Ribosomen, die Proteinfabriken der Zelle

Proteine

Bausteine des Lebens

Bewegung, Stoffwechsel oder Fortpflanzung - nichts funktioniert ohne Eiweißmoleküle (Proteine). Ihre Formen und Funktionen sind so vielgestaltig, wie das Leben selbst.

Proteine bestehen aus einer linearen Kette von Aminosäuren, 20 verschiedene gibt es von diesen. Der sogenannte genetische Code, dessen Entschlüsselung in den letzten Jahren Schlagzeilen gemacht hat, bestimmt im wesentlichen nur die Reihenfolge, in der die Aminosäuren in einem spezifischem Protein auftreten. Jeder Aminosäure entsprechen drei Basen in der mRNA. Diese Basen-Tripletts, auch Codon genannt, werden aus dem limitierten Alphabet der mRNA von nur vier verschiedene Buchstaben (ACGU) gebildet. Die 43 verschiedenen Kombinationen stellen eine redundante oder degenierte Representation der Aminosäuresequenz dar: verschiedene Kombinationen kodieren dieselbe Aminosäure.
Um anhand der genetischen Information ein Protein zu komponieren, bedarf es der Mitarbeit einer Vielzahl verschiedener zellulärer Faktoren. Unter diesen Faktoren ist das Ribosom von herausragender Bedeutung, da die Interpretation des genetischen Codes und die Verknüpfung der Aminosäuren in dieser universelle Proteinfabrik vollzogen wird.

Es ist natürlich kein Problem ein Stück genetischen Codes zu nehmen, und die dazugehörige Aminosäurekette quasi maschinell zu erzeugen. Aber das Produkt wird in der Regel nur eine einfache Kette, ohne besondere Tertiärstruktur sein. Ein Protein kann seine Funktion aber nur erfüllen, wenn nicht nur die Sequenz sondern auch die 3-Dimensionale Struktur exakt stimmt. Kleine Fehler in der Struktur können zu fatalen Folgen für den Organismus führen, wie zum Beispiel im Falle der Prionen. Das Geheimnis ist also nicht nur die Sequenz sondern auch die Faltung der Proteine ...


Übersetzung

Die biologische oder natürliche Erzeugung von Proteinen anhand des genetischen Plans, ist ein komplexer Prozess, der aus einer Vielzahl einzelner Schritte besteht.

Ganz grob kann man die Protein-Biosynthese als eine bi-zyklischen Prozess auffassen. Im Detail wird zunächst ein Teil des genetischen Codes von der DNA auf die boten-RNA (messenger Ribonukleinsäuren, mRNA) kopiert, d.h. die Information der DNA somit 'überschrieben' (Transkription). Damit hat die Zelle eine portable Kopie eines Teils des genetischen Codes, der in der Regel ein einzelnes Protein codiert.

Die mRNA Stränge gelangen vom Zellkern ins Zytoplasma wo sie dann vom Ribosom ausgelesen und mit Hilfe von transfer-RNAs und dieversen Faktoren (s.u.) übersetzt wird (Translation). Dies geschieht meist gleichzeitig an mehreren Ribosomen, die diese Kette entlanglaufen.



Die verschiedenen Transfer-RNA unterscheiden sich durch ihre an einem Ende befindlichen Nukleotid-Tripletts (Anti-Codon)die den Kombinationen jeweils eines bestimmten Codons entsprechen. Die dem Codon nach dem genetischen zugeordnete Aminosäure wird am anderen Ende der tRNA geliefert.


Protein-Biosynthese

  • Initiation

Die mRNA wird in die kleine ribosomale Untereinheit eingefädelt, wobei verschiedene Initiationsfaktoren die korrekte Plazierung der mRNA sowie der ersten tRNA sicher stellen. Die tRNA Moleküle sind mit jeweils einer spezifischen Aminosäure beladen, sie sind also quasi die Stückgutfrachter der Protein-Biosynthese. Sobald der sogenannte 30S-Initiationskomplex zusammen gebaut ist, kann dieser mit der grossen ribosomalen Untereinheit assozieren und somit nunmehr ein vollständiges Ribosom darstellen.


Erst jetzt kommt die Protein-Biosynthese endlich in Fahrt. In der Folge liefern die tRNA Moleküle eine Aminosäure nach der anderen zum Ribosom, das diese Aminosäuren in der Peptidyl-Reaktion miteinander verknüpft. Dabei muss die mRNA nach jeder erfolgten Verlängerung der Peptidkette um genau ein Codon (also 3 Basen) verschoben werden.
Es gibt allerdings Ausnahmen von dieser Regel, die meist eine Folge der Tertiär-Struktur der mRNA sind. Bestimmte mRNA Sequenzen führen zu Schleifen oder Knoten innerhalb der mRNA, was eine nicht exakt lineare Verarbeitung des genetischen Codes zur Folge hat. Zum einen ist dies ein wichtiger Regelmechanismus der Protein-Biosynthese, zum anderen machen manche Viren sich dies zu Nutzen, um ihre eigene, dem Wirt fremde mRNA prozessieren zu lassen. Aber das ist eine ganz andere Geschichte ...

Die Verschiebung der mRNA geht einher mit einer Translokation der tRNA Moleküle innerhalb des Ribosoms. Dies bedarf der Hilfe der Elongations-Faktoren, wobei es immer noch strittig ist, ob die Elongations-Faktoren essentiell sind, oder nur beschleunigend wirken.

  • Termination

Am Ende der Protein-Biosynthese steht das Stop-Codon. Dies signalisiert dem Ribosom, dass die mRNA vollständig prozessiert wurde, und somit das Protein komplett ist. Verschiedene Release und Recycling Faktoren befreien das Ribosom von der PolyPeptidKette, der mRNA und der letzten tRNA. Danach können die beiden Untereinheiten wieder an dem Prozess teilnehmen ...

Die Übersicht als 1000pix
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Was passiert mit der Peptidkette während der Protein-Biosynthese und danach ??

Dem Ribosom wird zwar in gewissem Maße die Fähigkeit zugeschrieben, eine Faltung der Peptidkette induzieren zu können, aber in der Regel wird die lineare Kette durch Chaperons vom Ribosom aufgenommen und in die richtige 3-dimensionale Struktur gefaltet.

Natürlich schwirren in der Zelle eine Vielzahl von Proteasen herum, die mislungene oder defekte Proteine in ihre Bestandteile zerlegen. Für eine Protease ist eine lineare Peptidkette nichts anderes, als ein defektes Protein. Das Ribosom ist aber in der Lage die vorzeitige Verdauung der Peptidkette zu unterbinden: die Kette wird durch einen langen Tunnel innerhalb der großen ribosomalen Untereinheit hindurch gefädelt, und so vor Proteasen geschützt.

Der Tunnel ist gleichzeitig Angriffspunkt für eine wichtige Klasse von Antibiotika, den Makroliden . Diese Antibiotika blockieren den Durchgang durch diesen Tunnel, und unterbinden so die Protein-Biosynthese. Aufgrund der universellen Natur des Ribosoms, und der vielfältigen Angriffsflächen, gibt es eine Vielzahl verschiedener Antibiotika, die sich das Ribosom als Ziel gesucht haben. Aber das ist wieder eine ganz andere Geschichte ...

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