5 DNA - Zusammenfassung Molekularbiologie der Zelle PDF

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DNA (deoxyribonucleic acid, Desoxyribonucleinsäure) • • • • •

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Träger der Erbinformation einer Zelle aus 2 langen Polynukleotidketten Gen. Information wird als Abfolge der Basen codiert DNA-Ketten setzen sich aus 4 verschiedenen Nukleotiduntereinheiten zusammen Sie werden über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Basen der Nukleotide zusammengehalten DNA ist eine Doppelhelix: Zwei gegenläufige, komplementäre Nucleinsäurestränge winden sich schraubenförmig umeinander Hydrophober Effekt: Das negativ geladene Zucker-PhosphatRückgrat: Außenseite, Innen: Basen der Helix Stabilisierung: WSBB + "Basenstapel": Die Basenpaare stapeln sich übereinander und ziehen sich durch Van-der-Waals-Kräfte Gene enthalten Baupläne für Proteine Menschliche Zellen enthält 2 m DNA Zellkern jedoch Durchmesser von 5 bis 8 µm Verbot der 3´-5´Syntheserichtung → Leserichtung: 5´(OH) -3´ Antiparallelität der DNA-Stränge Kleine Grube, große Grube: Windungen durch Basenabfolge Sie entstehen, weil sich die glykosidischen Bindungen zwischen der Base und dem Zuckerrest in einem Basenpaar versetzt sind. Sie bilden einen Winkel von 120° bzw. 240° statt jeweils 180° 10 Basen pro Helixwindung Chromosomen enthalten lange Ketten von Genen Chromatin: Komplex aus DNA und spez. Proteinen (Histone) RNA-Moleküle (ribonucleic acid, Ribonucleinsäure) dagegen enthalten nur einen Teil der Information und können ganz unterschiedliche Aufgaben in der Zelle übernehmen

Aufbau: • • •

Nukleotid: Base+Zucker+Phosphat Nucleosid: Base+Zucker Rückgrat der Helix: Zucker-Phosphat- Zucker-Phosphat- ZuckerPhosphat

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(Zucker aus 5 Kohlenstoffatomen, Zuckerreste sind über Phosphodiesterbrücken verknüpft Phosphodiesterbindungen sind negativ geladen); OH am C3'-Atom im Zuckeranteil ist mit Phosphatgruppe verestert, die wiederum mit OH- am C5'-Atom des Zuckeranteils des nächsten Nucleotids verestert

Komplementäre Basenpaarung: • Basen: A=T, G≡C o Zweiringbase (Purin => A und G) mit Einzelringbase (Pyrimidin => T und C) → energetisch günstige Anordnung im Inneren der Doppelhelix ▪ Dadurch regelmäßige Anordnung und gleicher Abstand zueinander 1

Die zwei Basen eines Paares passen in der Doppelhelix zueinander, weil sie entgegengesetzte Orientierung haben → antiparallele Zucker-Phosphat-Gerüst ▪ Wichtig für Replikation und Reparatur der DNA Faustregel: G≡C hat 3 WSB o WSB-Ausbildung aufgrund der Affinität der Atome zum Edelgas-Zustand (H zu O2, N zu H) o Pro Bindung muss 1 ° C angewendet werden, um die Bildung zu lösen G≡C hat 3 WSB → 3°, da WSB (stärkere Bindung); A=T: 2° C ▪

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Chromoso Chromosomen men •

linearer DNA-Doppelstrang, enthält codierende und nicht-codierende Abschnitte

• Das menschliche Genom umfasst 3,2×109 Basenpaare • Chromosomensatz des Menschen: 23 Paare homologer (gleichartiger) Chromosomen Einteilung: • Diploid („doppelter“ Chromosomensatz): Menschliche somatische Zellen enthalten 46 Chromosomen - d.h. 46 DNA-Moleküle - unterschiedlicher Länge, die 23 Paare homologer Chromosomen bilden. Eines der homologen Chromosomen stammt von einem Elternteil, das andere vom anderen Elternteil •

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Haploid („einfacher“ Chromosomensatz): Nach der Meiose enthalten die Keimzellen nur 23 Chromosomen (keine Chromosomenpaare!), also einen haploiden Chromosomensatz mit nur einer Kopie jedes Chromosoms 22 Autosomenpaare, bestehend aus zwei homologen Chromosomen; 1 Gonosomenpaar, bestehend ) ( aus zwei X-Chromosomen ( ) oder einem X- und einem Y-Chromosom Pseudoautosomale Regionen (PAR): Auf X- und Y-Chromosom gleichermaßen zu findende DNAAbschnitte, wobei sich PAR1 auf dem kurzen Arm und PAR2 auf dem langen Arm der Gonosomen befindet Je nachdem, in welcher Phase des Zellzyklus sich eine Zelle befindet, besteht ein Chromosom aus einem oder zwei Chromatiden Schwesterchromatide: Zwei identische DNA-Moleküle mit zugehörigen Verpackungsproteinen, die durch die DNA-Replikation entstanden und über das Zentromer verbunden sind Homologie: maternale und paternale Chromosomen eines Paares Nicht-homologe Chromosomen: Geschlechts-Chromosomen (X, Y) Veränderungen in der Anzahl oder Struktur der Chromosomen führen zu verschiedenen Krankheitsbildern, z.B. Entwicklungsstörungen

Kennzeiche Kennzeichen n von Chromos Chromosomen omen (Chro (Chromosomenmorph mosomenmorph mosomenmorphologie) ologie) Kinetochor: Proteinkomplex an den Chromosomen, der als Ansatzpunkt für die Mikrotubuli in der Mitose dient Zentromer: Verbindungsstelle der Schwesterchromatiden o o

Unterteilt die Chromatiden in einen kurzen p-Arm und einen langen q-Arm Je nach Lage des Zentromers unterteilt man Chromosome in ▪ Submetazentrisch: Zentromer liegt nicht genau in der Mitte, d.h. kurzer p-Arm und langer q-Arm sind deutlich sichtbar ▪ Metazentrisch: Zentromer ungefähr in der Mitte, d.h. p- und q-Arm sind etwa gleich lang 2

Akrozentrisch: Zentromer verbindet jeweils fast eines der Enden der beiden Schwesterchromatiden ▪ Die akrozentrischen Autosomen (Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22) enthalten an ihren kurzen Enden die Gene für die großen ribosomalen RNAs, die sich in den sog. NucleolusOrganisator-Regionen (NOR) anordnen Am Zentromer werden die Kinetochoren zusammengebaut (deshalb wird das Zentromer auch oft als Ansatzpunkt der Spindel bezeichnet) ▪

o

Telomer: Repetitive, nicht-codierende DNA-Sequenzen an den Enden der Chromosomen •

Chromosomen werden unterschieden nach ihrer Länge, der Lage des Zentromers und nach ihrem Bandenmuster

Chromoso Chromosomenveränderung menveränderung iin n versch. Zellzykluss Zellzyklusstadien: tadien: •

Interphase: o Chromosome liegen als lange dünne und ungeordenete DNA-Fäden vor o Replikation der Chromosomen und DNA o Bildung der Telomere an den Enden der Chromosomen o Telomere: DNA-Sequenzwiederholungen, die sicher stellen, dass auch die Enden der Chromosomen repliziert werden + dienen als Schutz, damit dies nicht als beschädigte DNA erkannt wird Nucleolus: o kleines Körperchen im Zellkern eukaryotischer Zellen o aus DNA, RNA und Protein und ist nicht von einer Membran umgeben o Position: in Nachbarschaft einer sog. nucleolusorganisierenden Region (NOR) eines bestimmten Chromosoms o Hierbei handelt es sich um sekundäre Einschnürungen an akrozentrischen Chromosomen o Auf den NOR befinden sich die Gene der rDNA, welche Bestandteile der Ribosomen sind → Ribosomen-Fabriken der Zelle o Beinhaltet Chromosomen mit den Genen für die ribosomale RNA o Synthese der ribosomalen RNA und mit den Proteinen zu den Ribosomen zusammengebaut, den Maschinen für die Proteinsynthese

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M-Phase: o DNA wickelt sich mehr auf und nimmt kompakterer Struktur an → Entstehung hoch kondensierte Mitosechromosomen o Chromosomen werden sichtbar (Lichtmikroskopie) o Duplizierten Chromosomen können getrennt werden o Centromer: DNA-Sequenz die für die Verteilung der duplizierten Chromosomen auf die Tochterzelle zuständig ist

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Verpackung iin n Chromosomen Menschliche Zellen hat 2 m DNA Zellkern jedoch Durchmesser von 5 bis 8 µm → Verpackung in Chromosomen durch spez. Proteine, die an die DNA binden und sie in eine Folge von Windungen und Schleifen falten, die ein stufenweise eine immer höhere Organisation ergeben und verhindern, dass die DNA ein unauflösbares Knäuel bildet • Chromatin: ist das Material, aus dem die Chromosomen bestehen o Chromatin besteht aus der DNA, die um die Histone gewickelt ist, und aus chromosomalen Nichthiston-Proteinen Histonproteine: o Gruppe von Proteinen, die im Zellkern von Eukaryonten die DNA binden → Bilden den Nucleosomenkern, um den die DNA immer abschnittsweise herumgewunden ist Nucleosom (Nucleosomen-Core-Partikel) o Komplex aus DNA (ca. 150bp) und Histon-octamer (Perlenkette) o Jede Perle ist ein Nukleosomen-Kernpartikel (core partikel) aus DNA und Histon o Jedes Nukleosomen-Kernpartikel wird durch Linker-DNA getrennt o Die Nucleosomen werden mit Hilfe der Nichthiston-Proteine dichter gepackt und verkürzen DNA um 1/3 o Nucleosomen-Aufbau: Komplex aus 8 Histon-Proteinen (je 2 Moleküler der Histone und DNA, die ca. 147 Basen lang ist und sich um das Histonoktamer windet) o Die 4 Histone haben viele positiv geladene AS (Lys, Arg) → bilden mit negativ geladenen ZuckerPhosphat-DNA-Gerüst feste Bindung o Histone haben einen N-terminalen AS-Schwanz: Locus der Modifikation der Chromatinstruktur o Chromatin = Desoxyribonucleoprotein-Komplex = Chromatinfäden: Produkt von eukaryotischen DNA mit unter. DNA-Bindeproteinen o Durch die Komplexbildung werden die langen chromosomalen DNA-Stränge in ihrer Länge um das rund 10.000- bis 50.000-fache verkürzt (kondensiert), so dass sie in den Zellkern passen o Linker-Histon = Histon H1: Verpackung der Nukleosomen-Kernpartikel + Verändern die DNARichtung, wenn es aus dem Nukleosomenkern austritt o Trotz der dichten Packung der DNA liegen die Chromosomen weiterhin in einer Form vor, die regulatorischen Proteinen Zugang zur DNA erlaubt, so dass die Biosynthese von RNA und Proteinen aus den genetischen Informationen (Genexpression) bzw. die Duplikation der chromosomalen DNA (Replikation) möglich ist o Es ist im Lichtmikroskop nur in der Metaphase der Mitose gut sichtbar, da es dann am dichtesten gepackt ist

• •

Verpackung im Zellkern: o o

DNA-Doppelhelix ist 2 nm breit Histion-Protein (4 ½ für Core-Histon) bilden eine Einheit mit der DNA 4

Dadurch werden 146 Basen pro Histon gewunden + die Histonproteine kumulieren selbst und machen eine 30 nm Chromatin-Fibrille

Regulation der Chromosomenstr Chromosomenstruktur uktur •

Änderung in der Nukleosomenstruktur ermöglicht einen Zugang zu der DNA: o Chromatin-Umformungskomplex: Proteinkomplexe verändern die Position der DNA (die um die Nukleosomen gewickelt ist) durch ATP-Hydrolyse ▪ Sie schieben die DNA voran → Auflockerung und Zugang o Chromatin-Veränderung durch chem. Modifikation der Histone ▪ Modifikation der Histon-Schwänze ▪ Einfluss auf die Stabilität, Verpackung und Fähigkeit an best. Proteine zu binden und so in best. Chromatinbereiche zu ziehen ▪ Dadurch: entweder Kondensierung oder Lockerung des Chromatins → Zugang zu DNA

2 Typen von Chromatin: •

Heterochromatin: o Dicht gepackt, enthält hauptsächlich inaktiver DNA (keine Transkription) o übt strukturelle Funktionen in den verschiedenen Kondensationsstufen aus o In der Interphase liegt es hoch kondensiert vor o Bildung erfolgt durch Histonschwanz-Modifikationen (Methylierung) o Dies lockt Heterochromatin-spez. Proteine an → Modifikation o Konstitutives Heterochromatin: ▪ Vor allem aus nicht-kodierenden, repetitiven DNA-Sequenzen bestehendes Heterochromatin, das auch in Interphase-Zellkernen kondensiert vorliegt und insbesondere in der Nähe von Telomer und Zentromer vorkommt o Fakultatives Heterochromatin: ▪ Kodierende, d.h. Gene enthaltende DNA-Sequenzen, die fakultativ, d.h. optional, als Heterochromatin vorliegen können, aber auch entpackt als Euchromatin. o o

Der größte Teil der DNA, der zu Heterochromatin gefaltet wird, enthält keine Gene Gene, die aus Versehen in diesen Bereich gekommen sind (Deletion benachbarter Bereiche) können nicht exprimiert werden, da es zu dicht gepackt ist → Krankheiten

Bsp.: o Anämie: unkorrekte Packung von -genen: β-Globin codiert neben kondensiertes Chromatin. Wenn sich der Heterochromatin aufgrund einer DNA-Deletion ausdehnt, wird das β-Globin unzureichend exprimiert o Stilllegung von Genen: Interphase-X-Chromosom: bei Frauen 2 X- Chromosom → ein XChromosom wird stillgelegt, da sonst evt. Tödlich ▪ Nach Zufallsprinzip wird ein der X-Chr. zu Heterochromatin kondensiert und inaktiviert → Weitergabe an die Nachkommen dieser Zellen •

Euchromatin: o DNA aktiv, d. h., zu Proteinen exprimiert werden kann o liegt im aufgelockertem Zustand o Bildung erfolgt durch Histonschwanz-Modifikationen, die Nicht-Histon-Proteine anziehen 5

o

Die euchromatischen Abschnitte des Chromosoms weisen keine Unterschiede in ihrer Struktur auf, gleichgültig, in welchem Kondensationsgrad sich ein Chromosom befindet

Veränderung Veränderungen en der Chromat Chromatinstruktur instruktur können vere vererbt rbt werden •

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Am Anfang hat jede Tochterzelle gemischten Satz aus 2 Arten Nukleosomen: 1. modifizierten Histone elterlicher Chromosomen 2. neu synthetisierte Histone ohne Modifikation Proteine, die die modifizerten Histone erkennen, können an die elterlichen Histone binden und die gleiche Art von Modifikation am nahegelegenen unveränderten Histon vornehmen → Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands (Eltern) Örtliche festgelegte Chromatinstruktur-Vererbung: So können sich Zellen erinnern, ob best. Gene in elterlichen Zellen aktiv waren Vererbung von nicht DNA-Sequenzen, sondern Weitergabe spez. Modifizierter Histonproteine Epigenetischer Vererbung die die gen. Vererbung überlagert

Zusatz Chromosom: Verpackung und Transporteinheiten der DNA • Chromosomen enthalten normale DNA, und auch junk DNA (Müll-DNA), die eingestreute DNA, die scheinbar keine notwendige Information trägt → könnte jedoch als Abstandhalter fungieren, die eine bedeutende Funktion in der Evolution der Genome und für die korrekte Aktivität der Gene hat • Hat außerdem Regulationselemente, viele Wiederholungen → neue gen. Kombinationen • Ein Vergleich der Genome versch. Arten hat ergeben, dass diese junk DNA konserviert ist → deutet auf deren Wichtigkeit

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DNA DNA-K -K -Konformation onformation DNA kann verschiedene Strukturformen annehmen. Sie liegt in vivo hauptsächlich in der B-Konformation vor (B-DNA Eigenschaften der B-DNA • Rechtsgängige Doppelhelix • 10 Basenpaare pro Helixwindung auf einer Länge von 3,4nm • Helixdurchmesser: 2nm • Basen stehen in etwa senkrecht zur Achse der Helix Eigenschaften der A-DNA • Wie B-DNA rechtsgängige Doppelhelix, allerdings breiter und kürzer als B-DNA • Basenpaare stehen nicht senkrecht auf der Helixachse, sondern sind der Achse gegenüber etwas geneigt • Dehydratisierte Form, d.h. DNA kann experimentell so vorliegen, aber nicht in vivo; allerdings nehmen manche RNAs und DNA-RNA-Hybride diese Konformation an Eigenschaften der Z-DNA • Linksgängige Doppelhelix • Länger gestreckt als B-DNA und dadurch geringerer Durchmesser • In GC-reichen Sequenzen vorkommend, insgesamt aber unter physiologischen Bedingungen selten • Phosphatgruppen des DNA-Rückgrats bilden hier eine Zickzacklinie Die DNA liegt in der Zelle hauptsächlich als B-DNA vor und ist damit eine rechtsgängige Doppelhelix! Supercoils • Definition: Verdrillte Doppelhelix, sog. Superhelix • Vorkommen: Insbesondere bei ringförmigen DNA-Molekülen • Bei Prokaryonten: Bakterienchromosom, Plasmide • Bei Eukaryonten • Mitochondriale DNA (ringförmig) • "Unflexible" Abschnitte der linearen, chromosomalen DNA • Eigenschaften: Superspiralisierte, also in Form von Supercoils vorliegende DNA-Moleküle haben eine viel kompaktere Struktur als entspanntere Formen des gleichen Moleküls. ➔ Die DNA ist in ihrer Längsrichtung sehr flexibel. Durch die Bindung von Proteinen kann die Konformation der DNA beeinflusst werden. Aber auch die Abfolge der Basen hat Auswirkungen auf ihre lokale Struktur. Palindrom • •

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Zeichensequenz, die von vorn und hinten gelesen die gleiche Zeichenreihenfolge enthält, z.B. Otto. Molekularbiologisch: inverted repeats (umgekehrte Sequenzwiederholungen) Auf den beiden komplementären Strängen eines DNA-Doppelstrangs kommen bei palindromischen Sequenzen mit gleichen Basenabfolgen ( o immer in 5'→3'-Richtung o Dazwischen können Basen liegen, die nicht übereinstimmen o Diese Abschnitte sind mit sich selbst komplementär und können Haarnadelstrukturen ausbilden → Bei doppelsträngiger DNA führt das zur Ausbildung von kreuz-förmigen Strukturen Funktion: Manche Proteine, die DNA binden können, brauchen palindromische Sequenzen als Erkennungssequenz, z.B. Steroidhormonrezeptoren oder Restriktionsenzyme

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Funktion de derr Nucleotide u und nd ihrer Derivat Derivate e Nucleotide und Nucleotidderivate haben im Körper wichtige Funktionen. •

Bausteine der Nucleinsäuren: Die Nucleosidtriphosphate dATP, dGTP, dCTP und dTTP (in DNA) bzw. ATP, GTP, CTP und UTP (in RNA) sind die aktivierten Vorstufen für die Synthese von DNA und RNA.

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Energieträger: Insbesondere als universelle Energiewährung der Zelle in Form von ATP, aber auch GTP

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Signalmoleküle: Vor allem die second Messenger cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) und cGMP (zyklisches Guanosinmonophosphat) , beides Phosphorsäurediester

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Aktivatoren zur Übertragung von Gruppen: Nucleotide sind durch die Möglichkeit zur Bildung von energiereichen Bindungen in der Lage, in Biosynthesen ein Molekül auf ein anderes zu übertragen, z.B.: •

UDP-Glucose ist eine aktivierte Form der Glucose in der Glycogenbiosynthese.

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Aus der Nahrung stammendes Cholin kann mittels CTP zu CDP-Cholin aktiviert und so in der Synthese von Phosphatidylcholin eingesetzt werden.

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3'-Phosphoadenosin-5'-Phosphosulfat (PAPS) dient in der Biosynthese von Sulfatiden als Sulfatgruppendonator.

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S-Adenosylmethionin (SAM) wird aus Methionin gebildet und dient als Cofaktor bei Methylierungsreaktionen .

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Regulatoren: Von enzymatischen Reaktionen in Signaltransduktionswegen (z.B. aktiviert GTP GProteine)

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Carriermoleküle: Z.B. die Elektronencarrier Nicotinamid-Adenindinucleotid (NAD+) und FlavinAdenindinucleotid (FAD) als Bestandteil von Coenzymen bei Redoxreaktionen

Der Energieträger ATP enthält Ribose und nicht Desoxyribose als Zucker, besitzt also eine 2'OH-Gruppe!

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Vergleich vvon on DNA und RNA DNA

RNA

Basen

• •

Thymin, Cytosin , Adenin, Guanin Modifikation v.a. zu 5-Methylcytosin

• •

Uracil, Cytosin, Adenin, Guanin Viele ungewöhnliche bzw. modifizierte Basen möglich

Zucker

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Desoxyribose

•

Ribose

Länge

• •

In Abhängigkeit vom Organismus Von mehreren 1000 bis zu mehreren Millionen Nucleotiden

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Sehr unterschiedlich

Struktur

• • • •

Doppelsträngige Helix • Basenpaarung (Watson-Crick-Basenpaare) • Superhelices Assoziation mit Proteinen zur dichteren Verpackung im Zellkern

Sehr variabel! Abhängig vom RNA-Typ, aber sehr häufig einzelsträngig Verschiedene dreidimensionale Strukturen möglich, z.B. Loops durch Ausbildung von kurzen Abschnitten mit Basenpaarung (doppelsträngig)

Genom (enthält Erbinformation)

Sehr unterschiedlich, z.B. codierende, regulatorische oder enzymatischeFunktion Abhängig von der Klasse (s. Tabelle Klassifizierung der RNA)

Funktion •

• •

➢ Für die Synthese von DNA und RNA werden Nucleosidtriphosphate miteinander verbunden! ➢ Die Bausteine der DNA sind dATP, dGTP, dCTP und dTTP, die der RNA sind ATP, GTP, CTP und UTP!

RNA • • • • •

Liegt als Einzelstrang (Primärstruktur) vor enthält Ribose als Zucker und Uracil als Base wesentlich kürzer als DNA-Moleküle übernehmen sehr verschiedene Funktionen, u.a. in der Proteinbiosynthese, als strukturgebende Elemente oder als Enzym (Ribozym) RNAs lassen sich in verschiedene Klassen einteilen, die sich in ihrer Länge, Struktur und Funktion unterscheiden. In Abhängigkeit von der Klasse liegen die RNA-Moleküle einzelsträngig oder abschnittsweise doppelsträngig vor

RNA-Inte RNA-Interferenz rferenz (RNAi) Definition: Gezieltes Ausschalten von spezifischen Ziel-RNAs (meist mRNAs) durch kurze, einzelsträngige RNAs, die an die Ziel-RNAs über Basenpaarung binden Regulatorische RNA-Moleküle: u.a. m...