Translation (Biologie)
Unter Translation versteht man in der Biologie den Vorgang, bei dem in der lebenden Zelle aus einer in einer Abfolge von RNA-Nukleotiden codierten Information, der so genannten mRNA, ein Protein hergestellt wird. Die Translation ist somit der letzte Schritt in einem Prozess, bei dem anhand des genetischen Codes aus Erbinformation ein Eiweißmolekül hergestellt wird (siehe Proteinbiosynthese). Dieser letzte Schritt geschieht in lebenden Zellen an besonderen Strukturen, den Ribosomen.
Ablauf
Die Information liegt dabei in Form einer Abfolge von Nukleotiden in einem mRNA-Molekül vor. Dieses wurde im Rahmen der Transkription aus der DNA erzeugt.
Alle Eiweiße, die durch den Translationsprozess hergestellt werden, sind Moleküle, die aus aneinander gekoppelten Aminosäuren bestehen. Die Reihenfolge dieser Aminosäuren im Eiweiß bestimmt die Struktur des Moleküls und damit seine Funktion. Bei der Translation wird nun die Reihenfolge der Nukleotide der mRNA in eine Reihenfolge von Aminosäuren „abgeschrieben“.
Je drei aneinanderfolgende Nukleotide (Codons, auch Basentripletts) entsprechen einer bestimmten Aminosäure (siehe: genetischer Code). Transporter-Moleküle, die tRNA-Moleküle, können an ihrem einen Ende eine bestimmte Aminosäure tragen, mit ihrem anderen Ende (dem sog. Anticodon) an jeweils eines der 61 verwendeten Codons andocken. Die tRNA-Moleküle werden von Aminoacyl-tRNA Synthetasen mit den zu ihnen passenden Aminosäuren beladen und docken FussballFussballFussballvFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussballFussball
Das Ribosom bringt die mRNA und ein frei herum schwimmendes tRNA-Molekül, das eine Aminosäure aufgenommen hat, so zusammen, dass sich an ein bestimmtes Codon auf der mRNA – quasi als passendes Gegenstück – ein komplementäres Anti-Codon der tRNA anlagert. Eine zweite tRNA, die ebenfalls eine Aminosäure trägt, setzt sich neben der ersten tRNA an die mRNA. Die beiden an den tRNA-Molekülen hängenden Aminosäuren werden mit einer Peptidbindung verknüpft, und die erste tRNA verlässt ohne Aminosäure das Ribosom. Die auf das nächste Codon passende tRNA lagert sich nun an die mRNA an. Ihre Aminosäure wird an die bereits bestehende Aminosäurekette geknüpft und erweitert so diese um ein neues Glied. Dieser Prozess setzt sich fort, so dass sich hinter diesem Punkt eine immer längere werdende Kette aus Aminosäuren bildet. Das Ribosom, das diesen Prozess katalysiert, wandert dabei immer um ein Codon auf der mRNA weiter, und zwar so lange, bis die Information der mRNA vollständig abgearbeitet ist. An dieser Stelle ist ein so genanntes Stopp-Codon in der mRNA eingearbeitet. An dieses kann keine der vorhandenen tRNA-Molekülarten andocken. Hinter der Stelle, an der die Verkettung stattfindet, ist nun wie gesagt eine lange Kette aus Aminosäuren – eine Polypeptidkette – entstanden.
Dieses neu gebildete Eiweiß löst sich nun endgültig vom Ribosom und faltet sich dann meistens so zusammen, dass eine komplexe räumliche Struktur entsteht (Sekundärstruktur und Tertiärstruktur). Eventuell verbindet es sich noch mit anderen Proteinen zu übergeordneten Quartärstrukturen.
Siehe auch: Proteomik
Die m-RNA wird mehrfach abgelesen und nach Beendigung wieder in (Ribo-)Nucleotide zerlegt.
Translation durch Membranen
Da die meisten Bakterien beziehungsweise Prokaryoten von mehreren stabilen Membranen umgeben sind, haben sich hier einige besondere Mechanismen entwickelt, um Proteine durch Membranen nach außen zu synthetisieren. Auch bei Eukaryoten kommen solche Mechanismen vor, da auch die Organellen von einer (Doppel)-Membran umgeben sind. Es gibt zwei Vorgehensweisen:
Bei diesem Verfahren wird das Protein in der Zelle vollständig zusammengebaut und durch Chaperone wird eine vorzeitige Auffaltung verhindert, wobei bei Bakterien durch einen eingebauten „Knick“ im Protein das Durchfädeln durch die Zellmembran erleichtert wird. Bei Eukaryoten konnte der posttranslationale Transport durch die ER-Membran bisher nur bei Hefen gezeigt werden.
Bei diesem Weg wird das Ribosom durch Signalproteine an die Zellmembran (vor allem des Endoplasmatischen Reticulums) gebracht. Das entstehende Protein wird dann durch einen speziellen Tunnel in den dahinterliegenden Bereich geschoben
Regulation
Unter Regulation der Translation versteht man verschiedene biochemische Mechanismen, die die Translation steuern. Jedes von der Zelle zum Überleben benötigte Protein ist in den Genen kodiert. Die benötigte Menge ist jedoch nicht direkt im Gen enthalten und auch abhängig von Umgebungsbedingen, Alter und Zellzyklus. Neben der Regulation der Translation hat die Zelle noch einige weitere Möglichkeiten die exprimierte Proteinmenge zu regulieren:
- Regulation der Transkription
Bei eukaryotischen Zellen noch zusätzlich:
- Regulation des Transportes der Messenger-RNA aus dem Zellkern
- alternatives Splicing
Die Translation wird ähnlich wie die Transkription reguliert: Ein Repressor bindet an den Translationsstartpunkt und blockiert so die Initiation dieses Prozesses. In einigen Fällen bezieht dies die Erkennung spezieller Strukturen an der mRNA ein.
Beispiel: Regulation der Translation ribosomaler Proteine
Die korrekte Expression ribosomaler Proteine stellt ein interessantes regulatorisches Problem für die Zelle dar. Jedes Ribosom enthält cirka 50 spezielle Proteine, die alle mit derselben Rate synthetisiert werden müssen. Des Weiteren sind die Syntheserate von Proteinen der Zelle und der Bedarf an Ribosomen eng mit dem Zellwachstum verbunden. Eine Veränderung der Wachstumsbedingungen führt schnell zu einem Anstieg oder Absinken der Syntheserate dieser ribosomalen Komponente. Dafür wird eine Regulation benötigt.
Die Kontrolle der ribosomal-Proteingene ist vereinfacht durch die Organisation in verschiedene Operons, die jeweils Gene für bis zu 11 ribosomale Proteine enthält.
Die primäre Kontrolle geschieht auf Ebene der Translation. Dies kann etwa durch das folgende Experiment nachgewiesen werden: Durch Einbringen zusätzlicher Kopien eines solchen Operons in das Erbgut einer Zelle steigert sich dementsprechend die Menge der durch Transkription erzeugten mRNA. Trotzdem bleibt die Syntheserate des Proteins nahezu unverändert. Die Zelle kompensiert also die erhöhte mRNA Menge. Dabei wirken ribosomale Proteine als Repressoren ihrer eigenen Translation.
Bei jedem Operon kann dabei ein schon synthetisiertes ribosomales Protein an die mRNA des Operons binden. Diese Bindungsstelle liegt in der Nähe eines der ersten Gene des Operons. Dadurch werden Ribosome daran gehindert an die mRNA zu binden und mit der Translation zu beginnen. Die Repression der Translation der ersten Gene verhindert also die Expression von einem Teil oder dem gesamten Rest der nachfolgenden Gene.
Dieser Mechanismus ist sehr empfindlich. Schon wenige nicht zur Bildung von Ribosomen verbrauchte Moleküle des Proteins L4 zum Beispiel verhindern bereits die Synthese dieses Proteins so wie die Synthese der anderen 10 ribosomalen Proteine im gleichen Operon. Dadurch wird also sichergestellt, dass die Proteine nicht in zu großen so Mengen erzeugt werden, dass nicht alles zur Bildung von Ribosomen verbraucht werden kann.
Wie ein Protein sowohl als ribosomale Komponente als auch als Regulator seiner eigenen Translation dienen kann konnte durch Vergleich der Bindungsstellen des Proteins an der rRNA mit den Bindungsstellen mit seiner eigenen mRNA erforscht werden. Diese Bindungsstellen ähneln sich in ihrer Sequenz und ihrer Sekundärstruktur. Da die Bindung der ribosomalen Proteine an die rRNA stärker ist als die an die mRNA, wird die Translation nur unterdrückt, wenn der Bedarf an Proteinen für die Produktion von Ribosomen gedeckt ist.