Ribosom

Grundfunktion und Aufbau

Ribosomen sind makromolekulare Komplexe in Zellen, an denen Proteine hergestellt werden. Sie übersetzen die Nukleotidsequenz eines Messenger-Ribonukleinsäure-Einzelstrangs (mRNA) in die Aminosäurensequenz einer Polypeptidkette. Diese Übersetzung heißt Translation und ist ein zentraler Teil der Proteinbiosynthese in allen Lebewesen. Die Regel, nach der RNA-Information in Aminosäuren übersetzt wird, heißt genetischer Code. Vor der Translation wird die Erbinformation eines Gens aus der DNA in mRNA umgeschrieben; dieser Schritt heißt Transkription.

Ribosomen bestehen aus ribosomaler RNA (rRNA) und ribosomalen Proteinen. Sie kommen im Cytoplasma vor und außerdem in Organellen mit eigener Proteinbiosynthese, vor allem Mitochondrien und Chloroplasten. Auch manche Viren enthalten Ribosomen aus Wirtszellen in ihren Viruspartikeln, dort ohne bekannte Funktion.

Ein Ribosom ist ein körniges Partikel mit etwa 20–25 nm Durchmesser. Es besteht ungefähr zu zwei Dritteln aus RNA und zu einem Drittel aus Proteinen. Alle Ribosomen haben zwei unterschiedlich große Untereinheiten. Ihre Masse wird über das Sedimentationsverhalten in Svedberg-Einheiten (S) beschrieben. Die große Untereinheit verknüpft bei der Proteinbiosynthese Aminosäuren miteinander; diese Peptidyltransferaseaktivität wird durch rRNA geleistet. Die kleine Untereinheit erkennt die mRNA. Die ribosomalen Proteine stabilisieren vor allem die Struktur und Positionierung.

Ribosomen bei Prokaryoten und Eukaryoten

Prokaryotische Ribosomen haben einen Sedimentationskoeffizienten von 70S und eine molare Masse von etwa 2,5 MDa. Ein einzelnes Escherichia-coli-Bakterium besitzt etwa 20.000 Ribosomen. Bei Magnesiumkonzentrationen unter 1 mmol/l zerfällt das 70S-Ribosom in eine 50S- und eine 30S-Untereinheit. Die 30S-Untereinheit enthält 21 verschiedene Proteine und eine 16S-rRNA. Die 50S-Untereinheit enthält 31 verschiedene Proteine sowie 23S- und 5S-rRNA. Proteine der kleinen Untereinheit werden mit „s“, die der großen Untereinheit mit „L“ bezeichnet. Sie sind oft reich an positiv geladenen Aminosäuren wie L-Lysin oder L-Arginin, was die Wechselwirkung mit der negativ geladenen rRNA erleichtert.

Eukaryotische Ribosomen des Cytosols liegen im Cytoplasma, nicht im Karyoplasma des Zellkerns. Ihre Zahl wird auf 10^5 bis über 10^7 pro Zelle geschätzt und hängt von der Proteinsyntheserate ab; Leberzellen besitzen besonders viele. Cytosolische eukaryotische Ribosomen sind größer als prokaryotische: Sie haben etwa 25 nm Durchmesser, eine molare Masse von etwa 4,2 MDa und einen Sedimentationskoeffizienten von 80S. Die große Untereinheit ist 60S, die kleine 40S. Bei Säugern enthält die kleine Untereinheit 33 Proteine und 18S-rRNA, die große 49 Proteine sowie 28S-, 5,8S- und 5S-rRNA.

Bei Eukaryoten entstehen ribosomale Untereinheiten im Nucleolus innerhalb des Zellkerns und werden durch Kernporen ins Cytoplasma transportiert. Zellen mit hoher Proteinsyntheserate haben deshalb besonders ausgeprägte Nucleoli.

Spezielle Orte und Formen

In eukaryotischen Zellen unterscheidet man freie und membrangebundene Ribosomen. Freie Ribosomen liegen im Cytoplasma verstreut und bilden meist Proteine, die im Zellplasma arbeiten. Membrangebundene Ribosomen sitzen am rauen Endoplasmatischen Retikulum. Die dort entstehenden Proteine werden während ihrer Bildung durch cotranslationalen Proteintransport in das Lumen des Endoplasmatischen Retikulums geleitet. Solche Ribosomen kommen besonders häufig in sekretbildenden Zellen vor, zum Beispiel in der Bauchspeicheldrüse. Freie und membrangebundene Ribosomen haben die gleiche Struktur und können zwischen diesen Funktionsorten wechseln.

Mitochondrien und Chloroplasten besitzen eigene Ribosomen. Diese Mitoribosomen und Plastoribosomen ähneln prokaryotischen Ribosomen, was die Endosymbiontenhypothese stützt. Die mitochondrialen Ribosomen des Menschen und anderer Säuger enthalten viele Proteine, von denen 21 nur in Mitochondrien vorkommen, und bilden nur mitochondriale Membranproteine.

Komplexe Plastiden, etwa bei Chlorarachniophyten, können zusätzlich einen Zellkernrest, den Nucleomorph, und eigene eukaryotische 80S-Ribosomen enthalten. Solche Plastiden werden als Ergebnis einer sekundären Endosymbiose gedeutet.

Ablauf der Translation

Die Arbeitsweise eines Ribosoms während der Translation wird mit dem Dreistellenmodell beschrieben. Das Ribosom besitzt drei Bindungsstellen für tRNA: die A-Stelle (Aminoacyl-Stelle), die P-Stelle (Peptidyl-Stelle) und die E-Stelle (Exit-Stelle). tRNA ist ein RNA-Molekül, das passende Aminosäuren zum Ribosom bringt.

Während der Verlängerung der Polypeptidkette, dem Elongationszyklus, wechselt das Ribosom zwischen einem prätranslationalen und einem posttranslationalen Zustand. Im prätranslationalen Zustand sind A- und P-Stelle besetzt. Die P-Stelle trägt die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette, die A-Stelle die neu angekommene Aminoacyl-tRNA. Dann überträgt die Peptidyltransferase die Polypeptidkette von der P-Stellen-tRNA auf die A-Stellen-tRNA. Anschließend wandert das Ribosom um drei Basen auf der mRNA weiter. Dadurch wird die frühere A-Stellen-tRNA zur P-Stellen-tRNA; die leere frühere P-Stellen-tRNA verlässt über die E-Stelle das Ribosom. Daran ist die Translokase EF-G beteiligt.

Die Zustände vor und nach der Translokation sind durch eine hohe Aktivierungsenergie-Barriere getrennt. Elongationsfaktoren senken diese Barriere und ermöglichen den Wechsel. Mehrere prokaryotische Ribosomen können sich gleichzeitig perlschnurartig an derselben mRNA anordnen; das nennt man Polysom.

Nach der Verknüpfung durchläuft das entstehende Peptid einen ribosomalen Tunnel in der großen Untereinheit. Er besteht größtenteils aus rRNA, ist etwa 100 Å (10 nm) lang und hat im Durchschnitt einen Durchmesser von 15 Å (1,5 nm). An der engsten Stelle begrenzen die konservierten ribosomalen Proteine L4e und L22 den Kanal.

Abbau und Strukturaufklärung

Der Abbau von Ribosomen ist noch nicht vollständig verstanden und beginnt meist bei Nährstoffmangel. Für Bakterien wie E. coli wurde vorgeschlagen, dass intakte 70S-Ribosomen zuerst in ihre beiden Untereinheiten zerfallen. Unter Mangelbedingungen wird die Translation heruntergefahren, sodass viele Ribosomen inaktiv sind. Die Untereinheiten sind für Ribonukleasen empfindlicher als das intakte Ribosom, weil sie mehr Angriffsfläche bieten. Danach könnten Exonukleasen die rRNA weiter abbauen.

Bei Backhefe wurde ein Autophagieweg namens Ribophagie vorgeschlagen. Auch hier werden bei Nährstoffmangel zuerst die Untereinheiten getrennt. Eine Ubiquitinligase entfernt dann Ubiquitin an der 60S-Untereinheit; diese wird in einem Vesikel zur Vakuole transportiert. Das wirkt zunächst paradox, weil Ubiquitin sonst oft als Abbausignal für Proteine dient.

Ribosomen wurden Mitte des 20. Jahrhunderts erforscht. Albert Claude identifizierte 1940 RNA-haltige Granula im Cytosol tierischer Zellen und nannte sie „Mikrosomen“. 1955 erkannte George Emil Palade mit Elektronenmikroskopie, dass diese Partikel echte Zellbestandteile sind. 1959 wurde in E. coli gezeigt, dass Ribosomen für die Biosynthese von Polypeptiden notwendig sind. Der Name „Ribosom“ setzte sich nach einem Vorschlag von Richard B. Roberts aus dem Jahr 1958 durch.

Hochauflösende Strukturen wurden erst später möglich. Ende 2000 wurde die 50S-Untereinheit von Haloarcula marismortui mit 2,4 Å Auflösung beschrieben; gleichzeitig wurde die kleine Untereinheit von Thermus thermophilus mit 3 Å Auflösung publiziert. 2005 erschienen kristallographische Strukturdaten eines intakten E.-coli-Ribosoms mit 3,5 Å Auflösung. Thomas A. Steitz, Ada Yonath und Venkatraman Ramakrishnan erhielten 2009 den Nobelpreis für Chemie für Arbeiten zur Strukturaufklärung.

Ursprung und DNA

Der Ursprung der Ribosomen wird in der RNA-Welt vermutet. Damit ist eine frühe Phase gemeint, in der RNA zugleich Informationsträger und Katalysator gewesen sein könnte. Die katalytischen Fähigkeiten von RNA, also Ribozym-Eigenschaften, sind ein wichtiger Teil dieser Hypothese. Untersuchungen legen nahe, dass frühe Ribosomen-Vorläufer nur aus rRNA bestanden und Peptidbindungen bilden konnten.

Es gibt starke Hinweise, dass ursprüngliche Ribosomen selbstreplizierende Komplexe waren. Ihre rRNA könnte informationelle, strukturelle und katalytische Aufgaben erfüllt haben und möglicherweise tRNA und Proteine für die eigene Replikation codiert haben. Hypothetische DNA-freie zelluläre Organismen mit solcher selbstreplizierender RNA werden Ribozyten genannt. Als sich unter präbiotischen Bedingungen Aminosäuren anreicherten, könnten sie die Wirkung und Effizienz katalytischer RNA erhöht haben. Der Einbau von Proteinen in selbstreplizierende Ribosomenmechanismen könnte ein wichtiger Schritt zur heutigen Translationsmaschine gewesen sein.

Die Speicherung des Genoms als DNA-Doppelhelix gilt in dieser Darstellung als spätere Entwicklung. DNA-Replikation und Transkription unterscheiden sich bei Bakterien einerseits und Archaeen sowie Eukaryoten andererseits so stark, dass ein gemeinsamer Ursprung als unwahrscheinlich dargestellt wird. Stattdessen könnten diese Gruppen, ausgehend von primitiven zellulären Organismen mit Ribosomen, die Speicherung in DNA unabhängig voneinander erworben haben, möglicherweise mit Hilfe von DNA-Viren. Diese DNA-Viren könnten sich zuvor aus RNA-Viren entwickelt haben, um ihr Genom besser vor Angriffen der Wirtszellen zu schützen.