Proteinsynthese und -modifikation
Proteinsynthese und -modifikation ist der zelluläre Signalweg, der die von der Boten-RNA getragenen genetischen Informationen in funktionelle Proteine umwandelt. Er umfasst die Translation der mRNA an Ribosomen, die Faltung des entstehenden Polypeptids in seine dreidimensionale Form (oft unterstützt durch molekulare Chaperone), die kovalenten chemischen Veränderungen, die die Proteinfunktion nach der Synthese diversifizieren, und die Qualitätskontrollsysteme, die entscheiden, ob ein Protein erhalten oder abgebaut wird. Zusammen bestimmen diese Schritte, wie viel von jedem Protein eine Zelle herstellt und welche Form es annimmt.
Definition
Proteinsynthese und -modifikation bezeichnet die integrierte Reihe von Prozessen, durch die Ribosomen mRNA in Polypeptide übersetzen und durch die diese Polypeptide anschließend gefaltet, chemisch modifiziert, qualitätsgeprüft und entweder als funktionelle Proteine erhalten oder zum Abbau bestimmt werden.
Scope
Dieser Bereich führt den Leser durch den gesamten Bogen von der kodierenden RNA bis zum reifen, funktionellen oder schließlich abgebauten Protein. Er gruppiert vier Themen: Ribosomen und Translation; Proteinfaltung und molekulare Chaperone; posttranslationale Modifikationen; und Proteinqualiätskontrolle und -abbau. Es handelt sich um eine strukturelle und molekulare Referenz innerhalb der Zellbiologie und gibt keine klinischen Managementempfehlungen.
Sub-topics
Core questions
- Wie wird die Nukleotidsequenz der mRNA gelesen und in eine Aminosäuresequenz umgewandelt?
- Wie erreicht ein lineares Polypeptid zuverlässig seinen funktionell gefalteten Zustand in der überfüllten Zelle?
- Wie erweitern kovalente Modifikationen das funktionelle Repertoire eines festen Satzes von Genprodukten?
- Wie unterscheidet die Zelle korrekt hergestellte Proteine von defekten und entfernt letztere?
Key concepts
- Translation von mRNA an Ribosomen
- Das Ribosom als Ribozym (Peptidyltransferase-Aktivität)
- Co-translationale und posttranslationale Faltung
- Molekulare Chaperone
- Posttranslationale Modifikation
- Proteinqualiätskontrolle
- Proteostase
Key theories
- Anfinsens thermodynamische Hypothese
- Die native dreidimensionale Struktur eines Proteins wird durch seine Aminosäuresequenz bestimmt und entspricht unter physiologischen Bedingungen der Konformation der niedrigsten freien Energie, was impliziert, dass die Faltungsinformation in der Sequenz selbst kodiert ist.
- Proteostase-Netzwerkkonzept
- Die Proteinhomöostase wird durch ein integriertes Netzwerk von Synthese-, Faltungs-, Transport- und Abbaumechanismen aufrechterhalten, dessen Gleichgewicht angepasst werden kann und dessen Versagen einer Reihe von Konformationskrankheiten zugrunde liegt.
Mechanisms
Ribosomen lesen mRNA-Codons und katalysieren unter Verwendung von Aminoacyl-tRNAs die Peptidbindungsbildung durch ihr RNA-basiertes Peptidyltransferasezentrum, sodass das Ribosom im Grunde ein Ribozym ist. Während die Kette entsteht, beginnt sie sich zu falten, häufig unterstützt durch molekulare Chaperone, die Aggregation verhindern und den nativen Zustand fördern, der durch die Freie-Energie-Landschaft der Sequenz vorhergesagt wird. Viele Proteine werden dann durch posttranslationale Modifikationen wie Phosphorylierung, Glykosylierung und Ubiquitinierung chemisch verändert, die Aktivität, Lokalisation und Stabilität abstimmen. Durchweg überwachen Qualitätskontrollsysteme die Faltungsgenauigkeit und leiten fehlgefaltete oder nicht benötigte Proteine zum Abbau, wodurch das Proteom im Gleichgewicht gehalten wird.
Clinical relevance
Fehler an jeder Stelle dieses Signalwegs sind mit Krankheiten verbunden: Fehlfaltung und Aggregation treten bei neurodegenerativen Erkrankungen auf, und gestörter Abbau oder Chaperonkapazität tragen zu anderen Störungen bei. Das Verständnis des normalen Signalwegs liefert die konzeptionelle Grundlage für die Interpretation solcher Zustände und für die proteostaseorientierte Forschung; dieser Eintrag beschreibt Mechanismen und leitet keine individuelle Diagnose oder Behandlung an.
History
Die Erkenntnis, dass Ribosomen Proteine synthetisieren, dass der genetische Code Codon für Codon gelesen wird und dass die Sequenz die Faltung bestimmt (Anfinsen, 1973), etablierte den Kern des Feldes Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts. Spätere strukturelle Arbeiten enthüllten den katalytischen RNA-Kern des Ribosoms (Nissen et al., 2000), während die Chaperon- und Proteostase-Konzepte (Hartl et al., 2011; Balch et al., 2008) und die systematische Chemie der Modifikationen (Walsh et al., 2005) das Bild von der Synthese zu einem lebenslangen, regulierten Proteinlebenszyklus erweiterten.
Key figures
- Christian Anfinsen
- Thomas Steitz
- F. Ulrich Hartl
- Christopher Walsh
Related topics
Seminal works
- anfinsen-1973
- nissen-2000
- hartl-2011
- walsh-2005
Frequently asked questions
- Ist Proteinsynthese dasselbe wie Genexpression?
- Sie ist der Protein-Ebene-Teil der Genexpression. Genexpression umfasst auch die Transkription von DNA in RNA; Proteinsynthese und -modifikation deckt ab, was von der Boten-RNA an geschieht und mit einem reifen oder abgebauten Protein endet.
- Warum muss ein Protein nach seiner Herstellung modifiziert werden?
- Die Translation erzeugt eine Kette von Aminosäuren, aber Faltung, chemische Modifikationen und Qualitätskontrolle bestimmen, ob diese Kette zu einem stabilen, korrekt lokalisierten und aktiven Protein wird, was das, was ein festes Genom leisten kann, erheblich erweitert.