1.3 Translation 1.3.2   t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, Translation
An der Translation sind eine Unzahl an Enzymen, Proteinen, die Ribosomen, viele mit Aminosäuren beladene t-RNA-Moleküle und die mRNA beteiligt. Meist sind gleichzeitig mehrere Ribosomen aktiv. t-RNA t-RNA haben wird schon bei der Besprechung der RNA kennengelernt.   Sie fungieren als eine Art Übersetzermoleküle, da sie am einen Ende eine spezifische Aminosäure und am anderen ein Anticodon besitzen, das auf ein bestimmtes Codon passt. In der Zelle zirkulieren t-RNA-Moleküle für jede der 20 biologisch wichtigen Aminosäuren. Die Anticodon-Schleife dient zum Abtasten der mRNA. Die beiden anderen Schleifen besitzen Funktion bei der Anheftung im Ribosom. Sie werden im Cytoplasma durch die Aminoacyl-t-RNA-Synthase mit Aminosäuren beladen. (siehe oben)       Ribosomen Eine Zelle besitzt tausende von Ribosomen (E.Coli ca. 15000). Sie kommen in Eukaryonten frei oder gebunden an das ER oder die Kernmembran vor. Auch in Mitochondrien und Chloroplasten findet man sie, allerdings sind sie dort so klein, wie die Ribosomen der Bakterien. Sie bestehen aus 2/3 rRNA und 1/3 Protein (53 verschiedene bei Bakterien). Bei E.Coli machen die Ribosomen 25% der Masse der Zelle aus. Der typische Aufbau eines eukaryontischen Ribosoms ist links dargestellt. Dabei erkennt man eine große und eine kleine Untereinheit. In Bakterien sind die Ribosomen kleiner und leichter als in Eukaronten. Die Zusammensetzung der Ribosomen ist unten dargestellt. Prokaryonten 70S mit einer 50S und 30S Untereinheit  53 Proteine Eukaryonten 80S mit einer 60S und 40S Untereinheit  83 Proteine Links ist ein 3D-Modell eines E.Coli-Ribosoms abgebildet mit der kleinen (gelb) und der großen (blau) Untereinheit. Die m-RNA ist braun, die beiden t-RNA-Moleküle sind magenta und grün. Die große Untereinheit besitzt einen Tunnel für die Polypeptidkette. Die Ribosomen sind die "Maschinen", in denen die Proteine anhand der genetischen Information hergestellt werden. Die m-RNA liefert als eine Art "Lochstreifen" oder Programm die genetische Information dazu. In der elektronenmikros-kopischen Abbildung links sind Ribosomen an einem mRNA-Molekül aufgereiht. Im unteren Teil des Bildes sind die wachsenden Polypeptidketten zu sehen. Der Genetische Code Mit Hilfe der Ribosomen wird die "Sprache der Gene" in die "Sprache der Proteine" umgesetzt. Sprachen oder Schriften besitzen als Elemente Zeichen, Buchstaben und Sonderzeichen. Die deutsche Sprache besteht aus 26 Buchstaben, Umlaute nicht mitgerechnet. Die Maschinensprache der Computer besteht aus 2 Zeichen: 0 und 1. Bei beiden werden in Kombinationen der Zeichen, also Wörtern und Sätzen Information gespeichert. Die Proteinsprache besteht aus 22 Buchstaben, den Aminoäuren. In der Sequenz ist die Information zur spezifischen räumlichen Struktur enthalten, die dem Protein eine spezifische Funktion verleiht. Ursprünglich kannteman 20 Aminosäuren seit einigen Jahren kamen Selenocystein als 21. und Pyrrolysin als 22. Aminosäure dazu. Diese benutzen aber jeweils ein Stopcodon und einen besonderen Mechanismus für den Einbau in Proteine. Dazu später mehr. Die genetische Sprache besitzt 4 Buchstaben: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Was liegt also näher, als ebenfalls in der Kombination der Basen die genetische Information zu vermuten. Die Frage war in den 50er Jahren nur: Wie lange ist ein genetisches Wort und welche Basenkombination entspricht einer Aminosäure?

Mit einer Base könnte man maximal 4 Aminosäuren verschlüsseln, zu wenig. Die Kombination von 2 Basen ergibt 42 Möglichkeiten d.h. 16 Varianten, also immer noch zu wenig. Bei mindestens 3 Basen in Kombination hätte man die Möglichkeit, alle 20 Aminosäuren zu verschlüsseln, maximal 43 = 64 Kombinationsmöglichkeiten. Dies wurde zu Beginn der 60er Jahre von Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei (Nobelpreis 1968) getestet. Sie gaben in 20 Teströhrchen mit E.Coli-Zellfragmenten mit jeweils einer bestimmten Aminosäure eine Poly-U- RNA. In einem Reaktionsansatz entstand ein Polypeptid, das nur aus Phenylalanin bestand. Dabei fanden Sie, daß eine Kombination von 3 Basen, ein Triplett die Information für eine Aminosäure enthielt. Da an den Ribosomen die zur DNA komplementäre mRNA verwendet wird, ist das entsprechende Codogen in der DNA für Phe AAA, das Codon der mRNA UUU. Durch Testen mit verschiedensten RNA-Sequenzen wurden alle Codogene geklärt. Man fand 61 für Aminosäuren codierende Tripletts und 3 Terminator oder Stop-Codogene für die es keine Aminosäure gibt. Deshalb bricht hier die Proteinsynthese ab, man spricht auch von Nonsens-Codonen. Die mRNA-Sequenz ist: UAA, UAG und UGA. Da an den Ribosomen der genetische Code in Form der mRNA übersetzt wird, gibt man den genetischen Code als mRNA-Code in Form der Codone an. Eine tabellarische Zusammenstellung findet man unten. Z.B. bedeutet Isoleucin AUU, AUC oder AUA. Da für eine Aminosäure mehrere Codone zutreffen, nennt man den genetischen Code degeneriert. Diese Zuordnung der Aminosäuren hat man bei allen Lebewesen gefunden, deshalb bezeichnet man den genetischen Code als universell. Nur in den Mitochondrien und Chloroplasten bzw. den Archäbakterien trifft man auf teilweise andere Codierungen. Der Code ist auch überlappungsfrei, d.h. die Sequenz eines Gens wird nicht teilweise von einem anderen benützt. Neben der tabellarischen Form ist auch die "Codesonne" nach Bresch und Hausmann weit verbreitet. Klicken Sie rechts um dies zu sehen. Die Codone werden von innen nach außen gelesen. Ein Ausschnitt aus einem Gen könnte so aussehen: DNA, Codogener Strang TAC CTT AAG AGC GAG (3' <- 5') DNA, komplementärer Strang: ATG GAA TTC TCG CTC (5' -> 3') mRNA AUG GAA UUC UCG CUC (5' -> 3') Protein  Met - Glu - Phe - Ser - Leu COOH Wie sieht nun die tatsächliche Nukleotidsequenz eines Gens aus? Betrachten wir einmal das Gen für Oxytocin (9 Aminosäuren) beim Menschen. Doch welche Codone gelten nun? Für Glycin finden wir gleich 4 verschiedene. Das Oxytocin-Gen befindet sich auf Chromosom 20. Es umfasst 1338 Basenpaare und besitzt mehrere Introns und Exons. Aus der Gendatenbank entnehmen wir die nachfolgene Übersichtsdarstellung: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Cys Tyr Ile Gln Asn Cys Pro Leu Gly Proteinsequenz UGC UAC AUC CAG AAC UGC CCC CUG GGA mRNA TGC TAC ATC CAG AAC TGC CCC CTG GGA DNA Gencode ( komplementär) Nachfolgend das vollständige Gen in komplementärer Sequenz:   GGATCCTGCC AGAGCCTCCT CCCACCTGGA GGGGTCCCAG CGTCCACCTT CCCTGCCCCA 60   GCCCCCCTCC TCGAGGTACT GGGAGGCTGG ATAAAGTCTT CGGCTGGGCC ACACCCCACC 120   CCAAATTCTC CCTGTCCCAC CCTAGTGCCC AGGCCACCCC GGCCTGCTCC CTTCCGCAAG 180   GCACCTCACC TTCTGTGCCC AGACCATTAG CCAACGCGGT GACCTTGACC CCGGCCCAGG 240   CCCTGCTAAT GAAGAGGAAA GCCCGTACGC ACTCGGCCTG ACCCACGGCG ACCCTCTGTG 300   ACCAATCATA CTACCAACCT CTTAAACAGA GCTCCACCGA CGCAATGCCC AGGCATAAAA 360   AGGCCAGGCC GAGAGACCGC CACCAGTCAC GGACCCTGGA CCCAGCGCAC CCGCACCATG 420   GCCGGCCCCA GCCTCGCTTG CTGTCTGCTC GGCCTCCTGG CGCTGACCTC CGCCTGCTAC 480   ATCCAGAACT GCCCCCTGGG AGGCAAGAGG GCCGCGCCGG ACCTCGACGT GCGCAAGGTG 540   AGTCCCCAGC CCTGGTCCCG CGGCGCTCCG GGGAGGGAGG GACCCGCAGC CACAGGGGCG 600   CGCCCCGCTC CGGCCTCGCC TGAGAACTCC AGGAGCTGAG CGGATTTTGA CGCCCCGCCC 660   TTGACCGCGG TCGAGGCCCC CACGGCGCCC CAGCGTCTCA GCCCCGCTGT CCCCGCCCGA 720   ACTCCGAACC CCGGACCCCA GCATCCTTGC CCGGCGCACC CCGGCCGGCC TCGCAGGGTC 780   CTCCGAGCGA GTCCCCAGCG CCGCCCCGCG TCCCGCTCAC CCCGCCCGTC CCCCGAGTGC 840   CTCCCCTGCG GCCCCGGGGG CAAAGGCCGC TGCTTCGGGC CCAATATCTG CTGCGCGGAA 900   GAGCTGGGCT GCTTCGTGGG CACCGCCGAA GCGCTGCGCT GCCAGGAGGA GAACTACCTG 960   CCGTCGCCCT GCCAGTCCGG CCAGAAGGCG TGCGGGAGCG GGGGCCGCTG CGCCTTGGGC 1020   CTCTGCTGCA GCCCGGGTGA GCGGGGCAAG GCGCTCCGGG GCCAGGGGGA GGCGGGCGGG 1080   GGTGCGGCCG GGATTCCCCT GACTCCACCT CTTCCTCCAG ACGGCTGCCA CGCCGACCCT 1140   GCCTGCGACG CGGAAGCCAC CTTCTCCCAG CGCTGAAACT TGATGGCTCC GAACACCCTC 1200   GAAGCGCGCC ACTCGCTTCC CCCATAGCCA CCCCAGAAAT GGTGAAAATA AAATAAAGCA 1260   GGTTTTTCTC CTCTACCTTG ACTCGTGTCT AAGTGCCAGA AATGGGACGG GGAGGGGGCA 1320   TTGTGGGACT GGAAGATC 1338 Das Oxytocin-Gen ist fett-blau gekennzeichnet. EXONs sind magenta, INTRONs sind rot. Das Oxytocin-Bindungsprotein-Gen Neurophysin ist dunkelgrün. Andere Sequenzen sind schwarz gekennzeichnet. Offensichtlich ist bei Eukaryonten das genetische "Layout" weit komplexer als vermutet! Schon die Gene in verschiedenen Organen eines Individuums für den gleichen Stoff sind nicht identisch. (siehe unten am Beispiel der mRNA) Die Proteinsequenzen variieren in den verschiedenen Arten gemäß ihrer unterschiedlichen DNA-Sequenz. Dies soll am Beispiel der a-Kette des Hämoglobin-Gens gezeigt werden. Unten sind die ersten 15 Aminosäuren der a-Kette des Hämoglobins verschiedener Tierarten aufgelistet. Unterschiede in der a-Kette des Hämoglobins (Position 1-15; As=Kettenlänge) Unterschiede 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 As Karpfen 9 Ser Leu Ser Asp  Lys Asp Lys  Ala Ala Val Lys Gly Leu Trp  Ala 142 Viper 8 Val Leu  Ser Glu Asp Asp Lys Asn Arg Val Arg  Thr Ser  Val  Gly 141 Flamingo 6 Val Leu Ser  Ser  His Asp  Lys  Ser Asn  Val  Lys  Gly Leu Phe Gly 141 Pferd 2 Val Leu  Ser Ala Ala Asp  Lys  Thr Asn Val  Lys Ala  Ala  Trp  Ser 141 Gorilla 0 Val Leu Ser Pro Ala Asp Lys  Thr Asn  Val  Lys Ala Ala Trp Gly 141 Mensch, Schimpanse 0 Val Leu Ser Pro Ala Asp  Lys  Thr Asn Val Lys Ala  Ala Trp Gly 141 Die Unterschiede gehen auf ein anderes Codogen in der DNA zurück. Die Tabelle spiegelt auch die Verwandschaft der Arten wieder. Je näher sie verwandt sind, desto geringer die Unterschiede. Ablauf der Translation Die Translation ist der Prozess, bei dem die mRNA-Codonsequenz in Aminosäuresequenz übersetzt wird. Die mRNA enthält am Genanfang ein sogenanntes Starter-Codon und am Ende ein Stop-Codon.

Beide sind für den Beginn der Translation am Ribosom und die Beendigung notwendig. Grundsätzlich läuft die Translation so ab, daß die mRNA sich in das Ribosom einfädelt und mit Aminosäuren beladene t-RNAs mit ihrem Anticodon die mRNA Stück für Stück abtasten (siehe links). Dabei werden Peptidbindungen gebildet. Dies geht solange, bis das Protein fertig ist. Dieser Vorgang beginnt mit dem Starter-Codon und endet mit dem Terminator-Codon. Der gesamte Ablauf geschieht in 3 Phasen: Initiation Elongation und Terminierung. Für die Translation werden außerdem eine große Menge an Proteinen als Initiation- Elongations und Terminierungsfaktoren und GTP bzw. ATP benötigt. Initiation Zu Beginn der Translation bindet die kleine Untereinheit des Ribosoms an die mRNA. Nun bindet eine Initiator-t-RNA, die F-Met-tRNA ebenfalls an diese Stelle, an der sich das Starter-Codon (AUG) befindet. Zwischen dem Anticodon der t-RNA und dem Starter-Codon entsteht durch Wasserstoffbrücken Basenpaarung. Die Initiator-t-RNA besitzt als Aminosäure ein am Amninoende formyliertes Methionin. Dies sorgt dafür, daß die zu knüpfende Peptidbindung nur an der Carboxylgruppe geschehen kann.   Danach vervollständigt die große ribosomale Untereinheit den Iniatorkomplex, indem sie sich an die kleine Einheit anlagert. Die große Untereinheit besitzt 2 Bindungsstellen für t-RNAs: den A-Ort (A-Site = Eingang) und den P-Ort (P-Site = Ausgang). Elongation Nun wandert der Initiator-t-RNA-Komplex ein Codon weiter in den P-Ort. Der A-Ort wird frei für die nächste passende t-RNA, in diesem Fall die Pro-t-RNA mit dem entsprechenden Anticodon. Nach der Bindung an die m-RNA wird zwischen den Aminosäuren der beiden t-RNAs Methionin und Prolin eine Peptidbindung geknüpft. Die unbeladene FMet-t-RNA verläßt das Ribosom und die verbliebene t-RNA wandert in den P-Ort. Das Ribosom "rutscht" ein Codon weiter. Dieser Vorgang geht in 5´- 3´-Richtung weiter. Immer neue passende, beladene t-RNAs binden an den A-Ort, die Peptidbindung wird geknüpft, rutschen ein Codon weiter in den P-Ort usw. bis zum Stop-Codon. Die Basenpaarung des Anticodons der t-RNA mit dem Codon der mRNA und die Peptidbindung ist in der Abbildung rechts vergrößert zu sehen. Terminierung Am Terminator-Codon (UAA, UAG, oder UGA) bricht die Synthese wegen des Fehlens einer passenden t-RNA ab, die beiden Ribosomen-Untereinheiten fallen von der mRNA ab. Oft fädelt sich eine mRNA in mehrere Ribosomen hintereinander ein, sodaß fast parallel Polypeptidketten mit steigender Kettenlänge entstehen. Man nennt so aufgereihte Ribosomen Polysomen. Nach der Translation wird bei vielen Polypeptiden und Proteinen die Aminosäurekette modifiziert. Einige werden gespalten, andere mit Kohlenhydrate verbunden oder Aminosäuren phosphoryliert. Das Methionin in der ersten Polypeptidposition wird meist entfernt. Codierung von Selenocystein und Pyrrolysin in Proteinen Die Zellen aller Organismen können während der Translation eine 21. Aminosäure über einen: Selenocystein (Sec). Selenocystein, das die Funktionsfähigkeit vieler essentieller Enzyme wie Glutathion-Peroxidase oder Dejodase ermöglicht, ähnelt dem Cystein, enthält jedoch statt des Schwefels Selen. Man kennt inzwischen über 30 Enzyme, die Selenocystein enthalten. Eine Fehlfunktion wird mit Arteriosklerose und Krebs in Zusammenhang gebracht. Das Selenocystein entsteht erst nach der Bindung der Aminosäure Serin (Ser) an eine besondere Transfer-RNA Diese tRNA wird selenyliert, d.h. das Serin wird in Selenocystein umgebaut, wobei tRNASec entsteht. tRNASec paart mit dem Codon UGA, das normalerweise ein Stopcodon ist. Bildet die mRNA darüber hinaus jedoch eine Schlaufen-artige (sog. ´stem-loop´-Struktur) aus, so kann das Stoppsignal ignoriert werden und Sec wird eingebaut. Bei Bakterien findet sich eine solche ´Secis´ (´selenocysteine insertion sequence´) genannte Sequenz in unmittelbarer Nachbarschaft zum UGA Codon, bei Eukaryoten davon entfernt. Die gleichzeitige Anwesenheit von tRNASec und Secis wird durch einen spezifischen, GTP-abhängigen Translationsfaktor (SelB) erkannt, der die Neu-Interpretation des UGA-Codeworts und damit den Einbau von Sec ermöglicht. Im Enzym Methyltransferase (MtmB) methanproduzierender Archäbakterien hat man eine 22. Aminosäure, L-Pyrrolysin (Pyl) gefunden. Dies wird durch ein mitten im Gen liegendes Stopcodon der m-RNA des Enzyms UAG codiert. Die Translation stoppt dort nicht, stattdessen wird Pyrrolysin eingebaut. In der Nähe des Methyltransferase Gens wurde das PylT-Gen für eine spezielle tRNA(Pyl) mit CAU als Anticodon gefunden, die das UAG Codon erkennt. Ein benachbartes PylS Gen codiert für eine spezielle Pyrrolysyl-tRNA Synthetase, die die PylT-abgeleitete tRNA(Pyl) mit Pyrrolysin belädt. So entsteht die Pyrrolysyl-t-RNA. Hemmung der Aktivität: Die Translation kann durch verschiedene Stoffe, wie Antibiotikas gehemmt werden. Die Ribosomen der Prokaryonten, Mitochondrien und Chloroplasten z. B. mit: Chloramphenicol, die Ribosomen der Eukaryonten mit Cycloheximid. (siehe Antibiotika)   Signalhypothese Wie wir schon aus der Klasse 11 wissen, besitzt jedes Protein am Ende der Kette eine Signalsequenz. Damit wird der Membrantransport in die Zellorganellen gesteuert. Das Signalpeptid, das aus dem Ribosom austritt bindet an ein Signal-Erkennungs Partikel (SRP). Der SRP-Ribosomen Komplex dockt dann an den SRP-Rezeptor und den Proteinkanal (=Translocon) an. Das SRP dissoziert vom Rezeptor weg und die naszierende Polypeptidkette wird durch den Kanal z.B. ins ER-Lumen geschleust. Am Ende wird das Signalpeptid abgespalten. G. Blobel erhielt für die Erforschung dieses Sachverhalts 1999 den Nobelpreis.

Weiterführende Quellen: Realisierung der genet. Information http://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookPROTSYn.html Ribosomen und Translation http://ntri.tamuk.edu/cell/ribosomes.html http://cellbio.utmb.edu/cellbio/ribosome.htm Nobelpreis 1958 in Physiologie http://www.nobel.se/laureates/medicine-1958.html Genetischer Code http://psyche.uthct.edu/shaun/SBlack/geneticd.html Codon-Tafel der Species http://www.kazusa.or.jp/java/codon_table_java/ Selenocystein und Pyrrolysin http://www.biophys.uni-duesseldorf.de/~wilm/doc/ls_2003_01_secis_pp4.pdf Signalhypothese http://www.nobel.se/medicine/laureates/1999/illpres/index.html