Proteinbiosynthese

Die Verwendung des Begriffs Proteinbiosynthese ist in der Literatur nicht einheitlich. Im engeren Sinne wird darunter häufig ausschließlich die Translation verstanden. In einem weiteren Verständnis umfasst die Proteinbiosynthese hingegen den gesamten mehrstufigen Prozess aus Transkription und anschließender Translation.

Die Proteinbiosynthese gliedert sich in zwei Hauptschritte: Transkription und Translation. Darüber hinaus werden posttranskriptionale und posttranslationale Modifikationen des entstehenden Proteins unterschieden.

Die Transkription in Eukaryoten findet im Zellkern statt und wird durch DNA-abhängige RNA-Polymerasen katalysiert. Dabei wird die genetische Information eines DNA-Strangs (Matrizenstrang) in eine komplementäre RNA übertragen. Zunächst entsteht eine hnRNA (prä-mRNA). Die Transkription gliedert sich weiter in die Phasen Initiation, Elongation und Termination.

In der Initiation bildet sich zunächst ein Präinitiationskomplex (PIK) am Promoter eines Gens. Dieser besteht aus mehreren Transkriptionsfaktoren sowie der RNA-Polymerase. Eine zentrale Rolle spielt das TATA-Bindeprotein, das an die TATA-Box etwa 30 bp vor dem Transkriptionsstart bindet und weitere Faktoren rekrutiert. Ein regulatorischer Mechanismus erfolgt über die C-terminale Domäne der RNA-Polymerase II, deren Phosphorylierung die Aktivität des Enzyms steuert und den Übergang zur Transkription ermöglicht.

Während der Elongation bewegt sich die RNA-Polymerase entlang des Matrizenstrangs in 3'→5'-Richtung und synthetisiert eine komplementäre RNA. Der entstehende RNA-DNA-Hybrid ist zunächst instabil, sodass es häufig zu kurzen Abbrüchen der Transkription kommt, bevor ein stabiler Komplex gebildet wird und die Synthese kontinuierlich fortgesetzt werden kann.

Die Termination erfolgt, wenn die RNA-Polymerase auf eine spezifische Terminatorsequenz trifft. Dabei werden zwei Modelle beschrieben: Im allosterischen Modell führt das Abschneiden der prä-mRNA am Polyadenylierungssignal zu einer strukturellen Veränderung der Polymerase und deren Ablösung von der DNA. Im Torpedo-Modell wird das verbleibende RNA-Stück durch eine Exonuklease abgebaut, die schließlich die Polymerase einholt und deren Dissoziation bewirkt. Beide Mechanismen tragen vermutlich gemeinsam zur Termination der Transkription bei.

siehe Hauptartikel: Transkription

Die hnRNA wird durch posttranskriptionale Modifikationen in reife mRNA umgewandelt. Die Prozessierung beginnt bereits während der Transkription. Am 5'-Ende wird ein 7-Methylguanosin-Cap angehängt, das die RNA stabilisiert. Am 3'-Ende wird nach einem Polyadenylierungssignal ein Poly(A)-Schwanz hinzugefügt. Zusätzlich werden nichtkodierende Introns durch Spleißen entfernt. Die Modifikationen schützen die RNA vor Abbau und ermöglichen den Transport aus dem Zellkern, sodass sie anschließend translatiert werden kann.

Beim ersten Schritt der Proteinsynthese werden die 20 verschiedenen proteinogenen Aminosäuren aktiviert. Dabei werden sie mit einer jeweils für sie spezifischen tRNA verestert. Dies geschieht im Zytoplasma durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, einer Gruppe von Enzymen, die jeweils nur für eine bestimmte Aminosäure spezifisch sind. Die Aktivierungsenergie wird durch ATP-Verbrauch geliefert.

Während des zweiten Schritts wird durch Bindung der mRNA und der ersten Aminoacyl-tRNA an eine freie 40S-Ribosomenuntereinheit ein Ausgangskomplex (Initiationskomplex) gebildet, an den dann die 60S-Untereinheit angelagert wird. Die erste Aminoacyl-tRNA beginnt den Prozess als ein N-Acyl-Derivat, um sicherzustellen, dass die Synthese der Polypeptidkette jeweils zu Beginn der genetischen Botschaft gestartet wird.

Die Peptidkette wird durch fortlaufende Anlagerung neuer Aminoacyl-Reste verlängert. Diese Reste werden von Aminoacyl-tRNA-Estern übertragen, die jeweils durch ein Codon in der mRNA bestimmt werden. Nach Fertigstellung einer jeden neuen Peptidbindung werden sowohl die mRNA als auch die Peptidyl-tRNA-Kette ein Stück am Ribosom entlang geführt, um das nächste Codon in die richtige Position zu bringen. Die erforderliche Reaktionsenergie wird durch GTP-Verbrauch geliefert.

Beim letzten Schritt der Proteinsynthese wird die Polypeptidkette durch geeignete Abschlusssignale (drei besondere Stopcodons) in der mRNA abgeschlossen. Schließlich löst sich die fertige Kette vom Ribosom. Die Ablösung der Polypeptid-tRNA vom Ribosom wird bei Erreichen eines Abschluss-Codons von einem spezifischen Proteinfaktor (Freisetzungsfaktor) in die Wege geleitet, der an das Ribosom gebunden ist und die Esterbindung zwischen dem Polypeptid und der tRNA hydrolytisch spaltet. Das 70S-Ribosom verlässt darauf die mRNA in freier Form. Es kann in einen neuen Zyklus eintreten, wenn es zunächst in seine 50S und 30S-Untereinheiten dissoziiert, wozu einer der spezifischen Initiationsfaktoren erforderlich ist.

siehe Hauptartikel: Translation

Bereits während der Translation beginnt die Faltung des Proteins. Dabei unterstützen Chaperone die korrekte Faltung in Sekundär- und Tertiärstrukturen. Darüber hinaus können weitere Modifikationen wie Glykosylierung oder Phosphorylierung für die Funktionalität der Proteine notwendig sein.

Im Gegensatz zu Eukaryoten findet die Transkription bei Prokaryoten im Zytoplasma statt und ist nicht räumlich von der Translation getrennt. Prokaryoten besitzen nur eine RNA-Polymerase, deren Promotorspezifität durch Sigma-Faktoren bestimmt wird. Die Transkription verläuft ebenfalls in Initiation, Elongation und Termination. Während der Initiation bindet das Holoenzym an den Promotor, öffnet die DNA und beginnt die RNA-Synthese. In der Elongation bewegt sich die Polymerase entlang des Matrizenstrangs und synthetisiert eine komplementäre RNA. Die Termination erfolgt entweder intrinsisch durch Haarnadelstrukturen oder Rho-abhängig. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass keine posttranskriptionale Prozessierung notwendig ist.

Die Translation läuft im Wesentlichen bei Prokaryoten ähnlich. Unterschiede bestehen v.a. in den beteiligten Molekülen und der Erkennung der mRNA. Das prokaryotische Ribosom besteht aus einer kleinen Untereinheit (30 S) und einer großen Untereinheit (50 S). Die kleine Untereinheit bindet über die Shine-Dalgarno-Sequenz an die mRNA. Darüber hinaus wird der Initiationskomplex aus den Initiationsfaktoren IF-1 bis -3 gebildet.