DNA-Replikation und RNA-Transkription: Ein Vergleich

Grundlagen der Nukleinsäurestruktur

Ein Nukleotid besteht aus einer Pentose, einer stickstoffhaltigen Base (BN) und einer Phosphatgruppe. Die Verbindung aus Pentose und BN wird als Nukleosid bezeichnet. Die Bindung zwischen der Pentose und der stickstoffhaltigen Base ist eine N-glykosidische Bindung, während die Bindung zwischen Nukleotiden eine Phosphodiesterbindung ist. Innerhalb der Doppelhelixstruktur der DNA ordnen sich die hydrophoben stickstoffhaltigen Basen im Inneren an, während die hydrophilen Pentosen und Phosphatgruppen nach außen gerichtet sind. Die große Furche (Major Groove) dient als Hauptbindungsstelle für Proteine, die an der Replikation beteiligt sind, während die kleine Furche (Minor Groove) eine Rolle bei der strukturellen Stabilität spielt. Eine vollständige Windung der DNA-Doppelhelix umfasst etwa 10 Basenpaare und erstreckt sich über 3,4 nm.

Ribosomale RNA (rRNA)

rRNA ist ein wichtiger Bestandteil von Ribosomen. Ribosomen bestehen aus einer großen und einer kleinen Untereinheit. Bei Prokaryoten hat die große Untereinheit die Größe 50S und die kleine Untereinheit die Größe 30S. Bei Eukaryoten hat die große Untereinheit die Größe 60S und die kleine Untereinheit die Größe 40S.

DNA-Replikation

Die DNA-Replikation ist ein essenzieller Prozess, der die genaue Verdopplung des genetischen Materials einer Zelle ermöglicht. Dieser Prozess muss präzise, flexibel und zuverlässig sein und über Reparaturmechanismen verfügen.

Eigenschaften der DNA-Replikation

• Vollständige Replikation des gesamten Genoms
• Gebunden an den Zellzyklus
• Semikonservativ: Jede neue DNA-Doppelhelix besteht aus einem alten und einem neuen Strang
• Bidirektional: Die Replikation erfolgt in beide Richtungen ausgehend vom Replikationsursprung
• Mehrere Replikationsursprünge bei Eukaryoten, ein einziger bei Prokaryoten
• Simultane Synthese beider Stränge
• Semidiskontinuierlich: Ein Strang (Leitstrang) wird kontinuierlich synthetisiert, der andere Strang (Folgestrang) diskontinuierlich in Form von Okazaki-Fragmenten

Benötigte Komponenten für die DNA-Replikation

• Matrizen-DNA-Strang
• Desoxyribonukleosidtriphosphate (dNTPs)
• Mg²⁺
• ATP
• Ribonukleosidtriphosphate (rNTPs)
• NAD⁺ (bei Prokaryoten)

Enzyme der DNA-Replikation

• DNA-Polymerase III: Hauptenzym der DNA-Synthese
• Primase: Synthetisiert kurze RNA-Primer
• Helikase: Entwindet die DNA-Doppelhelix
• Topoisomerase II: Verhindert die Überdrillung der DNA
• DNA-Polymerase I: Entfernt RNA-Primer und füllt die Lücken mit DNA
• DNA-Ligase: Verbindet die Okazaki-Fragmente

Vergleich von DNA-Polymerase III und DNA-Polymerase I

Ablauf der DNA-Replikation

1. Initiation:
   • Öffnung der DNA-Doppelhelix am Replikationsursprung
   • Proteine binden an den Replikationsursprung und verhindern ein erneutes Schließen
   • Entspannung der DNA-Spannung durch Topoisomerasen
2. Priming: Die Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkt für die DNA-Polymerase III dienen.
3. Elongation: Die DNA-Polymerase III synthetisiert den neuen DNA-Strang in 5'-3'-Richtung, ausgehend vom Primer.
4. Entfernung der RNA-Primer: Die DNA-Polymerase I entfernt die RNA-Primer durch ihre 5'-3'-Exonukleaseaktivität.
5. Auffüllen der Lücken: Die DNA-Polymerase I füllt die durch die Primerentfernung entstandenen Lücken mit DNA.
6. Verknüpfung der Okazaki-Fragmente: Die DNA-Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente des Folgestrangs miteinander. (Bei Prokaryoten wird dafür NAD⁺ benötigt, bei Eukaryoten ATP)

Besonderheiten der DNA-Replikation in Eukaryoten

• Es gibt fünf verschiedene DNA-Polymerasen (α, δ, ε, β, γ) mit unterschiedlichen Funktionen.
• Die Entfernung der RNA-Primer erfolgt durch spezielle Nukleasen.
• Die Telomerase verlängert die Telomere (Chromosomenenden), um den Verlust von genetischer Information zu verhindern.
• Die DNA wird nach der Replikation mit Histonen zu Chromatin verpackt.

DNA-Reparatur

Es gibt verschiedene Mechanismen zur Reparatur von DNA-Schäden:

• Direkte Reparatur: z. B. durch Photolyase, die durch UV-Licht verursachte Thymindimere direkt spaltet.
• Basenexzisionsreparatur: Endonukleasen erkennen und entfernen beschädigte Basen.

RNA-Transkription

Die Transkription ist der Prozess, bei dem die genetische Information der DNA in RNA umgeschrieben wird.

Benötigte Komponenten für die Transkription

• Matrizen-DNA-Strang
• Ribonukleosidtriphosphate (rNTPs)
• Mg²⁺

RNA-Polymerase

Die RNA-Polymerase ist das zentrale Enzym der Transkription. Sie hat folgende Eigenschaften:

1. Erkennt spezifische DNA-Sequenzen (Promotoren) und bindet daran.
2. Entwindet die DNA-Doppelhelix (keine Helikase benötigt).
3. Hat Polymeraseaktivität in 5'-3'-Richtung.
4. Benötigt keinen Primer.
5. Erkennt Terminationssequenzen.
6. Faltet die DNA-Doppelhelix wieder.
7. Ist wiederholt aktiv und prozessiv.
8. Hat keine Exonukleaseaktivität.
9. Besteht aus einer Core-Untereinheit und einer Sigma-Untereinheit, die für die Promotorerkennung verantwortlich ist.

Ablauf der Transkription

1. Initiation:
   • Die RNA-Polymerase erkennt den Promotor (bei Prokaryoten bei -10 und -35, bei Eukaryoten die TATA-Box) und bindet daran.
   • Die Sigma-Untereinheit bindet an den Promotor.
   • Die RNA-Polymerase entwindet die DNA und bildet einen offenen Komplex.
   • Die ersten Nukleotide werden miteinander verknüpft.
   • Die Sigma-Untereinheit wird freigesetzt und durch das Protein NusA ersetzt.
2. Elongation: Die RNA-Polymerase synthetisiert die RNA in 5'-3'-Richtung. Es bildet sich eine Hybridzone aus 10-15 Basenpaaren zwischen DNA und der neu synthetisierten RNA. Autokomplementäre Bereiche in der RNA können zur Bildung von Haarnadelstrukturen führen, die als Terminationssignale dienen können.
3. Termination: Wenn die RNA-Polymerase auf eine Terminationssequenz trifft, wird die Transkription beendet und die RNA freigesetzt. Das Protein NusA wird freigesetzt.

Unterschiede in der Transkription bei Eukaryoten

1. Die DNA in Eukaryoten ist stärker kondensiert (Acetylierung der DNA führt zu einer Lockerung, Methylierung zu einer Verdichtung).
2. Transkriptionsfaktoren sind notwendig, um die Bindung der RNA-Polymerase an das zu transkribierende Gen zu ermöglichen.
3. Die RNA muss prozessiert werden, um funktionsfähig zu werden. Diese Prozessierung ist bei allen RNA-Typen in Eukaryoten und bei tRNA und rRNA in Prokaryoten notwendig. Die Prozessierung umfasst:
   • Spaltung durch Endonukleasen
   • Entfernung von Introns durch Spleißen
   • Hinzufügen von Sequenzen am 5'- und 3'-Ende
   • Kovalente Modifikation von Basen

Schutz des 5'- und 3'-Endes der mRNA in Eukaryoten

• 5'-Capping:
  1. Eine Phosphohydrolase entfernt ein Phosphat vom 5'-Ende der mRNA.
  2. Eine Guanylyltransferase überträgt ein GMP vom GTP auf das 5'-Ende.
  3. Eine Methyltransferase methyliert das Guanin.
• 3'-Polyadenylierung: Eine Polyadenylierungssequenz (AAUAAA) signalisiert das Ende der Transkription und die Anheftung eines Poly(A)-Schwanzes.
• Spleißen: Introns werden entfernt. Die Introns beginnen in der Regel mit GU und enden mit AG.