Der grundlegende Plan der Proteinsynthese in Eukaryoten und Archaeen ähnelt dem in Bakterien. Die wichtigsten strukturellen und mechanistischen Themen wiederholen sich in allen Bereichen des Lebens. Allerdings umfasst die eukaryotische Proteinsynthese mehr Proteinkomponenten als die prokaryotische Proteinsynthese, und einige Schritte sind komplizierter. Einige bemerkenswerte Ähnlichkeiten und Unterschiede sind wie folgt:
Ribosomen. Eukaryotische Ribosomen sind größer. Sie bestehen aus einer großen 60S-Untereinheit und einer kleinen 40S-Untereinheit, die zusammen ein 80S-Partikel mit einer Masse von 4200 kd bilden, verglichen mit 2700 kd für das prokaryotische 70S-Ribosom. Die 40S-Untereinheit enthält eine 18S-RNA, die homolog zur prokaryotischen 16S-RNA ist. Die 60S-Untereinheit enthält drei RNAs: die 5S- und 28S-RNAs sind die Gegenstücke der prokaryotischen 5S- und 23S-Moleküle; ihre 5,8S-RNA ist einzigartig für Eukaryoten.
Initiator-tRNA. Bei Eukaryonten ist die initiierende Aminosäure Methionin und nicht N-Formylmethionin. Wie bei den Prokaryonten ist jedoch eine spezielle tRNA an der Initiation beteiligt. Diese Aminoacyl-tRNA wird Met-tRNAi oder Met-tRNAf genannt (das „i“ steht für Initiation, und das „f“ zeigt an, dass sie in vitro formyliert werden kann).
Initiation. Das Initiationscodon in Eukaryoten ist immer AUG. Im Gegensatz zu Prokaryonten verwenden Eukaryonten keine spezifische purinreiche Sequenz auf der 5′-Seite, um Initiator-AUGs von internen AUGs zu unterscheiden. Stattdessen wird normalerweise das AUG, das dem 5′-Ende der mRNA am nächsten liegt, als Startstelle ausgewählt. Ein 40S-Ribosom heftet sich an die Kappe am 5′-Ende der eukaryotischen mRNA (Abschnitt 28.3.1) und sucht nach einem AUG-Codon, indem es sich Schritt für Schritt in Richtung 3′ bewegt (Abbildung 29.33). Dieser Suchprozess in der eukaryotischen Proteinsynthese wird durch Helikasen angetrieben, die ATP hydrolysieren. Die Paarung des Anticodons der Met-tRNAi mit dem AUG-Codon der mRNA signalisiert, dass das Ziel gefunden wurde. In fast allen Fällen hat die eukaryotische mRNA nur eine Startstelle und ist daher die Vorlage für ein einziges Protein. Im Gegensatz dazu kann eine prokaryotische mRNA mehrere Shine-Dalgarno-Sequenzen und damit Startstellen aufweisen und als Vorlage für die Synthese mehrerer Proteine dienen. Eukaryonten verwenden viel mehr Initiationsfaktoren als Prokaryonten, und ihr Zusammenspiel ist viel komplizierter. Die Vorsilbe eIF steht für einen eukaryotischen Initiationsfaktor. Zum Beispiel ist eIF-4E ein Protein, das direkt an die 7-Methylguanosin-Kappe bindet (Abschnitt 28.3.1), während eIF-4A eine Helikase ist. Der Unterschied im Initiationsmechanismus zwischen Prokaryoten und Eukaryoten ist zum Teil eine Folge der unterschiedlichen RNA-Verarbeitung. Bei Prokaryonten steht das 5′-Ende der mRNA den Ribosomen unmittelbar nach der Transkription zur Verfügung. Im Gegensatz dazu muss die prä-mRNA in Eukaryonten verarbeitet und ins Zytoplasma transportiert werden, bevor die Translation eingeleitet wird. Daher gibt es reichlich Gelegenheit für die Bildung komplexer Sekundärstrukturen, die entfernt werden müssen, um Signale in der reifen mRNA freizulegen. Die 5′-Kappe bietet einen leicht erkennbaren Ausgangspunkt. Darüber hinaus bietet die Komplexität der eukaryotischen Translationsinitiation einen weiteren Mechanismus für die Genexpression, den wir in Kapitel 31 näher untersuchen werden.
Elongation und Terminierung. Die eukaryotischen Elongationsfaktoren EF1α und EF1βγ sind die Gegenstücke zu den prokaryotischen EF-Tu und EF-Ts. Die GTP-Form von EF1α liefert Aminoacyl-tRNA an die A-Stelle des Ribosoms, und EF1βγ katalysiert den Austausch von GTP gegen gebundenes GDP. Das eukaryotische EF2 vermittelt die GTP-gesteuerte Translokation in ähnlicher Weise wie das prokaryotische EF-G. Die Terminierung erfolgt bei Eukaryonten durch einen einzigen Freisetzungsfaktor, eRF1, im Vergleich zu zwei bei Prokaryonten. Schließlich verhindert eIF3, wie sein prokaryotisches Gegenstück IF3, die Reassoziation ribosomaler Untereinheiten in Abwesenheit eines Initiationskomplexes.
Abbildung 29.33
Eukaryotische Translationsinitiierung. In Eukaryoten beginnt die Translationsinitiation mit dem Aufbau eines Komplexes am 5′-Cap, der die 40S-Untereinheit und Met-tRNAi enthält. Angetrieben durch ATP-Hydrolyse, scannt dieser Komplex die mRNA bis zum ersten AUG (mehr…)
29.5.1. Viele Antibiotika wirken durch Hemmung der Proteinsynthese
Die Unterschiede zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Ribosomen können für die Entwicklung von Antibiotika ausgenutzt werden (Tabelle 29.4). Das Antibiotikum Puromycin beispielsweise hemmt die Proteinsynthese, indem es die Freisetzung von naszierenden prokaryotischen Polypeptidketten bewirkt, bevor deren Synthese abgeschlossen ist. Puromycin ist ein Analogon des terminalen Aminoacyl-Adenosin-Teils der Aminoacyl-tRNA (Abbildung 29.34).
Tabelle 29.4
Antibiotische Hemmstoffe der Proteinsynthese.
Abbildung 29.34
Antibiotische Wirkung von Puromycin. Puromycin ähnelt dem Aminoacyl-Terminus einer Aminoacyl-tRNA. Seine Aminogruppe verbindet sich mit der Carbonylgruppe der wachsenden Polypeptidkette und bildet ein Addukt, das sich vom Ribosom löst. Dieses Addukt ist stabil, weil (mehr…)
Es bindet an die A-Stelle des Ribosoms und hemmt den Eintritt der Aminoacyl-tRNA. Außerdem enthält Puromycin eine α-Aminogruppe. Diese Aminogruppe bildet, wie die Aminoacyl-tRNA, eine Peptidbindung mit der Carboxylgruppe der wachsenden Peptidkette. Das Produkt, ein Peptid mit einem kovalent gebundenen Puromycinrest an seinem Carboxylende, dissoziiert vom Ribosom.
Streptomycin, ein stark basisches Trisaccharid, stört die Bindung von Formylmethionyl-tRNA an Ribosomen und verhindert dadurch den korrekten Beginn der Proteinsynthese. Andere Aminoglykosid-Antibiotika wie Neomycin, Kanamycin und Gentamycin greifen in die Dekodierungsstelle ein, die sich in der Nähe des Nukleotids 1492 in der 16S rRNA der 30S-Untereinheit befindet (Abschnitt 29.3.9). Chloramphenicol wirkt durch Hemmung der Peptidyltransferase-Aktivität. Erythromycin bindet an die 50S-Untereinheit und blockiert die Translokation. Cyclohexamid schließlich blockiert die Peptidyltransferase-Aktivität in eukaryotischen Ribosomen und ist damit ein nützliches Laborinstrument zur Blockierung der Proteinsynthese in eukaryotischen Zellen.
29.5.2. Diphtherietoxin blockiert die Proteinsynthese in Eukaryoten durch Hemmung der Translokation
Diphtherie war eine der Haupttodesursachen im Kindesalter, bevor es eine wirksame Immunisierung gab. Die tödlichen Auswirkungen dieser Krankheit sind hauptsächlich auf ein Protein-Toxin zurückzuführen, das von Corynebacterium diphtheriae produziert wird, einem Bakterium, das in den oberen Atemwegen einer infizierten Person wächst. Das Gen, das für das Toxin kodiert, stammt von einem lysogenen Phagen, der von einigen Stämmen von C. diphtheriae beherbergt wird. Einige Mikrogramm Diphtherietoxin sind für eine nicht geimpfte Person in der Regel tödlich, da es die Proteinsynthese hemmt. Das Toxin wird kurz nach dem Eindringen in eine Zielzelle in ein 21-kd-A-Fragment und ein 40-kd-B-Fragment gespalten. Das A-Fragment des Toxins katalysiert die kovalente Modifikation eines wichtigen Bestandteils der Proteinsynthesemaschinerie, während das B-Fragment es dem A-Fragment ermöglicht, in das Zytosol der Zielzelle einzudringen.
Ein einziges A-Fragment des Toxins im Zytosol kann eine Zelle töten. Warum ist es so tödlich? Das Ziel des A-Fragments ist EF2, der Elongationsfaktor, der die Translokation in der eukaryontischen Proteinsynthese katalysiert. EF2 enthält Diphthamid, einen ungewöhnlichen Aminosäurerest mit unbekannter Funktion, der durch posttranslationale Modifikation von Histidin gebildet wird. Das A-Fragment katalysiert die Übertragung der Adenosindiphosphat-Riboseeinheit von NAD+ auf ein Stickstoffatom des Diphthamidrings (Abbildung 29.35). Diese ADP-Ribosylierung einer einzelnen Seitenkette von EF2 blockiert dessen Fähigkeit, die wachsende Polypeptidkette zu verlagern. Die Proteinsynthese wird eingestellt, was die bemerkenswerte Toxizität des Diphtherietoxins erklärt.
Abbildung 29.35
Blockierung der Translokation durch Diphtherietoxin. Diphtherietoxin blockiert die Proteinsynthese in Eukaryoten, indem es die Übertragung einer ADP-Ribose-Einheit von NAD+ auf Diphthamid, einen modifizierten Aminosäurerest im Elongationsfaktor 2 (Translokase), katalysiert. Diphthamid (mehr…)