Initiation bei E. coli |
Initiation bei Eukaryonten |
Elongation | Termination
Die Vorgänge bei der Translation werden in drei Phasen aufgeteilt: Initiation, Elongation und Termination.
Die Initiation ist bei Prokaryoten und Eukaryoten unterschiedlich:
Die kleine 30S Ribosomenuntereinheit muss sich an das zu translatierende mRNA-Molekül anlagern, und zwar nicht an einer beliebigen Position, sondern an einer spezifischen Stelle unmittelbar stromaufwärts (Richtung 5') vom Translationsstartcodon der mRNA. Der richtige Ort für die Anlagerung ist durch eine Nukleotidsequenz bestimmt, welche in E. coli folgendendermassen lautet:
Diese als Shine-Dalgarno-Sequenz (S/D-Sequenz) bekannte
Nukleotidfolge geht eine vorübergehende Basenpaarung mit einem
Teil des 16S rRNA ein und ermöglicht so der 30S Untereinheit, an
die mRNA zu binden.
Da die kleine Untereinheit einen viel grösseren Bereich abdeckt
als die Länge der Shine-Dalgarno-Sequenz, ist mit der
Identifikation der Ribosomenbindungsstelle auch gleich das Startcodon
AUG korrekt positioniert. Das Startcodon liegt nämlich
üblicherweise nur etwa 10 Nukleotide hinter der S/D-Sequenz. Das
AUG-Triplett ist das Translationsstartcodon der mRNA, d.h. es
markiert die Stelle, an der die Translation beginnen muss.
Prokaryoten können mehrere Proteine auf einer einzigen mRNA codieren und somit gleichzeitig verschiedene Proteine von derselben mRNA synthetisieren. Solche polycistronische mRNAs benötigen deshalb auch dementsprechend viele Shine-Dalgarno-Sequenzen (S/D) und ebensoviele Start- und Stop-Codons:
Der Translationsvorgang selbst beginnt, sobald eine Initiator-tRNA mit dem Start-Codon, das durch die 30S Untereinheit ausfindig gemacht wurde, eine Basenpaarung eingeht. Diese Initiator-tRNA ist bei Bakterien mit N-Formylmethionin (fMet) beladen:
Der Translationsvorgang selbst beginnt, sobald eine Initiator-tRNA mit dem Start-Codon, das durch die 30S Untereinheit ausfindig gemacht wurde, eine Basenpaarung eingeht. Diese Initiator-tRNA ist bei Bakterien mit N-Formylmethionin (fMet) beladen.
Den Komplex aus mRNA, 30S Untereinheit und Formylmethionin-tRNA nennt man Initiationskomplex, und seine Bildung markiert das Ende der Initiationsphase der Translation.
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Der wesentliche Unterschied zu Prokaryoten betrifft die Art, wie die kleine Untereinheit des Ribosoms (40S bei Eukaryoten) an die mRNA bindet und das AUG-Codon, an dem die Translation beginnen soll, ausfindig macht. Ausserdem sind für die Initiation mindestens elf Initiationsfaktoren erforderlich, im Gegensatz zu E. coli, wo drei solche Proteine ausreichen.
Bei Eukaryoten bindet einer dieser Initiationsfaktoren, das cap-bindende Protein eIF4E, an die 5'-Cap-Struktur der mRNA und fördert die Bildung eines Komplexes zwischen der mRNA und der 40S Untereinheit des Ribosoms. Die 40S Untereinheit hat bereits Initiator-Methionyl-tRNA gebunden. Die 40S Untereinheit wandert dann der mRNA entlang, bis sie ein Start-Codon erreicht. Dort wird die 60S Untereinheit des Ribosoms angefügt, und es resultiert ein 80S-Initiationskomplexes, der die Initiator-Met-tRNAMet sowie mRNA enthält und für die Elongation bereit ist.
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Beschreiben Sie, wie die 40S Untereinheit eines eukaryotischen Ribosoms ein Startcodon auf einem mRNA-Molekül findet. |
Die Elongation verläuft bei Prokaryoten und Eukaryoten gleich:
Sobald sich der Initiationskomplex gebildet hat, kann sich die grosse Untereinheit des Ribosoms anlagern. Es entstehen so zwei verschiedene abgegrenzte Bereiche, an denen tRNAs binden können: Die erste heisst Peptidyl- oder P-Stelle und ist im Augenblick von der Methionin-tRNA (bei Prokaryoten: Formyl-methionin-tRNA) besetzt, die noch mit dem Start-Codon basengepaart ist. Die Aminoacyl- oder A-Stelle liegt über dem zweiten Codon des Gens und ist zunächst unbesetzt.
Den Prozess der Polypeptidketten-Verlängerung (Elongation) kann man sich als zyklischen Vorgang mit drei klar voneinander unterscheidbaren Schritten betrachten:
1. Bindung einer neuen tRNA in Position A
Eine Aminoacyl-tRNA plus GTP wird an den Elongationsfaktor eEF1
(EF-Tu in E. coli) gebunden und dieser Komplex findet die leere
A-Stelle neben einer besetzten P-Stelle am Ribosom. Dort bildet das
Anticodon der tRNA Basenpaare mit drei Nukleotiden (Codon) der mRNA.
Das GTP-Molekül wird hydrolysiert und der Elongationsfaktor
entlassen.
2. Bildung der Peptidbindung
Im zweiten Schritt wird das Carboxy-Ende der Polypeptidkette von
dem an der P-Bindungsstelle liegenden tRNA-Molekül getrennt und
über eine Peptidbindung an die Aminosäure gebunden, die an
das tRNA-Molekül in der A-Stelle gebunden ist. Katalysiert wird
diese Reaktion von der Peptidyltransferase. Diese enzymatische
Aktivität wird durch eine Base der 28S rRNA in der grossen
Ribosomen-Untereinheit vermittelt.
3. Translokation und Freisetzung der tRNA
Im dritten Schritt wird schliesslich die neue Peptidyl-tRNA von
der A-Stelle in die P-Stelle verschoben. Dieser Schritt wird durch
den Elongationsfaktor eEF2 (EF-G in E. coli) und GTP katalysiert.
Dabei bewegt sich das Ribosom um genau drei Nukleotide auf der mRNA
weiter und das das GTP-Molekül wird hydrolysiert. Während
des Translokationsvorgangs löst sich das im zweiten Schritt an
der P-Stelle gebildete freie tRNA-Molekül vom Ribosom und kehrt
in den cytoplasmatischen tRNA-Vorrat zurück. Daher ist am Ende
des dritten Schritts die A-Stelle wieder frei und kann eine neue
Aminoacyl-tRNA aufnehmen. Damit beginnt der ganze Vorgang von neuem.
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Auch die Termination ist bei Prokaryoten und Eukaryoten im Wesentlichen gleich:
Sobald ein Stopcodon (UAA, UAG oder UGA) in die A-Stelle gelangt, kommt es zur Termination der Translation. Es gibt kein tRNA-Molekül, dessen Anticodon mit einem der Stop-Codons eine Basenpaarung eingehen könnte. Stattdessen besetzt einer von zwei Terminationsfaktoren (eRF1 oder eRF2, bei Eukaryoten) die A-Stelle des Ribosoms. Dabei erkennt eRF1 nur die Stop-Codons UAG und UAA, eRF2 dafür UGA und UAA. Ein dritter Terminationsfaktor (eRF3) erfüllt bei diesem Vorgang eine Hilfsfunktion. Die Bindung von eRF an die A-Stelle ändert die Aktivität der Peptidyltransferase so, dass diese ein Wassermolekül anstelle einer Aminosäure an die Peptidyl-tRNA anhängt. Dadurch wird das Carboxy-Ende der Polypeptidkette aus der Bindung an das tRNA-Molekül gelöst. Da normalerweise die wachsende Polypeptidkette ausschliesslich durch diese Bindung mit dem Ribosom verknüpt ist, wird die fertige Proteinkette ins Cytoplasma entlassen. Anschliessend setzt das Ribosom auch die mRNA und die tRNA der zuletzt eingebauten Aminosäure frei und zerfällt in seine beiden Untereinheiten.Diese können sich sogleich wieder an eine mRNA anlagern.
Schema zur Termination
Ein mRNA ist so gross, dass mehrere Ribosomen sie gleichzeitig übersetzen können. Solche Ribosomen-mRNA-Komplexe nennt man Polyribosomen oder auch Polysomen. Sie ermöglichen eine rasche und intensive Proteinsynthese. Polysomen können elektronenmikroskopisch sichtbar gemacht werden:
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