Zellen erfüllen viele verschiedene Funktionen. Sie produzieren Energie, kommunizieren mit anderen Zellen und bilden den physischen Kern des Körpers. Eine wichtige Funktion der Zellen ist der Aufbau von Proteinen. Proteine sind biologische Makromoleküle, die eine Vielzahl von Funktionen im Körper erfüllen. Zellen bauen Proteine auf der Grundlage der in der DNA kodierten Informationen auf. Der Prozess der Extraktion von Informationen aus der DNA zur Herstellung von Proteinen wird als Genexpression bezeichnet.
Grundlegend besteht die Genexpression aus zwei Schritten:
- Transkription – Während der Transkription wird die Information in der DNA in die Form der Boten-RNA (mRNA) „kopiert“
- Translation – In diesem Stadium, wird die mRNA von der zellulären Maschinerie „gelesen“, und die kodierten Proteine werden hergestellt
In diesem Artikel werden wir uns eingehend mit der Translation befassen und die molekularen Mechanismen hinter diesem Prozess untersuchen. Es wird empfohlen, zuerst diesen Artikel über die Transkription zu lesen.
Wie speichert die mRNA Informationen?
Um die Translation zu verstehen, müssen wir zunächst verstehen, wie die Informationen für Proteine in der mRNA gespeichert werden. Streng genommen kodiert die mRNA nicht für ein Protein. Vielmehr kodiert mRNA – sie gibt Anweisungen für eine Sequenz von Aminosäuren, die als Polypeptidkette bezeichnet wird. Proteine bestehen aus zahlreichen Polypeptidketten.
Informationen in mRNA werden in Form von Sequenzen von Nukleotidbasen (A, C, G und U) gespeichert, die in Dreiergruppen gelesen werden. Ein Triplett von Basen wird als Codon bezeichnet. Jedes Codon bezieht sich auf eine bestimmte Aminosäure. Das Codon ACG zum Beispiel bezeichnet die Aminosäure Threonin. Die Reihenfolge der Codons in der mRNA gibt die Reihenfolge der Aminosäuren in der Polypeptidkette vor. Ein mRNA-Strang, der die Sequenz AUUCAGUGU enthält, kodiert also für die Aminosäuren Isoleucin (AUU), Glutamin (CAG) und Cystein (UGU) in dieser Reihenfolge.
In der menschlichen RNA gibt es 61 Codons, die für etwa 20 Aminosäuren kodieren. Außerdem gibt es das spezielle Codon AUG, das so genannte „Startcodon“, das angibt, wo das Gen beginnt. Schließlich gibt es noch drei spezielle Codons, die nicht für Aminosäuren kodieren (UAA, UAG, UGA) und als „Stopp-Codons“ bezeichnet werden. Stop-Codons teilen den Übersetzungsmechanismen mit, wann die Polypeptidkette vollständig ist.
Übersicht über die Übersetzung
Die Übersetzung ist ein komplexer Prozess, der einige spezielle Maschinen erfordert. Zwei Arten von Molekülen sind am Übersetzungsprozess beteiligt: tRNA und Ribosomen.
tRNA
tRNAs („Transfer“-RNAs) sind Moleküle, die die Lücke zwischen Codons in der mRNA und den von ihnen spezifizierten Aminosäuren überbrücken. Ein Ende der tRNA enthält eine Sequenz von Basen, die als Anticodon bezeichnet wird und durch komplementäre Basenpaarung an ein bestimmtes Codon binden kann. Das andere Ende der tRNA enthält die durch das Codon spezifizierte Aminosäure. Es gibt tRNA-Moleküle, die jedes Codon lesen und die angegebene Aminosäure binden. tRNAs binden an mRNA und ordnen die Aminosäuren in der entsprechenden Reihenfolge an.
Ribosomen
Ribosomen sind die Strukturen, die das Protein physisch zusammensetzen. Ribosomen bestehen aus einem komplexen Geflecht aus spezieller ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen. Jedes Ribosom besteht aus 2 Teilen: einer kleinen Untereinheit und einer großen Untereinheit. Die kleine Untereinheit wird als 40S-Untereinheit bezeichnet, die große als 60S-Untereinheit. Die beiden Teile der Ribosomen umschließen den mRNA-Strang, fast wie die beiden Brotstücke auf einem Sandwich. Streng genommen sind Ribosomen KEINE Organellen, da sie keine Membran besitzen. Auch Prokaryoten besitzen Ribosomen, und Prokaryoten haben keine Organellen.
mRNA-Stränge werden in Ribosomen eingespeist, die die Codons lesen. Ribosomen enthalten Kompartimente für tRNA-Anticodons, die an die entsprechenden mRNA-Codons binden. Die drei Bindungsstellen für tRNA auf dem Ribosom werden als A-, P- und E-Stellen bezeichnet. Ribosomen enthalten auch Enzyme, die die Reaktion katalysieren, durch die Aminosäuren zu einer Polypeptidkette zusammengebunden werden.
Prozess der Translation
Die Translation selbst kann in drei Schritte unterteilt werden: Initiierung, Verlängerung und Beendigung. Die meisten dieser Prozesse finden im Zytoplasma der Zelle oder im endoplasmatischen Retikulum statt. Bei Eukaryonten findet die Translation völlig getrennt von der Transkription statt, da das bei der Transkription entstandene prä-mRNA-Skript vor seiner Übersetzung modifiziert werden muss. Bei Prokaryonten erfolgt die Translation direkt nach der Transkription. In einigen Fällen kann die Translation eines Endes eines mRNA-Strangs beginnen, während das andere Ende noch transkribiert wird.
Initiation
Im ersten Schritt der Translation werden Initiationsfaktorproteine freigesetzt. Das sind die Proteine, die die ersten Schritte des Translationsprozesses auslösen. Translationsinitiatoren binden an das 5′-Ende der mRNA und bringen sie zu den Ribosomen. Die mRNA bindet sich an die kleine Untereinheit des Ribosoms und wird dort festgehalten. In Eukaryoten bindet ein Methionin enthaltendes tRNA-Molekül an die kleine Untereinheit, und gemeinsam bewegen sie sich den mRNA-Strang hinunter, bis sie das Startcodon erreichen, das fast immer das AUG-Codon ist. Sobald sie den Startcodon erreicht haben, umschließt die große ribosomale Untereinheit den Rest des Strangs und bildet den vollständigen Initiationskomplex.
In Prokaryoten ist die Geschichte ein wenig anders. Bei Prokaryonten wandert die kleine ribosomale Untereinheit nicht den mRNA-Strang entlang und sucht nach dem AUG-Codon. Stattdessen bindet sie sich direkt an bestimmte Sequenzen im mRNA-Strang. Die Translationsmechanismen von Prokaryonten erkennen den zu startenden Bereich anhand von Shine-Dalgarno-Sequenzen, die vor dem Startcodon vorkommen. Bakterien verwenden Shine-Dalgarno-Sequenzen, weil eine DNA-Sequenz für mehrere Proteine kodieren kann
Elongation
Wenn die Methionin-tragende tRNA das Startcodon findet, beginnt die nächste Phase der Translation. Während der Elongation wird die eigentliche Polypeptidkette aufgebaut. Was bei der Elongation passiert, kann man sich am Namen merken: Bei der Elongation wird die Polypeptidkette länger.
Wenn die Elongation beginnt, befindet sich die methionintragende tRNA an der P-Stelle in der Mitte des Ribosoms. Neben der P-Stelle befindet sich die A-Stelle, die sich über einem exponierten Codon auf dem mRNA-Strang befindet. Die A-Stelle ist der „Schlitz“ für das nächste tRNA-Molekül, das sich durch komplementäre Codon-Anticodon-Paarung mit dem exponierten Codon verbindet.
Wenn die nächste tRNA in der A-Stelle landet, katalysiert das Ribosom eine Reaktion, die die beiden Aminosäuren miteinander verbindet. Die Reaktion, die zwei Aminosäuren miteinander verbindet, ist eine Hydrolysereaktion (Wasserentzug), bei der die Aminogruppe der einen Aminosäure mit der Carboxylgruppe der anderen verbunden wird. Durch diese Reaktion wird das Methionin von der ersten tRNA auf die tRNA in der A-Stelle übertragen. Jetzt haben wir eine primitive Polypeptidkette, die aus zwei Aminosäuren besteht. Das Methionin wird als N-Terminus und das andere als C-Terminus bezeichnet.
Die meisten Polypeptidketten sind länger als zwei Aminosäuren. Sobald die erste Peptidbindung hergestellt ist, wird die mRNA um genau ein Codon durch das Ribosom gezogen. Durch diese Verschiebung wird die tRNA mit der Kette von der A-Stelle zur P-Stelle verschoben und die leere tRNA im P-Slot zum E-Slot („Ausgang“) bewegt, wo sie entfernt wird. Die Verschiebung legt auch ein neues mRNA-Codon in der A-Stelle frei.
Der Prozess wiederholt sich entlang des mRNA-Strangs, bis die Polypeptidkette vollständig ist. Einige Proteine bestehen nur aus ein paar Dutzend Aminosäuren, während andere Tausende haben können. Das längste bekannte Protein heißt Titin und besteht aus einer Kette von 33.000 Aminosäuren.
Termination
Woher wissen die Ribosomen, wann die Polypeptidkette vollständig ist? Das ist die Aufgabe des letzten Schrittes der Translation, der sogenannten Termination. Die Terminierung der Übersetzungsmechanismen erfolgt, wenn ein Stoppcodon (UAA, UAG, UGA) in die A-Stelle eintritt. Wenn ein Stoppcodon in die A-Stelle gelangt, wird es nicht von der tRNA erkannt, sondern von speziellen Proteinen, den so genannten Release-Faktoren. Diese Proteine veranlassen die ribosomalen Enzyme, ein Wassermolekül an die letzte Aminosäure in der Kette anzuhängen, wodurch die ribosomalen Untereinheiten dissoziieren und die Polypeptidkette freigesetzt wird. Danach können die ribosomalen Untereinheiten wieder verwendet werden, um eine andere Polypeptidkette zu übersetzen.
Post-Translation Modification
Nun, da wir eine vollständige Polypeptidkette haben, kann sie hinausgehen und ihre Arbeit im Körper aufnehmen, oder? Nun, nicht ganz.
In Prokaryonten sind Proteine im Allgemeinen sofort nach der Übersetzung einsatzbereit. In Eukaryonten hingegen müssen Polypeptidketten oft eine Handvoll Modifikationen durchlaufen, bevor sie ein voll funktionsfähiges reifes Protein sind. Diese Post-Translations-Bearbeitungen beinhalten die Veränderung oder Entfernung einiger Aminosäuren. Einige Proteine müssen in eine komplexe 3-D-Form gefaltet werden, und es gibt Enzyme, die bei dieser Faltung helfen. Manchmal fügen sich zwei gefaltete Polypeptidketten zu einem größeren Proteinkomplex zusammen. In anderen Fällen fungiert die Hinzufügung oder Entfernung einer Aminosäuregruppe als „Markierung“, die dem Körper mitteilt, wo das Protein hingehört.
In Eukaryoten findet die Modifikation nach der Translation im endoplasmatischen Retikulum und im Golgi-Apparat statt. Im endoplasmatischen Retikulum werden die Proteine gefaltet oder es werden Abschnitte herausgeschnitten oder hinzugefügt. Die Mechanismen, die diese Vorgänge abwickeln, sind sehr unterschiedlich. Nach der Bearbeitung im endoplasmatischen Retikulum werden die Proteine in einem membrangebundenen Vesikel eingeschlossen und zum Golgi-Apparat transportiert. Dort werden sie in letzter Minute bearbeitet, bevor sie an ihren endgültigen Bestimmungsort transportiert werden.