Wachsende Polypetid-Kette mRNA Ribosomen sind die protein-synthetisierenden Maschinen der Zelle 5´...

wachsende Polypetid-Kette

mRNA

Ribosomen sind die protein-synthetisierenden

Maschinen der Zelle

5´ 3´

Translationsrichtung

Welche Aussage über die Mechanismen der Informationsübertragung vom Gen zum

Protein trifft zu?

(A) Die Ablesung de DNA-Matrize bei der Replikation erfolgt in 5’ 3’-

Richtung.

(A) Die Polymerisation der Ribonucleotide bei der Transkription erfolgt in 3’

5’ -Richtung.

(B) Reverse Transkriptase polymerisiert 2’-Desoxyribonucleotide in 5’ 3’-

Richtung.

(C) Die Ablesung der reifen mRNA bei der Translation erfolgt in 3’ 5’ -

Richtung

(D) Die Richtung der Proteinsynthese (von der C-terminalen zur N-terminalen

Aminosäure oder umgekehrt) wird durch die zu tanslatierende mRNA

bestimmt.

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

80S Ribosom

40S Untereinheit

60S Untereinheit

Jede menschliche Zelle besitzt ca. 1 Million Ribosomen (bei E. coli ca. 15 000). In Zusammenarbeit mit mRNA, tRNA und weiteren Proteinfaktoren koordinieren die Ribosomen die Proteinsynthese

80S Ribosom4.2 MDa

40S

70S Ribosom2.5 MDa

50S

Bakterien Eukaryonten

60S

30S40S

70S Ribosom2.5 MDa

50S23S rRNA (3200 Nt)5S rRNA (120 Nt)34 r-Proteine

Bakterien

30S16S rRNA (1540 Nt)21 r-Proteine

16S rRNA

3‘

5‘

Ribosomen bauen sich aus rRNA und r-Proteinen auf

16S rRNA

3‘

5‘

Die Kristallstruktur der 30S Untereinheit

Die Ribosomen-Biogenese läuft im Nukleolus ab>> eukaryontische Ribosomen entstehen im Zellkern, genauer im Nukleolus, und müssenvon dort über das Nukleoplasma ins Zytoplasma gelangen, wo sie die mRNA translatieren

Zytoplasma

Zellkern NukleolusrDNA

Prä-rRNA (45S)5S rRNA

28S5.8S5S

18S

40S Untereinheit 60S Untereinheit

Ribosomale Proteine (L, S)

18S

28S

5.8S5S

PräribosomalePartikel

Die komplizierte Ribosomen-Entstehung im Nukleolus erfordert zeitliche und räumliche Koordination von vielen Teilprozessen. Dies wird durch die hohe strukturelle Organisation des Nukleolus gewährleistet.

60S

40S Ausgang fürdie Polypeptidkette

mRNABereich für

Peptidsynthese

die mRNA liegt wie ein Kabel auf einer Plattform in einer Einbuchtungder 40S bzw. 60S Untereinheit. Dort ist auch der Bereich der Peptid-Synthese.Die wachsende Polypeptid-Kette tritt durch einen Art Tunnel innerhalb dergroßen Untereinheit aus dem Ribosom heraus. Nach der Polypeptid-Synthesefaltet sich die Aminosäure-Kette in ihre korrekte 3-D-Konformation

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mRNA

50S Unter-einheit

fMet

fMet

fMet

Initiationsfaktor IF-3 bindet an die 30S Untereinheit,was die Anlagerung der 50S Untereinheit zunächstvehindert

Die Initiation der Protein-Synthese

Anbindung der mRNA: Shine-Delgarno-Sequenzkomplementär zum 3‘-Ende der 16S rRNA>> Positionierung des AUG im P-Bereich

Bindung der fMethionyl-tRNA im P (=Peptidyl)-Bereichdurch Codon::Anticodon-Wechselwirkung. Die tRNAfMet

kann nur im P-Bereich, nicht im A-Bereich binden, was durchIF2 kontrolliert wird.

IF2 ist eine GTPase. Unter GTP-Hydrolyse durch IF2kann schließlich die 50S Untereinheit andocken, wobeiIF2 und IF3 das Ribosom verlassen >> Ende der Initiation

Shine-Delgarno-SequenzProkaryontische mRNA

Eukaryontische mRNA16S rRNA

5‘ 3‘

3‘ 5‘

Ribosomen-Scan40S Untereinheit

5‘-Kappe m7G

5‘-Kappe m7G

3‘

3‘

fMet

C C C

Pro

Pro

G G G

G G G

Die Elongation bei der Protein-Synthese

fMet

G G G

C C C

Pro

nachdem sich der Initiationskomplex (funktionelles 70S Ribosom)gebildet hat, kann sich die zweite tRNA, die mit der entsprechenden Aminosäure beladen ist, an die A-Position anlagern. Die Auswahl derrichtigen tRNA erfolgt auf Grund der richtigen Codon::Anticodon-Wechselwirkung

verschiedene Elongationsfaktoren (EF-Tu, EF-Ts), die GTPasensind und GTP hydrolysieren, sind an der korrekten Anlagerung von tRNA an das Ribosom beteiligt

dabei bildet sich zunächst ein Komplex zwischen der 2. tRNAPro und EF-Tu::GTP. Erst dann kann die Bindung im A-Bereich erfolgen

anschließend wird GTP hydrolysiert und EF-Tu::GDP wirdaus dem 70S Ribosom freigesetzt. Unter Vermittlung von EF-Ts wird EF-Tu::GTP wieder regeneriert

Bildung der Peptid-Bindung

G G G

C C C

fMet

Pro

nach die Anlagerung der 2. Aminoacyl-tRNA an derA-Stelle, wird die neue Peptid-Bindung zwischen denbei den Aminosäuren geknüpft. Dabei greift die NH2-

Gruppe der Aminosäure 2 die COOH-Gruppe der Amino-Säure 1 an der Initiator-tRNAfMet an.

Pro

G G G

fMet

C C C

Die Verknüpfung der beiden Aminosäuren im Aminoacyl (A)-Bereich > Bildung der

Peptidbindungdadurch wird im A-Bereich eine Dipeptidyl-tRNAerzeugt, während im P-Bereich eine deacylierte tRNAfMet entsteht.

ursprünglich wurde angenommen, daß ein Enzym (Peptidyl-Transferase) die Peptid-Bindung im 70S Ribosom katalysiert. 1992 jedoch entdeckte man, daß die 23S rRNA diese Katalyse-Wirkung hat (keine Enzym, sondern ein Ribozym!)

G G G

C C C

fMet

Pro A C A

Gly

U G U

GTP

EF-G

+GDP + Pi

EF-G

Translokation

G G G

C C C

fMet

Pro

G G G

C C C

fMet

Pro

Die Translokation der Dipeptidyl-tRNA2

damit der Elongationszyklus nicht stoppt und weitere Aminosäuren angeknüpft werden, muß die Dipeptidyl-tRNA2 von der A-Position zur P-Position übertragen werden.

das geschieht dadurch, daß das gesamte Ribosomsich exakt um die Länge eines Triplett-Codonsin Richtung 3‘-Ende der mRNA bewegt (= Translokation)

da die Dipeptidyl-tRNA2 noch immer am 2. Codonbefestigt ist, wird sie durch die Bewegung des Ribosoms vom A-Bereich in den P-Bereich verschoben, wodurchdie deacylierte tRNAfMet aus dem P-Bereich ins Zytoplasma verdrängt wird

das 3. Codon (UGU) der mRNA liegt jetzt im A-Bereich, das 2. Codon im P-Bereich. Diese Verschiebung benötigtein Enzym (EF-G), das als Translokase unter GTP-Verbrauchdiesen Schritt katalysiert.

50S

30S

Hydrolyse derPolypetidyl-tRNA-

Verknüpfung

Dissoziationder

Komponenten

NH2

UAG = Stop-Codon

Ser

A C C

U G G

NH2Ser

A C C

U G G

Die Termination der Polypeptid-Synthese

der Elongationszyklus schreitet solange fort, bisdas Ribosom die letzte Aminosäure angefügt hatund damit das von der mRNA codierte Polypeptidfertiggestellt hat

die Termination wird durch eines der 3 Stop-Codons(UAG - UAA - UGA) in der mRNA, für welche eskeine komplementären Anticodons in der tRNA gibt,signalisiert

sobald ein Stopcodon im A-Bereich erscheint, beteiligen sich 3 Terminationsfaktoren (RF = “releasing factors“) an der:1. Hydrolyse der terminalen Peptidyl-tRNA-Bindung2. Freisetzung des Polypeptids3. Dissoziation des 70S Ribosoms

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Die Protein-Biosynthese ist sehr energie-aufwendig

> Bildung der Aminoacyl-tRNA = 2 ATP> Elongation = 1 GTP> Translokation = 1 GTP______________________________________________4 ATP = 4 x energiereiche Bindungen pro 1 Peptid-Bindung

= 122 kJ/mol-1

1 Peptid-Bindung hat dagegen einen Energie-Gehalt von -21 kJ/mol -1

Ribosom mit kurzer

Polypeptid-Kette

fertig-gestellte Polypeptid-

Kette

mRNAStart-Codon

Stop-Codon

Ribosomen werden zu Polysomen verbunden durch

(A) Zytoskelettelemente, z. B. Spektrin

(B) ribosomale RNA (rRNA)

(C) chromosomale Proteine (Histone)

(D) die mRNA

(E) die wachsende Polypeptidkette


Peptidyl-Transferase

Peptidyl-Puromycin

Hemmung der Protein-Biosynthese durch viele Puromycin

Die Wirkweise des Puromycins (aus Streptomyces alboniger) bei der Hemmung der Protein-Biosynthese

Puromycin ähnelt in seiner Struktur dem 3‘-Ende einerAminoacyl-tRNA und kann daher im A-Bereich binden

Puromycin nimmt anschließend an allen Elongations-Schritten Teil bis einschließlich der Bildung der Peptid-Bindung (Peptidyl-Puromycin)

Puromycin kann dagegen nicht im P-Bereich binden und dissoziiert daher als Peptidyl-Puromycin vom Ribosom ab.

• die Protein-Biosynthese ist ein zentraler Vorgang in der Zelle • und daher ein Hauptangriffs-Ziel natürlich vorkommender• Antibiotica und Toxine (Tetracyclin, Chloramphenicol etc.)

• wegen der Unterschiede bei der Proteinsynthese • Bakterien/Eukaryonten hemmen die meisten Antibiotica/Toxine • bei den Eukaryonten nicht!

Tetracyclinhemmt Initiation > Prokaryonten

Chloramphenicolhemmt Peptidyl-Transferase > Prokaryonten

Cycloheximidhemmt Peptidyl-Transferase

> Eukaryonten

Streptomycin

Antibiotica and Protein-Synthese

Bakterien sind für eine Reihe von mit unter letalen Infektionskrankheiten verantwortlichz. B. Tuberkulose,Pneumonia, Meningitis, Wundinfektionen, Syphilis, Gonorrhö. Vor 1940 keine effektive Behandlungsmöglichkeit

mit der Entdeckung des Pencillins (hemmt bakterielle Zellwand-Synthese) änderte sich das schlagartig.Viele Antibiotica hemmen die Protein-Biosynthese.

A-Domäne

B-Domäne

Die B-Domäne vermittelt dieAufnahme in die Zelle

Die A-Domäne ist einEnzym und katalysiertdie Übertragung einesADP-Ribosyl-Restes vom NAD+ auf den Elongations-Faktor EF2

Hemmung der Translation

Diphtherie-Toxin hemmt die Protein-Biosynthese bei Eukaryonten durch Blockierung der Translation

>> Diphtherie war lange Zeit eine häufige Todesursache bei Kindern. Verursacht durch ein Toxin des Corynebakteriums diphtheriae, das sich im oberen Respirationstrakt einnistet und vermehrt

>> bereits wenige mg des Gifts sind für nicht-immunisierte Personen tödlich

Zelltod

Viele antibiotisch wirksame Substanzen blockieren die bakterielleProteinbiosynthese.

Bei welcher der folgenden Substanzen handelt es sich um einen Inhibitor derprokaryontischen Translation?

(A) Amanitin

(B) Tetracyclin

(C) Actinomycin

(D) Penicilli n

(E) Rifampicin


Adäquate Häm-Menge Inadäquate Häm-Menge

inaktiv inaktiv

eIF2-Phosphorylierung

inaktiv aktiv

Translation läuft kontinuierlich ab Translation ist blockiert

Austausch von GDP zu GTP ist blockiert

Regulation derProtein-Synthese

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Der Lebenszyklus einer mRNA

Zytoplasma

Zellkern

Gen

Transkription

mRNA (Bo

ten-RNA)

Import

Protein

Protein-Synthese

Ribosom

Export

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