Biochemie 2 Würzburg

Das Endreplikationsproblem bezieht sich auf die Unvollständigkeit der DNA-Replikation an den Enden der linearen Chromosomen. Bei Eukaryoten werden die Enden der Chromosomen durch Telomere geschützt, die aus wiederholenden DNA-Sequenzen bestehen. 

Die Lösung des Endreplikationsproblems bei Eukaryoten wird durch das Enzym Telomerase erreicht. Telomerase fügt repetitive DNA-Sequenzen an die Telomere an, was die Verkürzung der Chromosomen während der DNA-Replikation verhindert und somit die Integrität der chromosomalen DNA bewahrt.

a) 

- Verwindungszahl: Die Verwindungszahl (englisch: "Twist number") bezieht sich auf die Anzahl der Wendungen oder Drehungen, die in einer DNA-Doppelhelix vorhanden sind.

- Topoisomere: Topoisomere sind verschiedene Formen derselben DNA-Sequenz, die sich in ihrer räumlichen Anordnung unterscheiden, jedoch die gleiche Sequenz haben. Sie entstehen durch Veränderungen der Verwindungszahl der DNA.

b) 

1. Typ I-Topoisomerasen schneiden eine der beiden DNA-Stränge, während Typ II-Topoisomerasen beide Stränge schneiden.

2. Typ I-Topoisomerasen verändern die Verwindungszahl um Eins, während Typ II-Topoisomerasen die Verwindungszahl um zwei ändern können.

3. Typ I-Topoisomerasen benötigen keine externe Energiequelle, während Typ II-Topoisomerasen ATP hydrolysieren.

4. Typ I-Topoisomerasen haben nur eine Untereinheit, während Typ II-Topoisomerasen aus mehreren Untereinheiten bestehen.

Wofür werden die 3'->5°- bzw. die 5'->3'-Exonuclease-Aktivitäten der beiden DNA-

Polymerasen aus a) bei der DNA-Replikation benötigt? Weshalb sind E. coli

DNA-Polymerase I-Mutanten ohne 3'->5'-Exonuclease-Aktivität lebensfähig, solche

ohne 5'->3'-Exonuclease-Aktivität aber nicht? Welche Defekte erwarten Sie für E. coli

DNA-Polymerase I-Mutanten ohne 3'->5'-Exonuclease-Aktivität

Die 3'->5'-Exonuklease-Aktivität wird verwendet, um fehlerhafte Nukleotide zu entfernen, die während der DNA-Synthese eingefügt wurden. Die 5'->3'-Exonuklease-Aktivität dient dazu, RNA-Primern zu entfernen, die zur Initiation der DNA-Synthese verwendet wurden.

E. coli DNA-Polymerase I-Mutanten ohne 3'->5'-Exonuklease-Aktivität sind lebensfähig, da sie immer noch die 5'->3'-Exonuklease-Aktivität besitzen, um Fehler in der DNA-Replikation zu korrigieren. Allerdings sind Mutanten ohne 5'->3'-Exonuklease-Aktivität nicht lebensfähig, da sie nicht in der Lage sind, RNA-Primer zu entfernen, die für die DNA-Synthese verwendet wurden, was zu einer Anhäufung von RNA-Primern und einer Blockierung der Replikation führt.

Für E. coli DNA-Polymerase I-Mutanten ohne 3'->5'-Exonuklease-Aktivität erwarten wir eine erhöhte Anzahl von Fehlern in der DNA-Replikation, da fehlerhafte Nukleotide nicht effizient entfernt werden können. Dies kann zu Mutationen und einer Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit führen.

alle Organismen besitzen DNA-Photolyasen (Ausnahme: Plazentatiere)

• DNA-Photolyasen erkennen CPDs direkt aufgrund der Verformung der DNA

• Chromophor des Enzyms absorbiert Licht (l = 300 - 500 nm) und überträgt Energie auf den Redox-Kofaktor FADH-

• Anregung führt zum Elektronentransfer von FADH- auf CPD -> Spaltung des Cyclobutylringes

Das bakterielle CRISPR/Cas9-System ist ein System zur Immunabwehr von Bakterien gegen virale DNA. Hier ist eine Erläuterung seiner Funktionsweise:

1. **Adaptation**: Wenn ein Bakterium von einem Virus infiziert wird, integriert es kurze Abschnitte der viralen DNA in sein eigenes Genom. Diese Abschnitte werden als Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) bezeichnet.

2. **Transkription und Prozessierung**: Die CRISPR-Regionen werden in RNA transkribiert und dann von einem Enzym namens Cas (CRISPR-associated) prozessiert. Dabei entstehen kurze RNA-Sequenzen, die als CRISPR-RNAs oder crRNAs bezeichnet werden.

3. **Interferenz**: Wenn das Bakterium erneut von demselben Virus angegriffen wird, binden die crRNAs an das Cas9-Protein und bilden ein Komplex. Dieser Komplex erkennt und bindet dann die komplementäre DNA-Sequenz des Virus.

4. **DNA-Spaltung**: Cas9 schneidet die virale DNA an der erkannten Stelle. Dadurch wird die virale DNA zerstört und das Virus daran gehindert, sich im Bakterium zu vermehren.

5. **Adaptation und Gedächtnis**: Das Bakterium speichert die Sequenz des Virus in seinen CRISPR-Regionen und kann bei zukünftigen Angriffen effektiver gegen das Virus vorgehen.

Das bemerkenswerte an CRISPR/Cas9 ist, dass es nicht nur als Immunabwehrmechanismus dient, sondern auch als Werkzeug für die gezielte Bearbeitung von DNA in anderen Organismen verwendet werden kann, einschließlich Pflanzen, Tieren und sogar Menschen. Durch das Hinzufügen einer maßgeschneiderten crRNA kann Cas9 dazu programmiert werden, spezifische DNA-Sequenzen zu erkennen und zu schneiden, was eine präzise Genom-Editierung ermöglicht.

Die Transkription, der Prozess der Synthese von RNA aus einer DNA-Vorlage, besteht aus drei Hauptphasen:

0.Template Erkennung

Bindung der Rnase an Dna 

1. **Initiierung**: In dieser Phase bindet die RNA-Polymerase an die DNA an einem spezifischen Sequenzmotiv, das als Promotor bekannt ist. Die RNA-Polymerase trennt dann die DNA-Doppelhelix und beginnt mit der Synthese der RNA. Die Initiierung umfasst auch die Bildung des Transkriptionskomplexes, bestehend aus der RNA-Polymerase und anderen Proteinen, die an der Regulation der Transkription beteiligt sind.

2. **Elongation (Verlängerung)**: Während dieser Phase bewegt sich die RNA-Polymerase entlang der DNA-Vorlage und synthetisiert RNA in Richtung des 3'-Endes. Die RNA-Polymerase fügt Nukleotide gemäß der Basenpaarung mit der DNA-Vorlage ein und bildet eine wachsende RNA-Kette.

3. **Termination (Beendigung)**: In der Beendigungsphase erreicht die RNA-Polymerase ein spezifisches Sequenzmotiv auf der DNA, das als Terminationssignal bekannt ist. Dieses Signal führt zur Ablösung der RNA-Polymerase von der DNA und zur Freisetzung der synthetisierten RNA. Die Beendigung kann auf verschiedene Arten erfolgen, je nach Organismus und Transkriptionseinheit.

Diese Phasen sind entscheidend für die ordnungsgemäße Synthese von RNA und die Regulation der Genexpression in Zellen.

 Beschreiben Sie die Lichtrezeption und die ihr nachgelagerte Signaltransduktion in menschlichen Stäbchenzellen! (5P)

b) Erläutern Sie die homologe Desensibilisierung des beteiligten Rezeptors!

Warum ist die Adenylyl-Synthethase das einzige Enzym, das den genetischen Code lesen

kann?

MAP-Kinase

a. Skizziere die Aktivierung von Rezeptorkinasen über den MAP-Kinase Signalweg.

b. Erkläre wie die MAP Kinase danach weiterreagiert und die Translation beeinflusst.

Die cytosolische Aconitase spielt eine wichtige Rolle bei der zellulären Eisenhomöostase, indem sie zwei Hauptfunktionen ausführt:

1. **Eisen-Speicherung**: Cytosolische Aconitase bindet an Eisen-Ionen (Fe^2+), um eine funktionelle Struktur zu bilden. Dadurch fungiert sie als eine Art Speicher für überschüssiges zelluläres Eisen. Bei Bedarf kann das gebundene Eisen freigesetzt werden, um andere eisenabhängige Prozesse in der Zelle zu unterstützen.

2. **Posttranskriptionelle Regulation von mRNA**: Unter eisenarmen Bedingungen kann die cytosolische Aconitase ihre Eisensulfid-Cluster verlieren und sich in die inaktive Form, bekannt als "iron-regulatory protein" (IRP), umwandeln. IRP kann dann mit spezifischen RNA-Elementen in den 5'- oder 3'-untranslatierten Regionen (UTRs) von mRNAs interagieren, die an der Eisenhomöostase beteiligt sind. Durch diese Interaktion kann IRP die Translation dieser mRNAs hemmen oder stimulieren, je nach den Anforderungen der Zelle, um den Eisenhaushalt anzupassen.

Diese beiden Funktionen der cytosolischen Aconitase sind entscheidend für die Aufrechterhaltung eines ausgewogenen Eisenstoffwechsels in der Zelle und tragen zur Regulation der Translation von Eisen-homöostatischen Genen bei.

Das Ende der Proteinbiosynthese auf einer eukaryotischen mRNA wird durch ein spezifisches Sequenzelement festgelegt, das als Poly(A)-Schwanz bezeichnet wird. Dieser Poly(A)-Schwanz besteht aus einer Reihe von Adeninnukleotiden, die am 3'-Ende der mRNA angehängt sind.

Der Faktor, der an der Erkennung dieses Signals beteiligt ist, ist ein Protein namens eukaryotischer Freisetzungsfaktor 3 (eRF3). eRF3 interagiert mit anderen Proteinen und Faktoren, um das Ende der Translation zu erkennen und den Abbruch der Proteinbiosynthese zu vermitteln. Es bindet an die Ribosomen, wenn es das Terminationscodon erreicht, und trägt zur Freisetzung des fertigen Proteins bei.

Die E. coli RNA-Polymerase erkennt spezifische Promotorsequenzen, die als Promotorregionen bezeichnet werden. In E. coli sind die beiden Haupttypen von Promotorsequenzen bekannt als die -10 (TATAAT) und -35 (TTGACA) Regionen. Diese Sequenzen befinden sich in der Nähe des Transkriptionsstartpunktes.

Die Untereinheit des Enzyms, die für die Bindung dieser Sequenzen notwendig ist, ist die σ-Untereinheit (Sigma-Untereinheit). In E. coli besteht die RNA-Polymerase aus mehreren Untereinheiten, darunter die Kern-Enzym-Untereinheiten (α2ββ'ω) und die σ-Untereinheit. Die σ-Untereinheit bindet spezifisch an die Promotorregionen und erleichtert die Initiation der Transkription, indem sie die RNA-Polymerase zur richtigen Stelle auf der DNA führt und den Startpunkt für die Synthese von mRNA bestimmt.

Beschreiben Sie detailliert, wie die Zugabe eines Steroidhormones die Genexpression einer Zelle reguliert! (4P)

1. Testosteron:

   - Förderung der Entwicklung und Aufrechterhaltung der männlichen Geschlechtsmerkmale wie Bartwuchs, tiefe Stimme und Muskelmasse.

   - Regulation der Spermienproduktion.

   - Einfluss auf die Libido und sexuelle Funktionen.

2. Östrogen:

   - Förderung der Entwicklung und Aufrechterhaltung der weiblichen Geschlechtsmerkmale wie Brustwachstum und Menstruationszyklus.

   - Regulation des Knochenstoffwechsels und Erhaltung der Knochendichte.

   - Beteiligung an der Regulation des Menstruationszyklus und der Fortpflanzung.

Eukaryotische mRNAs werden häufig als Vorläufer gebildet und erst post-transkriptionell zur reifen Form umgewandelt. Zu den wichtigsten Prozessierungsschritten gehören Capping und Polyadenylierung.

a) Die Polyadenylierung wird durch Elemente in cis und Faktoren in trans ermöglicht. Nennen Sie zwei Elemente in cis und erläutern sie kurz deren Funktion. (2P)

b) Die Polyadenylierung erfolgt über die PolyA-Polymerase. Formulieren sie die Reaktionsgleichung! (2P)

c) Nennen Sie zwei strukturelle Charakteristika eines mRNA „Caps" und den Kofaktor, der für die Cap-Synthese notwendig ist! (3P)

Nennen sie 3 wichtige Unterschiede zwischen der Initiation der Transkription in E. coli

und in Eukaryoten (RNA-Pol II)!

Unterschiedliche Promotorsequenzen

• Promotorbindung durch Holoenzym versus Schrittweiser Aufbau des basalen

Transkriptionsapparates

• RNA-Pol II benötigt zusätzliche spezifische Aktivatoren (Chromatin muss zugänglich

gemacht werden)

Schlagen sie ein Verfahren zur Trennung reifer mRNA von anderen RNA-Spezies in

Eukaryoten vor!