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Wachsende Polypetid-Kette mRNA Ribosomen sind die protein-synthetisierenden Maschinen der Zelle 5´ 3´ Translationsrichtung.

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Präsentation zum Thema: "Wachsende Polypetid-Kette mRNA Ribosomen sind die protein-synthetisierenden Maschinen der Zelle 5´ 3´ Translationsrichtung."—  Präsentation transkript:

1 wachsende Polypetid-Kette mRNA Ribosomen sind die protein-synthetisierenden Maschinen der Zelle 5´ 3´ Translationsrichtung

2 Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

3 80S Ribosom 40S Untereinheit 60S Untereinheit Jede menschliche Zelle besitzt ca. 1 Million Ribosomen (bei E. coli ca ). In Zusammenarbeit mit mRNA, tRNA und weiteren Proteinfaktoren koordinieren die Ribosomen die Proteinsynthese

4 80S Ribosom 4.2 MDa 40S 70S Ribosom 2.5 MDa 50S BakterienEukaryonten 60S 30S 40S

5 70S Ribosom 2.5 MDa 50S 23S rRNA (3200 Nt) 5S rRNA (120 Nt) 34 r-Proteine Bakterien 30S 16S rRNA (1540 Nt) 21 r-Proteine 16S rRNA 3 5 Ribosomen bauen sich aus rRNA und r-Proteinen auf

6 16S rRNA 3 5 Die Kristallstruktur der 30S Untereinheit

7 Die Ribosomen-Biogenese läuft im Nukleolus ab >> eukaryontische Ribosomen entstehen im Zellkern, genauer im Nukleolus, und müssen von dort über das Nukleoplasma ins Zytoplasma gelangen, wo sie die mRNA translatieren Zytoplasma Zellkern Nukleolus rDNA Prä-rRNA (45S) 5S rRNA 28S 5.8S 5S 18S 40S Untereinheit 60S Untereinheit Ribosomale Proteine (L, S) 18S 28S 5.8S 5S Präribosomale Partikel Die komplizierte Ribosomen-Entstehung im Nukleolus erfordert zeitliche und räumliche Koordination von vielen Teilprozessen. Dies wird durch die hohe strukturelle Organisation des Nukleolus gewährleistet.

8 60S 40S Ausgang für die Polypeptidkette mRNA Bereich für Peptidsynthese die mRNA liegt wie ein Kabel auf einer Plattform in einer Einbuchtung der 40S bzw. 60S Untereinheit. Dort ist auch der Bereich der Peptid-Synthese. Die wachsende Polypeptid-Kette tritt durch einen Art Tunnel innerhalb der großen Untereinheit aus dem Ribosom heraus. Nach der Polypeptid-Synthese faltet sich die Aminosäure-Kette in ihre korrekte 3-D-Konformation

9 mRNA 50S Unter- einheit fMet Initiationsfaktor IF-3 bindet an die 30S Untereinheit, was die Anlagerung der 50S Untereinheit zunächst vehindert Die Initiation der Protein-Synthese Anbindung der mRNA: Shine-Delgarno-Sequenz komplementär zum 3-Ende der 16S rRNA >> Positionierung des AUG im P-Bereich Bindung der fMethionyl-tRNA im P (=Peptidyl)-Bereich durch Codon::Anticodon-Wechselwirkung. Die tRNA fMet kann nur im P-Bereich, nicht im A-Bereich binden, was durch IF2 kontrolliert wird. IF2 ist eine GTPase. Unter GTP-Hydrolyse durch IF2 kann schließlich die 50S Untereinheit andocken, wobei IF2 und IF3 das Ribosom verlassen >> Ende der Initiation Shine-Delgarno-Sequenz Prokaryontische mRNA Eukaryontische mRNA 16S rRNA Ribosomen-Scan 40S Untereinheit 5-Kappe m 7 G 3 3

10 fMet C C C Pro 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 der richtigen tRNA erfolgt auf Grund der richtigen Codon::Anticodon- Wechselwirkung verschiedene Elongationsfaktoren (EF-Tu, EF-Ts), die GTPasen sind und GTP hydrolysieren, sind an der korrekten Anlagerung von tRNA an das Ribosom beteiligt dabei bildet sich zunächst ein Komplex zwischen der 2. tRNA Pro und EF-Tu::GTP. Erst dann kann die Bindung im A-Bereich erfolgen anschließend wird GTP hydrolysiert und EF-Tu::GDP wird aus dem 70S Ribosom freigesetzt. Unter Vermittlung von EF-Ts wird EF-Tu::GTP wieder regeneriert

11 Bildung der Peptid-Bindung G G G C C C fMet Pro nach die Anlagerung der 2. Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle, wird die neue Peptid-Bindung zwischen den bei den Aminosäuren geknüpft. Dabei greift die NH 2 - Gruppe der Aminosäure 2 die COOH-Gruppe der Amino- Säure 1 an der Initiator-tRNA fMet an. Pro G G G fMet C C C Die Verknüpfung der beiden Aminosäuren im Aminoacyl (A)- Bereich > Bildung der Peptidbindung dadurch wird im A-Bereich eine Dipeptidyl-tRNA erzeugt, während im P-Bereich eine deacylierte tRNA fMet entsteht. ursprünglich wurde angenommen, daß ein Enzym (Peptidyl-Transferase) die Peptid-Bindung im 70S Ribosom katalysiert jedoch entdeckte man, daß die 23S rRNA diese Katalyse-Wirkung hat (keine Enzym, sondern ein Ribozym !)

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13 G G G C C C fMet Pro A C A Gly U G U GTP EF-G + GDP + P i EF-G Translokation G G G C C C fMet Pro G G G C C C fMet Pro Die Translokation der Dipeptidyl-tRNA 2 damit der Elongationszyklus nicht stoppt und weitere Aminosäuren angeknüpft werden, muß die Dipeptidyl-tRNA 2 von der A-Position zur P-Position übertragen werden. das geschieht dadurch, daß das gesamte Ribosom sich exakt um die Länge eines Triplett-Codons in Richtung 3-Ende der mRNA bewegt (= Translokation ) da die Dipeptidyl-tRNA 2 noch immer am 2. Codon befestigt ist, wird sie durch die Bewegung des Ribosoms vom A-Bereich in den P-Bereich verschoben, wodurch die deacylierte tRNA fMet 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 benötigt ein Enzym (EF-G), das als Translokase unter GTP-Verbrauch diesen Schritt katalysiert.

14 50S 30S Hydrolyse der Polypetidyl-tRNA- Verknüpfung Dissoziation der Komponenten NH 2 UAG = Stop-Codon Ser A C C U G G NH 2 Ser A C C U G G Die Termination der Polypeptid-Synthese der Elongationszyklus schreitet solange fort, bis das Ribosom die letzte Aminosäure angefügt hat und damit das von der mRNA codierte Polypeptid fertiggestellt hat die Termination wird durch eines der 3 Stop-Codons (UAG - UAA - UGA ) in der mRNA, für welche es keine 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-Bindung 2. Freisetzung des Polypeptids 3. Dissoziation des 70S Ribosoms

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19 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

20 Ribosom mit kurzer Polypeptid-Kette fertig-gestellte Polypeptid-Kette mRNA Start-Codon Stop-Codon

21 Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

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26 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 einer Aminoacyl-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.

27 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!

28 Tetracyclin hemmt Initiation > Prokaryonten Chloramphenicol hemmt Peptidyl-Transferase > Prokaryonten Cycloheximid hemmt Peptidyl-Transferase > Eukaryonten Streptomycin Antibiotica and Protein-Synthese Bakterien sind für eine Reihe von mit unter letalen Infektionskrankheiten verantwortlich z. 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.

29 A-Domäne B-Domäne Die B-Domäne vermittelt die Aufnahme in die Zelle Die A-Domäne ist ein Enzym und katalysiert die Übertragung eines ADP-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

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31 Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

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34 Adäquate Häm-Menge Inadäquate Häm-Menge inaktiv eIF2-Phosphorylierung inaktiv aktiv Translation läuft kontinuierlich ab Translation ist blockiert Austausch von GDP zu GTP ist blockiert Regulation der Protein-Synthese

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36 Der Lebenszyklus einer mRNA

37 Zytoplasma Zellkern Gen Transkription mRNA (Boten-RNA) Import Protein Protein-Synthese Ribosom Export

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