Beladung und Funktion der tRNA in der Translation
Wie eine tRNA am 3’-CCA-Ende kovalent ihre Aminosäure bindet, welches Enzym die Beladung katalysiert und wozu die beladene tRNA in der Translation dient.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Aminoacyl-tRNA ist eine tRNA, die am endständigen Adenosin ihres 3’-Endes kovalent eine Aminosäure trägt.
- Alle tRNAs enden am 3’-Ende mit CCA. Die Aminosäure ist über eine Esterbindung an eine OH-Gruppe der Ribose des letzten Adenosins gebunden.
- Die Beladung katalysieren Aminoacyl-tRNA-Synthetasen im Cytoplasma in zwei Schritten über Aminoacyl-AMP unter ATP-Verbrauch.
- Jede Synthetase erkennt ihre Aminosäure und die passenden tRNAs. Sie synthetisiert keine tRNA und knüpft keine Peptidbindungen.
- Ein tRNA-Molekül trägt nur eine Aminosäure. Für eine Aminosäure kann es mehrere isoakzeptierende tRNAs geben.
- Die tRNA ist ein Adapter: Sie bringt Aminosäuren zum Ribosom, bindet dort nur vorübergehend und wird von tRNA-Genen codiert.
Worum es geht
Ein Ribosom kann nur Proteine bauen, wenn jede tRNA vorher die richtige Aminosäure trägt. Diese Beladung entscheidet darüber, ob der genetische Code korrekt in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Pharmazeutisch ist sie ein Angriffspunkt: Das Antibiotikum Mupirocin hemmt die bakterielle Isoleucyl-tRNA-Synthetase.
3’-CCA-Ende
Jede tRNA endet an ihrem 3’-Ende mit derselben Basenfolge: CCA. Diese drei Nucleotide ragen über den gepaarten Akzeptorstamm hinaus. An ihnen wird die tRNA mit ihrer Aminosäure beladen.
Im Kleeblattschema findest du die Bindestelle so: Suche den Stamm, in dem 5’- und 3’-Ende miteinander gepaart sind. Das 5’-Ende trägt eine Phosphatgruppe und schließt bündig ab. Das 3’-Ende ragt als einzelsträngiges Stück heraus. Am letzten Nucleotid, einem Adenosin, hängt die Aminosäure. Das Anticodon liegt am gegenüberliegenden Ende des Kleeblatts.
Da das CCA-Ende bei allen tRNAs gleich ist, enthält es keine Information über die Aminosäure. Man kann es sich wie einen genormten Haken vorstellen, an den jede Last passt. Welche Last eine tRNA bekommt, legt das Enzym fest, das sie belädt.
Die Aminosäure ist kovalent gebunden, und zwar über eine Esterbindung. Ihre Carboxylgruppe reagiert mit einer OH-Gruppe der Ribose des endständigen Adenosins. Die Abbildung zeigt den Ester an der 3’-OH-Gruppe. Die Aminogruppe der Aminosäure bleibt frei, denn sie wird erst am Ribosom für die Peptidbindung gebraucht. Zwischen tRNA und Aminosäure entsteht also ein Ester und keine Peptidbindung. Wasserstoffbrücken wären für diese Aufgabe viel zu schwach, und eine Disulfidbrücke setzt zwei Cysteine voraus. Mit dieser kovalenten Aminosäurebindung unterscheidet sich die tRNA von DNA und mRNA.
Eine Aminoacyl-tRNA ist eine beladene tRNA: Ihr endständiges Adenosin trägt über eine Esterbindung eine Aminosäure, etwa \(\text{Ala-tRNA}^{\text{Ala}}\). Nur in dieser Form wird die tRNA in der Translation eingesetzt.
Wird im Examen gerne gefragt: Die Aminosäure sitzt am 3’-Ende des Akzeptorstamms mit der Sequenz CCA und ist über eine Esterbindung an das endständige Adenosin geknüpft. Achte auf das richtige Ende und die Bindungsart. Das 5’-Ende trägt nur ein Phosphat, und die Bindestelle ist bei allen tRNAs identisch.
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen
Die Beladung läuft nicht von selbst ab. Sie wird von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen katalysiert. Das sind Proteinenzyme im Cytoplasma. Anders als die Peptidyltransferase des Ribosoms sind sie also keine Ribozyme. Die Reaktion verbraucht ATP:
\[\text{AS} + \text{tRNA} + \text{ATP} \rightarrow \text{AS-tRNA} + \text{AMP} + \text{PP}_i\]
- Aktivierung: Die Aminosäure reagiert mit ATP zu Aminoacyl-AMP. Dabei wird Pyrophosphat frei. Die Carboxylgruppe ist nun energiereich gebunden.
- Übertragung: Die Synthetase überträgt den Aminoacylrest auf eine OH-Gruppe des endständigen Adenosins der tRNA. AMP wird frei.
- Antrieb: Eine Pyrophosphatase spaltet Pyrophosphat in zwei Phosphat. Das macht die Gesamtreaktion praktisch irreversibel.
Jede Synthetase erkennt zwei Partner: ihre Aminosäure und die dazu passenden tRNAs. Bei der tRNA prüft sie unter anderem das Anticodon und Basen im Akzeptorstamm. In der Regel gibt es für jede der 20 proteinogenen Aminosäuren eine eigene Synthetase. Sie belädt alle tRNAs, die zu ihrer Aminosäure gehören.
Damit sind die Synthetasen die eigentlichen Übersetzer des Codes. Das Ribosom kontrolliert später nur noch die Codon-Anticodon-Paarung. Diese Paarung findet am Ribosom statt und wird von der Synthetase nicht katalysiert. Auch die Verknüpfung der Aminosäuren untereinander zu Peptiden übernimmt erst das Ribosom.
Trotz ihres Namens baut die Aminoacyl-tRNA-Synthetase keine tRNA aus Nucleotiden auf. Sie gehört zur Translation und verknüpft nur Aminosäure und fertige tRNA. Die tRNA selbst entsteht bei der Transkription, in Eukaryonten durch die RNA-Polymerase III.
Spezifität und Anzahl der tRNAs
Ein tRNA-Molekül trägt immer nur eine bestimmte Aminosäure. Eine Alanin-tRNA überträgt also stets Alanin. Für jede der 20 proteinogenen Aminosäuren gibt es mindestens eine tRNA-Spezies. Bei vielen Aminosäuren sind es mehrere.
Verschiedene tRNAs, die dieselbe Aminosäure tragen, heißen isoakzeptierende tRNAs. Sie unterscheiden sich meist im Anticodon und lesen so verschiedene Codons derselben Aminosäure. Der Grund ist die Degeneration des genetischen Codes. Leucin etwa wird von sechs Codons verschlüsselt.
Insgesamt bleibt die Zahl der tRNA-Spezies klein. Eine Zelle besitzt einige Dutzend davon, aber Tausende verschiedene Proteine. Das funktioniert, weil jede tRNA immer wieder beladen wird und in jedem beliebigen Protein eingesetzt werden kann.
Funktion in der Translation
In der Translation bringt die beladene tRNA ihre Aminosäure zum Ribosom. Dort paart ihr Anticodon mit dem passenden Codon der mRNA. So gelangt die richtige Aminosäure an die richtige Stelle der wachsenden Polypeptidkette. Aminoacyl-tRNAs arbeiten an den 80S-Ribosomen des eukaryontischen Cytoplasmas wie an bakteriellen 70S-Ribosomen. Den Ablauf am Ribosom erklärt die Translation.
Die tRNA wirkt dabei als Adapter. Die genetische Information bringt die mRNA aus dem Kern zum Ribosom. Die DNA-Sequenz legt die tRNA nicht fest, sie ist selbst ein Genprodukt.
| Merkmal | mRNA | rRNA | tRNA |
|---|---|---|---|
| Aufgabe | trägt die genetische Information zum Ribosom | Gerüst und katalytisches Zentrum des Ribosoms | bringt Aminosäuren zum Ribosom |
| Verhältnis zum Ribosom | wird abgelesen | ständiger Bestandteil | bindet nur vorübergehend |
| 3’-Ende bei Eukaryonten | Poly(A)-Schwanz | ohne Poly(A) | CCA, ohne Poly(A) |
Codiert werden tRNAs von eigenen tRNA-Genen. Bei Eukaryonten liegen die meisten davon im Zellkern. Mitochondrien besitzen aber eigene tRNA-Gene, sodass tRNA auch dort entsteht. Das Spleißen der prä-mRNA übernehmen snRNAs im Spleißosom, die tRNA ist daran unbeteiligt.
Quiz
Aussage 1
Die Aminosäure einer beladenen tRNA ist an deren 5’-Ende gebunden.
Die Aminosäure hängt am überstehenden 3’-Ende (CCA) des Akzeptorstamms. Das 5’-Ende trägt eine Phosphatgruppe.
Aussage 2
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen bauen tRNA-Moleküle aus Ribonucleotiden auf.
Sie verknüpfen nur eine Aminosäure mit einer fertigen tRNA. Die tRNA selbst entsteht bei der Transkription, in Eukaryonten durch die RNA-Polymerase III.
Aussage 3
In einer Aminoacyl-tRNA verbindet eine Esterbindung die Carboxylgruppe der Aminosäure mit einer OH-Gruppe der Ribose des endständigen Adenosins.
Die Aminosäure wird mit der Ribose des letzten Adenosins verestert. Ihre Aminogruppe bleibt für die spätere Peptidbindung frei.
Aussage 4
Eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase erkennt sowohl ihre Aminosäure als auch die dazu passenden tRNAs.
Die Synthetase prüft beide Partner, bei der tRNA unter anderem Anticodon und Basen im Akzeptorstamm. Deshalb gelten die Synthetasen als eigentliche Übersetzer des Codes.
Aussage 5
Die Basenfolge am 3’-Ende einer tRNA unterscheidet sich je nach Aminosäure, die sie trägt.
Alle tRNAs tragen am 3’-Ende dieselbe Sequenz CCA. Die Bindestelle ist also nicht aminosäurespezifisch.
Aussage 6
Für eine proteinogene Aminosäure können mehrere verschiedene tRNA-Spezies existieren.
Solche isoakzeptierenden tRNAs unterscheiden sich meist im Anticodon und lesen verschiedene Codons derselben Aminosäure.
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