Zentrale Prozesse: Replikation, Transkription & Translation
DNA-Replikation
Einleitung (Initiation)
Die Replikation beginnt an einer spezifischen DNA-Region, dem Replikationsursprung (oriC). Spezifische Proteine erkennen diesen Ursprung und trennen die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen. Das Enzym Helikase entwindet die Doppelhelix. Durch die Entwindung entsteht eine Spannung im DNA-Molekül, die von den Enzymen Gyrase und Topoisomerase gelöst wird. Sogenannte SSB-Proteine (Einzelstrang-bindende Proteine) verhindern, dass sich die getrennten Stränge wieder verbinden. Es entstehen Y-förmige Strukturen, die als Replikationsgabeln bezeichnet werden.
Elongation (Verlängerung)
Für jeden der ursprünglichen DNA-Stränge wird eine neue, komplementäre Kette synthetisiert. Dies wird von der DNA-Polymerase (Typ I, II, III) durchgeführt.
- Funktionen der DNA-Polymerase:
- Polymerase-Aktivität: Verknüpft neue DNA-Nukleotide in 5'→3'-Richtung.
- Exonuklease-Aktivität: Entfernt falsch gepaarte Nukleotide und liest somit Korrektur.
Die DNA-Polymerase kann die Synthese einer neuen Kette nicht von Grund auf beginnen. Sie benötigt ein kurzes RNA-Startmolekül, den sogenannten Primer, der ein freies 3'-OH-Ende bereitstellt. Dieser Primer wird vom Enzym Primase synthetisiert. Die DNA-Polymerase liest den Matrizenstrang in 3'→5'-Richtung und synthetisiert den neuen Strang in 5'→3'-Richtung.
- Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert.
- Der Folgestrang wird diskontinuierlich in Form von kurzen DNA-Fragmenten, den Okazaki-Fragmenten, synthetisiert. Diese Fragmente werden anschließend vom Enzym Ligase zu einem durchgehenden Strang verbunden.
Transkription (Umschreibung von DNA zu RNA)
Die Transkription beginnt, wenn die RNA-Polymerase eine spezifische Startsequenz auf der DNA, den Promotor, erkennt und daran bindet.
Termination (Beendigung)
Die Transkription endet, wenn die RNA-Polymerase eine Terminationssequenz erreicht.
- Prokaryoten: Die Termination erfolgt oft an palindromischen Sequenzen, die reich an Guanin (G) und Cytosin (C) sind, gefolgt von Thymin (T).
- Eukaryoten: Nach der Transkription eines Polyadenylierungssignals wird die RNA geschnitten. Die Poly-A-Polymerase fügt am 3'-Ende einen Poly-A-Schwanz (ca. 200 Adenin-Nukleotide) an. Zusätzlich wird am 5'-Ende eine schützende 5'-Cap-Struktur (methyliertes Guanosin) angebracht.
Proteinsynthese (Translation)
Einleitung (Initiation)
Die kleine Untereinheit des Ribosoms bindet an die mRNA in der Nähe des Start-Codons (AUG). Die erste Aminoacyl-tRNA, die die Aminosäure Methionin trägt und das passende Anticodon (UAC) besitzt, bindet an das Start-Codon in der P-Stelle des Ribosoms.
Elongation (Verlängerung)
Die Proteinkette wird verlängert. Eine zweite Aminoacyl-tRNA bindet an die A-Stelle des Ribosoms. Das Enzym Peptidyltransferase katalysiert die Bildung einer Peptidbindung zwischen den beiden Aminosäuren. Die erste tRNA verlässt das Ribosom, und das Ribosom bewegt sich (Translokation) entlang der mRNA in 5'→3'-Richtung genau ein Codon weiter. Dadurch wird die A-Stelle wieder frei für die nächste ankommende tRNA.
Termination (Beendigung)
Der Prozess endet, wenn das Ribosom ein Stopp-Codon (UAA, UAG oder UGA) auf der mRNA erreicht. Diese Codons werden von speziellen Proteinen, den Freisetzungsfaktoren, erkannt. Dies führt zur Hydrolyse der Peptidkette und deren Freisetzung vom Ribosom.
Polyribosomen
Mehrere Ribosomen können gleichzeitig dieselbe lange mRNA-Kette ablesen und translatieren. Diese Struktur aus einer mRNA und mehreren Ribosomen wird als Polyribosom oder Polysom bezeichnet und erhöht die Effizienz der Proteinsynthese erheblich.