Proteinbiosynthese

Die Proteinbiosynthese oder Genexpression, früher auch Eiweißsynthese genannt, ist die Herstellung eines Proteins oder Polypeptids in Lebewesen. Sowohl Proteine als auch Polypeptide und Oligopeptide sind Ketten aus Aminosäuren, die sich in ihrer Länge und ihrer Abfolge unterscheiden. Sie werden aufgrund der in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) gegebenen Erbinformation an den Ribosomen lebender Zellen gebildet.

Unterprozesse der Proteinbiosynthese

1. Transkription

→ Hauptartikel: Transkription

Bei diesem ersten Schritt der Proteinbiosynthese wird ein Gen aus der DNA abgelesen und in ein mRNA (Messenger-RNA) -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, da die DNA den Zellkern nicht verlassen kann.

Die Transkription des Gens wird durch das Enzym RNA-Polymerase (und mehrere andere Proteine) katalysiert, das als Substrat 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. Codogen (DNA) → Codon (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 findet die Transkription im Zellplasma, auch Cytoplasma genannt, statt.

2. Translation

→ Hauptartikel: 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 sind als Aminosäuren-"Transporter" die tRNAs (Transfer-RNAs) notwendig. Sie 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 Termination. 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). 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.

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

Co- und Posttranslationale Modifikationen

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 besonders viele posttranslationale Modifikationsschritte

Proteintargeting und Proteintransport

→ Hauptartikel: Posttranslationaler Proteintransport und 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:

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.
Der Carrier-Protein-Importweg für Proteine der inneren Membran, welche verschiedene interne Signale tragen.
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.

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