Biochemie I 9 - img.bio.uni-goettingen.de · Aminosäure oder Stop • 64 Codons 60 für...
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Abb. aus Stryer (5th Ed.)
+Spaltung
G QModifikation
+Spleissen
Editing U UUU
Posttranskriptionale RNA-Prozessierung
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Prozessierung einer prä-tRNA
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Eukaryotische messenger-RNA
• Cap-Nukleotid am 5’-Ende
• Polyadenylierung am 3’-Ende
• u.U. nicht-codierende Bereiche (Introns)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Spleißen von prä-mRNA
Viele Protein-codierende Gene in Eukaryoten sind durch nicht-codierende Abschnitte (Introns) unterbrochen.
Beim Spleißen werden dieIntrons entfernt und diecodiernde Abschnitte (Exons)verknüpft.
Primär-Transkript (prä-mRNA)
Spleißen
TranskriptionAddition vom Cap und
Poly(A)-Schwanz
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
• Im Kern von eukaryotischen Zellen
• Spleißosom erkennt die Introns und katalysiert die Spleißreaktion
• Das Spleißosom besteht aus ca. 100 verschiedenen Proteinen und 5 snRNAs
Spleißen von prä-mRNA
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
• Die snRNAs und die meisten Proteine bilden stabile Ribonukleoprotein-Komplexe, die snRNPs (small nuclear ribonucleoprotein particle)
• Für jede Spleißreaktion muss das Spleißosom neu gebildet werden
Das Spleißosom
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
EXON 1
EXON 2
U5
U1
U2
U6U4
EXON 1 Py AG EXON 2GUAUGU UACUAAC
prepre--mRNAmRNA
EXON 2
35U2AF
U2AF65SF1/mBBP
SR
U1 snRNP
EXON 1
EXON 1
EXON 2
U2 snRNP
U1 snRNP
EXON 1
EXON 2
U2 snRNP
U1 snRNP
U4/U6.U5snRNP
EXON 1 EXON 2++
mRNAmRNA
IntronIntron--LariatLariat
Das Spleißosom
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Erkennung der 5’-Spleiß-Stelle durch das U1 snRNP
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Das Spleißen von prä-mRNA erfolgt in zwei Schritten
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Alternatives Spleißen erhöht die Zahl möglicher Proteinprodukte
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Selbst-spleißende Introns
Erstmals entdeckt für eine prä-rRNA in Tetrahymena
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Struktur einerselbst-spleißendenRNA
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Mechanismus des Spleißens in einerselbst-spleißendenRNA
1. Bindung einesGuanosin-Nukleosids
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Mechanismus des Spleißens in einerselbst-spleißendenRNA
2. Durch nukleophilen Angriffder 3’-OH des Guanosins wirddie Phosphodiester-Bindung an der 5’-Spleißstelle gespalten
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Mechanismus des Spleißens in einerselbst-spleißendenRNA
3. Die nun freie 3’-OH Gruppedes 5’-Exons kann die Phospho-diester-Bindung an der 3’-Spleißstelle nukleophil angreifen, spalten und somitdie beiden Exons verbinden
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
• Introns der Gruppe Iim Zellkern, sowie in den Mitochondrien und Chloroplastenverschiedener Eukaryoten (aber nicht in Wirbeltieren)
• Introns der Gruppe IIin den Mitochondrien und Chloroplasten von Pilzen und Pflanzen
Selbst-spleißende RNAs
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Vergleich der Spleiß-Mechanismen
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
RNA - Welt
• RNA kann komplizierte 3D-Strukturen ausbilden (RNA-Faltung) und spezifisch kleine Moleküle binden
• RNA besitzt katalytische Aktivität
→ RNAs waren die ursprünglichenKatalysatoren in der prä-zellulären Zeit
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Translation(Protein-Synthese)
Basen-Sequenzder mRNA
Aminosäure-Sequenzdes ProteinsAS1 AS2 AS3 AS4
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Genetische Code
• Basen-Triplett codiert für eine Aminosäure oder Stop
• 64 Codons60 für Aminosäuren3 für Stop1 Methionin-Codon ist immer das Start-Codon
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Für die Protein-Biosynthese werden die Aminosäuren an tRNAs gebunden
Die mRNA Codons werden durch komplementäre tRNA Anticodons erkannt
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Manche tRNAs erkennen mehr als ein Codon(Wobble-Basenpaarung)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Bei der Protein-Biosynthese ist die wachsende Polypeptidkette immer an eine tRNA gebunden
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Struktur der tRNAs
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Aminoacyl-tRNA Synthetasen aktivieren Aminosäuren durch Bindung an tRNA
Aminosäure + tRNA + ATP
Aminoacyl-tRNA + AMP + PP
Aminoacyl-Adenylat + tRNA + PP
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Es gibt 20 verschiedene Aminoacyl-tRNA Synthetasen
Glutaminyl-tRNA-Synthetase
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die meisten Aminoacyl-tRNA Synthetasen haben einen Korrekturlese-Mechanismus
(proofreading)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Translation und Polypeptid-Synthesefinden am Ribosom statt.
Mehrere RibosomenKönnen gleichzeitigeine mRNA trans-latieren:POLYRIBOSOM bzw.POLYSOM
Abb. aus Stryer (5th Ed.)Figure 4-32
Ribosomen bestehen aus einer großen und einer kleinen Untereinheit
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Figure 4-20
Die Übersetzung des genetischen Codes
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die drei Phasen der Translation
• InitiationErkennung des Start-Codons durch den Initiationskomplex
• Elongationpro Zyklus wird die wachsende Polypeptidkette um eine Aminosäure verlängert
• TerminationErkennung des Stop-Codons, Dissoziation des Komplexes
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Wo ist der Startpunkt für die Translation auf der mRNA ?
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
In Prokaryoten befindet sich vor dem Start-Codon eine konservierte Ribosomen-
Bindungstelle (Shine-Dalgarno Sequenz)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
In Prokaryoten ist die Start-tRNA mit einem modifizierten Methionin beladen
N-Formyl-Methionin
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Bei der INITIATION bindetdie kleine Ribosomen-Untereinheit mit Hilfe vondrei Initiationsfaktoren und der fMet-tRNA an die mRNA.
Anschliessend bindet diegroße Untereinheit an denInitiationskomplex und bildetdas aktive Ribosom.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Beim ersten Schritt der ELONGATION befindet sichdie tRNA mit der ersten Aminosäure bzw. die tRNA mitder Polypeptidkette in der P-Stelle.Die nächste Aminoacyl-tRNA bindet mit Hilfe vonElongationsfaktor-Tu (EF-Tu) in der A-Stelle, wobei einGTP verbraucht wird.
Es gibt 3 tRNA-Bindungstellen:P = Peptidyl-Stelle, A = Akzeptor-Stelle, E = Ausgang-Stelle
EF-TuGTP
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Beim zweiten Schritt der ELONGATION wird die Peptidbindung gebildet, wobei die Aminosäure von dertRNA in der P-Stelle auf die Aminoacyl-tRNA in derA-Stelle übertragen wird.
EP
A
P = Peptidyl-Stelle, A = Akzeptor-Stelle, E = Ausgang-Stelle
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Beim dritten Schritt der ELONGATION,der sog. Translokation, wandert das Ribosom ein Codon auf der mRNA weiter,wobei die tRNA von der P-Stelle inDie E-Stelle, und die Aminoacyl-tRNAVon der A-Stelle in die P-Stelle Verschoben wird.
Die Translokation erfordet Energie,die der Elongationsfaktor G durchSpaltung von GTP bereit stellt.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Im letzten Schritt der ELONGATION verläßt dietRNA die E-Stelle und das Ribosom kann dienächste Aminoacyl-tRNA aufnehmen.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
EF-TuGTP
Pro ELONGATION-Zyklus werden 2 GTP zu GDP hydrolisiert
EF-TuGDP
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die EF-G Struktur ähnelt dem EF-Tu – tRNA Komplex
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Mechanismus der Translokation
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Termination
Es gibt keine komplementäre tRNAs zu den Stop Codons (UAA, UGA, UAG).
Erreicht das Ribosom ein Stop Codon binden mehrere Release Faktoren (RF), das Ribosom dissoziert und das neu-synthetisierte Protein wird nach Abspaltung von der tRNA freigesetzt.
Bei der Termination wird ein GTP zu GDP hydrolisiert.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Elektronenmikroskopie zeigte die Existenzder A-, P- und E- tRNA-Bindungsstellen
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die verschiedenen Ribosomen-Komplexekönnen im Elektronenmikroskop beobachtet werden
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Durch Röntgenkristallographie wurden die Strukturen der großen und kleinen Untereinheit
als atomare Modelle bestimmt
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die Faltung der 16S rRNAim Ribosom
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die tRNA Bindungstellen in der Kristallstruktur
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Das katalytische Zentrum des Ribosom bestehtnur aus RNA !