Translation (Biologie)

Als Translation wird die Synthese von Proteinen in den Zellen lebender Organismen (siehe auch Proteinbiosynthese) anhand der auf mRNA-Moleküle kopierten genetischen Informationen bezeichnet. Die Translation, als ein wesentlicher Teilprozess der Genexpression, ist der Transkription (komplementäre Kopie der DNA-Informationen auf einzelne mRNA-Stränge) nachgelagert, und erfolgt in lebenden Zellen an besonderen Strukturen, den Ribosomen.

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Allgemeiner Ablauf

    Die aus der DNA entstandene mRNA enthält die genetische Information für den Aufbau eines Proteins. Diese Information wird nun im Verlauf der Translation genutzt um das entsprechende Protein zu synthetisieren. Dabei codieren jeweils drei aneinanderfolgende Nukleotide der mRNA (die Codons, oder auch Basentripletts genannt werden) eine bestimmte Aminosäure (siehe: genetischer Code), aus denen das Protein dann sequentiell aufgebaut wird.

Für diesen Vorgang ist als Aminosäuren-„Transporter“ die tRNA notwendig. Diese kann mit ihrem einen Ende (dem sogenannten Anticodon) an jeweils genau eines der Codons auf der mRNA andocken und wurde an ihrem anderen Ende durch die Aminoacyl-tRNA Synthetasen mit der genau zu diesem Codon passenden Aminosäuren beladen.

Das Ribosom bringt die mRNA und eine freie tRNA, die eine Aminosäure aufgenommen hat, so zusammen, dass sich an ein bestimmtes Codon auf der mRNA – als passendes Gegenstück – ein komplementäres Anti-Codon der tRNA anlagert. Eine zweite tRNA, die ebenfalls eine Aminosäure trägt, setzt sich neben der ersten tRNA an die mRNA. Die beiden an den tRNAs hängenden Aminosäuren werden mit einer Peptidbindung verknüpft, und die erste tRNA verlässt ohne Aminosäure das Ribosom. Die auf das nächste Codon passende tRNA lagert sich nun an die mRNA an. Ihre Aminosäure wird an die bereits bestehende Aminosäurekette geknüpft und erweitert so diese um ein neues Glied. Dieser Prozess setzt sich fort, so dass sich hinter diesem Punkt eine immer längere werdende Kette aus Aminosäuren bildet. Das Ribosom, das diesen Prozess katalysiert, wandert dabei immer um ein Codon auf der mRNA weiter, und zwar so lange, bis die Information der mRNA vollständig abgearbeitet ist. An dieser Stelle ist ein so genanntes Stopp-Codon (z.B.UGA) in der mRNA eingearbeitet. An dieses kann keine der vorhandenen tRNA-Molekülarten andocken. Hinter der Stelle, an der die Verkettung stattfindet, ist nun wie gesagt eine lange Kette aus Aminosäuren – eine Polypeptidkette – entstanden.

Dieses neu gebildete Eiweiß löst sich nun endgültig vom Ribosom und faltet sich dann meistens so zusammen, dass eine komplexe räumliche Struktur entsteht (Sekundärstruktur und Tertiärstruktur). Eventuell verbindet es sich noch mit anderen Proteinen zu übergeordneten Quartärstrukturen.

Eine mRNA kann entweder mehrfach abgelesen werden oder wird durch zelluläre Prozesse anschließend wieder in (Ribo-)Nucleotide zerlegt.

Siehe auch: Proteomik

Biochemischer Ablauf

Bemerkenswerterweise gibt es allerdings nur 41 verschiedene tRNA-Arten, was ja nicht kovalent zu den 61 Triplets ist. Dies liegt daran, dass bei manchen Codons die 3. Stelle für den Ablesevorgang irrelevant ist, und übergangen werden kann. Die tRNA hat eine typische Kleeblattstruktur, bedingt durch die intramolekulare Basenpaarung komplementärer Nucleotide.

Am Akzeptorarm sind die 5'- und 3'-Enden verknüpft. Am einsträngigen 3'-Ende bindet die entsprechende Aminosäure.

Die Anticodonschleife liegt gegenüber. Drei zentrale Basen bilden das Anticodon.

Der D-Arm enthält das ungewöhnliche Dihydrouridin.

Der T-Arm enthält typischerweise Thymidin, Pseudouridin und Tyrosin.

Die V-Schleife ist variabel, also bei den tRNAs unterschiedlich zusammengesetzt.

Die Beladung der tRNA mit einer Aminosäure erfolgt durch eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Für jede Aminosäure gibt es eine spezifische Synthetase.

Ribosomen und Protein-Synthese

An den Ribosomen erfolgt die Bindung der Aminoacyl-tRNA an die Codons der mRNA und die Synthese der Proteine.

Bei den Ribosomen lassen sich zwei Untereinheiten (jeweils aus RNA und Polypeptiden bestehend) unterscheiden, die zunächst separat existieren. Bei der Translation vereinigen sie sich und bilden zwei funktionell bedeutsame Regionen, an denen sich die tRNAs binden können: an der Peptidyl-Stelle (P-Stelle) sitzt die tRNA mit der wachsenden Proteinkette, an der Aminoacyl-Stelle (A-Stelle) bindet die tRNA mit der nächsten anzufügenden Aminosäure. Eine weitere Region wird als Exit-Stelle (E-Stelle) bezeichnet, an der die entladenen tRNAs das Ribosom verlassen.

Bindung der mRNA an das Ribosom

Das Transkript der DNA, die mRNA, beginnt nicht gleich mit dem codierten Protein, sondern mit einem vorgeschalteten 5'-Nichtcodierungsbereich (Shine-Dalgarno-Sequenz), der RBS (ribosomal binding sequence). Dieser Nichtkodierungsbereich dient zur Bindung der mRNA an das Ribosom. Stromabwärts befindet sich das Startcodon AUG für Methionin, an dem die Translation beginnt.

Initiation der Translation

Das Startcodon wird von einer modifizierten, Methionin-tragenden tRNA erkannt. Die Modifikation besteht in einem Formyl-Rest, der enzymatisch an das Methionin gebunden wurde und dessen Aminogruppe schützt. Dadurch wird die Syntheserichtung der Peptidkette vorgegeben.

Das Ribosom mit der mRNA und der fMet-tRNA bilden den Initiationskomplex.

Bei der Initiation der Translation spielen drei Initiationsfaktoren (IF 1, IF 2, IF 3) eine Rolle.

Die kleine Untereinheit bindet die Initiationsfaktoren 1 und 3. Der Initiationsfaktor 2 wird durch GTP aktiviert und bindet an fMet-tRNA. Die kleine Untereinheit mit IF 1 und IF 3 bindet die mRNA. Dabei geht eine bestimmte mRNA-Sequenz eine Basenpaarung mit der 16S rRNA der kleinen Untereinheit ein. Danach bindet die kleine Untereinheit mit IF 1, IF 3 und mRNA den Komplex aus IF 2 und fMet-tRNA. Dabei wird IF 3 abgelöst. Bei der Bindung der großen Untereinheit wird der IF 1 ersetzt. Anschließend wird unter GTP-Spaltung auch der IF 2 abgelöst.

An dieser Stelle ist die erste Aminosäure eingebaut.

Elongation der Polypeptidkette

Die Elongation spielt sich an den A- und P-Orten des Ribosoms ab. (A=Aminoacyl- bzw. Erkennungsort, P=Peptidyl- bzw. Bindungsort).

Die Elongation erfolgt in vier Schritten:

• Das Ribosom rutscht um 3 Basen weiter
• eine neue tRNA gebundene Aminosäure bindet
• die Aminosäuren an der vorhergehenden tRNA werden an die neu angefügte Aminosäure gehängt; eine endogene Peptidyltransferase-Aktivität(Ribozym) der 50S-Untereinheit überträgt die über tRNA an das Ribosom gebundene letzte Aminosäure der wachsenden Kette mit der Carboxygruppe auf die Aminogruppe der neu herangeführten Aminosäure
• die alte, nun unbeladene, tRNA wird ausgestoßen

Hierzu sind wiederum weitere Hilfsfaktoren notwendig, die Elongationsfaktoren EF-Tu, EF-Ts, EF-G und zur Energielieferung GTP.

Termination

Das Ende der Translation ist erreicht, wenn auf der mRNA eines der Stopp-Tripletts UAG, UAA oder UGA auftaucht. Da es in der Zelle keine passende tRNA für diese Codons gibt, hält die Translation an.

Terminationsfaktoren (release factors) binden an das Stopp-Codon: RF 1 an UAG und UAA oder RF 2 an UAA und UGA. Ein weiterer RF 3-Faktor hilft dabei den Terminationskomplex an der leeren A-Stelle zu bilden.

Nun Fällt das Protein und die mRNA vom Ribosom ab, das wieder in seine beiden Untereinheiten zerfällt. Der Initiationsfaktor IF 3 erhält den dissoziierten Zustand aufrecht. Somit kann der Kreislauf von Neuem beginnen.

Translation durch Membranen

Da die meisten Bakterien beziehungsweise Prokaryoten von mehreren stabilen Membranen umgeben sind, haben sich hier einige besondere Mechanismen entwickelt, um Proteine durch Membranen nach außen zu synthetisieren. Auch bei Eukaryoten kommen solche Mechanismen vor, da auch die Organellen von einer (Doppel)-Membran umgeben sind. Es gibt zwei Vorgehensweisen:

Posttranslationaler Proteintransport

Siehe Hauptartikel: Posttranslationaler Proteintransport

Bei diesem Verfahren wird das Protein in der Zelle vollständig zusammengebaut und durch Chaperone wird eine vorzeitige Auffaltung verhindert, wobei bei Bakterien durch einen eingebauten „Knick“ im Protein das Durchfädeln durch die Zellmembran erleichtert wird. Bei Eukaryoten konnte der posttranslationale Transport durch die ER-Membran bisher nur bei Hefen gezeigt werden.

Cotranslationaler Proteintransport

Siehe Hauptartikel: Cotranslationaler Proteintransport

Bei diesem Weg wird das Ribosom durch Signalproteine an die Zellmembran (vor allem des Endoplasmatischen Reticulums) gebracht. Das entstehende Protein wird dann durch einen speziellen Tunnel in den dahinterliegenden Bereich geschoben.

Regulation

Unter Regulation der Translation versteht man verschiedene biochemische Mechanismen, die die Translation steuern. Ein wichtiger Signalweg, der durch Regulation der Translation Zellwachstum und Zellzyklus steuert, ist der mTOR-Signalweg.

Jedes von der Zelle zum Überleben benötigte Protein ist in den Genen kodiert. Die benötigte Menge ist jedoch nicht direkt im Gen enthalten und auch abhängig von Umgebungsbedingungen, Alter und Zellzyklus. Neben der Regulation der Translation hat die Zelle noch einige weitere Möglichkeiten die exprimierte Proteinmenge zu regulieren:

• Regulation der Transkription

Bei eukaryotischen Zellen noch zusätzlich:

• Regulation des Transportes der mRNA aus dem Zellkern
• alternatives Splicing

Die Translation wird ähnlich wie die Transkription reguliert: Ein Repressor bindet an den Translationsstartpunkt und blockiert so die Initiation dieses Prozesses. In einigen Fällen bezieht dies die Erkennung spezieller Strukturen an der mRNA ein.

Beispiel einer Regulation der Translation ribosomaler Proteine

Die korrekte Expression ribosomaler Proteine stellt ein interessantes regulatorisches Problem für die Zelle dar. Jedes Ribosom enthält circa 50 spezielle Proteine, die alle mit derselben Rate synthetisiert werden müssen. Des Weiteren sind die Syntheserate von Proteinen der Zelle und der Bedarf an Ribosomen eng mit dem Zellwachstum verbunden. Eine Veränderung der Wachstumsbedingungen führt schnell zu einem Anstieg oder Absinken der Syntheserate dieser ribosomalen Komponente. Dafür wird eine Regulation benötigt.

Die Kontrolle der ribosomal-Proteingene ist vereinfacht durch die Organisation in verschiedene Operons, die jeweils Gene für bis zu 11 ribosomale Proteine enthält.

Die primäre Kontrolle geschieht auf Ebene der Translation. Dies kann etwa durch das folgende Experiment nachgewiesen werden:

Durch Einbringen zusätzlicher Kopien eines solchen Operons in das Erbgut einer Zelle steigert sich dementsprechend die Menge der durch Transkription erzeugten mRNA. Trotzdem bleibt die Syntheserate des Proteins nahezu unverändert. Die Zelle kompensiert also die erhöhte mRNA Menge. Dabei wirken ribosomale Proteine als Repressoren ihrer eigenen Translation.

Bei jedem Operon kann dabei ein schon synthetisiertes ribosomales Protein an die mRNA des Operons binden. Diese Bindungsstelle liegt in der Nähe eines der ersten Gene des Operons. Dadurch werden Ribosome daran gehindert an die mRNA zu binden und mit der Translation zu beginnen. Die Repression der Translation der ersten Gene verhindert also die Expression von einem Teil oder dem gesamten Rest der nachfolgenden Gene.

Dieser Mechanismus ist sehr empfindlich. Schon wenige nicht zur Bildung von Ribosomen verbrauchte Moleküle des Proteins L4 zum Beispiel verhindern bereits die Synthese dieses Proteins so wie die Synthese der anderen 10 ribosomalen Proteine im gleichen Operon. Dadurch wird also sichergestellt, dass die Proteine nicht in zu großen Mengen erzeugt werden, dass nicht alles zur Bildung von Ribosomen verbraucht werden kann.

Wie ein Protein sowohl als ribosomale Komponente als auch als Regulator seiner eigenen Translation dienen kann, konnte durch Vergleich der Bindungsstellen des Proteins an der rRNA mit den Bindungsstellen mit seiner eigenen mRNA erforscht werden. Diese Bindungsstellen ähneln sich in ihrer Sequenz und ihrer Sekundärstruktur. Da die Bindung der ribosomalen Proteine an die rRNA stärker ist als die an die mRNA, wird die Translation nur unterdrückt, wenn der Bedarf an Proteinen für die Produktion von Ribosomen gedeckt ist.

Literatur

• Rolf Knippers: Molekulare Genetik. 9. Auflage. Thieme, Stuttgart/New York 2006, ISBN 978-3-13-477009-4.