wachsende polypetid-kette mrna ribosomen sind die protein-synthetisierenden maschinen der zelle 5´...
Post on 05-Apr-2015
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wachsende Polypetid-Kette
mRNA
Ribosomen sind die protein-synthetisierenden
Maschinen der Zelle
5´ 3´
Translationsrichtung
Welche Aussage über die Mechanismen der Informationsübertragung vom Gen zum
Protein trifft zu?
(A) Die Ablesung de DNA-Matrize bei der Replikation erfolgt in 5’ 3’-
Richtung.
(A) Die Polymerisation der Ribonucleotide bei der Transkription erfolgt in 3’
5’ -Richtung.
(B) Reverse Transkriptase polymerisiert 2’-Desoxyribonucleotide in 5’ 3’-
Richtung.
(C) Die Ablesung der reifen mRNA bei der Translation erfolgt in 3’ 5’ -
Richtung
(D) Die Richtung der Proteinsynthese (von der C-terminalen zur N-terminalen
Aminosäure oder umgekehrt) wird durch die zu tanslatierende mRNA
bestimmt.
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
80S Ribosom
40S Untereinheit
60S Untereinheit
Jede menschliche Zelle besitzt ca. 1 Million Ribosomen (bei E. coli ca. 15 000). In Zusammenarbeit mit mRNA, tRNA und weiteren Proteinfaktoren koordinieren die Ribosomen die Proteinsynthese
80S Ribosom4.2 MDa
40S
70S Ribosom2.5 MDa
50S
Bakterien Eukaryonten
60S
30S40S
70S Ribosom2.5 MDa
50S23S rRNA (3200 Nt)5S rRNA (120 Nt)34 r-Proteine
Bakterien
30S16S rRNA (1540 Nt)21 r-Proteine
16S rRNA
3‘
5‘
Ribosomen bauen sich aus rRNA und r-Proteinen auf
16S rRNA
3‘
5‘
Die Kristallstruktur der 30S Untereinheit
Die Ribosomen-Biogenese läuft im Nukleolus ab>> eukaryontische Ribosomen entstehen im Zellkern, genauer im Nukleolus, und müssenvon dort über das Nukleoplasma ins Zytoplasma gelangen, wo sie die mRNA translatieren
Zytoplasma
Zellkern NukleolusrDNA
Prä-rRNA (45S)5S rRNA
28S5.8S5S
18S
40S Untereinheit 60S Untereinheit
Ribosomale Proteine (L, S)
18S
28S
5.8S5S
PräribosomalePartikel
Die komplizierte Ribosomen-Entstehung im Nukleolus erfordert zeitliche und räumliche Koordination von vielen Teilprozessen. Dies wird durch die hohe strukturelle Organisation des Nukleolus gewährleistet.
60S
40S Ausgang fürdie Polypeptidkette
mRNABereich für
Peptidsynthese
die mRNA liegt wie ein Kabel auf einer Plattform in einer Einbuchtungder 40S bzw. 60S Untereinheit. Dort ist auch der Bereich der Peptid-Synthese.Die wachsende Polypeptid-Kette tritt durch einen Art Tunnel innerhalb dergroßen Untereinheit aus dem Ribosom heraus. Nach der Polypeptid-Synthesefaltet sich die Aminosäure-Kette in ihre korrekte 3-D-Konformation
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mRNA
50S Unter-einheit
fMet
fMet
fMet
Initiationsfaktor IF-3 bindet an die 30S Untereinheit,was die Anlagerung der 50S Untereinheit zunächstvehindert
Die Initiation der Protein-Synthese
Anbindung der mRNA: Shine-Delgarno-Sequenzkomplementär zum 3‘-Ende der 16S rRNA>> Positionierung des AUG im P-Bereich
Bindung der fMethionyl-tRNA im P (=Peptidyl)-Bereichdurch Codon::Anticodon-Wechselwirkung. Die tRNAfMet
kann nur im P-Bereich, nicht im A-Bereich binden, was durchIF2 kontrolliert wird.
IF2 ist eine GTPase. Unter GTP-Hydrolyse durch IF2kann schließlich die 50S Untereinheit andocken, wobeiIF2 und IF3 das Ribosom verlassen >> Ende der Initiation
Shine-Delgarno-SequenzProkaryontische mRNA
Eukaryontische mRNA16S rRNA
5‘ 3‘
3‘ 5‘
Ribosomen-Scan40S Untereinheit
5‘-Kappe m7G
5‘-Kappe m7G
3‘
3‘
fMet
C C C
Pro
Pro
G G G
G G G
Die Elongation bei der Protein-Synthese
fMet
G G G
C C C
Pro
nachdem sich der Initiationskomplex (funktionelles 70S Ribosom)gebildet hat, kann sich die zweite tRNA, die mit der entsprechenden Aminosäure beladen ist, an die A-Position anlagern. Die Auswahl derrichtigen tRNA erfolgt auf Grund der richtigen Codon::Anticodon-Wechselwirkung
verschiedene Elongationsfaktoren (EF-Tu, EF-Ts), die GTPasensind und GTP hydrolysieren, sind an der korrekten Anlagerung von tRNA an das Ribosom beteiligt
dabei bildet sich zunächst ein Komplex zwischen der 2. tRNAPro und EF-Tu::GTP. Erst dann kann die Bindung im A-Bereich erfolgen
anschließend wird GTP hydrolysiert und EF-Tu::GDP wirdaus dem 70S Ribosom freigesetzt. Unter Vermittlung von EF-Ts wird EF-Tu::GTP wieder regeneriert
Bildung der Peptid-Bindung
G G G
C C C
fMet
Pro
nach die Anlagerung der 2. Aminoacyl-tRNA an derA-Stelle, wird die neue Peptid-Bindung zwischen denbei den Aminosäuren geknüpft. Dabei greift die NH2-
Gruppe der Aminosäure 2 die COOH-Gruppe der Amino-Säure 1 an der Initiator-tRNAfMet an.
Pro
G G G
fMet
C C C
Die Verknüpfung der beiden Aminosäuren im Aminoacyl (A)-Bereich > Bildung der
Peptidbindungdadurch wird im A-Bereich eine Dipeptidyl-tRNAerzeugt, während im P-Bereich eine deacylierte tRNAfMet entsteht.
ursprünglich wurde angenommen, daß ein Enzym (Peptidyl-Transferase) die Peptid-Bindung im 70S Ribosom katalysiert. 1992 jedoch entdeckte man, daß die 23S rRNA diese Katalyse-Wirkung hat (keine Enzym, sondern ein Ribozym!)
G G G
C C C
fMet
Pro A C A
Gly
U G U
GTP
EF-G
+GDP + Pi
EF-G
Translokation
G G G
C C C
fMet
Pro
G G G
C C C
fMet
Pro
Die Translokation der Dipeptidyl-tRNA2
damit der Elongationszyklus nicht stoppt und weitere Aminosäuren angeknüpft werden, muß die Dipeptidyl-tRNA2 von der A-Position zur P-Position übertragen werden.
das geschieht dadurch, daß das gesamte Ribosomsich exakt um die Länge eines Triplett-Codonsin Richtung 3‘-Ende der mRNA bewegt (= Translokation)
da die Dipeptidyl-tRNA2 noch immer am 2. Codonbefestigt ist, wird sie durch die Bewegung des Ribosoms vom A-Bereich in den P-Bereich verschoben, wodurchdie deacylierte tRNAfMet aus dem P-Bereich ins Zytoplasma verdrängt wird
das 3. Codon (UGU) der mRNA liegt jetzt im A-Bereich, das 2. Codon im P-Bereich. Diese Verschiebung benötigtein Enzym (EF-G), das als Translokase unter GTP-Verbrauchdiesen Schritt katalysiert.
50S
30S
Hydrolyse derPolypetidyl-tRNA-
Verknüpfung
Dissoziationder
Komponenten
NH2
UAG = Stop-Codon
Ser
A C C
U G G
NH2Ser
A C C
U G G
Die Termination der Polypeptid-Synthese
der Elongationszyklus schreitet solange fort, bisdas Ribosom die letzte Aminosäure angefügt hatund damit das von der mRNA codierte Polypeptidfertiggestellt hat
die Termination wird durch eines der 3 Stop-Codons(UAG - UAA - UGA) in der mRNA, für welche eskeine komplementären Anticodons in der tRNA gibt,signalisiert
sobald ein Stopcodon im A-Bereich erscheint, beteiligen sich 3 Terminationsfaktoren (RF = “releasing factors“) an der:1. Hydrolyse der terminalen Peptidyl-tRNA-Bindung2. Freisetzung des Polypeptids3. Dissoziation des 70S Ribosoms
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Die Protein-Biosynthese ist sehr energie-aufwendig
> Bildung der Aminoacyl-tRNA = 2 ATP> Elongation = 1 GTP> Translokation = 1 GTP______________________________________________4 ATP = 4 x energiereiche Bindungen pro 1 Peptid-Bindung
= 122 kJ/mol-1
1 Peptid-Bindung hat dagegen einen Energie-Gehalt von -21 kJ/mol -1
Ribosom mit kurzer
Polypeptid-Kette
fertig-gestellte Polypeptid-
Kette
mRNAStart-Codon
Stop-Codon
Ribosomen werden zu Polysomen verbunden durch
(A) Zytoskelettelemente, z. B. Spektrin
(B) ribosomale RNA (rRNA)
(C) chromosomale Proteine (Histone)
(D) die mRNA
(E) die wachsende Polypeptidkette
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Peptidyl-Transferase
Peptidyl-Puromycin
Hemmung der Protein-Biosynthese durch viele Puromycin
Die Wirkweise des Puromycins (aus Streptomyces alboniger) bei der Hemmung der Protein-Biosynthese
Puromycin ähnelt in seiner Struktur dem 3‘-Ende einerAminoacyl-tRNA und kann daher im A-Bereich binden
Puromycin nimmt anschließend an allen Elongations-Schritten Teil bis einschließlich der Bildung der Peptid-Bindung (Peptidyl-Puromycin)
Puromycin kann dagegen nicht im P-Bereich binden und dissoziiert daher als Peptidyl-Puromycin vom Ribosom ab.
• die Protein-Biosynthese ist ein zentraler Vorgang in der Zelle • und daher ein Hauptangriffs-Ziel natürlich vorkommender• Antibiotica und Toxine (Tetracyclin, Chloramphenicol etc.)
• wegen der Unterschiede bei der Proteinsynthese • Bakterien/Eukaryonten hemmen die meisten Antibiotica/Toxine • bei den Eukaryonten nicht!
Tetracyclinhemmt Initiation > Prokaryonten
Chloramphenicolhemmt Peptidyl-Transferase > Prokaryonten
Cycloheximidhemmt Peptidyl-Transferase
> Eukaryonten
Streptomycin
Antibiotica and Protein-Synthese
Bakterien sind für eine Reihe von mit unter letalen Infektionskrankheiten verantwortlichz. B. Tuberkulose,Pneumonia, Meningitis, Wundinfektionen, Syphilis, Gonorrhö. Vor 1940 keine effektive Behandlungsmöglichkeit
mit der Entdeckung des Pencillins (hemmt bakterielle Zellwand-Synthese) änderte sich das schlagartig.Viele Antibiotica hemmen die Protein-Biosynthese.
A-Domäne
B-Domäne
Die B-Domäne vermittelt dieAufnahme in die Zelle
Die A-Domäne ist einEnzym und katalysiertdie Übertragung einesADP-Ribosyl-Restes vom NAD+ auf den Elongations-Faktor EF2
Hemmung der Translation
Diphtherie-Toxin hemmt die Protein-Biosynthese bei Eukaryonten durch Blockierung der Translation
>> Diphtherie war lange Zeit eine häufige Todesursache bei Kindern. Verursacht durch ein Toxin des Corynebakteriums diphtheriae, das sich im oberen Respirationstrakt einnistet und vermehrt
>> bereits wenige mg des Gifts sind für nicht-immunisierte Personen tödlich
Zelltod
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Viele antibiotisch wirksame Substanzen blockieren die bakterielleProteinbiosynthese.
Bei welcher der folgenden Substanzen handelt es sich um einen Inhibitor derprokaryontischen Translation?
(A) Amanitin
(B) Tetracyclin
(C) Actinomycin
(D) Penicilli n
(E) Rifampicin
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Adäquate Häm-Menge Inadäquate Häm-Menge
inaktiv inaktiv
eIF2-Phosphorylierung
inaktiv aktiv
Translation läuft kontinuierlich ab Translation ist blockiert
Austausch von GDP zu GTP ist blockiert
Regulation derProtein-Synthese
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Der Lebenszyklus einer mRNA
Zytoplasma
Zellkern
Gen
Transkription
mRNA (Bo
ten-RNA)
Import
Protein
Protein-Synthese
Ribosom
Export
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