DNA-Replikation, RNA-Typen und Proteinbiosynthese: Ein Überblick

DNA-Replikation: Semikonservative Verdopplung

Die semikonservative DNA-Replikation erzeugt zwei neue DNA-Doppelhelix-Moleküle, wobei jeweils ein Strang als Matrize dient. Ein Strang ist der ursprüngliche Strang, der andere ein neuer, komplementärer Strang, der durch die Polymerisation von Nukleotiden entsteht. Die Doppelhelix kann bicatenär (doppelsträngig) oder, seltener, einzelsträngig sein.

1. Initiation: Der Replikationsursprung

Die Replikation beginnt an spezifischen Nukleotidsequenzen in der DNA, den Replikationsursprüngen. Der Prozess lässt sich in drei Hauptetappen unterteilen:

Schritt 1: Entwindung und Öffnung der Doppelhelix

Eine Gruppe von Enzymen und Proteinen, das Replisom, ist an diesem Schritt beteiligt:

• Helikasen: Erleichtern die Entwindung der DNA.
• Girasen und Topoisomerasen: Beseitigen die Spannungen, die durch die Torsion während der Entwindung entstehen.
• SSBP-Proteine: Verhindern das erneute Aufwickeln der Einzelstränge.

2. Etappe: Synthese neuer DNA-Stränge

• DNA-Polymerasen: Synthetisieren die neuen Stränge in 5'-3'-Richtung, indem sie den Matrizenstrang in 3'-5'-Richtung ablesen.
• DNA-Polymerase I und III: Verantwortlich für die Replikation und Fehlerkorrektur, wobei DNA-Polymerase III die Hauptarbeit verrichtet.
• DNA-Polymerase II: Korrigiert Schäden, die durch physikalische Einwirkungen verursacht wurden.

Der 3'-5'-Strang wird von der DNA-Polymerase III problemlos abgelesen (führender Strang). Der 5'-3'-Strang kann nicht direkt abgelesen werden, daher wird er in kleinen Fragmenten (Okazaki-Fragmente) synthetisiert, die in 5'-3'-Richtung entstehen und später verbunden werden. Dieser Strang wird als verzögerter Strang bezeichnet, und seine Synthese ist langsamer.

Die DNA-Polymerase III kann die Synthese nicht selbst initiieren. Sie benötigt einen Primer (RNA), der von einer RNA-Polymerase (= Primase) synthetisiert wird. Dieser Primer wird später entfernt.

Stufe 3: Fehlerkorrektur

Das wichtigste Enzym für die Fehlerkorrektur ist die DNA-Polymerase III. Weitere beteiligte Enzyme sind:

• Endonukleasen: Schneiden das fehlerhafte Segment heraus.
• DNA-Polymerasen: Füllen die Lücke korrekt auf.
• DNA-Ligasen: Verbinden die korrigierten Enden.

RNA-Typen und ihre Funktionen

mRNA (Boten-RNA)

mRNA wird enzymatisch im Zellkern von Eukaryoten oder in einzelsträngigen Bereichen von Prokaryoten synthetisiert. Sie überträgt die in der DNA enthaltene Information zu den Ribosomen, wo Proteine aus Aminosäuren synthetisiert werden. Exon-Segmente enthalten die Information, während ARNt.eu.preARNm keine Information enthält. Die Reifung von prä-mRNA im Zellkern führt zur Bildung von mRNA.

tRNA (Transfer-RNA)

tRNA transportiert spezifische Aminosäuren zu den Ribosomen, wo sie gemäß der in der mRNA angegebenen Reihenfolge in Proteine eingebaut werden. tRNA ist einzelsträngig, weist Bereiche mit Doppelhelixstruktur auf und hat eine kleeblattartige Form. Nukleotide in tRNA bilden Basenpaarungen wie G-C und A-U.

rRNA (ribosomale RNA)

rRNA ist ein Bestandteil der Ribosomen und weist doppelhelikale Segmente auf. In Verbindung mit ribosomalen Proteinen bildet sie eine Struktur, die an der Proteinsynthese beteiligt ist und eine geeignete Bindungsstelle für mRNA und tRNA bereitstellt.

ARNn (nukleoläre RNA)

ARNn ist ein Protein, das den Nukleolus bildet.

Transkription in Eukaryoten

Transkription ist der Prozess, bei dem die in der Nukleotidsequenz der DNA gespeicherte Information in eine komplementäre RNA-Sequenz übertragen wird. Es gibt drei Arten von RNA-Polymerasen (I, II und III). Fragmentierte Gene bestehen aus Exons (codierende Bereiche) und Introns (nicht-codierende Bereiche). Vor der Reifung müssen die Introns entfernt werden.

Die Transkription in Eukaryoten umfasst die folgenden Phasen:

1. Initiation: Die RNA-Polymerase II bindet an eine Region der DNA, die als Promotor bezeichnet wird (mit TATA- und CAAT-Sequenzen).
2. Elongation: Die Synthese erfolgt weiterhin in 5'-3'-Richtung. Am 5'-Ende wird eine Kappe (Methyl-Guanosin-Triphosphat) angebracht.
3. Termination: Die Termination ist mit der Sequenz TTATTT verbunden. Eine Poly-A-Polymerase fügt einen Poly-A-Schwanz an die Prä-mRNA (ARNhn) an.
4. Reifung: Ein Enzym namens RNPpn entfernt die Introns (I). Anschließend verbinden RNA-Ligasen die Exons (E) und bilden die mRNA.

Translation

Die Translation findet in den Ribosomen statt und ähnelt in gewisser Weise den Prozessen in Prokaryoten und Eukaryoten. Sie umfasst die folgenden Schritte:

1. Initiation: Beginnt mit dem Initiationscodon der mRNA (AUG), das sich in der Nähe der 5'-Kappe befindet. Dieses Triplett wird durch die Sequenz AGGAGG (Shine-Dalgarno-Sequenz) eingeleitet, die der Bereich der Vereinigung mit dem Ribosom ist. Die Initiation erfolgt mit Initiationsfaktoren (FI) und der von GTP gelieferten Energie. Die kleinere Untereinheit des Ribosoms erkennt die Kappe und bindet die mRNA in der Nähe des Initiationscodons. Die Kappe bringt die Initiator-tRNA, die die Aminosäure Methionin liefert. Diese tRNA enthält ein komplementäres Triplett zu AUG, das als Anticodon (UAC) bezeichnet wird. Sobald die tRNA-Methionin gebunden ist, werden die FI freigesetzt, und die größere Untereinheit des Ribosoms bindet, wodurch das vollständige und funktionelle Ribosom entsteht. Das Ribosom hat zwei Bindungsstellen: die P-Stelle (Peptidyl-Stelle), die von der tRNA-Methionin besetzt ist, und die A-Stelle (Aminoacyl-Stelle), die für die Bindung einer zweiten tRNA offen ist.
2. Elongation der Peptidkette: Dieser Prozess wird durch das Enzym Peptidyltransferase katalysiert, das die Aminosäuren durch Peptidbindungen verbindet. Jedes Mal, wenn eine Aminosäure eintrifft, erfolgt ein zyklischer Elongationsprozess.
3. Ende der Synthese der Peptidkette: Tritt auf, wenn eines der Stoppcodons (UAA, UAG, UGA) erscheint. In diesem Moment bindet ein Freisetzungsfaktor (RF) an das Stoppcodon und verhindert, dass eine andere Aminosäure (Aminoacyl-tRNA) an die A-Stelle bindet. Die Hydrolyse der Peptidkette wird ausgelöst, und die beiden Untereinheiten des Ribosoms trennen sich.

Besonderheiten des genetischen Codes

• Der genetische Code basiert auf Triplett-Codons in der RNA.
• Die Leserichtung ist 5'-3' in der mRNA, und die Proteinsynthese erfolgt immer vom N- zum C-Terminus.
• Das Triplett der tRNA, das mit dem Codon der mRNA paart, wird als Anticodon bezeichnet.
• Der genetische Code wird nicht überlappend gelesen, da die Tripletts nacheinander abgelesen werden.
• Von den 64 möglichen Codons codieren 3 nicht für eine Aminosäure (Stoppcodons).
• Der genetische Code ist degeneriert, d. h. es existieren synonyme Tripletts, die für dieselbe Aminosäure codieren.
• Der genetische Code ist universell, d. h. er hat in den meisten Prokaryoten und Eukaryoten die gleiche Bedeutung.