Co- und posttranslationale Proteinmodifikation
Wie eine frisch translatierte Polypeptidkette über Signalpeptid, Glykosylierung, Disulfidbrücken und Chaperone zum funktionsfähigen Protein reift und wie die Zelle sie über Ubiquitin und Proteasom wieder abbaut.
Das Wichtigste in Kürze
- Co- und posttranslationale Modifikationen machen aus der Polypeptidkette ein funktionsfähiges Protein, während oder nach der Translation.
- Proteine für ER und Golgi beginnen an freien Ribosomen mit einem Signalpeptid, das über das SRP ans ER lenkt; translatiert wird nicht im ER-Lumen.
- Die Glykosylierung an bestimmten Aminosäureresten erfolgt im ER-Lumen und in den Dictyosomen durch Glykosyltransferasen.
- Im oxidierenden ER-Lumen entstehen Disulfidbrücken; Chaperone unterstützen Faltung und Qualitätskontrolle.
- Ubiquitinylierung markiert Proteine für den Abbau im Proteasom.
Worum es geht
Ein Ribosom liefert zunächst nur eine Kette aus Aminosäuren. Funktionsfähig wird ein Protein erst durch Faltung, Zuckerreste, Disulfidbrücken und den richtigen Zielort. Auch Arzneistoffe setzen hier an, etwa der Proteasomhemmer Bortezomib.
Vom Polypeptid zum Protein
Wie die Kette selbst entsteht, beschreibt der Ablauf der Translation. Hier geht es um alles, was danach und nebenher passiert.
Cotranslationale Modifikationen laufen ab, während das Ribosom die Kette noch verlängert. Posttranslationale Modifikationen folgen erst nach Abschluss der Synthese. Die wichtigsten Orte sind das raue ER, der Golgi-Apparat und das Cytosol mit Chaperonen und Proteasomen.
Signalpeptid und ER
Bei Eukaryonten beginnt die Proteinbiosynthese meist an freien Ribosomen im Cytosol. Ist ein Protein für ER, Golgi-Apparat oder Sekretion bestimmt, entsteht zuerst sein Signalpeptid am N-Terminus. Das Signalerkennungspartikel (SRP) bindet es und lenkt das Ribosom zur ER-Membran. Dort dockt es an einen Translokationskanal an und synthetisiert weiter. Die wachsende Kette gelangt ins Lumen, die Signalpeptidase spaltet das Signalpeptid ab.
Die Translation selbst läuft also am Ribosom auf der cytosolischen Seite, nicht im ER-Lumen. Auch Proteine im Golgi-Lumen tragen ursprünglich ein Signalpeptid, denn sie erreichen den Golgi-Apparat aus dem ER per Vesikeltransport. Mehr dazu unter Proteinsynthese am rauen ER.
Glykosylierung und Disulfidbrücken
Bei der Glykosylierung knüpfen Enzyme Zuckerreste an bestimmte Aminosäurereste, etwa an Asparagin (N-glykosidisch) oder an Serin und Threonin (O-glykosidisch). Sie beginnt im ER-Lumen und wird in den Dictyosomen des Golgi-Apparats fortgesetzt und umgebaut. Die Enzyme sind Glykosyltransferasen. Anders als Nucleinsäuren entstehen Glykoproteine also ohne Polymerase und ohne Matrize. Oberflächenzucker bilden später die Glykocalyx.
Das ER-Lumen ist oxidierend. Deshalb entstehen dort Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten. Sie stabilisieren die Tertiärstruktur, etwa bei sezernierten Proteinen wie Insulin.
Faltung durch Chaperone
Eine frisch synthetisierte Kette legt hydrophobe Bereiche frei. Ohne Hilfe würden diese falsch verkleben und aggregieren.
Hilfsprotein, das neu synthetisierte Polypeptide bei der korrekten Faltung unterstützt und diese kontrolliert. Es ist nicht Bestandteil des fertigen Proteins.
Chaperone wie Hsp70 binden ungefaltete Abschnitte, oft unter ATP-Verbrauch. Im ER übernehmen sie zusätzlich die Qualitätskontrolle. Falsch gefaltete Proteine halten sie zurück, statt sie zum Golgi-Apparat weiterzuleiten.
Ubiquitin und Proteasom
Fehlgefaltete oder nicht mehr benötigte Proteine baut die Zelle gezielt ab. Als Etikett dient das kleine Protein Ubiquitin. Bei der Ubiquitinylierung aktiviert E1 das Ubiquitin unter ATP-Verbrauch. E2 übernimmt es, die Ligase E3 überträgt es auf das Zielprotein. So entsteht eine Polyubiquitinkette, das Abbausignal.
Das Proteasom ist ein tonnenförmiger Proteinkomplex, der Proteine abbaut. Beim 26S-Proteasom erkennen die 19S-Kappen die Kette. Im 20S-Kern wird das Protein zu kurzen Peptiden zerlegt, Ubiquitin wird recycelt. Bortezomib hemmt das Proteasom und wird beim multiplen Myelom eingesetzt.
Quiz
Aussage 1
Proteine für das raue ER werden von Ribosomen synthetisiert, die im Lumen des ER liegen.
Die Synthese beginnt an freien Ribosomen im Cytosol. Das Ribosom dockt über das SRP an die ER-Membran an und bleibt auf der cytosolischen Seite; nur die wachsende Kette gelangt ins Lumen.
Aussage 2
Die Glykosylierung von Proteinen beginnt im ER-Lumen und wird im Golgi-Apparat fortgesetzt.
Glykosyltransferasen knüpfen Zucker zunächst im ER-Lumen an, in den Dictyosomen werden die Ketten erweitert und umgebaut.
Aussage 3
Eine Polyubiquitinkette markiert ein Protein für den Abbau im Proteasom.
E1, E2 und E3 hängen Ubiquitin an das Zielprotein; das 26S-Proteasom erkennt die Kette und zerlegt das Protein zu Peptiden.
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