Proteinbiosynthese: Translation, genetischer Code und posttranslationale Modifikationen

Anforderungen an die Translation

Für die Übersetzung werden folgende Komponenten benötigt: reife mRNA-Matrize, Aminosäuren, Enzymsysteme, Energie (ATP, GTP), aktive tRNA, reife Ribosomen sowie reife rRNA.

Merkmale des genetischen Codes

• Universell: nahezu überall gültig.
• Eindeutig: jedes Codon codiert für genau eine Aminosäure.
• Sequentiell: das Lesen erfolgt in Richtung 5′→3′.
• Nicht überlappend: jedes Nukleotid gehört zu nur einem Codon.
• Ein Leserahmen: die Lesung erfolgt in einem festen Raster.
• Spezifisch und degeneriert: Mehrere Codons können für dieselbe Aminosäure codieren (Synonyme); oft unterscheiden sich solche Codons nur im dritten Nukleotid, und die entsprechenden Aminosäuren sind chemisch ähnlich.

Ribosomen

• Kleine Untereinheit: ermöglicht die Ausrichtung und Interaktion von mRNA und tRNA.
• Große Untereinheit: enthält Grat, Tal und zentrale Verdickung sowie den Austrittskanal (Tunnel) für das entstehende Peptid.
• GTPase-Aktivität: GTP-Hydrolyse liefert Energie für den Prozess.
• P- und A-Stelle: Peptidyl- (P-) und Aminoacyl- (A-) Stelle für die tRNAs.

Wobble-Hypothese

Nur die ersten beiden Nukleotide eines Codons werden strikt erkannt; das dritte Nukleotid bindet flexibler (Wobble-Paarung).

Phasen der Translation

1) Initiation

Die Bindung der Aminosäure an die tRNA wird durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase unter ATP-Verbrauch vermittelt: ATP → AMP + PPi.

• Prokaryonten: Das Startcodon AUG wird von Formyl-Methionin-tRNA erkannt. Die Formylgruppe stammt von Formyl-Tetrahydrofolat (N¹⁰-Formyl-THF) und wird durch die Transformylase übertragen. Die mRNA ist oft polycistronisch. Die Erkennung des Startcodons erfolgt über die Shine-Dalgarno-Sequenz.
• Eukaryonten: Met-tRNA_i (nicht formyliert) bindet an die kleine Untereinheit; die mRNA ist monocistronisch und wird am 5′-Cap erkannt. Es gibt keine Shine-Dalgarno-Sequenz.

Unterschiede zwischen Prokaryonten und Eukaryonten

1. In Prokaryonten laufen Transkription und Translation gleichzeitig ab; in Eukaryonten sind sie räumlich getrennt (Zellkern und Zytoplasma).
2. Beim Start: Prokaryonten verwenden Formyl-Methionin, Eukaryonten Methionin.
3. Der mRNA-Komplex bindet an die Met-tRNA; in Prokaryonten über die Shine-Dalgarno-Sequenz, in Eukaryonten über das 5′-Cap.
4. Die Initiation benötigt bei Prokaryonten nur 3 Initiationsfaktoren (IF-1, IF-2, IF-3), bei Eukaryonten deutlich mehr (eIFs), was den Prozess komplexer macht.
5. Elongation und Termination sind in beiden Domänen im Wesentlichen identisch.

2) Elongation

Der Initiationskomplex bindet eine weitere Aminoacyl-tRNA (unter GTP-Verbrauch) an die A-Stelle, wodurch das Ribosom vollständig wird. Die Peptidyl-Transferase katalysiert die Bildung einer kovalenten Peptidbindung zwischen der Aminosäure der P-Stelle und der Aminosäure der A-Stelle. Anschließend erfolgt die Translokation des Ribosoms um ein Codon.

3) Termination

Die Translation endet, wenn ein Stopcodon (UAA, UAG oder UGA) die A-Stelle erreicht. Die Release-Faktoren RF1 bzw. RF2 erkennen das Stopcodon, RF3 und GTP unterstützen die Freisetzung. Die Peptidyl-Transferase hydrolysiert die Bindung zwischen Peptid und tRNA, und das fertige Polypeptid wird freigesetzt.

Posttranslationale Modifikationen

1. Veränderung der Enden: z. B. Entfernung der Formylgruppe oder des N-terminalen Methionins, Abspaltung von Signalpeptiden.
2. Proteolytische Spaltung: Entfernung von Abschnitten des Polypeptids.
3. Modifikation der Seitenketten: Hydroxylierungen, Methylierungen und Phosphorylierungen.
4. Anfügen sperriger Gruppen: z. B. Glykosylierung, Lipidierung.
5. Faltung (Folding): Ausbildung der dreidimensionalen Struktur.