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Die Neusynthese von Proteinen (Proteinbiosynthese) gehört zu den elementaren Prozessen in den Zellen von Lebewesen. Die Proteinbiosynthese wird in die Teilschritte Transkription und Translation unterteilt. Transkription ist die Umschreibung eines Gens in eine mRNA, welche im Prozess der Proteinbiosynthese als informationstragendes Transportmolekül dient.
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Bevor Du die Thematik der Transkription vertiefst, sollte Dir der grundlegende Ablauf und die Funktion der Proteinbiosynthese bekannt sein. Schau dafür einfach beim StudySmarter Artikel zur Proteinbiosynthese vorbei.
Im Zuge der Proteinbiosynthese werden Gene abgelesen und in eine sogenannte messenger-RNA (mRNA) umgeschrieben. Dieser Teilprozess wird Transkription genannt. Anschließend wird die mRNA durch die Translation am Ribosomen in eine Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt.
Die Transkription findet bei eukaryotischen Zellen im Zellkern statt, während sie bei Prokaryoten im
Cytoplasma abläuft.
Die Transkription ist die Synthese von RNA, wobei die DNA als Vorlage dient und die Basensequenz der DNA in die Basensequenz der RNA umgeschrieben wird.
Die Informationen, welche für die Neusynthese von Proteinen benötigt werden, sind in der DNA jedes Lebewesens enthalten. Hierbei enthält immer ein proteinkodierendes Gen die Informationen für die Aminosäuresequenz eines Proteins. Die Umsetzung von einem Gen in eine mRNA beziehungsweise in ein Protein wird auch Genexpression genannt.
Ein proteinkodierendes Gen ist eine Einheit (Abschnitt) der DNA, welche die Informationen für die Aminosäuresequenz eines Proteins enthält.
Abbildung 1: Vereinfachtes Fließschema der Transkription
Messenger-RNA ist, wie die DNA, eine Nukleinsäure und besteht aus einer Basensequenz (Nukleotidsequenz). Während DNA aus den Basenpaarungen Adenin-Thymin (A-T) und Guanin-Cytosin (G-C) aufgebaut ist, bestehen RNA-Moleküle aus den Basenpaarungen Adenin-Uracil (A-U) und Guanin-Cytosin (G-C). Entsprechende Thymin Basen sind in der RNA, also durch Uracil Basen, ausgetauscht.
Während der Transkription wird immer nur einer der beiden Doppelstränge des Gens in eine RNA übersetzt.
Der sogenannte codogene Strang wird durch die RNA-Polymerase als Vorlage genutzt. Der zum codogenen Strang komplementäre codierende Strang wird im Zuge der Transkription nicht umgeschrieben. Der codierende Strang entspricht in seiner Basensequenz dem entstehenden mRNA-Transkript.
Das entscheidende Enzym der Transkription ist die DNA-abhängige RNA-Polymerase (RNA-Polymerase). Aus dem Namen dieses Enzyms lässt sich einiges über dessen Arbeitsweise ableiten. Es handelt sich um ein Enzym, welches einen DNA-Strang als Vorlage benötigt und daraus einen komplementären RNA-Strang synthetisiert. Die RNA-Polymerase ist ein sehr komplexes Enzym, welches aus mehreren Untereinheiten aufgebaut ist.
Die RNA-Polymerase besitzt die Eigenschaft, nur in eine bestimmte Richtung zu arbeiten. Der codogene Strang wird durch die RNA-Polymerase in 3' → 5' - Richtung abgelesen. Der entstehende RNA Strang wird also in 5' → 3' - Richtung synthetisiert.
Die RNA-Polymerasen von Prokaryoten unterscheiden sich von denen der Eukaryoten. Während in Prokaryoten eine RNA-Polymerase zum Einsatz kommt, gibt es in Eukaryoten drei verschiedene RNA-Polymerasen, die unterschiedliche Gentypen transkribieren.
Die Transkription dient nicht allein dem Zweck der Proteinbiosynthese. Es werden auch Abschnitte der DNA in RNA's umgeschrieben, welche im Anschluss nicht in Proteine übersetzt werden. Diese RNA's werden nicht-codierende RNA's (ncRNA) genannt und können unterschiedliche Funktionen übernehmen.
Zwei Vertreter der ncRNA's solltest Du bei dem Ablauf der Proteinbiosynthese schon kennengelernt haben. Die ribosomale-RNA (rRNA) ist Bestandteil der Ribosomen und spielt somit eine zentrale Rolle in der Proteinbiosynthese. Die sogenannten transfer-RNA's (tRNA) sind nicht weniger wichtig. Sie sind im Zuge der Translation für den Transfer von Aminosäuren innerhalb der Zelle zuständig.
Neben den beiden bekanntesten Vertretern der ncRNA's gibt es noch eine Vielzahl an anderen RNA-Molekülen, die durch die Transkription entstehen. Man nimmt an, dass viele von ihnen keine Funktionen in den Zellen übernehmen. Andere hingegen übernehmen genregulierende Prozesse und nehmen Einfluss auf die Proteinbiosynthese.
Der Prozess der Transkription kann in Initiation, Elongation und Termination unterteilt werden. Im folgenden Abschnitt werden die verschiedenen Teilprozesse der Transkription vertieft.
Als Initiation oder Initiationsphase wird die Einleitung der Transkription bezeichnet. Die RNA-Polymerase erkennt und bindet an der sogenannten Promotorregion, welche jedem Gen vorgeschaltet ist.
Promotorregionen sind DNA-Abschnitte, die im 5'-Bereich eines jeden Gens vorgeschaltet sind. Bestimmte Basensequenzen in der Promotorregion ermöglichen das Erkennen und die Bindung durch die RNA-Polymerase. Des Weiteren spielt die Promotorregion eine wichtige Rolle bei genregulierenden Prozessen.
Sogenannte Transkriptionsfaktoren interagieren mit der RNA-Polymerase an der Promotorregion. Transkriptionsfaktoren haben Einfluss darauf, wie häufig, oder ob ein Gen durch die RNA-Polymerase in ein Transkript umgeschrieben wird.
Transkriptionsfaktoren sind regulatorische Proteine, welche durch Bindung an bestimmten Bereichen der DNA positiv oder negativ regulierende Auswirkungen auf die Transkription von Genen haben.
Abbildung 2: Schematische Darstellung eines proteincodierenden Gens
Die Elongation oder Elongationsphase der Transkription beschreibt den Prozess der RNA-Synthese (Polymerisation). Für die RNA-Synthese wird immer ein längerer Abschnitt der DNA durch die RNA-Polymerase entwunden und in ein Einzelstränge aufgespalten.
Die RNA-Polymerase wandert entlang des codogenen Strangs in 3' → 5'-Richtung. Dabei synthetisiert sie einen zu dem codogenen Strang komplementären RNA-Strang. Hierfür müssen entsprechende Bausteine (Nukleotide) zur Verfügung gestellt werden. Der Prozess der Elongation ist sehr energieaufwendig.
Die Termination beschreibt den Abschluss der Transkription und die Freisetzung des entstandenen RNA Transkripts. Entsprechende Sequenzabschnitte auf dem Gen oder Proteine, welche als Terminationsfaktoren dienen, werden von der RNA-Polymerase erkannt und führen zum Stopp der Polymerisation. In Prokaryoten können auch bestimmte strukturelle Eigenschaften der DNA zu einem Abbruch der Elongation führen.
Nachdem die Termination induziert wurde, löst sich die RNA-Polymerase von der DNA und die RNA wird freigesetzt.
In Eukaryoten entstehen durch die Transkription Vorstufen von funktionsfähigen oder übersetzungsfähigen RNA-Molekülen. Diese müssen durch die RNA-Prozessierung (auch RNA-Reifungsprozess) zugeschnitten und modifiziert werden. Eine RNA-Prozessierung findet bei Prokaryoten nicht statt.
Die RNA-Prozessierung ist kein direkter Prozess der Transkription, sondern findet im Anschluss an die Transkription statt. Für mRNA ist der Reifungsprozess entscheidend, damit bei der anschließenden Translation am Ribosomen die richtigen Abschnitte der mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt werden. Des Weiteren wird die mRNA durch Modifikationen vor enzymatischen Abbau geschützt.
Reifungsprozess der mRNA
Eukaryotische Gene liegen als sogenannte Mosaikgene vor und werden in Exons und Introns unterteilt. Proteincodierende Abschnitte (Exons) werden durch nicht-codierende Abschnitte unterbrochen.
Im Zuge der mRNA-Reifung werden die Introns aus der mRNA herausgeschnitten. Dieser Prozess nennt sich Spleißen und sorgt dafür, dass während der Translation nur die proteincodierenden Abschnitte des Gens in eine Aminosäuresequenz übersetzt werden.
Des Weiteren werden mRNAs mit einer sogenannten CAP-Struktur am 5'-Ende und einem Poly-A Schwanz (Polyadenylierung) am 3'-Ende modifiziert. Die entsprechenden Strukturen ermöglichen Erkennungsvorgänge am Ribosom und schützen die mRNA vor einem enzymatischen Abbau.
Abbildung 4: Mosaikgenstruktur eines eukaryotischen Gens
Das entscheidende Enzym der Transkription ist die DNA-abhängige RNA-Polymerase (RNA-Polymerase).
Der codogene Strang wird durch die RNA-Polymerase in 3' → 5'-Richtung abgelesen. Der entstehende RNA Strang wird also in 5' → 3'-Richtung synthetisiert.
Der Prozess der Transkription kann in Initiation, Elongation und Termination unterteilt werden.
Als Initiation oder Initiationsphase wird die Einleitung der Transkription bezeichnet. Die RNA-Polymerase erkennt und bindet an der sogenannten Promotorregion, welche vor jedem Gen vorgeschaltet ist.
Die Elongation oder Elongationsphase beschreibt den Prozess der RNA-Synthese (Polymerisation).
Die Termination beschreibt den Abschluss der Transkription und die Freisetzung des entstandenen RNA Transkripts.
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Wie funktioniert die Transkription?
Die Transkription ist durch die DNA-abhängige RNA-Polymerase möglich. Hierbei handelt es sich um ein Enzym welche die Umschreibung von DNA in RNA ermöglicht.
Die RNA-Polymerase benötigt einen Promotor, der den Startpunkt für die Transkription kennzeichnet.
Des Weiteren ist eine Terminator-Sequenz notwendig, welche den Transkriptions-Stopp signalisiert.
Wo findet die Transkription statt?
Bei den Prokaryoten finden die Transkription und Translation im gleichen Zellbestandteil, nämlich im Cytoplasma, statt und die Translation kann direkt beginnen.
Bei den Eukaryoten läuft die Transkription im Zellkern und die Translation im Cytoplasma ab. Bevor die mRNA aber den Zellkern verlassen kann, folgt noch ein Zwischenschritt: die RNA-Prozessierung.
Was passiert bei der Transkription?
Die Transkription ist das „Umschreiben“ der DNA in die mRNA, welche als Transportmolekül für den Bauplan von Proteine fungiert. Die Transkription ist der erste Schritt der Proteinbiosynthese.
Wie wird die Transkription beendet?
Die Transkription wird beendet, sobald die RNA Polymerase auf spezifische Sequenzen trifft, was zu einem Stopp der Polymerisation führt. Diese Regionen auf der DNA bezeichnet man als Terminatoren, weil sie das Ende der Transkription markieren.
Wie funktioniert Transkription?
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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