Unter Translation versteht man den Prozess, bei dem der von der mRNA getragene genetische Code vom Ribosom entschlüsselt wird, um eine Polypeptidkette mit einer spezifischen Aminosäuresequenz zu synthetisieren. Es ist der letzte Schritt im zentralen Dogma der Molekularbiologie.
Der genetische Code
Der genetische Code ordnet jedes aus drei Nukleotiden bestehende Codon einer von zwanzig Aminosäuren oder einem Stoppsignal zu. Von den 64 möglichen Codons spezifizieren 61 Aminosäuren und drei sind Stoppcodons. Der Code ist degeneriert, wobei die meisten Aminosäuren durch mehrere Codons kodiert werden, die typischerweise die ersten beiden Basen gemeinsam haben. Der Code wird ohne Überlappung oder Interpunktion in der 5-Primär-zu-3-Primär-Richtung gelesen. Die nahezu universelle Natur des genetischen Codes stützt die gemeinsame Abstammung allen Lebens, wobei in Mitochondrien und einigen Protozoen nur geringfügige Abweichungen zu finden sind.
Aminoacyl-tRNA-Synthese
Die Übersetzung erfordert, dass jede Aminosäure an die entsprechende tRNA gebunden ist. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen katalysieren diese zweistufige Reaktion. Zunächst reagiert die Aminosäure mit ATP unter Bildung eines Aminoacyl-AMP-Zwischenprodukts. Zweitens wird die aktivierte Aminosäure auf das 3-Prime-Ende der tRNA übertragen. Für jede Aminosäure gibt es mindestens eine Synthetase, und jede Synthetase muss zwischen ihrer richtigen Aminosäure und den richtigen tRNA-Substraten unterscheiden. Editierungsmechanismen hydrolysieren falsch geladene tRNAs und sorgen so für eine hohe Genauigkeit von etwa einem Fehler von 10.000.
Ribosomenstruktur
Das Ribosom ist ein großer Ribonukleoproteinkomplex, der aus zwei Untereinheiten besteht. Die kleine Untereinheit bindet mRNA und stellt das Dekodierungszentrum bereit, in dem die Codon-Anticodon-Paarung überwacht wird. Die große Untereinheit enthält das Peptidyltransferase-Zentrum, in dem die Bildung von Peptidbindungen stattfindet, und den Ausgangstunnel, durch den das entstehende Polypeptid austritt. Ribosomale RNA macht etwa zwei Drittel der Ribosomenmasse aus und ist sowohl für die Dekodierung als auch für die Katalyse verantwortlich. Die 23S-rRNA der großen Untereinheit katalysiert die Bildung von Peptidbindungen und macht das Ribosom zu einem Ribozym.
Übersetzungsinitiierung
Durch die Initiierung wird der Leserahmen durch Positionierung des Ribosoms am Startcodon, normalerweise AUG, das für Methionin kodiert, festgelegt. Bei Bakterien paart sich die Shine-Dalgarno-Sequenz stromaufwärts des Startcodons mit der 16S-rRNA. Die Initiationsfaktoren IF1, IF2 und IF3 bauen die 30S-Untereinheit, die mRNA und die Initiator-fMet-tRNA zusammen, und die 50S-Untereinheit verbindet sich bei der GTP-Hydrolyse.
Die eukaryotische Initiation ist komplexer. Der Cap-Bindungskomplex eIF4F erkennt das 5-Prime-Cap und die 40S-Untereinheit mit Initiator-Met-tRNA scannt entlang der mRNA, bis sie in einem günstigen Kozak-Kontext das erste AUG erreicht. Über ein Dutzend Initiationsfaktoren koordinieren diesen Prozess, wobei eIF2-GTP die Initiator-tRNA liefert. Die Phosphorylierung von eIF2-alpha ist ein wichtiger Regulierungsmechanismus, der die Translation bei Stress global hemmt.
Dehnung
Die Verlängerung erfolgt durch wiederholte Zyklen der Aminoacyl-tRNA-Bindung, der Bildung von Peptidbindungen und der Translokation. Der Elongationsfaktor EF-Tu in Bakterien oder eEF1A in Eukaryoten liefert Aminoacyl-tRNA in GTP-abhängiger Weise an die A-Stelle. Eine korrekte Codon-Anticodon-Paarung löst die GTP-Hydrolyse und die Freisetzung des Faktors aus. Das Peptidyltransferasezentrum katalysiert die Übertragung der wachsenden Peptidkette von der tRNA der P-Stelle auf die Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle. EF-G/eEF2 fördert die Translokation, indem es das Ribosom um drei Nukleotide entlang der mRNA bewegt.
Kündigung
Die Termination erfolgt, wenn ein Stoppcodon in die A-Stelle eintritt. Freisetzungsfaktoren erkennen Stoppcodons und lösen die Hydrolyse der Peptidyl-tRNA-Bindung aus. Bei Bakterien erkennt RF1 UAA und UAG, während RF2 UAA und UGA erkennt. Eukaryoten verwenden eRF1, das alle drei Stoppcodons erkennt, im Komplex mit eRF3. Anschließend wird das Ribosom mithilfe von Ribosomen-Recyclingfaktoren zerlegt.
Posttranslationale Ereignisse
Das neu synthetisierte Polypeptid durchläuft eine Faltung, oft unterstützt durch Chaperone. Signalsequenzen richten Proteine an bestimmte zelluläre Orte, einschließlich des endoplasmatischen Retikulums, der Mitochondrien oder des Zellkerns. Durch die kotranslationale Translokation werden sezernierte Proteine und Membranproteine während ihrer Synthese in das ER transportiert. Bevor das Protein seine endgültige funktionelle Form erreicht, können zahlreiche Modifikationen auftreten, einschließlich proteolytischer Spaltung, Phosphorylierung, Glykosylierung und Bildung von Disulfidbindungen.
