Bio Leistungsfach Klausur Nr.4
3.4. Identische Verdopplung der DNA = Replikation
Replikation Transkription
Biologische Bedeutung Verdopplung der DNA Bildung einer komplementären mRNA
Zeitpunkt im Zellzyklus S-Phase G1 und G2-Phase
Matrizen Beide Matrizenstränge Nur der codogene Strang als Matrize
Beteiligte Enzyme Helicase, Primase, DNA- RNA-Polymerase (Primase)
Polymerase, DANN-Ligase
Nukleotide A,T,C,G: DNA-Nukleotide A,U,C,G: RNA-Nukleotide
Primer Ein für Leitstrang, Kein Primer gebraucht
Viele für Folgestrang
Codon Kein Start-/ Stopcodon auf der Start-/ Stopp-Codon auf der mRNA
DNA
3.5. Vom Gen zum Phän (Merkmal)
Definition: Gene sind bestimmte Abschnitte der DNA, die für die Ausprägung von bestimmten
Merkmalen verantwortlich sind.
➔ Ein-Gen-Ein-Polypeptid-Hypothese:
Ein Gen enthält die Information für die Produktion eines bestimmten Polypeptids. Dieses
führt zur Ausbildung eines bestimmten Merkmals.
Überblick: Proteinbiosynthese
Bei der Proteinbiosynthese wird die Information, die in der Basensequenz der DNA verschlüsselt ist,
in die spezifische Aminosäurensequenz von Proteinen „abgeschrieben“ und „übersetzt“.
a) Transkription DNA Nukleotid-sequenz → Zellkern Im Zellplasma
↓ (Eucyte) (Procyte)
mRNA
b) Translation ↓ Aminosäure-sequenz → Ribosomen Im Zellplasma
Polypeptid
Ort
5´-G-A-A-T-G-G-T-T-A-3´ Nicht- Matrizen- Strang
DNA- Eukaryoten;
Transkription Doppelstrang Abgelesener/ codogener Im Zellkern
3´-C-T-T -A-C-C-A-A-T-5´ Matrizenstrang
mRNA 5´-G-A-A-U-G-G-U-U-A-3´ Codon 80S Ribosomen; im
Translation tRNA C UUA CC A AU Anticodon Zellplasma
Aminosäuren Gluatmin- Trypto- Leucin
säuren phan
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, AS-Kette … Ser – Val – Lys – Met – Ala …
m-RNA 5´-UCA-GUA-AAA-AUG-GUA-3´
DNA 3´ AGT CAT TTT TAC CAT 5´ codgener Strang
Proteinbiosynthese der Eukaryoten im Überblick
1 DNA 9 tRNA
2 RNA-Polymerase 10 Aminoacyl-tRNA-Synthease
3 Prä-mRNA 11 Bindestelle/ aZ
4 Intron 12 Ribosom
5 Exon 13 Codon
6 Kernporen 14 Anticodon
7 mRNA 15 Ribosomuntereinheit
8 AS 16 Wachsende AS/ Polypeptidkette
Vergleich der Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten
Prokaryoten Eukaryoten
Aufbau der DNA Die DNA ist ringförmig und Die DNA ist linear und enthält
enthält keine Histone Histone
Räumliche Organisation Transkription und Translation Kompartimentierung, Transkription
finden im Cytoplasma statt im Zellkern, Translation im
Cytoplasma
Zeitliche Organisation Die Translation beginnt, bevor Zeitlich getrennt aufgrund der
die Transkription beendet ist Kompartimentierung
Aufbau der Gene Die Gene enthalten fast nur Die Gene enthalten Introns und
codierende Sequenzen (Exons) Exons (nicht-/ codierend)
Reifung der mRNA Die mRNA wird ohne Prozessierung der prä-mRNA: 5´-Cap
Modifizierung translatiert und 3´-Poly-A-Schwanz, Spleißen
und alternatives Spleißen
Aufbau der Ribosomen 70S-Ribosomen 80S-Ribosomen
(30S/ 50S-Untereinheiten) (40S/ 60S-Untereinheiten)
mRNA-Prozessing/ Reifung
Bei der Transkription entsteht eine prä-mRNA, die bei Eukaryoten codierende (Exons) und
nichtcodierende (Introns) Bereiche enthält.
5´-Cap Am 5´-Ende wird eine „Kappe“ aus modifiziertem Guanin angehängt:
→ Erleichterte Anheftung an kleine Ribosomen-Untereinheiten
→ Schützt 5´-Ende vor enzymatischem Abbau
3´-Poly-A-Schwanz Am 3´-Ende werden bis zu 250 Adenin-Nukleotide angehängt
→ Erleichtert Export ins Cytoplasma
→ Schützt 3´-Ende vor enzymatischem Abbau
Spleißen Wird durch Enzymkomplex, Spleißosom, durchgeführt:
→ Nicht codierenden Introns werden herausgeschnitten
→ Codierende Exons (relevant für Proteinbiosynthese) werden verknüpft
(Es entsteht eine reife mRNA als Transkriptionsprodukt eines einzigen
Gens und codiert für ein einziges Polypeptid. Wandert mit Schutz der
Proteinhülle zu den Poren in der Zellkernmembran, wo sie erst noch
einer Qualitätskontrolle unterzogen wird: Im Durchschnittlich verlässt
jedes vierte mRNA-Molekül den Zellkern.
Alternatives Spleißen Je nachdem welche Exons gespleißt/ miteinander verknüpft werden,
entstehen verschiedene mRNAs aus der gleichen prä-mRNA.
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,3.5.1. a) Transkription – die genetische Information wird beweglich
1. Initiation RNA-Polymerase (kompliziert gebautes Enzym: Primase) katalysiert Transkription,
indem es den Beginn des Gens auf DNA an einer Nukleotidsequenz (Promotor)
erkennt. Dieser ist durch bestimmte Basenfolge (TATA) charakterisiert.
- Entspiralisiert DNA-Doppelhelix Stück für Stück um etwa 15Basenpaare:
Trennt dabei Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basenpaaren auf.
2. Elongation - RNA-Polymerase bewegt sich in an DNA entlang:
Liest Matrizen-/codogenen Strang in 3´→ 5´-Richtung.
- Am 3´-Ende bindet sie Ribonukleotidtriphosphate (freie RNA-Nukleotide), die
komplementär zu den Nukleotiden des gelesenen Stranges sind:
- Katalysiert Verknüpfung der angelagerten RNA-Nukleotide zum Einzelstrang.
Der sich bildende Strang verlängert sich in 5´→ 3´-Richtung.
➔ Synthetisiert einsträngige Kopie des entsprechenden Gens.
- Die entstehende RNA ist antiparallel zum gelesenen DNA-Matrizenstrang
(U anstatt T, Ribose anstatt Desoxyribose).
- Ein einzelnes Gen kann gleichzeitig von mehreren Primasen transkribiert werden.
3. Termination Ende des Kopiervorgangs wird durch bestimmte Basenfolge (Terminator) angezeigt:
- RNA-Polymerase und fertige mRNA lösen sich von DNA ab.
- Diese prä-mRNA entspricht einer exakt komplementären Kopie des
transkribierten Gens.
- Nach Abschreiben bildet sich wieder die ursprüngliche DNA-Doppelhelix.
- Diese einsträngige RNA-Kopie der Erbinformation gelangt durch die Zellkernmembran an Ribosomen:
Hier wird die Basensequenz in eine bestimmte Aminosäurensequenz übersetzt (=Translation).
- Theoretisch könnten an jedem Abschnitt der DNA (jedem Strang der Doppelhelix) zwei
verschiedene RNA-Moleküle synthetisiert werden. Tatsächlich wird nur der Matrizen/
codogene Strang als Vorlage benutzt. Das ändert sich entlang eines DNA-Moleküls und hängt
von Lage des Promotors des jeweiligen Gens ab: DNA-Sequenz jedes Promotors besitzt eine
Orientierung, welche RNA-Polymerase in bestimmte Richtung dirigiert und entscheidet,
welcher Strang der DNA kopiert wird.
3.5.2. b) Translation
Übersetzung der mRNA-Nukleotidsequenz in ASS der Polypeptide:
mRNA (Vorlage für Proteinbau) → Polypeptid (AS-Kette)
Basensequenz der mRNA wird, an Ribosomen im Cytoplasma translatiert, indem das Ribosom entlang
der mRNA wandert und Codon für Codon der Nukleotidsequenz der mRNA in ASS übersetzt.
Als Bindeglied zwischen mRNA und der ASS dienen tRNA-Moleküle (transfer).
Aufbau der tRNA
- Besteht aus ca.80Nukleotiden
- „Kleeblattstruktur“ durch intramolekulare Schleifenbildung (H-Brücken)
- 2 spezifische Bindestellen:
Anticodon Basentriplett, komplementär zum Codon der mRNA
3´-Aminosäurebindestelle Bindung der zum tRNA-Anticodon/ mRNA-Codon „passenden“
Aminosäure
Die Beladung der tRNA mit der passenden Aminosäure erfolgt durch die Aminoacyl-tRNA-Synthease:
Deren aktives Zentrum besitzt zwei aktive Zentren: Für die Aminosäure und für die Anticodonschleife.
Polysom Kettenartig angereihte Ribosomen, die an einer mRNA
gleichzeitig dasselbe Polypeptid (ASS) bilden:
+ Beschleunigung der Proteinbiosynthese
+ Zeit-/ Material- und Energieersparnis
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, 1. Start der Translation (Initiation)
Bindung der tRNA und mRNA an die kleine Untereinheit des Ribosoms. Dieser Komplex wandert
entlang der mRNA, bis er auf das Startcodon (AUG) trifft. Große Ribosomuntereinheit lagert sich
an kleine Untereinheit an. Erste AS ist immer MET. Immer zwei Basentripletts P+A/ P+E haben
Platz im Ribosom. Sie ermöglichen, dass immer zwei mit spezifischen AS beladenen tRNA-
Molekülen mit ihrem Anticodon das komplementäre Codon der mRNA erkennen und anlagern.
2. Verlängerung der AS-Kette (Elongation)
Eine AS nach anderen an Start-AS angehängt:
Codonerkennung Die tRNA mit der wachsenden Polypeptid/ AS-Kette befindet sich in der P-
Stelle. Eine tRNA mit der nächsten AS bindet an die unbesetzte A-Stelle des
Ribosoms, indem ihr Anticodon komplementäre Basenpaarung mit dem
Codon der mRNA eingeht.
Peptidbindung Ein Enzym katalysiert eine Peptidbindung zwischen der wachsenden
Peptidkette und der gerade angelieferten AS auf der tRNA in der A-Stelle.
Verschiebung Das Ribosom rückt daraufhin in 3´-Richtung (von 5´→ 3´) um genau 3
Nukleotide, also um ein Codon/ Triplett auf der mRNA weiter. Die entladene
tRNA wird dadurch auf die E-Stelle verschoben und löst sich ab. Die tRNA mit
der wachsenden Polypeptid /AS-Kette befindet sich an der P-Stelle. An die
freie A-Stelle kann die nächste, mit einer AS beladene, tRNA binden.
3. Beendigung der Translation (Termination)
Das Ribosom rückt nun so lange weiter, bis die A-Stelle ein Stopcodon (UAA, UAG, UGA)
erreicht. Statt einer beladenen tRNA bindet hier ein als Freisetzungsfaktor (Release factor)
bezeichnetes Protein. Die Polypeptidkette löst sich und nimmt ihre Raumstruktur ein. Der
Komplex aus Ribosom und mRNA zerfällt.
3.6. Der genetische Code – die Verschlüsselung der Basensequenz
Basen alleine oder als Basenduett können nicht für Aminosäuren codieren, weil sie so zu wenige
Möglichkeiten bieten. Deshalb codieren drei Basen (=Codon/ Basentriplett) für eine bestimmte Aminosäure.
41 = 4
42 = 16
43 = 64 → 64 ist mehr als 20 (16+4; Protein), aber es ist immer besser zu viel, als zu wenig.
Die Codesonne = Übersetzungsvorschrift von mRNA-Codons in AS
64 Codons → für 20 AS
3 Stopp-Codons (Termination der Translation)
1 Start-Codon AUG (Initiation der Translation)
Code wird immer in 5´→ 3´-Richtung gelesen, d.h. von innen nach außen.
Eigenschaften des genetischen Codes (Gesamtheit aller Codons):
Überlappungsfrei Nebeneinander: Eine Base gehört zu einem Triplett nicht zwei benachbarten
Kommafrei Lückenloses Ablesen
Degeneriert Mehr Tripletts/ Codons als AS: 1AS ist mehrfach verschlüsselt/ codiert
Nahezu universell Fast alle Lebewesen, besitzen den gleichen genetischen Code
Eindeutig Alle 4 Bedingungen legen Codon eindeutig fest
➔ Perfekter Code
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