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Die Transkription

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie

  • die Aufgaben der Transkription beschreiben können,
  • den Unterschied zwischen Transkription und DNA-Replikation aufzeigen können,
  • den Ablauf der Transkription in Einzelschritten erläutern können,
  • den Aufbau eines Operons zeichnen und erläutern können,
  • dabei die Funktionen von Promotor und Operator näher erklären können,
  • Die Rollen von Promotor, Operator, Strukturgenen und RNA-Polymerase beim Transkriptionsvorgang erläutern können.

Aufgabe der Transkription

Die Aufgabe der Transkription besteht in der Bereitstellung einer Arbeitskopie eines DNA-Abschnitts, zum Beispiel eines Strukturgens. Diese Arbeitskopie in Form einer mRNA wird dann von den Ribosomen in ein Protein übersetzt.

Aber auch die ribosomale RNA - die rRNA - die ein wichtiges Strukturelement der Ribosomen darstellt, muss durch Transkription der entsprechenden DNA-Abschnitte bereitgestellt werden. Und auch die tRNA-Moleküle einer Zelle entstehen nicht einfach so, sondern durch Transkription entsprechender DNA-Bereiche.

Vieles ist noch ungeklärt, was die Transkription der DNA angeht. Werden alle Abschnitte der DNA transkribiert? Was ist mit der so genannten "Schrott-DNA", die sich zwischen den Genen befindet und die sogar den größten Teil der DNA ausmacht?

Unterschied Transkription - Replikation

Die Transkription ist im Grunde eine abgewandelte Replikation. Auch evolutionsgeschichtlich nimmt man an, dass die Transkription aus der Replikation hervorgegangen ist. Allerdings gibt es einige Unterschiede zwischen der Replikation der DNA und der Transkription:

Erstens
  • Es wird nicht die gesamte DNA einer Zelle transkribiert, sondern nur ein kleiner Teil, nämlich ein Gen oder ein Operon, also eine kleine, zusammengehörige Gruppe von Genen.
    Unter einem Gen verstehen wir einen DNA-Abschnitt, der für die Synthese eines Proteins, einer rRNA oder einer tRNA verantwortlich ist. Der Begriff Operon ist weiter unten erklärt.
Zweitens
  • Bei der Replikation werden beide Stränge der Doppelhelix kopiert. Bei der Transkription wird nur von einem der beiden Stränge ein Transkript (eine Abschrift) angefertigt.
Drittens
  • Bei der Replikation entsteht neue DNA. Die Abschrift, die bei der Transkription entsteht, ist chemisch abgewandelte DNA, so genannte RNA. Diese RNA (Ribonucleinsäure) unterscheidet sich von der DNA (Desoxyribonucleinsäure) in drei Punkten:
    a) Die Zucker-Einheiten enthalten ein Sauerstoffatom mehr,
    b) statt der Base Thymin kommt die Base Uracil in der RNA vor,
    c) die RNA ist grundsätzlich nur einsträngig, kann allerdings durch komplementäre Paarung einzelner Abschnitt auch zweisträngige Bereiche aufweisen (Haarnadelschleifen).
Viertens
  • Bei der Replikation verbleibt die DNA-Kopie im Zellkern bzw. bei Prokaryoten (die ja keinen Zellkern haben) in der Nähe der alten DNA.
    Bei der Transkription dagegen wandert die neu synthetisierte RNA in das Zellplasma, wo sie sich mit Ribosomen zusammenlagert.

Ablauf der Transkription

Das wichtigste Enzym bei der Transkription ist die RNA-Polymerase, die von der Funktionsweise durchaus mit der DNA-Polymerase gleichzusetzen ist. Wie wir aber gerade gesehen haben, wird bei der Transkription nicht die gesamte DNA kopiert, sondern nur der Teil, der für die Synthese eines Proteins (oder einer Gruppe von Proteinen) verantwortlich ist, ein so genanntes Gen (oder Operon). Dazu muss die RNA-Polymerase den Anfang dieses Genes bzw. Operons finden. Eine menschliche Zelle hat 46 DNA-Stränge im Zellkern, wobei jeder ein paar Millionen Basenpaare lang ist. Wie soll die RNA-Polymerase da den Anfang eines Gens finden?

Aufbau eines bakteriellen Operons

Beschreibung siehe folgenden Text

Ein prokaryotisches Operon
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Ein Operon ist sozusagen die kleinste funktionelle Einheit der DNA. Man könnte auch sagen: Ein Operon ist eine Gruppe zusammengehöriger Gene mit einem gemeinsamen Ein/Ausschalter.

Promotor

Am Anfang eines jeden Operons befindet sich der Promotor. Das ist ein kurzer DNA-Abschnitt, der durch eine bestimmte Basenabfolge gekennzeichnet ist, in der die Buchstaben T und A besonders häufig vorkommen. Vor allem die Basensequenz / das "Motiv" TATATT findet sich hier. Der Promotor ist die Andockstelle für die RNA-Polymerase.

Ein Grund für das gehäufte Vorkommen der Basen T und A ist sicherlich, dass sich zwischen T- und A-Basen nur zwei Wasserstoffbrücken ausbilden. T- und A-reiche DNA-Regionen können also besonders leicht aufgetrennt werden, und das ist ja auch der erste wichtige Schritt bei der Transkription der DNA. Am Promotor kann die DNA-Doppelhelix also wegen der vielen T- und A-Basen besonders leicht in Einzelstränge gespalten werden (Spektrum der Wissenschaft, März 2014, Seite 20).

Promotor

Auf dieser Lexikonseite erfahren Sie mehr über Promotoren.

Operator

Als nächstes kommt die Operator-Region. An diese DNA-Region kann sich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ein spezifisches Repressor-Protein andocken. Sitzt ein solches Repressor-Protein am Operator, so ist der Weg für die RNA-Polymerase blockiert und eine Transkription ist nicht möglich. Hier hat die Zelle eine effektive Methode erfunden, mit der sie die Transkription von Genen verhindern kann, die gerade nicht benötigt werden.

Strukturgene

An den Operator schließen sich die "richtigen" Gene an, die für die Proteine verantwortlich sind. Solche Gene bezeichnet man auch als Strukturgene.

Terminator

Genau so wie der Anfang eines Genes besonders gekennzeichnet werden ist, muss auch das Ende eines Transkriptionsabschnittes markiert werden. Eine solche spezifische Basenabfolge bezeichnet man auch als Terminator.

Pro- und Eukaryoten

Diese Beschreibung des Aufbau eines Operons bezieht sich auf die Verhältnisse bei Prokaryoten, speziell Bakterien. Eukaryotische Gene bzw. Operons sind wesentlich komplexer aufgebaut; die aktivierenden oder hemmenden DNA-Sequenzen können über verschiedene Stellen der DNA verteilt sein.

Der Transkriptionsvorgang

Die RNA-Polymerase diffundiert im Kernplasma (bei Prokaryoten im Zellplasma) herum und kommt irgendwann mit einem DNA-Strang in Kontakt. Das Enzym setzt sich dann auf die DNA-Doppelhelix wie eine Lokomotive auf einen Schienenstrang. Es gleitet jetzt auf der DNA entlang. Sobald die RNA-Polymerase auf eine Promotor-Sequenz stößt, entsteht eine stabilere Bindung. Einen Promotor erkennt die RNA-Polymerase an dem typischen TATATT-Motiv (unter anderem).

Wenn der Operator, der sich meistens direkt hinter dem Promotor befindet, nicht durch ein Repressor-Protein blockiert ist, beginnt die RNA-Polymerase mit der Transkription. Die Basen der Strukturgene werden in mRNA übersetzt. Bei Prokaryoten setzen sich sofort Ribosomen an die entstehende mRNA und beginnen mit der Translation. Bei Eukaryoten geht das nicht so schnell. Die mRNA muss nämlich zuerst den Zellkern verlassen, vorher wird sie allerdings noch etwas bearbeitet (RNA-Spleißen). Erst dann können sich Ribosomen an die mRNA setzen und mit der Translation beginnen.

Wenn die RNA-Polymerase am Terminator ankommt, stoppt die Transkription, und das Enzym verlässt die Doppelhelix. Die Polymerase diffundiert jetzt wieder ziellos im Kernplasma herum, bis sie erneut zufällig in Kontakt mit der DNA kommt.

Der Transkriptionsvorgang - näher betrachtet

Der Transkriptionsvorgang schematisch dargestellt
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Zunächst wird die DNA-Doppelhelix über eine Länge von mehreren Basenpaaren entwunden. Eine der beiden Einzelstränge ist dann die Matrize (Kopiervorlage) für die RNA; dieser Einzelstrang wird dann als codogener Strang bezeichnet. Der andere DNA-Strang, der nicht kopiert wird, heißt codierender Strang, weil seine Basensequenz quasi 1:1 auf die RNA übertragen wird (T wird dabei immer durch U ersetzt).

Der codierende Strang (engl. coding strand oder auch sense-strand) wird in den meisten Schulbüchern als nicht-codogener Strang oder komplementärer Strang bezeichnet. Der Begriff codierender Strang ist in Schulbüchern dagegen nicht üblich, weil er für Verwirrung sorgt (codogener Strang - codierender Strang, das kann sich doch kein Schüler merken und auch keine Schülerin).

An das wachsende RNA-Molekül werden jetzt von der RNA-Polymerase nach und nach die RNA-Nucleotide angehängt, und zwar an das 3'-OH-Ende der RNA. Genauer gesagt, handelt es sich um Nucleotide mit drei Phosphatgruppen, denn der Vorgang der Elongation (Verlängerung der mRNA) ist sehr energieaufwändig, und die RNA-Nucleotide bringen diese Energie selbst mit, in Form von zwei Phosphatgruppen, die dann abgespalten werden (ähnlich wie bei der Spaltung von ATP in AMP und 2 Phosphat).

Die RNA-Polymerase bewegt sich bei diesem Prozesse stetig weiter, und zwar in 3' → 5'-Richtung, wenn man den codogenen Strang als Bezugssystem wählt.

RNA-Polymerase

Auf dieser Lexikonseite erfahren Sie viele Details über pro- und eukaryotische RNA-Polymerasen, wie sie aufgebaut sind, welche Typen es gibt, und wie sie mit der DNA interagieren.

Transkription, Details

Auf dieser Vertiefungsseite erfahren Sie viele Details über die prokaryotische Transkription. Die Initiationsphase, die Elongationsphase und die Terminationsphase werden ausführlich beschrieben. Für Schüler(innen) der Sek. II ist diese Seite vielleicht schon zu anspruchsvoll, aber Sie können ja mal gerne rein schauen.