Translation (Biologie): Wie aus mRNA Proteine entstehen
Translation (Biologie): Anschaulich erklärt, wie mRNA in Ribosomen zu Proteinen wird – von tRNA‑Codons über Polypeptid‑Synthese bis zur Faltung und zellulärem Transport.
Die Translation ist der zweite Schritt der Proteinbiosynthese, also des zellulären Prozesses, mit dem aus genetischer Information Proteine entstehen. Sie ist ein zentraler Teil der Genexpression und übersetzt die Basensequenz einer Boten-RNA in die Aminosäuresequenz eines Polypeptids.
Bevor die Translation beginnen kann, müssen aus dem Gen verschiedene RNA‑Vorstufen entstehen und verarbeitet werden:
- Transkription: Die DNA wird in eine prä-mRNA (bei Eukaryonten) oder direkt in mRNA (bei Prokaryonten) abgeschrieben; die Prä-mRNA enthält sowohl Introns als auch Exons.
- RNA-Spleißen durch Spleißosomen: Die Introns werden entfernt und die Exons aneinandergereiht, so entsteht die reife mRNA.
- Bildung der Boten-RNA aus den Exons; diese mRNA trägt die kodierende Sequenz, die später in ein Polypeptid übersetzt wird.
Ablauf der Translation und Zelluläre Lokalisation
Bei Eukaryonten findet die Translation an den Ribosomen im Zytoplasma und an den Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums (rER) statt. Viele Ribosomen können gleichzeitig an einer mRNA arbeiten und bilden sogenannte Polysomen (Polyribosomen). Bei Bakterien hingegen läuft die Translation im Zytoplasma der Zelle ab und kann bereits während der Transkription beginnen, da Prokaryonten keinen Zellkern besitzen.
Ribosomen bestehen aus einer kleinen und einer großen Untereinheit, die die mRNA während der Translation umschließen. Die Untereinheiten sind bei Prokaryonten (70S‑Ribosomen: 30S + 50S) kleiner als bei Eukaryonten (80S‑Ribosomen: 40S + 60S). Die mRNA enthält die Basensequenz, die die Reihenfolge der Aminosäuren in einem spezifischen Polypeptid vorgibt; diese Sequenz wurde zuvor von der DNA abgeschrieben. Das entstehende Polypeptid kann ein funktionelles Protein sein oder als Untereinheit dienen, die mit anderen Polypeptiden ein funktionelles Protein bildet. Vor der Funktion müssen die Polypeptide oft korrekt gefaltet und post‑translational verändert werden.
Wichtige Moleküle und Mechanismen
Aminosäuren werden durch spezifische tRNAs zur Ribosomenstelle transportiert. Jede tRNA trägt an einem Ende eine bestimmte Aminosäure und besitzt ein Anticodon – eine drei Nukleotide lange Sequenz, die komplementär zu einem Codon der mRNA ist. Die Ladung der tRNA mit der richtigen Aminosäure erfolgt vor der Translation durch Enzyme, die sogenannten Aminoacyl‑tRNA‑Synthetasen; dieser Schritt verbraucht ATP.
Die Translation lässt sich in drei Hauptphasen einteilen:
- Initiation: Die kleinen und großen Ribosomenuntereinheiten sowie Initiationsfaktoren setzen sich an das 5'-Ende der mRNA bzw. an das Startcodon (bei Eukaryonten häufig das AUG im Kozak‑Motiv) und die Initiator‑tRNA (Met‑tRNAi) zusammen. Bei Prokaryonten erkennt die kleine Untereinheit die Shine‑Dalgarno‑Sequenz.
- Elongation: In zyklischen Schritten trifft eine passende Aminoacyl‑tRNA in das A‑(Aminoacyl‑)Bindungsfeld des Ribosoms, ihr Anticodon paart sich mit dem Codon der mRNA. Die Peptidyltransferase‑Aktivität der großen Untereinheit (ein ribosomales Riboenzym) katalysiert die Bildung einer Peptidbindung zwischen der wachsenden Peptidkette (an der P‑tRNA) und der neuen Aminosäure (an der A‑tRNA). Anschließend transloziert das Ribosom um drei Nukleotide weiter, die entladene (deacylierte) tRNA verlässt das Ribosom, die Peptidkette sitzt nun an der tRNA im P‑Feld.
- Termination: Treffen Ribosomen auf ein Stoppcodon (UAA, UAG oder UGA), gibt es keine passende tRNA; stattdessen binden Freisetzungsfaktoren, die Hydrolyse des peptidyl‑tRNA‑Bindungsestes fördern und so das fertige Polypeptid freisetzen. Danach trennen sich Ribosomenuntereinheiten und mRNA.
Wichtig sind außerdem:
- Der sogenannte Wobble‑Effekt: Das dritte Basenpaar eines Codons ist oft weniger strikt gepaart, wodurch einige tRNAs mehrere Codons erkennen können.
- Der Energiebedarf: GTP wird bei Initiation, Elongation und Translokation verbraucht (durch Elongationsfaktoren), ATP bei der Beladung der tRNA.
- Ribozyme: Die Peptidyltransferase‑Aktivität ist eine Funktion der rRNA der großen Untereinheit – das Ribosom ist somit ein Riboenzym.
Polysomen, ER‑Translation und Proteintransport
Viele Ribosomen können an einer mRNA parallel arbeiten und so in kurzer Zeit viele Kopien desselben Proteins herstellen (Polysom‑Bildung). Wird ein Protein für die Sekretion, für die Einbau in Membranen oder für Organellen des sekretorischen Wegs bestimmt, so enthält die entstehende Polypeptidkette eine Signalsequenz. Ribosomen, die solche Signalpeptide erkennen, werden an die Membran des rauen endoplasmatischen Retikulums gebunden. Dort werden die Proteine während der Synthese in das Lumen des ER oder in die ER‑Membran geschleust. Viele dieser Proteine gelangen später in ein Vesikel und werden so zu anderen Organellen oder zur Außenseite der Zelle transportiert.
Nach der Translation: Faltung und Modifikationen
Das frisch synthetisierte Polypeptid muss oft von Chaperonen unterstützt gefaltet werden, damit es die richtige räumliche Struktur erhält. Häufige post‑translationale Modifikationen sind Glycosylierung, Phosphorylierung, Proteolyse (z. B. Abspaltung von Signalsequenzen) oder Disulfidbrückenbildung. Solche Modifikationen sind wichtig für Stabilität, Aktivität, Lokalisation und Regulation des Proteins.
Zusammengefasst ist die Translation ein präzise gesteuerter, energieabhängiger Prozess, der mRNA‑Sequenzen in funktionsfähige Proteine übersetzt. Unterschiede zwischen Prokaryonten und Eukaryonten betreffen unter anderem den Ort, die Details der Initiation und die Ribosomengröße, die Grundprinzipien der Codon‑Erkennung und Peptidbindung sind jedoch universell.
Diagramm, das die Übersetzung der mRNA und die Synthese von Proteinen durch ein Ribosom zeigt
Vier Phasen
Die Übersetzung erfolgt in vier Phasen: Aktivierung (vorbereiten), Einleitung (Start), Verlängerung (verlängern) und Beendigung (Stopp). Diese Begriffe beschreiben das Wachstum der Aminosäurekette (Polypeptid).
- Aminosäuren werden zu Ribosomen gebracht und zu Proteinen zusammengesetzt. In der Aktivierungsphase wird die richtige Aminosäure kovalent an die richtige Transfer-RNA (tRNA) gebunden. Wenn die tRNA an eine Aminosäure gebunden ist, wird sie "geladen".
- Initiation ist die Verbindung des kleinen Teils des Ribosoms mit dem 5'-Ende der mRNA mit Hilfe von Initiationsfaktoren (IF).
- Dehnung ist, wenn die von den "geladenen" tRNAs mitgebrachten Aminosäuren miteinander verbunden werden, um ein Polypeptid zu bilden.
Einige Antibiotika wirken, indem sie eine Übersetzung verhindern. Prokaryotische Ribosomen unterscheiden sich von eukaryotischen Ribosomen. Daher können Antibiotika Bakterien abtöten, ohne den eukaryotischen Wirt zu verletzen. Zum Beispiel können Antibiotika, die von einem Menschen eingenommen werden, die Bakterien abtöten, die den Menschen krank machen, aber den Menschen nicht verletzen.
Überblick über die Translation der eukaryotischen Boten-RNA
Fragen und Antworten
F: Was ist Übersetzung?
A: Die Translation ist der zweite Teil der Proteinbiosynthese, d.h. des Prozesses der Herstellung von Proteinen. Sie ist Teil der Genexpression und beinhaltet die Bildung von Boten-RNA aus Exons und Introns.
F: Wo findet die Translation bei Eukaryonten statt?
A: In Eukaryonten findet die Translation auf Ribosomen im Zytoplasma und im endoplasmatischen Retikulum statt.
Q: Wie funktionieren tRNAs während der Translation?
A: Während der Translation verbinden sich tRNAs mit Anticodons mit den passenden Codons der mRNA und transportieren Aminosäuren. Wenn eine tRNA mit einer mRNA übereinstimmt, wird die Aminosäure, die mit ihr verbunden war, von der tRNA gelöst und mit der Aminosäure verbunden, die von der vorherigen tRNA gebracht wurde.
F: Wie funktioniert ein Ribosom bei der Übersetzung?
A: Ein Ribosom funktioniert während der Übersetzung wie ein Börsenticker und ein Tickerband. Viele Ribosomen heften sich zusammen mit der mRNA an die äußere Membran des rauen endoplasmatischen Retikulums, wo sie Proteine herstellen, die in Vesikel gelangen, die sie dann zu anderen Organellen oder außerhalb der Zelle bringen.
F: Was kommt vor der Transkription?
A: Vor der Transkription kommt die Genexpression, die eine Kette von Introns und Exons durch RNA-Spleißung durch Spleißosomen erzeugt, die Introns entfernen.
F: Was geschieht nach der Herstellung der Polypeptide während der Translation?
A: Nachdem Polypeptide während der Translation hergestellt wurden, müssen sie möglicherweise mit anderen Polypeptiden kombiniert werden, damit sie ganze Proteine bilden können, oder sie müssen gefaltet werden, bevor sie als Proteine funktionieren können.
F: Wo findet die Translation in Bakterien statt?
A:In Bakterien findet die Translation im Zytoplasma ihrer Zellen statt, da sie keinen Zellkern haben.
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