DNA-Replikation, Transkription und Translation

DNA-Replikation: Die Vervielfältigung der Erbinformation

Die genetische Information muss kopiert werden, um bei der Zellteilung an Tochterzellen übermittelt zu werden. Dieser Kopiervorgang, die Selbstvervielfältigung oder Replikation, tritt während der Synthese-Phase (S) des Zellkerns in der Interphase auf. Er findet in eukaryotischen Zellen oder im Zytoplasma von Prokaryoten statt. Gemäß der Theorie von Watson und Crick ist die Replikation semikonservativ, das heißt, jeder mütterliche DNA-Strang dient als Vorlage für die Synthese eines komplementären Strangs. Das Ergebnis ist, dass jedes der zwei DNA-Tochtermoleküle aus einem Originalstrang und einem neu synthetisierten Komplementärstrang besteht.

Die Replikation besteht aus drei Phasen, die bei Eukaryoten und Prokaryoten ähnlich verlaufen:

• Abbau und Öffnung der Doppelhelix: Um kopiert zu werden, müssen die beiden Ketten durch Enzyme wie Helikasen und Topoisomerasen entwunden (despiralisiert) werden. Durch das Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen werden die Ketten getrennt, Spannungen beseitigt und die Stränge stabilisiert. Die Fasertrennung an den Replikationsursprüngen ist ein bidirektionales Verfahren. Eine Helikase arbeitet in jede Richtung und bildet die Replikationsblase, die sich entlang der DNA ausdehnt und Replikationsgabeln bildet, wo die ursprünglichen Stränge als Vorlage für die Synthese dienen.
• Synthese neuer Stränge: Das Enzym DNA-Polymerase übt zwei Funktionen aus: Zuerst liest es die Matrizenstränge (in 3'-5'-Richtung) und wählt das Desoxyribonukleotid-Triphosphat aus, dessen Base komplementär zur Vorlage ist. Die Polymerase katalysiert die Hydrolyse in ein Nukleotid-Monophosphat und ein Pyrophosphat; das Nukleotid wird durch eine Phosphodiesterbindung in den Tochterstrang übernommen. Der Strang mit dem freien 3'-Ende ist der Leitstrang, der kontinuierlich kopiert wird, während sich die Replikationsgabel öffnet. Der andere Strang (Folgestrang) wächst sprunghaft, da er nicht ständig von der DNA-Polymerase gelesen werden kann; das Enzym muss warten, bis die Replikationsgabel weit genug geöffnet ist. Daher werden kleine DNA-Fragmente (Okazaki-Fragmente) synthetisiert, die später zum verzögerten Tochterstrang zusammengefügt werden.
• Fehlerkorrektur: Während der Replikation korrigiert sich die DNA-Polymerase zusätzlich zur Polymerisation selbst. Nach dem Anfügen eines Nukleotids prüft sie rückwärts, ob ein Fehler bei der Paarung vorliegt. Falls ein Fehler gefunden wird, wird das falsche Nukleotid entfernt und das richtige eingesetzt.

Proteinsynthese und die Translation der RNA

Die Proteinsynthese ist ein anaboler Prozess, bei dem Proteine aus Aminosäuren gebildet werden. Dies ist der nächste Schritt nach der Transkription von DNA in RNA. Da es 20 verschiedene Aminosäuren, aber nur vier RNA-Nukleotide (Adenin, Uracil, Cytosin und Guanin) gibt, muss eine Kollinearität zwischen Aminosäuren und Nukleotid-Tripletts festgelegt werden. Da es 64 verschiedene Tripletts gibt (Kombination von vier Nukleotiden in Dreiergruppen mit Wiederholung), ist es offensichtlich, dass einige Aminosäuren durch verschiedene Tripletts codiert werden müssen. Diese Tripletts, die Aminosäuren codieren, werden Codons genannt.

Initiation der Proteinsynthese

Die mRNA bindet an die kleine Untereinheit der Ribosomen. Diese verbindet sich mit der Aminoacyl-tRNA, da die tRNA an einem ihrer Arme ein Nukleotid-Triplett namens Anticodon besitzt, das über komplementäre Basen mit dem ersten Codon der mRNA verbunden ist. Diese Gruppe von Molekülen verbindet sich mit der großen ribosomalen Untereinheit zum aktiven ribosomalen Komplex. Das resultierende erste Codon ist meist AUG, was der Aminosäure Methionin in Eukaryoten entspricht (in Prokaryoten ist es Formylmethionin).

Elongation der Polypeptidkette

Der ribosomale Komplex besitzt ein P-Zentrum (Peptidyl-Stelle), in dem sich die erste Aminoacyl-tRNA befindet, und ein A-Zentrum (Akzeptor-Stelle) für die neue Aminoacyl-tRNA. Die Carboxylgruppe (-COOH) der ersten Aminosäure verbindet sich mit der Aminogruppe (-NH2) der folgenden Aminosäure durch eine Peptidbindung. Die tRNA im P-Zentrum verliert ihre Aminosäure und verlässt das Ribosom. Es erfolgt die ribosomale Translokation: Die Dipeptidyl-tRNA befindet sich nun im P-Zentrum. Dies wird durch Elongationsfaktoren katalysiert. Beim dritten Codon erscheint die dritte Aminoacyl-tRNA im A-Zentrum, bildet ein Tripeptid und es folgt die nächste Translokation.

Termination der Synthese

Das Ende der Synthese wird durch Stoppcodons (UAA, UAG und UGA) eingeleitet. Es gibt keine tRNA, deren Anticodon komplementär zu diesen ist, wodurch die Synthese des Polypeptids gestoppt wird. Dieser Prozess wird durch Freisetzungsfaktoren (Proteine) reguliert, die an der A-Stelle binden und die Polypeptidkette durch Hydrolyse von der tRNA trennen. Eine ausreichend lange mRNA kann von mehreren Ribosomen gleichzeitig übersetzt werden (Polyribosom).

RNA-Transkription

Die Transkription ist der erste Prozess der Genexpression. Die DNA-Sequenzen werden durch ein Enzym namens RNA-Polymerase in RNA kopiert. Dabei entsteht mRNA als erster Schritt der Proteinsynthese.

Die RNA-Polymerase

Dies ist ein Satz enzymatischer Proteine, die Ribonukleotide polymerisieren können, um RNA anhand einer DNA-Sequenz als Vorlage zu synthetisieren. Die chemische Reaktion, welche die Verbindung katalysiert, nutzt Ribonukleotid-Triphosphate unter Freisetzung von Phosphatgruppen.

Boten-RNA (mRNA)

Die Ribonukleinsäure (mRNA) enthält die genetische Information der DNA, die bei der Proteinsynthese verwendet wird, und bestimmt die Reihenfolge, in der die Aminosäuren verknüpft werden.

Phasen der Transkription

1. Initiation: Die RNA-Polymerase erkennt Promotoren, öffnet die Doppelhelix und fügt Ribonukleotide an den Matrizenstrang an.
2. Elongation: Die RNA-Polymerase bewegt sich in 3'-5'-Richtung, während die RNA-Synthese in 5'-3'-Richtung erfolgt.
3. Termination: Die RNA-Polymerase erkennt ein Stoppsignal in der DNA, welches das Ende der Transkription markiert. In Prokaryoten sind dies oft Palindrom-Sequenzen.