© 2021 by Elsevier GmbH

Bitte nutzen Sie das untenstehende Formular um uns Kritik, Fragen oder Anregungen zukommen zu lassen.

Willkommen

Mehr Informationen

B978-3-437-41397-1.00005-5

10.1016/B978-3-437-41397-1.00005-5

978-3-437-41397-1

Abb. 5.1

[L253]

Wichtige Basen und ihre Nucleoside

Abb. 5.2

[L253]

Die Zucker von RNA (Ribose) und DNA (2-Desoxyribose)

Abb. 5.3

[L253]

Basenpaarung und Wasserstoffbrücken

Abb. 5.4

[L253]

Schema der DNA-Doppelhelix

Abb. 5.5

[L253]

Aufbau des Chromatins. a) Nucleosom b) Mehrere Nucleosomen und Linker-DNA c) Nucleosomen und H1-Histone

Abb. 5.6

[L253]

DNA und RNA gegenübergestellt. Beachtet die Verknüpfung der Nucleotide über das Zucker-Phosphat-Rückgrat.

Abb. 5.7

[L253]

Die DNA kann entweder für die Proteinbiosynthese abgelesen werden (Transkription, im Anschluss Translation) oder sie wird vervielfältigt (Replikation), sodass sich die Zelle teilen kann.

Abb. 5.8

[L253]

Schematischer Aufbau eines Gens

Abb. 5.9

[L253]

RNA-Polymerase bei der Transkription

Abb. 5.10

[L253]

Wenn man einen Doppelstrang aus der reifen mRNA (rot) und dem zugehörigen DNA-Abschnitt erzeugt, haben die Introns der DNA keinen Partner (denn die sind bereits aus der mRNA herausgespleißt). Folglich erkennt man sie gut als Schleifen, die keinen Kontakt zur mRNA haben.

Abb. 5.11

[L253]

Abspaltung des Introns. Beachtet die 2'-5'-Bindung und die Neuverknüpfung der Exons

Abb. 5.12

[L253]

Das Lactose-Operon – die drei Enzyme lacZ, lacY und lacA werden nur in Anwesenheit von Lactose transkribiert

Abb. 5.13

[L253]

Schema einer tRNA. Die Sternchen stehen für seltene Basen.

Abb. 5.14

[L253]

Beladung einer tRNA

Abb. 5.15

[L253]

Ablauf der Elongation. Bitte beachtet: Hier ist nicht der erste Zyklus (unmittelbar nach der Initiation) gezeigt – schließlich besteht die Peptidkette schon aus mehreren Aminosäuren und nicht nur aus Methionin.

Abb. 5.16

[L253]

Beginn der DNA-Replikation:

1) Die Replikation startet mit einem RNA-Primer.

2) Eine DNA-Polymerase verknüpft DNA-Nucleotide in 5'-3'-Richtung.

3) Eine andere DNA-Polymerase ersetzt den Primer durch DNA.

4) Die DNA, die am Ort des ehemaligen Primers sitzt, wird mit dem Rest der neusynthetisierten DNA verbunden und das neue Molekül ist fertig.

Abb. 5.17

[L253]

Replikation der DNA an Leit- und Folgestrang: Die DNA-Polymerase verlängert den neuen Strang in 5'-3'-Richtung; der Leitstrang wird dabei durchgehend synthetisiert. Am Folgestrang werden die Okazaki-Fragmente in 5'-3'-Richtung synthetisiert und im Anschluss durch die Ligase verbunden.

Abb. 5.18

[L253]

Prinzip der semikonservativen Replikation

Abb. 5.19

[L253]

Das Problem der Replikation: Am 5'-Ende der Kopie des Folgestrangs hat die DNA-Polymerase nach Entfernung des Primers keine 3'-OH-Gruppe, an der sie anknüpfen kann, um das letzte DNA-Stück zu synthetisieren. Die Folge: Die Kopie ist kürzer als das Original.

Abb. 5.20

[L253]

Exzisionsreparatur bei Einzelstrangbrüchen:

1) Der Schaden wird erkannt.

2) Die Nucleotide werden entfernt

3) Eine neue komplementäre Nucleotidsequenz wird synthetisiert.

4) Eine DNA-Ligase verbindet die neue Sequenz mit dem restlichen Strang.

Abb. 5.21

[L253]

Fehlerentstehung an der DNA

Abb. 5.22

[L253]

Reparatur von Thymin-Dimeren und O6-Methylguanin

Abb. 5.23

[L253]

Schwankung der Cyclinkonzentrationen im Verlauf des Zellzyklus

Abb. 5.24

[L253]

Signalkaskaden und Apoptose

Abb. 5.25

[L253]

Synthese von PRPP

Abb. 5.26

[L253]

Synthese von IMP aus PRPP

Abb. 5.27

[L253]

Synthese von AMP und GMP aus IMP

Abb. 5.28

[L253]

Herkunft der Atome des Purin-Grundgerüsts

Abb. 5.29

[L253]

Salvage-Pathway

Abb. 5.30

[L253]

Synthese von UMP aus Hydrogencarbonat über Carbamoylphosphat und Orotat

Abb. 5.31

[L253]

Synthese von CTP und dTMP aus UMP

Abb. 5.32

[L253]

Phosphorylierungen und Reduktion der Nucleotide

Abb. 5.33

[L253]

Entfernung der Hydroxygruppe durch die Ribonucleotid-Reduktase

Abb. 5.34

[L253]

Struktur von Folsäure und Bildung von Tetrahydrofolat

Abb. 5.35

[L253]

Folsäure bei der Synthese von dTMP

Abb. 5.36

[L253]

Purinabbau

Verschiedene RNAsRNAArten

Tab. 5.1
RNA Funktion
hnRNA/prä-mRNA (heterogeneous nuclear RNA) unmittelbares Produkt der Transkription
mRNA (messenger RNA) entsteht durch Reifung der prä-mRNA und wird bei der Translation als Vorlage zur Synthese des Proteins genutzt
tRNA (transfer RNA) bringt Aminosäuren zum Ribosom
rRNA (ribosomal RNA) Bestandteil der Ribosomen
snRNA (small nuclear RNA) Bestandteil des Spleißosoms, hilft bei der Reifung der prä-mRNA
miRNA (micro RNA) kann Abbau von mRNA auslösen und reguliert auf diese Weise die Proteinbiosynthese nach der Transkription

TranskriptionshemmstoffeTranskriptionHemmstoffe

Tab. 5.2
Hemmstoff Wirkweise Einsatz/Vorkommen
α-Amanitin hemmt vor allem RNA-Polymerase II und damit die Synthese von mRNAs
in höheren Konzentrationen auch Wirkung auf die RNA-Polymerase III
im Gift des Grünen Knollenblätterpilzes
Actinomycin D interkaliert DNA Zytostatikum (u. a. bei Sarkomen)
Gyrasehemmstoffe hemmen bakterielle Gyrase (entspricht Topoisomerase II) Antibiotikum (z. B. Chinolone)
Mitomycin C interkaliert DNA und verbindet Stränge kovalent miteinander Zytostatikum
Rifampicin hemmt bakterielle RNA-Polymerase Antibiotikum

RNA-PolymerasenRNA-Polymerase der Eukaryonten

Tab. 5.3
Enzym Funktion
RNA-Polymerase I synthetisiert den Großteil der rRNAs
RNA-Polymerase II synthetisiert die prä-mRNAs
RNA-Polymerase III synthetisiert die tRNAs, diverse kleine RNAs und die 5S-rRNA

TranslationshemmstoffeTranslationHemmstoffe

Tab. 5.4
Hemmstoff Mechanismus Vorkommen/Verwendung
Diphtherietoxin hemmt den Elongationsfaktor eEF-2 Toxin des Bakteriums Corynebacterium diphtheriae
Aminoglykoside hemmen 30S-Untereinheiten der Ribosomen Antibiotikum
Tetracycline hemmen 30S-Untereinheiten der Ribosomen Antibiotikum
Chloramphenicol hemmt 50S-Untereinheiten der Ribosomen Antibiotikum
Clindamycin hemmt 50S-Untereinheiten der Ribosomen Antibiotikum
Erythromycin hemmt 50S-Untereinheiten der Ribosomen Antibiotikum
Linezolid hemmt 50S-Untereinheiten der Ribosomen Antibiotikum
Lincomycin hemmt 50S-Untereinheiten der Ribosomen Antibiotikum

DNA-PolymerasenDNA-PolymeraseArten

Tab. 5.5
Prokaryonten Eukaryonten
DNA-Polymerase I DNA-Polymerase α (Primersynthese)
DNA-Polymerase II DNA-Polymerase β
DNA-Polymerase III (Replikation) DNA-Polymerase γ (DNA-Synthese in Mitochondrien)
DNA-Polymerase δ
DNA-Polymerase ɛ

Überblick über den Zellzyklus

Tab. 5.6
Phase Funktion Kontrollpunkt
G1 (Gap) Protein- und RNA-Synthese für die Verdopplung der DNA, Wachstumsphase ja
S (Synthese) Verdopplung der DNA nein
G2 (Gap) Kontrolle der DNA vor Mitose ja
Mitose Teilung der Zelle ja (Metaphasenkontrollpunkt)
G0 (Gap) gewebsspezifische Aufgaben nein

Übungstabelle: Verschiedene RNAs

Tab. 5.7
RNA Funktion
unmittelbares Produkt der Transkription
mRNA (messenger RNA) entsteht durch Reifung der prä-mRNA und wird bei der Translation als Vorlage zur Synthese des Proteins genutzt
tRNA (transfer RNA)
rRNA (ribosomal RNA)
Bestandteil des Spleißosoms, hilft bei der Reifung der prä-mRNA
miRNA (micro RNA)

Übungstabelle: Transkriptionshemmstoffe

Tab. 5.8
Hemmstoff Wirkweise Einsatz/Vorkommen
α-Amanitin
Actinomycin D interkaliert DNA
hemmen bakterielle Gyrase (entspricht Topoisomerase II)
Mitomycin C
Rifampicin Antibiotikum

Genetik

  • 5.1

    Wiederholung: Nucleotide, DNA und RNA143

  • 5.2

    Transkription149

  • 5.3

    Translation154

  • 5.4

    Replikation159

  • 5.5

    Zellzykluskontrolle164

  • 5.6

    Apoptose166

  • 5.7

    Nucleotidstoffwechsel168

  • 5.8

    Übungen178

In diesem Kapitel dreht sich alles um unsere ErbinformationErbinformation. Wir lernen, wie unsere genetische Information gespeichert ist, wie sie vervielfältigt werden kann und wie der Körper sie nutzt, um Proteine zu synthetisieren.

Wiederholung: Nucleotide, DNA und RNA

Nucleotide

Unsere Erbinformation ist in Form von DNA (Desoxyribonucleinsäure) im Zellkern gespeichert. Die DNA besteht aus Nucleotiden. Während alle NucleotideNucleotid gemeinsame Bausteine haben, können sie sich in ihrer NucleinbaseNucleinbase unterscheiden. PurinePyrimidineIn der DNA kommen in der Regel vier Basen vor. Sie heißen:
  • Adenin (A) und Guanin (G), sogenannte Purinbasen

  • Cytosin (C) und Thymin (T), sogenannte Pyrimidinbasen

Lerntipp

  • Purine haben einen kurzen Namen, aber ein großes Molekül. Bei Pyrimidinen ist es umgekehrt.

  • Zu den Pyrimidinen gehören die Basen, die ein y im Namen tragen.

Eine Base bildet zusammen mit einem Zucker (RNA: Ribose, DNA: 2-Desoxyribose) ein NucleosidNucleosid (Abb. 5.1; Abb. 5.2). Kommt dann noch ein Phosphatrest hinzu, spricht man von einem Nucleotid (z. B. AMP). ATP bezeichnet man, da nicht nur eine, sondern gleich drei Phosphatgruppen an den Zucker gebunden sind, i. d. R. nicht als Nucleotid, sondern als Nucleosidtriphosphat.

Für Ahnungslose

Und was wäre ADP? Ein Nucleosiddiphosphat!

Achtung

Nucleosid und Base haben nicht denselben Namen! Die Base Adenin ist Teil des Nucleosids Adenosin. Es heißt schließlich auch Adenosin-Triphosphat (Base + Zucker + 3 Phosphatreste) und nicht Adenin-Triphosphat (Base + 3 Phosphatreste).

Lerntipp

Wenn ihr euch nicht merken könnt, ob das Nucleotid oder das Nucleosid die Phosphatgruppe enthält, dann merkt euch:

Nucleotide enthalten Phosphat!

Als gelegentlich gefragten Fakt solltet ihr euch merken, dass die Bindung der Base an den Zucker über ein Stickstoffatom (N) vermittelt wird. Man spricht folglich von einer N-glycosidischen Bindung. Bei Pyrimidinderivaten wird diese Bindung über das N1-Atom, bei Purinderivaten über das N9-Atom vermittelt. Am Zucker ist immer das C1-Atom beteiligt (Abb. 5.1).

DNA

Mit unserem Wissen über Nucleotide können wir uns nun damit befassen, wie diese Nucleotide zu langen Strängen, der DNADNA, verknüpft werden. Dabei sind die Zucker an den OH-Gruppen ihres dritten und fünften C-Atoms über Phosphatbrücken miteinander verbunden. Am einen Ende des Strangs findet sich folglich eine freie 3'-OH-Gruppe, am anderen eine freie 5'-OH-Gruppe, sodass man die Enden unterscheiden und auch die Basenfolge auf dem Strang angeben kann (z. B. vom 5'- zum 3'-Ende).
Die DNA liegt aber in der Regel nicht als einzelner Strang, sondern als Doppelstrang vor. Dafür lagern sich zwei Stränge zusammen und gegenüberliegende Basen der beiden Stränge bilden Wasserstoffbrücken zueinander aus. Es können aber nur Wasserstoffbrücken zwischen bestimmten Basen ausgebildet werden (Abb. 5.3):
  • Adenin bildet zwei Wasserstoffbrücken zu Thymin.

  • Guanin bildet drei Wasserstoffbrücken zu Cytosin.

Folglich müssen zwei DNA-Stränge, damit sie einen Doppelstrang bilden können, komplementär sein, also zueinander passen.
Da G und C mehr Wasserstoffbrücken ausbilden als A und T, sollte klar sein, dass Regionen der DNA, in denen viel GC vorkommt, stabiler sind als solche, in denen vor allem AT vorliegt.

Lerntipp

Eine weit hergeholte, aber effektive Eselsbrücke: Die Buchstaben G und C sehen fast gleich aus. Ein G ist quasi ein C mit einem kleinen Strich am unteren Ende. Folglich sind G und C verwandt … und da Blut dicker als Wasser ist, bilden sie auch mehr Wasserstoffbrückenbindungen aus, die den Zusammenhalt stärken.

Für die Klausur

Zur Basenpaarung solltet ihr gerade im Hinblick auf das Physikum über zwei Dinge Bescheid wissen:

  • Da Adenin mit Thymin paart, kommen beide in einem DNA-Doppestrang gleich häufig vor. Dasselbe gilt für Guanin und Cytosin. Wenn ihr also wisst, dass der Anteil von Guanin in einem Doppelstrang bei 40 % liegt, könnt ihr davon ausgehen, dass der Cytosin-Anteil ebenfalls 40 % beträgt. Entsprechend bleiben für Adenin und Thymin noch je 10 %, sodass man auf insgesamt 100 % kommt (Chargaff-Regel).

  • Bei den Basen gibt es zudem eine besondere Form der Isomerie, auf die wir aber nicht im Detail eingehen wollen. Merkt euch einfach, dass Adenin und Cytosin in der Amino- sowie Thymin und Guanin in der Keto- bzw. Iminoform vorliegen müssen, um an ihre jeweiligen Partnerbasen binden zu können.

Der Doppelstrang liegt in unseren Zellen nicht linear, sondern als DoppelhelixDoppelhelix vor (Abb. 5.4). Die einzelnen Stränge sind umeinander gewunden. Das Rückgrat wird dabei von den Zuckern und den Phosphatgruppen gebildet (man spricht auch vom Zucker-Phosphat-Rückgrat), während die Basenpaare wie Sprossen einer Leiter die beiden Stränge miteinander verbinden.
Drei Fakten zur Doppelhelix:
  • Die Doppelhelix ist vorwiegend rechtsgängig (eine Ausnahme ist die Z-DNA).

  • Die Ganghöhe, also die Distanz, nach der sich die Helix einmal komplett gedreht hat, beträgt zehn Basenpaare.

  • An der Doppelhelix gibt es Lücken, die kleine und große Furche genannt werden. V. a. die große Furche wird gern von Transkriptionsfaktoren oder anderen Proteinen, die mit der DNA interagieren, als Anlagerungsstelle genutzt.

Wenn man nun einen Strang der Länge nach abliest, ergibt sich eine Basensequenz (z. B. ATTCGGG etc.). Diese Sequenz sagt den Ribosomen unserer Zelle, welche Aminosäuren sie zu einem Protein verknüpfen sollen. Allerdings codieren nicht alle Abschnitte unserer DNA für Proteine:
  • An den Telomeren und Zentromeren der Chromosomen findet sich repetitive DNA, die keine Informationen für die Synthese von Proteinen enthält. Übrigens: Je nach Quelle beträgt der Anteil repetitiver DNA an der gesamten Erbinformation bis zu 50 %.

  • Codierende Sequenzen (sogenannte Exons) werden oftmals durch Sequenzen unterbrochen, die nicht für eine Aminosäurensequenz codieren (sogenannte Introns). Mit Exons und Introns werden wir uns noch genauer beschäftigen.

Organisation des Chromatins – die Verpackung der DNA
So einen langen Faden im Zellkern unterzubringen, ist gar nicht so leicht. Die Zelle rollt diesen Faden deshalb auf. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der Organisation des ChromatinsChromatin (DNA + assoziierte Proteine; Abb. 5.5).

Für Ahnungslose

Was sind assoziierte Proteine? DNA-assoziierte Proteine sind Proteine, die mit der DNA interagieren. Man unterteilt diese Proteine grob in Histone, auf die wir gleich zu sprechen kommen, und Nicht-Histon-Proteine, z. B. Enzyme, die an der Vervielfältigung der DNA beteiligt sind.

Ihr könnt euch die Verpackung der DNA wie den Versuch, einen langen Faden aufzurollen, vorstellen. Wenn man einen Faden aufwickelt, wickelt man ihn am besten um einen Gegenstand herum. Im Zellkern handelt es sich bei diesem Gegenstand um globuläre Proteine, die HistoneHistone. Der DNA-Faden wickelt sich dabei rund 1¾-mal um ein Histon. Die Histone liegen allerdings nicht einzeln vor. Acht Histone bilden ein Oktamer. Die Gruppe der Histone lässt sich noch weiter unterteilen und ihr solltet wissen, dass ein Oktamer aus je zwei Histonen vom Typ H2a, H2b, H3 und H4 besteht. Wickelt sich nun die DNA um ein Histon-Oktamer, spricht man von einem NucleosomNucleosom. Was ist mit dem Histon H1? Histone vom Typ H1 stabilieren die DNA zwischen den Nucleosomen, die auch als Linker-DNA (Link = Verbindung) bezeichnet wird.

Lerntipp

Wenn ihr euch diesen Fakt schwer merken könnt, denkt an euren Nachbarn Heins Linker, der seinen Gartenschlauch aufwickelt.

Für Ahnungslose

Warum hält die DNA eigentlich an den Histonen? Das Phosphatrückgrat enthält negativ geladene Phosphatgruppen. Histone bestehen dagegen aus vielen basischen Aminosäuren (wie Lysin), die bei dem in der Zelle vorherrschenden pH-Wert positiv geladen sind, sodass es zu elektrostatischen Anziehungskräften zwischen Histonen und DNA kommt. Durch das Anhängen von funktionellen Gruppen (Methylierung, Acetylierung etc.) an die Histone können die Anziehungskräfte zwischen Histonen und DNA beeinflusst werden. Je stärker die Anziehungskräfte, desto schwerer wird es für die Enzyme, welche die DNA zur Synthese von RNA nutzen, den DNA-Strang zu binden. Histonmodifikationen können folglich auf das Ausmaß der RNA- bzw. Proteinsynthese Einfluss nehmen, was im Rahmen der EpigenetikEpigenetik zunehmend erforscht wird.

Das aufgelockerte Chromatin wird EuchromatinEuchromatin genannt, wohingegen eng gepacktes Chromatin als HeterochromatinHeterochromatin bezeichnet wird.

Kann man die DNA noch weiter kondensieren? Man kann! Packt man mehrere Nucleosomen zusammen, spricht man vom SolenoidSolenoid. Kurz bevor sich die Zelle teilt (Mitose), verdichtet sich das Chromatin noch weiter. Nun wird es sogar lichtmikroskopisch sichtbar. Man erkennt in der Regel 46 Strukturen (die DNA ist also nicht EIN langer Faden), die ChromosomenChromosomen genannt werden.

RNA

Die RNA (Ribonucleinsäure) istRNA in ihrem Aufbau der DNA weitgehend ähnlich – umso wichtiger ist es, die Unterschiede zu kennen (Abb. 5.6)!
  • Der Zucker der RNA-Nucleotide ist nicht die 2-Desoxyribose, sondern die Ribose. Daher stammt auch das R in RNA.

  • Die vier wichtigsten Basen der RNA sind Guanin, Cytosin, Adenin und Uracil (U). Thymin kommt in der RNA nicht vor. Es gibt auch sogenannte „seltene Basen“, die für ganz bestimmte Funktionen wichtig sind, auf die wir noch zu sprechen kommen.

  • Die RNA ist meistens einzelsträngig, wobei es auch hier gelegentlich Ausnahmen gibt.

Im Verlauf dieses Buchs werdet ihr auf verschiedene Arten von RNA stoßen, die deshalb für euch schon einmal in Tab. 5.1 übersichtlich zusammengefasst sind. Auf die Funktionen der einzelnen RNAs werden wir im Folgenden noch detaillierter eingehen.

Transkription

Unsere DNA codiert also durch ihre Basensequenz für Proteine (Abb. 5.7) … aber wie werden die synthetisiert? Mit diesem Vorgang, der Proteinbiosynthese, wollen wir uns jetzt befassen. Da die Proteine an den Ribosomen synthetisiert werden, muss unsere genetische Information zunächst irgendwie den Zellkern verlassen. Die Zelle nutzt dafür RNAs, und der Vorgang, bei dem diese gebildet werden, heißt TranskriptionTranskription. In diesem Kapitel werden wir uns genauer damit befassen, um uns danach dem Vorgang an den Ribosomen, der Translation, zu widmen.
Wir wollen also die Informationen der DNA irgendwie zu den Ribosomen bringen, damit ein Protein entstehen kann. Man könnte nun versuchen, das ganze Chromosom aus dem Zellkern zu schleifen. Aber wäre es nicht besser, man würde sich auf genau die Information beschränken, die auch wirklich gebraucht wird? Man könnte nun also das Gen herausschneiden, aber die Gefahr, dass dabei unser wertvolles Gen oder gar das Chromosom zerstört wird, ist zu groß. Die Lösung: eine Kopie des Gens, die den Kern verlassen kann, zum Ribosom gelangt, gelesen wird und dann vernichtet werden kann, ohne dass das ursprüngliche Gen in Gefahr gerät.
Die Transkription lässt sich in drei Abschnitte unterteilen:
  • 1.

    Initiation

  • 2.

    Elongation

  • 3.

    Termination

Für Ahnungslose

Was ist ein Gen? Ein GenGen ist ein Abschnitt der DNA, der für eine RNA codiert, die eine Funktion hat (Abb. 5.8). Entweder wird mithilfe der RNA ein Protein hergestellt oder sie erfüllt selbst Aufgaben, wie etwa die ribosomale RNA.

Um die RNA zu synthetisieren braucht es ein Enzym, die RNA-Polymerase. Diese bindet während der Initiation an die Promotorregion, die Bestandteil eines jeden Gens ist (Abb. 5.8). An dieser Bindung sind außerdem Transkriptionsfaktoren beteiligt, über die reguliert werden kann, wie häufig ein Gen transkribiert wird. Damit die RNA-PolymeraseRNA-Polymerase die DNA unseres Gens auch tatsächlich lesen kann, muss sie lokal den Doppelstrang trennen, denn es wird immer nur von einem einzelnen Strang abgelesen. Dieser wird auch Matrize oder codogener Strang genannt. Man bezeichnet die Fähigkeit, die Stränge zu trennen, als Helicase-Aktivität, da es ein Enzym namens DNA-Helicase gibt, das ebenfalls dazu in der Lage ist.

Für die Klausur

Was ist ein Promotor? Promotoren dienen der Regulation eines Gens. Sie liegen i. d. R. stromaufwärts (upstream) eines Gens und können Transkriptionsfaktoren binden. Ein besonders wichtiger Promotor ist die TATA-BoxTATA-Box (T und A stehen für die Basen Thymin und Adenin), da sie ausschlaggebend für die Bildung des Initiationskomplexes der Transkription (bestehend aus der RNA-Polymerase und einigen Transkriptionsfaktoren) ist.

Manchmal braucht ein Promotor ein bisschen Unterstützung, weshalb es vor oder nach ihm (up- oder downstream) Enhancer gibt, welche die Bindung von Transkriptionsfaktoren an den Promotor unterstützen. EnhancerEnhancer können auf dem Strang sogar relativ weit vom Promotor entfernt sein und werden erst durch Faltung der DNA in seine Nähe gebracht. Ihr solltet euch zudem merken, dass Enhancer zwar bei Eukaryonten (z. B. Mensch), nicht aber bei Prokaryonten (z. B. Bakterien) vorkommen.

Proteine, die mit DNA und RNA interagieren, verfügen dafür häufig über sogenannte Zinkfinger-DomänenZinkfinger-Domäne, die – wie der Name schon sagt – ein über eine koordinative Bindung gebundes Zink-Ion enthalten.

Für Ahnungslose

Gibt es noch andere Möglichkeiten, die Genaktivität zu regulieren? Ja, und zwar einige! Eine Möglichkeit besteht in der Methylierung der DNA. Außerdem können die Histone modifiziert werden. Neben der Methylierung solltet ihr in diesem Zusammenhang auch die Acetylierung kennen.

Die RNA-Polymerase kommt ohne die DNA-Helicase aus und trennt die Stränge selbst. Wenn ihr aber mal versucht, zwei verdrillte Schnüre aufzutrennen, indem ihr sie irgendwo in der Mitte auseinanderzieht, sollte euch auffallen, dass ihr zwar euer Ziel erreicht, die Verdrillung vor dem Bereich, in dem ihr zieht, jedoch nur noch schlimmer wird. Damit sich die RNA-Polymerase also weiterbewegen kann und die Stränge nicht zu sehr unter SpannungTopoisomerase geraten, gibt es zwei Enzyme, die Abhilfe schaffen:
  • Die Topoisomerase I schneidet einen der beiden Stränge durch, entzwirbelt ihn und knüpft ihn wieder zusammen.

  • Die Topoisomerase II spaltet den Doppelstrang, also beide Stränge, sorgt dafür, das alles gerade ist, und knüpft sie wieder zusammen. In Bakterien wird das Enzym, das diese Funktion übernimmt, Gyrase genannt. Sie ist die Zielstruktur einiger Antibiotika.

Spätestens jetzt ist die Initiation abgeschlossen und das Verknüpfen von Nucleotiden zur RNA, die Elongation, beginnt (Abb. 5.9). Die RNA-Polymerase nutzt dabei immer die 3'-OH-Gruppe der bestehenden Kette, um sie mit einem neuen Nucleotid zu verbinden. Folglich bleibt die 5'-OH-Gruppe des ersten Nucleotids dauerhaft frei. Man sagt deshalb, dass die RNA von 5' nach 3' synthetisiert wird. Das Ablesen des DNA-Strangs erfolgt deshalb natürlich in die entgegengesetzte Richtung (von 3' nach 5'). Beim Einbau der Nucleotide sucht sich die RNA-Polymerase immer ein komplementäres Nucleosidtriphosphat (wenn sie ein Guanin auf der DNA erkennt → CTP; wenn sie ein Adenin erkennt → UTP usw.), spaltet zwei Phosphatgruppen (Pyrophosphat) ab und knüpft die 3'-OH-Gruppe der bestehenden Kette über eine Esterbindung an das 5'-Phosphat des neuen Nucleotids. Die entstehende RNA-Kette wird als prä-mRNA (das „m“ steht für „messenger“) bzw. als hnRNA („hn“ steht für „heterogeneous nuclearheterogeneous nuclear RNA“) bezeichnet. Erreicht die RNA-Polymerase die Terminator-Region, die das Ende eines Gens markiert, dissoziiert die RNA-Polymerase von der DNA ab, was man als Termination bezeichnet.
Erinnert ihr euch noch daran, dass wir gesagt hatten, dass nur bestimmte Abschnitte unserer DNA, die Exons, für Proteine codieren? Ein Gen besteht aber sowohl aus Exons als auch aus nicht codierenden Introns. Was macht man nun? Die Introns rausschneiden! Das Ganze ist Teil der Reifung unserer prä-mRNA zur fertigen mRNA.

Reifung der prä-mRNA

Für die Klausur

Fakten zur Reifung bzw. zum Processing der prä-mRNA sind hochgradig prüfungsrelevant … hier lohnt es sich, Details zu lernen!

5'-Cap
Unsere frisch hergestellte prä-mRNA muss es nun aus dem Kern zum Ribosom schaffen – wenn möglich, ohne abgebaut zu werden. Dafür knüpft die Zelle an das 5'-Ende der prä-mRNA ein Nucleotid namens 7-Methyl-guanosin. Diese Gruppe wird als Cap und das Anheften der Gruppe als Capping bezeichnet. Die CapCap erfüllt gleich mehrere Funktionen:
  • Sie signalisiert der Zelle, dass die mRNA, welche die Kappe trägt, nicht abgebaut werden darf, sondern aus dem Kern ins Zytoplasma exportiert werden soll.

  • Außerdem interagiert die Cap mit dem Ribosom und sorgt dafür, dass die mRNA auch tatsächlich erkannt wird.

Wir haben gelernt, dass die RNA-Polymerase die RNA von 5' nach 3' synthetisiert. Folglich muss die Zelle nicht bis zum Ende der Transkription warten, um die Cap anzuheften, sondern kann das Ganze sogar zeitgleich (cotranskriptional) machen
Poly-A-Ende
Auch das 3'-Ende der mRNA muss vor dem Abbau geschützt werden. Dafür gibt es ein Enzym, das eine bestimmte Sequenz auf der prä-mRNA erkennt und dann 50–200 Adenosinreste anhängt.
Spleißen
Damit man auch wirklich von einer reifen mRNA sprechen kann, müssen noch die nicht codierenden Introns entfernt werden. Dies geschieht in einem Prozess, der Spleißen genannt wird. Das Spleißen geschieht an den SpleißosomenSpleißosomen. Dabei handelt es sich um Strukturen im Zellkern (also gewissermaßen ein Organell in einem Organell), die aus spezieller RNA (sogenannter small nuclear RNAsmall nuclear RNA) und Proteinen bestehen. Die Reaktionen am Spleißosom führen dazu, dass die Introns zunächst sogenannte Lasso-Strukturen bilden und dann abgespalten werden (Abb. 5.10).
Was passiert genau? Das Intron wird dazu gebracht, sich selbst zu binden. Dabei entsteht eine 2'-5'-Phosphodiesterbindung. Die 3'-OH-Gruppe des einen benachbarten Exons greift nun an der 5'-Phosphatgruppe des anderen benachbarten Exons an und schon ist das Intron abgespalten und die Exons sind neu verknüpft (Abb. 5.11). Die abgespaltenen Introns können sogar noch innerhalb des Kerns abgebaut werden und unsere fertige mRNA ist somit ein gutes Stück kürzer als die ursprüngliche prä-mRNA.

Transkriptionshemmstoffe

Die Transkription kann an verschiedenen Punkten gehemmt werden. Merkt euch zu den Transkriptionshemmstoffen in Tab. 5.2, wie sie wirken und als was sie genutzt werden!

Lerntipp

Wenn ihr Knollenblätterpize Mampft, könnt ihr keine MRNAs mehr machen.

Für Ahnungslose

Was bedeutet interkalieren? Wenn ein Stoff in die DNA interkaliert, bedeutet das zunächst nur, dass er sich in die DNA einlagert, ohne wirklich viel zu verändern. Problematisch wird das erst, wenn die DNA für Transkription oder Replikation entwunden werden muss, wobei es durch den Interkalator zu Fehlern und damit zu Mutationen kommen kann.

Exkurs: Operons in Bakterien

Die Erbinformation von Bakterien hat einige Eigenheiten, was aber eher Gegenstand der Biologie ist. An dieser Stelle nur so viel: In Bakterien wird nicht gespleißt (bakterielle DNA enthält keine Introns) und die Gene sind in Form von Funktionseinheiten organisiert, die Operons genannt werden und die Genaktivität regulieren. Wie funktioniert so ein OperonBakterienOperonOperon?
Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor. Zwischen dem Promotor des Gens und den Bereichen, welche die Proteine codieren, liegt ein DNA-Abschnitt, der Operator genannt wird. An diesen Bereich kann ein sogenannter Repressor binden und auf diese Weise die Arbeit der RNA-Polymerase blockieren. Der Repressor kann natürlich gehemmt werden, sonst könnte keine Transkription stattfinden. Beispielsweise kann der Zucker Lactose den Repressor für die Enzyme, die zum Lactoseabbau notwendig sind, hemmen. Diese werden dann synthetisiert und die Lactose kann abgebaut werden. Das hat natürlich den Vorteil, dass die Zelle in Abwesenheit von Lactose diese Enzyme nicht synthetisiert und keine Ressourcen verschwendet (Abb. 5.12).
Operons sind in einigen Bakterien auch für die Resistenz gegen bestimmte Antibiotika bedeutsam: Sie besitzen ein Resistenzgen gegen das Antibiotikum Tetracyclin. Die Translation dieses Gens in ein Protein wird aber normalerweise von einem Repressor (der an die Operator-DNA bindet) unterdrückt. Gelangt jedoch Tetracyclin in die Zelle, bindet es an den Repressor und die Resistenzgene werden synthetisiert, sodass das Bakterium die Antibiotikatherapie übersteht.
Bei manchen Operons gibt es zudem intrazelluläre Signale, die in Abwesenheit des eigentlichen „Repressor-Hemmstoffs“ (Lactose etc.) die Transkription initiieren können.

Translation

Die reife mRNA verlässt nun den Zellkern und gelangt ins Zytoplasma. Dort lagern sich eine große und eine kleine ribosomale Untereinheit an der mRNA zusammen und bilden ein Ribosom. Doch bevor wir uns mit der eigentlichen Synthese des Proteins, der TranslationTranslation, befassen, müssen wir zunächst verstehen, wie die genetische Information codiert ist.

Genetischer Code

Die Code, genetischerRibosomen lesen die Sequenz der mRNA immer in Päckchen aus drei Basen, sogenannten Tripletts bzw. Codons. Jedes CodonCodon steht dabei für eine bestimmte Aminosäure; z. B. sagt die Basenfolge AUG dem Ribosom, dass nun Methionin ins Protein eingebaut werden muss. Dabei werden viele Aminosäuren durch mehrere Codons codiert.

Für Ahnungslose

Warum sind oft mehrere Codons einer Aminosäure zugeordnet? Weil es mehr Kombinationsmöglichkeiten als proteinogene Aminosäuren gibt. In einem Triplett kann an jeder Position eine der vier Basen der RNA stehen.

Folglich existieren 4×4×4, also 64 Kombinationsmöglichkeiten. Da es beim Menschen nur 21 proteinogene Aminosäuren gibt, können wir eine Aminosäure mehrfach codieren.

Ihr müsst natürlich nicht alle Codons auswendig können, denn dafür gibt es Code-SonnenCode-Sonne. Liest man sie von innen nach außen, erhält man die Basensequenz, welche die jeweilige Aminosäure codiert. Einige Codons muss man allerdings erkennen können – und zwar die, die dem Ribosom sagen, dass es loslegen muss, und die, bei denen das Ribosom weiß, dass die Arbeit getan ist:
  • Das Codon AUG steht für die Aminosäure Methionin und signalisiert dem Ribosom, dass jetzt die Sequenz der mRNA beginnt, auf deren Grundlage das Protein synthetisiert wird. Man bezeichnet AUG deshalb auch als Startcodon.

  • Die Stoppcodons signalisieren dem Ribosom, dass es nun keine Aminosäuren mehr verknüpfen muss; entsprechend codieren sie auch für keine Aminosäure. Es gibt drei Stoppcodons: UGA, UAA und UAG.

Lerntipp

AUf Geht's MEhr Protein! Das Startcodon AUG codiert für MEthionin!

Für Ahnungslose

Wenn der Start der Translation durch das Codon AUG markiert wird und AUG für Methionin steht, müsste jedes Protein unserer Zellen mit Methionin beginnen, oder? Nein, denn die Proteine werden nach der Translation noch verändert (posttranslational modifiziert). Dabei können unter anderem einzelne Aminosäuren oder ganze Sequenzen abgespalten werden, sodass es in unseren Zellen nicht ganz so eintönig aussieht.

Der genetische Code verfügt zudem über einige Eigenschaften, die man nennen und grob erläutern können sollte. Der genetische Code ist …
  • Universell: Egal ob Pflanze, Mensch oder Bakterie – die Zuordnung von Aminosäuren zu Basentripletts ist die gleiche. Lediglich die mitochondriale DNA, auf die wir in diesem Kapitel noch zu sprechen kommen, enthält einige kleine Abweichungen.

  • Degeneriert: Dieser Begriff bezeichnet die Tatsache, dass eine Aminosäure in der Regel durch mehrere Tripletts codiert wird.

Andere Eigenschaften des genetischen Codes sind mit Sicherheit ebenfalls interessant, aber normalerweise nicht prüfungsrelevant.

Für die Klausur

Gelegentlich wird nach dem Einbau der Aminosäure SelenocysteinSelenocystein gefragt. Sie wird durch das Codon UGA codiert. UGA ist eigentlich ein Stoppcodon und Stoppcodons beenden normalerweise die Translation, ohne dass eine weitere Aminosäure eingebaut wird. Bildet die mRNA aber eine spezielle Hairpin-Struktur – also Haarnadelstruktur – aus, veranlasst UGA keinen Stopp, sondern den Einbau von Selenocystein.

tRNA

Damit das Ribosom nun anhand der mRNA Aminosäuren aneinander knüpfen kann, müssen die Aminosäuren erst einmal zu ihm gelangen. Hierfür gibt es spezielle transfer RNARNAs, die tRNAs. Das T steht dabei aber nicht etwa für „Translation“ oder ihre Struktur (die wird nämlich als „kleeblattartig“ bezeichnet), sondern für „transfer“, also ihre Funktion. Jede tRNA wird von einem Enzym namens Aminoacyl-tRNA-Synthetase mit einer Aminosäure beladen. Das Ganze funktioniert folgendermaßen:
  • 1.

    Zuerst muss die Aminosäure aktiviert werden. Dafür werden 2 Phosphatgruppen von einem ATP abgespalten und das verbleibende AMP an die Aminosäure gekoppelt. Man spricht von Aminoacyl-AMP.

  • 2.

    Im zweiten Schritt wird AMP abgespalten und die Aminosäure mit dem 3'-Ende der tRNA verestert. Das Produkt ist die beladene Aminoacyl-tRNA.

Übrigens: Aminosäuren werden immer mit dem 3'-Ende der tRNA verknüpft, an dem auch immer dieselbe Basenfolge vorliegt: CCA.

Lerntipp

Das 3'-OH-Ende einer tRNA kann Aminosäuren tragen: 3'-OH Can Carry Aminos.

Aber Achtung: Nicht jede Aminosäure passt zu jeder tRNA. Auf der tRNA gibt es nämlich auch bedeutsame Tripletts, sogenannte Anticodons. Diese AnticodonsAnticodon sind komplementär zu den Codons auf der mRNA (Abb. 5.13). Entsprechend wird also die tRNA, die das passende Anticodon zu AUG (UAC) enthält, mit Methionin beladen (schließlich codiert AUG für Methionin; Abb. 5.14). Heißt das, dass es auch 61 verschiedene tRNAs geben muss (für jedes Codon eine)? Nein, denn die dritte Base des Anticodons muss nicht zu 100 % komplementär zu dem Codon auf der mRNA sein. Auch seltene Basen (z. B. Hypoxanthin) können dritte Base eines Anticodons sein, sodass eine tRNA an mehrere Codons (die natürlich für dieselbe Aminosäure codieren) binden kann und es letztlich nicht mehr als 41 verschiedene tRNAs gibt. Diese Erklärung wird auch als Wobble-Hypothese (wobble = wackeln) bezeichnet.

Für Ahnungslose

Warum sollte es ohne Wobble-HypotheseWobble-Hypothese 61 verschiedene tRNAs geben? 4×4×4 = 64 Kombinationsmöglichkeiten minus die drei nichtcodierenden Stoppcodons = 61.

Exkurs: Ribosom

Bevor wir zur eigentlichen Translation kommen, ein kleiner Exkurs zum Organell, an dem sie sich abspielt.
RibosomenRibosom setzen sich aus Proteinen sowie einer speziellen Sorte RNA, der ribosomalen RNA (rRNA), zusammen (Kap. 2.3.5). Man bezeichnet sie deshalb auch als Ribonucleoproteine. Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, die sich nur dann zusammenlagern, wenn ein Protein synthetisiert werden soll. Ansonsten „ruhen“ beide dissoziiert im Zytoplasma. Man unterscheidet zwischen kleiner (40S) und großer (60S) Untereinheit. Beide Untereinheiten zusammen bilden dann das 80S-Ribosom.
In Prokaryonten und Mitochondrien finden sich dagegen 70S-Ribosomen. Auch diese bestehen aus einer kleinen (30S) und einer großen (50S) Untereinheit.
Übrigens: Bei den Eukaryonten enthält die große Untereinheit der Ribosomen eine 28S-, eine 5S- und eine 5,8S-rRNA. Die kleine Untereinheit enthält eine 18S-rRNA.

Translation

Die eigentliche TranslationTranslation kann man, wie die Transkription auch, in drei Teile unterteilen:
  • 1.

    Initiation mit Bildung des Initiationskomplexes

  • 2.

    Elongation (Abb. 5.15)

  • 3.

    Termination

Für die Translation gilt grundsätzlich: Die kleine ribosomale Untereinheit erkennt und die große Untereinheit verknüpft!
  • 1.

    Damit sich der Initiationskomplex zusammenlagern kann, braucht es:

    • Die beiden ribosomalen Untereinheiten

    • mRNA

    • Initiationsfaktoren wie den eukaryontischen Initiationsfaktor 2 (eIF-2)

    • Eine Starter-tRNA, deren Anticodon zum Startcodon AUG passt und die mit Methionin beladen ist

Die 5'-Cap der mRNA wird von der kleinen Untereinheit erkannt und die mRNA gebunden. Zusätzlich lagern sich die Starter-tRNA und eIF-2, der GTP gebunden hat, an. Dann wird das GTP an eIF-2 hydrolysiert, was zur Zusammenlagerung der beiden ribosomalen Untereinheiten führt. Das Ribosom ist nun einsatzbereit und mit Methionin ist auch schon die erste Aminosäure unseres zukünftigen Proteins vorhanden, sodass es mit der Elongation weitergehen kann.
  • 1.

    Das Ribosom besitzt drei Stellen für tRNAs:

    • Die Akzeptorstelle oder Aminoacylstelle (A-Stelle) liegt auf der Seite, von der die mRNA ins Ribosom gezogen wird.

    • Die Peptidylstelle (P-Stelle) befindet sich weiter im Inneren des Ribosoms.

    • Die Exitstelle (E-Stelle) bindet eigentlich keine tRNAs, sondern ist der Ort, an dem diese das Ribosom verlassen.

Nach der Initiation liegt die tRNA mit dem Methionin an der P-Stelle.
  • 1.

    Nun bindet eine zum nächsten Codon passende Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle. Diese Bindung wird durch einen eukaryontischen Elongationsfaktor (eEF) ermöglicht, der dabei ein GTP zu GDP spaltet.

  • 2.

    Anschließend knüpft die große Untereinheit eine Peptidbindung zwischen den beiden Aminosäuren (Peptidyltransferase-Aktivität). Dabei greift die Aminogruppe der an der A-Stelle gebundenen Aminosäure die Esterbindung (zwischen tRNA und Aminosäure) der an der P-Stelle gebundenen Aminosäure an. Die entstehende Aminosäurekette hängt deshalb an der A-Stelle.

  • 3.

    Nun wird die tRNA, die gerade ihre Aminosäure abgegeben hat, abgespalten und das Ribosom rutscht auf der mRNA in 3'-Richtung weiter. Die tRNA, welche die entstehende Peptidkette trägt, rutscht von der A- an die P-Stelle. Auch für diesen Schritt ist ein eukaryontischer Elongationsfaktor, der GTP hydrolysiert, notwendig. Nun ist der Ausgangszustand wiederhergestellt und die nächste beladene tRNA kann an die A-Stelle binden (Abb. 5.15).

  • 4.

    Gelangt das Ribosom an ein Stoppcodon, wird keine tRNA, sondern ein eukaryontischer Release Factor (eRF) gebunden und das Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten. Das Protein ist fertig und steht ggf. für sogenannte posttranslationale Modifikationen bereit.

Übrigens: Die Translation, die ihr gerade kennengelernt habt, ist die der Eukaryoten. Bei Prokaryoten gibt es einige Unterschiede, auch wenn das Grundprinzip (Proteinsynthese mit Ribosom, mRNA und beladenen tRNAs) dasselbe ist.
Zudem haben wir in diesem Kapitel einige RNAs kennengelernt. Für die verschiedenen RNAs gibt es teilweise verschiedene RNA-Polymerasen; bei Eukaryonten sind es drei (Tab. 5.3).

Posttranslationale Modifikation

Informationen zu den möglichen posttranslationalen Modifikationen, die ein Protein erfahren kann, findet ihr in Kap. 6.1.

Translationshemmstoffe

Wenn die TranslationTranslationHemmstoffe gehemmt wird, kann die Zelle weniger oder im schlimmsten Fall gar keine Proteine synthetisieren. Dass das für Zellen nicht gut ist, erklärt sich von selbst. Einerseits können wir die gezielte Hemmung der Translation in Form von AntibiotikaAntibiotika nutzen, um uns gegen Bakterien zu wehren, andererseits gibt es aber auch Bakterien, die Translationshemmstoffe gegen unsere Körperzellen einsetzen. Ihr seht: In unserem Körper wird mit harten Bandagen gekämpft – und die wichtigsten Vertreter solltet ihr kennen (Tab. 5.4).

Für die Klausur

Da die Translationshemmstoffe, die wir als Antibiotika einsetzen, nur an 30S- bzw. 50S-Untereinheiten, also an den Ribosomen der Prokaryonten, wirken, könnte man meinen, dass diese Antibiotika die Zellen unseres Körpers schonen und keine unerwünschten Nebenwirkungen zeigen. Spätestens beim Blick auf die Packungsbeilage von Aminoglykosiden werdet ihr merken, dass dem nicht so ist. Das liegt daran, dass auch unsere körpereigenen Zellen über 70S-Ribosomen verfügen, und zwar in den Mitochondrien (die waren schließlich einmal eigenständige Prokaryonten).

Ihr solltet wissen, an welcher Untereinheit die Translationshemmstoffe ansetzen. Denkt deshalb daran, dass man Aktien immer zu einem höheren Preis verkaufen soll, als man sie eingekauft hat:

Buy AT 30 CCELL (sell) at 50

Aminoglykoside und Tetracycline hemmen die 30S-Untereinheit, Chloramphenicol, Clindamycin, Erythromycin, Linezolid und Lincomycin wirken an der 50S-Untereinheit.

Replikation

Transkription und Translation sind gewissermaßen das Tagesgeschäft der Zelle. Manchmal ist es aber nötig, dass sich eine Zelle teilt. Bevor es aber zur Teilung kommen kann, muss die DNA der Zelle verdoppelt werden, damit beide Tochterzellen über eine komplette Erbinformation verfügen. Diese Verdopplung des Genoms einer Zelle passiert im Rahmen der ReplikationDNAReplikation. Es gibt einige Parallelen zur Transkription (Abb. 5.7); allerdings ist die Sache hier etwas komplizierter (Abb. 5.16): Da wir nicht nur ein vergleichsweise kurzes Gen kopieren müssen, sondern das gesamte Genom einer Zelle, braucht es in jedem Fall mehrere Enzyme, von denen jedes an einem anderen Ort beginnt zu arbeiten. Diese Orte werden Origins of Replication (ORI)Origin of Replication genannt – beim Bakteriengenom reicht oft nur ein einzelner ORI.
Das Enzym, das die DNA repliziert, heißt DNA-PolymeraseDNA-Polymerase. Im Gegensatz zur RNA-Polymerase ist sie aber nicht in der Lage, den DNA-Doppelstrang zu entwinden, besitzt also keine Helicase-Aktivität. Glücklicherweise gibt es aber ein anderes Enzym, das die DNA-Stränge trennen kann, und es heißt passenderweise … DNA-HelicaseDNA-Helicase. Dieses Enzym trennt nun also die Stränge wie einen Reißverschluss. Aufgrund des Aussehens der teilweise getrennten Stränge spricht man auch von ReplikationsgabelnReplikationsgabel. Damit die Einzelstränge nicht wieder spontan Wasserstoffbrückenbindungen zueinander ausbilden und sich zusammenlagern (der Fachbegriff dafür lautet „AnnealingAnnealing“), gibt es Proteine, die Single-Stranded Binding Proteins genannt werden und die getrennten Stränge stabilisieren.
Es gibt noch einen weiteren Unterschied zwischen DNA- und RNA-Polymerase. Während die RNA-Polymerase sofort anfangen kann, Nucleotide zu einem RNA-Molekül zu verknüpfen, benötigt die DNA-Polymerase eine kurze RNA-Sequenz (Primer), um daran anzuknüpfen. Das Enzym, das die Primer synthetisiert, trägt beim Prokaryonten den treffenden Namen Primase. Beim Eukaryonten übernimmt die DNA-Polymerase α die Synthese der Primer.
Nun gibt es ein kleines Problem: Die Helicase läuft den Doppelstrang in eine Richtung ab und trennt ihn dabei auf. Die DNA-Polymerase kann aber die Nucleotide, wie die RNA-Polymerase auch, nur von 5' nach 3' verknüpfen. Entsprechend kann sie nur an einem Strang der Helicase folgen und kontinuierlich Nucleotide aneinanderhängen. Den Strang, an dem diese kontinuierliche DNA-Synthese erfolgt, bezeichnet man als Leitstrang (Abb. 5.17).
Am anderen Strang, dem Folgestrang, ist die Sache nicht ganz so einfach (Abb. 5.17): Die DNA-Polymerase kann auch hier nur von 5' nach 3' arbeiten und läuft entgegengesetzt zur Helicase. Folglich stößt sie ziemlich bald auf den noch nicht getrennten DNA-Doppelstrang und kann nicht weiterarbeiten. Die Lösung: Sobald die Helicase weitergewandert ist, wird dort ein Primer synthetisiert und die DNA-Polymerase verbindet so lange Nucleotide, bis sie auf das Fragment trifft, das sie davor synthetisiert hat.
Es entstehen also lauter Fragmente aus DNA, die von den RNA-Primern unterbrochen sind. Man bezeichnet sie auch als Okazaki-FragmenteOkazaki-Fragmente. Beim Eukaryonten sind die Okazaki-Fragmente zwischen 1 000 und 2 000 Nucleotide lang, beim Prokaryonten sind sie kürzer. Zum Abschluss der Replikation werden die Primer entfernt und durch DNA ersetzt. Nun müssen noch sämtliche Fragmente verbunden werden, was Aufgabe der DNA-LigaseDNA-Ligase ist.
Die neu synthetisierten Doppelstränge bestehen also zu einer Hälfte aus neu synthetisierter DNA, zur anderen Hälfte aus dem alten Strang, der bei der Replikation als Matrize gedient hat. Man bezeichnet den Replikationsmechanismus deshalb auch als semikonservativ (Abb. 5.18).

Telomere

Ihr habt bereits von den TelomereTelomeren gehört. Bei den Telomeren handelt es sich um repetitive DNA an den Enden der Chromosomen, welche die „wichtigen“ Bestandteile des Genoms schützt. Warum ist das notwendig? Wie wir wissen, benötigen die DNA-Polymerasen ein freies 3'-OH-Ende (entweder von einem Primer oder von bestehender DNA), um weiter Nucleotide anzuknüpfen. Wir wissen auch, dass bei der Replikation am Folgestrang mit Primern gearbeitet wird. Stellen wir uns nun das 5'-Ende der Kopie des Folgestrangs vor. An dieser Stelle muss ein Primer sitzen, damit die DNA-Polymerase arbeiten kann. Da Primer aber aus RNA bestehen, muss dieser noch entfernt und durch DNA ersetzt werden. Wird der Primer entfernt, ist aber nur ein 5' Ende an der neu synthetisierten DNA vorhanden, sodass die DNA-Polymerase die entstehende Lücke nicht auffüllen kann. Folglich entstehen bei jeder Replikation Kopien, die um ein paar Basenpaare kürzer sind als die Matrizen (Abb. 5.19). Solange diese Verkürzung nur die Telomere betrifft, ist das kein Problem. Wenn die Telomere aber eine kritische Länge unterschreiten, sodass die codierende DNA beschädigt werden könnte, geht die Zelle in der Regel in die Apoptose. Die Lebensdauer einer Zelle ist sozusagen in der Länge ihrer Telomere vorprogrammiert.
Was ist mit Zellen, die in der Lage sein müssen, sich sehr oft zu teilen, wie die des Knochenmarks? In diesen Zellen ist ein Enzym namens Telomerase aktiv, das die Telomere verlängern kann. Die Telomerase besteht aus einem Protein- und einem RNA-Anteil. Die RNA der Telomerase enthält eine Sequenz, die komplementär zu derjenigen der Telomere ist. Die Telomerase nutzt sie als Matrize und kann auf diese Weise die Telomere synthetisieren bzw. verlängern. Sie schreibt also gewissermaßen von sich selbst ab. Da die Telomerase RNA als Matrize verwendet und DNA herstellt, bezeichnet man sie auch als RNA-abhängige DNA-Polymerase oder Reverse TranskriptaseReverse Transkriptase (RT).

Für Ahnungslose

RNA-abhängige DNA-Polymerasen nutzen RNA als Vorlage und synthetisieren DNA. Unsere DNA-Polymerasen aus der Replikation sind DNA-abhängige DNA-Polymerasen, denn sie nutzen DNA als Matrize, um DNA zu synthetisieren. Wie schaut es mit den Enzymen aus, die unsere mRNAs erstellen? Es sind DNA-abhängige RNA-Polymerasen.

Auch in Krebszellen ist die Telomerase aktiv; ansonsten wäre es ihnen nicht möglich, sich so oft zu teilen.

DNA-Polymerasen

An der Replikation der DNA sind bei Pro- und Eukaryonten unterschiedliche Enzyme beteiligt. Ein Beispiel ist die Existenz einer Primase im Komplex mit der Helicase bei Prokaryonten, wohingegen sie bei Eukaryonten Teil der DNA-PolymeraseDNA-Polymerase α ist. Um die Verwirrung noch zu steigern, verfügen auch Prokaryonten über mehrere DNA-Polymerasen, von denen aber nur eine vorwiegend an der DNA-Synthese beteiligt ist. In Tab. 5.5 erhaltet ihr deshalb einen Überblick über einige der relevanten DNA-Polymerasen. Das bedeutet aber nicht, dass ihr diese Informationen im Detail für eure Klausur parat haben müsst, denn die Funktionen der Enzyme zeigen Überschneidungen und werden gerade bei Eukaryonten noch kontrovers diskutiert.

Achtung

Verwechselt bitte nicht die drei DNA-Polymerasen der Prokaryonten mit den RNA-Polymerasen bei Menschen (die werden schließlich auch durchnummeriert)!

DNA-Reparatur

Bei der DNAReparaturReplikation der drei Milliarden Basenpaare unseres Genoms kann natürlich auch der ein oder andere Fehler passieren. Damit aber nicht mit jeder Verdopplung der DNA eine minderwertige Kopie entsteht, besitzen bereits die DNA-Polymerasen die Fähigkeit zum Korrekturlesen und beseitigen zumindest einige ihrer Fehler.
Es gibt aber noch eine Vielzahl anderer Reparaturmechanismen. Grundsätzlich ist es für die Zelle natürlich günstig, wenn nur ein Strang Schaden genommen hat, sodass das Reparaturenzym den anderen als Matrize nutzen kann. Das heißt aber nicht, dass die Zelle keine Möglichkeit hat, auf einen Doppelstrangbruch zu reagieren. Das Risiko, dass die DNA einen bleibenden Schaden davonträgt, ist dann allerdings höher.
Ein gern gefragtes Prinzip ist das der ExzisionsreparaturExzisionsreparatur bei Einzelstrangbrüchen (Abb. 5.20):
  • 1.

    Die veränderte/falsche Base oder gleich das gesamte Nucleotid wird entfernt. Teilweise lassen die Enzyme einen Sicherheitsabstand und schneiden gleich benachbarte Basen mit heraus.

  • 2.

    Eine DNA-Polymerase synthetisiert die Sequenz neu und nutzt dafür den unbeschädigten Strang als Matrize.

  • 3.

    Eine DNA-Ligase verbindet das neu synthetisierte Fragment mit dem restlichen Strang.

Der genaue Reparaturmechanismus ist dabei sehr variabel. Manche Enzyme erkennen Änderungen in der Konformation, also Verformungen des DNA-Strangs, die durch falsche Basen verursacht werden. Andere erkennen Basen, die in der DNA nicht vorkommen, oder gleichen die Informationen der beiden Stränge miteinander ab. Auch der Reparaturmechanismus selbst ist nicht immer gleich: Bei der Basenexzisionsreparatur werden nur Basen, bei der Nucleotidexzisionsreparatur gesamte Nucleotide entfernt.
Übrigens: Ihr seht, wie wichtig die DNA-Ligase für die Replikation und Reparatur unserer DNA ist. Haben Patienten Probleme, funktionstüchtige DNA-Ligase zu bilden (etwa durch eine Mutation), spricht man von DNA Ligase I Deficiency. Betroffene Personen fallen durch eine Immunschwäche und erhöhte Sensibilität gegenüber Mutagenen auf.

Für die Klausur

Eine prüfungsrelevante Erkrankung, die durch einen Defekt der Nucleotidexzisionsreparatur-Enzyme verursacht wird, ist Xeroderma pigmentosumXeroderma pigmentosum (Mondscheinkrankheit), bei der die Patienten v. a. den Kontakt mit UV-Strahlung vermeiden müssen.

Fehler in der DNA können natürlich nicht nur bei der Replikation, sondern auch durch eine Mutation entstehen (Abb. 5.21). Während die genaue Systematik von MutationenDNAMutationen in der Biologie besprochen wird, solltet ihr euch in der Biochemie zumindest ein paar wichtige Beispiele merken:
  • Die spontane Desaminierung, also die Abspaltung einer Aminogruppe, von Cytosin (zu Uracil) oder von Adenin (zu Hypoxanthin) braucht keinen konkreten Auslöser, sondern passiert – wie der Name schon sagt – spontan. Die Reparatur gestaltet sich i. d. R. nicht schwierig: Da weder Uracil noch Hypoxanthin in der DNA vorkommen, werden sie erkannt und ersetzt.

  • UV-Strahlung kann dazu führen, dass sich zwischen zwei benachbarten Thymin-Basen kovalente Bindungen ausbilden. Es entsteht ein Ring aus vier C-Atomen (Cyclobutanring) und beide Basen sind zu einem Thymin-Dimer verbunden. Dieses Dimer kann durch ein Enzym namens Photolyase gespalten werden (Abb. 5.22). Dieses benötigt dafür die Energie aus Licht.

Lerntipp

UV-Licht verursacht Thymindimere und die Photolyase nutzt Licht, um sie wieder zu beseitigen!

  • Unter Umständen kann auch mal eine Purinbase von ihrem Zucker abgespalten werden. Man spricht von Depurinierung. Eine Abspaltung von Pyrimidinbasen findet dagegen kaum statt.

  • Auch bei der Methylierung der DNA (die eigentlich ein normaler Bestandteil der Genregulation ist) kann es zu Fehlern kommen, insbesondere bei der Replikation von methylierter DNA, wie in Abb. 5.22 am Beispiel von O6-Methylguanin gezeigt wird.

Zellzykluskontrolle

Zellen entstehen durch Zellteilung und können durch Zellteilung weitere Nachkommen bilden. Es ist nur logisch, diesen Prozess als Kreislauf, den ZellzyklusZellzyklus, darzustellen (Tab. 5.6).
Wir wollen an dieser Stelle nur die Grundlagen zum Zellzyklus besprechen und uns dann seiner Kontrolle widmen, bevor wir uns im nächsten Kapitel anschauen, was passiert, wenn ein nicht mehr zu reparierender Schaden entdeckt wurde.

G0/G1-Phase

Wenn wir uns eine Zelle vorstellen, die gerade durch Zellteilung (Mitose) entstanden ist, hat diese Zelle zwei Möglichkeiten:
  • Hat unsere Zelle nicht das Ziel, sich noch einmal zu teilen, tritt sie in die sogenannte G0-Phase ein. Die G0-PhaseZellzyklusG0-Phase stellt gewissermaßen den „Austritt“ aus dem Zellzyklus dar. Die Zelle geht zwar noch ihren Funktionen nach, trifft aber keine Vorbereitungen, um sich weiter zu vermehren. In machen Geweben verharren die Zellen, egal was passiert, in der G0-Phase und gehen ihren Aufgaben stur nach, bis sie sterben (man spricht von terminaler Differenzierung). Andere Zellen sind da flexibler: Sie können bei Bedarf (z. B. wenn Zellen in der Nachbarschaft geschädigt werden oder sterben) aus der G0-Phase in den Zellzyklus zurückkehren und sich weiter teilen.

  • Nehmen wir an, unsere Zelle will sich sofort weiter teilen oder hat sich nach einem kurzen Ausflug in die G0-Phase wieder besonnen. Sie tritt nun in die G1-PhaseZellzyklusG1-Phase ein, die das Ziel hat, die Verdopplung der DNA zu ermöglichen. Diese Verdopplung ist notwendig, damit beide Tochterzellen, die bei der Mitose entstehen, über eine vollständige Erbinformation verfügen.

    Den Abschluss der G1-Phase bildet der sogenannte G1-Kontrollpunkt. Ihr könnt euch vorstellen, dass in der langen G1-Phase viel schiefgehen kann. Es wäre ziemlich problematisch, wenn Mutationen in der DNA, die während dieser Phase entstanden sind, in der anschließenden Synthesephase verdoppelt werden, sodass beide Tochterzellen die fehlerhafte DNA in sich tragen. Aus diesem Grund prüft die Zelle am Ende der G1-Phase, ob alles stimmt. Wird die Zelle für würdig befunden, bekommt sie ein Signal und darf den Zellzyklus weiter durchlaufen. Finden sich Fehler, muss die Zelle in die G0-Phase eintreten oder es kommt zum kontrollierten Zelltod, der Apoptose (Kap. 5.6)

Für Ahnungslose

Wofür steht das G? Unsere DNA verdoppelt sich nicht von selbst, sondern braucht dafür, wie eigentlich für alle ihre Aktivitäten, Enzyme. Auch die Bestandteile des Spindelapparats müssen im Hinblick auf die Mitose synthetisiert werden. Entsprechend wird während der G1-Phase sehr viel RNA und Protein synthetisiert. Das G steht übrigens für „Gap“, also Lücke. Eine hohe Proteinsyntheserate lässt sich von außen nämlich relativ schwer erkennen, sodass man früher nicht wusste, was die Zelle während dieser Zeit macht.

S-Phase

Der nächste Schritt ist die ZellzyklusS-Phasesogenannte Synthese-Phase. Hier kommt es zur Verdopplung der DNA, der Replikation, die wir bereits besprochen haben.

G2-Phase

Da auf die G2-PhaseZellzyklusG2-Phase die Mitose folgt, muss die Zelle in diesem Abschnitt des Zellzyklus sämtliche Vorbereitungen abschließen. Dazu gehört auch, sicherzustellen, dass die DNA der Zelle nach wie vor fehlerfrei vorliegt. Es ist also Zeit für einen weiteren Kontrollpunkt, um zu entscheiden, ob sich die Zelle endlich teilen darf.

Mitose

Endlich teilt sich die Zelle. ZellzyklusMitoseAuch während der MitoseMitose gibt es einen Kontrollpunkt. Er überwacht unter anderem die Trennung der 2-Chromatid-Chromosomen und wird Metaphasen-Kontrollpunkt genannt.

Merke

Gelegentlich wird auch der Begriff Interphase verwendet. Damit bezeichnet man die Phase zwischen (daher der Name) den Zellteilungen. Anders gesagt: G1-, S-, und G2-Phase kann man als InterphaseInterphase zusammenfassen.

Kontrollmechanismen

Jetzt wissen wir grob, wie der ZellzyklusZellzyklusKontrollmechanismen abläuft, und kennen auch schon die drei Kontrollpunkte, sodass wir uns nun anschauen können, wie die Kontrolle des Zellzyklus im Detail abläuft.
Es gibt zwei Proteinfamilien, die ihr in diesem Zusammenhang kennen solltet – die Cycline und die Cyclin-abhängigen Kinasen (CDKs = Cyclin-Dependent KinasesCyclin-Dependent Kinases). Namensgebend für die CyclineCycline war die Tatsache, dass ihre Konzentrationen sich parallel zum Zellzyklus ändern. Die Cyclin-abhängigen Kinasen interagieren mit den Cyclinen, und da sich die Konzentrationen der Cycline ändern, schwankt auch die Aktivität der CDKs im Verlauf des Zellzyklus (Abb. 5.23).
Ihr müsst nicht alle Cycline und CDKs ihren Zellzyklusphasen zuordnen können. Merkt euch aber, dass CDK1 zusammen mit Cyclin B für die Einleitung der Mitose wichtig ist und der Komplex dieser Proteine auch M-Phase- bzw. Mitosis-Promoting Factor (MPF) genannt wird.
Die CDKs werden durch die Interaktion mit den Cyclinen aktiviert, können aber auch gehemmt werden. Dafür gibt es in der Zelle Proteine namens CDK-Inhibitoren (CKI). Alternativ können die CDKs auch hemmend phosphoryliert oder gar abgebaut werden.
Von den folgenden Proteinen solltet ihr im Zusammenhang mit der Zellzykluskontrolle ebenfalls gehört haben:
  • Das Retinoblastoma-Protein kann den Zellzyklus blockieren (am Übergang von der G1- zur S-Phase) und damit der Entstehung von Tumoren vorbeugen, weshalb man dessen Gen als Tumorsuppressorgen bezeichnet. Die Blockade des Zellzyklus wird durch die Inaktivierung des Transkriptionsfaktors E2F erreicht. Ist das Retinoblastoma-Protein in seiner Funktion gestört, kann es zur Entstehung von Tumoren kommen.

  • Der Wächter des Genoms p53 akkumuliert in der Zelle bei schweren Schädigungen der DNA (z. B. Doppelstrangbruch). Es wirkt dann als Transkriptionsfaktor für p21, das durch Hemmung von Cyclin/CDK-Komplexen den Zellzyklus stoppt. Während der Zellzyklus gestoppt ist, versucht die Zelle, den DNA-Schaden zu reparieren. Ist das nicht erfolgreich, wird p53 Teil einer Signalkaskade, welche die Apoptose auslöst.

Apoptose

Eine Zelle hat prinzipiell zwei Möglichkeiten zu sterben:
  • Entweder sie stirbt infolge einer unerwarteten Schädigung und der Körper ist gezwungen aufzuräumen, was er im Rahmen einer Entzündung auch tut (Nekrose),

  • oder sie scheidet geplant aus dem Leben und sorgt damit dafür, dass alles vergleichsweise problemlos abläuft (Apoptose).

ApoptoseApoptose spielt bereits während der Embryonalentwicklung eine wichtige Rolle und bleibt bis zum Tod des gesamten Organismus ein wichtiges Mittel, um Zellen zu beseitigen, die sich zu einer Gefahr für den Körper entwickeln könnten oder nicht mehr benötigt werden. Die Apoptose gliedert sich in:
  • 1.

    Initiation: Die Apoptose kann sowohl von außen als auch durch ein Signal in der Zelle selbst ausgelöst werden (Abb. 5.24). Ein Auslösen der Apoptose von außen wird z. B. notwendig, wenn die Zelle mit einem Virus infiziert ist und von diesem zur Vermehrung genutzt wird. An der Auslösung dieses extrinsischen Wegs sind vor allem Zellen des Immunsystems, wie natürliche Killerzellen, beteiligt.

    Als Ursache für die Auslösung des intrinsischen Wegs kommt z. B. eine irreparable Schädigung der DNA infrage. Eine zentrale Rolle bei der Apoptose spielen dabei die Mitochondrien. Ihre Membran wird durchlässig (Mitochondrial Outer Membrane Permeabilization – MOMPMitochondrial Outer Membrane Permeabilization) und diverse Proteine gelangen ins Zytosol, von denen ihr auf jeden Fall Cytochrom c mit der Apoptose in Verbindung bringen solltet!

    Ob die Apoptose eingeleitet wird oder nicht, hängt von dem Gleichgewicht zwischen Stoffen, welche die Apoptose fördern – also pro-apoptotisch wirken – , und den anti-apoptotischen Substanzen ab.

    Für die Regulation dieses Gleichgewichts ist die Familie der B-Cell Lymphoma-ProteinsB-Cell Lymphoma-Proteins (Bcl) von entscheidender Bedeutung. Aus dieser Familie solltet ihr Bcl-2 als anti-apoptotisches Protein und Bax/Bad als pro-apoptotische Proteine kennen. Auch p53, der Wächter des Genoms, ist in der Lage, auf intrinsischem Weg die Apoptose auszulösen. Als wichtiger Stimulator des extrinsischen Wegs solltet ihr zudem den Tumor-Nekrose-Faktor αTumor-Nekrose-Faktor α kennen.

  • 2.

    Exekution: Extrinsischer und intrinsischer Weg der Apoptose münden früher oder später in eine gemeinsame Endstrecke. Dabei werden CaspasenCaspasen aktiviert. Sie spalten Proteine und aktivieren DNAsen, die den Abbau der DNA bewirken. Im Unterschied zur Nekrose gelangen die entstehenden Abbauprodukte allerdings nicht einfach in den Extrazellulärraum, sondern werden in Vesikel verpackt oder direkt phagozytiert, sodass sie keinen Schaden anrichten.

  • 3.

    Nun werden diese Vesikel von Zellen in der Umgebung phagozytiert …

  • 4.

    … und in diesen Zellen abgebaut.

Für Ahnungslose

Was sind Caspasen? Caspasen gehören zur Gruppe der Cysteinproteasen (haben also ein Cystein in ihrem aktiven Zentrum) und spalten Proteine hinter der Aminosäure Aspartat. Daher stammt auch ihr Name (Cysteinyl-Aspartate Specific Protease).

Für die Klausur

Ein wichtiges und gern geprüftes Signal, dass in einer Zelle gerade Apoptose stattfindet, ist die Verlagerung von PhosphatidylserinPhosphatidylserin, das eigentlich vor allem auf der zytoplasmatischen Seite der Zellmembran vorkommt, nach außen!

Nucleotidstoffwechsel

Wir haben die Nucleotide als Bestandteil von RNA und DNA kennengelernt und uns angeschaut, wie Nucleotide zu neuen RNA- und DNA-Strängen zusammengesetzt werden … aber wie entstehen eigentlich Nucleotide?
Die Bildung der Nucleotide ist zwar ein Stoffwechselweg, ihr müsst ihn aber im Gegensatz zu den meisten Stoffwechselwegen der Lipide und Kohlenhydrate nur in Teilen beherrschen. Wir werden die Synthesen der Purin- und Pyrimidinnucleotide separat behandeln, beginnen jedoch zunächst mit einer Substanz, die für alle Nucleotide relevant ist. Übrigens: Die Nucleotidsynthesen finden im Zytosol statt.

Synthese von PRPP

Ihr erinnert euch hoffentlich noch an den Pentosephosphatweg und an die Tatsache, dass bei diesem Stoffwechselweg Ribose-5-Phosphat entsteht (Kap. 3.2). Dieses Ribose-5-Phosphat wird in der Nucleotid-Synthese verwendet, muss dafür aber zuerst aktiviert werden. Es kommt zu einer atypischen Phosphorylierung unter ATP-Verbrauch, sodass 5-Phosphoribosyl-1-Pyrophosphat5-Phosphoribosyl-1-Pyrophosphat (PRPP) entsteht (Abb. 5.25). Das Enzym, das die Reaktion katalysiert, heißt passenderweise PRPP-Synthetase.

Für Ahnungslose

Was ist eine atypische PhosphorylierungPhosphorylierungatypische? Ihr könnt es euch schon denken, wenn ihr die Abbildung betrachtet (Abb. 5.25). Normalerweise würden wir erwarten, dass die Phosphatgruppen, die vom ATP abgespalten werden, über Säureanhydridbindungen an die schon vorhandene Phosphatgruppe an C5 angehängt werden. Bei der atypischen Phosphorylierung landet unser Pyrophosphat aber an einer OH-Gruppe an C1.

Synthese der Purinbasen

Auf demPurineSynthese Weg von PRPP zu den beiden Purinnucleotiden ATP und GTP gibt es viele Reaktionen, von denen ihr euch aber vor allem die erste merken müsst:
PRPP erhält von der Aminosäure Glutamin eine Aminogruppe und es entsteht 5-Phosphoribosyl-1-amin. Das Pyrophosphat wird dabei abgespalten und aus Glutamin wird Glutamat. Warum ist dieser Stoffwechselschritt wichtig? Weil das Enzym, das ihn katalysiert, die Amidophosphoribosyltransferase, das Schrittmacherenzym der Purinsynthese ist. In der Folge kommt es zu einer Vielzahl von Reaktionen, bis am Ende Inosinmonophosphat (IMP) entsteht (Abb. 5.26).
IMP hat zwei Möglichkeiten (Abb. 5.27):
  • Die Adenylosuccinat-Synthetase kann unter Verbrauch von GTP und Aspartat aus IMP Adenylosuccinat herstellen, das dann von der Adenylosuccinat-Lyase zu Adenosin-Monophosphat (AMP) verarbeitet wird.

  • Alternativ kann die IMP-Dehydrogenase aus IMP unter Bildung von NADH aus NAD+ Xanthinmonophosphat (XMP) herstellen. Die GMP-Synthetase kann aus XMP unter Verbrauch von ATP und Glutamin schließlich Guanosin-Monophosphat (GMP) bilden.

Lerntipp

Am Schluss der Synthese von GMP wird ATP verbraucht. Am Schluss der Synthese von AMP wird GTP verbraucht – immer das Gegenteil!

Für Ahnungslose

Wenn ATP zur GMP-Synthese verbraucht wird, kommt es dann nicht zu einem ATP-Mangel? Nicht verwechseln: Es geht hier um die Synthese des Nucleotids GMP. Wenn wir dagegen von ATP-Verbrauch sprechen, meinen wir nicht die Zerstörung des kompletten Nucleotids, sondern nur die Abspaltung von zwei Phosphatgruppen. Das Produkt ist ganz normales AMP, das im Rahmen von Stoffwechselwegen, bei denen Energie frei wird, wieder zu ATP aufgebaut werden kann.

Ihr müsst zwar nicht die gesamten Reaktionen der Purinsynthese kennen, man sollte sich aber merken, aus welchen Substanzen die Atome des Purin-Grundgerüsts stammen. Merkt euch also bitte die Nummer des jeweiligen Atoms (bzw. wo es steht) und die Substanz (Abb. 5.28).
Salvage-Pathway
Im Unterschied zu den Pyrimidinbasen gibt es für die Purinbasen ein Recyclingsystem, das Salvage-PathwaySalvage-PathwayPurineSalvage-Pathway (Bergungsweg) genannt wird. Egal ob Purinbestandteile aus der Nahrung aufgenommen werden oder beim Abbau in einer Zelle anfallen – mithilfe des Salvage-Pathway können sie wieder neu synthetisiert werden.
Es gibt für AMP und GMP verschiedene Enzyme, die beide durch ihr Produkt gehemmt werden. Sie benötigen als Ausgangsstoff die jeweilige Base und PRPP und hängen diese einfach aneinander (Abb. 5.29):
  • Die Adenin-Phosphoribosyl-Transferase (APRT) wandelt Adenin und PRPP in AMP um.

  • Die Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferase (HGPRT) wandelt Guanin und PRPP in GMP um. Alternative Substrate sind Hypoxanthin (führt zur Bildung von IMP) und Xanthin (führt zur Bildung von XMP).

Für die Klausur

Das Fehlen von HGPRT führt zum Lesch-Nyhan-SyndromLesch-Nyhan-Syndrom, das mit einer Überproduktion von Harnsäure und geistiger Retardierung einhergeht.

Synthese der Pyrimidinbasen

Auch zur Synthese der PyrimidinbasenPyrimidineSynthese benötigen wir PRPP. Wenn ihr die Reaktionen der Pyrimidinsynthese betrachtet (Abb. 5.30), erkennt ihr aber direkt einen wesentlichen Unterschied: Während bei den Purinen die Synthese der Base direkt am PRPP stattfindet, stößt bei der Pyrimidinsynthese PRPP erst später hinzu.
Ihr müsst nicht alle Reaktionen im Detail kennen. Wichtig ist aber, dass bei der ersten Reaktion aus Hydrogencarbonat (entsteht u. a. beim Lösen von CO2 in Wasser) und Glutamin Carbamoylphosphat hergestellt wird. Das zuständige Enzym ist die Carbamoylphosphat-Synthetase 2. Schaut euch an dieser Stelle die Strukturformel von Carbamoylphosphat an und versucht die Säureanhydridbindung zu finden.

Für Ahnungslose

Gibt es auch eine Carbamoylphosphat-Synthetase 1? Ja, und zwar im Harnstoffzyklus, auf den wir noch zu sprechen kommen werden (Kap. 6.3.4)!

Die Carbamoylphosphat-Synthetase 2 ist das Schrittmacherenzym der Pyrimidinsynthese. Da die Regulation ziemlich simpel ist, behandeln wir sie direkt hier:
  • Hohe Konzentrationen von PRPP aktiveren sie.

  • Hohe Konzentrationen von Uridintriphosphat (UTP), einem Zwischenprodukt, hemmen sie – eine klassische Feedback-Inhibition.

Statt die weiteren Reaktionen im Detail zu lernen, merkt euch v. a. die entstehenden Metabolite: Carbamyolaspartat, Dihydroorotat und Orotat.
Jetzt heißt es wieder aufpassen, denn PRPP kommt ins Spiel und reagiert mit Orotat zu Orotidinmonophosphat (OMP). Nun braucht es nur noch eine Decarboxylierung und Uridinmonophosphat (UMP) ist entstanden.
Wie das IMP bei der Purinsynthese hat unser Zwischenprodukt UMP zwei Wege (Abb. 5.31):
  • Unter Verbrauch mehrerer ATP macht die CTP-Synthetase aus UMP über UTP Cytidintriphosphat (CTP).

  • Der andere Weg ist die Bildung von Desoxy-Thymidinmonophosphat (dTMP). Dabei wird zunächst aus UMP unter ATP- und NADPH-Verbrauch dUMP, das dann im nächsten Schritt zu dTMP methyliert werden kann. Diese Reaktion wird von der Thymidylat-Synthase mithilfe von Folsäure katalysiert, eine Reaktion, die wir uns gleich noch genauer anschauen werden.

Übrigens: Die Atome des Pyrimidinrings stammen von Aspartat und Carbamoylphosphat.

Phosphorylierung und Desoxyformen

Wir haben gelernt, wie bei der Nucleotidsynthese AMP, GMP, CTP und dTMP entstehen. Kann man diese Nucleotide direkt in RNA und DNA einbauen? Nicht alle! Wie wir wissen, benötigen unsere RNA- und DNA-Polymerasen Nucleosidtriphosphate, um Nucleotide zur Synthese eines neuen Strangs nutzen zu können. Außerdem müssen wir bei Nucleotiden, die zur Synthese von DNA (Desoxyribonucleinsäure) verwendet werden sollen, noch die Hydroxygruppe am C2 der Ribose entfernen.
Von den Nucleotiden, die wir bis jetzt gesehen habe, können wir eigentlich nur CTP und UTP zur Synthese von RNA nutzen. Bei allen anderen sind noch Phosphorylierungen und/oder eine Reduktion notwendig (Abb. 5.32):
  • Phosphorylierungen sind simpel: Eine Nucleosid-Phosphat-Kinase schnappt sich unser Nucleosidmonophosphat, z. B. GMP, und führt eine Phosphorylierung durch. Dabei wird ATP verbraucht, aber der Körper hat ja einige Möglichkeiten, um aus ADP wieder ATP zu machen. Aus dem entstandenen GDP kann dann eine Nucleosid-Diphosphat-Kinase erneut unter ATP-Verbrauch GTP herstellen. Auf diese Weise können wir alle Nucleotide, die wir für die Synthese von RNA brauchen, synthetisieren.

  • Aus dTMP kann die Zelle durch zwei Phosphorylierungen dTTP (Desoxy-Thymidintriphosphat) synthetisiere, was zur DNA-Synthese verwendet werden kann. Aber wie entfernt man bei den anderen Nucleotiden die Hydroxygruppe, um sie in Desoxy-Nucleotide umzuwandeln? Durch eine Reduktion! Diese Reduktion kann aber nur auf der „Stufe“ der Nucleosiddiphosphate durchgeführt werden.

    Zur Veranschaulichung stellen wir uns vor, dass der Körper in der Purinsynthese ein GMP erzeugt hat. Dieses GMP soll nun zu dGTP werden, um für die Synthese der DNA verwendet werden zu können. Zu diesem Zweck wird GMP, wie bereits besprochen, zu GDP phosphoryliert. Aus Guanosin-Diphosphat kann dann Desoxy-Guanosin-Diphosphat (dGDP) gemacht werden. Zuständig dafür ist die Ribonucleotid-Reduktase (Abb. 5.33). Sie führt eine Reduktion durch und hat eine Reihe von Cofaktoren (Thioredoxin, FADH2, NADPH), die sich gegenseitig regenerieren. Der Elektronenlieferant ist letztlich das NADPH aus dem Pentosephosphatweg. Das entstandene Desoxy-Nucleosiddiphosphat (z. B. dGDP) kann dann zum Triphosphat phosphoryliert werden (dGTP).

Lerntipp

Die Synthese von Desoxy-Nucleotiden für die DNA erfolgt auf Stufe der NucleosidDiphosphate.

Das zuständige Enzym ist die Ribonucleotid-Reduktase, die Thioredoxin, NADPH und FADH2 benötigt.

Für Ahnungslose

Was ist mit CTP, das ja direkt als Triphosphat (aus UTP) gebildet wird? CTP muss zuerst dephosphoryliert werden, bevor die Ribonucleotid-Reduktase arbeiten kann.

Und kann man an dTMP eine Hydroxygruppe anfügen? Muss man nicht, da Thymin nicht Bestandteil der RNA ist.

Exkurs: Folsäure

Bevor wir die Nucleotid-Synthese abschließen können, müssen wir uns noch einmal der Reaktion von dUMP zu dTMP durch die Thymidylat-Synthase widmen. An dieser Reaktion ist FolsäureFolsäure, die auch Vitamin B9VitaminB9 genannt wird, beteiligt. Als Vitamin kann Folsäure vom Körper nicht synthetisiert werden, sondern muss aus der Nahrung (grüne Pflanzen, Darmbakterien) aufgenommen werden.
Ihr solltet euch zudem merken, dass Folsäure aus Glutamat, p-Aminobenzoesäure sowie einem Pteridinrest besteht, und das Molekül erkennen (Abb. 5.34).

Für die Klausur

Ein FolsäuremangelFolsäureMangel kann eine megaloblastäre AnämieAnämiemegaloblastäre (Erythrozyten: makrozytär = zu große Zellen, hyperchrom = zu viel Hämoglobin; Kap. 7.3.8) verursachen. In der Schwangerschaft kann es durch einen Folsäuremangel zu NeuralrohrdefektenNeuralrohrdefekte (Spina bifidaSpina bifida, AnenzephalieAnenzephalie) beim Kind kommen, weshalb Folsäure häufig supplementiert wird.

Die Folsäure muss allerdings noch etwas modifiziert werden, um an der Reaktion der Thymidylat-Synthase teilnehmen zu können: Folsäure wird in zwei NADPH-abhängigen Reduktionen über Dihydrofolat zu Tetrahydrofolat reduziert. An Tetrahydrofolat kann dann Kohlenstoff (von der Aminosäure Serin) angelagert werden, sodass Methylen-Tetrahydrofolat entsteht.

Für Ahnungslose

Was ist Methylen? Fast wie die Methylgruppe (CH3): ein Kohlenstoff, der an zwei Wasserstoffatome gebunden ist und dementsprechend noch zwei freie Elektronen besitzt.

Methylen-TetrahydrofolatMethylen-Tetrahydrofolat kann in verschiedenen Reaktionen, v. a. im Aminosäurestoffwechsel, seinen Kohlenstoff spenden. Besonders prüfungsrelevant ist aber seine Funktion als Cofaktor der Thymidylat-Synthase, wo es bei der Bildung von dTMP aus dUMP hilft (Kap. 5.7.3). Bei dieser Reaktion wird aus Methylen-Tetrahydrofolat Dihydrofolat, das wieder regeneriert werden muss (Abb. 5.35).
In diesem Kreislauf können Pharmaka eingreifen und damit die Synthese von dTMP hemmen. Die Folge: Zellen, die durch eine hohe Teilungsrate ständig Bedarf an neuen Nucleotiden (u. a. dTTP) haben, z. B. Tumorzellen, bekommen ein Problem, weshalb man diese Pharmaka als ChemotherapeutikaChemotherapeutika einsetzen kann. Es gibt zwei Angriffspunkte:
  • Eine direkte Hemmung der Thymidylat-Synthase kann durch Fluoruracil (5FU) erfolgen.

  • Die Dihydrofolat-Reduktase kann durch Folsäureantagonisten wie Methotrexat (oder Aminopterin) kompetitiv gehemmt werden, sodass der Thymidylat-Synthase letztlich ihr Cofaktor fehlt.

Abbau der Nucleotide

Um dieses Kapitel abzuschließen, müssen wir uns noch anschauen, wie Nucleotide abgebaut werden können. Wir betrachten Pyrimidine und Purine erneut getrennt.
Pyrimidinabbau
PyrimidinPyrimidineAbbau-Nucleotide werden vollständig abgebaut – schließlich existiert auch kein Salvage-Pathway … und mehr muss man eigentlich nicht wissen!
Purinabbau
Der PurinabbauPurineAbbau beginnt mit AMP und GMP und endet beim Mensch mit der Bildung von Harnsäure (Abb. 5.36).
  • Aus GMP wird durch Abspaltung von Zucker und Phosphat sowie Desaminierung Xanthin.

  • Aus AMP wird durch Abspaltung von Zucker und Phosphat sowie Desaminierung Hypoxanthin. Aus Hypoxanthin kann dann ebenfalls Xanthin gebildet werden.

Xanthin reagiert weiter zur Harnsäure, die über die Nieren ausgeschieden werden kann.
Sowohl die Reaktion von Hypoxanthin zu Xanthin als auch die Reaktion von Xanthin zur Harnsäure werden von der Xanthindehydrogenase durchgeführt, die ebenso in die Xanthinoxidase umgewandelt werden kann. Die Enzyme katalysieren zwar dieselben Reaktionen, unterscheiden sich aber in den beteiligten Cofaktoren: Die Xanthindehydrogenase überträgt die Elektronen bei der Oxidation ihrer Substrate auf NAD+, während die Xanthinoxidase Sauerstoff verwendet und so reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt, die entsorgt werden müssen.

Achtung

Harnsäure ist nicht dasselbe wie Harnstoff, den wir noch kennenlernen werden (Kap. 6.3.4).

Wenn besonders viel HarnsäureHarnsäure produziert wird oder es Probleme bei deren Eliminierung gibt, kann es zu einem Anstieg der Harnsäurekonzentration (HyperurikämieHyperurikämie) kommen. Problematisch wird dieser Anstieg, wenn so viel Harnsäure im Blut ist, dass sie sich nicht mehr komplett lösen kann und Harnsäurekristalle ausfallen, die sich vor allem in den peripheren Gelenken (v. a. Großzehe) ablagern und Schmerzen verursachen. Im akuten GichtGichtanfall werden vorwiegend entzündungshemmende Mittel verabreicht. Langfristig versucht man, die Harnsäurekonzentration mit AllopurinolAllopurinol zu senken, das die Xanthinoxidase hemmt. Allopurinol ähnelt dem Substrat der Xanthinoxidase, hemmt das Enzym aber bei Kontakt irreversibel. Man spricht deshalb auch von einem Suizid-InhibitorSuizid-Inhibitor.

Für die Klausur

Obwohl ihr nur wenige Reaktionen dieses Stoffwechselwegs kennen müsst, gibt es einige klinisch relevante Fakten. Neben der Gicht solltet ihr auch mal davon gehört haben, dass die Bildung von ROS durch die Xanthinoxidase eine wichtige Rolle bei der Entstehung eines ReperfusionsschadensReperfusionsschaden, also einer Gewebeschädigung bei Wiederherstellung der Durchblutung nach einer vorangegangenen Minderdurchblutung (Ischämie), spielt.

Übungen

  • 3.

    Welche Basen der DNA paaren miteinander und über wie viele Wasserstoffbrücken?

  • 4.

    Aus welchen Histonen besteht ein Histon-Oktamer?

  • 5.

    Mündliche Prüfung: Halte einen kleinen Vortrag darüber, warum der Mensch eine Telomerase braucht und wie sie arbeitet.

  • 6.

    Bcl-2 ist _____________-apoptotisch.

  • 7.

    Bax ist _____________-apoptotisch.

  • 8.

    Auf welcher Stufe werden die Nucleotide in Desoxynucleotide umgewandelt?

Holen Sie sich die neue Medizinwelten-App!

Schließen