Als Translation wird in der Biologie die Synthese von Proteinen in den Zellen lebender Organismen bezeichnet, die nach Vorgabe genetischer Information an den Ribosomen abläuft (siehe auch Proteinbiosynthese).
mini|hochkant=2|Darstellung der Translation an einem Ribosom (grün): Das aus zwei Untereinheiten zusammengesetzte Ribosom synthetisiert ein Protein, indem dessen Peptidkette aus bestimmten Aminosäuren (bunte Kugeln) schrittweise aufgebaut wird. Das jeweils von einer spezifischen tRNA herangetragene Aminosäuremolekül wird nur dann angefügt, wenn das Anticodon dieser tRNA basenpaarend zum nächsten Codon des mRNA-Strangs passt. Auf diese Weise wird je an der A-Stelle die Aminosäure bestimmt, welche an der P-Stelle an das Peptid bindet. Derart kann die in der Basen-Sequenz der mRNA enthaltene Information in die codierte Formation der Aminosäure-Sequenz eines Proteins übersetzt werden.
Als Translation wird ein zentraler Teilprozess der Genexpression bezeichnet, der an die Transkription anschließt, bei der die Informationen eines DNA-Abschnitts auf einzelne Messenger-RNA (mRNA)-Stränge übertragen werden. Die Translation findet an den Ribosomen im Zytoplasma statt, wo die gebildete mRNA die Proteinsynthese steuert. Die Translation durchläuft drei Hauptphasen – Initiation, Elongation und Termination – und beinhaltet ribosomale Untereinheiten, Transfer-RNAs (tRNAs) sowie verschiedene Initiations- und Elongationsfaktoren. Das Ribosom dekodiert die Basensequenz der mRNA anhand des genetischen Codes in die entsprechende Aminosäuresequenz eines Polypeptids. Dieser Prozess ist energieabhängig, erfordert Guanosintriphosphat-Hydrolyse und wird streng durch Proteine (Initiationsfaktoren) wie eIF4E und 4EBP1 reguliert. Indem sie die genaue Umwandlung von Nukleotidinformationen in funktionelle Proteine gewährleistet, spielt die Translation eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Zellphysiologie und der Bestimmung phänotypischer Merkmale.
Allgemeiner Ablauf mini|Ein Übersetzungsschritt der Translation: An das aus drei Nukleinbasen bestehende Basentriplett eines Codons des mRNA-Stranges bindet basenpaarend das Anticodon auf der Anticodonschleife einer tRNA, die am Ende ihres Akzeptorarms beladen ist mit einer bestimmten Aminosäure. Diese steht damit bereit für den nächsten Schritt der ribosomalen Synthese, und wird per Peptidbindung der Aminosäurenkette angeknüpft.
Im Genom eines jeden Organismus sind Abschnitte zu finden, die als Gene nicht nur Informationen für den Bau von RNA enthalten, sondern darüber hinaus für den Aufbau von Proteinen. Die nach der Basenfolge eines solchen Abschnitts der DNA gebildete und gegebenenfalls prozessierte mRNA („m“ steht für englisch messenger ‚Bote‘) enthält in der Abfolge ihrer Basen, der Basensequenz, jeweils ausgewählte Informationen für die Biosynthese bestimmter Proteine.
Diese genetische Information wird im Verlauf der Translation als Anweisung genutzt, um das entsprechende Protein zu synthetisieren, indem nach dem genetischen Code Abschnitte der Basensequenz in die Aminosäuresequenz eines Peptids übersetzt werden. Dabei stellen je drei aufeinanderfolgende Nukleotide der mRNA ein Codon dar und codieren so als Basentriplett für eine bestimmte Aminosäure. Aus den codierten Aminosäuren wird am Ribosom in der durch die Nukleotidsequenz vorgegebenen Reihenfolge sequentiell die Polypeptidkette eines Proteins aufgebaut, mit der festgelegten Aminosäurensequenz. Die Information der mRNA wird hierbei in 5'→3'-Richtung abgelesen, also der gleichen Richtung, in der auch die RNA (durch RNA-Polymerase) transkribiert wurde.
Für den Translationsprozess sind als Aminosäuren-„Transporter“ verschiedene tRNA-Moleküle notwendig („t“ steht für englisch transfer ‚Übertragung‘). Diese können jeweils mit einer ihrer Schleifen, der Anticodonschleife, über ihr Anticodon komplementär basenpaarend an ein Codon auf der mRNA binden und sind an ihrem anderen Ende, dem Akzeptorarm, durch die unterschiedlichen Aminoacyl-tRNA-Synthetasen mit der zum Codon passenden Aminosäure beladen.
Bei der Translation legt sich das Ribosom an den mRNA-Strang und bringt diesen mit einer beladenen tRNA so zusammen, dass sich an ein Basentriplett eines Codons auf der mRNA nun als passendes Gegenstück das Basentriplett eines Anticodons der tRNA anlagern kann. Der eigentliche Translationsvorgang beginnt an jener Stelle der mRNA, wo die Basensequenz (z. B. → …, Adenin, Uracil, Guanin, …) das Startcodon darstellt (meist AUG). Eine zweite, zum folgenden Codon passende tRNA, die ebenfalls eine Aminosäure trägt, setzt sich neben der ersten tRNA an die mRNA. Die beiden nebeneinander positionierten Aminosäuren werden sodann durch die enzymatische Aktivität (Ribozym) der großen Untereinheit mit einer Peptidbindung verknüpft, und die erste tRNA verlässt ohne Aminosäure unbeladen das Ribosom. Nun lagert sich an die mRNA eine dritte, zum nächsten Codon passende beladene tRNA. Deren Aminosäure wird an die bereits bestehende Aminosäurekette geknüpft und verlängert sie so um ein weiteres Glied. Dieser Prozess setzt sich vom N- zum C-Terminus fort, so dass sich eine immer länger werdende Kette aus Aminosäuren bildet. Das Ribosom, das diesen Prozess katalysiert, wandert dabei jeweils schrittweise um ein Triplett bzw. Codon auf der mRNA weiter. Beendet wird die Translation, wenn sich in diesem Leseraster auf der mRNA ein Basentriplett findet, das ein Stopcodon darstellt (z. B. UGA). An dieses kann üblicherweise keine der vorliegenden tRNA-Molekülarten binden. Der Bereich auf einer mRNA zwischen dem Start- und dem zugeordneten Stop-Codon wird auch als offener Leserahmen (open reading frame) bezeichnet.
Mit dem Translationsende löst sich das als Verkettung von Aminosäuren synthetisierte Peptid vom Ribosom und die naszierende Polypeptidkette faltet sich im Medium zum nativen Protein, meistens so, dass eine komplexe räumliche Struktur entsteht (Sekundärstruktur und Tertiärstruktur). Eventuell verbindet es sich noch mit anderen Proteinen zu übergeordneten Quartärstrukturen.
Eine mRNA wird in der Regel mehrfach abgelesen, bis sie durch die Aktivität von Nucleasen in ihre Bausteine, die Ribonucleotide, zerlegt wird. Bei Eukaryoten ist die Haltbarkeit durch posttranskriptionelle Modifikationen im Kern erhöht.
Biochemischer Ablauf Obwohl es 61 Codons für die 20 kanonischen proteinogenen Aminosäuren gibt, werden im Zytoplasma einer Zelle nicht ebenso viele verschiedene Arten von tRNA gebraucht. Tatsächlich genügen in Bakterien schon 31 verschiedene Anticodons als Mittler zwischen den 20 Aminosäuren und den 61 Codons.B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis et al.: Molecular Biology of the Cell. 4. Ausgabe. Garland Science, New York 2002, Kapitel: From RNA to Protein. Online auf dem NCBI-Bookshelf Die beim Menschen vorkommenden etwa 600 tRNA-Gene stellen nur 48 verschiedene Anticodons dar.siehe in der Genomischen tRNA Datenbank (GtRNAdb) Einträge für Homo sapiens. Denn manche tRNAs können mehrere verschiedene Codons für die gleiche Aminosäure erkennen. Das ist beispielsweise der Fall, wenn schon die beiden ersten Basen eines Basentripletts eine bestimmte Aminosäure festlegen, und die dritte so keine Rolle mehr spielt. Das Anticodon der mit der entsprechenden Aminosäure beladenen tRNA erkennt hier vorrangig die ersten beiden Positionen des Tripletts auf der mRNA mit der üblichen komplementären Basenpaarung – die dritte Paarung kann wackelig sein (siehe auch Wobble-Hypothese) – und somit verschiedene ähnliche Codons. Hingegen erkennt beispielsweise die mit Tryptophan beladbare tRNA (tRNATrp) normalerweise nur ein bestimmtes Codon (UGG).
Alle reifen tRNA-Moleküle bestehen aus einem RNA-Strang mit etwas weniger als 100 Nukleotiden, bilden in ihrer Sekundärstruktur infolge intramolekularer Paarungen von komplementären Nukleotidsequenzen mit Schleifen eine kleeblattähnliche Form und falten dreidimensional in eine hakenähnliche Tertiärstruktur. Im sogenannten Akzeptorarm sind das 5'- und das 3'-Ende vereint. Hier bindet dann die entsprechende Aminosäure am 3'-Ende, über ein posttranskriptional angefügtes CCA-Triplett. Die Anticodonschleife liegt in der Sekundärstruktur dem Akzeptorstamm gegenüber, auch in der Tertiärstruktur hat sie den größten Abstand. Drei zentrale Basen dieser Schleife im Anticodonarm bilden das Anticodon – meist in Position Nummer 36, 35 und 34, wobei letztere dann mit der 3. Base des Codons paart. Die D-Schleife enthält das ungewöhnliche Dihydrouridin (D), die T-Schleife neben Thymidin (T) typischerweise Pseudouridin (Ψ) und Cytosin (C). Die V-Schleife ist variabel, also bei einzelnen tRNA-Arten unterschiedlich zusammengesetzt.
Für die Beladung einer tRNA mit ihrer Aminosäure ist jeweils eine besondere Aminoacyl-tRNA-Synthetase zuständig. Meist gibt es für jede Aminosäure eine spezifische Synthetase.
Ribosomen und Protein-Synthese An den Ribosomen erfolgt die Paarung einer Aminoacyl-tRNA über ihr Anticodon mit dem Codon der mRNA und durch Peptidbindung der herangetragenen Aminosäuren die Synthese der Polypeptidkette von Proteinen. Diese ribosomale Peptidsynthese durch Translation der genetisch codierten Information ist der Hauptschritt der Proteinbiosynthese.
Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, die jeweils wiederum aus RNA (ribosomale RNA) und Polypeptiden (ribosomale Proteine) aufgebaut sind. Zunächst sind die beiden Untereinheiten getrennt. Bei der Translation vereinigen sie sich und bilden zwei Bereiche aus, an denen die tRNAs anlagern können: die Aminoacyl-Stelle (A-Stelle) für die tRNA mit der nächsten anzufügenden Aminosäure, die Peptidyl-Stelle (P-Stelle) für die tRNA der an die wachsende Peptidkette angefügten Aminosäure. Die entladenen tRNA-Moleküle verlassen das Ribosom dann über eine andere Region, die Exit-Stelle (E-Stelle).
Initiation der Translation bei Prokaryoten mini|700px|Schematische Darstellung der Initiation einer Translation bei Prokaryoten Für die Initiation als den Start des Prozesses wie den Anfang der Kette benötigt die Zelle neben den beiden ribosomalen Untereinheiten und der mRNA noch eine spezielle tRNA. Diese Initiator-tRNA bindet an das Startcodon AUG und ist bei Bakterien eine tRNAifMet, die Formylmethionin (fMet) überträgt, statt des Methionins der bei Archaeen (und Eukaryoten) üblichen tRNAiMet. Darüber hinaus spielen bei Prokaryoten drei Initiationsfaktoren (IF 1, IF 2, IF 3) eine Rolle.
Die kleine Untereinheit (30S) bildet zu Beginn einen Komplex mit den Initiationsfaktoren 1 und 3. Die Aufgabe des IF1 ist die Dissoziation der (in einem dynamischen Gleichgewicht liegenden) Nichtinitiator-tRNA. Der IF3 verhindert zusammen mit dem IF1 eine frühzeitige Bindung der beiden ribosomalen Untereinheiten.
Der IF2, ein G-Protein, bindet GTP, durchläuft eine Konformationsänderung und kann so die Initiator-tRNA binden. Dieser Komplex aus IF2-GTP und (beladener) fMet-tRNAifMet hat nun die Möglichkeit, sowohl an mRNA wie an 30S-Einheit zu binden.
Die kleine Untereinheit vermag durch eine Interaktion der anti-Shine-Dalgarno-Sequenz ihrer 16S-rRNA (ribosomale RNA als Teil der 30S-Einheit) mit der Shine-Dalgarno-Sequenz auf der mRNA die geeignete Bindungsstelle zu erkennen. Diese nicht-codierende Sequenz liegt wenige Nukleotide (9 nt upstream) vor einem Basentriplett, das ein AUG darstellt, und ermöglicht somit die Erkennung des Startcodons durch die Initiator-tRNA. Der Abschluss der Initiation wird durch GTP-Hydrolyse am IF2 eingeleitet. Es kommt zum Entlassen der Initiationsfaktoren und erst dann zur Bindung der 50S-Untereinheit, wodurch der 70S-Initiator-Komplex entsteht. Die fMet-tRNAifMet befindet sich zu Beginn der Translation bereits in der P-Stelle der 50S-Untereinheit. Die beiden anderen Stellen, A und E, sind leer.
Elongation der Polypeptidkette mini|Elongationsschritte der Translation. (A=Aminoacyl- bzw. Erkennungsort, P=Peptidyl- bzw. Bindungsort). Die E-Stelle (E=Exit, Ausgang) des Ribosoms dient der Positionierung entladener tRNA.