Das zentrale Dogma des Lebens DNA RNA Protein Das zentrale Dogma des Lebens

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

Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette (hydrophob)

Hydroxylierte Aminosäuren

Basische Aminosäuren (mit positiver Ladung)

Saure Aminosäuren (mit negativer Ladung ) und deren Derivate

Aromatische Aminosäuren (hydrophob)

Helix-brechende Aminosäure

Schwefelhaltige Aminosäuren

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 (42 = 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 (43 = 64)

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

Umsetzung des genetischen Codes in Proteine mRNA Tyr Ala Val Gly der nicht-überlappende Triplett-Code wurde durch Deletions- bzw. Insertionsmutationen nachgewiesen: Ser Ala Val Arg Insertion (i) die Addition bzw. Deletion einer bzw. zweier Basen verändert den Triplett-Code Pro Val Arg Glu Deletion (ii) die Addition bzw. Deletion von drei Basen verändert den Triplett-Code nicht Gly Val Ser His (iii) die gleichzeitige Addition und Deletion einer Base verändert den Triplett-Code nicht

Was legt den richtigen Raster fest? 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 ---3‘ Übersetzen der drei möglichen Triplett- Raster in Amino- Säuren ---Phe---Ser----Asp----Leu----Glu----Ile----His----Ser--- ---Ser---Arg----Thr----Trp----Arg----Phe----Thr------- ---Leu---Gly----Pro----Gly----Asp----Ser----Gln-------- 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

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

Das Wörterbuch der Aminosäurecode-Wörter und ihre entsprechenden Codons auf der mRNA (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

Die tRNA - Vermittler zwischen der 4-Buchstabensprache der DNA/RNA und der 20-Buchstabensprache der Proteine Aminosäure 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 Bindebereich fürAminosäure Adapter (tRNA) Wie können tRNA-Moleküle diese Doppelrolle erfüllen? >> liegt in der Struktur der tRNA begründet!!! mRNA für eine Aminosäure codierendes Nukleotid-Triplett ACU = Codon

Basensequenz der Alanyl-tRNA mI Basensequenz der Alanyl-tRNA UH2 3‘-OH Aminosäure- Bindestelle Y (Ribose an C-5) 5‘-P UH2 mG Seltene Basen mG UH2 m2G m2G UH2 Y mI Anticodon

Allgemeiner Bauplan von tRNAs 3‘-OH Aminosäure- Arm tRNAs sind relativ klein und haben eine Länge von 73 - 93 Nukleotid-Bausteinen 5‘-P G einzelsträngige und doppelsträngige Abschnitte (50%ige Paarung) > typische L-Struktur und Schleifen DHU-Schleife TYC-Schleife tRNAs enthalten viele (7-15%) seltene Basen wie Pseudouridin, Inosin, Dihydrouridin, Methyl- und Dimethyl-Guanosin etc. Extra-Arm variabel 5‘-Ende hat meistens ein G und Phosphat Anticodon- Schleife Basensequenz am 3‘-Ende ist immer CCA 3. 1. 2. wobble-Position Anticodon ist in der Anticodonschleife

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

Phenylalanyl-tRNA von Hefe bestimmt werden tRNA-Moleküle haben in Wirklichkeit in ihrer 3-D Struktur die Form eines auf den Kopf gestellten “L“ als Ergebnis der Röntgen-Strukturanalyse von kristallisierter tRNA konnte 1975 die 3-D-Struktur der Phenylalanyl-tRNA von Hefe bestimmt werden AA Anticodon AA > 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

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

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

2. Übertragung der Amino- (Klasse II-Synthetasen) Der 2-Schritt-Mechanismus der biochemischen Reaktion bei der Aminoacylierung der tRNA Aminoacyl-AMP Aminoacyl-tRNA 2. Übertragung der Amino- säure auf die tRNA (Klasse II-Synthetasen) 3‘ Aminosäure 5‘-Aminoacyladenylat (Aminoacyl-AMP) ATP PPi 1. Aktivierung der Aminosäure Aminosäure + tRNA + ATP Aminoacyl-tRNA + AMP + 2Pi DGo‘ = -29 kJ mol-1 AA-RS

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 tRNA 3‘-Ende Erkennungsbereiche von tRNA-Molekülen, die für die Bindung an Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und Beladung der richtigen Aminosäure notwendig sind ATP Anticodon Aminoacyl- tRNA-Synthetase

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

es gibt bei den Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ein Korrektur-Lesen, um das Cystein Alanin +Ni(H) Anticodon für Cystein Anticodon für Cystein mRNA Codon für Cystein 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

mehr als ein Codon lesen 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 5‘-------3‘ (mRNA) 3‘-------5‘ (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 (43 = 64 - 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)

Die Wobbel-Hypothese Nichtstandard-Wobble Basenpaarungen Inosin Guanin Cytosin Adenin Uracil 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 3. Auf der Wobble-Position bilden sich häufig Nichtstandard-Watson-Crick-Paarungen aus 4. Auf Grund der Wobbel-Hypothese können die 61 Codons, die für 20 Aminosäuren codieren, von weniger als 61 tRNAs gelesen werden

Anticodon tRNA mRNA Ribosom