Prinzip der Transkription: RNA-Synthese an der DNA-Matrize
Wie eine RNA-Polymerase an einem DNA-Matrizenstrang durch komplementäre Basenpaarung RNA aus Ribonucleosid-Triphosphaten aufbaut und wie man Matrize und Transkript auseinander ableitet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Transkription ist die RNA-Synthese an einer DNA-Matrize. Sie liefert mRNA, tRNA und rRNA und läuft bei Eukaryoten im Zellkern ab.
- Für ein Gen wird nur der codogene Strang (Matrizenstrang) abgelesen. Je nach Gen kann jeder der beiden DNA-Stränge Matrize sein.
- Die RNA entsteht durch komplementäre Basenpaarung und antiparallel zur Matrize. Gegenüber Adenin der DNA steht Uracil, die RNA gleicht daher dem Nichtmatrizenstrang mit U statt T.
- Die Helix wird nur lokal in der wandernden Transkriptionsblase geöffnet und dahinter wieder geschlossen. Topoisomerasen gleichen die Verdrillung aus, Einzelstrang-bindende Proteine braucht die bakterielle Transkription nicht.
- Substrate sind die Ribonucleosid-Triphosphate ATP, GTP, CTP und UTP unter Abspaltung von \(\ce{PP_i}\). dNTPs, TTP, Monophosphate und Nucleoside werden nicht eingebaut.
- Die RNA wächst in 5’→3’-Richtung, die Polymerase wandert zum 5’-Ende des Matrizenstrangs.
Worum es geht
Bei der Transkription schreibt eine RNA-Polymerase einen DNA-Abschnitt in RNA um. Sie ist der erste Schritt der Genexpression. Wer ihr Prinzip versteht, löst Sequenzaufgaben sicher und versteht Arzneistoffe wie Rifampicin, das die bakterielle RNA-Polymerase hemmt.
Begriff und Ort
Die Transkription ist die Synthese von RNA an einer DNA-Matrize. Die Basenfolge eines DNA-Abschnitts wird dabei in eine komplementäre RNA-Sequenz umgeschrieben. Das Enzym dafür ist die DNA-abhängige RNA-Polymerase, die auf der Seite RNA-Polymerasen genauer vorgestellt wird.
Transkribiert werden nicht nur Gene für Proteine. Auf diesem Weg entstehen alle drei großen RNA-Spezies: mRNA, tRNA und rRNA. RNA ist also selbst an der Transkription beteiligt, als wachsende Kette an der Matrize.
Bei Eukaryoten liegt die DNA im Zellkern, und dort läuft auch die Transkription ab. Anders als die Translation geschieht sie also nicht an Ribosomen im Cytosol. Erst die fertige mRNA verlässt den Kern durch die Kernporen.
Im Informationsfluss der Zelle ist die Transkription der erste Schritt. Die DNA wird in mRNA transkribiert, die mRNA danach an den Ribosomen in eine Aminosäuresequenz translatiert. Wie Basentripletts Aminosäuren festlegen, erklärt der genetische Code.
Ähnlich klingende Begriffe meinen etwas anderes. Die Aufnahme freier DNA durch Bakterien heißt Transformation und ist ein eigener Vorgang. Auch Transposons, also bewegliche DNA-Elemente, braucht die Transkription nicht.
Matrizenstrang und Basenpaarung
Die DNA ist doppelsträngig, die RNA einsträngig. Für ein bestimmtes Gen liest die RNA-Polymerase deshalb nur einen der beiden Stränge ab. Dieser Matrizenstrang heißt auch codogener Strang. Gemeint ist immer der Strang, der gerade transkribiert wird. Sein Gegenstrang ist der Nichtmatrizenstrang, oft auch codierender Strang genannt.
Welcher Strang Matrize ist, entscheidet jedes Gen für sich. Den Ausschlag gibt die Orientierung des Promotors, der die Polymerase ausrichtet. Auf einem Chromosom kann daher ein Gen den einen Strang, das Nachbargen den anderen ablesen lassen. Mit dem Gehalt eines Strangs an Pyrimidinbasen hat diese Wahl nichts zu tun.
Der codogene Strang ist der Matrizenstrang. Der codierende Strang ist sein Gegenstrang, also der Nichtmatrizenstrang. Die Wörter klingen fast gleich, bezeichnen aber verschiedene Stränge.
Komplementäre Basenpaarung
Die RNA entsteht nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung. Jede Base der Matrize legt fest, welches Nucleotid als nächstes eingebaut wird. Das gilt für mRNA, tRNA und rRNA gleichermaßen. Die einzige Besonderheit: RNA enthält Uracil statt Thymin. Gegenüber einem Adenin der Matrize baut die Polymerase deshalb ein U ein.
| Base im Matrizenstrang | eingebaute Base in der RNA |
|---|---|
| A | U |
| T | A |
| G | C |
| C | G |
Daraus folgt eine praktische Abkürzung. Die RNA ist komplementär zur Matrize und damit sequenzgleich mit dem Nichtmatrizenstrang. In A, G und C stimmen RNA und Nichtmatrizenstrang überein. Nur trägt die RNA ein U, wo im Nichtmatrizenstrang ein T steht.
RNA und Matrize liegen außerdem antiparallel. Läuft der Matrizenstrang von 3’ nach 5’, läuft die gepaarte RNA von 5’ nach 3’. Die Abbildung zeigt alle drei Stränge mit ihren Enden.
Das fertige Transkript kann sogar länger sein als der abgelesene DNA-Abschnitt. Eukaryotische mRNA erhält zum Beispiel nachträglich einen Poly-A-Schwanz, der in der Matrize nicht codiert ist.
Sequenzen ableiten
Mit den Paarungsregeln und der Antiparallelität lässt sich jede Richtung rechnen. Beispiel: Gesucht ist die Matrize zur mRNA 5’-GAUCCA-3’.
- Richtung festlegen: Die mRNA läuft 5’→3’, die Matrize also gegenläufig 3’→5’.
- Base für Base paaren: G→C, A→T, U→A, C→G, C→G, A→T.
- Ergebnis notieren: Matrize 3’-CTAGGT-5’, in üblicher Schreibweise 5’-TGGATC-3’.
Umgekehrt geht es genauso. Zur Matrize 3’-TACGGA-5’ gehört die mRNA 5’-AUGCCU-3’. Der Nichtmatrizenstrang lautet 5’-ATGCCT-3’ und gleicht der mRNA bis auf T statt U.
Die Matrize zu einem mRNA-Triplett abzuleiten wird im Examen gerne gefragt. Gegenüber U der mRNA steht in der Matrize ein A, gegenüber A ein T. Achte zusätzlich darauf, die Matrize gegenläufig mit 3’- und 5’-Ende zu notieren.
Lokale Entwindung
Um die Matrize ablesen zu können, braucht die Polymerase freien Zugang zu den Basen. Sie öffnet die Doppelhelix deshalb, aber nur auf einem kurzen Stück. Diese wandernde Öffnung heißt Transkriptionsblase. In ihr lagert sich die wachsende RNA als kurzes RNA-DNA-Hybrid an die Matrize.
Man kann sich die Blase wie einen Reißverschluss vorstellen, der vorne auf- und hinten wieder zugeht. Vor dem Enzym wird die Helix fortlaufend entwunden und lokal in Einzelstränge getrennt. Hinter dem Enzym paaren die beiden DNA-Stränge sofort wieder. Die RNA löst sich dabei als Einzelstrang ab. Die Doppelhelix wird also nie vollständig getrennt.
Das Aufdrehen erzeugt Spannung im Molekül. Vor der Polymerase staut sich Überdrehung als positive Superspiralen, dahinter entstehen negative. Topoisomerasen entspiralisieren die DNA und gleichen diese Verdrillung aus. Neben der DNA-abhängigen RNA-Polymerase sind sie deshalb an der Transkription beteiligt. Wie sie arbeiten, steht bei der Replikation.
Bei den Hilfsproteinen unterscheidet sich die Transkription deutlich von der Replikation. Bei der Replikation bleiben lange Einzelstrangabschnitte offen. Einzelstrang-bindende Proteine müssen sie stabilisieren. Bei der Transkription ist die Blase klein und schließt sich hinter dem Enzym sofort. Die bakterielle Transkription kommt deshalb ohne Einzelstrang-bindende Proteine aus. Eine eigene Helikase braucht sie ebenfalls nicht, denn die bakterielle RNA-Polymerase öffnet die Helix selbst.
Substrate und Syntheserichtung
Die RNA-Polymerase baut die Kette aus aktivierten Bausteinen auf. Das sind die vier Ribonucleosid-Triphosphate ATP, GTP, CTP und UTP. Ihren Grundaufbau kennst du von den Nucleotiden.
Ein Ribonucleosid-Triphosphat (NTP) besteht aus einer Base, dem Zucker Ribose und drei Phosphatgruppen am 5’-C-Atom. Die Phosphate heißen von der Ribose aus α, β und γ.
Die drei Phosphate liefern die Energie für die Verknüpfung. Die freie 3’-OH-Gruppe am Ende der wachsenden RNA greift das α-Phosphat des nächsten NTP an. Es entsteht eine Phosphodiesterbindung, und Pyrophosphat wird frei:
\[\ce{RNA_{n} + NTP -> RNA_{n+1} + PP_i}\]
Die anschließende Spaltung des Pyrophosphats macht die Reaktion praktisch unumkehrbar:
\[\ce{PP_i + H2O -> 2 P_i}\]
Wie die Abbildung hervorhebt, trägt die Ribose eine 2’-OH-Gruppe. Daran unterscheidet die Polymerase ihre Substrate von DNA-Bausteinen. Besonders prüfungsrelevant ist diese Abgrenzung: Nur Ribonucleosid-Triphosphate werden eingebaut, Desoxyribonucleotide wie 2’-Desoxycytidintriphosphat dagegen nicht. Die Tabelle zeigt, woran es bei den übrigen Verbindungen scheitert.
| Verbindung | Substrat? | Grund |
|---|---|---|
| ATP, GTP, CTP, UTP | ja | Ribose, Base und drei Phosphate |
| TTP (dTTP) | nein | Thymin kommt in RNA nicht vor, DNA-Baustein |
| dATP, dGTP, dCTP | nein | Desoxyribose statt Ribose, DNA-Bausteine |
| Ribonucleosid-Monophosphate wie AMP | nein | kein abspaltbares Pyrophosphat als Energiequelle |
| Nucleoside wie Adenosin | nein | ohne Phosphat keine Verknüpfung |
| Ribosephosphat, Desoxyribosephosphat | nein | ohne Base keine Basenpaarung |
Auch die bakterielle Transkription benötigt also ATP, und zwar als Baustein der RNA.
Syntheserichtung
Ein neues Nucleotid kann nur an das freie 3’-OH-Ende der Kette gehängt werden. Die RNA wächst deshalb stets in 5’→3’-Richtung. Weil die Matrize antiparallel liegt, liest die Polymerase sie in Gegenrichtung.
RNA wächst 5’→3’, die Matrize wird 3’→5’ gelesen. Die RNA-Polymerase wandert also auf das 5’-Ende des Matrizenstrangs zu.
Quiz
Aussage 1
Bei der bakteriellen Transkription wird die Doppelhelix über das ganze Gen geöffnet und von Einzelstrang-bindenden Proteinen offen gehalten.
Die Helix öffnet sich nur lokal in der Transkriptionsblase und schließt sich hinter der Polymerase sofort wieder. Einzelstrang-bindende Proteine werden nicht benötigt.
Aussage 2
Als Matrizenstrang dient bei allen Genen eines Chromosoms derjenige DNA-Strang, der mehr Pyrimidinbasen enthält.
Welcher Strang Matrize ist, entscheidet jedes Gen über die Orientierung seines Promotors. Der Pyrimidingehalt spielt keine Rolle, und benachbarte Gene können verschiedene Stränge nutzen.
Aussage 3
Während die RNA in 5’→3’-Richtung wächst, wandert die RNA-Polymerase auf das 5’-Ende des Matrizenstrangs zu.
Neue Nucleotide hängen am 3’-OH-Ende. Die antiparallele Matrize wird daher 3’→5’ gelesen, also in Richtung ihres 5’-Endes.
Aussage 4
Steht im Matrizenstrang ein Adenin, baut die RNA-Polymerase an dieser Stelle Uracil in die RNA ein.
RNA enthält Uracil statt Thymin. Adenin der Matrize paart daher mit Uracil der RNA.
Aussage 5
Die RNA-Sequenz stimmt bezüglich Adenin, Guanin und Cytosin mit dem Nichtmatrizenstrang der DNA überein.
Die RNA ist komplementär zur Matrize und damit sequenzgleich mit dem Gegenstrang, nur mit U statt T.
Aussage 6
2’-Desoxycytidintriphosphat dient der RNA-Polymerase als Baustein für das Transkript.
dCTP ist ein DNA-Baustein mit Desoxyribose. Die RNA-Polymerase baut nur Ribonucleosid-Triphosphate wie CTP ein.
Aussage 7
Zum mRNA-Triplett 5’-CGU-3’ gehört der Matrizenabschnitt 3’-GCA-5’.
C paart mit G, G mit C und U mit A. Die Matrize liegt antiparallel und wird daher 3’→5’ notiert.
Aussage 8
Bei Eukaryoten findet die Transkription an den Ribosomen im Cytosol statt.
Die Transkription läuft bei Eukaryoten im Zellkern ab. An den Ribosomen im Cytosol findet die Translation statt.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.