Proteinbiosynthese

Vereinfachtes Schema der Proteinbiosynthese

Proteinbiosynthese ist die Neubildung von Proteinen in Zellen und damit der für alle Lebewesen zentrale Prozess der Genexpression, durch den in Größe und Form unterschiedliche Proteine nach Vorlage der aufgearbeiteten Kopie (mRNA) eines bestimmten DNA-Abschnitts (Gen) der Erbinformation gebildet werden.

Die eigentliche Synthese eines Proteins aus seinen Bausteinen, den proteinogenen Aminosäuren, findet an den Ribosomen statt und wird auch als Translation bezeichnet, da hierbei die Basenfolge einer messenger-RNA (mRNA) in die Abfolge von Aminosäuren eines Peptids übersetzt wird. Dies geschieht, indem fortlaufend je einem Codon der mRNA das Anticodon einer transfer-RNA (tRNA) zugeordnet wird und deren jeweils einzeln transportierte Aminosäure an die benachbarte gebunden wird (Peptidbindung), sodass eine Kette mit charakteristischer Aminosäuresequenz entsteht. Dieses Polypeptid kann sich im umgebenden Medium zu einem Gebilde strukturierter dreidimensionaler Form auffalten, dem nativen Protein. Häufig wird es durch Abspaltungen, Umbauten und Anbauten danach noch verändert, posttranslational modifiziert.

Während bei prokaryoten Zellen die ringförmige DNA frei im Zytosol vorliegt und die ribosomale Proteinsynthese zumeist unmittelbar und prompt an der gerade eben transkribierten mRNA-Vorlage erfolgt, sind die Verhältnisse bei eukaryoten Zellen komplizierter. Für das auf mehrere Chromosomen verteilte Genom ist hier mit dem Zellkern (Nukleus) ein eigenes Kompartiment geschaffen, in dessen Karyoplasma auch die Transkription stattfindet. Die primär gezogene RNA-Kopie (hnRNA) wird zunächst stabilisiert, überarbeitet und auf den Kernexport vorbereitet, bevor sie als mRNA eine Kernpore passiert und ins Zytoplasma gelangt, das die Untereinheiten der Ribosomen enthält. Diese räumliche Aufteilung und der mehrschrittige Prozessweg erlauben somit zusätzliche Weisen, eine (hn)RNA posttranskriptional zu modifizieren und darüber die Genexpression zu regulieren beziehungsweise auch bestimmte RNA-Vorlagen von der Proteinbiosynthese auszuschließen (Gen-Stilllegung).

Neben der ribosomalen Proteinsynthese gibt es bei einigen Bakterien die nichtribosomale Proteinsynthese.

Transkription

Vereinfachtes Schema der Transkription (englisch)

→ Hauptartikel: Transkription

Bei diesem ersten Schritt der Proteinbiosynthese wird ein Gen aus der DNA abgelesen und in ein mRNA (Messenger-Ribonukleinsäure) -Molekül transkribiert. Bei diesem Vorgang werden die Nukleinbasen der DNA (Adenin – Thymin, Guanin – Cytosin) in die Nukleinbasen der RNA (Adenin – Uracil, Guanin – Cytosin) umgeschrieben. Anstelle des Thymins kommt Uracil und anstelle der Desoxyribose kommt Ribose in der RNA vor. Wichtig ist dieser Schritt deshalb, weil die doppelsträngige DNA - im Gegensatz zur einsträngigen RNA - den Zellkern nicht verlassen kann, was jedoch wichtig für die weiteren Schritte der Proteinbiosynthese ist.

Die Transkription des Gens wird durch das Enzym RNA-Polymerase (und mehrere andere Proteine) katalysiert, das als Substrat die DNA und die Ribonukleosidtriphosphate ATP, UTP, CTP und GTP benötigt. Daraus wird komplementär zu einem DNA-Strang eine fortlaufende RNA-Kette (mRNA) unter Abspaltung jeweils zweier Phosphatreste der Triphosphate hergestellt: Ein Codogen auf der DNA wird umgeschrieben zu einem Codon auf der mRNA.

In Eukaryoten existieren unterschiedliche Typen der RNA-Polymerase, da auch Gene vorhanden sind, die nicht für mRNA, sondern für rRNAs und tRNAs codieren.

Bei Eukaryoten findet die Transkription im Zellkern statt, sodass die mRNA in das Cytosol gebracht werden muss, da dort mit ihr die Translation durchgeführt wird. Bei Prokaryoten hingegen findet die Transkription im Zellplasma, auch Cytoplasma genannt, statt.

Posttranskriptionale Modifikation

Spleißen

Bei Eukaryoten müssen anschließend an die reine Transkription noch die in der dabei entstandenen prä-mRNA enthaltenen nicht-codierenden Introns herausgeschnitten werden, sodass nur noch die benötigten Exons übrig bleiben. Diesen Vorgang nennt man Spleißen.

Capping

Währenddessen findet außerdem das sogenannte Capping statt, bei dem die Stabilität der RNA erhöht wird. Dabei wird eine sogenannte 5'-Cap-Struktur angehängt, wobei das 5' Ende der sich in Synthese befindlichen prä-mRNA zu einer Struktur umgewandelt wird, die als „Cap“ bezeichnet wird und die mRNA vor der Verdauung durch 5'-Exonucleasen und Phosphatasen schützt.

Polyadenylierung

Bei der Polyadenylierung werden die Poly(A)-Schwänze an das neu entstandene 3'- Ende der RNA (bis zu 250 Nucleotiden lang) angehängt. Dieser Poly(A)-Schwanz erleichtert den Export der mRNA in das Cytoplasma und schützt außerdem das 3'-Ende vor einem enzymatischen Abbau.

RNA-Edition

Bei der RNA-Edition werden einzelne oder mehrere Nukleinbasen verändert. So kann z.B. durch das Editing stromaufwärts des alten Stoppcodons ein neues entstehen, wodurch die Translation vorher abbricht und u.U. ein völlig anderes Protein entsteht. Das Editing kann von Zelle zu Zelle unterschiedlich sein.

Translation oder Proteinbiosynthese s.s.

Vereinfachtes Schema der Translation

Unter Translation versteht man die Übersetzung der Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins, die an den Ribosomen geschieht. In der mRNA bilden drei aufeinander folgende Basen ein Codon (auch Basentriplett), welches für eine Aminosäure codiert (siehe genetischer Code). Die Aminosäuren werden entsprechend der Abfolge der Codons sequentiell translatiert.

Da es keine strukturelle Verwandtschaft zwischen Codon und der dazugehörigen Aminosäure gibt, wird ein Zwischenstück benötigt, das einerseits die Aminosäure bindet und andererseits das zugehörige Codon auf der mRNA erkennt. Für diesen Vorgang ist als Aminosäuren-„Transporter“ die tRNA (Transfer-Ribonukleinsäure) notwendig. Diese besitzen zwei exponierte Bindungsstellen: Das Anticodon und die Aminosäurebindungsstelle. Die Aminosäurebindungsstellen der tRNAs werden durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen spezifisch mit der passenden Aminosäure beladen. Die tRNA erkennt mit dem Anticodon das komplementäre Codon auf der mRNA und bindet sich spezifisch daran.

Zur Ausbildung einer Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren müssen sie in räumliche Nähe zueinander gebracht werden. Da ein oder mehrere Enzyme alleine dazu nicht in der Lage sind, wird die Oberfläche einer großen supramolekularen Struktur benötigt. Diese Aufgabe erfüllen die Ribosomen (es gibt eine große und eine kleine Untereinheit bei Ribosomen; die große Untereinheit gliedert sich in die A-Bindungsstelle und die P-Bindungsstelle).

Der Translationsprozess als solcher lässt sich in drei Phasen unterteilen: die Initialphase, Elongationsphase und schließlich die Termination:

Initialphase

Erreicht eine zuvor synthetisierte mRNA ein Ribosom, so wandert die kleine Untereinheit des Ribosoms solange an der mRNA entlang, bis sie auf das Startcodon AUG stößt. Die dazu passende Methionin-tRNA mit dem Anticodon UAC heftet sich an das Codon (Initiationskomplex).

Elongationsphase

Unter Spaltung von GTP lagert sich nun auch die große Untereinheit des Ribosoms an und die Elongation beginnt.

Die Methionin-tRNA befindet sich bei der Initiationsphase auf der P-Bindungsstelle, sodass sich in der A-Bindungsstelle die nächste tRNA anlagern kann. Eine Peptidyltransferase verknüpft das Methionin der ersten tRNA mit der Aminosäure der nachfolgenden tRNA; diese Bildung eines Dipeptids findet in der A-Bindungsstelle statt. Schließlich wandern die Ribosomeneinheiten um ein Basentriplett weiter.

Die tRNA mit dem Dipeptid befindet sich nun auf der P-Bindungsstelle, von welcher es die allererste, nun unbeladene tRNA verdrängt hat, und an die freie A-Bindungsstelle kann sich wieder die nächste tRNA anlagern, deren Anticodon komplementär zum Basentriplett des mRNA-Stranges passt.

Termination

Bei Erreichen eines Stoppcodons, welches für keine Aminosäure codiert, wird die Translation durch die Bindung eines sogenannten Freisetzungsfaktors abgebrochen (Termination).

Co- und Posttranslationale Modifikation

Einige Proteine werden nach (posttranslational) oder während (cotranslational) der Translation durch spezielle Enzyme spezifisch modifiziert. Das können Abspaltungen von Propeptiden oder Hydroxylierungen von Aminosäuren (Prolin zu 4-Hydroxyprolin durch die Prolyl-4-Hydroxylase, Lysin zu Hydroxylysin durch die Lysylhydroxylase) oder Decarboxylierungen oder Oxidationen (z. B. kovalente Quervernetzungen mittels Lysinresten durch die Lysyloxidase) oder Glykosylierungen oder formgebende Prozesse durch Chaperone sein. Manche dieser Modifikationen verlaufen quasi am Ort der Translation, andere dürfen etwa erst im Extrazellularraum stattfinden. Das Kollagenmolekül durchläuft z.B. besonders viele posttranslationale Modifikationsschritte.

Proteintargeting und Proteintransport

→ Hauptartikel: Cotranslationaler Proteintransport

Da viele Proteine als Zielort (engl. target) nicht das Zytosol, sondern den Extrazellularraum, die Zellmembran, die Organellen wie Chloroplasten, Mitochondrien, Peroxisomen, Zellkern oder endoplasmatisches Retikulum haben, hat die Zelle verschiedene Mechanismen, die Proteine dorthin zu verbringen. Diese Proteine enthalten meist eine N- oder auch C-terminale Signalsequenz, die je nach Targetmechanismus sehr unterschiedlich aufgebaut sein kann. In einigen Fällen gibt es keine terminale Signalsequenz, sondern interne Signale der Peptidkette, die über den Zielort des Proteins bestimmt.

• Proteine, deren Ziel das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist, tragen eine spezifische N-terminale Sequenz, die von einem Protein-RNA-Komplex, dem Signal Recognition Particle (SRP), erkannt wird. Der SRP-Peptid-Ribosom-Komplex wird dann zum Endoplasmatischen Retikulum rekrutiert, wo er erkannt und gebunden wird. Die Translation wird durch die Membran fortgesetzt. Durch die anheftenden Ribosomen entsteht der Eindruck eines „rauen ERs“. Siehe Cotranslationaler Proteintransport. Im Endoplasmatischen Retikulum findet die Qualitätskontrolle des neu synthetisierten Proteins statt.

• Proteine, die in die Chloroplasten verbracht werden müssen, besitzen eine N-terminale Signalsequenz, die gewöhnlich früh phosphoryliert wird. Die Proteine Hsp70, 14-3-3 und Toc64 können weiterhin durch Interaktion mit dem Protein-Vorläufer eine Rolle bei der Erkennung und Weiterleitung spielen. Der Protein-Precursor-Komplex wird nach der Ankunft auf der Oberfläche des Chloroplasten von Rezeptorstrukturen des Translokonapparates der äußeren Chloroplastenmebran (Translocon Of Outer Chloroplast Membrane, TOC) erkannt. Unter GTP-Hydrolyse wird das Protein dann in den Intermembranraum importiert oder direkt durch den Translokonapparat (TIC) der inneren Chloroplastenmembran in das Stroma importiert. Für den Import in die Membran oder das Lumen der Thylakoide werden mindestens 4 Wege genutzt, die als Sec-abhängig, SRP-abhängig, delta-pH/Tat-abhängig oder spontan bezeichnet werden.

• Für das Mitochondrium wurden für Hefe- und Tierzellen bislang drei verschiedene Import-Wege beschrieben:

1. Der Präsequenz-Importweg, dessen Proteine eine N-terminale amphiphile alpha-Helix tragen. Diese Proteine sind meist für die Matrix, die innere Membran oder den Intermembranraum bestimmt.
2. Der Carrier-Protein-Importweg für Proteine der inneren Membran, welche verschiedene interne Signale tragen.
3. Der Importweg der Proteine der äußeren Hüllmembran, der zur Integration von Proteinen mit beta-Fass-Motiv genutzt wird. Auch hier liegen sequenzinterne Signale vor.

Alle drei Importwege beginnen am mitochondrialen Translokonapparat in der äußeren Membran (TOM), welcher verschiedene Rezeptoren besitzt. So erkennen die Rezeptoren Tom20 und Tom22 das N-terminale Signal und leiten das Vorläufer-Protein an die Pore Tom40 weiter. Der Rezeptor Tom70 erkennt die internen Signale der Proteine, die für die äußere Membran bestimmt sind.

Nach dem Import in den Intermembranraum trennen sich die Wege: Die Proteine mit beta-Fass-Motiv, welche für die äußere Membran bestimmt sind, werden durch den SAM-Komplex (Sorting and assembly machinery) in die Membran integriert. Die Proteine der anderen beiden Importwege werden zu verschiedenen TIM-Komplexen dirigiert: Proteine mit Präsequenz werden von dem TIM23-Komplex erkannt, Proteine für die innere Membran dagegen vom TIM22-Komplex.

Die Präsequenz wird durch das Enzym MPP (mitochondrial processing peptidase) entfernt.

Neben den oben beschriebenen Signalsequenzen ermöglicht eine Glykosylierung ein Targeting für den Einbau in die Zellmembran bzw. für die Exozytose. Beide Wege führen meist über Golgi-Vesikel.

Weblinks

Wiktionary: Proteinbiosynthese – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Proteinbiosynthese – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Zeigt die Synthese und Prozessierung der mRNA
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