Molekularbiologie und Biochemie: Grundlagen und Prozesse

Molekularbiologische und biochemische Grundlagen

5'-Cap-Synthese und Polyadenylierung der mRNA

FORM.CAP (5'-Capping): Dieser Prozess beschreibt die Methylierung der Sequenzen: Cap 0 + CH₃ → Cap 1 + CH₃ → Cap 2. Dabei bedeutet mG die Methylierung an der Base Guanin und Gm die Methylierung an der Ribose.

Am Carboxyl-Terminus (CTD) der RNA-Polymerase bzw. der terminalen Aminosäuren befinden sich zahlreiche Stellen, die phosphoryliert werden können. Der Spaltungsstimulationsfaktor CstF (Cleavage Stimulation Factor) und CPSF (Cleavage and Polyadenylation Specificity Factor) sind zwei Proteine, die sich anlagern, sobald die Aminosäuren phosphoryliert sind. Zuerst bindet das Carboxyl-Ende; die Faktoren werden auf die Boten-RNA (mRNA) übertragen, um die Reifung der Messenger-RNA zu ermöglichen.

Hinsichtlich der Kernaktivität fängt der eine Faktor den anderen ab oder steuert die nukleäre Protein- und Nukleaseaktivität. CPSF erkennt die spezifische Poly(A)-Signalsequenz AAUAAA, woraufhin die Schnittreaktion etwa 10 bis 30 Nukleotide stromabwärts erfolgt. CPSF erkennt die Poly(A)-Polymerase und unterstützt deren Bindung an die Erkennungskette. Sie wirkt, indem sie die entsprechenden Adenosinmonophosphat-Reste (AMP) anfügt, um die mRNA zu stabilisieren. Sobald der Poly(A)-Schwanz eine bestimmte Länge erreicht hat, trennen sich CPSF und anschließend die Poly(A)-Polymerase ab. Ihre primäre Funktion besteht darin, die mRNA als Schutzmaßnahme vor dem vorzeitigen Abbau durch 3'-Exonukleasen zu bewahren.

Nukleoside und Nukleotide

Nukleoside: Hierbei handelt es sich um Glykosid-Derivate, die entstehen, wenn eine Ribose oder Desoxyribose mit einer Base verknüpft wird (Bindung zwischen Base und Monosaccharid).

Nukleotide: Dies sind Phosphorsäureester von Nukleosiden. Sie resultieren aus der Veresterung zwischen einer alkoholischen Hydroxygruppe des Monosaccharids und einem Molekül Phosphorsäure (H₃PO₄).

Topoisomerasen

• Topoisomerase 1: Spaltet vorübergehend nur einen einzelnen Strang der DNA-Doppelhelix.
• Topoisomerase 2: Schneidet beide Stränge desselben DNA-Moleküls an derselben Stelle.

Sauerstoffbindung: Hämoglobin versus Myoglobin

Hämoglobin und Sauerstoffbindung: Bei der Beladung des Hämoglobins mit Sauerstoff (O₂) in den Lungen, wo der O₂-Gehalt hoch ist, erfolgt die Sättigung aufgrund positiver Kooperativität vollständig. Da Kooperativität vorliegt, verläuft die Sauerstoffsättigungskurve des Hämoglobins in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt sigmoidal: Zu Beginn bindet Sauerstoff schwächer, danach steigt die Bindungsfreudigkeit kontinuierlich an, da die Affinität zunimmt.

In den peripheren Geweben herrscht ein deutlich niedrigerer O₂-Partialdruck von etwa 20 Torr. Hier ist die Sättigungskapazität erheblich geringer, weshalb das Hämoglobin eine niedrigere Affinität zu O₂ besitzt und den Sauerstoff effizient an das Gewebe abgibt. Myoglobin hingegen weist das gegenteilige Verhalten auf: Es besitzt auch bei niedrigem Sauerstoffpartialdruck im Gewebe eine sehr hohe O₂-Affinität und nimmt den Sauerstoff begierig auf.

Dies ist der funktionelle Grund dafür, dass Hämoglobin aus vier Untereinheiten besteht: In den Lungen kann es durch Kooperativität maximal mit Sauerstoff beladen werden, während es in den weniger gesättigten Geweben durch sinkende Affinität den Sauerstoff leicht freisetzt.

Kollagen und Tropokollagen

Kollagen: Kollagenfasern setzen sich aus repetitiven strukturellen Grundeinheiten zusammen, die als Tropokollagen bezeichnet werden. Diese Einheiten sind parallel angeordnet und bilden Fibrillen.

In jeder Reihe sind die Tropokollageneinheiten um 1/4 ihrer Länge im Verhältnis zur Nachbareinheit versetzt angeordnet (Quarter-Staggered-Modell), sodass jeweils vier Fibrillen auf gleicher Höhe überlappen. Diese spezifische Versetzung des Tropokollagens führt dazu, dass die Kollagenfasern unter dem Elektronenmikroskop ihr charakteristisches Querstreifungsmuster (Striatum) zeigen.

Jede Tropokollageneinheit besteht aus drei Polypeptidketten mit jeweils rund 1.000 Aminosäureresten, die zusammen eine Tripelhelix bilden. Diese Struktur besitzt typischerweise eine Länge von 300 nm und einen Durchmesser von 1,5 nm.