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Datenspeicherung und Datenfluß in der Zelle-
Grundlagen der Biochemie
Datenspeicherung und Datenfluß der Zelle
Transkription TranslationDNA RNA Protein
Aufbau
I. Grundlagen der organischen Chemie und chemische Bindungen
II. Struktur der BiomoleküleNukleinsäuren: DNA und RNAProteine
III. Von DNA zu Protein: Transkription und Translation
IV. Organisation der DNA im Menschen: Das menschliche Genom
Chemische Bindungen
Kovalente Bindung / Atombindung:
Zusammenhalt von Atomen, der durch die Ausbildung gemeinsamer Elektronenpaare zustande kommt
Chemische BindungenEs gibt drei Klassen nicht-kovalenter, reversibler Verbindungen:
• Ionenbindung (Salzbrücken)
• Wasserstoff - Brücken Bildung
• Van der Waals Wechselwirkungen
Spielen eine Schlüsselrolle in der Replikation der DNA der Proteinfaltung
Positiv geladene GruppeNegativ geladene Gruppe
Wasserstoffdonor Wasserstoffakzeptor
Die biochemischen Eigenschaften des Wassers
Wasser als elektrischer Dipol:
Wasserstoff-Brückenbildung im Wasser:
Wasser als Lösungsmittel:
Organische Chemie – funktionelle Gruppen
Amino Gruppe Carbonyl Gruppe Hydroxyl Gruppe Carboxyl Gruppe
Die funktionellen Gruppen bestimmen den Charakter einer organischen Verbindung
CarbonsäurenAlkoholeAmine Aldehyde/Ketone
Zucker
D-Ribose
C
C
O
H
OH
C
C
OH OH
HOCH2
H HH
C
CH
OH
C
C
OH H
HOCH2
H HH2
2
O
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
OH
OH
OH
OH
O
2
1
3
4
5
2-Desoxyribose
D-Ribose
Esterbindung
Ester = Säure + Alkohol
Desoxyribonucleinsäure (DNA)
DNA-Einzelstrang: Polydesoxynucleotid-Molekül
DNA = Polymer aus Nucleotideinheiten
Nucleotid = Base + Zucker + Phospat-Rest Nucleosid
dATP
Basen der DNA
Purin Guanin Adenin
Pyrimidin ThyminCytosin
Basenpaarung
GuaninCytosin
Thymin Adenin
Die DNA Doppelhelix
Querschnitt
B-DNA (vorherschende Konformation in der Zelle):
•rechtsgängig•Basen rechtwinklig zur Helixachse•Basen um 35° versetzt 10 Basenpaare/
Windung
Basenpaarung möglich, wenn:
•Stränge entgegengesetzte Polarität aufweisen•Doppelhelix
RNA-Strang
RNAVier Klassen von RNA:
•mRNA (5%)•tRNA (10-20%)•rRNA (80%)•snRNA (<1%)
Uracil
2-DesoxyriboseRibose
DNARNA
ThyminUracil
RNA / DNA im Vergleich:
Proteine
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)
Proteine – Aufbau
Der Baustein der Proteine ist die L-Aminosäure
Die 20 proteinogenenAminosäuren variieren in:
•Größe und Form•Ladung•Fähigkeit zur H2O -Brückenbildung•Chemische Reaktivität
Zwitterion
Die 20 proteinogenen Aminosäuren
+ +
--
Peptidbindung / Benennung von Peptiden
Carbonsäureamidbindung / Peptidbindung:
Peptidkette:
-Ter
min
us
C-Te
rminu
s
N
Hierarchie in der Proteinarchitektur
Unterteilung der Proteinstruktur (Globuläre Proteine):
Primärstruktur: Aminosäure-Sequenz Sekundärstruktur: Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation
•α-Helix•β-Faltblatt•Collagen-Helix
Tertiärstruktur: Dreidimensional gefaltete, biologisch aktiveKonformation eines Proteins
Quartärstruktur: Nicht kovalent zusammengelagerte Proteinmoleküle
Sekundärstrukturen – Helices
Collagenhelixα-Helix
Sekundärstrukturen –β-Faltblätter und β-Turn
Paralleles β-Faltblatt Antiparalleles β-Faltblatt
β-Turn
ProteinfaltungCharakteristika:
•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
Transkription und Translation
Transkription und TranslationTranskription der DNA RNA
•Initiation•Elongation•Termination
Prozessierung der transkribierten RNA mRNA•Cap / poly (A)•Spleißen•Editing
Translation:•Der genetische Code und seine Umsetzung•Ablauf der Translation:
•Initiation•Elongation•Termination
Transkription - Initiation Sequenzelemente eines eukaryotischen Promotors:
Bildung eineTranskriptions-komplexes Basales Level anTranskription
Transkription - Elongation
Transkriptionsblase mit DNA - abhängiger RNA Polymerase•Ablesen des Matrizenstranges in 3´-5´Richtung•Syntheserichtung der RNA: 5´-3´ - Richtung
Transkription - Elongation
Ribo-nucleosid -Triphosphat
•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
Transkription - Termination
Haarnadelschleifenbildung + U-reiche Sequenz Abfall der Polymerase
RNA - Prozessierung
Arten der RNA Modifikationen:• 5´Cap• Poly (A) - Schwanz• Spleißen• Editing
Bildung einer 5´Cap - Struktur
Funktion:Schutz vor Phosphatasen +Nucleasen
Poly (A) SchwanzFunktion: •Schutz vor Verdau•Bestimmt Lebenslänge der RNA
Spleißen
IntronsExons
DNA
Cap
Cap
Poly(A)
Poly(A)mRNA
Intron = intervening sequence
SpleißenDas Spleißosom als Beispiel eines RibozymsSpleißvorgang:
Editing
Editing: Nicht durch Spleißen verursachteposttranskriptionelle Änderung der Information
UUA GGC AUG GGA Deaminierung desCytidin UridinUUA GGU AUG GGA
Deletion oder Insertioneiner Base FrameshiftUUA GGA UGG GA
Genetischer Code
Charakteristika des genetischen Codes:
• 3 Basen = 1 Triplett /Codon
• 64 Codons
• 3 Stop Codons
• 1 Methionin Start codon
• Universell
Umsetzung des genetischen CodestRNA als Adaptermolekül
Codon Aminosäure?
Codon
Anticodon
AminosäuretRN
A
X‚Y
‚I
Umsetzung des genetischen CodesCodon und Anticodon Paarung
X‚Y
‚C X
‚Y
‚GX
‚Y
‚AX
‚Y
‚U
Anticodon(tRNA)
U GX‚Y
‚U X
‚Y
‚G
X‚Y
‚IX
‚Y
‚I I U+C+A
Basen-paarungen:
3 2 1
X Y G X Y CX Y UX Y ACodon(mRNA)
5´3´5´ 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
3 2 1 3 2 1 3 2 13´ Standard-paarung
Wobble base pairing 1 tRNA kann mehrere Codons erkennen
Umsetzung des genetischen CodesSpezifität der tRNA – Aminosäure Verknüpfung
Aminosäure-Bindestelle Spezifität durch Aminoacyl-tRNA-Ligasen
Anticodonloop
Esterbindung
Ablauf der TranslationRibosomenstruktur und Initiation der
Translation
Bestandteile eineseukaryotischen Ribosoms
PolysomInitiation:•Im Cytoplasma getrennt vorliegende Untereinheiten (UE)•Initiationsfaktoren Aktivierung der kl. UE und tRNA + Bindung dieser an dieCapstruktur •Scannen der mRNA +Bindung der Methionin-tRNA an das StartcodonAUG•Anlagerung der großen UE Ribosom
Elongation
Tran
slok
atio
n Synthese der Peptidbindung
P site: PeptidylstelleA site: Akzeptorstelle
Generierung der Peptidbindung
EFTU
GTP
G
DP
Das Humane Genom
Nukleäres Genom: 3300MB / 80000 Gene3% Kodierend Humanes Genom
Mitochondriales Genom: 16,6kb / 37 Gene
(22 Autosomen + 2 Gonosomen (XX / XY))* 2 (diploid) 46 Chromosomen
Im Durchnitt ist jedes Chromosom 5cm2m DNA müssen im Zellkern verpackt werden!!!
Organisation der DNA im Zellkern
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