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Nucleinsäuren - vom Gen zum Protein

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by

idrisou bin Nassoura

on 10 May 2016

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Transcript of Nucleinsäuren - vom Gen zum Protein

sind Makromoleküle
bestehen aus vielen ( < meistens 100.000) gleichen/ unterschiedlichen Bausteinen
relativ große Molekülmasse ( > 1000 u)
Besonderheit:
Änderung durch Hinzufügen/ Wegnahme einiger weniger Atome oder Atomgruppen:
keine Auswirkung auf die Eigenschaft des Makromoleküls aufgrund der Größe




















Nucleinsäuren -
Vom Gen zum Protein

Bildspeicher
Die Struktur der DNA
DNA-Moleküle bestehen aus zwei gegenläufigen Strängen
Es ist schraubenförmig zu einer Doppelhelix verdreht
Nucleotide sind wie Sprossen einer Leiter angeordnet


kann aus 3*10^9 (3 Mrd.) Paaren von Nucleotiden aufgebaut sein

1953: vollständige Strukturaufklärung der
DNA und Entwicklung des Doppelhelixmodells
James Watson, Francis Crick & Rosalind Franklin
Proteine
Gene
biologische Makromoleküle
aus Aminosäuren aufgebaut
verschiedene Proteine


erfüllen Vielzahl von Funktionen in allen Lebewesen
(Elemente Chemie Kursstufe S.158)
Quelle: http://www.code-knacker.de/images/zelle_mensch.jpg
bekanntester Vertreter der Nucleinsäuren
auch Signalüberträger oder Katalysator biochemischer Reaktionen









Träger von genetischer Information in menschlicher Zelle
Erbanlage für ein bestimmtes Merkmal
beschreibt einen Abschnitt auf der DNS
neben Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten die vierte große Gruppe der Biomoleküle
Natürliche Nucleinsäuren
RNS, DNS
Synthetische Nucleinsäuren
PNA
CeNA

Nucleinsäuren
beihaltet ein spezielles
Zuckermolekül
und eine von
vier spezifischen Basen

Aufbau der DNS
Die Desoxyribonucleinsäure
Gene:
Quelle: http://www.genetica4kids.nl/Gen4kids-joomla/images/artikelen/DNA-Gen.jpg
Gen
Proteine
Merkmal
Baupläne
Beispiel:
Melanin
Proteine
Gene
codieren
stellen her
bestehen alle aus
Nucleotiden
bilden chemischen Grundbausteine
bestehen aus einem
Nukleosid
und mindestens einer Phosphatgruppe an der 5'-Hydroxylgruppe der Pentose
Ausschnitt aus der DNS
Nukleotid:
Phosphorsäure
Nukleosid
Pentose & Base
Bauelemente der DNS
Nucleobasenmoleküle
Die einzelnen Bestandteile
des Nukleotids
Esterbindung
glycosidische Bindung
Quelle: http://img.tfd.com/ggse/70/gsed_0001_0018_0_img4806.png
Quelle: http://img.tfd.com/ggse/f1/gsed_0001_0018_0_img4807.png
Quelle: http://img.tfd.com/ggse/b7/gsed_0001_0018_0_img4809.png
Quelle: http://img.tfd.com/ggse/d9/gsed_0001_0018_0_img4808.png
bei Eukaryoten
Phosphorsäurediester
Esterbindung mit 3' C-Atom
Esterbindung mit 5' C-Atom
Verknüpfungen der Nucleide (Phosphoreinheiten)
Phosphat-
desoxyribose
Rückrat
Die Bindungen der Basen
Adenin - Thymin
Thymin - Adenin
Guanin - Cytosin
Cytosin - Guanin
By DNA_chemical_structure.svg: Madeleine Price Ball, User:Madprime derivative work: Matt (DNA_chemical_structure.svg) [CC BY-SA 2.5-2.0-1.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5-2.0-1.0), GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons
Aufgrund des Molekülbaus:
nur bestimmte Basenpaarungen möglich
leicht positives H-Atom
leicht negatives Akzeptoratom
G-C Paar bildet drei H-Brücken aus
die Bindung ist etwas stärker als zwischen A-T

H-Brücken relativ schwach
Einzelstränge bleiben trotzdem zusammen, da es sehr viele H-Brücken gibt
1
2
3
4
5
5
3
3' 5':
Orientierung der Nucleotide am DNA-Strang
3'
5'
5'
3'
2 gegenläufig orientierte Stränge
Quelle: http://cdn4.spiegel.de/images/image-23703-panoV9-byse-23703.jpg
Quelle: http://ecx.images-amazon.com/images/I/41XdghUhnlL.jpg
Quellen:
Proteinbiosynthese
Aminosäuresequenz der Proteine codiert in:
Basenabfolge
der DNA
An der Informationsübertragung (von Gen zum Protein) ist die
RNA
beteiligt

Gen:
Der Abschnitt auf der DNA, der die vollständige Information zur Ausbildung eines Polypeptids enthält










Polypeptid mit > 100 AS = Protein
Informationen aus den Genen werden realisiert durch Stoffwechselreaktionen
mithilfe von Enzymen
Bildung der Proteine


RNA-Polymerasen binden sich an Promotermoleküle
elektrostatische Wechselwirkungen
Interaktionen des Enzyms mit Wasserstoffdonatoren
und -akzeptoren der DNA

zur DNA komplementärer mRNA-Strang
wird durch Anlagerung freier Ribonukleotide synthetisiert




Elongation
Transkription
Translation
Transkription und m-RNS
Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transkription_Translation_01.jpg?uselang=de#/media/File:Transkription_Translation_01.jpg
(National Human Genome Research Institute) [edited]
Proteinbiosynthese findet
außerhalb des Zellkerns
an Ribosomen im Zellplasma statt
1. Initation: Entspiralisierung in einem Teilbereich
Zerlegung in beide Teilstränge
Auflösen der Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren
2. Elongation:
Bildung des mRNA-Moleküls durch Enzym:
RNA-Polymerase
RNA
Saurer Charakter des DNS-Moleküls
OH-Gruppe der Phosphorsäure protolysiert bei pH 7 fast vollständig

Protolytische Reaktion:
Übertragung eines H - Ions zwischen zwei Reaktionspartnern
(H)
+
Nucleinsäuren reagieren stark sauer
liegen als Anionen vor
Funktionsweise
Quelle: http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/bilder/gen01-p.jpg
Promoter:
kurzer DNA-Abschnitt am 5' Ende
gekennzeichnet durch bestimmte Basenabfolge (= Sequenzmotiv)
v.a. T + A bzw. "TATATT"
Operator:
nach Schlüssel-Schloss-Prinzip:
Andockung eines spezifischen Repressor-Protein


Weg für RNA-Polymerase blockiert Transkription nicht möglich
falls Gene nicht benötigt werden
Strukturgene:
"richtige" Gene
für Proteine verantwortlich
Terminator:
Markierung für Ende des Transkriptionsabschnittes
spezifische Basenabfolge
Quelle: http://www.biologie-schule.de/img/mrna.gif
3. Termination:
RNA-Polymerase trifft beim Ablesen der DNA auf Terminatorsequenz

Ablösung des mRNA-Teilstrangs von DNA
Bevor die Translation beginnen kann ...
mRNS muss aus dem Zellkern zu den Ribosomen

Davor:
unreife RNS muss gesplissen werden (splice = verbinden)
unreife RNS: besteht aus Exons & Introns
nur Exons enthalten wichtige Genabschnitte

Introns werden entfernt und Exons verbunden
Zusätzlich:
am 5' Ende: "Guaninkappe"

am 3' Ende: "Poly-Adenin-Schwanz"
u.a. schnellerer Übergang vom Zellkern ins Zellplasma
(Forschung)
Posttranskriptionale (enzymatische) Modifikation
Quelle: National Human Genome Research Institute
Für Webpage siehe vorherige Folien
Translation
mRNA

3 aufeinanderfolgende Basen = Codon/Basentriplett
codieren eine spezielle Aminosäure
Quelle: http://www.biologie-schule.de/img/codesonnegross.gif
Codesonne
Startcodon: AUG
codiert Aminosäure: Methionin
Stopcodon: UGA,UAA,UAG
codiert keine Aminosäure
stoppt Translation
Ablesen des mRNA-Strangs
Synthese von Proteinen (Übersetzung des genetischen Codes)
Rest: "normale" Codons
tRNA (transfer DNA) und Ablauf
transportiert die einzelnen Aminosäuren zu den Ribosomen
verbindet diese mit anderen Aminosäuren, damit Peptidketten entstehen
Quelle: http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/bilder/2331-2.jpg
Sekundärstruktur ("Kleeblattstruktur") eines tRNA-Moleküls
durch intramolekulare Basenpaarungen: drei große "Haarnadel-Schleifen"
besteht meistens aus 73-93 Nucleotiden
Pseudouracil
Dihydrouracil
3' Ende: chemische Bindung zu einer Aminosäure
Anticodon = passt zum entsprechenden Basencodon der mRNA
Quelle: https://www.abiweb.de/assets/courses/img/biologie-thueringen-modul-1/A1_4_Eukaryotenzelle.png
für jede Aminosäure: andere tRNA
Startcodon (Methionin) lagert sich an
Ribosom setzt sich an den Anfang der mRNA
Quelle: http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/bilder/233-01.jpg
Quelle: http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/bilder/233-02.jpg
Quelle: http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/bilder/233-03.jpg
Quelle: http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/bilder/233-04.jpg
Quelle: http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/bilder/233-08.jpg
GFS von Idris Saidani, Chemie K1.2
Aminosäure kann später wieder abgespalten werden
Elongation (Verlängerung)
nächste passende tRNA lagert sich daneben an
Peptidbindung
Übertragung der "alten" Aminosäure auf die "neue" (Enzyme)
Energieverbrauch
Ribosom bewegt sich ein Codon weiter
usw.
Termination am Stoppcodon
keine komplementäre tRNA
Ribosom zerfällt
mRNA spaltet sich ab und ist für erneute Translation verfügbar
Abkoppelung des Proteins, welches nun vom Körper verwendet werden kann.
Vielen Danke für eure Aufmerksamkeit!
Quelle: http://www.toonpool.com/user/43/files/genetik_506565.jpg
Textquellen:
http://flexikon.doccheck.com/de/Nukleotid
https://www.abiweb.de/biologie-molekularbiologie-genetik/dna-als-erbsubstanz/aufbau-der-dna.html
http://www.chemie.de/lexikon/Nukleotid.html
http://www.chemie.de/lexikon/Protein.html
http://www.chemie.de/lexikon/Nukleins%C3%A4uren.html
http://www.biosicherheit.de/lexikon/688.nukleinsaeure.html
http://www.dna50.org/
http://www.genetik.thieme.de/html/teil2_12.html
http://www.ruhr-uni-bochum.de/genetik/Unterlagen/Aufbau%20und%20Struktur%20von%20DNA.pdf
http://www.uni-koeln.de/med-fak/biochemie/biomed/wisspro/rojin_james.shtml
http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/index23.html
http://slideplayer.com/slide/1393469/
http://learn.genetics.utah.edu/content/molecules/dna/
https://de.wikipedia.org/wiki/Proteinbiosynthese
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/transkription-und-translation
http://biologie.rainer-grundel.de/genetik/translation.htm
http://www.helpster.de/die-aufgaben-der-dna-in-5-bildern_207115
http://symptomat.de/DNA
http://www.biologie-schule.de/transkription.php
http://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/transkription/11988
http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/transkription/67276
http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/karte233.html
http://www.biologie-schule.de/translation.php
http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe2/23/karte233V4.html
http://flexikon.doccheck.com/de/RNA-Polymerase
Elemente Chemie Kursstufe
Organische Chemie Schroedel Verlag
Allgemeine Chemie Schroedel Verlag
Chemie 2000+ Baden-Württemberg Kernfach 4-stündig
Elemente Chemie 2 Klett Verlag
Unterschied zur DNA:

Pentose liegt als D-Ribose vor
statt Pyrimidinbase Thymin Uracil
einsträngig










Einer von beiden dient als Vorlage zur Bildung eines
RNA-Moleküls
codogener Strang
Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fd/Difference_DNA_RNA-DE.svg/2000px-Difference_DNA_RNA-DE.svg.png
- chemical structures of nucleobases by Roland1952
Quelle: http://www.biologie-schule.de/img/translation1.gif
DNS = DNA
Bildquellen:
(Alle Quellen in den Bildern zu finden, bis auf folgende:)

Watson:
http://i.huffpost.com/gen/2357904/images/o-JAMES-WATSON-NOBEL-AUCTION-facebook.jpg
Crick:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/99/Francis_Crick_crop.jpg
Franklin:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/9/97/Rosalind_Franklin.jpg

Quelle: http://intranet.tdmu.edu.ua/data/kafedra/internal/chemistry/classes_stud/en/nurse/BSN/ptn/2/17.%20Biosynthesis%20and%20catabolism%20of%20purine%20and%20pyrimidine%20nucleotides.files/image003.jpg
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