Proteinsynthese und -modifikation am rauen ER
Welche Proteine an den Ribosomen des rauen ER entstehen, wie sie cotranslational ins ER-Lumen gelangen und wie sie dort gefaltet und modifiziert werden.
Das Wichtigste in Kürze
- Das raue ER trägt membrangebundene Ribosomen und bildet Sekret-, Membran-, Transmembran- und Glykoproteine.
- Kernproteine und cytosolische Proteine entstehen an freien Ribosomen; Proteine vom rauen ER gelangen nie in Mitochondrien oder Plastiden.
- Beim cotranslationalen Import bindet das SRP das Signalpeptid, dockt am SRP-Rezeptor an und übergibt die Kette dem Translokon.
- Die Signalpeptidase im Lumen spaltet das Signalpeptid noch während der Translation ab.
- Im Lumen entstehen Disulfidbrücken und mannosereiche N-Glykosylierungen an Asparagin; das glatte ER glykosyliert nicht.
- Raues ER ist ausgeprägt in Pankreas-Acinuszellen, Plasmazellen und Hepatozyten.
Worum es geht
Ribosomen bilden Proteine an zwei Orten: frei im Cytosol und gebunden an die Membran des rauen ER. Welcher Ort genutzt wird, entscheidet das Ziel des Proteins. Das raue ER beliefert alle Proteine, die die Zelle verlassen oder in Membranen sitzen, etwa Insulin, Antikörper oder Rezeptoren.
Am rauen ER gebildete Proteine
Proteinbiosynthese findet an freien Ribosomen im Cytosol und an membrangebundenen Ribosomen des rauen ER statt (freie und membrangebundene Ribosomen). Die gebundenen Ribosomen geben dem rauen ER sein körniges Aussehen (Bau des ER). Sie bilden Proteine für den sekretorischen Weg und für Membranen.
- Sekretorische Proteine (Exportproteine)
- Membran- und Transmembranproteine
- Glykoproteine
- Proteine für Golgi-Apparat und Lysosomen
- Cytosolische Proteine
- Kernproteine, etwa Histone
- Importierte Proteine von Mitochondrien und Plastiden
Die Zuordnung folgt einer einfachen Logik. Was im ER-Lumen landet, bleibt im Endomembransystem und erreicht über Vesikel Golgi, Lysosomen, Plasmamembran oder den Außenraum. Mitochondrien und Plastiden gehören nicht dazu. Sie importieren ihre Proteine nach der Synthese an freien Ribosomen (Proteinimport der Organellen).
Wird im Examen gerne gefragt: Am rauen ER entstehen Sekret-, Membran-, Transmembran- und Glykoproteine. Achte darauf, dass Kernproteine und cytosolische Proteine dort nicht entstehen und dass Proteine vom rauen ER nie in Mitochondrien oder Plastiden gelangen.
Cotranslationaler Import
Jedes Protein beginnt seine Synthese an einem freien Ribosom. Erst ein Signal am wachsenden Kettenanfang lenkt das Ribosom ans ER. Dort läuft die Translation weiter, und die Kette wandert gleichzeitig durch die Membran.
Die Polypeptidkette wird schon während ihrer Synthese durch die ER-Membran ins Lumen geschleust. Ribosom und Membrankanal arbeiten dabei wie ein Gerät, das einen Faden direkt durch ein Nadelöhr spinnt.
- Signalpeptid: Am N-Terminus erscheint zuerst das Signalpeptid, eine kurze Folge überwiegend hydrophober Aminosäuren.
- SRP: Das SRP (signal recognition particle, ein Ribonucleoprotein) bindet Signalpeptid und Ribosom. Die Translation pausiert.
- SRP-Rezeptor: Der SRP-Rezeptor in der ER-Membran bindet den Komplex. Das Ribosom heftet sich an die cytosolische Seite der Membran, das SRP löst sich.
- Translokon: Das Translokon ist ein Proteinkanal (Translokationskomplex) in der ER-Membran. Die Translation läuft weiter, die Kette tritt ins Lumen.
- Abspaltung: Die Signalpeptidase auf der Lumenseite schneidet das Signalpeptid ab, noch während der Translation.
Ohne Signalpeptid bindet das Ribosom also gar nicht ans ER. Die Abspaltung übernimmt nicht das Proteasom, denn dieses baut im Cytosol fehlerhafte Proteine ab. Bei Membranproteinen bleiben hydrophobe Abschnitte im Translokon stecken und werden seitlich in die Lipidschicht entlassen.
Faltung und Modifikation im Lumen
Im ER-Lumen falten sich die neuen Ketten mithilfe von Chaperonen. Das Milieu ist oxidierend. Deshalb knüpft die Protein-Disulfid-Isomerase (PDI) hier Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten.
Gleichzeitig beginnt die N-Glykosylierung. Ein Enzym überträgt ein vorgefertigtes, mannosereiches Oligosaccharid auf einen Asparaginrest der Kette, die gerade durchs Translokon tritt. So erhalten auch lysosomale Proenzyme schon im ER ihre Mannosereste. Die Markierung mit Mannose-6-phosphat folgt erst im Golgi-Apparat (lysosomale Enzyme).
Das glatte ER kann Proteine nicht glykosylieren, denn ihm fehlen Ribosomen und Translokon. Es übernimmt andere Aufgaben wie Lipidsynthese (Funktionen des glatten ER). Die Zuckerketten werden später im Golgi-Apparat umgebaut. Weitere Modifikationen behandelt die Translation.
Zellen mit ausgeprägtem rauem ER
Je mehr Protein eine Zelle bildet und exportiert, desto mehr raues ER besitzt sie. Typische Beispiele:
- Acinuszellen des exokrinen Pankreas sezernieren Verdauungsenzyme (exokrines Pankreas).
- Plasmazellen geben große Mengen Antikörper ab (Plasmazellen).
- Hepatozyten bilden Plasmaproteine wie Albumin.
Der Weg der fertigen Proteine zur Zelloberfläche folgt über Vesikel und Golgi (Membranfluss).
Quiz
Aussage 1
Die Signalpeptidase entfernt das Signalpeptid auf der Lumenseite, während die Translation noch läuft.
Die Abspaltung erfolgt cotranslational durch die Signalpeptidase, nicht durch das Proteasom.
Aussage 2
Plasmazellen besitzen ein stark ausgeprägtes raues ER, weil sie große Mengen Antikörper sezernieren.
Zellen mit hoher Proteinexportleistung haben besonders viel raues ER.
Aussage 3
Das glatte ER überträgt mannosereiche Oligosaccharide auf Asparaginreste neu gebildeter Proteine.
Die N-Glykosylierung findet im rauen ER statt; das glatte ER ist nicht zur Glykosylierung von Proteinen befähigt.
Aussage 4
Histone werden als Kernproteine an den Ribosomen des rauen ER synthetisiert.
Kernproteine entstehen an freien Ribosomen im Cytosol und gelangen durch die Kernporen in den Kern.
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