17. ALLGEMEINE EIGENSCHAFTEN DER DNA-REPLIKATION ...

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17. ALLGEMEINE EIGENSCHAFTEN DER DNA-REPLIKATION
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 493-497)
Methoden um die Replikation zu Studieren
in vitro Methoden
zellfreie Replikation (das Kornberg-System; Abb. 17.1.)
- Matrize-DNA
- DNA-Polymerase
- die 4 Typen von den dNTP-Molekülen (wenigstens ein Typ radioaktiv markiert)
- Ionen, pH usw.
TCA (Trichloressigsäure)-Filter-Präzipitierung
Flüssigkeitsszintillations-Zähler
in vivo Methoden
- Dichtemarkierung (z.B. 15 NH 4 Cl)
- radioaktive Markierung (z.B. [ 3 H]thymidine)
- Bromdesoxyuridin-Markierung → anti-BrdU → Immuncytochemie, Durchflusscytometrie
Abbildung 17.1. Der Mechanismus der DNA-Synthese im Kornberg-System.
Abbildung 17.2. Das Meselson-Stahl-Experiment.

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Die Replikation ist semikonservativ
Meselson-Stahl-Experiment (Abb. 17.2.)
Dichtemarkierung mit 15 NH 4 Cl
Die Replikation ist Matrize- und Primer-abhängig
Matrizenstrang
Determiniert die Nucleotidsequenz der neusynthetisierten DNA durch komplementäre
Basenpaarung
primer (Abb. 17.3.)
komplementär zum Matrizenstrang
bietet freie 3'-OH-Gruppe für die DNA-Polymerase
Abbildung 17.3. Die Funktion des Matrize-Primer-Komplexes während der DN- Replikation.
Die DNA-Replikation ist bidirektional
startet bei ori ( = Replikationsurschprung oder Origin)
Replikationsblase, Replikationsgabeln
Faserautoradiographie (Abb. 17.4.)
Abbildung 17.4. Die bidirektionale Natur der Replikation wurde durch Faserautoradiographie nach
[ 3 H]Thymidin-Markierung demonstriert.

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Die Replikation ist semidiskontinuierlich (Abb. 17.5.)
antiparallele Struktur der Matrize
Richtung der Elongation (des Kettenwachstums): 5'→ 3'
Leitstrang, Folgestrang
Okazaki-Fragmente
Abbildung 17.5. Die semidiskontinuierliche Natur der DNA- Replikation. A: Das Problem der
symmetrischen Replikation; B. Synthese des Leitstranges und des Folgestranges.

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18. DER MECHANISMUS DER DNA-REPLIKATION
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 120-126; 498-511)
DNA-Replikation in E. coli (Abb. 18.1.)
wird vollgebracht von einem Multienzymkomplex
(Replisom,Replikationskomplex,Replikationsmaschine )
origin-recognition complex (Replikationsurschprung-Erkennungskomplex)
ori
enthaltet kurze Wiederholungssequenzen
bindet specifische Proteine (z.B. Initiationsprotein)
Topoisomerase I
reversible Endonuclease, die eine DNA-Strang schneidet (verursacht Einzelstrangbrüche)
induziert Superhelix Relaxation
DNA-Helikase
Löst Wasserstoffbrücke → Entwindung der Doppelhelix
Ssb-Proteine
= einzelstrangbindende (single-strand binding) Proteine
vorbeugt die Renaturierung der Matrize
Primase
spezielle RNA-Polymerase
generiert Primers
ist in Primosomen anwesend, zusammen mit andere Proteine (z.B. Helikase)
Abbildung 18.1. Der Mechanismus der prokaryotischen DNA-Replikation. A. Formation der
Replikationbslase bei der ori-Region. B. Komponente der Replikationsgabel.
DNA-Polymerase III (Abb. 18.2.)
Holoenzym
Core-Enzym

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Dimer
assoziierte Proteine
γ-Untereinheit
fixierte core-Polymerase an dem Folgestrang
β-Untereinheit
→ hohe Prozessivität
5' → 3' Elongationsaktivität
3' → 5' Exonucleaseaktivität – Korrekturlesefunktion (proofreading)
Abbildung 18.2. Funktionales Modell der DNA-Polymerase III.
DNA-Polymerase I
5' → 3' Exonucleaseaktivität → beseitigt die Primers
5' → 3' Elongationaktivität → füllt die Lücke ein
DNA-Ligase
verknüpft Okazaki-Fragmente miteinander
Topoisomerase II (Abb. 18.3.; 18.4.)
reversible Endonuclease → schneidet beide Hälfte des DNA-Doppelstranges→
-Trennung der Tochtermoleküle
- Entwirrung
- Superspiralisierung
Abbildung 18.3. Separierung der neureplizierten zirkulären DNA-Moleküle durch Topoisomerase II.

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Abbildung 18.4. Separierung der Schwesterchromatiden in der Anaphase der eukaryotische
Zellteilung.
Eukaryotische DNA-Replication
multiple (zahlreiche) Replikationsurschprünge
~ 10 4 /Genom
Replikon
DNA-Polimerasen
α, δ, ε - Zellkern-Replikationspolymerasen
β - Reparatur-Enzym
γ - mitochondriale DNA-Polymerase
spezializierte DNA-Polymerasen
replizieren beschädigte DNA (“translesion” DNA-Synthese)
Replikation im Chromatin
Histonsynthese in der S-phase
Telomerreplikation (Abb. 18.5.; 18.6.)
tandemartige Sequenzwiederholungen
Telomerase - RNA als Matrize
Reverse Transcriptase
Abbildung 18.5. Das Problem der Ende-Replikation.

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Abbildung 18.6. Der Funktionsmechanismus der Telomerase.

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19. DNA-REPARATUR
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 511-521)
DNA-Schäden
verschiedene Typen
- Replikationsfähler → Basenfehlpaarungen (mismatch)
- Basendesaminierung → abnormale Base
- Depurinierung → AP (Apurin)- Stelle
- chemische Mutagene → Basenmethylierung, kovalente Addukte, quervernetzte Stränge
usw.
- UV-Strahlung→ Pyrimidindimere
- ionisierende Strahlung → Strangbrüche
Direkte Eliminierung der DNA-Schäden
z.B. Photolyase
spaltet Pyrimidindimere in Bakterien
Excisionsreparatur (Abb. 19.1.)
= Excision der beschädigten Region + Substitution durch neusynthetisierte DNA
Basen-Excisionsreparatur (Abb. 19.1.)
= Entfernung und Substitution der beschädigten Basen
Beteiligte Enzyme
- DNA-Glykosylase → Entfernt die beschädigte Base → AP-Stelle
- AP-Endonuclease → spaltet bei der AP-Stelle
- DNA-Polymerase → füllt die Lücke ein
- DNA-Ligase → schließt den Einzelstrangbruch
Abbildung 19.1. Der Mechanismus der Basen-Excisionsreparatur.

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Nucleotiden-Excisionsreparatur (Abb. 19.2.)
= Entfernung von größeren beschädigten Regionen (z.B. Thymindimere, kovalente
Addukte)
Beteiligte Enzyme
- Schaden-Erkennungsproteine
- Excinuclease → spaltet an beider Seite der Beschädigung
- Helikase → Entfernt der Beschädigte Strang
- DNA-Polymerase → füllt die Lücke ein
- DNA-Ligase → schließt den Einzelstrangbruch
Xeroderma pigmentosum
Autosomal-recessiver Erbgang
Mutation in einem der the Nucleotiden-Excisionsreparatur-Gene (XPA-XPG)
Abbildung 19.2. Der Mechanismus der Nucleotiden-Excisionsreparatur.
Basenfehlpaarungsreparatur (mismatch repair) (Abb. 19.3.)
= Entfernung von nichtkomplementäre Nucleotide
Beteiligte Enzyme
- Erkennungsproteine → binden sich an die nichtkomplementäre Base in dem
nichtmethylierten Strang
- Endonuclease → schneidet den DNA-Strang
- Helikase → entwindet die Doppelhelix
- Exonuclease → entfernt die abnormale Nucleotide enthaltende Region
- DNA-Polymerase → füllt die Lücke ein
- DNA-Ligase → schließt den Einzelstrangbruch
hereditäres nichtpolypöses Colonkarzinom (hereditary nonpolyposis colon cancer,
HNPCC)

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autosomal-rezessiver Erbgang
Mutation in einem der Basenfehlpaarungsreparatur-Gene → die rate der
Punktmutationen nimmt zu, Mikrosatelliteninstabilität → erhöhtes Risiko des
Dickdarmkrebses
Abbildung 19.3. Der Mechanismus der Basenfehlpaarungsreparatur

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20. ALLGEMEINE MERKMALE VON TRANSKRIPTION UND RNA-
PROZESSIERUNG
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 120-126, 387-397,440-447)
DNA-Matrize → Transkription → Primärtranskript → RNA-Prozessierung → reife RNA
Methoden für die Untersuchung von Transkription
in vitro Methoden
zellfreie RNA-synthetisierende Mischung:
DNA-Matrize
4 dNTPs (ein Typ markiert)
RNA-Polymerase
Ione, pH usw.
Filterpräzipitierung → Radioaktivität bestimmen
in vivo Methode
3 H-Uridine-Markierung → Autoradiographie
Bromuridin-Markierung → Immuncytochemie mit anti-BrU Antikörper
Transkription und RNA-Prozessierung in Prokaryoten
allgemeine Merkmale von RNA-Synthese
Promotor, Terminator, Transkriptionseinheit
verbundene Transkription- Translation (Chromosom-Polysomkomplex)
Abbildung 20.1. Verbundene Transkription-Translation (Chromosom-Polysomkomplex)
Mechanismus der prokaryotische Transkription
RNA-Polymerase
Holoenzym = Sigmafaktor (σ -Faktor )+ Core-Polymerase (α 2 ββ')
Schritte:
- Initiation
Promotor: - 35 Region; -10 Region (Pribnow box)
geschlossener und offener Komplex
- Elongation
Core-Polymerase
Formation von Phosphodiesterbindungen
5' → 3' Richtung
Triphosphat-Ende
- Termination
ζ (Rho)-Faktor
ζ-abhängige oder ζ-unabhängige Termination

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Abbildung 20.2. Die Hauptschritte der prokaryotischen Transription
Abbildung 20.3. Die Struktur des prokaryotischen Promotors und der RNA-Polymerase
RNA-Prozessierung
charakteristisch für tRNA und rRNA
- nucleolytische Spaltung (Endonucleasen, Exonucleasen)
- Nucleotid- Addition (-Hinzufügung) (z.B. tRNA)
- Nucleosid- Modifikation (z.B. Methyleirung)
Allgemeine Merkmale der Transkription in Eukaryonten
- findet im Chromatin statt
- RNA-Polymerasen
I II III
Produkt Prä-rRNA Prä-mRNA
snRNAn
5S rRNA
tRNAn
snRNAn
Lokalisation Nucleolus extranucleoläres Chromatin
α-Amanitin-Sensitivität
keine hoche mäßige
- Transkription und Translation wird durch Kernmembran getrennt
- nucleocytoplasmische Transport von RNA

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21. SYNTHESE VON RIBOSOMEN IN EUKARYONTEN
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 394, 481-484,
Kleine Albert’s: Seiten 272-273)
Ribosomen: Orte für Proteinsynthese
Warden in Nukleolus zusammengesetzt
Nucleolus
wird um tandemartige-geordneten Genen von rRNA geformt
electronenmikroskopische Struktur
- perinucleoläres Chromatin
- fibrilläres Zentrum
helleste Regionen
Nucleolusorganisator
Orte für die Prä-rRNA-Synthese
- fibrilläre Komponente
dunkleste Regionen
enthält Prä-rRNP
- granuläre Komponente
enthält präribosomale Partikeln
granuläre
Komponente
fibrilläre
Komponente
fibrilläres
Zentrum
perinukleoläres
Chromatin
Abbildung 21.1. Die elektronenmikroskopische Struktur des Nukleolus.
Ribosom-Biogenese
Chromatin-Ausbreitung
→ kann man die Prä-rRNA-Synthese von Genen sichtbar machen ("Feder")
Orte für die Initiation und Termination
transkribierte und nichttranskribierte Bereiche (Spacer)
RNA-Polymerase I

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Abbildung 21.2. Die aktiv transkribierte rRNA-Transkriptionseinheit.
RRNA-Transkriptionseinheiten
tandemartige Wiederholungen
Primärtranskript: 45S Prä-rRNA → Prozessierung → 18S, 5.8S und 28S rRNAn
5S rRNA Gene
außerhalb des Nucleolus
wird mit RNA-Polymerase III transkribiert
snoRNAn
= kleine Nucleolus-RNAn (small nucleolar RNAs)
binden sich zu Prä-rRNA → funktionieren als RNA-Chaperonen
Abbildung 21.3. Tandemartig geordnete rRNA-Genen.
Zusammenbau der ribosomalen Untereinheiten
80S Partikel
= 45S Prä-rRNA + snoRNAn + Proteinen
60S Prä-Ribonucleoproteinpartikel
= unreife groβe Untereinheit
40S Prä-Ribonucleoproteinpartikel
= unreife kleine Untereinheit
endliche Reifung im Cytoplasma

Abbildung 21.4. Ribosom-Biogenese
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22. SYNTHESE VON PRE-mRNA, CAP-FORMATION UND
POLYADENYLIERUNG
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 447-453)
Prä-mRNA = hnRNA (heterogene nucleäre RNA)
Synthese von Prä-mRNA
- Initiation
- Elongation
- Termination
posttranscriptionelle Modifizierungen
- RNA-Capping
- Polyadenylierung
- Spleiβen
Initiation von Prä-mRNA-Synthese
Promotor: - “core promoter” Elemente
TATA-Box
Initiator-Region
- Enhancer-Elemente
RNA-Polymerase II
Core-Polymerase + Initiationsfaktoren = Holoenzym
Histon-Acetyltransferase
Helicase
Abbildung 22.1. Mechanismus der Transkription von protein-codierende Genen in Eukaryoten.

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Abbildung 22.2. Die Struktur des Promotors von RNS-Polymerase II.
Elongation
Promotor-Ausleerung
Polymerase II-Elongationskomplex
Formation von 5'-Cap
am Triphosphat-Ende
Enzyme: - Nucleotide-Phosphohydrolase
- Guanyl-Transferase
- Methyl-Transferase
Abbildung 22.3. Die Schritte der 5’-cap-Formation.

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Abbildung 22.4. Die Struktur von 5’-cap.
Termination und Polyadenylierung
poly(A)-Signalsequenz
poly(A)-Polymerase
poly(A)-Schwanz
Abbildung 22.5. Prozessierung des 3’-Endes von eukaryontischer Prä-mRNA.

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23. PRE-mRNA-SPLEIßEN
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 453-459)
viele eukaryontische Protein-codierende Gene sind nicht kontinuierlich: Introne + Exone
Spleiβen = Entfernung der Intronen von der Prä-mRNA → Verkettung von Exonen
Abbildung 23.1. Die diskontinuierlich Struktur der protein-codierenden Gene und das Prä-mRNA-
Spleißen.
Spleißen der späten mRNAn von Adenovirus
Adenoviren
linearer, dsDNA-Genom
frühe Region → frühe Proteinen
späte Region → späte Proteinen (Virion-Proteinen)
komplex Transcriptionseinheit
einzige Promotor
alternatives Spleiβen
5 alternative poly(A)-Anheftungsstellen
Exone (leader sequences, body sequence) und Introne

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Abbildung 23.2. Identifizierung der Intronen mit elektronenmikroskopische Analyse von RNA-DNA-
Hybriden. A: Schmematische Darstellunzg einer elektronenmikroskopischen. B:
Virus-DNA mit Intronen und Exonen.
Abbildung 23.3. Die späte Prä-mRNA von Adenovirus und die Produkte von alternativem Spleißen.
(Die Abbildung zeigt nur das Spleißen der kürzesten Prä-mRNA.)
Der RNA-Spleiβmechanismus
5`-Spleisstelle, 3`-Spleisstelle
Spleiβosom
Prä-mRNA + snRNAs + Proteinen
U1, U2, U4/U6, U5 snRNPs
Lariatbildung (Lasso)

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Abbildung 23.4. Die Schritte von Prä-mRNA-Spleißen.
Abnormalität von Spleißen
Systemischer Lupus erythematodes (SLE)
Autoimmunkrankheiten
anti-snRNP Antikörper
Thalassämie
verminderte α- oder β-Globin Synthese
meistens sind Mutationen der Speißstellen
Abbildung 23.5. Die Bildung von Spleißosom und Mechanismus von Spleißen.

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24. DIE PATHOLOGIE DES ZELLKERNS
Objekte für die Untersuchungen
- pathologische Veränderungen der Gewebe, Zellen des Körpers
- experimentelle Pathologie:
Behandlung mit schädligen Substanzen, Chemikalien usw.
pathologische Geweben, Zellen sind Modelle der pathologischen Veränderungen
reversibel – irreversibel Veränderungen
Haupttypen der pathologischen Veränderungen
1. Chromatin
- die früherest Veränderung ist eine reversibel Klumpenbildung
- Chromatin Aggregatum bindet
* zur Kernmembran (Chromatin-Margination)
* zum Nucleolus
degenerative Veränderungen
Karyopyknose (nucleär pyknose; Abb. 24.1.)
- progressiv Schrumpfung des Nucleus
LM: wachsende basofil Eigenschaften
(basische Farben → basofil, Hämatoxylin)
EM: homogen, dens Chromatin
Abbildung 24.1. Karyopyknose.
Karyolyse (Kernauflösung; Abb. 24.2.)
- LM: abnehmende basofil Eigenschaften
- EM: "leeres Kern"
- hydrolitische Reaktionen des DNAses (pH ist saueren)
Nucleus verschwindt

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Abbildung 24.2. Chromatin-Margination und Karyolyse.
- Karyorrhexis (Abb. 24.3.)
- Chromatin (Nucleus) brecht in viele Klumpen
- Chromatinfragmenten im Cytoplasm (letzter Schritt - Karyolyse)
Abbildung 24.3. Karyorrhexis.
2. Nucleoläre Veränderungen
a. nucleoläre Hypertrophie
- Vergröβerung des Umfang des Nucleolus
- wachsende nucleoläre RNA Synthese
- in den Tumorzellen
- wachsende Aktivität des Proteinsynthese

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- in den aktiven normalen Zellen (z.B. regenerierende Leber nach der partial
Hepatectomie)
b. nucleoläre Segregation (Abb. 24.4.)
- Separation der nucleolären F und G Komponenten
- experimentelle Pathologie: Hinderung des RNA Polymerase von Actinomycin D:
Segregation des Nucleolus
- zytotoxische → zytostatische Chemotherapie
Abbildung 24.4. Segregation von Nucleolus (F = fibrilläre Komponente; G = granuläre
Komponente).
3. Veränderungen der Kernhülle
4. Inclusionen im Nucleus

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25. DIE ROLLE der mRNA, tRNAs UND RIBOSOMEN
IN DER PROTEINSYNTHESE
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 126-139)
Die mRNA ist die Matrize der Proteinsynthese
mRNA = Messenger-RNA (Boten-RNA)
bestimmt die Aminosäuresequenz des Proteins
tRNAs als Adapter
tRNA = Transfer-RNA
tragen Aminosäure
Die Struktur der tRNA (Abb. 25.1.)
das Kleeblatt-Modell
Aminosäureakzeptorstamm oder Akzeptorarm (Aminosäure-Bindungsstelle)
am 3`-Ende (CCA)
TφCG-Schleife
Ribosomenbindung
Anticodonschleife
Codonbindung
D-Schleife
Bindung der Aminoacyl-tRNA-Synthetase
Abbildung 25.1. Die Sekundärstruktur (A.) und Tertiärstruktur der tRNAs.
Die Synthese der Aminoacyl-tRNA (Abb. 25.2.)
durch Aminoacyl-tRNA-Synthetase
Schritt 1 - Aktivierung der Aminosäure
Aminosäure + ATP → Aminoacyl-AMP + Pyrophosphat
Schritt 2 - Bildung der aminoacyl-tRNA
Aminoacyl-AMP + tRNA → Aminoacyl-tRNA + AMP

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Abbildung 25.2. Die Schritte der Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Reaktion: A: Aktivierung der
Aminosäure; B: Aminoacyl-tRNA-Synthese.
Ribosomen und Translation (Abb. 25.3.)
Prokaryoten
30S kleine Untereinheit + 50S große Untereinheit = 70S Monomer
Eukaryoten
40S kleine Untereinheit + 60S große Untereinheit = 80S Monomer
Abbildung 25.3. Die Struktur von Ribosomen.
Methoden um die Translation zu Studieren
in vitro Techniken
zellfreies System (das Nirenberg-System)
Zellextrakt (Ribosomen, mRNA, tRNAs, Proteinfaktoren)
Die 20 typen von Aminosäuren (wenigstens ein Typ radioaktiv markiert)
ATP, GTP
Ionen, pH,usw.

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Detektion: - Filterpräzipitierung
- PAGE
in vivo Techniken
- Isolation von Polysomen (Abb. 25.4.)
- radioaktive Markierung (z.B. 3 H-Leucin)
- Autoradiographie
- PAGE
- Immunopräzipitation
Abbildung 25.4. Saccharose-Dichtegradient-Sedimentogramm von Polysomen. Die mit buchstaben
markierten Spitzen entsprechen den monomerischen Ribosomen (a) , den Polysomen
die enthalten 3 (b), oder 5 (c) Ribosomen.

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26. DER GENETISCHE CODE
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 126-133)
Die Entschlüsselung des genetischen Codes
in vitro Translation von synthetischen Polynucleotiden
monotone Polynucleotide, Kopolymere → wurden als Matrizen in Nirenberg-
Mixturen benutzt
Aminoacyl-tRNA-Bindungsanalyse (Abb. 26.1)
Nirenberg-System → Auslassung des GTPs → Aa-tRNA Bindung, aber keine
Proteinsynthese → Filterbindung
Abbildung 26.1. Das Grundprinzip der Aminoacyl-tRNA-Bindungsanalyse.
Eigenschaften des genetischen Codes (Abb. 26.2.)
Triplett Code
61 Sense-Codons (sinnvolle Codons)→ Aminosäure
3 Nonsense-Codons (sinnlose Codons)→ Stoppcodons
der Code ist redundant (degeneriert)
= eine Aminosäure kann von mehreren Codons codiert sein
Abbildung 26.2. Der genetische Code.

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Wobble-Basenpaarung (Abb. 26.3.)
= Ungewissheit an der dritten Position des Codons
der Code ist eindeutig
= ein Codon codiert eine einzige Aminosäure
der Code ist kontinuierlich
= lückenlos, nicht überlappend
offener Leseraster=open reading frame (ORF)
monocistronische und polycistronische mRNAs
der Code ist universell
= höchst konserviert (bewahrt) in der Natur
Ausnahmen (z.B. der mitochondriale genetische Apparat)
Abbildung 26.3. Die Wobble-Position der Codon-Anticodon Interaktion.

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27. DER MECHANISMUS DER PROTEINSYNTHESE
(Molekulare Zellbiologie: Seiten 139-146)
Translation in Prokaryoten
Initiation (Abb. 27.1.)
Initiatorcodon (=Startcodon) (AUG oder GUG) → fMet-tRNA
Shine-Dalgarno-Sequenz → Ribosomenbindung
Initiationsfaktoren
30S-Initiationskomplex
= mRNA + 30S Untereinheit + fMet-tRNA + Initiationsfaktoren
70S-Initiationskomplex
= 30S-Initiationskomplex + 50S Untereinheit
P-Stelle: fMet-tRNA
A-Stelle: leer
Abbildung 27.1. Initiation der prokaryotische Translation. A: Bindung von Initiationsfaktoren an die
kleine Untereinheit; B: Der Aufbau des 30S-Initiationskomplexes; C: Der Aufbau
des 70S-Initiationskomplexes.

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Elongation (Abb. 27.2.)
Aa-tRNA-Bindung
an die A-Stelle mit der Hilfe von EF-Tu • GTP
Entstehung der Peptidbindung
Peptidyltransferase (Ribozym)
Translokation
mit der Hilfe von EF-G • GTP
Abbildung 27.2. Elongation der prokaryotischen Translation. A: Aminoacyl-tRNA-Bindung; B:
Entstehung der Peptidbindung; C: Translokation des Ribosoms.
Termination (Abb. 27.3.)
Stoppcodon
Freisetzungsfaktoren (releasing factors)
Abbildung 27.3. Termination der prokaryotischen Translation.

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Besondere Eigenschaften der eukaryotischen Translation
5`-Cap
→ Ribosomenbindung
Ribosomen
- freie Ribosomen → Proteine des Cytosols, des Zellkerns, des Mitochondriums
- gebundene Ribosomen → sekretorische Proteine, Proteine des endoplasmatischen
Reticulums, des Golgi-Apparates, der Lysosomen, der Zellmembran
Allgemeine Eigenschaften der Translation
- Richtung: 5` Ende → 3` Ende
N-Terminus → C-Terminus
- Polysomen bilden sich (Abb. 27.4.)
- eine Polypeptidkette/Ribosom
- braucht 4 energiereiche Bindungen/Peptidbindung (ATP → AMP, 2GTP → 2GDP)
Abbildung 27.4. Entstehung der Polysomen.
Hemmende Wirkstoffe (Inhibitoren) der Proteinsynthese
Chloramphenicol Peptidyltransferase
Erythromycin Translokation
Tetracyclin Aa-tRNA-Bindung
Streptomycin 30S Untereinheit
Puromycin → frühe Termination

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28. DAS OPERON MODELL
Genexpression
- konstitutive
- regulierte
- Anschaltung (Induktion)
- Abschaltung (Repression)
Elemente von Genregulation
DNA-Sequenz-Elemente
cis-aktive Elemente
Regulatorproteine
binden zu DNA
Repressoren oder Aktivatoren
trans-aktive Elemente
Effektormoleküle
kleine Molekülen
binden sich zu Genregulatorproteinen
Induktoren oder Corepressoren
Induzierbare Operons
kodieren für Enzyme des Abbaues
Operon = Promotor + Operator + Strukturgene
Lactoseoperon
- Regulation durch Lactose
ohne Lactose → lac-Repressor bindet sich an den lac-Operator → blockiert
RNA-Polymerase → keine Expression
mit Lactose → bindet sich an Repressor → Affinität für die Operator wird
vermindert → Expression von Operon ist möglich (Lactose wirkt als Induktor)
Abbildung 28.1. Negative Regulation der Transkription am lac-Operon: die Rolle der lac-Repressor,
(R=Regulatorgen, P=Promotor, O=Operator, S=Strukturgene)
- Regulation durch Glucose
ohne Glucose → viel cAMP → CAP (= Katabolitaktivatorprotein) wird
aktivatiert → bindet sich an lac-Promotor → stimuliert die Bindung von
RNA-Polymerase → Expression von lac-Operon

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Abbildung 28.2. Regulation der Transkription am Lactoseoperon (G = Glucose, L = Lactose)
Repressierbare Operons
kodieren für Enzyme des Aufbaues
Tryptophanoperon
niedriger Tryptophangehalt → Operator ist nicht blockiert → Operon wird
transkribiert
hoher Tryptophangehalt → Verbindung mit Tryptophanrepressor → bindet sich an
Operator → blockiert RNA-Polymerase
→ keine Expression (Tryptophan wirkt als Corepressor)
Abbildung 28.3.
Regulation des Tryptophanoperones

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29. MECHANISMUS DER GENREGULATION IN EUKARYOTEN
Genregulation in Entwicklung
Experiment von Gurdon
entkernte Froscheizelle → Mikroinjection von Zellkerne der Darmzelle →
einige entwickelten sich zu normal Frösche
genetische Identität der Zellen des Organismus
Haushaltsgene
für Gewebe spezifiche Gene
Abbildung 29.1. Das Experiment von Gurdon
Zellkerntransplantation in Säugetiere
1997: Dolly, das Lamm
entkernte Eizelle → Transfer des Zellkernes von einer reifer Euterzelle → Dolly
reproduktive und terapeutische Klonierung
Wegen von Genregulation in Eukaryoten
Transkription
- Struktur des Chromatins
H1-Phosphorylation
Rolle der Nichthistonproteine
Histonacetylierung

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- DNA-Methylierung
→ Geninaktivierung
Genomic Imprinting („genetische Prägung”)
- Transkriptionsfaktoren
Abbildung 29.2. Normale Entwicklung (A), reproduktive(B) und terapeutische Klonierung (C)
Abbildung 29.3. Formen der Genregulation in Eukaryoten.

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pre-mRNA-Prozessierung
- alternatives Spleißen
= eine Prä-mRNA → mehrere mRNAn
- RNA-Edition
= Deletion, Insertion oder Substitution von eine Nucleotide in mRNA
RNA-Transport
nukleocytoplasmatischer RNA Export kann reguliert sein
mRNA-Degradierung
Rolle von 5′-Cap
poly(A)-Schwanz
3′-nichttranslatierter Bereich
Translation
z.B. Phosphorylation der Initiationsfaktoren
Abbildung 29.4. Alternatives Spleißen der Prä-mRNA
Proteinabbau
- lysosomale Proteolyse
Autophagosom → Phagolysosome
- ubiquitinabhängiges Proteolysesystem
Proteine mit "destruction box" → Ubiquitinierung → Abbau durch
Proteasomen
Funktion der Proteine
- allosterische Regulation durch kleine Molekülen
z.B. cAMP, GTP usw.
- kovalente Modifikation
z.B. Phosphorylierung
Proteinkinasen und Phosphatasen
- Protein-Protein Wechselwirkungen
z.B. Cyclin-Cdk-Komplex

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30. TRANSKRIPTIONSFAKTOREN
Transkriptionsfaktoren (TF)
= DNA-bindende Proteine, welche die Transkription regulieren
allgemeine TFs → Promotor Elemente
spezifische Faktoren→ Verstärkerelemente (Enhancer)
Transkriptionsfaktor-Familien
Struktur: - DNA-Bindungsdomäne
- Aktivierungsdomäne
Helix-Knick-Helix-Proteine (helix-turn-helix Proteine)
z.B. Homöodomänenproteine
kodierten von homöotische Gene
enthalten eine Homöodomäne
(kodiert von a Homöobox-Region)
Zinkfingerproteine
binden als Dimer
z.B. Steroidrezeptoren
amphipatische Helix-Proteine
Dimerisationsdomäne
bilden Leucin-Zipper (Leucinreißverschluss)
Leucin-Zipper-Proteine
z.B. AP1-Faktor (= Fos/Jun Dimer)
Helix-Schleife-Helix-Proteine (helix-loop-helix (HLH) Proteine)
z.B. MyoD-Genregulatorprotein
Abbildung 30.1. Transkriptionsfaktor-Familien: A: Helix-Knick-Helix Proteine, B:
Zinkfingerproteine, C: Amphipatische Helix- Proteine

85
Steroidrezeptorsuperfamilie
Steroide binden zu intrazellulären Rezeptoren
z.B. Steroidhormone, Vitamin D3, Retinsäure
Wirkung von Glucorticoidhormon
Glucocorticoidhormon → bindet sich an cytosolischem Rezeptor → hemmende
Chaperone wird freigesetzt → Hormon-Rezeptor Komplex translokiert nach den
Zellkern → bindet sich zu Glucocorticoid-Response-Element → Genaktivierung
Abbildung 30.2. Der Mechanismus der Aktion des Glucocorticoidhormones
Transkriptionsfaktor-Krankheiten
verursacht durch TF-Mutationen
Geburtsfehler der Entwicklung
kombinierter hypophysär Hormonmangel
verursacht durch Mutation in dem Pit-1 TF
hypophysär Zwergwuchs, mentale Retardation
endokrine Syndromen
testikuläre Feminisierung
keine funktionsfähige Androgenrezeptoren → männliche Phänotyp entwickelt sich nicht
Vitamin-D-resistente hypophosphatämische Rachitis
Tumore
onkogenische TF-en
z.B. Myc, Fos, Jun
Tumorsuppressorproteine
z.B. p53, WT-1

86
31. LIPID- UND PROTEINBIOSYNTHESE IM ENDOPLASMATISCHEN
RETICULUM
Endoplasmatisches Reticulum
rauhes und glattes endoplasmatisches Reticulum
Fraktion von Mikrosomen
cytoplasmatische und exoplasmatische Oberflächen
Proteinsynthese am rauhen endoplasmatischen Reticulum (Abb. 31.1.)
freie und gebundene Ribosomen
Kotranslationaler Transport von Proteinen
N-terminale Signalssequenz
Signalerkennungspartikel (SRP)
RNP-Partikel
SRP-Rezeptor
Translokationskanal
Signalpeptidase
Orientierung von Membranproteinen (Abb. 31.2.)
Abbildung 31.1. Synthese und Translokation von sekretorischen Proteinen in das endoplasmatisches
Reticulum.
Abbildung 31.2. Topologie von an dem endoplasmatischen Reticulum synthetisierte Membranproteine
(a Untereinheit von Insulinrezeptor; b. Transferrinrezeptor; c. Glucosetransportprotein;
d. -adrenerger Rezeptor

87
Posttranslationale Modifikationen
- Protein Glykosylierung
- Bindung von Disulfidbindungen
im Lumen des endoplasmatischen Reticulum
Protein-disulfid-isomerase (Abb. 31.3.)
- Stabilisierung der Konformation
Chaperonproteine (z.B. BiP, Calnexin)
Qualitätskontrolle
Pathologischer Standpunkt (z.B. cystische Fibrose, familiär Hypercholesterolemia)
Abbildung 31.3. Umordnung von Disulfidbrücken durch Protein-Disulfid-Isomerase.
Lipidsynthese am glatten endoplasmatischen Reticulum
Synthese von Phospholipiden (Abb. 31.4.)
in der cytoplasmatischer Schicht
Translokation von Phospholipid Flippase
Transport zu anderen Organellen:
- Vesikel Transport
- Phospholipiden-Wechsel-Proteinen
Synthese von Steroiden
Abbildung 31.4. Translocation der Phospholipiden an der Membran des endoplasmatischen
Reticulum.

88
32. DER SEKRETORISCHER TRANSPORTWEG.
PROTEINGLYCOSYLIERUNG UND
SORTIERUNG
Sekretorischer Transportweg
Vesikel Transport
Transport von sekretorischen, Membran- und Lysosomproteinen
Kann bei Pulsemarkierung mit eine [ 3 H]Aminosäure studiert werden →
Autoradiographie
Lumen des endoplasmatischen Reticulum → Transportvesikeln→ cis-Golgi Zisternen→
medial Golgi-Zisternen → trans-Golgi-Zisternen→ trans-Golgi Netzwerk → Protein-
Processierung → Sortierung
Sortierungssignals
- Signalsequenz
- Signalflecken
- Oligosaccharide (z.B. Mannose-6-Phosphate → Lysosomen)
Sekretion (Abb. 32.1.)
Abbildung 32.1. Der sekretorische Weg: Formation von Lysosomen, regulierte und konstitutive
Sekretion.
- regulierte
Sekretorische Granulumen
Processierung (z.B. Proinsulin → Insulin)

89
Exocytose
z.B. Secretion des Insulins
- konstitutive
z.B. extracelluläre Matrixproteine, Antikörpermoleküle
gezielte Sekretion (Abb. 32.2.)
in polarizierten Zellen (apikale and basolaterale Membran)
vektorieller Transport (z.B. transepithelialer Transport)
Abbildung 32.2. Vesicularer Transport in polarisierten Epithelzellen des Darmes.
Proteinglycosylierung (Abb. 32.3.)
= Addition der Oligosacchariden
Glycosyl-Transferase
Zucker-Nukleotid Komplexe
Abbildung 32.3. N-gekoppelte und O-gekoppelte Proteinglykosilierung.

90
N-gekoppelt Glycosylierung (Abb. 32.4.)
Dolichol → 2 N-Acetylglucosaminen + 9 Mannosen + 3 Glucosen → Oligosaccharid-
Proteintransferase → Glycosylierung an Asparagin → Oligosaccharid
Processierung
mannosereich, komplex und hybrid Oligosacchariden (Abb. 32.5.)
O-gekoppelt Glycosylierung
Glycosyl-Transferase
Abbildung 32.4. Die Oligosaccharidproteintransferase Reaktion.
Abbildung 32.5. Prozessierung von N-glykosidisch gebundener Oligosaccharid-Precursor während
Maturierung.

91
33. DER ENDOCYTOTISCHER TRANSPORTWEG
Vesiculärer Transport
- sekretorischer Transportweg
- endocytotischer Transportweg
Endocytotischer Transportweg
Das Geschick des aufgenommene Material (Abb. 33.1.)
Verdauung
endocytotische Vesikel → Fusion mit primären Lysosomen → secundär Lysosom →
hydrolytische Degradation/Verdauung
Speicherung
in Speicher-Vesikeln
Transcytose
Endocytose → Exocytose an der anderer Seite der Zelle
Abbildung 33.1. Das Geschick von endocytotische Vesikeln: 1. Degradation; 2. Speicherung; 3.
Transcytose.
Typen des Endocytose
Phagocytose
Aufnahme der großen Partikeln, Viren, Bakterien usw.
Pinocytose
Aufnahme der gelöster Molekülen
unspezifische, nicht-reguliert
Rezeptorvermittelte Endocytose (Abb. 33.2.)
z.B. Aufnahme der LDL-Partikeln
LDL = Low-Density-Lipoproteine
Cholesterol-Ester + Phospholipid Monolayer + Apolipoprotein B (apoB)
LDL-Rezeptoren im clathrin-coated pit/clathrinbedeckte Mundle → LDL-Bindung →
Endocytose → bedeckte (coated) vesikel → Abtrennung von Clathrin → frühes
Endosom →
LDL dissoziiert von seinem Rezeptor (Recyclisierung zur Zellmembran) →
Transport-Vesikel →
LDL transportiert zum spätes Endosom → Fusion mit primären Lysosom →
secundäres Lysosom
familiäre Hypercholesterolemie
hereditär Defekt des LDL Receptors → hoch Serum LDL → Atheriosklerose
erworbene Hypercholesterolemie

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Abbildung 33.2. Rezeptor-vermittelte Endocytose von LDL-Partikeln.
Der Mechanismus des vesiculären Transport
In beiden Richtungen (bidirectional)
= anterograde und retrograde
Sortiersignale
zielende Proteine
Komponenten des Transport
Donorkompartiment → Knospung des bedecktes Transportvesikel (ARF Protein,
Adaptinproteinen) →
Abtrennung der Decke (coat) → Fusion mit Acceptormembran (Zielmembran) (zielende
Proteine, Fusionproteinen, Rab Proteinen)
Typen der bedeckten Vesikeln
clathrinbedeckte (coated) Vesikeln
z.B. Rezeptorvermittelte Endocytose
Formierung der Lysosomen
andere bedeckte Vesikeln
z.B. COP-coated (coatomerbedeckte) Vesikeln
= coat Protein
zwischen endoplasmatischen Reticulum und Golgi-Apparat

93
Abbildung 33.3. Schritte des vesikulären Transports: 1. Bindung des „coated“ Vesikles von
Donormembran; 2. Bildung von „coated“ Vesikel; 3. „Docking“ an der Zielorganelle; 4. Abtrennung
der Hülle (coat); 5. Fusion von Vesikel mit der Akzeptormembran.
Abbildung 33.4. Protein von Membranfusion.

94
34. DIE VERTEIDIGUNGSMECHANISMEN DER ZELLE
Biotransformation der Xenobiotika
xenobiotika = Chemikalien mit nichtbiologischen Ursprung
Cytochrom P450 System
heme Proteinen
oxidative Enzymen in der Membran des endoplasmatischen Reticulum
codient von einer Gen-Familie (CYP Genen)
Biotransformation
Phase I: Hydroxylation der Moleküle → wachsende Wasserlöslichkeit
Phase II: Konjugation mit Glucuronsäure, Schwefelsäure usw. → Excretion
Epoxide-Formation → wachsende Giftigkeit, Mutagenigkeit → bösartige Transformation
der Zelle
z.B. polycyclic aromatic hydrocarbons (Abb. 34.1.)
Induction der CYP Genen
z.B. Phenobarbital
Hypertrophie des glatten endoplasmatischen Reticulum
Abbildung 34.1. Verwandlung des polyzyklisches aromatisches Hydrocarbon Benzopyren zu
Karzinogen Metabolit.
Lysosomen
Typen der Lysosomen
primäre Lysosomen
enthalten saure Hydrolasen (Phosphatase, Nuclease, Protease usw.)
aktive Proton-Pumpe → pH 5
secundäre Lysosomen
Fusion der primären Lysosomen mit Vesikeln
Funktion der Lysosomen
Heterolysis
Endo-, Phagocytose → Phagosom → + pr. Lysosomen → Phagolysosom
Autolysis
Autophagolysosom → + pr. Lysosomen → sec. Lysosom
Formation der Lysosomen

95
rauhe endoplasmatische Reticulum → lysosomale Enzyme → N-gekoppelt Glycolysierung
→ Golgi-Apparat → Mannose-6-Phosphate (M6P)-Synthese → Bindung zu M6P-
Rezeptor → clathrin-coated Vesikeln → primäre Lysosomen
lysosomales Protein
N-Acetylglucosaminphosphat
Mannose-6-phosphat
Abbildung 34.2. Synthese von Mannose-6-Phosphate Sortirungsignal der lysosomales Enzyme.
Lysosomale Speicherkrankheiten
specifischen lysosomalen Enzymdefizienzen
e.g. Gaucher Krankheit - Cerebrosidose
Tay-Sachs Krankheit - Gangliosidose
I-Zell Krankheit
= Abnormalität in M6P-Synthese oder M6P-Rezeptor
Enzymsubstitution-Therapie
Freie Radikalen
Reactiv Oxygen Spezies (ROS)
z.B. Superoxidanionradikel, Wasserstoffperoxid, Hydroxyd-Radikal
Abbildung 34.3. Metabolismus und die Rolle der reaktive Oxygen „Species“ in Phagocytose.
Phagocytose (Abb. 34.3.)
NADPH Oxidase → generiert Superoxidanionradikel

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Ras Protein
chronische granulomatose Krankheit
abnormal NADPH Oxidase → Rekurrensinfektionen
ROS-induzierter macromolekulärer Verlust
DNA Verlust → Mutationen, Carcinogenese
Lipid Peroxidation → Membranverlust
Antioxidanten
Enzymen
z.B. Superoxide-Dismutase (SOD), Catalase, Peroxidase
Amyotrophische Lateral Sclerose
Kleine Moleküle
(z.B. Vitamin C, Vitamin E, Karotene, Selen, etc.)

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35. DIE STRUKTUR UND FUNKTION DES MITOCHONDRIUMS
Der Abbau der Glucose (Abbildung 35.1.)
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
32 ATP Moleküle/Glucose Molekül werden produziert
3 Schritte: 1. Glykolyse
Glucose → 2 Pyruvat Moleküle
im Cytosol
2. Zitronensäurezyklus ⎫
⎬ in dem Mitochondrium
3. oxidative Phosphorylierung ⎭
Abbildung 35.1. Die Struktur und metabolische Vorgänge des Mitochondriums.

98
Struktur des Mitochondriums
2 Membrane, 2 Kompartimente
Aussenmembran
Porin → bis zu 5000 Dalton durchlässig
Intermembranraum
Innenmembran
Cristae
großer Cardiolipin-Gehalt → undurchlässig
Proteine: - Transportproteine
z.B. H + /Pyruvat-Symporter,
H + /Phosphat-Symporter,
ADP/ATP-Antiporter
- Atmungskette
= Elektronentransportkette
- ATP-Synthase
mitochondriale Matrix
hochkonzentrierte Mischung von Enzymen
Zitronensäurezyklus
genetische Apparat
Energieumwandlung in Mitochondrien
Pyruvat → Acetyl-Coenzym A
Zitronensäurezyklus (Citratzyklus)
Ac-CoA + Oxaloacetat → Zitronensäure → Zyklus
Ergebnisse: GTP wird produziert
reduzierte Coenzyme (NADH, FADH 2 ) werden hergestellt
oxidative Phosphorylierung
chemiosmotische Kopplung (Chemiosmose)
reduzierte Coenzyme → transportieren Elektronen zum Atmungskette →
elektrochemischen Protongradien entsteht (Spannungsgradient + pH-Gradient) → ATP-
Synthase (F 0 F 1 -Komplex) → ATP
Abbildung 35.2. Elektrochemische Potenzialgradient durch die Innenmembrane

99
Abbildung 35.3
Die Struktur der ATP-Synthase

100
36. DIE MITOCHONDRIALE DNA
Extrachromosomale DNA in Eukaryonten
- mitochondriale DNA (mtDNA)
- Chloroplasten-DNA (in Pflanzen)
Endosymbiosis-Theorie
Das genetische System der Mitochondrien
mtDNA
kleine, zirkuläre, doppelsträngige DNA
2-10 Kopien/Mitochondrium
H-Strang, L-Strang (heavy (H) und light (L) chain)
meistens kodierende Sequenzen
kodierende Sequenzen an beiden Ketten
Gene kodieren für:2 rRNAn
22 tRNAn
13 mRNAn (kodieren für Untereinheiten der Atmungskette, ATP-
Synthase)
symmetrische Transkription, kein Spleißen
kein RNA-Import oder Export
Proteinimport (kein Export)
Groβe Mutationsrate (freie Radikale, keine Histone, keine Reparatur)
Abbildung 36.1. Genkarte der menschlichen mtDNA (rRNA Gene /schwarze Regionen/, für Protein
kodierende Gene /grau/ und tRNA Gene /markiert mit zugehörige Aminosäuren/
sind eingezeichnet)
Mitochondrial Proteinimport
posttranslational
bestimmt von Zielsteuerungssequenz

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Proteinsynthese on freie Polysomen → Bindung an signal-specifischen Chaperone → andere
cytosolishe Chaperone → Bindung an Rezeptor in mitochondriale Aussenmembran →
Transportkanäle → Import in die Matrix → Bindung von mitochondriale Chaperone →
Spaltung durch Matrixprotease → „targeting“ zu specifischer Kompartiment (Matrix,
Innenmembrane usw)
Abbildung 36.2. Proteinimport in die mitochondriale Matrix
Mitochondriale Krankheiten
Mutationen der mtDNA→ verminderte ATP-Produktion
erbliche Krankheiten
mtDNA Mutationen in Keimzellen → mütterliches Vererbungsmuster
Homoplasmie und Heteroplasmie
z.B. Leber-Opticusatrophie
erworbene Krankheiten
somatische mtDNA Mutationen → somatische Heteroplasmie
z.B. Parkinson-Syndrom
Alzheimer-Krankheit
Diabetes mellitus
natürliche Alterung
mitochondriale Krankheiten hervorgeruft von Mutationen in nukleären Genen
99 % von mitochondrialen Proteine werden von nukleären Genen kodiert
verminderte ATP-Produktion
Mendelscher Vererbungsmuster

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