Translation und Proteinbiosynthese

Bei der Genexpression fließt die genetische Information von der DNA über die RNA zum Protein. Das bezeichnet man auch als das zentrale Dogma der Molekularbiologie. Dabei nennt man die Übersetzung der DNA in RNA Transkription, die Proteinbiosynthese anhand der RNA-Matrize Translation. Details zur Genexpression und Transkription sind in dem Kapitel „Genexpression und Transkription“ zu finden.

Die Translation findet an den Ribosomen statt - großen Molekülkomplexen aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen. Die Ribosomen binden die RNA-Matrize, die auch als Messenger RNA (mRNA, Boten-RNA) bezeichnet wird, und katalysieren anhand dieser Vorlage die Bildung eines Polypeptids. Dabei knüpfen sie schrittweise eine Aminosäure an die nächste. Neben der mRNA und der rRNA sind die Transfer RNAs (tRNAs) wichtige RNAs der Translation. Sie bilden die Adaptermoleküle, die die eigentliche Übersetzung der mRNA-Sequenz in die Aminosäuresequenz der synthetisierten Proteine leisten: Sie erkennen die Basentripletts auf der mRNA und liefern die dazugehörigen Aminosäuren für den Einbau in die Peptidkette. Die Translation endet, wenn eine bestimmte Basensequenz auf der mRNA erreicht ist. Dann dissoziiert das Ribosom; die mRNA und das neu synthetisierte Protein werden freigesetzt.

Schon während der Translation beginnen Proteine, sich in ihre korrekte dreidimensionale Struktur zu falten. Nur wenn sie richtig gefaltet sind, können sie ihre Funktion ausüben. Verschiedene spezialisierte Proteine helfen den entstehenden Proteinen bei der Ausbildung ihrer Struktur bzw. sorgen durch Modifikation bestimmter Aminosäureseitenketten dafür, dass ein Protein nach der Translation funktionsfähig ist. Dazu gehört auch, dass das Protein an den richtigen Ort innerhalb der Zelle gelangt, z.B. in die Zellmembran oder in die Mitochondrien.

Die Translationsrate wird an die vorliegenden zellulären Bedingungen angepasst, z.B. kann die Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Nährstoffe die Translationsrate beeinflussen.

• Translation: Übersetzung der Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz eines Polypeptids mithilfe der tRNA
  • Ort: Ribosomen im Zytosol und am rauen ER
  • Phasen
    • Initiation (Translation)
      • Start der Translation durch Assemblierung der ribosomalen Untereinheiten
      • Erkennung des Startcodons durch die Start-tRNA mithilfe von Initiationsfaktoren
    • Elongation (Translation): Synthese des Proteins (hier findet die Bildung einer Peptidbindung katalysiert durch das Ribosom (Ribozym!) statt)
    • Termination (Translation)
      • Beendigung der Proteinsynthese am Stoppcodon
      • Dissoziation des Ribosoms
      • Freisetzung von mRNA und synthetisiertem Protein

Der genetische Code

• Definition: Beziehung zwischen der Basensequenz der DNA (bzw. der mRNA) und der ihr entsprechenden Aminosäurensequenz in einem Protein
• Eigenschaften
  • Codons als Einheit: Drei Basen (Triplett) bilden ein Codon und kodieren für eine Aminosäure
    • Codon: Sequenz auf der mRNA, die aus drei Basen besteht und für eine bestimmte Aminosäure kodiert
    • Anticodon: Sequenz auf der tRNA, die als Erkennungsstelle für die mRNA-Matrize dient und aus drei Basen besteht
      • Das Anticodon ist komplementär zum Codon auf der mRNA
      • Codon und Anticodon paaren immer antiparallel: Die Base am 5'-Ende eines Codons paart mit der Base am 3'-Ende des Anticodons und umgekehrt.
  • Der genetische Code ist „degeneriert“: Das bedeutet, dass die meisten Aminosäuren durch mehrere Codons kodiert werden, nicht nur durch eines
    • Beispiele
      • Die Aminosäure Isoleucin kann durch die Tripletts AUA, AUC und AUU kodiert werden.
      • Die Aminosäuren Arginin, Serin und Leucin werden jeweils durch sechs Tripletts kodiert!
      • Nur Methionin und Tryptophan besitzen je ein eigenes spezifisches Triplett
  • Universalität
    • Genetischer Code ist fast bei allen Organismen gültig
    • Es gibt allerdings Abweichungen, z.B. werden manche Tripletts in Mitochondrien anders verwendet als im Zellkern
• Startcodon: AUG
  • Das Codon AUG dient als Signal, dass die mRNA-Sequenz beginnt, die translatiert werden soll
  • Kodiert gleichzeitig für die Aminosäure Methionin, sodass jedes Polypeptid erst einmal mit Methionin startet
• Stoppcodons: UGA, UAG und UAA beenden die Translation
  • Besonderheit Einbau von Selenocystein
    • Die sog. 21. Aminosäure Selenocystein wird beim Codon UGA eingebaut, wenn die mRNA an der Stelle eine bestimmte Sekundärstruktur ausbildet
    • Meistens wird UGA jedoch als Stoppcodon abgelesen
• Wobble-Phänomen (engl. wobble für „schwanken, schwabbeln“)
  • Definition: Manche tRNA-Moleküle erkennen durch eine gewisse Ungenauigkeit („Wobble“) der Paarung der ersten Base des Anticodons mit der dritten Base des Codons mehrere verschiedene Codons. Man spricht auch von der Wobble-Position an der 5'-Position des Anticodons.
  • Die Base am 5'-Ende des Anticodons ist häufig Inosin statt eine der üblichen Basen
    • Inosin paart relativ unspezifisch mit Uridin, Adenosin und Cytidin am 3'-Ende des Codons.
    • Sie bilden sog. Wobble-Basenpaare .

Das Stoppcodon UGA kodiert unter bestimmten Bedingungen auch für die Aminosäure Selenocystein!

Selenocystein wird am Ribosom in die wachsende Polypeptidkette eingebaut!

Um sich die Stoppcodons UGA, UAG und UAA zu merken hilft: U Go Away, U Are Gone und U Are Away!

Beteiligte Ribonukleinsäuren (RNAs)

• RNAs bilden die wesentlichen Bestandteile der Translation
  • mRNA: Matrize für die Proteinsynthese (enthält die Codons)
  • tRNA: Adapter zwischen mRNA und Aminosäuren (enthält die Anticodons)
  • rRNA: Strukturelle und katalytische Bestandteile der Ribosomen

Für eine Übersicht über Struktur und Funktion von RNAs siehe auch: Klassifizierung der RNA

Beladung von tRNAs

Um ihre Funktion als Adaptermolekül ausüben zu können, müssen die tRNAs mit der für sie spezifischen Aminosäure beladen werden.

• Definition: Verknüpfung einer tRNA mit der für sie spezifischen Aminosäure
• Enzyme: Verschiedene, für die jeweilige Aminosäure spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetasen (Für jede proteinogene Aminosäure existiert mindestens eine eigene Synthetase, die die für ihr Anticodon „richtige“ Aminosäure erkennt)
• Reaktionsmechanismus: Die Beladung von tRNAs im Zytosol verläuft in zwei Schritten, die von demselben Enzym katalysiert werden
  • Aktivierung der Aminosäure unter ATP-Verbrauch: Es entsteht Aminoacyl-AMP
    • Aminosäure + ATP → Aminoacyl-AMP + PP_i
  • Übertragung der aktivierten Aminosäure auf die tRNA und Bildung einer Esterbindung
    • tRNA + Aminoacyl-AMP → Aminoacyl-tRNA + AMP

Ribosomenstruktur

Ribosomen sind die Organellen der Proteinbiosynthese. Sie bestehen überwiegend aus Ribonukleinsäuren, aber auch aus vielen verschiedenen Proteinen. Für eine Übersicht zu den Ribosomen als Organellen siehe auch: Die Zelle.

• Die Struktur der Ribosomen ist sehr komplex; für ein grobes Verständnis der Funktion sind folgende Positionen wichtig:
  • Bindestelle für die mRNA auf der kleinen ribosomalen Untereinheit
  • Bindestellen für die tRNAs werden von beiden ribosomalen Untereinheiten gemeinsam gebildet
    • A(Aminoacyl)-Stelle
    • P(Peptidyl)-Stelle
    • E(Exit)-Stelle
  • Peptidyltransferasezentrum
    • Katalytisches Zentrum (auf der großen ribosomalen Untereinheit)
    • Bildet die Peptidbindung zwischen den Aminosäuren, die (jeweils über tRNA) an A- und P-Stelle gebunden sind
  • Exit tunnel: Proteinaustrittskanal (innerhalb der großen ribosomalen Untereinheit)
  • Bindestellen für regulatorische Faktoren

Die Translation wird in drei Phasen eingeteilt: Die Initiation, die Elongation und die Termination .

Initiation der Translation

• Definition: Zusammenstellung des funktionellen Ribosoms und Erkennung des Startcodons durch die erste tRNA
• Beteiligte Moleküle
  • 40S- und 60S-Untereinheit des Ribosoms
  • Reife mRNA
  • Beladene Start-tRNA (Initiator-Methionyl-tRNA)
  • Energielieferant: GTP
  • Eukaryotische Initiationsfaktoren (eIF), u.a.:
    • eIF-2
      • Gehört zu den kleinen G-Proteinen
      • Bindet in aktiver, GTP-gebundener Form die Start-tRNA (sog. ternärer Komplex)
      • Trägt zur Bildung des fertigen Initiationskomplexes bei, indem es GTP zu GDP hydrolysiert
      • Wird vom Guaninnukleotidaustauschfaktor eIF-2B wieder in die GTP-gebundene Form überführt
    • eIF-4: Erkennt mRNA
• Ablauf der Initiation
  1. Die kleine ribosomale Untereinheit lagert sich mit spezifischen Initiationsfaktoren zusammen .
  2. Der ternäre Komplex aus Methionin-beladener Start-tRNA, Initiationsfaktor eIF-2 und GTP bindet an die kleine ribosomale Untereinheit und bildet so den 43S-Präinitiationskomplex.
  3. Die mRNA wird vom Initiationsfaktor eIF-4 erkannt und bindet an den 43S-Präinitiationskomplex, sodass der 48S-Präinitiationskomplex entsteht.
     1. Die Start-tRNA erkennt das Startcodon (meist das erste AUG-Triplett nach dem 5'-Cap der mRNA); die GTP-Hydrolyse liefert die Energie zur Freisetzung von eIF-2.
  4. Die große und die kleine ribosomale Untereinheit lagern sich zum 80S-Ribosom, dem fertigen Initiationskomplex, zusammen.

Elongation der Translation: Proteinbiosynthese

• Prinzip
  • Die mRNA wird von 5'- in 3'-Richtung abgelesen (Triplett für Triplett)
  • Das Protein wird Aminosäure für Aminosäure aufgebaut: Durch den Angriff der freien NH₂-Gruppe der einen Aminosäure auf die veresterte COOH-Gruppe der anderen Aminosäure entsteht eine Peptidbindung zwischen der COOH-Gruppe der wachsenden Peptidkette und der NH₂-Gruppe der dazukommenden Aminosäure.
  • Die Elongation beginnt beim N-Terminus in Richtung des C-Terminus: Der N-Terminus des wachsenden Proteins verlässt also zuerst das Ribosom.
• Ablauf der Elongation
  • Initiator-Methionyl-tRNA befindet sich an der Peptidylstelle (P-Stelle) bzw. eine andere vorher passende Aminoacyl-tRNA ist dort gebunden
  • Bindung der nächsten Aminoacyl-tRNA an die Aminoacylstelle (A-Stelle) des Ribosoms
    • Das Anticodon der Aminoacyl-tRNA muss zum Codon auf der mRNA passen, das als nächstes abgelesen wird
    • An der Bindung ist der eukaryotische Elongationsfaktor eEF-1 beteiligt, der durch GTP aktiviert wird
  • Verknüpfung der Aminosäuren an der P- und an der A-Stelle des Ribosoms über eine Peptidbindung
    • Katalysiert durch die Peptidyltransferaseaktivität der großen Untereinheit des Ribosoms
  • Translokation
    • Das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA um die Länge eines Tripletts
    • Energie dazu stammt aus der Hydrolyse von GTP unter Mitwirkung von eEF-2
    • Nach der Translokation ist die tRNA, die an der A-Stelle war, an der P-Stelle und die tRNA, die vorher an der P-Stelle war, an der Exitstelle (E-Stelle)
      • Die A-Stelle wird dadurch wieder frei und kann eine neue Aminoacyl-tRNA (im Komplex mit eEF-1/GTP) binden
      • An der P-Stelle befindet sich eine tRNA mit der wachsenden Peptidkette
      • Während der gesamten Translation ist die wachsende Polypeptidkette über ihren C-Terminus kovalent an ein tRNA-Molekül gekoppelt (als Peptidyl-tRNA-Molekül)
      • An der E-Stelle befindet sich die jetzt unbeladene tRNA
  • Freisetzung der unbeladenen tRNA von der E-Stelle

Diphtherie
Die Diphtherie ist eine potenziell lebensbedrohliche Infektionskrankheit, die insb. die oberen Atemwege betrifft und durch das toxinbildende Corynebacterium diphtheriae hervorgerufen wird. Das Diphtherietoxin führt zu einer Inaktivierung des eukaryotischen Elongationsfaktors 2 (eEF-2), wodurch die Proteinbiosynthese inhibiert wird und die betroffene Zelle abstirbt. Aufgrund sehr hoher Diphtherie-Impfquoten unter Kindern in Deutschland ist die Inzidenz hierzulande extrem gering.

Termination der Translation

• Beendigung der Proteinsynthese bei einem Stoppcodon
• Freisetzung des Proteins
• Dabei hilft ein Terminationsfaktor, der Stoppcodons erkennt und die Peptidyl-tRNA-Bindung hydrolytisch spaltet

Damit ein Protein seine Funktion innerhalb der Zelle oder im Organismus ausführen kann, muss es korrekt gefaltet sein. Das bedeutet, dass das Protein eine besondere dreidimensionale Struktur einnimmt. Die Faltung eines Proteins beginnt schon während der Translation. Die Raumstruktur ist in der Aminosäuresequenz des Proteins festgelegt (für Details zur Raumstruktur und Denaturierung von Proteinen siehe auch: Aminosäuren und Proteine).

Proteinfaltung

• Definition: Ausbildung der dreidimensionalen Struktur eines Proteins vom ungefalteten zum nativen Zustand
• Prinzip: Fortschreitende Stabilisierung von Zwischenstufen bis die energetisch günstigste Stufe erreicht ist
  • Hydrophober Kollaps
    • Ansammlung hydrophober Seitenketten von Aminosäuren, z.B. von Valin, Leucin oder Isoleucin, im Inneren eines Proteins während der Faltung
    • Dieser Effekt beeinflusst den Faltungsprozess und kann als dessen Triebkraft angesehen werden.
• Beeinflussung der Faltung durch:
  • Ausbildung von Disulfidbrücken: Während der Faltung bilden sich in einigen (meist extrazellulären) Proteinen Disulfidbrücken zwischen zwei Cysteinresten aus
  • Kovalente Modifikationen: Z.B. Phosphorylierung von Tyrosinseitenketten oder Glykosylierung von Asparaginseitenketten
• Hilfsproteine: Proteine, die anderen Proteinen bei der Ausbildung der korrekten Struktur helfen
  • Protein-Disulfid-Isomerase: Hilft, die thermodynamisch günstigsten Disulfidbrücken innerhalb eines Proteins auszubilden (bei Proteinen, die mehr als zwei Cysteinreste haben), falls sich schon energetisch weniger günstige Disulfidbrücken gebildet haben
  • Prolyl-cis-trans-Isomerase
    • Hilft, die energetisch günstigste Konformation einer Peptidbindung, an der ein Prolinrest beteiligt ist, zu finden
    • Meist ist es die trans-Konformation, manchmal ist jedoch die cis-Konformation günstiger
  • Chaperone (von franz. chaperon = „Anstandsdame“)
    • Definition
      • Proteinkomplexe, die die Aggregation von Proteinen während der Synthese verhindern und fehlgefaltete Proteine in geschützter Umgebung neu falten lassen können
      • Dabei wird von einer Vielzahl der Chaperone ATP verbraucht
    • Familien z.B.
      • Hsp70 (Heat shock protein 70)
      • Hsp60 (Chaperonine)
      • Hsp90
    • Funktion
      • Insbesondere Verhinderung von Proteinaggregation durch Anlagerung der Chaperone an exponierte hydrophobe Bereiche eines Proteins, das gerade am Ribosom synthetisiert wird
      • Außerdem Unterstützung beim Transport von Proteinen über intrazelluläre Membranen sowie beim Abbau von Proteinen
    • Wirkungsweise am Beispiel von BiP
      • BiP ist ein Chaperon im ER
      • Sein KDEL-Sortierungssignal bestimmt den Verbleib im ER und wird durch den sog. COP-Coat von Transportvesikeln erkannt
      • COPs (COPI und COPII) sind u.a. verantwortlich für Transportvorgänge zwischen ER, Golgi-Apparat und Zellmembran
        • Ist durch einen Defekt die Rückführung von BiP zum ER gestört, kommt es zur extrazellulären Aggregation
    • Wirkungsweise am Beispiel des Hitzeschockproteins Hsp60
      • Hsp60-Proteinkomplexe bilden eine fassartige Struktur aus, in die bereits fertig synthetisierte, aber fehlgefaltete oder nur teilweise gefaltete Proteine aufgenommen werden können. Hsp60 erkennt fehlgefaltete Proteine an normalerweise nicht exponierten hydrophoben Oberflächen in dem Protein.
      • Durch das Co-Chaperon Hsp10 wird die Kammer unter ATP-Bindung wie durch einen Deckel geschlossen.
      • Das eingeschlossene Protein kann sich unter den geschützten Bedingungen in seine energetisch günstigste Konformation falten.
      • Das Protein wird nach Hydrolyse von ATP freigesetzt, in dem sich Hsp10 wieder von Hsp60 löst und die Kammer öffnet.

Die dreidimensionale Struktur eines Proteins ist in seiner Aminosäuresequenz hinterlegt! Trotzdem benötigen manche Proteine Unterstützung bei der korrekten Faltung. Diese Aufgabe übernehmen Hilfsproteine!

Fehlfaltung von Proteinen

Fehlgefaltete Proteine können sowohl intrazellulär als auch extrazellulär Schäden anrichten. Daher werden sie normalerweise entweder durch Hilfsproteine dabei unterstützt, die richtige Faltung anzunehmen, oder aber durch spezialisierte Proteine erkannt, markiert und proteolytisch abgebaut (zum Abbau von Proteinen siehe auch: Stoffwechsel der Aminosäuren und Proteine).

• Definition: Fehlende Faltung oder durch denaturierende Einflüsse entstandene, nicht native Faltung eines Proteins
• Auslösende Faktoren
  • Stress, z.B. oxidative Bedingungen
  • Erhöhte Körpertemperatur (Fieber)
  • Mutationen, z.B. Fehlfaltung des Chloridkanalproteins bei Mukoviszidose, Fehlfaltung von Hämoglobin bei Sichelzellanämie
• Mechanismus der Fehlfaltung
  • Insbesondere hydrophobe Aminosäurereste auf der Oberfläche eines fehlgefalteten Proteins neigen dazu, mit anderen hydrophoben Oberflächen/Proteinen zu aggregieren
  • Ansammlungen von β-Faltblatt-reichen Proteinen können auch zu Fibrillenbildung führen
• Intrazelluläre Reaktion
  • Fehlgefaltete Proteine werden erkannt und entweder durch Chaperone gerettet oder ubiquitiniert und so für den Abbau im Proteasom markiert
• Folgen der Fehlfaltung
  • Bei manchen Erkrankungen versagen die Schutzmechanismen
  • Fehlgefaltete Proteine bilden dann unlösliche Aggregate und Fibrillen, die zum Zelluntergang führen (z.B. bei den neurodegenerativen Erkrankungen Morbus Parkinson und Alzheimer-Krankheit)

Mukoviszidose
Bei Mukoviszidose, einer auch als Zystische Fibrose bezeichneten Stoffwechselerkrankung, liegt sehr häufig eine bestimmte Mutation in dem Gen vor, das für den CFTR(cystic fibrosis transmembrane regulator)-Chloridkanal kodiert. Durch die Deletion eines Basentripletts, das für Phenylalanin in Position 508 kodiert, wird das Kanalprotein nicht korrekt gefaltet und dem Abbau im Proteasom zugeführt. Das trotz der Deletion eigentlich funktionsfähige Kanalprotein erreicht deshalb die Zellmembran nicht. In der Folge werden nur hypervisköse Sekrete von den exokrinen Drüsen sezerniert, was zu chronischen Entzündungsreaktionen und Organschäden führt.

Zur Funktionsfähigkeit vieler Proteine gehört nicht nur, dass sie korrekt gefaltet sind. Sie erhalten auch oft während oder nach der Translation spezifische chemische Veränderungen, sog. co- oder posttranslationale Modifikationen. So entstehen z.B. fertige Proteine nach Spaltung aus einem Vorläuferprotein oder durch Oxidation von Cysteinresten zu Disulfidbrücken. Es können aber auch spezifische Seitenketten modifiziert werden, z.B. durch Anhängen von Zuckerresten, hydrophoben Gruppen oder (reversibel) von verschiedenen funktionellen Gruppen.

Proteinglykosylierung

Manche Proteine enthalten kovalent gebundene Kohlenhydratgruppen (Oligosaccharide). Dann bezeichnet man sie als Glykoproteine. Häufig handelt es sich dabei um Proteine der Zellmembran oder sekretorische Proteine, z.B. Serumproteine wie Erythropoetin.

• Definition: Enzymatisches Anhängen von Kohlenhydratresten an spezifische Aminosäureseitenketten von Proteinen unter Ausbildung von N-glykosidischen (N-Glykosylierung) oder O-glykosidischen Bindungen (O-Glykosylierung)
• Ort: Je nach Glykosylierungstyp im rauen endoplasmatischen Reticulum und/oder Golgi-Apparat
• Funktion: Die Glykosylierung beeinflusst die
  • Raumstruktur und Lokalisierung eines Proteins und damit dessen Funktion
  • Stabilität und Lebensdauer eines Proteins
    • Beispiel: Serumglykoproteine
      • Endständige N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure) vorhanden: Kein Abbau in den Hepatozyten
      • Verlust der N-Acetylneuraminsäure: Die Oligosaccharide der Glykoproteine enden auf Galactose oder N-Acetylgalactosamin, werden durch Asialoglykoprotein-Rezeptoren auf den Hepatozyten erkannt, über rezeptorvermittelte Endozytose aufgenommen und lysosomal abgebaut
• Mechanismus der N-Glykosylierung
  • Übertragung eines großen Oligosaccharids, das an der ER-Membran synthetisiert wurde, auf einen Asparaginrest im zu glykosylierenden Protein
  • Transport in den Golgi-Apparat und Modifikation des Oligosaccharids (sog. Trimmen)

Die N-Glykosylierung, also das Anhängen von Zuckern an Asparaginreste von Proteinen, beginnt im rauen ER!

Der Zuckerrest N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure) schützt Glykoproteine vor dem Abbau durch die Leber!

Die enzymatische Glykosylierung sollte nicht mit der nicht-enzymatischen Glykierung verwechselt werden: Bei der Glykierung binden Aldosen wie Glucose mit ihrer Carbonylgruppe spontan in einer Schiff-Base-Reaktion an Aminogruppen von Proteinen und können so deren Funktion beeinträchtigen! Glykierte Proteine durchlaufen weitere chemische Umlagerungsprozesse und werden dann auch als AGEs (Advanced Glycation End Products) bezeichnet.

Achte darauf, in welchem Kompartiment die Modifikation stattfindet. Die N-Glykosylierung findet hauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum statt, während die O-Glykosylierung im Golgi-Apparat lokalisiert ist.

HbA1c
Hämoglobin (Hb) ist in den Erythrozyten für die Bindung des transportierten Sauerstoffs verantwortlich. Insbesondere der N-Terminus der β-Ketten von Hb wird bei erhöhtem Blutzuckerspiegel nicht-enzymatisch glykiert. Das dabei entstehende HbA1c (glykiertes Hämoglobin vom Typ A1) ist in seiner Funktion unbeeinträchtigt und bleibt für die gesamte Lebensdauer des Erythrozyten bestehen (8-12 Wochen). Der sog. HbA1c-Wert gibt den mittleren Blutzuckerwert über diesen Zeitraum an und kann deshalb zur Verlaufskontrolle von Diabetes mellitus verwendet werden.

Lipidanker

Die meisten Membranproteine treten über hydrophobe Seitenketten (z.B. Valin- oder Leucinreste) mit Lipidmembranen in Wechselwirkung. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, Proteine an Membranen zu binden, und zwar durch sog. Lipidanker, die kovalent an das Protein gebunden sind.

• Definition: Kovalente Modifikation von Proteinen mit hydrophoben Gruppen, durch die die Proteine in Membranen verankert werden
• Typen
  • Acylierung: Verknüpfung mit langkettigen Fettsäuren, z.B. Palmitinsäure
  • Isoprenylierung: Verknüpfung einer Cysteinseitenkette des Proteins mit einem Polyisopren über eine Thioetherbindung, wie z.B. bei der
    • Farnesylierung: Verknüpfung mit einem Farnesylrest (drei Isopreneinheiten, insgesamt 15 C-Atome)
      • Beispiel: Ras-Protein
    • Geranylgeranylierung: Verknüpfung mit einem Geranylgeranylrest (vier Isopreneinheiten, insgesamt 20 C-Atome)
      • Beispiel: γ-Untereinheit heterotrimerer G-Proteine
  • GPI-Anker: Verknüpfung mit Glykosylphosphatidylinositol (GPI), einem Glykolipid

Sulfatierung

Einige Proteine, u.a. bestimmte Zelloberflächenproteine, Blutgerinnungsfaktoren und Chemokinrezeptoren werden sulfatiert.

• Definition: Bindung einer Sulfogruppe an die OH-Gruppe eines Tyrosins durch Sulfotransferasen im Golgi-Apparat
• Ziel: Steigerung der Wasserlöslichkeit, Beteiligung an den funktionellen Effekten der Proteine

Reversible Proteinmodifikation

Reversible Modifikation von Proteinen durch spezifische Enzyme ist ein Weg, die Aktivität oder Haltbarkeit von Proteinen zu regulieren oder Signale weiterzugeben. Meistens verändert sich die Raumstruktur (genauer die Konformation) der Proteine durch die Modifikation. Dadurch können sie z.B. Substrate erkennen und/oder mit anderen Proteinen interagieren. Durch die Reversibilität der Modifikation lassen sich so Proteine „an- oder ausschalten“ - nicht nur unmittelbar nach der Translation, sondern jederzeit und in Abhängigkeit von den jeweiligen zellulären Bedingungen.

• Phosphorylierung: Anhängen von Phosphatresten an die Hydroxygruppe (OH-Gruppe) von Serin- oder Threonin- bzw. von Tyrosinresten durch Kinasen
  • Beispiel: Regulation der Glykogenphosphorylase im Glykogenstoffwechsel durch Phosphorylierung
  • Gegenteil: Dephosphorylierung
• Acetylierung: Verknüpfung mit einer CO-CH₃-Gruppe durch Protein-Acetyltransferasen
  • Beispiel: Regulation der DNA-Kondensation und damit der Transkription durch Acetylierung der Histonproteine
  • Gegenteil: Deacetylierung
• Succinylierung: Verknüpfung einer Lysinseitenkette mit einem Succinylmolekül
  • Beispiel: Modifikation der Histonproteine
• Ubiquitinierung: Verknüpfung des C-Terminus von Ubiquitin (ein kleines Protein) mit der ε-Aminogruppe von Lysinresten in Proteinen, insb. in Proteinen, die abgebaut werden sollen
  • Meistens werden ganze Ketten von Ubiquitinen angehängt
  • Beispiel: Regulation des Zellzyklus durch Ubiquitinierung und Abbau von Cyclinen
• ADP-Ribosylierung: Übertragung eines ADP-Ribosylrestes aus NAD⁺ durch eine ADP-Ribosyltransferase
  • Beispiel: Histonmodifikation durch Poly-ADP-Ribosylierung
• Sumoylierung: Anhängen eines SUMO (Small Ubiquitin-like Modifier)-Proteins an Lysinreste (ähnlich wie bei der Ubiquitinierung)
  • Beispiel: Viele Regulatoren des Zellzyklus werden selber durch SUMOylierung reguliert
  • Gegenteil: DeSUMOylierung

Nicht alle Proteine erfüllen ihre Aufgabe im Zytosol: Viele Proteine müssen in andere zelluläre Kompartimente transportiert werden, z.B. in die Mitochondrien, den Zellkern oder die Zellmembran, oder werden sezerniert.

• Definition: Verteilung von Proteinen an ihre Bestimmungsorte während oder nach der Translation anhand von Signalsequenzen
• Mechanismen
  • Es gibt verschiedene Mechanismen, wie Proteine an ihren Zielort gelangen
  • Eine Signalsequenz am N-Terminus eines Proteins ist meist dafür zuständig, die richtigen zellulären Prozesse einzuleiten
    • Grundsätzlich unterscheidet man:
      • Proteinsynthese an freien Ribosomen: Zytosolische Proteine und Proteine, die für den Transport in die Mitochondrien, die Peroxisomen oder in den Zellkern vorgesehen sind
      • Proteinsynthese an Ribosomen des rauen ER: Proteine der Zellmembran, lysosomale und sekretorische Proteine werden am rauen ER synthetisiert (im Folgenden näher beschrieben)

Translokation von Ribosomen an das raue ER

Proteine, die die Zelle verlassen sollen (sekretorische Proteine, z.B. Fibronektin) sowie Membranproteine und lysosomale Proteine werden zuerst an freien Ribosomen des Zytosols synthetisiert. Ihre Synthese wird allerdings kurz nach Beginn angehalten und das Ribosom an die zytosolische Seite des rauen ERs gebracht. Hier wird die Proteinsynthese fortgesetzt und das Protein direkt in das Lumen des ERs hinein synthetisiert.

Mechanismus

1. Start der Translation an freien Ribosomen im Zytosol
2. Wird eine Signalsequenz (bestimmte Aminosäuresequenz von 9 bis 12 Aminosäuren) synthetisiert, wird diese vom sog. Signalerkennungspartikel (SRP, signal recognition particle, ein Ribonukleoprotein) gebunden .
3. SRP hält die Translation an und bringt das Ribosom mit der Peptidkette zur ER-Membran.
4. Die ER-Membran enthält den SRP-Rezeptor, an den SRP samt Ribosom und der beginnenden Peptidkette bindet.
5. SRP und der SRP-Rezeptor haben beide GTP gebunden, das sie dann zu GDP hydrolysieren → SRP wird freigesetzt und kann eine neue Signalsequenz binden.
6. Das Ribosom wird auf das sog. Translocon übertragen - ein die ER-Membran durchspannender Proteinkomplex, der sich daraufhin wie ein Kanal öffnet .
7. Die Translation wird fortgesetzt und das Protein wird direkt in das ER-Lumen hinein synthetisiert.
8. Noch während der Translation wird die Signalsequenz vom wachsenden Protein durch eine Signalpeptidase abgeschnitten.
9. Nach der Termination der Translation wird das Ribosom wieder ins Zytosol freigesetzt.
10. Der Kanal des Translocons schließt sich und das fertig synthetisierte Protein ist im ER.
    • Schon während der Translation hat sich das Protein zu seiner nativen Struktur gefaltet, u.a. mithilfe von Chaperonen (s.o.)

Weiterer Prozess

• Proteinmodifikation im ER
  • N-Glykosylierung
  • Bildung von Disulfidbrücken
• Verteilung der Proteine
  • Proteine für die Zellmembran werden direkt in die ER-Membran verankert.
    • Ablauf: Sie enthalten in ihrer Aminosäurensequenz meist hydrophobe Abschnitte, die in die ER-Membran integriert werden .
  • Lösliche Proteine für die Lysosomen oder solche, die über Exozytose die Zelle verlassen sollen, verbleiben nach Abschluss der Translation bis zum Weitertransport im ER-Lumen.
  • Durch Transportvesikel werden alle im ER neu synthetisierten Proteine über das Golgi-Netzwerk an ihr Bestimmungsziel gebracht.
  • Die lysosomalen Proteine erhalten einen Mannose-6-phosphat-Rest, der vom membranständigen Mannose-6-phosphat-Rezeptor im trans-Golgi-Netzwerk erkannt und gebunden wird und für den Transport dieser Proteine in Vesikeln zu den Lysosomen sorgt.
  • Lösliche Proteine der mitochondrialen Matrix oder inneren Mitochondrienmembran sind durch eine N-terminale Signalsequenz gekennzeichnet, die eine positiv geladene, amphipathische α-Helix bildet.
  • Lösliche Proteine, die im ER verbleiben sollen, sind durch die Signalsequenz KDEL (nach dem Einbuchstaben-Code steht die Sequenz für die Aminosäuren Lysin-Aspartat-Glutamat-Leucin) an ihrem C-Terminus gekennzeichnet.
  • Nur richtig gefaltete Proteine können das ER in Richtung ihres Bestimmungsortes verlassen.
    • Ansonsten werden sie von Chaperonen gebunden und zurück ins Zytosol geschleust, wo sie abgebaut werden.

Die Regulation der Genexpression auf Ebene der Translation ermöglicht eine schnellere zelluläre Antwort auf äußere Faktoren als die transkriptionalen Regulationsmechanismen. Die entsprechenden Mengen von Proteinen in einer Zelle können über eine Anpassung der Translationsrate reguliert werden, z.B. bei veränderter Nährstoffzufuhr, zellulärem Stress oder auch während der Differenzierung und Entwicklung.

• Hauptansatzpunkt: Initiationsphase der Translation (Regulation über die Initiationsfaktoren)
• Regulationsmechanismen
  • Verringerte Bildung des ternären Komplexes aus eIF-2, GTP und Start-tRNA durch Phosphorylierung des Initiationsfaktors eIF-2
    • Phosphoryliertes eIF-2 in GDP-gebundener Form kann nicht mehr von eIF-2B in die aktive GTP-gebundene Form überführt werden, sodass sich kein für die Initiation der Translation notwendiger ternärer Komplex mehr bilden kann und die Translationsrate reduziert wird
      • Beispiel: Synthese von Globin in Erythrozyten
        • Steht nicht genug Häm zur Verfügung, um es in ein Globinprotein einzubauen, wird die Synthese von Globin durch Phosphorylierung von eIF-2 gehemmt.
  • Regulation über den Cap-Erkennungsprozess durch eIF-4
    • Beispiel: Die Proteinkinase mTOR (mammalian Target of Rapamycin) steigert allgemein die Proteinbiosynthese als Antwort auf erhöhte Nährstoffverfügbarkeit (insb. Aminosäuren) und hat eine Schlüsselfunktion in der Regulation des Zellwachstums
      • mTOR phosphoryliert u.a. eIF-4E-bindende Proteine (4E-BPs), z.B. als Antwort auf Wachstumsfaktoren und Zytokine, und fördert dadurch die Initiation der Translation

Rapamycin
Rapamycin (auch Sirolimus genannt) ist ein Immunsuppressivum, das die Proteinkinase mTOR hemmt. Es inhibiert dadurch das Wachstum und die Differenzierung von Lymphozyten. Durch seine immunsuppressive Wirkung wird Rapamycin bei Organtransplantationen eingesetzt (v.a. bei Nierentransplantation). Da mTOR in viele Signalwege involviert ist, die mit dem Zellwachstum verbunden sind, wird der wachstumshemmende Effekt von Rapamycin auch anderweitig ausgenutzt: Bei koronarer Herzkrankheit werden häufig mit Rapamycin beschichtete Stents (sog. Drug-eluting-Stents) in die verengten Koronararterien eingesetzt, um das Risiko zu verringern, dass innerhalb des Stents rasch erneut eine Engstelle entsteht.

Grundlagen: Genetischer Code, RNAs und Ribosomen

Was bezeichnet man als genetischen Code und was bedeutet, dass er „degeneriert“ ist? Nenne ein Beispiel!

Wofür stehen die Begriffe Codon und Anticodon und wie wechselwirken diese Nukleotidsequenzen miteinander?

Welche Besonderheit gibt es bei der Kodierung von Selenocystein?

Wieso beginnt jedes Polypeptid mit Methionin und was passiert meist co-translational damit?

Was ist das sog. Wobble-Phänomen und welche Base verbindest du mit diesem Begriff?

Beschreibe den Reaktionsmechanismus bei der Beladung der tRNA!

Wie sind Ribosomen grundsätzlich aufgebaut und welche wichtigen Positionen kennst du?

Ablauf der Translation bei Eukaryoten

Die Translation läuft bekanntlich in drei Phasen ab: Initiation, Elongation und Termination. Wie funktioniert der eukaryotische Initiationsfaktor eIF-2?

Beschreibe das Prinzip der Elongation! Wie werden die einzelnen Aminosäuren miteinander verbunden?

Beschreibe den Ablauf der Translokation bei der Proteinsynthese!

Wie wird die Translation beendet?

Proteinfaltung und Fehlfaltung von Proteinen

Wozu dient das Hilfsprotein Protein-Disulfid-Isomerase im Rahmen der Proteinfaltung?

Wozu dienen die Chaperone im Rahmen der Proteinfaltung?

Proteinmodifikation

Manche Proteine werden modifiziert, indem Kohlenhydratgruppen (Oligosaccharide) kovalent an sie gebunden werden. Wie nennt man diese Proteine?

Welche Typen der Proteinglykosylierung kennst du? Wo finden diese statt?

Erkläre die Bedeutung der Proteinglykosylierung am Beispiel der N-Acetylneuraminsäure von Serumglykoproteinen!

Wie unterscheiden sich Glykosylierung und Glykierung voneinander? Nenne ein Beispiel für letztere!

Wozu dienen Lipidanker? Nenne ein exemplarisches Beispiel für die Anheftung eines Lipidankers!

Was versteht man unter reversibler Proteinmodifikation und wozu dient sie? Nenne ein Beispiel!

Proteinsortierung

Warum findet die Proteinsynthese einerseits an freien Ribosomen, andererseits aber auch an Ribosomen des rauen ER statt?

Beschreibe den Mechanismus der Translokation der Ribosomen an das raue ER bis zum Moment der Bindung des Ribosoms an das ER!

Wodurch können lysosomale Proteine erkannt und zum Lysosom transportiert werden?

Wodurch können lösliche Proteine, die im endoplasmatischen Retikulum ihren Zielort haben (und auch dort verbleiben sollen) erkannt werden?

Regulation der Translation

Durch welchen Regulationsmechanismus kann die Translationsrate mittels Phosphorylierung reduziert werden? Nenne ein Beispiel!

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.

In Kooperation mit Meditricks bieten wir durchdachte Merkhilfen an, mit denen du dir relevante Fakten optimal einprägen kannst. Dabei handelt es sich um animierte Videos und Erkundungsbilder, die auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend sind. Die Inhalte liegen meist in Lang- und Kurzfassung vor, enthalten Basis- sowie Expertenwissen und teilweise auch ein Quiz sowie eine Kurzwiederholung. Eine Übersicht aller Inhalte findest du im Kapitel „Meditricks“. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – für genauere Informationen empfehlen wir einen Besuch im Shop.

Translation

Translation: Initiation

Translation: Elongation und Termination

Proteinfaltung, Proteinmodifikation und Proteinsortierung

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