1

Bei der Translation wird die Aminosäuresequenz eines Polypeptids durch die Sequenz der Nukleotide in einem mRNA-Molekül festgelegt

5‘

mRNA

Protein

Aminosäure

Nukleotid3‘

N-Terminus C-Terminus

Es besteht Kolinearität zwischen Gen und Protein

2

Aminoende Carboxylende

Genereller Aufbau von Aminosäuren und ihre Verknüpfung durch eine Peptidbindung

Janning & Knust 15.2

3

Den gesamten in einem Stück lesbaren Abschnitt einer mRNAbezeichnet man als offenen Leserahmen (Engl. open reading frame = ORF)

Janning & Knust 15.7

4

Beladung eines tRNA-Moleküls mit einer Aminosäuredurch Aminoacyl-tRNA-Synthetasen

Purves et al. 12.8

5

Aminosäure

Brown 6.8

6

CodonerkennungG und U Basenpaare an der Wobble-Position

Brown 9.5Brown 9.6

1.

3.

7

Die "Wobble"-Hypothese (F. Crick 1965)

"wobble" = "Schwanken, Wackeln"Eine einzelne z. B. mit Glycin beladene tRNA kann drei verschiedene Codons auf der mRNA erkennen

8

5‘ 3‘

untranslatierte mRNA translatierte mRNA

5‘ 3‘

5‘ 3‘

Translation5‘ 3‘

Vorrat an Ribosomenuntereinheiten

Angelagertes RibosomRibosom mit Polypeptid

Wenn Ribosomen keine Polypeptide synthetisieren dissoziieren sie in ihre Untereinheiten

9

30S Untereinheit findet das Startkodon

Brown 9.10 a

Shine-Dalgarno-Sequenz

10

Initiation der Translation bei ProkaryotenShine-Dalgarno-Sequenz = Ribosomenbindestelle

-35 -10

DNA

mRNA

+1

11

Bildung des Initiationskomplexes

Brown 9.10b

30S

12

Blockierung der Aminogruppe

Prokaryoten Startcodon kodiert für N-Formylmethionin

Brown 9.11

13

Durch Anlagerung der großen 50S UE an den Initiationskomplex entstehen zwei tRNA Bindestellen:Peptidyl-Stelle (P-Stelle, Donorstelle) und Aminoacyl-Stelle (A-Stelle, Akzeptorstelle)

Brown 9.12

IF Initiationsfaktoren

70S Initiationskomplex

14

IF1

IF1Initiationsfaktoren IF= nicht-ribosomale Proteinesind an der Initiation der Translation beteiligt

•IF1 u. IF3 Dissoziation des Ribosoms•IF3 Erkennung der Ribosomenbindestelle•IF2 Anlagerung der Aminoacyl-tRNAund Bereitstellung von Energie

Janning & Knust 15.9 (verändert)

15

Zweite Aminoacyl-tRNA besetzt A-Stelle

Elongation

Peptidbindung entsteht zwischen Carboxylgruppe von fMet und Aminogruppe von Aminosäure 2

ElongationsfaktorenEf-Tu und EF-Ts

Enzym: Peptidyltransferase

tRNA-Deacylase bricht Bindung zwischen fMet und tRNA auf

Translokation:Ribosom wandert um 3 Nukleotide weiter

Dipeptid an P-Stelle

ElongationsfaktorEf-G

Brown et al. 9.13

16Janning & Knust 15.10

Elongationund Elongationsfaktoren

EF-Ts: Beschaffung von aktivem EF-TuEF-Tu: Bindung der Aminoacyl-tRNA

an A-StelleEF-G: Translokation

17

Termination der Translation

RF1: UAA oder UAGRF2: UGA oder UAARF3: wirkt mit RF1 bzw. RF2 zusammen

Freisetzungsfaktoren spalten fertigesPolypeptid von der letzten tRNA ab.

UE dissoziieren

N-Terminus

RF

Brwon 9.15 (verändert)

18Brown, verändert

19Purves et al. 12.10

20

Purves et al. 12.11

21

RF

Purves et al. 12.12

22

Polysom: eine mRNA kann durch mehrere Ribosomen translatiert werden

Purves et al. 12.13b

23

Purves et al. 12.13

24

Antibiotika, welche die bakterielle Proteinsynthese hemmen

Antibiotikum blockierter Schritt

Erythromycin Translokation der mRNA am RibosomNeomycin Wechselwirkung zwischen tRNA und mRNAStreptomycin Initiation der TranslationTetracyclin Bindung der tRNA an das Ribosom

25

Translation bei Eukaryoten

mRNA ohne Shine-Dalgarno-Seq.Initiator-tRNAmit unmodifiziertem Metmehr Initiationsfaktoren

5‘-CAP 3‘-Poly(A)

Brown 9.16

26

Bestimmungsorte für neu translatierte Proteine in einer eukaryotischen Zelle

Purves et al. 12.14

27

Eine Signalsequenz dirigiert ein Polypeptid in das ER

Purves et al. 12.15

28

Regulation der Genexpression

29

Regulation der Genexpression

Brown 10.1

30Brown 10.2

31

Ebenen der Regulation

Brown 10.4

32

Manche Gene werden ständig unter allen Labensumständen exprimiert:Housekeeping-Gene, konstitutive Gene(z.B. Gene für rRNA und ribosomale Protein, Histone)

Andere Gene werden nur unter best. Umweltbedingungen exprimiertinduzierbare Gene

33

Regulation der Lactoseverwertung bei E. coli

Brown 10.5

ß-Galactosidase

34

Die Gene des Lactosemetabolismus bilden ein Operon: das lac-Operon

Operon: Transkriptionseinheiten der ProkaryotenEinheit aus eng gekoppelten Strukturgenen und Abschnitten, die die Transkription regulierenbesteht aus Promotor, Operator und 2 oder mehreren Strukturgenen

Operator bindet Repressor, der Repressor blockiert die Transkription

Purves et al.13.16

35

Das lacI Gen kodiert den Repressor

lacI-Gen: Regulationsgen,kodiert Repressor

Strukturgene: -> Produkte: Enzyme o. Strukturproteine

Brown 10.6

36

Der Repressor bindet die DNA: RNA-Polymerase kann nicht binden

Purves et al. 13.17 u. 13.15

37Purves et al. 13.17

38

Ein Induktor stimuliert die Synthese eines Enzyms

2-5

3000 - 5000

Purves et al. 13.13

Lactose (Allolactose) = Induktor des lac-Operons

39

Merkmale induzierbarer Systeme (lac-Operon):

Induktor fehlt -> Operon abgeschaltetKontrolle wird von Repressor ausgeübt, der das Operon abschaltetRegulatorische Gene (z. B. lacI Gen) kodieren Proteine, welche die Expression anderer Gene regulierenBestimmte Seq. (z. B. Operator) kodieren keine Proteine,sind aber Bindungsstellen für regulatorische Proteine

40

Repressor-Induktor-Bindung ist eine Gleichgewichtsreaktion

Brown 10.9

41

Auch Glukose reguliert das lac-OperonKatabolit-Repression: positive Kontrolle der Transkription durch den CAP-cAMP-Komplex

Wenn Glukose im Medium vorhanden ist,muss Lactoseverwertung nicht angeschaltet sein

CAP = catabolite acitivator protein

Brown 10.10

42

Nur in Gegenwart von cAMP kann CAP binden

CAP-cAMP erleichtert Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor

Glukose steuert den cAMP-Spiegel in der Zelle Glukose hemmt die Adenylatcyclase

Brown 10.11

CAP- cAMP stimuliert die Transkription

43

CAP

CAPRNA-Polymerase

Purves et al. 13.19

44

Glukose vorhanden: -> Adenylatcyclase gehemmt -> cAMP-Spiegel niedrig->CAP-Bindestelle am lac-Operon frei-> lac-Operon wird nur gering transkribiert

Glukose nicht vorhanden: -> Adenylatcyclase aktiv -> cAMP-Spiegel hoch-> CAP-cAMP bindet CAP Bindestelle -> RNA Polymerase kann gut binden-> Transkription des lac-Operons effektiv

45

46

Katabolitrepression ermöglicht es E. coli in Anwesenheit von Glukose und Lactosebevorzugt Glukose zu verwerten

Brown 10.12

47

Zwei Typen von Operons

a) Induzierbare Operons: (z. B. lac-Operon ):kodieren Enzyme für einen Stoffwechselweg, werden von dem Substrat des Stoffwechselweges reguliert, das den Abbau induziertWeitere Beispiele: Galactose- und Arabinose-Operon

b) Reprimierbare Operons: (z.B. trp-Operon):kodieren Enzyme, die an Biosynthesewegen beteiligt sind und werden vom Produkt des Reaktionsweges reguliert.Repressor kann nur mit Co-Repressor (Tryptophan) binden

48

Regulation durch Attenuation: das Trp-Operon

Synthese von Trp sehr Energie- und Baustoff-aufwendig, daher 2 Regulationsmechanismen:

1) Repression

2) Attenuation

49

Co-Repressor: Tryptophan

fehlt die Aminosäure Tryptophan, werden die Enzyme zu seiner Synthese benötigt

Ist Tryptophan im Medium vorhanden,muss das trp-Opreon abschaltet sein

Brown 10.13

50

Endprodukt-Hemmung (Feedback-Hemmung)

Corepressor

Purves et al. 13.18

51

in trpR Mutanten wird trp-Operon Expression weiter durch Trp reguliert, d.h. es muss zweiten Mechanismus geben

+ Trp: trpEDCBA mRNA 141 nt

- Trp: trpEDCBA mRNA 7000 nt

vorzeitige Termination der Transkription in Anwesenheit von Trp = Attenuation

52

Kopplung der Regulation der Termination an die Translation

Attenuation

Janning & Knust 17.1

53

mRNA

ausreichende Mengen an Tryptophan

ORF

Ribosom

Terminatorschleife

RNA-Polymerasewird gestoppt, dissoziiert vomDNA-Strang

Transkription kommt zum Stillstand

Ribosom bewegtsich schnellverhindert, dass sichgroßeSchleife bildet

mRNA

geringe Mengen an Tryptophan

ORF

Ribosom

Antiterminatorschleife

RNA-PolymeraseTranskribiert weiter

Transkription läuft weiter

Ribosom stoppt,großeAntiterminatorschleifebildet sich

DNA

DNA

54

Regulation der Genexprssion bei Eukaryoten

Purves et al. 14-11

55

Initiation der Transkriptionbei Eukaryoten

Purves et al. 14-12

56Purves et al. 14.14

Stressresponse-Element

Koordinierung der Genexpression durch Transkriptionsfaktoren

57

Viele regulatorische Elemente beeinflussen die eukaryotische Transkription

Neben promotornahen regulatorischen Elementen liegen Enhancer (Verstärker) weit entfernt

Transkriptionsfaktor

Enhancer

-10 bis -50 kb entfernt

Start der Transkription

DNA-Bindung

Aktivierung/Reprimierung

58

Transkriptionsfaktoren enthalten spezifische Strukturmotive, binden spezifische DNA-Sequenzen und beeinflussen die Transkription- positiv: Aktivator- negativ: Repressor

Zinkfinger-MotivProteineweisen Bereiche auf,die Zn2+-Ion einlagern,α-Helix dient der Erkennung

Helix-Turn-Helix-Motiv2 α-Helices, eine davonErkennungshelix,binden als Dimere;auch bei Prokaryoten:z. B. E. coli trp-Repressor

• erkennen spezifisch Nukleotidsequenzen von weniger als 20 nt• wirken häufig als Dimere

Leucin-Zipper (Reißverschluß)-Motivwirken als Dimerα-Helix zur Bindung und zur Dimerisierung

59

Transkriptionsfaktor

Modell für die Genaktivierung aus der Entfernung

60Purves et al. 14-13

Eukaryotische Gene besitzen viele Regulatorsequenzen,die von Transkriptionsfaktoren gebunden werden

Enhancer-Sequenzen liegen weitvom Transkriptionsstart entfernt bis zu 20.000 bp

61

Eukaryoten: Kontrolle der Transkription durch die Chromatinstruktur

Modifikation (z. B. Acetylierung) der Chromatinproteine (Histone) reguliert die Transkription

offenes Chromatin -> transkriptionsaktiv

kondensiertes Chromatin -> transkriptionsinaktiv

Histon-AcetylierungHiston-Acetyltransferase(HAT)

Histon-DeacetylierungHiston-Deacetylase(HDAC)

DNA

Nukleosom

30 nm

Histon-oktamer

10 nm

62

http://www.uni-koeln.de/rrzk/software/fachspezifisch/Biologie-Genetik/wispactdemo/wispact.german/chap4/contents.html

63

http://www.uni-koeln.de/rrzk/software/fachspezifisch/Biologie-Genetik/wispactdemo/wispact.german/chap4/contents.html