Grundlagen der Molekularbiologie (2) 2010 von Dr. rer. nat. Peter Engel

Dozent des Vortrages Grundlagen der Molekularbiologie (2) 2010

Dr. rer. nat. Peter Engel

Seit 2011 ist er Ass. Prof. an der DPU in Krems an der Donau und ist dort für die vorklinische Ausbildung der Studenten der Zahnmedizin in den naturwissenschaftlich geprägten Fächern (Biochemie, Chemie, biologie) verantwortlich.
Er ist Mitbegründer (2001) und geschäftsführender Mitgesellschafter der NawiKom GbR (nawikom.de) sowie Mitgesellschafter der PhysiKurs GmbH (physikurs.de). In beiden Unternehmungen ist er hauptverantwortlich für die konzeptionelle Entwicklung und Umsetzung der Lehr- und Lernkonzepte.Im Zentrum steht die mittlerweile über mehr als 25jährige professionelle Lehrtätigkeit in den vorklinischen Fächern Biologie, Chemie und Biochemie sowie den klinischen Fächern Pharmakologie und Immunologie. Hierdurch verfügt er über eine weitreichende interdisziplinäre Kernkompetenz sowie über Erfahrungen bezüglich der Anforderungen des Medizinstudiums, den entsprechenden Prüfungsinhalten und der entsprechenden Umsetzung in Zielgruppen-gerichtete Lehr- und Trainingsveranstaltungen (Semesterabschlussprüfungen, Physikum, beruflich verwendbares fächerübergreifendes vorklinisches Wissen).

Vor Beginn seiner Selbständigkeit war er von 1991-1998 in der Arbeitsgruppe für biochemische Pharmakologie an der Ruhr-Universität Bochum als Laborleiter und Dozent in Forschung und Lehre tätig. Sein Diplom- und Dissertation erfolgten am Max-Planck-Institut für experimentelle Endokrinologie Hannover (Schwerpunkt: Molekulare Wirkungen der Estrogene) ; sein Studium der Biochemie (Abschluss: Dipl.-Biochemiker) absolvierte er an der Medizinischen Hochschule Hannover.

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Auszüge aus dem Begleitmaterial

... definierten DNA-Abschnittes in ein komplementäres RNA-Molekül wird als Transkription bezeichnet -die Synthese der RNA erfolgt durch RNA-Polymerasen -die Synthese erfolgt in ...

... minus-Strang = antisense-Strang = nichtcodierender Strang Plus-Strang = ...

... umfassen eine Länge von ca. 40 Basen auf der 5‘-Seite des Transkriptionsstartpunktes -ein Sequenzvergleich vieler Promotoren zeigt eine Reihe gemeinsamer ...

... von E.coli –hexameres Protein mit der Zusammensetzung a2bb‘ws –der Sigma-Faktor (s) ist nur für die Initiation zuständig –die Synthese erfolgt mit einer Geschwindigkeit von ca. 50 Nukleotide ...

... Allgemeiner Aufbau des Lactose-Operons OZYAIP Lactose-Operon ...

... Beispiel des Lac-Operons -Kontrollregion –setzt sich aus dem Promotor und dem Operator zusammen (beide Bereiche können überlappen) –der Promotor enthält die Bindungsstelle der ...

... Transkription mRNA 5'3' Cistron 1Cistron 2Cistron 3 Protein 1 b-Galactosidase Protein 2 Permease Protein ...

... Charakteristika prokaryontischer Transkription -Transkription und Translation laufen nahezu parallel ab -das Primärtranskript kann direkt zur ...

... -RNA-Polymerase I (RNAP I) –transkribiert Gene der ribosomalen RNA –ist folglich im Nukleolus lokalisiert -RNA-Polymerase II (RNAP II) –Synthese der mRNA-Vorläufer und der meisten ...

... -besteht insgesamt aus 12 Untereinheiten, von denen 10 identisch mit denen der meisten anderen RNA-Polymerasen sind -die größte Untereinheit ...

... –TFII H: enthält eine ATP-abhängige Helikase-Aktivität -Spezifische Transkriptionsfaktoren –Zink-Finger Proteine = ligandaktivierbaren Transkriptionsfaktoren ...

... III PhysiKurs 16 Intrazelluläre Rezeptoren Startpunkt der Transkription transkribierte Region Ligand ...

... 1Exon 2Exon 3Intron 1Intron 2Intron 3mG-Cap Poly-A-Polymerase Exon 1Exon 2Exon 3Intron 1Intron 2Intron 3mG-Cap endonukleolytische Entfernung der Introns und Ligation der Exons -AAAAAA "Begradigung" des 3'-Endes ...

... 19 Aufbau einer eukaryontischen mRNA mG- Cap Schutz vor Abbau Transport aus dem Kern ...

... umfasst ca. 7500 Nukleotide -es erfolgt eine Methylierung an Basen und der Ribose (an Pos. 2) -weiterhin werden viele Uridin in Pseudouridine umgewandelt -snoRNA (small nucleolar RNAs, gehen oft aus ...

... III PhysiKurs 21 5' Reaktionszyklus der retroviralen Reversen Transkriptase 3' einzelsträngige ...

... Aminosäure +ATP,  Ribose-Adenin Aminoacyl-Adenylat (gemischtes Anhydrid) ...

... kleine Untereinheit enthält –ca. 33 Proteine –eine RNA Sorte (18S) 49 ribosomale Proteine 33 ribosomale Proteine ++ 18 S rRNA 24 nm 80 ...

... Biochemie III PhysiKurs 30 Phasen der Translation -Initiation –umfasst ...

... aus - Initiator-tRNAMet - eIF2 = eukar. Initiationsfaktor 2 - GTP ...

... Peptidyltransferase der prokaryotischen großen Untereinheit hemmt die Peptidyltransferase der eukaryotischen großen Untereinheit inhibiert die Translokation bei Prokaryoten inhibiert die Elongation bei Prokaryonten durch Bindung an EF-G-GDP und verhindert so die Disoziation von der großen Untereinheit erhöht die Fehlerrate der Ribosomen ...

... RNA (tRNA) All diese RNA-Formen werden durch DNA-abhängiges Umschreiben der DNA synthetisiert 16.6.1 Prinzipieller Ablauf - während der Transkription wird die Kopie eines Gens in Form einer einzelsträngigen RNA hergestellt - ein Strang der DNA hat hierbei die Funktion einer Matrize und wird als Minusstrang bezeichnet - der andere S trang, der in seiner Basenabfolge mit der RNA übereinstimmt wird als Plusstrang oder codierender Strang bezeichnet - die für die RNA-Synthese verantwortlichen Enzyme sind die DNA-abhängige RNA-Polymerasen - damit die Transkription beginnen ...

... Prokaryonten sind in der Lage sehr rasch auf sich ändernde Nahrungsangebote durch die Bereitstellung (Neusynthese) der entsprechenden metabolisierenden Enzyme zu reagieren - diese Prozesse laufen im Minutenbereich ab - die mRNA der Prokaryonten ist identisch mit dem Primärtranskript und wird noch während der Synthese für die Translation verwendet: Transkription und Translation bei Prokaryonten laufen parallel ab: das 5’-Ende der mRNA wird bereits translatiert bevor die mRNA zu Ende synthetisiert ist ...

... Transacetylase Translation die mRNA besitzt mehrere Bindungsstellen für Ribosomen CAP cAMP - im aktiven Zustand werden die Strukturgene unter Bildung einer einzigen mRNA abgelesen - diese mRNA besitzt drei voneinander unabhängige Translationsinitiationsregionen , es werden also drei distinkte Proteine synthetisiert - eine derartige mRNA bezeichnet man als polycistronisch - eine vergleichbare Organisation existiert bei Eukaryonten nicht; die mRNA-Moleküle sind hier ausschließlich monocistronisch - das I-Gen ist für die Synthese eines Proteins verantwortlich, welches die Transkription der Strukturgene durch Assoziation mit der Operatorsequenz ...

... die man als TA TA-Box bezeichnet - diese Sequenz liegt im Bereich der -25 bis -30 Region - die drei RNA-Polymerasen sind für die Transkription jeweils einer Gruppe von Genen verantwortlich, die folglich charakteristische Promotorregionen aufweisen - die folgenden Aussagen beziehen sich auf Promotoren, die von der RNA-Polymerase II erkannt werden und dementsprechend für die Synthese von mRNA verantwortlich sind - hierfür sind eine Reihe von Transkriptionsfaktoren erforderlich, die zusammen mit der Polymerase das RNA-Polymerase-Holoenzym bilden Transkriptionsfaktoren - Allgemeine Transkriptionsfaktoren – TFII A-H – TFII D: erkennt die T ATA-Box – TFII H: enthält eine ATP-abhängige Helikase-Aktivität ! ! ...

... Spezifische Transkriptionsfaktoren – Zink-Finger Proteine = ligandaktivierbaren Transkriptionsfaktoren (=intrazelluläre Re- zeptoren von lipophilen Liganden) – Leucin-Zipper-Proteine CREB-P (cAMP-responsives Element Bindungsprotein) ...

... einem 7-Methyl-Guanosin-Rest , der über eine 5’-5’-Triphosphat-Brücke an das 5’-Ende gebunden ist - die Anheftung erfolgt kurz nach Transkriptionsbeginn (nach dem Einbau von ca. 20 Nukleotiden) - die CAP-Struktur ist für das korrekte Auffinden der Translationsinitiationsstelle bei Eukaryonten verantwortlich Polyadenylierung: - die meisten mRNAs von Eukaryonten besitzen am 3’-Ende eine aus 20-50 Nukleotiden bestehende Poly-A-Sequenz - die Poly-A-Polymerase ist für das schrittweise Anheften von AMP-Resten aus ATP verantwort- lich - die ...

... größeren Vorläufermolekülen synthetisiert - es folgt die Entfernung bestimmter Nukleotide vom 5’-Ende - nach Abspaltung weiterer Reste vom 3’-Ende erfolgt die Anheftung der für tRNA charakteristischen CCA-Sequenz - als letztes werden die spezifischen Basenmodifikationen, wie Methylierungen eingeführt 16.6.7 Hemmstoffe der Transkription Actinomycin: - hemmt in niedriger Konzentration die Transkription, in höherer auch die Replikation - aufgrund seiner ebenen Struktur ist es in der Lage, sich zwischen ...

... (HIV) , enthalten eine RNA-abhängige DNA-Polymerase - die Wirkung der Reversen Transkriptase lässt sich wie folgt zusammenfassen (siehe Abbildung rechts): - die retrovirale RNA dient als Matrize für die Synthese der komplementären DNA - der RNA-S trang wird hydrolytisch abgebaut (RNAse H-Aktivität) - der DNA-Strang dient als Matrize für die Synthese des komplementären S tranges - die entstandene DNA wird in das Wirtsgenom integriert - die Reverse Transkriptase ist ein wichtiges gentechnologisches Instrument für ...

... genetischen Code festgelegt - drei aufeinanderfolgende Basen codieren dabei den Einbau einer bestimmten Aminosäure ( Basentripletts) - ein Triplett der mRNA in 5’-3’-Richtung wird als CODON bezeichnet - bei 4 verschiedenen Basen sind 43 = 64 unterschiedliche Codons möglich, mehrere Codons sind für den Einbau ein und derselben Aminosäure verantwortlich; der genetische Code ist somit degeneriert - man charakterisiert den genetischen Code ...

... für die Translation sind zwei essenzielle Erkennungsprozesse notwendig: - Auswahl der korrekten Aminosäure, um diese kovalent an die korrekte tRNA zu binden - die Auswahl der beladenen tRNA durch die Triplett folge auf der mRNA - der erste Prozess wird durch hochspezifische Enzyme bewerkstelligt, die Aminoacyl-tRNA- Synthetasen - für jede proteinogene Aminosäure existiert mindestens eine Synthet ase - die Beladung erfolgt nach einem Zweischrittmechanismus, wobei zunächst ein ...

... Ribose-Adenin Aminoacyl-Adenylat ( gemischtes Anhydrid) - Ribose-Adenin, Aminoacyl-Adenylat (gemischtes Anhydrid) 1 2 - AMP + tRNA Aminoacyl-tRNA (Ester zwischen der Aminosäure und der 2'OH-Gruppe dertRNA)) R C NH +H C OO tRNA 16.8.5 Ribosomen: Aufbau und Funktion - die Proteinbiosynthese findet an den Ribosomen statt - die Ribosomen bestehen aus Proteinen und Ribonukleinsäure - die Ribosomen sind aus einer größeren und einer kleineren Untereinheit aufgebaut - ...

... die freie A-Stelle wird mit der dem Codon entsprechenden Aminoacyl-tRNA beladen - dies geschieht unter der Mithilfe eines Elongationsfaktors (eEF-1 oder EF-T u) - der Prozess ist ebenfalls GTP-abhängig - zur Regeneration des aktiven Elongationsfaktor-GTP-Komplexes ist ein weiterer Faktor erforderlich (eEF-1  oder EF-T s) - die Peptidbindung wird durch eine enzymatische Aktivität auf der großen Untereinheit bewerkstelligt ( Peptidyltransferase ) - die Aminogruppe der Aminoacyl-tRNA an der A-S ...

... Fehlerrate der Ribosomen stellt ein Aminoayl-tRNA-Analogon dar, welches eingebaut aber nicht verlängert werden kann, es kommt zum Kettenabbruch führt zu Bildung von Nonsense-Peptiden, es wird die falsche Aminosäure eingebaut verhindert die Bindung der Aminoacyl-tRNA an die brokaryontische kleine Untereinheit Inaktiviert eEF-2 dur\fh ADP-Ribosylierung Ricin und Abrin sind toxische Pflanzenglykoside, Sacrin ist ein Pilz\brotein; beide zerstören die katalytische Aktivität der eukaryontischen 28 S rRNA, die für die Knüpfung der Peptidbindung verantwortlich ist ...