich, einzelne menschliche Gene in Bakterien einzusetzen, so dass diese Bakterien dann ein menschliches Protein synthetisieren. In der Medizin ist das von grosser Bedeutung (Bsp. Insulin). RNA - Synthese und - Prozessierung Transkription Am Anfang eines Gens befindet sich der sogenannte Promoter, der Transkriptionsstartpunkt der aus mehreren Dutzend Nukleotiden besteht. Die TATA Box, eine Basensequenz, die aus vielen T s und A s besteht, ist Teil des Promoters. Die Transkriptionsfaktoren (Proteine) erkennen diese und binden sich an sie. Erst jetzt kann auch die RNA Polymerase binden. Sie beginnt nun die beiden DNA Stränge lokal zu trennen und baut eine mrna auf, indem sie den einen Strang als Matrizenstrang benutzt (5 3 ). Spezifische Nukleotidsequenzen der DNA markieren den Beginn (Initiation) und das Ende (Termination) eines Gens. Die gesamte DNA-Sequenz von 100en bis 1000en Nukleotiden einschliesslich Initiatons- und Terminationsequenz wird als Transkriptionseinheit bezeichnet. Sobald ein Stück transkribiert wurde, binden sich die beiden DNA Stränge wieder zusammen. Der neu entstandene Teil der mrna löst sich also sofort wieder vom Matrizenstrang. Mehrere RNA Polymerasen können gleichzeitig ein Gen transkribieren. Sie fahren dann wie in einem Konvoi hintereinander über die DNA. Das Ende der zu transkribierenden Sequenz wird durch eine Terminationssequenz angezeigt. Kurz nach dieser Sequenz bricht die RNA Polymerase die Synthese ab und entlässt die Prä - mrna. Bakterien können nun sofort mit der Translation weiterfahren doch bei Eukaryoten folgt nun eine Umwandlung der Prä mrna zur eigentlichen mrna. Eukaryotische Zellen verändern die RNA nach der Transkription Veränderung der Enden Ans 5 Ende der Prä mrna wird ein modifiziertes Guanosin angehängt ( 5 cap). Am 3 Ende wird ein Poly A Schwanz angehängt (30 200 A s). Diese Veränderungen schützen die mrna vor hydrolysierenden Enzymen und sind später für die Ribosomen ein Andock Signal. Mosaikgene und RNA Spleissen Die Prä mrna enthält viele Sequenzen, die für die Translation unbedeutend sind (Introns). Dazwischen liegen die wichtigen Sequenzen, die Exons. Die Introns haben an den Enden typische Sequenzen die von den snrnp s erkannt werden. Verschiedene snrnp s bilden zusammen mit Proteinen die Spleissosome. Dieses schneiden die Introns aus der Prä mrna heraus und verbinden die beiden angrenzenden Exons. (Die snrnp s enthalten RNA. RNA ist häufig in katalytischen Prozessen beteiligt. Ein solches RNA Molekül das als Enzym (also als Katalysator) wirkt, wird Ribozym genannt.) Funktion und Bedeutung der Introns Wahrscheinlich haben Introns einen regulierenden Effekt auf die Zelle. Einige Sequenzen kontrollieren die Genaktivität. Einige Gene können aber auch die Informationen für mehrere verschiedene Proteine geben, je nach dem, welche Stücke herausgeschnitten werden. Bei der Fruchtfliege wird durch unterschiedliches Spleissen sogar das Geschlecht bestimmt!! Zudem bewirken die Introns, dass die Exons weiter auseinander liegen. Damit wird die Chance für ein Crossing over und somit für eine Rekombination grösser. Dieses Mischen von Exons zweier homologer Chromosomen könnte im Laufe der Evolution zu neuen Proteinen mit neuen Aufgaben geführt haben (führen). (Ein Protein besteht aus verschiedenen Domänen. Die einen sind für die Funktion zuständig, die anderen für die Verankerung in der Membran,... Diese Domänen können so einzeln ausgetauscht werden.) 2
Die Protein Synthese Translation Die Transfer RNA (trna) ist der eigentliche Übersetzer. Sie wandelt die Nukleotiden Sprache in die Aminosäuren Sprache um. Die trna ist, wie die mrna, eine Transkription eines DNA Abschnittes. Nach der Synthese gelangt sie ins Cytoplasma. Ihre L Form rührt daher, dass einige Nukleotiden Wasserstoffbrücken zu anderen Nukleotiden des selben Stranges bilden. Am 3 Ende ist die Andockstelle für die Aminosäuren. Am anderen Ende befindet sich das Anticodon, eine Sequenz aus drei Nukleotiden, mit der sich die trna an die mrna bindet. Das Anticodon ist also komplementär zum entsprechenden Basentriplett (Codon). Die dritte Base des Anticodon muss nicht immer genau zu der des Codons passen. Diese sogenannte Wobble Hypothese erklärt, warum zbsp. UUA und UUG im genetischen Code beide für Leucin stehen. Die vielfältigste trna ist diejenige, die ein Inosine (I) an der dritten Stelle hat. I ist eine modifizierte Base die sowohl mit U, C und A Wasserstoffbrücken bilden kann. trna s die ihre Aminosäure im Ribosom an das Polypeptid abgegeben haben, werden wieder frei und können eine neue Aminosäure binden. Das Enzym Aminoacyl trna Synthetase verbindet die trna mit der zugehörigen Aminosäure. Die Spaltung von ATP liefert die Energie dazu. Da es 20 verschiedene Aminosäuren gibt, gibt es auch 20 verschiedene Aminoacyl trna Synthetasen. Das Ribosom Ribosomen vermitteln während der Proteinsynthese die spezifische Bindung von Anticodon und Codon. Es besteht aus einer grossen und einer kleinen Untereinheit, welche beide aus Proteinen und ribosomaler RNA (rrna) aufgebaut sind (Entstehung im Nucleolus). Erst wenn sich das Ribosom an eine mrna anlagert, verbinden sich die beiden Untereinheiten. Die Struktur von eukaryotischen und prokaryotischen Ribosomen unterscheidet sich nur wenig, doch dies ist medizinisch sehr relevant: Gewisse Stoffe hemmen prokaryotische Ribosomen in ihrer Funktion, jedoch nicht eukaryotische. Diese Stoffe können als Antibiotikum zur Bekämpfung von bakteriellen Krankheiten eingesetzt werden. Das Ribosom hat eine Bindungsstellen für die mrna und drei für trna s. Die A Stelle hält die trna, deren Aminosäure als nächste dem Polypeptid angefügt wird. Die P Stelle hält die trna, deren Aminosäure gerade angehängt wird und in der E Stelle befindet sich die trna, die ihre Aminosäure gerade eben abgegeben hat. Von dort aus verlässt die trna das Ribosom wieder. Die Polypeptide Synthese Die Synthese erfolgt in drei Schritten (Initiation, Elongation und Termination). Bei allen Schritten sind Proteinfaktoren (meist Enzyme) als Helfer nötig. Initiation: Die 5 cap der mrna gibt der kleinen Untereinheit des Ribosoms das Signal, sich am 5 Ende anzulagern. Die Initiations trna bindet sich dann ans stromabwärts (gegen 3 ) liegende Initiations Codon. nun bindet sich auch die grosse Untereinheit. Die Initiations Faktoren (Proteine) helfen, diese Teile zu verbinden. Die Zelle liefert dazu Energie in Form von GTP (Guanosintriphosphat). Elongation: 1. Das Codon der A Stelle bindet das Anticodon der entsprechenden trna. Ein Elongationsfaktor schiebt dabei die trna an die A Stelle. GTP wird verbraucht. 2. Ein rrna Molekül der grossen Untereinheit wirkt als Ribozym und katalysiert die Bildung einer neuen Peptidbildung zwischen der entstehen Kette und der trna in der a Stelle. Die Bindung der Kette zur trna in der P Stelle wird dabei aufgelöst. 3. Die trna an der nun das ganze Polypeptid hängt, geht von der a Stelle in die P Stelle. Die trna, welche vorher in der P Stelle war kommt in die E Stelle und verlässt dann das Ribosom. Dieser Prozess erfordert wieder Energie die aus der Hydrolyse von GTP stammt. Das Ribosom wandert von 5 3. Termination: Sobald ein Stopcodon in die A Stelle kommt. wird die Synthese abgebrochen. Das Protein Release Faktor bindet am Stopcodon in der a Stelle. Es bewirkt die Freilassung des Polypeptids. Die Untereinheiten des Ribosoms, die mrna und der Release Faktor trennen sich. 3
Polyribosomen Eine mrna kann gleichzeitig von mehreren Ribosomen übersetzt werden. Wenn sich mehrere Ribosomen hintereinander anlagern, entsteht ein Polyribosom. Vom Polypeptid zum funktionsfähigen Protein Während und nach der Synthese beginnt sich das Polypeptid zu falten. Manchmal folgen dann noch posttranslationale Modifikationen : Dabei können Aminosäuren chemisch durch Anhängen von Zuckern, Fetten, oder Phosphatgruppen modifiziert werden. Es ist auch möglich, dass sich das Polypeptid in zwei Stücke teilt, oder dass mehrere Polypeptide sich zu einem Protein zusammenschliessen. Signalpeptide Die Translation beginnt immer im Cytosol. Wenn das entstehende Protein in der Zelle bleiben soll, wird sie auch dort beendet ( freie Ribosomen ). Ist das Protein jedoch für das Endomembransystem oder soll es ganz aus der Zelle ausgeschieden werden (Bsp. Insulin), besitzt es am Anfang ein Signalpeptid (ca. 20 Aminosäuren). Sobald dieses übersetzt wurde, wird es vom SRP (signal recognition particle) erkannt und das ganze Ribosom mit mrna und Polypeptid wird zu einem in der ER Membran eingelagerten Rezeptorprotein gebracht. Dort wird die Synthese von einem nun gebundenen Ribosom fortgeführt. Wenn das Protein fürs Endomembransystem ist, wird es direkt eingebaut. Falls es aus der Zelle heraus soll, geht es durch eine Pore in das ER Lumen. Das Signalpeptid wird abgetrennt. Andere Signalpeptide dirigieren das Protein zu den Mitochondrien, den Chloroplasten oder dem Innern des Kerns. In diesen Fällen wird das ganze Protein von einem freien Ribosom übersetzt. Die Aufgaben der RNA Wie wir gesehen haben, gibt es zahlreiche verschiedene Arten von RNA (mrna, trna, rrna, snrna, SRP RNA). Sie können entweder katalytisch wirken, oder auf Grund ihrer Fähigkeiten, Wasserstoffbrücken zu bauen, strukturelle Aufgaben haben. Die RNA ist eigentlich vielseitiger als die DNA. Auch in Viren spielt sie eine grosse Rolle. (eine Übersicht dazu auf S. 311, Tabelle 17.1) Vergleich der Proteinsynthese von Prokaryoten und Eukaryoten Die RNA Polymerase ist verschieden; diejenige von Eukaryoten braucht noch Transkriptionsfaktoren um sich an die DNA binden zu können. Auch die Ribosomen sind leicht unterschiedlich ( medizinische Bedeutung). Die grössten Unterschiede liegen jedoch darin, dass Transkription uns Translation bei Eukaryoten räumlich getrennt sind (Kern und Cytoplasma). Auch gibt es bei den Eukaryoten eine Prä mrna (primary transcript) der zur mrna umgewandelt werden muss. Bei den Prokaryoten findet die Transkription und die Translation gleichzeitig statt: Bakterielle Ribosomen heften sich bereits an die wachsende mrna und die Translation beginnt, bevor die Transkription beendet ist. Kaum ist das Protein fertig, geht es direkt zu seinem Funktionsort. Es gibt keine Signalpeptide! Punktmutationen Eine Punktmutation ist eine chemische Veränderung in wenigen oder gar nur einem Basenpaar eines Gens. Falls sie in den Gameten vorkommt, kann sie weitervererbt werden und somit zur Erbkrankheit werden (Bsp. Sichelzell Anämie). Es gibt zwei verschiedene Typen: Basenpaarsubstitution und Insertion / Deletion. Substitution: Ein ganzes Basenpaar wird ausgetauscht (also auf beiden DNA Strängen). Einige dieser Substitutionen werden silent mutations genannt, d.h. sie haben keine Auswirkungen auf das Protein.. Die ist möglich, wenn es sich um die dritte Base eines Codons handelt (Bsp. CCG und CCA stehen für die selbe Aminosäure). 4
Es ist aber auch möglich, dass eine andere Aminosäure eingesetzt wird, dies aber das Protein kaum verändert. Eine falsche Aminosäure in einem Protein kann dieses aber auch so verändern, dass es nicht mehr richtig (Missense Mutation) oder gar nicht mehr (Nonsense Mutation 2 ) funktioniert. Insertion und Deletion: Eines oder mehrere Nukleotidenpaare werden zugefügt oder gehen verloren. Diese Auswirkungen sind viel grösser, da es nun eine völlig neue Dreier Aufteilung der Basen für die Codons gibt (Frameshift oder Rasterschub Mutation). Das ganze Protein wird also verändert was meistens zu einer Nonsense Mutation führt. Mutagene Irrtümer während der DNA Replikation, der Reparatur oder der Rekombination können zu Substitution, Insertion Deletion oder auch zu Mutationen, die längere DNA Abschnitte betreffen, führen. Dies sind sogenannte spontane Mutationen. Mutagene sind physikalische oder chemische Agenten, die Mutationen in der DNA auslösen. UV Strahlen, Röntgenstrahlen und Hitze zählen zbsp. zu den physikalischen Mutagenen. Ein Beispiel für ein chemisches Mutagen sind die Basenanaloga. Sie ähneln den Basen der DNA und können diese somit vertreten, was zu einer inkorrekten Basenpaarung führt. Mit dem Ames Test kann die mutagene Aktivität einer Chemikalie gemessen werden. Dabei wird einer Bakterienkultur der zu prüfende Stoff beigefügt. Die Bakterien sind bereits Mutanten; sie können kein Histidin produzieren, was für sie lebensnotwendig ist. Jedes Bakterium das nun eine Kolonie bilden kann, muss zurückmutiert worden sein. Je mehr solche Kolonien entstehen, desto stärker mutagen wirkt die beigefügte Chemikalie. Dies wird häufig gemacht um zu prüfen, ob ein Stoff krebserregend wirkt. (Die meisten krebserregenden Stoffe sind Mutagene und die meisten Mutagene sind krebserregend!) Was ist ein Gen? Ein Gen ist eine Region der DNA, deren schlussendliches Produkt entweder ein Polypeptid oder ein RNA Molekül (zbsp. trna) ist (die ein Gen ein Polypeptid Hypothese stimmt also nicht ganz genau). Erst durch die Proteine werden verschiedene Phänotypen ausgedrückt. Gene werden reguliert. Diese Kontrolle der Genexpression macht es möglich, dass sich in mehrzelligen Eukaryoten Zellen mit derselben DNA zu verschiedenen Zelltypen entwickeln können. (Bild 17.23 auf S.315 zeigt zusammenfassend alle Schritte der Transkription und Translation) 2 zbsp. wenn ein Codon zu einem Stopcodon mutierte und das Protein somit viel zu kurz ist 5