Ablauf der Translation
Ich will hier nicht die Einzelschritte der Translation im Detail darstellen, sondern mehr auf das Grundprinzip eingehen. Wer an den Einzelschritten interessiert ist, schaut sich einfach mal die Weblinks rechts an.
Bei der Translation wird die Sprache der DNA in die Sprache der Proteine übersetzt.
Weblinks:
Translation in 13 Einzelschritten (englisch)
Translation (ZUM, Zentrale für Unterrichtsmedien)
Initiation - Start der Translation
Zu Beginn der Translation setzen sich die beiden Ribosomen-Untereinheiten an den Anfang der mRNA. Es entsteht so das funktionsfähige Ribosom. Eine spezielle MettRNA lagert sich mit ihrem Anticodon UAC an das Startcodon AUG. Methionin ist somit die erste Aminosäure eines jeden Peptids. Später, im Verlauf der Protein-Bearbeitung, kann die erste Aminosäure wieder abgespalten werden.
Elongation - Verlängerung der Peptidkette
Dazu schauen wir uns folgendes Bild an, welches ein Ribosom mitten während der Translation zeigt.
1 Elongation, Ser-tRNA in der A-Stelle
Das Ribosom besteht aus einer kleinen und einer großen Untereinheit. Die große Untereinheit besitzt zwei Bindungsstellen für tRNA-Moleküle, die P-Stelle und die A-Stelle. In unserem Bild befindet sich in der P-Stelle eine tRNA, die komplementär zum Codon CCU ist. Daher trägt die tRNA die Aminosäure Prolin. In der A-Stelle befindet sich eine tRNA, die komplementär zum Codon AGC ist. Dies ist die Serin-tRNA. Links im Bild sieht man, wie die Asparagin-tRNA das Ribosom gerade verlässt. Sie hat ihre Schuldigkeit getan, die Aminosäure Asparagin wurde bereits in das Peptid eingebaut. Als nächste tRNA muss die Cystein-tRNA eingebaut werden - aber so weit ist das Ribosom noch nicht.
Schauen wir uns nun das nächste Bild an.
2 Elongation, Cys-tRNA in der A-Stelle
Das Ribosom ist auf der mRNA ein Triplett weiter nach rechts gewandert. Daher befindet sich jetzt das Codon AGC in der P-Stelle und das nächste Codon UGC in der A-Stelle. Das fertige Peptid - im ersten Bild aus den beiden Aminosäuren Asparaginsäure und Prolin bestehend, wurde komplett auf die Aminosäure Serin übertragen, so dass das aktuelle Peptid jetzt die Aminosäuresequenz Asp-Pro-Ser hat. Man sieht gut, wie sich die Cystein-tRNA in der A-Stelle befindet.
Wie geht es weiter mit der Verlängerung der Peptidkette?
Im nächsten Schritt wird das Tripeptid Asp-Pro-Ser auf die Aminosäure Cystein übertragen, und die Cys-tRNA ist dann nicht mehr mit der Aminosäure Cystein verknüpft, sondern mit dem Tetrapeptid Asp-Pro-Ser-Cys. Dann "rutscht" das Ribosom ein Triplett weiter nach rechts, die unbeladene Ser-tRNA verlässt die P-Stelle und wird durch die vollbeladene Cys-tRNA mit dem Tetrapeptid ersetzt, und die nächste tRNA setzt sich in die frei gewordene A-Stelle.
Termination - das Ende der Translation
Wenn das Ende der mRNA erreicht ist, so befindet sich dort normalerweise ein Triplett, zu dem es keine passende tRNA mit einem Anticodon gibt. Ein solches Triplett wird auch als Stoppcodon bezeichnet. Die Translation kommt dann zu einem Ende. Das Protein verlässt das Ribosom und faltet sich zusammen. Die beiden Ribosomen-Untereinheiten fallen auseinander, und die mRNA liegt wieder in ihrer ursprünglichen Form vor.
Eine grundlegende Bemerkung zu den tRNAs
Schaut man sich das Bild 1 an, so könnte man leicht auf die Idee kommen, dass die Cys-tRNA nur darauf wartet, die A-Stelle zu besetzen. Hier sehen Sie noch einmal das fragliche Bild:
Die Cys-tRNA ist farblich hervorgehoben. Wie muss man sich diesen Vorgang nun genau vorstellen? Es gibt im Cytoplasma jede Menge verschiedener tRNAs; eigentlich müsste es für jedes denkbare Codon eine eigene tRNA geben, also 61 (64 minus die drei Stopp-Codons). In Wirklichkeit kommt die Zelle aber mit ca. 30 bis 40 tRNAs aus (siehe Wobble-Hypothese).
Translation bei Prokaryoten
Bei den Prokaryoten (Eubakterien, Cyanobakterien, Archaebakterien) kann man beoachten, dass die Translation schon beginnt, wenn die Transkription noch gar nicht abgeschlossen ist. Es gibt bei den Prokaryoten ja keinen Zellkern, der durch eine Kernmembran von dem Zellplasma abgetrennt ist. Wenn die mRNA entstanden ist, so können sich sofort die Ribosomen-Untereinheiten an die neue mRNA setzen und mit der Translation beginnen. Bereits 30 Sekunden nach Beginn der Transkription können in Prokaryoten-Zellen die ersten neusynthetisierten Peptide nachgewiesen werden (1). In der Regel setzt sich nicht nur ein Ribosom an die wachsende mRNA, sondern nacheinander kommen viele dazu. Es entstehen sogenannte Polysomen. Auf diese Weise können von einer mRNA gleichzeitig zehn, zwanzig oder mehr Proteinketten hergestellt werden.
Und nicht nur das. Man hat in EM-Aufnahmen gesehen, dass mehrere RNA-Polymerasen hintereinander auf der DNA entlang wandern. Von einem Gen oder eine Gruppe von Genen können also gleichzeitig mehrere mRNAs abgeschrieben werden. Und jede dieser mRNAs kann durch viele Ribosomen gleichzeitig besetzt sein. Den Bakterienzellen ist es also möglich, innerhalb kurzer Zeit extrem große Proteinmengen herzustellen. Dies ist eine Folge der kurzen Lebensdauer einer Bakterienzelle, die oft nur 30 Minuten beträgt.
Ebenfalls eine Folge dieser kurzen Lebensdauer ist die Tatsache, dass die meisten mRNA-Moleküle schon nach wenigen Minuten wieder abgebaut werden. Durch die hohe Peptid-Bildungsrate (Polysomen, mehrere RNA-Polymerasen gleichzeitig) einerseits und die hohe mRNA-Abbaurate andererseits ist eine sehr schnelle und vor allem flexible Anpassungsfähigkeit der Bakterienzelle an wechselnde Umweltbedingungen gegeben. Proteine, die nicht mehr benötigt werden, können schnell durch andere Proteine ersetzt werden, die unter den neuen Umweltbedingungen wichtiger sind.
Translation bei Eukaryoten
Im Prinzip verläuft die Translation bei Eukaryoten (Tiere, Pflanze, Pilze, Einzeller) ähnlich ab wie oben beschrieben. Allerdings entsteht die mRNA im Zellkern, während sich die Ribosomen im Zellplasma befinden, das durch die Kernmembran vom Zellkern abgetrennt ist. Die mRNA muss also erst durch die Kernporen in das Plasma transportiert werden.
Der zweite, fast noch wichtigere Unterschied zu den Prokaryoten ist die Tatsache, dass Eukaryotengene gestückelt sind. Sie enthalten codierende Bereiche und nichtcodierende Bereiche, Exons und Introns. Nur die Basen der Exons werden in Proteine übersetzt, die Basen der Introns galten lange Zeit als nutzlos. Bevor die mRNA den Zellkern verlässt, werden von besonderen Spleiß-Enzymen die "nutzlosen" Introns herausgeschnitten. Aus der prä-mRNA bildet sich die eigentliche mRNA.
Die Ribosomen von Eukaryoten sind größer als die von Prokaryoten, auch ihre chemische Zusammensetzung ist anders. Man kann also nicht sagen, dass die Eukaryoten-Ribosomen von den Prokaryoten-Ribosomen "abstammen" oder eng verwandt sind. Damit hätten wir einen weiteren Unterschied bei der Translation.
Ein vierter Unterschied schließlich besteht darin, dass bei den Prokaryoten die Produkte der Translation direkt in das Zellplasma entlassen werden. Bei den Eukaryoten werden die Translationsprodukte noch chemisch verändert. Diese Modifizierung geschieht im Endoplasmatischen Reticulum (ER). Die Ribosomen sitzen bei Eukaryoten direkt auf den Zisternen und Röhren des ER, und die Proteine gelangen durch einen kleinen Kanal direkt in das ER, wo sie dann chemisch verändert werden. Es können z.B. Peptid-Abschnitt aus dem Protein herausgeschnitten werden, Disulfid-Brücken werden geknüpft und so weiter.
