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Vom Gen zum Protein

Vokabeln DNA

Tab.1
Wichtige Begriffe zur Funktion der DNA
VokabelErklärung
DNADie Desoxyribonucleinsäure der Zelle ist ein aus zwei Strängen bestehendes Polymer mit nur vier individuellen Bausteinen, den so genannten Nucleotiden. Allein die Abfolge entscheidet über die Funktion eines einzelnen DNA-Abschnittes. Eine herausragende Eigenschaft der DNA ist ihre enorm hohe Stabilität. Es ist nämlich die Funktion der DNA, die Erbinformation über Generationen hinweg unverändert weiterzugeben. Deshalb gibt es zur Synthese der DNA eine Qualitätskontrolle durch Reparatur. Die offenen Ende der DNA werden durch spezielle Strukturen vor dem Angriff von Nucleasen geschützt.
ReplikationReplikation ist der Begriff für die identische Verdoppelung des Erbmaterials (DNA in DNA). Um dieses zu gewährleisten, geschieht die Verdoppelung stets durch die Konservierung eines Strangs. Spezielle Reparaturenzyme sorgen dafür, dass der neu synthetisierte Strang fehlerfrei hergestellt wird. Dieser Prozess ist notwendig. Deshalb „bezahlt“ die Zelle dafür und wendet sehr viel Energie für die Qualitätskontrolle auf. Um jedoch 100 %ige Identität zu gewährleisten, wäre der Aufwand „unbezahlbar“, so dass am Ende noch ausreichend Fehler auftreten, um die Evolution zu erlauben. Die Fehlerrate liegt bei 1:10 000. Genauere Information erhalten Sie im Abschnitt „Replikation“.
DNA-PolymeraseWir unterscheiden mindestens drei DNA-Polymerasen. Sie werden nach der Reihenfolge ihrer Entdeckung 1, 2 und 3 genannt. Die wichtigste und gleichzeitig größte DNA-Polymerase ist die Polymerase 3. Sie hat die wichtige Aufgabe der DNA-Verdoppelung. Keine Zelle besitzt mehr als sechs dieser Replikationsmaschinen. Dabei wird im Abschnitt Replikation ausführlich beschrieben, wie trotz der gegensätzlichen Orientierung beide DNA-Stränge simultan von derselben DNA-Polymerase 3 gebildet werden. Die DNA-Polymerase 1 fungiert ausschließlich als Reparaturenzym, das biotechnologisch besonders interessant ist, weil es das Schlüsselenzym für die PCR ist.
TranskriptionDer Begriff Transkription kann wörtlich mit „Abschreiben“ übersetzt werden. Abschreiben bedeutet in der Gegenwartssprache Kopieren, d.h. das Anfertigen einer identischen Kopie von einer Matrize. Das allerdings passiert so nicht. Es wird zwar eine Kopie angefertigt, indem die Zelle denselben „Zeichensatz“ benutzt, aber die „Unterlage“, quasi das Kopierpapier ist anders. Aus DNA wird RNA. Die Information bleibt also erhalten, wird aber in erheblich größerer Menge auf einem wiederverwendbaren Material geschrieben (vgl. RNA). Obwohl die Transkription nicht vollkommen fehlerfrei abläuft, gibt es keinen Reparaturmechanismus. Geringe Mengen nicht funktionsfähiger RNA werden offenbar von der Zelle toleriert.
OperonAls Operon bezeichnet man bei Prokaryonten den Bereich zwischen Promotor und Terminator. Dieser Bereich wird gewöhnlich von demselben Operator kontrolliert und kann zahlreiche verschiedene Gene umfassen. Aufgrund der Struktur des Operons werden nun nicht nur alle Gene in einem 1:1:1 Verhältnis transkribiert, sondern auch translatiert. Man kann annehmen, dass diese Organisation im Operon dazu dient, verschiedenen Untereinheiten desselben Enzyms stets komplett und trotzdem quasi gleichzeitig, aber eben strukturell unabhängig herzustellen. Allerdings gibt es hier noch gewisse Unterschiede bei der Translation, die der Feinregulation dienen.
PromotorAls Promotor wird ein DNA-Abschnitt bezeichnet, an dem die RNA-Polymerase bindet. Dieser Abschnitt ist selbst nicht Teil des katalytischen Zentrums. Er leitet das Enzym „nur“ an die richtige Startposition. Aus dieser Funktion erklärt sich auch die Verwendung desselben Begriffs für andere Beförderungen wie z.B. im Sport oder im Beruf. Eine Promotorsequenz ist keine wirklich festgelegte Sequenz. Es genügt, wenn eine Auswahl von Nucleotiden aus dem Promotor-Bereich der optimalen Konsensus-Sequenz entsprechen. Je größer der Unterschied ist, desto schwächer ist der Promotor. Durch Bindungsstellen für Proteine mit einer hohen Affinität zur RNA-Polymerase kann der Promotor in seiner Stärke erheblich variieren. Bei Eukaryonten ist die Bindung solcher Proteine sogar eine notwendige Vorraussetzung für die Bindung der RNA-Polymerase. Allgemein muss der Promotor-Bereich relativ viele AT-Basenpaare enthalten, weil eine effektive Strangtrennung den Start der Transkription fördert.
OperatorDer Begriff Operator wird im Sinne eines Vermittlers verwendet. Es handelt sich um eine symmetrische DNA-Sequenz, die entweder einen Repressor oder einen Aktivator binden kann. Repressor und Aktivator sind Proteine, die als Dimere, oft auch als Tetramere die symmetrische DNA-Sequenz erkennen. Liegt der Operator in Transkriptionsrichtung hinter dem Promotor, so handelt es sich stets um die Bindung eines Repressors, liegt der Operator vor dem Promotor, so handelt es sich um einen Aktivator. Bei divergierend aufgebauten Kontrollregionen, kann der Repressor auch gleichzeitig Aktivator für die Gegentranskription sein. Es handelt sich also um eine besonders wichtige DNA-Sequenz, die im Zusammenhang mit der Regulation der Genexpression intensiv studiert wurde. Konkret verhindert die Bindung des Repressors das Vorrücken der RNA-Polymerase wie eine mechanische Klammer. Durch Bindung kleiner Induktoren kommt es bei manchen Repressoren zu Konformationsumwandlungen, die entweder eine weitere DNA-Bindung verhindern und damit die Umklammerung freigeben, oder die proximale Bindung der RNA-Polymerase erlauben.
TerminatorEin Terminator ist eine symmetrische DNA-Sequenz, die von der RNA-Polymerase transkribiert wird und an der die Transkription beendet wird. Man kann einen Terminator gut als Gierer-Bäumchen erkennen. Allerdings ist ein Terminator auf DNA-Ebene nicht aktiv. Es bildet sich dagegen an dieser Stelle eine RNA-Sequenz, die sich aufgrund ihrer symmetrischen Struktur zu einer Haarnadelschleife ergänzen kann. Bei Faktor-abhängigen Terminatoren wird die wachsende RNA von dem Terminationsfaktor rho erkannt und aktiv aus dem DNA-RNA-Hybrid herausgezogen. Faktor-unabhängige Terminatoren wirken dagegen ausschließlich durch ihre eigene Struktur. Sie werden stets mit einer Sequenz aus fünf oder sechs Uridinen abgeschlossen, so dass prokaryontische messenger RNAs häufig mit einer Hexa-Uridin-Sequenz enden. Zur Funktion des Terminators gibt es ein spezielles Kapitel.
TATA-BoxDie TATA-Box ist der Kern des eukaryontischen Promotors. An diese Sequenz bindet zunächst das sog. TATA-Box-Bindeprotein. An diesen Komplex binden eine Anzahl weiterer Proteine. Dieser Gesamtkomplex wird schließlich von der RNA-Polymerase erkannt, die hier mit der Transkription beginnt.
EnhancerDer Begriff Enhancer wird für eine DNA-Sequenz verwendet, die die Transkription an einem eukaryontischen Promotor verstärkt. Man kennt die Funktion des Enhancers auf Grund genetischer Daten, ohne dass man bisher ein Enhancer-bindendes Protein im Detail charakterisiert hätte. Der Enhancer entspricht dem prokaryontischen Aktivator, kann aber mehrere zehntausend Basenpaare entfernt liegen.
SilencerDer Begriff Silencer wird für eine DNA-Sequenz verwendet, die die Transkription an einem eukaryontischen Promotor reduziert. Hormon-bindende Proteine können in Abwesenheit des Hormons die Genexpression verhindern, die dann durch Hormongabe aktiviert wird. Der Silencer entspricht also dem prokaryontischen Repressor.
5´-EndeDas 5´-Ende einer Nucleinsäure ist definiert als der freie primäre Alkohol der endständigen Ribose, bzw. Desoxyribose. Gemäß der Zuckernomenklatur der Nucleotide gibt es pro Strang nur ein 5´-Hydroxy-Gruppe, die während der Biosynthese aller – also auch der DNA ! - Nucleinsäuren aus einem 5´-Ribo-trinucleotid stammt. Das Triphosphat kann ganz oder teilweise abgespalten werden. Doppelsträngige DNA enthält entsprechend zwei 5´-Enden. DNA-Fragmente, die durch Verdauung mit Restriktionsnucleasen hergestellt wurden, sind an ihrem 5´-Ende nur einfach phosphoryliert. Es gibt Enzyme, die diese Position dephosphorylieren und andere die diese Position mit einem Phophat-Rest verestern können. Die letztgenannten gehören zur Gruppe der Kinasen. Der Austausch des endständigen Phosphat gegen radioaktiv markiertes Phosphat ist eine wichtige Reaktion zur Aufklärung biochemischer Zusammenhänge. Das 5´-Ende ist kein Substrat für eine enzymatische Verlängerung durch 5´-Trinucleotide.
3´-EndeDas 3´-Ende einer Nucleinsäure ist definiert als der freie sekundäre Alkohol der endständigen Ribose bzw. Desoxyribose. Gemäß der Zuckernomenklatur der Nucleotide gibt es pro Strang nur ein 3´-Hydroxy-Gruppe. Doppelsträngige DNA enthält entsprechend zwei 3´-Enden. 3´-Enden der DNA tragen keine Phosphat-Gruppen.
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