DNA-Replikation und genetische Expression

DNA-Replikation

DNA-Verdopplung: Der Prozess der Vervielfältigung eines DNA-Makromoleküls, bei dem zwei identische Kopien des Originals entstehen.

Arthur Kornberg untersuchte den DNA-Replikationsprozess im Jahr 1956. In Bakterien gibt es einen einzigen Replikationsursprung. Der Prozess beginnt mit einem Enzym namens Helikase. Dieses bricht die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Ketten auf und ermöglicht deren Trennung.

Durch die Trennung der beiden Stränge entstehen im restlichen Molekül Spannungen (Supercoiling). Andere Enzyme, die Topoisomerasen (wie die Gyrase), beseitigen diese Spannungen. Später sind stabilisierende Proteine (SSB-Proteine) beteiligt, deren Funktion es ist, die beiden komplementären Stränge getrennt zu halten. Auf diese Weise entsteht die Replikationsgabel.

Die Replikation ist bidirektional: Die Helikase arbeitet in eine Richtung, während eine andere Helikase in die entgegengesetzte Richtung arbeitet. Die beiden Replikationsgabeln bilden eine Replikationsblase. Die DNA-Replikation erfolgt an beiden Strängen simultan.

Beteiligte Enzyme

Die wichtigsten Enzyme in diesem Prozess sind die DNA-Polymerasen:

• DNA-Polymerase I und III: Zuständig für die Replikation und Korrektur von Fehlern. Die DNA-Polymerase III ist dabei das Hauptenzym.
• DNA-Polymerase II: Zuständig für die Reparatur von DNA, die durch verschiedene physikalische Einwirkungen beschädigt wurde.

Dieses Enzym benötigt eine DNA-Vorlage, einen Primer und Nukleotide. Die DNA-Polymerase kopiert den Strang immer in der Richtung 5'-3'. Bevor die DNA-Polymerase eingreifen kann, muss die RNA-Polymerase (Primase) beginnen, da sie keinen Primer benötigt, um die Synthese zu starten, wohl aber eine Vorlage. Sie synthetisiert ein kleines RNA-Fragment, das als Primer für die DNA-Polymerase fungiert.

Der Strang, der kontinuierlich wächst, wird Leitstrang genannt. Die Stränge, die in die entgegengesetzte Richtung kopiert werden, bestehen aus einer Reihe von Fragmenten, den sogenannten Okazaki-Fragmenten. Diese wachsen ebenfalls in 5'-3'-Richtung, wobei die RNA-Polymerase ein Fragment von etwa 40 Nukleotiden synthetisiert, gefolgt von der DNA-Polymerase, die etwa 1000 Nukleotide ergänzt, bevor der Prozess wiederholt wird.

Expression genetischer Information

Dieser Prozess umfasst zwei Phasen: Transkription und Translation (Proteinbiosynthese).

Transkription: Umschreiben von DNA in RNA

Dafür werden DNA, Ribonukleosidtriphosphate und RNA-Polymerasen benötigt.

In Prokaryoten

• Initiation: Die RNA-Polymerase erkennt eine Region der DNA, den Promotor. Sie wechselt von einer geschlossenen Konfiguration zu einer offenen und entwindet die DNA, um die RNA-Synthese zu starten. Die RNA wird an einem einzigen DNA-Strang gebildet, der als Vorlage dient.
• Elongation: Die RNA-Polymerase transkribiert die DNA und bildet die RNA in 5'-3'-Richtung.
• Termination: Erfolgt, wenn eine Sequenz erreicht wird, die reich an Cytosin und Guanin ist. Diese bildet eine Schleife, die zur Ablösung der RNA führt.
• Reifung: Die primäre mRNA wird prozessiert, um die entsprechenden RNA-Abschnitte zu verbinden.

In Eukaryoten

• Initiation: Die RNA-Polymerase II bindet an eine Promotorregion der DNA. Hierbei spielen Konsensus-Sequenzen wie die TATA-Box eine Rolle.
• Elongation: Ähnlich wie bei Prokaryoten erfolgt die Transkription in 5'-3'-Richtung.
• Termination: Dies geschieht an einer spezifischen DNA-Sequenz (TTATTT). Die Poly-A-Polymerase fügt am 3'-Ende eine Kette von Adenin-Nukleotiden hinzu (Poly-A-Schwanz).

Die resultierende heterogene nukleare RNA enthält Introns (nicht-kodierende Sequenzen) und Exons (kodierende Sequenzen). Bei der Reifung im Zellkern werden die Introns herausgeschnitten und die Exons gespleißt, um die reife mRNA zu bilden. Auch tRNA und rRNA unterliegen Reifungsprozessen.