In diesem Video geht es um die Transkription, dem ersten Teilschritt der Proteinbiosynthese, ein Prozess bei dem Proteine hergestellt werden. Die Information für die Synthese eines Proteins liegt verschlüsselt in bestimmten Abschnitten der DNA, die man als Gene bezeichnet, vor. Aus Genen werden über den Weg der Proteinbiosynthese Proteine hergestellt. Und die Transkription ist der erste Schritt auf den Weg dorthin, bei der die DNA-Sequenz des Gens in einzelsträngige PrämRNA umgeschrieben bzw. transkribiert wird.
Mit der mRNA wird also eine Kopie mit den relevanten Informationen für die Synthese des Proteins hergestellt. Praktisch, denn so wird gewährleistet, dass die DNA im Zellkern lokalisiert bleiben kann und die mRNA quasi als Bote auch an einem anderen Ort transportiert werden kann, wo diese Informationen gebraucht werden. Die RNA wird anschließend im zweiten Teilschritt der Translation als reife mRNA an den Ribosomen in die Aminosäure-Sequenz eines Proteins übersetzt, ein Vorgang, den wir uns in einem weiteren Video anschauen werden.
Nur noch eine Anmerkung, bevor wir uns den Prozess der Transkription genauer anschauen. Bestimmt wisst ihr, dass Gene im Wesentlichen unseren Phänotypen, also unser äußeres Erscheinungsbild, bestimmen. Nicht umsonst heißt es manchmal, jemand habe gute Gene geerbt. Man muss sich aber bewusst sein, und das ist eben bereits angeklungen, dass Gene meistens Proteine kodieren.
Und diese wiederum, die bestimmen den Phänotypen. Beispielsweise ist ein Gen mit der Bezeichnung EDA für die Ausbildung der Haare mitverantwortlich. Wenn man sich die Basensequenz des EDA-Gens bei Menschen unterschiedlicher Abstammung anschaut, fällt auf, dass der Austausch einer einzelnen DNA-Base im EDA-Gen dazu führt, dass sich die EDA-Proteine von Menschen Asiatischen von solchen afrikanischen und europäischen Ursprungs in ihrer äußeren Struktur minimal unterscheiden. Genau genommen unterscheidet sich nur eine Aminosäure voneinander.
Aminosäuren als Grundbausteine, aus denen Proteine aufgebaut sind. Die Veränderung des Proteins kann phänotypisch große Auswirkungen haben, wenn man sich die Haare von Europäer, Europäerinnen und Afrikanern und Afrikanerinnen mit denen von Asiaten und Asiatinnen vergleicht. Menschen europäischer Herkunft haben verhältnismäßig dünne Haare, die ebenso wie die Haare von Menschen afrikanischer Herkunft lockig sein können. Menschen ostasiatischer Herkunft haben hingegen dickes, glattes Haar.
Die Tatsache, dass man bei ihnen lockiges Haar in der Regel nicht vorfindet, ist auf die eben angesprochene Veränderung des Proteins zurückzuführen. An dieser Stelle wird einem also die Bedeutung von Protein für die Ausprägung des Phänotyps bewusst. Dass zudem eine exakte und fehlerfreie Proteinbiosynthese von enormer Bedeutung ist, wird bei Proteinen die lebenswichtige Funktion erfüllen, besonders deutlich.
In diesem Fall geht es nicht darum, ob die Haare lockig oder glatt sind, sondern darum, ob zum Beispiel rote Blutkörperchen rund und glatt sind und damit unseren Körper ausreichend mit Sauerstoff versorgen können, oder ob diese aufgrund eines veränderten Proteins sichelförmig und spitz sind, wie bei der Sichelzellenkrankheit der Fall ist. Und das mit lebensbedrohlichen Folgen. Schauen wir uns im nächsten Schritt an, wie die Transkription, also das Erzeugen einer spezifischen RNA-Sequenz aus einer spezifischen DNA-Sequenz, genau abläuft. Die Transkription erfolgt in drei Schritten. Initiation, Elongation und Termination.
Das Enzym, in das die Synthese von RNA aus einer DNA-Matrize katalysiert, ist die RNA-Polymerase 2. Die RNA-Polymerase ist ein verglichen mit dem DNA-Doppelstrang ziemlich großes Molekül und bedeckt in Wirklichkeit etwa 50 Basenpaare, was ungefähr diesem Größenverhältnis entspräche. Sie ist also viel, viel größer als in den Schulbüchern dargestellt und auch viel größer, wie sie nachfolgend in dem Video dargestellt wird. Vielleicht erinnert ihr euch an die DNA-Replikation, bei der die DNA-Polymerase einen Primer benötigt, um an die DNA binden zu können.
RNA-Polymerasen benötigen keine Primer. Und doch können sie auch nicht ohne weiteres an die DNA binden und damit die Transkription in Gang setzen. Für die Initiation ist ein Promoter erforderlich, also eine spezielle DNA-Sequenz, an welche die RNA-Polymerase binden kann.
Wenn man es ganz genau nimmt, dann müsste man an dieser Stelle einräumen, dass die RNA-Polymerase selbst diese Promoter-Sequenz nicht erkennen kann. Schaut man sich die Promoter-Sequenz genauer an, fällt ein Bereich auf, der gekennzeichnet ist durch einen hohen Anteil an Adenin-und Thyminbasen. Diesen Bereich nennt man auch Tata-Box. An diese Tata-Box binden Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, die ich an dieser Stelle einfachheitshalber Transkriptionsfaktor 1 bis 4 nenne, wodurch sich die räumliche Struktur des Promoters verändert und das wiederum erlaubt, dass die RNA-Polymerase schließlich bindet und die Transkription in Gang setzt.
In der Regel besitzt jedes Gen bei den Eukaryoten einen eigenen Promoter. Ein Promoter ist also eine wichtige Kontrollsequenz, die der RNA-Polymerase mitteilt, erstens, wo die Transkription beginnt und zweitens, welcher DNA-Strang transkribiert wird. Denn je nach Protein, das synthetisiert wird, kann mal der eine und mal der andere DNA-Strang als Matrizenstrang dienen.
Nach der Bindung an den Promoter ist es die RNA-Polymerase selbst, die mit der Entspiralisierung der DNA beginnt. Das heißt, dass der Doppelstrang entwunden wird und die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen getrennt werden, sodass ein Strang als Matrize, also Vorlage, für die nachfolgende Verknüpfung von RNA-Nukleotiden dient. Der Prozess der teilweise Entspiralisierung der DNA ist auf dem unteren DNA-Doppelstrang der Abbildung abgebildet. Diesen Bereich vergrößern wir mal, um die Verknüpfung neuer RNA-Nukleotide, die Elongation, besser nachvollziehen zu können.
Der Strang, an dem die Transkription stattfindet, nennt man auch Kodogenstrang oder Antisensstrang. Der andere DNA-Strang wird als nicht-kodogener Strang bezeichnet. Die RNA-Polymerase verknüpft nun neue RNA-Nukleotide an das Dreistrichende des wachsenden Strangs. Die neue RNA wird von der ersten Base, die das Fünfstrichende bildet, also zum Dreistrichende hin verlängert.
Lasst euch an dieser Stelle nicht verunsichern, wenn das eventuell dem widerspricht, was in eurem Biologiebuch steht. Möchte man die Verlaufsrichtung der RNA-Polymerase beschreiben, kann die Beschreibung je nach Betrachtungsweise durchaus unterschiedlich sein. In Bezug auf den Kodogenen bewegt sich die RNA-Polymerase von 3'in 5'Richtung entlang.
Erzeugt aber in Bezug auf den neu zu synthetisierenden Strang Nukleotide am 3'Ende des wachsenden Strangs. Hängt diese also in 5'3'Richtung an. Letztendlich führen beide Beschreibungen zum gleichen Ergebnis. Ich hoffe, dass das halbwegs verständlich war. Die Tatsache, dass sich bei einem Strang das 3'Ende dort befindet, wo beim anderen Strang das 5'Ende ist, hat etwas mit der Antiparallelen, also entgegengesetzten Verlaufsrichtung der Einzelstränge zueinander zu tun.
Wer von euch hier noch größere Schwierigkeiten hat, empfehle ich, sich nochmal das Video über den Aufbau der DNA anzugucken. Wie bereits erwähnt, verknüpft die RNA-Polymerase RNA-Nukleotide an den wachsenden Strang. Die Basensequenz des kodogenen Strangs der DNA wird also in die Basensequenz eines anderen Moleküls, nämlich der Ribonukleinsäure, umgeschrieben. RNA unterscheidet sich von DNA in zwei Aspekten. Erstens enthält RNA den Zucker Ribose, DNA hingegen Desoxyribose.
Deshalb auch das R im Namen RNA und das D im Namen DNA. Den jeweiligen Zucker seht ihr in der Abbildung nicht direkt, aber er ist vorhanden. Im Zucker-Phosphat-Rückgrat, was als blaues Band erkennbar ist, sind Zucker und Phosphat abwechselnd miteinander verbunden.
Und am Zuckermolekül sind die jeweiligen Basen gebunden. Während die Desoxyribose in der DNA ihren Namen enthält, weil am zweiten C-Atom das Sauerstoffatom fehlt, Des heißt ohne und Oxy heißt Sauerstoff, ist diese bei der Ribose am zweiten C-Atom vorhanden. Ein zweiter Unterschied ist euch wahrscheinlich schon anhand der Abbildung aufgefallen.
Neben den Basen Adenin, Guanin und Cytosin, die bei der RNA ebenso vorkommen wie bei der DNA, taucht nur bei der RNA eine gelbe Farbe auf. die für die Base Uracil steht. Die RNA enthält also die Base Uracil anstelle der DNA-Base Thymin.
Und so ersetzt bei der Verknüpfung neuer RNA-Nukleotide Uracil die Base Thymin als komplementäre Base zu Adenin. Die Synthese neuer RNA-Nukleotide durch die RNA-Polymerase erfolgt so lange, bis sie auf eine Terminator-Sequenz stößt. Genauso wie es mit dem Promoter eine spezifische DNA-Sequenz gibt, die den Startpunkt der Transkription festlegt, bestimmen ebenso spezifische DNA-Sequenzen die Termination.
Die RNA-Polymerase löst sich von der DNA, das RNA-Transkript, so wird die RNA-Kopie des Gens häufig genannt, wird freigesetzt, das könnt ihr unten links sehen, und ins Zytoplasma außerhalb des Zellkerns transportiert. Erinnert euch daran, dass ein Großteil der DNA in unserem Zellkern vorzufinden ist. Folglich findet auch dort die Transkription statt.
Und weil die Translation, also die Übersetzung der RNA-Sequenz in die Aminosäure-Sequenz eines Proteins, an den Ribosomen stattfindet, muss das RNA-Transkript über die Kernporen in das Zytoplasma transportiert werden. Genau genommen, und so steht es auch in der Abbildung, handelt es sich beim RNA-Transkript um mRNA. auch Boten-RNA genannt, wobei das M für Messenger steht. Wie ein Bote transportiert die einzelsträngige mRNA, also die in ihrer Sequenz enthaltene Information für die Synthese eines Proteins, zu den Ribosomen. Warum selbst der Begriff mRNA an dieser Stelle noch zu unpräzise ist, erkennt man mit Blick auf die Genstruktur bei den Eukaryoten.
Bei den Eukaryoten gibt es innerhalb der Gene, neben den protein-codierenden Bereichen der DNA, die man als Exons bezeichnet, Auch die nicht-codierenden Bereiche, die sogenannten Introns, sie codieren später für kein Protein. Das heißt, dass sie keine relevanten Informationen für die Synthese von Proteinen besitzen. Bei der Transkription werden sowohl Introns als auch Exons transkribiert. Weil die mRNA nach der Transkription sowohl Introns als auch Exons enthält, wird sie auch als PrämRNA, eine Art Vorstufe der Reifen-mRNA, bezeichnet.
Um für die Proteinsynthese nur die relevanten Exon-Bereiche und damit die Reife mRNA zu enthalten, muss die Prä-mRNA also noch modifiziert werden. Und dies geschieht über den Prozess der RNA-Prozessierung. Diesen komplexen, ebenfalls noch im Zellkern stattfindenden Prozess, den ihr wahrscheinlich unterschiedlich detailliert können müsst, je nachdem, ob ihr nämlich Bio als Grundkurs oder als Leistungskurs gewählt habt, werde ich in einem weiteren Video zur Protein-Biosynthese näher erklären.
Ehe dann im dritten und letzten Video die Translation angeschaut wird.