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Umsetzung des genetischen Codes in Proteine Wie wird dechiffriert? 4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide) A C G T (U) 20 Buchstaben-Sprache.

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Präsentation zum Thema: "Umsetzung des genetischen Codes in Proteine Wie wird dechiffriert? 4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide) A C G T (U) 20 Buchstaben-Sprache."—  Präsentation transkript:

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2 Umsetzung des genetischen Codes in Proteine Wie wird dechiffriert? 4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide) A C G T (U) 20 Buchstaben-Sprache der Proteine (Aminosäuren) Phe Leu Ser Tyr Cys Trp Pro His Gln Arg Met Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Gly Ile

3 Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette (hydrophob)

4 Hydroxylierte Aminosäuren

5 Basische Aminosäuren (mit positiver Ladung)

6 Saure Aminosäuren (mit negativer Ladung ) und deren Derivate

7 Aromatische Aminosäuren (hydrophob)

8 Helix-brechende Aminosäure

9 Schwefelhaltige Aminosäuren

10 Umsetzung des genetischen Codes in Proteine Wie wird dechiffriert? 4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide) A C G T (U) 20 Buchstaben-Sprache der Proteine (Aminosäuren) Phe Leu Ser Tyr Cys Trp Pro His Gln Arg Met Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Gly Ile Man kann sich verschiedene Möglichkeiten der Codierung vorstellen: (1) 2er-Code = 4 Code-Buchstaben A C G T in 2er Gruppen: z. B. A T = Leu; CG = Asp >> reicht nicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren ( 4 2 = 16 ) (2) 3er-Code = 4 Code-Buchstaben A C G T in 3er Gruppen: z. B. A T G = Met ; GAG = Asp >> reicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren ( 4 3 = 64 )

11 Umsetzung des genetischen Codes in Proteine der nicht-überlappende Triplett-Code wurde letztendlich und zweifelsfrei durch viele Experimente nachgewiesen (z. B. Deletions- und Insertionsmutationen)

12 Umsetzung des genetischen Codes in Proteine TyrAlaValGly Val SerHis mRNA SerAlaValArg Insertion ProValArgGlu Deletion der nicht-überlappende Triplett-Code wurde durch Deletions- bzw. Insertionsmutationen nachgewiesen: (i) die Addition bzw. Deletion einer bzw. zweier Basen verändert den Triplett-Code (iii) die gleichzeitige Addition und Deletion einer Base verändert den Triplett-Code nicht (ii) die Addition bzw. Deletion von drei Basen verändert den Triplett-Code nicht

13 bei einem nicht-überlappenden Triplett-Code gibt es in der mRNA drei mögliche Triplett-Raster: jeder Raster würde für eine andere Aminosäure-Sequenz codieren!! Was legt den richtigen Raster fest? 5---U U C U C G G A C C U G G A G A U U C A C A G U Phe---Ser----Asp----Leu----Glu----Ile----His----Ser Ser---Arg----Thr----Trp----Arg----Phe----Thr Leu---Gly----Pro----Gly----Asp----Ser----Gln Übersetzen der drei möglichen Triplett- Raster in Amino- Säuren Legt das erste Codon in der mRNA (UUC) den Leseraster fest? >>> in Wirklichkeit legt das erste AUG-Codon = Startcodon innerhalb der mRNA den Leseraster fest

14 Wie wurde der genetische Code geknackt? oder anders gefragt: welche Tripletts codieren für welche Aminosäure? bakterieller Extrakt synthetische mRNA Polypeptid bakterielle Extrakte mit allen Komponenten für die Proteinsynthese außer mRNA >> Zugabe von künstlicher mRNA (z. B. homopolymere RNA) >>> Proteinsynthese: welche Polypeptide? durch die clevere Zusammenstellung von Basen in heteropolymerer RNA konnten weitere Tripletts geknackt werden in Versuchen mit synthetischen Polynukleotiden und Anbindung von spezifischen Aminoacyl-tRNA Molekülen an Ribosomen wurde der gesamte genetische Code Anfang der 60iger Jahre aufgeklärt

15 (1) für 3 der 64 Codons gibt es keine Aminosäure > >UAA, UAG, UGA =Stopcodons (2) alle Aminosäuren außer Methionin (Met) und Trypthophan (Trp) haben mehr als ein Codon machmal bis zu sechs Codons: z. B. Serin (Ser) >> genetische Code ist degeneriert, weil eine bestimmte Aminosäure von mehr als einem Codon spezifiziert wird

16 Aminosäure für eine Aminosäure codierendes Nukleotid-Triplett ACU = Codon Francis Crick hat schon früh vermutet, daß die tRNA die Rolle eines Adapters spielen könnte, wobei ein Teil der tRNA eine spezifische Aminosäure bindet und ein anderer Teil der tRNA die Triplett- Sequenez ( Codon ) in der mRNA erkennt, welche für diese Aminosäure codiert mRNA Adapter (tRNA) Bindebereich fürAminosäure Wie können tRNA-Moleküle diese Doppelrolle erfüllen? >> liegt in der Struktur der tRNA begründet!!!

17 Anticodon 5-P 3-OH Aminosäure- Bindestelle UH 2 mG m2Gm2G mI mG m2Gm2G mI (Ribose an C-5) UH 2 Seltene Basen

18 Aminosäure- Arm Anticodon- Schleife T C-Schleife Extra-Arm variabel DHU-Schleife 5-P 3-OH tRNAs sind relativ klein und haben eine Länge von Nukleotid-Bausteinen wobble-Position G einzelsträngige und doppelsträngige Abschnitte (50%ige Paarung) > typische L-Struktur und Schleifen tRNAs enthalten viele (7-15%) seltene Basen wie Pseudouridin, Inosin, Dihydrouridin, Methyl- und Dimethyl-Guanosin etc. 5-Ende hat meistens ein G und Phosphat Basensequenz am 3-Ende ist immer CCA Anticodon ist in der Anticodonschleife

19 Kleeblatt-Model dreidimensional-gefaltete tRNA Anticodon Anticodon-Schleife Aminosäure-Arm

20 AA Anticodon AA tRNA-Moleküle haben in Wirklichkeit in ihrer 3-D Struktur die Form eines auf den Kopf gestellten L > CCA-Ende mit der Aminosäure-Bindestelle an einem Ende des L Anticodon am anderen Ende des L > alle tRNAs haben diese Struktur, wodurch die tRNA während der Proteinsynthese am Ribosom ihre Adapter-Rolle erfüllen kann als Ergebnis der Röntgen-Strukturanalyse von kristallisierter tRNA konnte 1975 die 3-D-Struktur der Phenylalanyl-tRNA von Hefe bestimmt werden

21 Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

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23 5 3-ACC 5 Anticodon für Asp G-A-T Codon für Asp mRNA Asp + tRNA Asp Asp-tRNA Asp Aminoacyl-tRNA- Synthetase ATP für jede Aminosäure gibt es eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase Anticodon für His 3-ACC C-A-T Codon für His Genauigkeit der Übersetzung des genetische Codes in Proteine hängt ab von der Präzision der Beladung der tRNAs mit der richtigen Aminosäure Aminoacyl-tRNA-Synthetasen erkennen gleichzeitig Aminosäure und dazugehörige tRNA Asp- His-

24 Aminosäure 5-Aminoacyladenylat (Aminoacyl-AMP) ATP PP i 1. Aktivierung der Aminosäure Aminoacyl-AMP Aminoacyl-tRNA 2. Übertragung der Amino- säure auf die tRNA (Klasse II-Synthetasen) 3 AA-RS Aminosäure + tRNA + ATP Aminoacyl-tRNA + AMP + 2P i G o = -29 kJ mol -1

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26 Anticodon ATP 3-Ende Aminoacyl- tRNA-Synthetase tRNA Kristallstruktur der Glutaminyl-tRNA-Synthetase mit gebundener Glutaminyl-tRNA für die Erkennung der richtigen tRNA durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase können verschiedene Strukturen inner- halb des tRNA-Moleküls beteiligt sein Erkennungsbereiche von tRNA-Molekülen, die für die Bindung an Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und Beladung der richtigen Aminosäure notwendig sind

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28 Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

29 Cystein Alanin Anticodon für Cystein Anticodon für Cystein Codon für Cystein mRNA +Ni(H) wird nachträglich die Aminosäure einer bereits beladenen tRNA chemisch umge- wandelt, wird bei der Proteinsynthese eine falsche Aminosäure ins Protein eingebaut d. h. auf der Stufe des Ribosoms kann eine falsch aminoacylierte tRNA nicht mehr ausgesiebt werden!!!! es gibt bei den Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ein Korrektur-Lesen, um das Einbauen falscher Aminosäuren zu verhindern

30 Die tRNA entziffert die mRNA über die Codon::Anticodon- Wechselwirkung mit Hilfe der Basenpaarung Paarung zwischen Codon::Anticodon bedeutet gegenseitige Ausrichtung der RNA-Moleküle in antiparalleler Weise (mRNA) (tRNA) (d.h. erste Base des Codons paart mit dritter Base des Anticodons etc.) bei typischer Watson::Crick-Paarung (A::U; G:::C) zwischen Codon und Anticodon müßte es 61 verschiedene tRNA-Spezies geben (4 3 = Stopcodons), welche für 20 Aminosäuren codieren !!! es gibt aber viel weniger tRNAs (ca. 40) !!! zahlreiche tRNAs können mit ihrem Anticodon mehr als ein Codon lesen = Wobble-Paarung (wobble = wackeln)

31 Die Wobbel-Hypothese Nichtstandard-Wobble Basenpaarungen Inosin Guanin Cytosin Adenin Uracil 3. Auf der Wobble-Position bilden sich häufig Nichtstandard-Watson-Crick-Paarungen aus 1. Die ersten beiden Basen des Codons in der mRNA bilden stets starke Watson-Crick-Paare aus und tragen daher am meisten zur Spezifität der Codierung bei 2. Die erste Base einiger Anticodons (= 3. Base im Codon= wobble Position) bestimmt die Anzahl der Codons, die von einer gegebenen tRNA gelesen werden können 4. Auf Grund der Wobbel-Hypothese können die 61 Codons, die für 20 Aminosäuren codieren, von weniger als 61 tRNAs gelesen werden

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33 Ribosom mRNA tRNA Anticodon


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