Proteinbiosynthese: Der detaillierte Prozess der Proteinsynthese

Im Ribosom gibt es drei verschiedene Bindungsstellen, die für die Proteinbiosynthese entscheidend sind:

• Die A-Stelle (Aminoacyl-Stelle), in die die neue Aminosäure (AA) eintritt, um der Proteinkette beizutreten.
• Die P-Stelle (Peptidyl-Stelle), wo sich die wachsende Polypeptidkette befindet.
• Die E-Stelle (Exit-Stelle), wo die entladene tRNA das Ribosom vor dem Verlassen bindet.

Transfer-RNA (tRNA)

Die Transfer-RNA (tRNA) ist für den Transport der Aminosäuren (AA) zum Ribosom verantwortlich und integriert sie gemäß der Reihenfolge der Boten-RNA (mRNA) in die entstehende Proteinkette. Es gibt über 20 verschiedene tRNAs. Jede tRNA besitzt zwei wichtige Bereiche:

• Das Anticodon: Besteht aus drei stickstoffhaltigen Basen, die ein komplementäres Codon auf der mRNA erkennen. Jede Art von tRNA erkennt somit ein spezifisches Codon auf der mRNA.
• Das 3'-Ende: Der Ort, an den die entsprechende Aminosäure bindet, die dem von dieser tRNA erkannten Codon entspricht.

Aktivierung der Aminosäuren (AA)

Die Aktivierung ist der Prozess der Bindung einer Aminosäure an die entsprechende tRNA. Dabei ist das Enzym Aminoacyl-tRNA-Synthetase beteiligt, was zur Bildung eines Komplexes namens Aminoacyl-tRNA führt. Diese Reaktion erfordert Energie, die vom ATP-Molekül bereitgestellt wird. Die Bindung zwischen der Aminosäure und der tRNA erfolgt zwischen der Carboxylgruppe der Aminosäure und der Hydroxylgruppe am 3'-Ende der tRNA.

Der Ablauf der Proteinbiosynthese

Initiation der Proteinkette

Die Proteinsynthese beginnt, wenn die kleine ribosomale Untereinheit und die mRNA sich an einer spezifischen Stelle, dem AUG-Startcodon, verbinden. Dieses Codon markiert den Beginn der Translation. Anschließend tritt eine spezielle Initiator-Aminoacyl-tRNA in die P-Stelle des Ribosoms ein, deren Anticodon komplementär zum Startcodon ist. Bei Prokaryoten ist die erste gebundene Aminosäure N-Formylmethionin, während es bei Eukaryoten Methionin ist. Die kleine ribosomale Untereinheit, die Initiator-Aminoacyl-tRNA und die mRNA bilden zusammen den Initiationskomplex. Danach bindet die große ribosomale Untereinheit.

Elongation (Kettenverlängerung)

Die Elongation ist die Phase der Verlängerung der Proteinkette. Sie beginnt, wenn eine zweite Aminoacyl-tRNA in die freie A-Stelle des Ribosoms eintritt. Der nächste Schritt ist die Bildung einer Peptidbindung zwischen der Aminosäure an der P-Stelle und der neuen Aminosäure an der A-Stelle. Diese Peptidbindungsbildung wird durch das Enzym Peptidyltransferase katalysiert, dessen Aktivität in der katalytischen RNA (rRNA) der großen ribosomalen Untereinheit liegt. Nach der Bildung dieser Peptidbindung ist die zweite tRNA am einen Ende mit dem Dipeptid verbunden und am anderen Ende mit dem komplementären Codon. Es folgt die Translokation des Ribosoms. Die Translokation beinhaltet die Bewegung des Ribosoms entlang der mRNA in 5'-3'-Richtung um genau drei Basen. Dabei verlässt die erste tRNA die E-Stelle des Ribosoms, die tRNA mit dem Dipeptid besetzt die P-Stelle, und die A-Stelle wird wieder frei. Unter diesen Bedingungen kann eine weitere Aminoacyl-tRNA in die A-Stelle aufgenommen werden, sodass der Prozess der Protein-Kettenverlängerung fortgesetzt werden kann.

Termination (Kettenabbruch)

Die Termination tritt ein, wenn das Ribosom ein Terminationscodon (Stoppcodon) auf der mRNA erreicht, das von keiner tRNA erkannt wird. Stattdessen binden sogenannte Freisetzungsfaktoren (Release Factors) an die A-Stelle. Diese Faktoren bewirken, dass die Peptidyltransferase die Polypeptidkette von der tRNA trennt. Sobald die Translation abgeschlossen ist, wird das gebildete Protein freigesetzt, und die mRNA sowie die tRNAs verlassen das Ribosom. Das Ribosom zerfällt in seine beiden Untereinheiten, bis eine neue Synthese initiiert wird. Bei Prokaryoten, wo keine räumliche Trennung zwischen Zellkern und Zytoplasma besteht, können Translation und Transkription simultan ablaufen: Die mRNA kann bereits übersetzt werden, bevor die Transkription vollständig abgeschlossen ist.

Voraussetzungen für die Proteinbiosynthese

Für den Prozess der Translation oder Proteinbiosynthese sind folgende Komponenten notwendig:

• Ribosomen: Der Ort, an dem die Proteinsynthese stattfindet.
• Boten-RNA (mRNA): Enthält die genetische Information zur Synthese des jeweiligen Proteins.
• Aminosäuren: Die Bausteine der Proteine.
• Transfer-RNA (tRNA): Liefert die Aminosäuren in der präzisen Reihenfolge. Die kleine ribosomale Untereinheit bindet an die mRNA, während die große Untereinheit die Aminosäuren zu einer Polypeptidkette verbindet. Beide Untereinheiten kommen zusammen, wenn Proteine synthetisiert werden müssen.