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Proteinbiosynthese,

 

Proteinsynthese, Eiweißsynthese, Translation, die zelluläre Synthese von Proteinen durch Übersetzung der entsprechenden genetischen Information auf der DNA der Chromosomen.

 

Der Proteinbiosynthese vorgeschaltet ist die Transkription der DNA, bei der die Information des Gens auf eine spezielle Ribonukleinsäure, die Messenger-RNA (mRNA; Nukleinsäuren), kopiert wird. Diese mRNA dient als Transportform der genetischen Information, wobei jede einzelne Aminosäure in Form von Dreiergruppen von Basen (Basentriplett, Codon) codiert wird (Prinzip der Colinearität).

 

Die eigentliche Synthese der Proteine (Translation) findet im Zytoplasma an den Ribosomen statt. Die Basensequenz (Reihenfolge der Basentripletts) der mRNA wird hier dem genetischen Code entsprechend in die Aminosäuresequenz der Peptidkette übersetzt. Die Schlüsselmoleküle für diese Übersetzung und für die Knüpfung der Peptidbindungen sind die Transfer-Ribonukleinsäuren (tRNA). Sie tragen jeweils eine Aminosäure in energiereicher Bindung und weisen ein für diese Aminosäure spezifisches Basentriplett (Anticodon) auf, das komplementär zu dem passenden Codon der mRNA ist und mit ihm in Basenpaarung tritt.

 

Die zur Knüpfung von Peptidbindungen notwendige Energie wird durch ATP-Spaltung bereitgestellt: ATP (Adenosin) reagiert mit der Aminosäure unter Abspaltung von Pyrophosphat zu einem Aminoacyladenylat. Diese »aktivierte« Aminosäure wird dann unter Abspaltung von AMP an die Ribose am 3'-Ende der tRNA gebunden. Die Enzyme (Aminoacyl-tRNA-Synthetasen), die diese Reaktionen katalysieren, sind hochspezifisch für die jeweilige Aminosäure und tRNA. Dies ist von großer Bedeutung, da bei der Translation die tRNA nur über das Anticodon erkannt wird, sodass Fehler in der »Aminosäure-Beladung« der tRNA zu Fehlern in der Proteinsequenz führen.

 

Mechanismus der Proteinbiosynthese:

 

Die Translation wird analog zur Transkription in drei Phasen eingeteilt: Der Start (Initiation) der Proteinbiosynthese ist ein sehr komplexer Prozess, an dem mehrere Proteine als Initiations- und Regulationsfaktoren beteiligt sind. Zwischen Pro- und Eukaryonten bestehen v. a. in der Initiationsphase der Proteinbiosynthese erhebliche Unterschiede. Bei eukariontischen Zellen erkennt die kleine Untereinheit der Ribosomen das modifizierte 5'-Ende der mRNA und wandert auf der mRNA entlang bis zum Startcodon, wo sich der gesamte ribosomale Komplex endgültig organisiert. Die Effizienz der Translation wird bei Eukaryonten durch die Polyadenylierung am 3'-Ende einer mRNA bestimmt, die die Stabilität der mRNA und damit deren Verfügbarkeit für die Proteinbiosynthese beeinflusst. Bei den oft polycistronischen mRNA von Prokaryonten erfolgt die Ribosomenbindung an spezifische Nukleotidsequenzen, den so genannten Ribosomenbindungsstellen, in unmittelbarer Nähe des Startcodons, wobei dieses Codon in die P-Stelle (Peptidylstelle) der kleinen ribosomalen Untereinheit eingepasst wird. Die erste tRNA, die angelagert wird, ist stets eine mit der Aminosäure Methionin beladene spezielle Initiations-tRNA. Durch Anlagerung der großen Ribosomen-Untereinheit wird das Ribosom vervollständigt, und die zweite tRNA wird an die A-Stelle (Akzeptorstelle) des Ribosoms gebunden und die Peptidbindung zu der an der P-Stelle gebundenen Aminosäure geknüpft. - Bei der Kettenverlängerung (Elongation) bewegt sich das Ribosom an der mRNA entlang. Nach Knüpfung der Peptidbindung wird die nicht mehr beladene tRNA an der P-Stelle freigesetzt und die mit der Peptidkette verbundene tRNA von der A-Stelle auf die P-Stelle verlagert (Translokation). Die freie A-Stelle kann dann die nächste beladene tRNA binden, und der Vorgang beginnt von vorn. Der Kettenabbruch (Termination) erfolgt, wenn auf der mRNA ein Stoppcodon erreicht wird. Die Peptidkette wird dann von der tRNA an der P-Stelle mithilfe von Terminationsfaktoren hydrolytisch gelöst, und das Ribosom zerfällt wieder in seine Untereinheiten. - Während der Proteinbiosynthese können mehrere Ribosomen gleichzeitig an einer mRNA aktiv sein. Ein solcher Komplex wird auch als Polysom bezeichnet. Die zytoplasmatischen Polysomen sind am Zytoskelett gebunden und synthetisieren v. a. intrazellulär verbleibende Proteine, während Polysomen an der Membran des endoplasmatischen Retikulums (raues ER) hauptsächlich Membranproteine und Proteine synthetisieren, die an die Umgebung abgegeben (sezerniert) werden. Viele Proteine werden anschließend noch in den Zisternen des ER verändert (posttranslationale Modifizierung), z. B. durch Abspaltung der Signalsequenzen, Bindung von Kohlenhydratgruppen, Carboxylierung, Hydroxylierung oder Verkürzung der Peptidketten durch Proteasen (z. B. die Bildung des Insulins aus Proinsulin). Der größte Teil des zellulären Proteins wird im Zytoplasma synthetisiert. Aber auch in Mitochondrien und Chloroplasten findet sich eine derjenigen von Prokaryonten ähnelnde Proteinbiosynthese. Einige spezielle Peptide (z. B. Peptidantibiotika, Glutathion) werden darüber hinaus über nichtribosomale Synthesemechanismen gebildet.

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Proteinbiosynthese: Transkription und Translation