Translation ist der Prozess, bei dem der von der mRNA getragene genetische Code durch das Ribosom decodiert wird, um eine Polypeptidkette mit einer spezifischen Aminosäuresequenz zu synthetisieren. Es ist der letzte Schritt des zentralen Dogmas der Molekularbiologie.
Der genetische Code
Der genetische Code ordnet jedes Drei-Nukleotid-Codon einer von zwanzig Aminosäuren oder einem Stoppsignal zu. Von den 64 möglichen Codons spezifizieren 61 Aminosäuren und drei sind Stopp-Codons. Der Code ist degeneriert, die meisten Aminosäuren werden durch mehrere Codons kodiert, die typischerweise die ersten beiden Basen gemeinsam haben. Der Code wird ohne Überlappung oder Interpunktion in 5’-3’-Richtung gelesen. Die nahezu universelle Natur des genetischen Codes unterstützt die gemeinsame Abstammung allen Lebens, mit nur geringfügigen Abweichungen in Mitochondrien und einigen Protozoen.
Aminoacyl-tRNA-Synthese
Die Translation erfordert, dass jede Aminosäure an ihre entsprechende tRNA gebunden wird. 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’-Ende der tRNA übertragen. Es gibt mindestens eine Synthetase für jede Aminosäure, und jede Synthetase muss zwischen ihrer korrekten Aminosäure und ihren tRNA-Substraten unterscheiden. Korrekturlesemechanismen hydrolysieren falsch beladene tRNAs und erhalten so eine hohe Genauigkeit von etwa einem Fehler in 10.000.
Ribosomenstruktur
Das Ribosom ist ein großer Ribonukleoproteinkomplex aus zwei Untereinheiten. Die kleine Untereinheit bindet mRNA und enthält das Decodierungszentrum, wo die Codon-Anticodon-Paarung überwacht wird. Die große Untereinheit enthält das Peptidyltransferase-Zentrum, wo die Peptidbindungsbildung stattfindet, und den Austrittstunnel, durch den das naszierende Polypeptid austritt. Ribosomale RNA macht etwa zwei Drittel der Ribosomenmasse aus und ist sowohl für das Decodieren als auch für die Katalyse verantwortlich. Die 23S-rRNA der großen Untereinheit katalysiert die Peptidbindungsbildung, was das Ribosom zu einem Ribozym macht.
Translationsinitiation
Die Initiation etabliert den Leserahmen, indem sie das Ribosom am Startcodon positioniert, normalerweise AUG, das Methionin kodiert. In Bakterien paart die Shine-Dalgarno-Sequenz stromaufwärts des Startcodons mit der 16S-rRNA. Die Initiationsfaktoren IF1, IF2 und IF3 assemblieren die 30S-Untereinheit, mRNA und Initiator-tRNA, und die 50S-Untereinheit schließt sich nach GTP-Hydrolyse an.
Die eukaryotische Initiation ist komplexer. Der Cap-bindende Komplex eIF4F erkennt die 5’-Kappe, und die 40S-Untereinheit mit Initiator-Met-tRNA scannt die mRNA, bis sie das erste AUG in einem günstigen Kozak-Kontext erreicht. Über ein Dutzend Initiationsfaktoren koordinieren diesen Prozess, wobei eIF2-GTP die Initiator-tRNA liefert. Die Phosphorylierung von eIF2-alpha ist ein wichtiger Regulationsmechanismus, der die Translation während Stress global hemmt.
Elongation
Die Elongation erfolgt durch wiederholte Zyklen der Aminoacyl-tRNA-Bindung, Peptidbindungsbildung und Translokation. Der Elongationsfaktor EF-Tu in Bakterien oder eEF1A in Eukaryoten liefert die Aminoacyl-tRNA in GTP-abhängiger Weise an die A-Stelle. Korrekte Codon-Anticodon-Paarung löst die GTP-Hydrolyse und die Freisetzung des Faktors aus. Das Peptidyltransferase-Zentrum katalysiert die Übertragung der wachsenden Peptidkette von der P-Stellen-tRNA auf die Aminoacyl-tRNA in der A-Stelle. EF-G/eEF2 fördert die Translokation und bewegt das Ribosom drei Nukleotide entlang der mRNA.
Termination
Die Termination erfolgt, wenn ein Stopp-Codon in die A-Stelle gelangt. Freisetzungsfaktoren erkennen Stopp-Codons und lösen die Hydrolyse der Peptidyl-tRNA-Bindung aus. In Bakterien erkennt RF1 UAA und UAG, während RF2 UAA und UGA erkennt. Eukaryoten verwenden eRF1, das alle drei Stopp-Codons erkennt, im Komplex mit eRF3. Das Ribosom dissoziiert dann mit Hilfe von Ribosomen-Recycling-Faktoren.
Posttranslationale Ereignisse
Das neu synthetisierte Polypeptid durchläuft eine Faltung, die oft durch Chaperone unterstützt wird. Signalsequenzen steuern Proteine zu spezifischen zellulären Orten, einschließlich des endoplasmatischen Retikulums, der Mitochondrien oder des Zellkerns. Co-translationale Translokation liefert sekretierte und Membranproteine während ihrer Synthese an das ER. Zahlreiche Modifikationen können erfolgen, darunter proteolytische Spaltung, Phosphorylierung, Glykosylierung und Disulfidbrückenbildung, bevor das Protein seine endgültige funktionelle Form erreicht.
