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Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen
Mitarbeiterseminar der Medizinischen FakultätRuhr-Universität Bochum
Andreas Friebe Abteilung für Pharmakologie und Toxikologie
Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen
Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen
DNA RNA Protein
Replikation Transkription Translation
Zentrales Dogma der Molekularbiologie
Informationsfluss geht von DNA über RNA zum Protein
DNA
Gen: DNA-Abschnitt, der die Information für ein spezifisches Genprodukt codiert:
- Protein bzw. RNA-Molekül
Chromosomen: Erbinformation
Genom: Gesamtheit aller Chromosomen einer Zelle (Erbgut)
- 3 Milliarden Basen
- > 20.000 Gene (Mensch)
- 2 Meter DNA-Faden pro Zelle
Aufbau der DNA
Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen
Wasserstoffbrücken
- Zwischen Dipolmolekülen herrschen zwischenmolekulare Kräfte
Funktionelle Gruppen
- Hydroxyl-Gruppe R-OH - bildet Wasserstoffbrücken
- in Alkoholen und Zuckern
- Carboxyl-Gruppe R-COOH - bildet Wasserstoffbrücken, oft ionisiert: COOH → COO- + H+
- in organischen Säuren: Zitronensäure, Essigsäure
- Amino-Gruppe R-NH2 - bildet Wasserstoffbrücken, Base: NH2 + H+ → NH3+
- in Aminosäuren
- Phosphat-Gruppe R-PO4- - bildet Wasserstoffbrücken, immer geladen
- in DNA, RNA
- Sulfhydryl-Gruppe R-SH - zwei SH-Gruppen können zu einer Disulfid-Brücke reagieren
- Verknüpfung von Proteinketten -SH + -SH → -S-S- + 2H+
Aufbau der DNA: Nukleotide und Nukleoside
Desoxyribonukleinsäure: DNS (deoxyribonucleic acid, DNA)
Bausteine:
Nukleotide: Jedes Nukleotid besteht aus 3 Bestandteilen:
- einer organischen Base: A, G, C, T
- einem Zucker: Desoxyribose
- Phosphat
Nukleosid: organische Base + Zucker
Adenosin, Cytidin, Thymidin, Guanidin
Desoxyribose
Adenin Guanin
ThyminCytosinPyrimidine
Purine
Aufbau der DNA: Einzelstrang
Nukleotid-Bindung: Phosphat am 5'-Kohlenstoff verbunden mit Hydroxyl-Gruppe am 3'-Kohlenstoff
Desoxyribose
1
23
4
5
Dinukleotid
Mononukleotid
Trinukleotid
5'-Ende
3'-Ende
Aufbau der DNA: Doppelstrang (Helix)
BasenpaarPhosphat
ZuckerNukleotid
Basenpaare:
Adenin - Thymin: 2 H-Brücken
Guanin - Cytosin: 3 H-Brücken
DNA: Denaturierung und Renaturierung
Doppelstrang-DNA
- Denaturierung: Spaltung bei Erhitzen (Schmelzen)
→ Aufbrechen der Wasserstoffbrücken
- Renaturierung: Zusammenlagern der Einzelstränge bei langsamen Abkühlen (Hybridisierung)
→ Wiederausbildung der Wasserstoffbrücken
Anwendung: PCR, Mutagenese, Southern blot Hybridisierung
Aufbau, Struktur, Funktion von RNA
Ribonukleinsäure: RNS (ribonucleic acid, RNA)
Bausteine:
Nukleotide
Jedes Nukleotid besteht aus 3 Bestandteilen:
- einer organischen Base: A, G, C, U
- einem Zucker: Ribose
- Phosphat
Adenin Guanin
UracilCytosin
Aufbau und Vorkommen der RNA
m-RNAmessenger-RNA (Boten-RNA):entsteht beim Kopieren der Gene
t-RNAtransfer-RNA:transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen
r-RNAribosomale RNABestandteile der Ribosomen
Unterschiede RNA - DNA
- Der Zucker ist eine Ribose (statt Desoxyribose)
- Die Base Thymin ist durch Uracil ersetzt
- RNA kann auch als Einzelstrang vorliegen
- keine Helix als Raumstruktur
Aminosäure
Aufbau und Vorkommen der RNA
m-RNA t-RNA
r-RNA
→ Translation
Funktionen verschiedener Proteine
- katalytisch wirksame Proteine: Enzyme
- Faserproteine: Seide, Spinnengewebe
- Stützproteine: Knorpel > Sülze, Knochenmatrix, Haare, Hautschuppen, Keratin
- Sehnenproteine: Gelatine
- kontraktile Proteine: Muskelproteine
- Transportproteine im Blut: Albumine für den Fettsäuretransport
- Antikörper: Gammaglobuline
- Sauerstoffbindende Proteine: Hämoglobin, Myoglobin
- Bakterientoxine: Botulinustoxin, Diphtherietoxin
- Kanalproteine: Ionenkanäle
Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen
Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen
Unterscheidung von Proteinen
- Größe: Insulin 51 AS, Serumalbumin 584 AS
- Form: globulär, fibrillär etc.
- Konformation: einfach oder zusammengesetzt
- Lokalisation: intra-/extrazellulär, zytosolisch oder in der Membran
- Funktion: Enzyme, Membranproteine, Transkriptionsfaktoren etc.
- Sequenzverwandtschaft, Aufbau aus Domänen
→ kein stets sinnvolles Einteilungsschema vorhanden
Struktur
- Primärstruktur: Aminosäuresequenz
- Sekundärstruktur: α-Helix, β-Faltblatt
- Tertiärstruktur: räumliche Faltung der Aminosäurekette
- Quartärstruktur: räumliche Struktur von Proteinkomplexen
Aufbau von Proteinen: Aminosäuren
Nicht-ionische Form Geladene Form (Zwitterion) bei pH 7,4
Amino-Gruppe:: NH2 / NH3+
Säuregruppe: COOH / COO-
Aminosäurerest: R
Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen: Aminosäuren
Bausteine
- 20 verschiedene Aminosäuren
Vorkommen
- Dipeptide
- Oligopeptide 2-100 Aminosäuren
- Proteine (Eiweiße): > 100 Aminosäuren
Aminosäuren mit hydrophilen Resten
Neutrale Aminosäuren
Aromatische Aminosäuren
saure Aminosäuren
basische Aminosäuren
Aminosäuren mit hydrophoben Resten
Peptidbindung
Peptidbindungen
C-TerminusN-Terminus
Kondensationsreaktion
N C
Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur
Wasserstoffbrücken-Bindung Ionen-Bindung
Disulfid-Brücke
hydrophobe Wechsel-wirkung
Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur
Alpha-Helix
Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur
Beta-Faltblatt
Struktur von Proteinen: Tertiär- und Quartärstruktur
Tertiärstruktur
Quartärstruktur
Beispiel: Hämoglobin
Enzyme
Enzyme: 'Biokatalysatoren'
Zelle = Fabrik, Zellorganellen = Maschinen, Enzyme = Arbeiter
- mehr als 2000 Enzyme bekannt
- Leberzelle: ca. 50 Millionen Enzymmoleküle
Eigenschaften
- Endung: -ase
- Enzyme sind substratspezifisch und wirkungsspezifisch
- Enzyme wirken über einen Enzym-Substratkomplex
- Enzyme haben ein aktives Zentrum
- Enzyme lassen sich inaktivieren durch hohe Temperatur, pH-Wert-Änderung, Schwermetallionen
→ Denaturierung (= Verlust der Konformation)
Eigenschaften von Enzymen
Temperatur-Abhängigkeit pH-Abhängigkeit
- Oxidation/Reduktionsreaktionen: Oxidoreduktasen oder Dehydrogenasen Bsp.: Katalase, ADH
- Übertragen von funktionellen Gruppen: Transferasen Bsp.: Aminotransferase
- Bindungsspaltungen: Hydrolasen und Lyasen Bsp.: Peptidasen
- Verknüpfungsvorgänge: Ligasen Bsp.: DNA-Ligase