28.0.1. Ein Überblick über die RNA-Synthese:

Die RNA-Synthese oder Transkription ist der Prozess der Umschreibung von DNA-Nukleotid-Sequenzinformationen in RNA-Sequenzinformationen. Die RNA-Synthese wird durch ein großes Enzym namens RNA-Polymerase katalysiert. Die grundlegende Biochemie der RNA-Synthese ist Prokaryonten und Eukaryonten gemeinsam, wenngleich ihre Regulierung bei Eukaryonten komplexer ist. Die enge Verbindung zwischen prokaryontischer und eukaryontischer Transkription wird durch die kürzlich bestimmten dreidimensionalen Strukturen repräsentativer RNA-Polymerasen aus Prokaryonten und Eukaryonten sehr schön veranschaulicht (Abbildung 28.1). Trotz erheblicher Unterschiede in Größe und Anzahl der Polypeptiduntereinheiten sind die Gesamtstrukturen dieser Enzyme recht ähnlich, was auf einen gemeinsamen evolutionären Ursprung schließen lässt.

Die RNA-Synthese verläuft, wie fast alle biologischen Polymerisationsreaktionen, in drei Phasen: Initiation, Elongation und Terminierung. Die RNA-Polymerase erfüllt in diesem Prozess mehrere Funktionen:

Sie sucht in der DNA nach Initiationsstellen, auch Promotorstellen oder einfach Promotoren genannt. Die DNA von E. coli zum Beispiel hat etwa 2000 Promotorstellen in ihrem 4,8 × 106 bp großen Genom. Da sich diese Sequenzen auf demselben DNA-Molekül befinden wie die zu transkribierenden Gene, werden sie als cis-wirkende Elemente bezeichnet.

Es wickelt einen kurzen Abschnitt der doppelhelicalen DNA ab, um eine einzelsträngige DNA-Vorlage zu erzeugen, von der es Anweisungen erhält.

Es wählt das richtige Ribonukleosidtriphosphat aus und katalysiert die Bildung einer Phosphodiesterbindung. Dieser Vorgang wird viele Male wiederholt, während sich das Enzym in einer Richtung entlang der DNA-Vorlage bewegt. Die RNA-Polymerase ist vollständig prozessiv – ein einziges RNA-Polymerase-Molekül synthetisiert das Transkript von Anfang bis Ende.

Sie erkennt Terminierungssignale, die angeben, wo ein Transkript endet.

Sie interagiert mit Aktivator- und Repressorproteinen, die die Geschwindigkeit der Transkriptionsinitiierung über einen breiten dynamischen Bereich modulieren. Diese Proteine, die bei Eukaryonten eine wichtigere Rolle spielen als bei Prokaryonten, werden als Transkriptionsfaktoren oder trans-acting elements bezeichnet. Die Genexpression wird hauptsächlich auf der Ebene der Transkription gesteuert, wie in Kapitel 31 ausführlich behandelt wird.

Die grundlegende Reaktion der RNA-Synthese ist die Bildung einer Phosphodiesterbindung. Die 3′-Hydroxylgruppe des letzten Nukleotids in der Kette greift nukleophil die α-Phosphatgruppe des ankommenden Nukleosidtriphosphats an, wobei gleichzeitig ein Pyrophosphat freigesetzt wird (siehe Abbildung 5.25). Diese Reaktion ist thermodynamisch günstig, und der anschließende Abbau des Pyrophosphats zu Orthophosphat schließt die Reaktion in Richtung RNA-Synthese ab.

Die Chemie der RNA-Synthese ist für alle RNA-Formen identisch, einschließlich Boten-RNA, Transfer-RNA und ribosomale RNA. Die soeben skizzierten grundlegenden Schritte gelten auch für alle Formen. Ihre Syntheseprozesse unterscheiden sich hauptsächlich in der Regulierung, der posttranskriptionellen Verarbeitung und der spezifischen Polymerase, die daran beteiligt ist.