50. Kalenderwoche: Montag

Biosynthese von DNA und RNA

Nachdem wir die Prinzipien dieser Biosynthesen in Verbindung mit elementaren Erkenntnissen der Chemie in Verbindung gebracht haben, können wir jetzt die Enzymologie näher betrachten. Grundsätzlich bestehen die beteiligten Enzyme aus Untereinheiten, haben also eine Quartärstruktur. Ihre Ausbildung vergleichen wir mit der besprochenen Bildung eines großen Öltropfens aus mehreren Tröpfchen durch die hydrophobe Wechselwirkung. Bei Proteinen bilden sich auf dieser Basis Aggregate durch Assoziation komplementärer hydrophober Regionen, in denen häufig Aminosäuren mit verzweigter (aliphatischer) Kohlenwasserstoffkette (häufig zusammen mit Phenylalanin) eine zentrale Rolle spielen, also Valin (Val; der Name ist abgeleitet von der Valeriansäure (E5-Coobonsäure), als Ester der Isovaleriansäure aus der Baldrianwurzel (Valeriana officinalis) bekannt, chemisch 2-Aminoisovaleriansäure) und Leucin/Isoleucin (Leu/Ile: die entsprechenden 4- bzw. 3-methyl Derivate). Diese Aminosäuren verleihen auch Proteinen durch intramolekulare Interaktion Stabilität.

Wenn Sie jetzt über diese Aminosäuren nachdenken, dann nutzen Sie sie eventuell für die Energiegewinnung im Gehirn. Ihrem Abbau gemeinsam ist die Transaminierung und folgende oxidative Decarboxylierung mit Aktivierung zum entsprechenden CoA Derivat, also zum Methylacroyl-(Val), 2-Methylcrotonyl-(Ile) und 3-Methylcrotonyl-CoA Derivat (Crotonsäure als ungesättigte C4 Carbonsäure ist Ihnen aus der Chemie bekannt; sie kommt in den isomeren E/Z-Formen vor: bitte aufzeichnen). Es folgen – in Analogie zum Abbau von Fettsäuren – Oxidation (Dehydrierung) und Einbau von H₂O, wobei die Verzweigung zu entsprechenden Änderungen führt. Die Entstehung von Acetyl-CoA und Acetacetat aus Leucin erklärt ihre Benennung als Ketogen (Ketonkörper entstehen). Werden diese Aminosäuren nicht decarboxyliert, kommt es zur Verzweigtkettenketonurie, geruchlich (vermutlich aufgrund eines Produktes chemischer Reaktionen der L-β-Methyl-α-oxovaleriansäure) im Urin an Ahornsirup erinnernd, deshalb Ahornsirupkrankheit genannt. Sie ist eine äußerst schwere Stoffwechselstörung, die schon nach Tagen zum Tode führt. (Bitte wiederholen Sie die Grundlagen in der organischen Chemie: Carbonsäuren, Carbonsäurederivate z.B. Esterbindung, Oxo- und Hydroxycarbonsäuren bzw. deren Reaktionen, Thioester, Entstehung des Crotonaldehyds in der Aldolkondensation, Oxidation zur Crotonsäure).

Und zu den Polymerasen: aufgrund der Polarität und der Syntheserichtung von 5‘ zu 3‘ ist der Doppelstrang von einem Enzymkomplex für einen Strang umgehend und kontinuierlich replizierbar („leading strand“). Die Synthese um sog. „lagging strand“ erfolgt diskontinuierlich in Stücken (Okazaki Fragmente). Wenn Sie einen Strang zeichnen und darunter einen Strang mit einer Schleife, dann sehen Sie, daß sich im Scheitelpunkt der Schleife die Polarität umkehrt. Schleifenbildung und Synthese im Scheitelpunktbereich erklärt die Bildung der Fragmente. Die entstehenden Lücken werden durch eine eigenständige DNA-Polymerase gefüllt, Integrität des Stranges wird durch DNA Ligase hergestellt. Für die Entwindung der DNA sind ATP-abhängige Helikasen, für die Stabilisierung der Einzelstränge „sialyl strand-binding proteins“ verantwortlich, Verhinderung von Drehmomenten bei Entspiralisierung erfolgt durch Topoisomerasen. Nun zu zwei Besonderheiten der DNA Biosynthese:

1. Matrizenabhängige DNA Synthese erfordert Verfügbarkeit einer 3‘-OH Gruppe, an die DNA Polymerasen die neuen Bereiche schrittweise anhängen, einen Primer. Er besteht aus RNA (durch Primase) synthetisiert, wird dann durch Ribonuklease H (H=Hybrid) abgebaut. Entstehende Lücken werden gefüllt (am Beginn durch Telomerase). Warum ist ein Primer notwendig? Diese Frage führt uns zu Punkt 2.
2. DNA Polymerasen müssen DNA fehlerfrei replizieren, sind daher zu „proofreading“ durch 3‘-zu-5‘ Exonukleaseaktivität befähigt, korrigieren ihre Produkte selbst. Ein Primer von ca. 5-6 Basen ermöglicht also den Start ohne Gefahr des Kontaktverlustes durch Abbau.

Während DNA Polymerasen Gesamtbereiche replizieren, müssen RNA Polymerasen selektiv (aber nicht fehlerfrei; Lebenszeit der Transkriptionsprodukte ist begrenzt) arbeiten. Was ist der Ursprung dieser Selektivität?

Haben Sie Fragen?

Wenn ja, gehen Sie hierfür auf die sli.do Internetseite: https://app.sli.do/event/d3ixzczo

Der Code für Biochemie Fragen im WS 2020/21 lautet: # L072