| RNA-Polymerasen | ||
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| Oberflächenmodell des RNA-Polymerase-II-Komplexes derBäckerhefe (jede der 10 Untereinheiten unterschiedlich gefärbt), nach PDB 3G1G; RNA (links) und DNA (links+rechts) als Cartoon | ||
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| Enzymklassifikationen | ||
| EC, Kategorie | 2.7.7.6, Nukleotidyltransferase | |
| Substrat | Nucleosidtriphosphat + RNAn | |
| Produkte | Diphosphat + RNAn+1 | |
| EC, Kategorie | 2.7.7.48, Nukleotidyltransferase | |
| Reaktionsart | Addition einer Ribonukleinsäure | |
| Substrat | Nucleosidtriphosphat + RNAn | |
| Produkte | Diphosphat + RNAn+1 | |
RNA-Polymerasen sind in der RegelProteinkomplexe, die alsEnzyme beim Aufbau des strangförmigenPolymers einerRibonukleinsäure (RNA) aus ihren Grundbausteinen (Ribonukleotide) mitwirken. Diese aus mehreren Untereinheiten zusammengesetztenPolymerasen werden danach unterschieden, ob sie für ihre Wirkung bei der Synthese eines RNA-Stranges von der Vorlage einerMatrize ausDNA oder RNA abhängig sind oder nicht. DNA-abhängige RNA-Polymerasen spielen eine wesentliche Rolle bei derTranskription und kommen daher in allen Lebewesen vor.
Für dieRNA-Welt-Hypothese Hypothese von Bedeutung sindRibozyme (d. h. enzymatisch wirksame RNAs), die als RNA-Polymerasen wirken.
BeiBakterien gibt es eineDNA-abhängige RNA-Polymerase, die an derExpression allerGene beteiligt ist. Dieprokaryotische RNA-Polymerase besteht aus den Untereinheiten α, β, β' und dem σ-Faktor, wobei die α-Untereinheit zweimal vorliegt, die anderen je einmal. Das α2-Dimer ist für den Zusammenbau (Assembly) der anderen Untereinheiten notwendig und bindet regulatorische Proteine, die β-Untereinheit bindet dieNucleosid-5'-triphosphate undkatalysiert die Bildung der Phosphodiesterbindung, die β'-Untereinheit hat DNA-bindende Funktion. Der σ-Faktor schließlich erkennt und bindet an denPromotor. Unter Stressbedingungen werden andere σ-Faktoren eingesetzt; diese können an die speziellen Promotoren besonderer Gene binden. BeiEscherichia coli etwa wird der Hitzeschockgenpromotor durch die normale RNA-Polymerase mit der σ70-Untereinheit nicht erkannt, jedoch durch eine σ32-RNA-Polymerase, die bei einem Hitzeschock aktiv ist.
Für die Synthese der RNA-Primer der Replikation haben Bakterien eine zusätzlicheDNA-abhängige RNA-Polymerase, diePrimase DnaG.[1]
BeiEukaryoten gibt es mehrere verschiedene FormenDNA-abhängige RNA-Polymerasen imZellkern:
Die RNA-Polymerasen II und III werden durch das in verschiedenen Pilzen vorkommende α-Amanitin gehemmt.[3]
Daneben existieren auchRNA-abhängige RNA-Polymerasen, die bei der Vermehrung des Erbguts vonRNA-Viren helfen.
Ein Beispiel für eineunabhängige RNA-Polymerase ist diePoly(A)-Polymerase, die für diePolyadenylierung der mRNA sorgt.
RNA-Polymerasen verfügen über einen einfachen Mechanismus zur Fehlererkennung: Wenn sich an eine Base der DNA ein unpassendes RNA-Nukleotid anlagert, so verbleibt die RNA-Polymerase länger an der entsprechenden DNA-Stelle. Dadurch wächst die Wahrscheinlichkeit, dass sich das schlecht gepaarteRibonukleotid wieder von der DNA entfernt. Insgesamt wird durch diesen Mechanismus eine Genauigkeit von einem Fehler auf 10.000 Basenpaarungen erreicht. Dies entspricht etwa einem Fehler pro synthetisiertem RNA-Molekül.
Die RNA-Synthese erfolgt wie die der DNA-Replikation in5'→3'-Richtung, womit das3'-Ende des komplementären DNA-Strangabschnitts (bei der Replikation als „Leitstrang“ bezeichnet) dem5'-Ende dermRNA sowie demN-terminalen Ende des bei derTranslation entstehenden Proteins (Colinearität) entspricht und umgekehrt, das 5'-Ende des abgelesenen DNA-Strangabschnitts also dem 3'-Ende der entstandenen mRNA sowie demC-Terminus des Proteins entspricht.
Anders gesagt, wird die RNA-Sequenz damit entlang des komplementären DNA-„Leitstrangs“ als Matrize von dessen 3'- zu seinem 5'-Endegelesen und dabei selbst in 5´→3´-Richtungsynthetisiert, wie dann auch als mRNA in 5´→3´-Richtung vomRibosom abgelesen und in das Protein übersetzt (N-terminal →C-terminal), was es z. B.Bakterien ermöglicht, an einer noch gar nicht komplett fertiggestellten mRNA an deren 5'-Ende bereits mit der Proteinsynthese zu beginnen.
Im Unterschied zur Replikation der DNA und derenDNA-Polymerasen jedoch benötigen RNA-Polymerasen hierzu kein freies 3'-OH und somit auch keinePrimer.
Die RNA-Polymerasen sind komplex aufgebaut. Bei der Hefe (Saccharomyces) sind zehn verschiedenePolypeptid-Ketten, derenMolekularmasse zwischen 7.700 und 140.000Dalton liegen,Magnesium,Zink sowie zwei DNA-Ketten beteiligt. Insgesamt besteht diese RNA-Polymerase aus über 28.000 Atomen.
BeiEscherichia coli wird der RNA-Strang durch die RNA-Polymerase mit einer Rate von ca. 50 Nukleotiden pro Sekunde (17 nm/s) verlängert.
Für die Aufklärung des Mechanismus derTranskription mittels der RNA-Polymerase erhielt der US-amerikanische ChemikerRoger D. Kornberg 2006 denNobelpreis für Chemie.
Die Entdeckung von RNA-PolymeraseRibozymen (d. h. als RNA-Polymerase katalytisch wirksamerRNA) mit ausreichend hoher Wiedergabetreue durch Papastavrouet al. amSalk Institute (2024) ist für dieRNA-Welt-Hypothese von großer Bedeutung, da sie Voraussetzung für eine RNA-katalysierte Evolution der Ribozyme ist.[4]
