Ablauf der Translation: Initiation, Elongation, Termination
Wie Ribosomen eine mRNA in drei Phasen in ein Peptid übersetzen und wo translationshemmende Antibiotika eingreifen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Translation übersetzt am Ribosom die mRNA in eine Aminosäurekette und läuft in drei Phasen ab: Initiation, Elongation und Termination.
- Der 30S-Initiationskomplex von E. coli besteht aus 30S-Untereinheit, mRNA, fMet-tRNA und Initiationsfaktoren, enthält aber kein ATP. Die Initiator-tRNA sitzt anschließend in der P-Stelle.
- Bakterien starten mit N-Formylmethionin und finden das Startcodon über die Shine-Dalgarno-Sequenz, Eukaryoten starten mit Methionin und binden über die Cap-Struktur.
- Bei der Transpeptidierung wandert der Peptidylrest von der P-Stellen-tRNA auf die Aminoacyl-tRNA der A-Stelle. Die Bindung knüpft die Peptidyltransferase, ein Ribozym aus rRNA.
- An den Stopcodons UAA, UAG, UGA bindet statt einer tRNA ein Freisetzungsfaktor. Das Peptid wird freigesetzt, danach zerfällt das Ribosom in seine Untereinheiten.
- Streptomycin, Tetracycline, Chloramphenicol und Erythromycin hemmen die bakterielle Proteinsynthese am 70S-Ribosom, nicht die Zellwandsynthese oder die Transkription.
Worum es geht
Bei der Translation übersetzen Ribosomen die Basenfolge einer mRNA in die Aminosäurefolge eines Proteins. Der Ablauf gliedert sich in drei Phasen, die sich bei Bakterien und Menschen in wichtigen Details unterscheiden. Genau diese Unterschiede nutzen Antibiotika wie Tetracycline oder Erythromycin, um die Proteinsynthese der Bakterien selektiv zu blockieren.
Phasen im Überblick
Die Translation läuft in drei Phasen ab. Bei der Initiation baut sich am Startcodon ein funktionsfähiges Ribosom zusammen. In der Elongation wächst die Peptidkette Codon für Codon. Die Termination beendet die Synthese an einem Stopcodon und setzt das fertige Peptid frei.
Während der Elongation wandern die tRNAs durch drei Bindungsstellen des Ribosoms, die im Kapitel zum Translationsapparat eingeführt sind. Eine beladene tRNA tritt in die A-Stelle ein. Mit der wachsenden Kette rückt sie in die P-Stelle und verlässt das Ribosom entladen über die E-Stelle. Man kann sich das Ribosom wie einen Lesekopf vorstellen, der Triplett um Triplett über die mRNA rückt.
Jede Phase braucht eigene lösliche Proteinfaktoren: Initiationsfaktoren (IF), Elongationsfaktoren (EF) und Freisetzungsfaktoren (RF, von release factor). Die Energie für Bindung und Weiterrücken liefert vor allem GTP. Die vorgeschaltete Beladung der tRNA kostet zusätzlich ATP. Die Translation verbraucht also Energie und bildet selbst kein ATP.
Initiation
Die Initiation beginnt nicht mit einem fertigen Ribosom. Zuerst lagern sich die kleine Untereinheit, die mRNA und die beladene Initiator-tRNA am Startcodon zusammen. Erst danach kommt die große Untereinheit hinzu. Das Gebilde aus diesen Bausteinen heißt Initiationskomplex.
Den Zusammenbau steuern Initiationsfaktoren. Das sind lösliche Proteine, die nur vorübergehend binden. Es gibt sie bei Prokaryoten (IF1, IF2, IF3) und bei Eukaryoten (eIFs). Bei Escherichia coli läuft die Initiation so ab:
- Vorbereitung: IF1 und IF3 binden an die freie 30S-Untereinheit. IF3 verhindert, dass sie sich vorzeitig mit der 50S-Untereinheit verbindet.
- mRNA-Bindung: Die Shine-Dalgarno-Sequenz der mRNA paart mit der 16S-rRNA. Dadurch liegt das Startcodon AUG an der richtigen Position.
- Initiator-tRNA: IF2 mit gebundenem GTP bringt die fMet-tRNA an das Startcodon. Jetzt steht der 30S-Initiationskomplex.
- Komplettierung: Die 50S-Untereinheit lagert sich an. GTP wird hydrolysiert und die Faktoren lösen sich ab. Im 70S-Initiationskomplex sitzt die fMet-tRNA in der P-Stelle.
Der 30S-Initiationskomplex enthält also vier Komponenten: 30S-Untereinheit, mRNA, fMet-tRNA und Initiationsfaktoren. Diese Zusammensetzung wird im Examen gerne gefragt. Achte darauf, dass ATP nicht dazugehört und der Komplex aus der kleinen Untereinheit entsteht, nicht aus 70S-Ribosomen.
Spezielle tRNA, die das Startcodon AUG erkennt und als einzige direkt in die P-Stelle gelangt. Bei Bakterien trägt sie N-Formylmethionin (fMet), bei Eukaryoten Methionin.
Bei N-Formylmethionin trägt die Aminogruppe des Methionins eine Formylgruppe. Diese Gruppe hängt am Methionin der beladenen tRNA, das Startcodon der mRNA selbst ist unverändert. Weil die Aminogruppe blockiert ist, kann fMet nur am Kettenanfang stehen. An eukaryotischen 80S-Ribosomen kommt N-Formylmethionin nicht vor. Dort startet jede Synthese mit Methionin.
In allen Organismen beginnt die Translation an einem bestimmten Basentriplett, meist AUG. Wie das Ribosom dieses Startcodon findet, unterscheidet sich:
- 30S + 50S ergeben das 70S-Ribosom
- Start-Aminosäure: fMet
- Shine-Dalgarno-Sequenz wenige Basen vor dem AUG als Ribosomenbindestelle
- mehrere Startstellen auf einer mRNA möglich
- 40S + 60S ergeben das 80S-Ribosom
- Start-Aminosäure: Met
- kleine Untereinheit bindet an die Cap-Struktur am 5′-Ende
- sie wandert die mRNA entlang bis zum ersten passenden AUG
Der Promotor ist eine DNA-Sequenz, an der die RNA-Polymerase die Transkription startet. Er legt weder den Translationsstart fest noch codiert er die Ribosomenbindestelle, denn diese ist eine Sequenz der mRNA selbst.
Elongation
Nach der Initiation besetzt die Initiator-tRNA die P-Stelle, die A-Stelle ist frei. Nun verlängert ein Zyklus aus drei Schritten die Kette um jeweils eine Aminosäure:
- Decodierung: EF-Tu mit GTP bringt eine Aminoacyl-tRNA in die A-Stelle. Sie bleibt nur, wenn ihr Anticodon zum Codon passt.
- Transpeptidierung: Die Kette wechselt von der tRNA der P-Stelle auf die Aminoacyl-tRNA der A-Stelle. Dabei entsteht eine neue Peptidbindung.
- Translokation: EF-G mit GTP schiebt das Ribosom ein Codon weiter. Die tRNA mit der Kette rückt in die P-Stelle, die entladene tRNA in die E-Stelle.
Die Transpeptidierung ist der Kern der Elongation. Die Aminogruppe der Aminosäure in der A-Stelle greift die Esterbindung an, mit der die Kette an der P-Stellen-tRNA hängt. So wandert der gesamte Peptidylrest auf die neue tRNA:
\[\text{Peptidyl-tRNA}_P + \text{Aminoacyl-tRNA}_A \longrightarrow \text{tRNA}_P + \text{Peptidyl-aminoacyl-tRNA}_A\]
Im ersten Schritt gibt es noch keine Kette. Dann überträgt das Ribosom den Aminoacylrest der Start-Aminosäure auf die zweite tRNA, und es entsteht eine Dipeptidyl-tRNA. Die Richtung der Übertragung solltest du sicher können: Die Kette verlässt jedes Mal ihre alte tRNA und bleibt deshalb nicht an der Initiator-tRNA. Die neue Aminosäure dagegen bleibt an ihrer tRNA und wird nicht abgespalten. Die Kette wächst so vom N- zum C-Terminus.
Die Peptidbindung knüpft die Peptidyltransferase der großen Untereinheit. Ihr katalytisches Zentrum besteht aus rRNA, bei Bakterien aus der 23S-rRNA. Sie ist damit ein Ribozym, also eine katalytisch aktive RNA. Die Peptidyltransferase arbeitet ausschließlich bei der Translation und hat mit der DNA-Replikation nichts zu tun.
Termination
Die Elongation läuft, bis eines der drei Stopcodons in die A-Stelle gelangt: UAA, UAG oder UGA. Ein Stopcodon signalisiert das Ende der Translation. Für diese Tripletts gibt es keine tRNA mit komplementärem Anticodon. Das Ribosom erkennt sie also anders als alle übrigen Codons.
Stopcodons: UAA, UAG, UGA, also „U Are Away, U Are Gone, U Go Away“.
An das Stopcodon bindet ein Freisetzungsfaktor. Das ist ein Protein, dessen Form einer tRNA ähnelt. Bei Bakterien erkennt RF1 die Codons UAA und UAG, RF2 die Codons UAA und UGA. Bei Eukaryoten liest eRF1 alle drei. Ein weiterer Faktor mit GTP (RF3 bzw. eRF3) unterstützt den Vorgang.
Der gebundene Faktor verändert die Peptidyltransferase. Sie überträgt die Kette jetzt auf Wasser statt auf eine Aminosäure:
\[\text{Peptidyl-tRNA} + \ce{H2O} \longrightarrow \text{Peptid} + \text{tRNA}\]
Am Stopcodon wird also keine Aminosäure mehr angefügt. Die Hydrolyse löst die Esterbindung, und das fertige Peptid verlässt das Ribosom. Danach zerfällt das Ribosom in seine beiden Untereinheiten. Sie stehen für eine neue Runde der Initiation bereit.
Die Termination ist ein Examensklassiker: Ein Freisetzungsfaktor aus Protein bindet an das Stopcodon, erst dann wird das Peptid freigesetzt, und zuletzt dissoziiert das Ribosom. Achte darauf, dass keine tRNA das Stopcodon erkennt und keine Aminosäure mehr eingebaut wird.
Antibiotika als Translationshemmer
Bakterien translatieren an 70S-Ribosomen, menschliche Zellen im Cytoplasma an 80S-Ribosomen. Mehrere Antibiotika binden bevorzugt an das bakterielle Ribosom. Sie hemmen so die Proteinsynthese der Erreger, während die Translation der Wirtszellen weitgehend unbeeinträchtigt bleibt.
| Wirkstoffklasse | Beispiel | Angriffsort | Wirkung |
|---|---|---|---|
| Aminoglykoside | Streptomycin | 30S-Untereinheit | Fehlablesen der mRNA |
| Tetracycline | Oxytetracyclin | 30S-Untereinheit | blockieren die Bindung der Aminoacyl-tRNA an die A-Stelle |
| Amphenicole | Chloramphenicol | 50S-Untereinheit | hemmt die Peptidyltransferase |
| Makrolide | Erythromycin | 50S-Untereinheit | blockieren den Austrittstunnel und die Translokation |
| Oxazolidinone | Linezolid | 50S-Untereinheit | verhindern den 70S-Initiationskomplex |
Andere Antibiotika greifen an ganz anderen Stellen an. β-Lactame hemmen die Mureinbiosynthese der Zellwand, wie bei den β-Lactam-Antibiotika erklärt. Rifampicin hemmt die bakterielle RNA-Polymerase und damit die Transkription. Die Wirkstoffe der Tabelle treffen dagegen gezielt das Ribosom. Wie Bakterien gegen sie unempfindlich werden, behandelt die Einheit zur Antibiotikaresistenz.
Quiz
Aussage 1
Tetracycline wirken antibakteriell, indem sie die bakterielle RNA-Polymerase und damit die Transkription hemmen.
Tetracycline binden an die 30S-Untereinheit und blockieren die Bindung der Aminoacyl-tRNA an die A-Stelle. Die Transkription hemmt etwa Rifampicin.
Aussage 2
Die Peptidbindung am Ribosom wird von einem Protein-Enzym der großen Untereinheit geknüpft.
Die Peptidyltransferase-Aktivität liegt in der rRNA der großen Untereinheit, bei Bakterien in der 23S-rRNA. Sie ist ein Ribozym.
Aussage 3
Während der Elongation bleibt die wachsende Peptidkette an der Initiator-tRNA gebunden, und jede neue Aminosäure wird von ihrer tRNA abgespalten und angehängt.
Umgekehrt: Der Peptidylrest wird bei jedem Schritt auf die Aminoacyl-tRNA der A-Stelle übertragen. Die neue Aminosäure bleibt an ihrer tRNA.
Aussage 4
Die Shine-Dalgarno-Sequenz der bakteriellen mRNA paart mit der 16S-rRNA der kleinen Untereinheit und positioniert so das Startcodon.
Sie dient als Ribosomenbindestelle wenige Basen vor dem AUG.
Aussage 5
Erst nachdem das fertige Peptid freigesetzt ist, dissoziiert das Ribosom in seine beiden Untereinheiten.
Reihenfolge der Termination: Freisetzungsfaktor bindet am Stopcodon, Peptid wird hydrolytisch freigesetzt, dann zerfällt das Ribosom.
Aussage 6
Stopcodons werden durch Basenpaarung mit dem Anticodon einer speziellen Terminator-tRNA erkannt.
Für Stopcodons gibt es keine tRNA mit komplementärem Anticodon. Sie werden von Freisetzungsfaktoren aus Protein erkannt.
Aussage 7
Die Initiator-tRNA eukaryotischer Zellen ist mit Methionin und nicht mit N-Formylmethionin beladen.
An 80S-Ribosomen startet die Synthese mit Methionin. N-Formylmethionin ist auf Bakterien beschränkt.
Aussage 8
Der 30S-Initiationskomplex von Escherichia coli enthält neben mRNA und fMet-tRNA auch ATP als Energielieferanten.
Der Komplex besteht aus 30S-Untereinheit, mRNA, fMet-tRNA und Initiationsfaktoren. Die Energie liefert GTP an IF2, ATP gehört nicht dazu.
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