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Q1.1 Von der DNA zum Protein Aufbau der DNA   

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Erbinformationsträger (Speicherort für gen. Material) Makromolekül Bausteine: o Phosphorsäure (Phosphatrest) o Zucker Desoxyribose o organische Basen : Adenin + Thymin (verbunden mit 2 Wasserstoffbrücken); Guanin + Cytosin (verbunden mit 3 Wasserstoffbrücken) Nukleotid: Verbindung Phosphorsäure + Zucker + Base Nukleosid: Verbindung Zucker + Base Watson-Crick-Modell (Schema): Modell der DNA als Doppelhelix, Rückgrat aus Phosphat & Desoxyribose, Basen zeigen nach innen, Prinzip der komplementären Basenpaarung, antiparalleler Aufbau der beiden Stränge (5´ Ende gegenüber 3´Ende ) Chargaff-Regeln: 1) Die Basenzusammensetzung variiert zwischen unterschiedlichen Spezies. 2) Die Basenzusammensetzung in verschiedenen Geweben der gleichen Art ist identisch. 3) Die Basenzusammensetzung innerhalb einer bestimmten Spezies ist konstant und nicht von Alter, Ernährungszustand oder von Veränderungen der Umgebung abhängig. 4) Die Anzahl der Adeninreste entspricht immer der Anzahl der Thyminreste, und ebenso entspricht die Anzahl der Guaninreste derjenigen der Cytosinreste; daraus folgt, daß die Anzahl der Purinreste immer gleich der Anzahl der Pyrimidinreste ist. 5) Die Basenzusammensetzung der DNA verwandter Arten ist sehr ähnlich, während sich die Basenzusammensetzung phylogenetisch weit auseinander stehender Arten beträchtlich unterscheidet.

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Pyrimidinbasen: Thymin (bzw. Uracil), Guanin Purinbasen: Adenin, Cytosin Beispiel 1: Bei der Untersuchung einer DNA wurde erkannt, dass Adenin zu 17 Prozent vorliegt. Wie stark sind nun Cytosin, Guanin und Thymin vorhanden? Adenin mit 17 Prozent; Thymin mit 17 Prozent; Cytosin zu 33 Prozent; Guanin zu 33 Prozent; Macht in Summe 100 Prozent.

Replikation der DNA  

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1. Das Enzym Topoisomerase entwindet die DNA Doppelhelix. 2. Daraufhin spaltet die Helicase den nun entspiralisierten Doppelstrang der DNA zu zwei Einzelsträngen, indem sie die Wasserstoffbrückenbindungen der gegenüberliegenden Basenpaare unter ATP Verbrauch auflöst. 3. Die Primase synthetisiert an den 3' Enden sogenannte Primer, die für den Beginn der eigentlichen Replikation nötig sind und als Startpunkt dienen. 4. Am 3' Ende des Primers beginnt die DNA Polymerase mit der Synthese von komplementären Basen, wodurch ein neuer DNA Doppelstrang entsteht. Jedoch kann die DNA Polymerase nur von 5' nach 3' ablaufen. Das führt dazu, dass am antiparallelen Strang (3' nach 5') die Synthese in entgegengesetzter Richtung ablaufen muss. Und das funktioniert nur wenn immer wieder neue Primer gesetzt werden. Auf diese Weise entstehen zwischen dem Primern, einzelne synthetisierte Stücke der DNA, die sogenannten Okazaki-Fragmente. Man spricht auch von einer diskontinuierlichen Bildung des DNA Stranges. 5. RNase H entfernt nun die RNA Primer aus der DNA und eine weitere DNA Polymerase schließt die entstandenen Lücken mit komplementären Basen. 6. Zuletzt verknüpft das Enzym Ligase den diskontinuierlich-gebildeten Strang durch Esterbindungen.

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Im Ergebnis sind jetzt zwei identische DNA Stränge entstanden. Topoisomerase: Entwindet die Doppelhelix Helicase: Öffnet die Doppelhelix RNA Primase: Synthetisieren ein Stück RNA (Primer) DNA Polymerase: Fügt am 3' Ende komplementäre Nukleotide an RNase H: entfernt RNA Primer wieder aus der neu synthetisierten DNA DNA Ligase: Verknüpft die gebildeten Stränge durch Esterbindungen Das Meselson-Stahl-Experiment: (Versuch zum Nachweis der semikonservativen Replikation) Die konservative Replikation: Die ursprüngliche DNA bleibt in ihrer Form erhalten. Es werden zwei neue Einzelstränge synthetisiert, die zusammen einen Doppelstrang bilden. Die semikonservative Replikation: Zu jeweils einem Mutterstrang wird ein neuer Tochterstrang synthetisiert. Damit bleibt die DNA zur Hälfte erhalten und die andere Hälfte wird neu gebildet. Die disperse Replikation: Die Tochtermoleküle bestehen aus einer abwechselnden Mischung von alten und neu synthetisieren Strängen. Dafür gaben sie die Bakterien auf ein Nährmedium, dass das Stickstoffisotop 15N enthielt. So kam es zu einem Einbau des Isotops in die DNA der Bakterien. Nach einer Weile überführten sie die Bakterien auf ein Nährmedium mit dem Stickstoffisotop 14N. Die beiden Isotope unterscheiden sich nur im Hinblick auf ihre Masse und das machten sich Meselson und Stahl zu Nutze: Sie extrahierten die DNA der Nachfolgeneration und zentrifugierten das Erbgut. Das Ergebnis (eine Bande) lag genau zwischen den Dichtegradienten von 14N und 15N, was die konservative Replikation aussschloss. Denn sonst hätte das zentrifugierte Erbgut sich auf die Dichtegradienten 14N und 15N aufteilen müssen, weil die Parentalgeneration (P1) der Bakterien 15N eingebaut hatte und die erste Filialgeneration (F1) nur 14N hätte einbauen können. Damit kamen nur noch die semikonservative oder die disperse Replikation in Betracht. Der Versuch wurde um noch eine weitere Filialgeneration weitergeführt (F2). Doch dieses Mal bekam man zwei verschieden schwere Banden bestehend aus einer leichten 14N Bande und einer schwereren 14N+15N Bande. Disperse Replikation war damit ebenso ausgeschlossen, denn in diesem Fall hätte sich nur eine Bande bilden dürfen (durch den immer wieder gleichmäßigen Einbau von 14N und 15N). DNA-Endreplikationsproblem: Bei jeder Replikation geht ein kleiner Teil der Telomere verloren, jedoch wird das Telomer durch das Enzym Telomerase wieder verlängert (nicht replizierter Bereich wird durch Telomerase synthetisiert). Deshalb schützen die Telomere die DNA vor Verkürzung (& damit vor verlieren der gen. Info) bei der Replikation.

Ablauf und Ort der Proteinbiosynthese Transkription der DNA (1. Schritt der Proteinbiosynthese)   

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Umschreibung der DNA zur (prä-)mRNA Ort: Zellkern (Nucleus) Ziel: Transport der gen. Info von der DNA zu den Ribosomen; DNA befindet sich im Zellkern, dort können keine Proteine hergestellt werden deswegen muss der gen. Code aus dem Zellkern zu den Ribosomen (Ort der Proteinbiosynthese) transportiert werden, geschieht über (prä-)messenger-RNA (komplementäre Kopie eines Teilstücks der DNA) Ähnelt der Replikation, Unterschied: Transkription entsteht ein einsträngiger mRNA-Strang, der nur einen Teilabschnitt eines Gens betrifft (statt Thymin wird Uracil eingefügt). Die Replikation synthethisiert dagegen ein ganzes Genom und das gleich doppelt.

Struktur der mRNA

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1. Initiation: Doppelhelix wird durch Auflösung der Wasserstoffbrücke zwischen den Basenpaaren entschraubt, damit gen. Info abgelesen werden kann. RNA-Polymerasen binden an Promotermolekülen (spezifische Basensequenz), die sich auf den abzukopierenden Stellen des Genoms befinden. 2. Elongation: RNA-Polymerase bewegt sich in 3' zu 5' Richtung auf dem Matrizenstrang fort, synthetisiert dabei (durch Anlagerung freier Ribonukleotide) eine komplementäre RNA-Kette/Teilstrang. Umschreibung von DNA zu mRNA. 3. Termination: RNA-Polymerase trifft beim Ablesen der DNA auf eine Terminatorsequenz. Terminatoren stoppen die RNA-Polymerase, Ablösung der Polymerase & des (prä-)mRNA Teilstrangs von der DNA, (prä-)mRNA verlässt den Zellkern durch die Kernporen und gelangt ins Cytoplasma Bei Prokaryoten (Organismen ohne Zellkern, z.B. Bakterien): die mRNA wird sofort zu den Ribosomen transportiert. Translation beginnt sogar schon bevor die Transkription abgeschlossen ist. Dies ist möglich, weil mRNA und Ribosomen durch keine Zellmembran voneinander getrennt sind. Bei Eukaryoten (Organismen mit Zellkern, z.B. Menschen): Translation kann erst beginnen, wenn die mRNA aus dem Zellkern zu den Ribosomen gelangt ist. Bevor das jedoch passiert, erfolgt bei der unreifen mRNA (so wird sie unmittelbar nach Abschluss der Termination genannt) die Weiterverarbeitung (Processing Unterschied zur Replikation: RNA-Polymerase statt DNA-Polymerase Promotor & Terminator statt Primase & Primer Kleines Stück (zu transkribierender Bereich/ codogener Strang) wird abgelesen statt 2 komplette DNA-Stränge Übermittlung der DNA zu den Ribosomen statt Verdopplung der DNA RNA-Polymerase statt Helikase, Topoisomerase, Ligase, Okozaki-Fragmente AGCU statt AGCT RNA-Nucleotide statt DNA-Nucleotide Ribose statt Desoxyribose Im Zellzyklus termiert statt in der S-Phase

Translation der DNA    

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Übersetzung der RNA-Basensequenz in die Aminosäuresequenz eines Proteins Ort: Cytoplasma (an den Ribosomen; an ihnen werden Proteine hergestellt) Ziel: mRNA -> Protein mRNA-Strang: 3 Basen (Basentriplett/ Codon) codieren eine Aminosäure, Startcodon (AUG codiert Aminosäure Methionin), normalen Codons, Stopcodons (UGA, UAA oder UAG codieren keine AS, nur zuständig für Beendigung der Translation). t-RNA (tranfer-): transportiert die einzelnen AS zum Ribosom, verbindet diese zu Peptidketten tRNA besteht aus 2 Armen. 1. Arm: bindet an Aminosäure; 2. Arm: befindet sich das Anticodon, bindet an Basencodon der mRNA. Beispiel: Die tRNA für Methionin besitzt das Anticodon UAC; dieses passt nur auf das Basentriplet AUG in der mRNA. Damit codiert die Basenabfolge AUG in der mRNA die Aminosäure Methionin.

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Jede der Aminosäuren benötigt eine spezifische tRNA, um zum entsprechenden Codon auf der mRNA vermittelt zu werden. Denn jede tRNA ist immer nur für eine Aminosäure zuständig, entsprechend ihres Anticodons. 1. Initiation: 1)Anlagerung der kleinen ribosomalen Untereinheit an das 5´Ende der mRNA 2) Start-tRNA mit Met bindet mit ihrem Anticodon UAC an das Codon AUG 3) große ribosomale Untereinheit bindet an mRNA & bildet (zsm mit kleinen UE) Initiationskomplex (rRNA/ ribosomale…) 2. Elongation: 1) Start-tRNA wandert von der A- zur PStelle 2) neue tRNA mit passendem Anticodon besetzt die A-Stelle 3) enzymatische Verknüpfung der einzelnen AS zu einer Polypeptidkette (Kette von der P- zur A-Stelle) 4) entladene tRNA-Moleküle verlassen die rRNA über die E-Stelle 3. Termination: 1) wird ein Stopp-Codon (UAA; UGA; UAG) erreicht, wird die Synthese beendet 2) ein Releasefaktor lagert sich an die A-Stelle 3) rRNAKomplex dissoziiert wieder in seine ribosomalen UE & Polypeptidkette wird freigesetzt

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Genetischer Code: nicht überlappend: Tripletts werden hintereinander abgelesen; kommafrei: keine Leerstellen zwischen den Tripletts; redundant: mehrere Tripletts codieren für 1 Aminosäure; eindeutig: ein Triplett codiert 1 einzige AS; universell: 1 bestimmtes Codon wird immer in die gleiche AS übersetzt

Proteinbiosynthese bei Eukaryoten: Processing 

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1. Capping: (Noch während der Transkription) 5´CAP -Molekül wird an das 5´-Ende der prämRNA angehängt, Guaninkappe besteht aus modifizierten Nucleotiden, bedeutend für die Initiation der Translation, Schutz vor enzymatischer Verdauung der prä-mRNA + Stabilisation 2. Polyadenylierung (Tailing): Poly (A) – Schwanzes wird am neuentstandenen 3´Ende angehängt, Schwanz (besteht aus mehreren Adeninnukleotiden) erleichtert den Transport in das Zellplasma, verhindert (wahrscheinlich) enzymatischen Abbau + Stabilisation

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3. Spleißen – Splicing: Bei Eukaryonten: Abschnitte eines Gens, die nicht für ein Protein codieren(Introns/ nichtcodierender Abschnitt), werden durch mehrere chemischen Reaktionen entfernt: Spleißen: 1) snRNPs (kleine Ribonucleopartikel im Zellkern) binden als Spleißosom an die prä-mRNA -> das Intron bildet eine Schleife 2) Intron wird von snRNPs herausgeschnitten & Exons werden zusammengefügt („verklebt“) 3) die nun reife mRNA verlässt den Zellkern & kann im Cytoplasma translatiert werden alternative Spleißen: durch alternatives Spleißen kann ein transkribierter Abschnitt für mehrere unterschiedliche Proteine codieren (-> Vielfalt der Proteine), da aus der gleichen prä-mRNA verschiede Abschnitte herausgeschnitten & in unterschiedlicher Weise wieder zusammengefügt werden.

Bau & Vermehrung von DNA- & RNA-Viren

Nach dem Befall der Wirtszelle kann die Virenvermehrung auf 2 Wegen erfolgen: Lytischer Zyklus (da Wirtszelle zerstört oder lysiert wird): 1) Adsorptionsphase: Virus dockt (nach Schlüssel-Schloss-Prinzip) an Rezeptoren der bakteriellen Zellwand an 2) Injektionsphase: virale Erbinformation gelangt in die Zelle, Phagenhülle bleibt zurück 3) Latenzphase: virale Erbinfo übernimmt den Stoffwechsel der Wirtszelle, Phagenbausteine wie Hüllprotein, Phagen-DNA & Schwanzfäden werden aufgebaut 4) Reifungsphase: getrennt vorliegenden Phagenbestandteile lagern sich (in Selbstorganisation) zu fertigen Phagen zusammen 5) Freisetzungsphase: phagencodiertes Enzym (Lysozym) baut die Zellwand der Wirtszelle ab, Zelle platzt & gibt neue infektiöse Phagen frei Lysogener Zyklus: Virus integriert sich nach der Injektion in das Wirtschromosom -> existiert als Prophage weiter, Bakterienzellen können sich dann teilen & virale DNA wird mitrepliziert, durch ein bestimmtes Signal (Temperaturschock, Strahlung, Chemikalien) kann die DNA des Prophagen aus dem Wirtschromosom ausgeschnitten werden, Prophage wechselt dann in den lytischen Zyklus über. 

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Kein eigener Stoffwechsel Bakteriophagen= Viren, die Bakterien befallen Lytischer Zyklus: Vermehrung in der Wirtszelle über Adsorption, Injektion, Latenz, Reifung & Freisetzung neuer Viren Lysogener Zyklus: virale DNA wird als Prophage in das Wirtschromosom integriert & dort mit repliziert Rekombination (Neuanordnung von genetischem Material in den Zellen) zwischen Phagen durch Doppelinfektion einer Wirtszelle Transduktion: Rekombination zwischen Wirtszellen durch Phagen...