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Translation


Einführung



Die Translation, die Übersetzung der mRNA in eine Aminosäuresequenz, bildet nach der Transkription und Modifikation des Transkripts die letzte Stufe auf dem Weg der Expression eines Gens in ein Protein.

Wegen des Fehlens einer Kernmembran laufen bei Prokaryoten die Prozesse Transkription und Translation fast gleichzeitig ab: während ein Gen noch transkribiert wird, setzt an der dabei entstehenden mRNA schon die Translation ein.

Bei Eukaryoten laufen die Prozesse Transkription und Translation von einander getrennt ab: die Transkription findet im Kern, die Translation im Cytoplasma statt.

Während der Translation wird die Basensequenz einer mRNA nach den Regeln des genetischen Codes in eine Aminosäuresequenz übersetzt: jeweils drei aufeinanderfolgende Basen bestimmen, welche Aminosäure in die wachsende Polypeptidkette eingebaut wird. Dies geschieht unter Vermittlung von Transfer-RNAs, welche die nötigen Aminosäuren transportieren, und Ribosomen, den biochemischen Maschinen für die Translation.

Betrachten wir vorerst die für die Translation nötigen Komponenten (oder direkt zu Mechanismus der Translation):


Prokaryotische messenger RNA (mRNA)


Über die messenger RNA wurde bereits im Kapitel "Transkription" berichtet. Hier nochmals das Wichtigste in Kürze:

Prokaryotische Gene sind oft als Operons organisiert, was bedeutet, dass mehrere Gene auf einmal transkribiert werden können. Eine solche mRNA enthält deshalb auch mehr als eine kodierte Aminosäuresequenz, sie ist
polycistronisch:





Jeder Abschnitt besteht aus einer Ribosomenbindungsstelle (Shine-Dalgarno-Sequenz, S/D) und einem Start- und einem Stop-Codon (UAA, UAG oder UGA), welche den zu translatierenden Bereich begrenzen (ein Codon ist ein Basentriplett. Näheres dazu: siehe Kapitel "Der genetische Code").


Eukaryotische messenger RNA (mRNA)


Das primäre Transkript erhält durch Übertragung von GTP und Methylierung von Guanin in Position 7 eine Cap-Struktur am 5'-Ende und einen Poly-A-Schwanz am 3'-Ende. Die so modifizierte RNA nennt man hnRNA (heterogene nukleäre RNA) oder auch "pre-messenger-RNA". Diese Vorläufer-RNA reift im Kern durch Splicing zur eigentlichen mRNA, bei welcher die nicht-kodierenden Abschnitte (Introns) entfernt sind:




Die mRNA passiert die Kernporen und gelangt so ins Cytoplasma. Dort erfüllt sie ihren eigentlichen Zweck, sie wird übersetzt ("transliert"). Die mRNA ist nämlich Uebermittler (Bote) der genetischen Information zwischen Kern und Cytoplasma: sie dient als Matrize für die Übersetzung von Nukleotidsequenzen in Aminosäurensequenzen. Transliert wird aber nur derjenige Abschnitt der mRNA, welcher vom Startcodon AUG bis zu einem Stopcodon (UAA, UAG oder UGA) reicht.


Aminosäuren


Aminosäuren (AS) sind die Bausteine von Proteinen. Da 20 verschiedene AS in Proteine eingebaut werden, ist die Formenvielfalt und der Reichtum an funktionell unterschiedlichen Proteinen kaum zu ermessen.

AS enthalten eine saure Carboxy- (COOH) und eine basische Aminogruppe (NH2) am a -Kohlenstoff-Atom, welches ausserdem mit einem Wasserstoffatom (H) und einem von AS zu AS verschiedenen Rest (R) verknüpft ist. Das a -C-Atom ist also asymmetrisch substituiert. Von den beiden enantiomeren Formen weisen alle in Proteinen vorkommenden AS die gleiche Stereochemie auf. Sie weisen die S-Konfiguration auf und gehören somit zur sogenannten L-Reihe:




Die 20 AS unterscheiden sich einzig im Rest R, dessen Struktur, Grösse, elektrische Ladung und damit auch Wasserlöslichkeit variiert.

AS unterteilt man häufig nach den chemischen Eigenschaften der Seitenkette in fünf Hauptklassen: es gibt unpolare und aliphatische, aromatische, polar-ungeladene, polar-negativ geladene und polar-positiv geladene AS:

(Beispiele)
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Die 20 AS unterscheiden sich einzig im Rest R, dessen Struktur, Grösse, elektrische Ladung und damit auch Wasserlöslichkeit variiert.

AS unterteilt man häufig nach den chemischen Eigenschaften der Seitenkette in fünf Hauptklassen: es gibt unpolare und aliphatische, aromatische, polar-ungeladene, polar-negativ geladene und polar-positiv geladene AS:





Die meisten Bakterien können ihren Bedarf an AS durch Biosynthese decken. Für den Menschen sind fast die Hälfte der AS essentiell - er muss sie also mit der Nahrung aufnehmen. Es sind dies Valin, Leucin, Isoleucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Histidin und Arginin (Arg nur bei Kindern).


Transfer RNA (tRNA)


Die Aminosäuren, die bei der Translation gemäss dem genetischen Code an die wachsende Polypeptidkette angehängt werden, erkennen die Codons auf der mRNA nicht wie Enzyme ihre Substrate nach dem "Schlüssel-Schloss-Prinzip". Für die Vermittlung zwischen der mRNA mit ihren Codons und den dazu passenden Aminosäuren ist ein besonderer Adapter notwendig - die Transfer RNA oder tRNA.

Eine tRNA besteht aus einem linearen Strang aus 70 - 90 Nukleotiden und zeichnet sich durch ihre besondere Faltung aus, welche für ihre Aufgabe als Adapter von entscheidender Bedeutung ist: Vier kleinere Abschnitte bilden durch intramolekulare Basenpaarung eine Doppelhelixstruktur aus, so dass die tRNA eine Sekundärstruktur erhält, die einem "Kleeblatt" gleicht. Eine geringe Anzahl Basenwechselwirkungen formen die tRNA in ihre Tertiärstruktur. Sie erinnert an einen Haken oder ein "L":

(Abbildungen)
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Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle", VCH, 2. Auflage 1990, ISBN 3-527-27983-0
und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4


Sofort nach der Transkription wird die tRNA modifiziert: Sie erhält an ihrem 3'-Ende durch ein spezielles Enzym die Basenfolge CCA angehängt, und ungefähr 10% der Nukleotide werden chemisch verändert, zum Teil methyliert oder sulfatiert. (Aufstellung)
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Transfer RNA (tRNA)

Sofort nach der Transkription wird die tRNA modifiziert: Sie erhält an ihrem 3'-Ende durch ein spezielles Enzym die Basenfolge CCA angehängt, und ungefähr 10% der Nukleotide werden chemisch verändert, zum Teil methyliert oder sulfatiert, wie folgende (Aufstellung) zeigt:





Das eine Ende des "L" bildet das Anticodon, ein Basentriplett, das mit dem komplementären Triplett (dem Codon) einer mRNA basenpaart. Das andere Ende trägt die Bindungsstelle für eine Aminosäure. Enzyme, die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, koppeln am 3'-Ende der CAA-Sequenz die Carboxygruppe derjenigen Aminosäure, welche zum entsprechenden Anticodon gehört.

Dieser Vorgang, bei welchem tRNAs mit entsprechenden Aminosäuren beladen werden, nennt man Aminoacylierung. Die Reaktion verbraucht ATP und verläuft in zwei getrennten Schritten. Der erste führt zu einer aktivierten Aminosäurezwischenstufe, bei der die Carboxylgruppe mit AMP verknüpft ist. Dieses Zwischenprodukt ist sehr reaktionsfreudig und bleibt am Enzym gebunden, bis das AMP durch den zweiten Reaktionsschritt durch das tRNA-Molekül ersetzt wird, so dass eine Aminoacyl-tRNA und freies AMP entstehen:

Schema
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Schema zur Aminoacylierung
Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle", VCH, 2. Auflage 1990, ISBN 3-527-27983-0
und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4



Eine Zelle enthält 20 verschiedene Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, für jede Aminosäure eine. Das bedeutet, dass diese Enzyme sowohl die korrekte Aminosäure als auch die dazu passende(n) tRNA(s) erkennen müssen. Aminosäuren werden aufgrund ihrer charakteristischen Seitengruppe identifiziert, bestimmte Nukleotid-Sequenzen des Kleeblattes erlauben die Unterscheidung einzelner tRNAs.

Wieviele verschiedene tRNAs gibt es?
61 der 64 Codons codieren für Aminosäuren. Es wäre deshalb naheliegend, dass auch 61 Anticodons und damit 61 verschiedene tRNAs bei Translationen bereitstehen müssten. Dem ist aber nicht so. Interessanterweise genügen ungefähr die Hälfte tRNAs, um die 61 Codons zu entziffern! Der Grund ist darin zu suchen, dass nur die ersten beiden Basen des Anticodons eine genaue Basenpaarung verlangen, die dritte Base hingegen wegen ihrer besonderen sterischen Anordnung auch alternative Paarungen zulässt, also z.B. G mit U statt mit C, etc. Diese als Wobble-Basenpaarung bezeichnete Codon-Anticodon-Wechselwirkung erlaubt es, dass verschiedene Codons, die für dieselbe Aminosäure codieren und sich nur in ihrem dritten Nukleotid unterscheiden, oft durch dieselbe tRNA entziffert werden.

(Aufstellung)
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Aufstellung zur Wobble-Basenpaarung

Bildquelle: Brown, Terence A.: "Moderne Genetik - eine Einführung", Spektrum Akademischer Verlag 1993, ISBN 3-86025-180-5



Genaueres über diese Wobble-Hypothese,
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Die Wobble-Hypothese
Die kurze Doppelhelix, die sich durch Basenpaarung zwischen dem Codon und Anticodon ausbildet, besitzt nicht die exakte Konfiguration einer üblichen RNA-Helix, sondern ihre Dimensionen sind leicht verändert. Infolgedessen können sich an der Wobble-Position (zwischen dem ersten Nucleotid des Anticodons und dem dritten Nucleotid des Codons) unübliche Basenpaare ausbilden. Auf diese Weise kann sich ein einziges Anticodon mit mehr als einem Codon paaren, und eine tRNA kann mehr als ein Mitglied einer Codonfamilie entziffern. Allerdings sind die Regeln für die Basenpaarung an der Wobble-Position nicht vollkommen flexibel, sondern es sind nur wenige unübliche Basenpaare möglich. Am häufigsten sind folgende Kombinationen:

G-U-Basenpaare:



Inosin kann mit C, A und U Basenpaarungen eingehen
In einigen tRNAs handelt es sich beim Wobble-Nucleotid des Anticodons um Inosin (I), eine desaminierte Form von Guanin. Inosin kann nicht nur mit C eine Basenpaarung eingehen, sondern auch mit A und U:


aus: T. A. Brown: "Moderne Genetik - eine Einführung", Spektrum Akademischer Verlag 1993, ISBN 3-86025-180-5, p. 149-151


Durch das "Wobbeln" vermindert sich die Zahl der zur Entzifferung des genetischen Codes erforderlichen tRNAs. Allerdings bleiben die Regeln des genetischen Codes unangetastet, und die Polymerisation eines durch Translation synthetisierten Polypeptids erfolgt streng gemäss der Nucleotidsequenz der entsprechenden mRNA.

die 1966 erstmals von Francis Crick vorgeschlagen wurde.

Wenn z.B. 31 tRNAs 20 Aminosäuren binden, muss es zwangsläufig Aminosäuren geben, welche an mehr als ein tRNA-Molekül binden können. Zwei tRNAs, die dieselbe Aminosäure transportieren, nennt man Isoakzeptoren.

Kurzschreibweise:

Hinweis: Robert Holley gelang 1965 die Sequenzierung einer tRNA. Dafür erhielt er 1968 den Nobelpreis.

In den Mitochondrien des Menschen sind für die Proteinsysnthese lediglich 22 verschiedene tRNAs erforderlich. Wie ist das möglich?

Lösung
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Lösung zur Aufgabe

Die normalen Regeln für die Codon-Anticodon-Paarung werden bei den Mitochondrien etwas "nachlässiger gehandhabt", so dass viele tRNA-Moleküle alle vier Nucleotide in Position 3 akzeptieren. Dies gestattet einer tRNA, sich mit jedem der vier verschiedenen Codons zu paaren und erlaubt Proteinsynthese mit weniger tRNA-Molekülen.



Ribosomale RNA (rRNA)


Wie der Name vermuten lässt, sind ribosomale RNA-Moleküle Bestandteil der Ribosomen. Ribosomen sind Multienzymkomplexe aus RNA und vielen verschiedenen Proteinen. Jedes Ribosom besteht aus einer grossen und einer kleinen Untereinheit. Das Ribosom ermöglicht den engen Kontakt zwischen den Codons der mRNA und den Anticodons der tRNAs (für welche zwei Bindungsstellen am Ribosom existieren, eine P- und eine A-Bindungsstelle) und sorgt für die korrekte Position des Leserasters. Auf der grossen ribosomalen Untereinheit liegt das Peptidyltransferase-Zentrum, eine Stelle, welche die Bildung einer Peptidbindung zwischen der Carboxygruppe am Ende einer wachsenden Polypeptidkette und der freien Aminogruppe einer Aminosäure katalysiert.

Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle", VCH,
2. Auflage 1990, ISBN 3-527-27983-0
und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4
Räumliches Modell eines Bakterien-Ribosoms aus zwei verschiedenen Blickwinkeln

Früher glaubte man, dass nur Proteine die für katalytische Reaktionen notwendige komplexe räumliche Struktur ausbilden könnten. Seit der Entdeckung der selbst-spleissenden RNA weiss man aber, dass auch Nukleinsäuren katalytische Aktivitäten haben können. RNA-Moleküle, die katalytische Aktivität besitzen, nennt man Ribozyme. Heute wissen wir, dass das Peptidyltransferase-Zentrum aus katalytisch aktiver RNA besteht, d.h. die Bildung der Peptidbindung wird durch eine Base der 28S rRNA katalysiert.

Prokaryotische Ribosomen
Prokaryotische Ribosomen haben eine Molmasse von ungefähr 2 500 000 Dalton und eine Grösse von etwa 29 nm x 21 nm. Der Sedimentationskoeffizient beträgt 70S für das ganze Ribosom, 30S für die kleine und 50S für die grosse Untereinheit.

Eukaryotische Ribosomen
Eukaryotische Ribosomen haben eine Molmasse von ungefähr 4 200 000 Dalton und sind grösser (32 nm x 22 nm) als prokaryotische Ribosomen. Ihre grosse Untereinheit weist einen Sedimentationskoeffizienten von 60S auf, die kleine Untereinheit einen von 40S und das vollständige Ribosom einen von 80S.

Sedimentationsanalyse
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b]Sedimentationsanalyse

Ribosomen sind wie viele Makromoleküle und hochmolekulare Strukturen so gross, dass die Abschätzung ihrer Molmasse früher Schwierigkeiten bereitete. Deshalb bestimmte man die Grösse solcher Strukturen durch Analyse der Sedimentationsgeschwindigkeit. Mit dieser Methode ermittelt man die Geschwindigkeit, mit der ein Molekül oder ein Partikel durch eine dichte Lösung (oft Saccharose) sedimentiert, wenn es einer hohen Zentrifugalkraft (100 000 g oder mehr) ausgesetzt wird. Der Sedimentationskoeffizient wird mit einem S-Wert angegeben (S = Svedberg-Einheit, nach dem Schweden Svedberg, der Anfang der zwanziger Jahre des letzten Jahrhunderts die erste Ultrazentrifuge baute). Der S-Wert hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere von der Molmasse und von der Form des Makromoleküls.

Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle", VCH, 2. Auflage 1990, ISBN 3-527-27983-0
und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4




Die grosse Untereinheit prokaryotischer Ribosomen enthält 34 Proteine und 2 verschiedene rRNA-Moleküle: eine 5S-rRNA mit 120 Nukleotiden und eine 23S-rRNA (2904 Nukleotide lang). Die kleine Untereinheit birgt 21 Proteine und nur ein RNA-Molekül, die 16S-rRNA mit 1541 Nukleotiden (zum Vergleich: tRNA: 4S).

Die grosse Untereinheit eukaryotischer Ribosomen trägt gar 49 Proteine und 3 verschiedene rRNA-Moleküle: eine 5S-rRNA mit 120 Nukleotiden, eine 5,8S-rRNA (160 Nukleotide) und eine 28S-rRNA (4718 Nukleotide). Die kleine Untereinheit besteht aus 33 Proteinen und einer 18S-rRNA mit 1874 Nukleotiden.

Folgende Tabelle stellt die Zusammensetzung prokaryotischer Ribosomen derjenigen von Eukaryoten gegenüber:





Synthese und Zusammenbau der Ribosomen


Die verschieden grossen rRNA-Moleküle müssen in etwa gleicher Anzahl synthetisiert werden. Die Synthese gleicher Mengen aller rRNA-Moleküle lässt sich dadurch gewährleisten, dass ein vollständiger Satz rRNA-Moleküle zusammen in einer Einheit transcribiert wird. Das Primärtranskript ist deshalb eine lange RNA-Vorstufe, die Prä-rRNA, die, durch kurze Spacer getrennt, rRNAs enthält. Die Spacer der Prä-rRNA werden in einem nächsten Schritt entfernt, so dass die reifen rRNAs freigesetzt werden:





Ein schnell wachsender Prokaryot wie eine E. coli-Zelle, die 20 000 Ribosomen enthält, teilt sich etwa alle 20 Minuten. Deshalb muss sie alle 20 Minuten 20 000 neue Ribosomen herstellen, nämlich den gesamten Bestand für eine der beiden Tochterzellen. Das erfordert ein beträchtliches Ausmass an rRNA-Transkription, und zwar in einem solchen Umfang, dass eine einzige Transkriptionseinheit nicht in der Lage wäre, dem Bedarf gerecht zu werden. Tatächlich verfügt das E. coli-Chromosom über sieben Kopien der rRNA-Transkriptionseinheit.
Die Transkription der hintereinanderliegenden rRNA-Gene lässt sich auch im Elektronenmikroskop darstellen: Eine Transkriptionseinheit gleicht dabei einem Baum, dessen "Äste" (die Vorläufer-RNAs) rechtwinklig vom "Stamm" (der DNA) wegschauen:






Können Sie entscheiden, in welche Richtung (von rechts nach links oder umgekehrt) sich die Polymerase auf der DNA bewegt?

Lösung
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Die Spitze eines solchen "Baumes" markiert den Punkt auf der DNA, an dem die Transkription beginnt, denn dort sind die Transkripte am kürzesten. Die Polymerase auf dem EM-Bild transkribiert also von links nach rechts.


Bei Eukaryoten werden nur die 28S-, 18S- und die 5,8S-Gene zusammen transkribiert. Sie liegen beim Menschen in den Nucleolus-organisierenden Regionen der Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22.
Gene, die für die 5S-rRNA codieren, befinden sich auf anderen Chromosomen.

Sofort nach der Transkription binden ribosomale Proteine (welche im Cytoplasma synthetisiert und dann via Kernporen importiert wurden) an die rRNAs. Die beiden Untereinheiten eines Ribosoms werden so noch im Nucleolus Stück für Stück zusammengesetzt. Der letzte Schritt der Ribosomenreifung findet aber erst statt, wenn die Untereinheiten ihren Arbeitsplatz, das Cytoplasma, erreicht haben. (Schema
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Bildquelle: Alberts et al,: "Molekularbiologie der Zelle", VCH,
2. Auflage 1990, ISBN 3-527-27983-0
und 3. Auflage 1995, ISBN 3-527-30055-4
).

Eine höhere Eukaryotenzelle enthält bis zu 10 Millionen Ribosomen. Die Menge an rRNA, die für deren Synthese notwendig ist, stellen Eukaryoten durch zwei Strategien sicher: Erstens sind die rRNA-Transkriptionseinheiten in 50-5000-facher Ausführung als Gen-Kopien vorhanden. Zweitens wird jedes rRNA-Gen besonders intensiv transkribiert, indem auf eine Polymerase, welche den Promoter gerade verlassen hat, eine neue folgt und ein weiteres rRNA-Molekül synthetisiert wird.

Hinweis: 1966 konnte M. Bretcher zeigen, dass Ribosomen zwei Bindungsstellen für tRNAs aufweisen (A- und P-Stelle) und dass die Initiator-Methionyl-tRNA an die P-Stelle bindet. Sie finden dazu im Atelier am Geschichtsposten das Dokument "M. Bretcher, 1966".


Der genetische Code


In der Translation wird die Basensequenz der mRNA in die Aminosäurensequenz eines Proteins übersetzt: Immer drei aufeinanderfolgende Basen bilden ein Codewort. Der genetische Code ist also eine Schrift aus 4 "Buchstaben" (den vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil), mit denen "Wörter" aus 3 Buchstaben Länge gebildet werden können. Es sind somit 4 hoch 3 = 64 verschiedene Basentripletts oder Codons möglich (Achtung: in der Abbildung fehlt UGG=Tryptophan):





Erstellen Sie eine Liste der Codons, die in einem zufälligen Heteropolymer aus A- und G-Nukleotiden enthalten wären. Aus welchen Aminosäuren würde ein aus diesem Heteropolymer synthetisiertes Polypeptid bestehen?

Lösung
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Codons: AAA, AAG, AGA, GAA, AGG, GGA, GAG, GGG
Aminosäuren: Lys, Arg, Glu, Gly



61 der 64 Basentripletts codieren für die 20 Aminosäuren. Die drei verbleibenden Codons UAA, UAG und UGA sind sogenannte Stop- oder Terminationscodons. Es handelt sich dabei um Steuersignale, welche die Translation beenden. Natürlich existiert auch ein Start-Codon, welches die Translation einleitet: die Basenfolge AUG ist der Startpunkt. AUG codiert für die Aminosäure Methionin. Daraus ergeben sich folgende Konsequenzen:




Der genetische Code hat folgende Eigenschaften:

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