Umsetzung des genetischen Codes in Proteine
Wie wird dechiffriert?
4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide)
A C G T (U)
20 Buchstaben-Sprache der Proteine (Aminosäuren)
Phe Leu Ser Tyr Cys Trp Pro His Gln ArgMet Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Gly Ile
Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette (hydrophob)
Hydroxylierte Aminosäuren
Basische Aminosäuren (mit positiver Ladung)
Saure Aminosäuren (mit negativer Ladung ) und deren Derivate
Aromatische Aminosäuren (hydrophob)
Helix-brechende Aminosäure
Schwefelhaltige Aminosäuren
Umsetzung des genetischen Codes in Proteine
Wie wird dechiffriert?
4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide)
A C G T (U)
20 Buchstaben-Sprache der Proteine (Aminosäuren)
Phe Leu Ser Tyr Cys Trp Pro His Gln ArgMet Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Gly Ile
Man kann sich verschiedene Möglichkeiten der Codierung vorstellen:
(1) 2er-Code = 4 Code-Buchstaben A C G T in 2er Gruppen: z. B. A T = Leu; CG = Asp
>> reicht nicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren (42 = 16)
(2) 3er-Code = 4 Code-Buchstaben A C G T in 3er Gruppen: z. B. A T G = Met; GAG = Asp
>> reicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren (43 = 64)
Umsetzung des genetischen Codes in Proteine
der nicht-überlappende Triplett-Code wurde letztendlich und zweifelsfrei durch viele Experimente nachgewiesen (z. B. Deletions- und Insertionsmutationen)
Umsetzung des genetischen Codes in Proteine
TyrAlaVal Gly
GlyVal Ser His
mRNA
SerAlaVal Arg
Insertion
ProVal Arg Glu
Deletion
der nicht-überlappende Triplett-Code wurde durch Deletions- bzw. Insertionsmutationen nachgewiesen:
(i) die Addition bzw. Deletion einer bzw. zweier Basen verändert den Triplett-Code
(iii) die gleichzeitige Addition und Deletion einer Base verändert den Triplett-Code nicht
(ii) die Addition bzw. Deletion von drei Basen verändert den Triplett-Code nicht
bei einem nicht-überlappenden Triplett-Code gibt es in der mRNA drei mögliche Triplett-Raster:jeder Raster würde für eine andere Aminosäure-Sequenz codieren!!
Was legt den richtigen Raster fest?
5‘---U U C U C G G A C C U G G A G A U U C A C A G U ---3‘
---Phe---Ser----Asp----Leu----Glu----Ile----His----Ser---
---Ser---Arg----Thr----Trp----Arg----Phe----Thr-------
---Leu---Gly----Pro----Gly----Asp----Ser----Gln--------
Übersetzen der dreimöglichen Triplett-Rasterin Amino-Säuren
Legt das erste Codon in der mRNA (UUC) den Leseraster fest?
>>> in Wirklichkeit legt das erste AUG-Codon = Startcodon innerhalb der mRNA den Leseraster fest
Wie wurde der genetische Code “geknackt“?oder anders gefragt: welche Tripletts codieren für welche Aminosäure?
bakterieller Extrakt
synthetische mRNA Polypeptid
bakterielle Extrakte mit allen Komponenten für die Proteinsynthese außer mRNA
>> Zugabe von künstlicher mRNA (z. B. homopolymere RNA)
>>> Proteinsynthese: welche Polypeptide?
durch die clevere Zusammenstellung von Basen in heteropolymerer RNA konnten weitere Tripletts geknackt werden
in Versuchen mit synthetischen Polynukleotiden und Anbindung von spezifischen Aminoacyl-tRNAMolekülen an Ribosomen wurde der gesamte genetische Code Anfang der 60iger Jahre aufgeklärt
(1) für 3 der 64 Codons gibt es keine Aminosäure > >UAA, UAG, UGA =Stopcodons
(2) alle Aminosäuren außer Methionin (Met) und Trypthophan (Trp) haben mehr als ein Codon machmal bis zu sechs Codons: z. B. Serin (Ser)
>> genetische Code ist degeneriert, weil eine bestimmte Aminosäure von mehr als einem Codon spezifiziert wird
Aminosäure
für eine Aminosäurecodierendes
Nukleotid-TriplettACU = Codon
Francis Crick hat schon früh vermutet,
daß die tRNA die Rolle eines Adaptersspielen könnte, wobei ein Teil der tRNAeine spezifische Aminosäure bindet und ein anderer Teil der tRNA die Triplett-Sequenez (Codon) in der mRNA erkennt, welche für diese Aminosäure codiert
mRNA
Adapter(tRNA)
BindebereichfürAminosäure
Wie können tRNA-Moleküle diese Doppelrolle erfüllen?
>> liegt in der Struktur der tRNA begründet!!!
Anticodon
5‘-P
3‘-OH Aminosäure-Bindestelle
UH2
UH2
UH2
mG
m2G
mI
mG
m2G
mI
(Ribose an C-5)
UH2
Seltene Basen
Aminosäure-Arm
Anticodon-Schleife 3.
2.1.
TC-Schleife
Extra-Armvariabel
DHU-Schleife
5‘-P
3‘-OH
tRNAs sind relativ klein und haben eine Länge von 73 - 93 Nukleotid-Bausteinen
wobble-Position
Geinzelsträngige und doppelsträngige Abschnitte (50%ige Paarung) > typische L-Struktur und Schleifen
tRNAs enthalten viele (7-15%) seltene Basen wie Pseudouridin, Inosin, Dihydrouridin, Methyl- und Dimethyl-Guanosin etc.
5‘-Ende hat meistens ein G und Phosphat
Basensequenz am 3‘-Ende ist immer CCA
Anticodon ist in der Anticodonschleife
Kleeblatt-Model dreidimensional-gefaltete tRNA
Anticodon Anticodon
Anticodon-SchleifeAnticodon-Schleife
Aminosäure-ArmAminosäure-Arm
AA
Anticodon
AA
tRNA-Moleküle haben in Wirklichkeit in ihrer 3-D Struktur die Form eines auf den Kopf gestellten “L“
> CCA-Ende mit der Aminosäure-Bindestelle an einem Ende des „L“ Anticodon am anderen Ende des „L“
> alle tRNAs haben diese Struktur, wodurch die tRNA während der Proteinsynthese am Ribosom ihre Adapter-Rolle erfüllen kann
als Ergebnis der Röntgen-Strukturanalyse von kristallisierter tRNA konnte 1975 die 3-D-Struktur der Phenylalanyl-tRNA von Hefe bestimmt werden
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Transfer-RNAs
(A) weisen intramolekulare Basenpaarungen auf
(B) tragen das Anticodon am 3’-Ende (ihrer 3D-Struktur)
(C) werden im Zytoplasma gebildet
(D) benötigen UTP, um eine Aminosäure zu binden
(E) enthalten Desoxyribonucleotide
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
5‘3‘-ACC 5‘3‘-ACC
Anticodon für Asp
5‘---------------G-A-T---------3‘
Codon für Asp
mRNA
Asp + tRNAAsp Asp-tRNAAsp Aminoacyl-tRNA-
Synthetase
ATP
für jede Aminosäure gibt es eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase
Anticodon für His
3‘-ACC
5‘---------------C-A-T---------3‘
Codon für His
Genauigkeit der Übersetzung des genetische Codes in Proteine hängt ab von der Präzision der Beladung der tRNAs mit der richtigen Aminosäure
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen erkennen gleichzeitig Aminosäureund dazugehörige tRNA
Asp-
Asp-His-
Aminosäure
5‘-Aminoacyladenylat(Aminoacyl-AMP)
ATP
PPi
1. Aktivierung der AminosäureAminoacyl-AMP
Aminoacyl-tRNA
2. Übertragung der Amino-säure auf die tRNA
(Klasse II-Synthetasen)
3‘
AA-RSAminosäure + tRNA + ATP Aminoacyl-tRNA + AMP + 2Pi
Go‘ = -29 kJ mol-1
Anticodon
ATP
3‘-Ende
Aminoacyl-tRNA-Synthetase
tRNA
Kristallstruktur der Glutaminyl-tRNA-Synthetase mit gebundener Glutaminyl-tRNA
für die Erkennung der richtigen tRNAdurch die Aminoacyl-tRNA-Synthetasekönnen verschiedene Strukturen inner-halb des tRNA-Moleküls beteiligt sein
Erkennungsbereiche von tRNA-Molekülen, die für die Bindung an Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und Beladung der richtigen Aminosäure notwendig sind
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Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Cystein Alanin
Anticodonfür Cystein
Anticodon für CysteinCodon für CysteinmRNA
+Ni(H)
wird nachträglich die Aminosäure einer bereits beladenen tRNA chemisch umge-wandelt, wird bei der Proteinsynthese eine falsche Aminosäure ins Protein eingebaut
d. h. auf der Stufe des Ribosoms kann eine falsch aminoacylierte tRNA nicht mehrausgesiebt werden!!!!
es gibt bei den Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ein Korrektur-Lesen, um das Einbauen falscher Aminosäuren zu verhindern
Die tRNA entziffert die mRNA über die Codon::Anticodon-Wechselwirkung mit Hilfe der Basenpaarung
Paarung zwischen Codon::Anticodon bedeutetgegenseitige Ausrichtung der RNA-Molekülein antiparalleler Weise5‘-------3‘ (mRNA)3‘-------5‘ (tRNA)(d.h. erste Base des Codons paart mit dritter Basedes Anticodons etc.)
bei typischer Watson::Crick-Paarung (A::U; G:::C)
zwischen Codon und Anticodon müßte es 61 verschiedene tRNA-Spezies geben (43 = 64 - 3 Stopcodons),
welche für 20 Aminosäuren codieren
!!! es gibt aber viel weniger tRNAs (ca. 40) !!!
zahlreiche tRNAs können mit ihrem Anticodon
mehr als ein Codon lesen
= Wobble-Paarung (“wobble“ = wackeln)
Die Wobbel-HypotheseNichtstandard-Wobble Basenpaarungen
Inosin
Inosin
Inosin
Guanin
Cytosin
Adenin
Uracil
Uracil3. Auf der Wobble-Position bilden sich häufig Nichtstandard-Watson-Crick-Paarungen aus
1. Die ersten beiden Basen des Codons in der mRNA bilden stets starke Watson-Crick-Paare aus und tragen daher am meisten zur Spezifität der Codierung bei
2. Die erste Base einiger Anticodons (= 3. Base im Codon= wobble Position) bestimmt die Anzahl der Codons, die von einer gegebenen tRNA gelesen werden können
4. Auf Grund der Wobbel-Hypothese könnendie 61 Codons, die für 20 Aminosäuren codieren, von weniger als 61 tRNAs gelesen werden
Ribosom
mRNA
tRNA
Anticodon