Zentrales Dogma der Molekularbiologie: DNA, RNA & Proteinsynthese

Das Zentrale Dogma der Molekularbiologie

Das Zentrale Dogma beschreibt die grundlegenden funktionalen Beziehungen zwischen DNA, RNA und Proteinen. Im Wesentlichen bietet die DNA ein Modell für ihre eigene Replikation und Transkription. Die RNA wird unter der Codierung der Nukleotid-Tripletts in Proteine übersetzt.

DNA-Replikation: Merkmale & Enzyme

Watson-Crick-Hypothese (1953)

Die beiden Stränge trennen sich, und von jedem Strang wird nach den Regeln der Basenkomplementarität ein komplementärer Strang aufgebaut.

Meselson-Stahl-Experiment (1957)

Bakterien werden in einem Medium mit N¹⁵ (schwerer Stickstoff) gezüchtet und anschließend mittels Dichtegradientenzentrifugation analysiert, um den semikonservativen Replikationsmechanismus zu beweisen.

Merkmale der DNA-Replikation

• Sie ist semikonservativ.
• Es ist ein komplexer Prozess, an dem viele Enzyme beteiligt sind.
• Es ist ein bidirektionaler Prozess.
• Sie ist selektiv.
• Sie hat einen einzigen Replikationsursprung in Prokaryoten, aber viele Ursprünge in Eukaryoten.

Beteiligte Enzyme der DNA-Replikation

• DNA-Polymerasen: Finden den Replikationsursprung und synthetisieren neue Stränge.
• Helikasen: Trennen die DNA-Doppelhelix.
• Einzelstrang-bindende Proteine (SSB-Proteine): Stabilisieren die getrennten Einzelstränge.
• Primase: Synthetisiert RNA-Primer.
• Ligase: Verbindet DNA-Fragmente (Okazaki-Fragmente).
• Gyrase (Topoisomerase): Beseitigt Torsionsstress in der DNA.

DNA-Reparaturmechanismen

Die Replikationstreue ist entscheidend. DNA-Polymerasen und enzymatische Komplexe korrigieren Fehler, indem sie falsche Nukleotide entfernen und Reparaturarbeiten durchführen.

Transkription: Expression Genetischer Information

Mechanismus der Transkription

Der Prozess, bei dem eine DNA-Sequenz in eine komplementäre mRNA-Sequenz umgeschrieben wird.

Phasen der Transkription

1. Initiation: Die RNA-Polymerase bindet zusammen mit Kofaktoren an eine spezifische DNA-Region, den Promotor, und erkennt diese.
2. Elongation: Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang des DNA-Strangs, öffnet die Doppelhelix und synthetisiert RNA in 5'- zu 3'-Richtung.
3. Termination: Die Transkription endet, wenn die RNA-Polymerase eine Terminationssequenz erreicht.
4. Reifung (Post-Transkriptionale Modifikation): Bei Eukaryoten werden nicht-kodierende Sequenzen (Introns) aus der prä-mRNA entfernt (Splicing).

Der Genetische Code & Genregulation

Der Genetische Code

Er beschreibt die Beziehung zwischen der Nukleotidsequenz und der Aminosäuresequenz. Da es nur vier Arten von Nukleotiden, aber 20 Aminosäuren gibt, wird die Korrespondenz durch Tripletts von Nukleotiden (Codons) hergestellt.

Merkmale des Genetischen Codes

• Universalität: Er ist nahezu universell.
• Codierungseinheit: Die Codierungseinheit ist ein Triplett von Nukleotiden (Codon).
• Degeneration: Er ist degeneriert, da es für die meisten Aminosäuren mehrere Codons gibt. Dies ist ein Vorteil, da eine Änderung in einem Nukleotid möglicherweise immer noch zur Codierung derselben Aminosäure führt.

Regulation der Genexpression: Operon-Hypothese

• Fall 1: In Abwesenheit von Tryptophan: Das Repressor-Protein blockiert den Promotor nicht, was die Expression der Strukturgene ermöglicht.
• Fall 2: In Anwesenheit von Tryptophan: Tryptophan bindet an das Repressor-Protein, welches dann den Promotor blockiert und die RNA-Polymerase an der Transkription hindert.

Translation: Proteinsynthese

Dies ist die Umwandlung der in der mRNA-Nukleotidsequenz enthaltenen Information in die Aminosäuresequenz eines Polypeptids. Der Prozess findet an den Ribosomen statt und beinhaltet die Wechselwirkung zwischen dem mRNA-Codon und dem Anticodon der tRNA, die die entsprechende Aminosäure trägt. Die Beladung der tRNA mit der Aminosäure wird durch das Enzym Aminoacyl-tRNA-Synthetase katalysiert, was zu einer Aminoacyl-tRNA führt. Diese Reaktion verbraucht Energie in Form von ATP. (Die Spezifität dieser Enzyme ist sehr hoch.)

Phasen der Translation

1. Initiation: Der Prozess beginnt mit der Bindung der Initiator-tRNA (beladen mit der ersten Aminosäure) an das Startcodon der mRNA. Initiationsfaktoren sind erforderlich.
2. Elongation: Die Polypeptidkette wird verlängert, indem entsprechende Peptidbindungen gebildet werden und das Ribosom entlang der mRNA translokiert.
3. Termination: Die Translation endet, wenn ein Stoppcodon (UAA, UAG, UGA) erreicht wird. Freisetzungsfaktoren sind beteiligt, die die Polypeptidkette freisetzen.

Protein-Processing

Nach der Synthese nimmt die Polypeptidkette eine spezifische räumliche Struktur an (z.B. Tertiärstruktur) und durchläuft einen Reifungsprozess, bei dem bestimmte Aminosäuren entfernt werden können oder Modifikationen stattfinden.