Einführung
Die Proteintranslokation ist der Prozess, bei dem vollständig synthetisierte Proteine zu den Zielorganellen innerhalb der Zelle transportiert werden. Dies geschieht über die heteromeren Kanäle des Endoplasmatischen Retikulums. Die Proteintranslokation ist von Bedeutung, weil sie den Transport spezifischer Proteine zu den Zielorganellen fördert. Zu den Arten von Proteintranslokationsprozessen gehören die kotranslationale Translokation und die posttranslationale Translokation. Dieser Prozess findet auf unterschiedliche Weise statt, je nach Art des Organismus, d. h. Eukaryoten und Prokaryoten, sowie der Art der zu translozierenden Proteine (Halic, 2005).
Arten von Proteinen
Es gibt zwei Arten von Proteinen: die sekretorischen Proteine und die Membranproteine. Jeder Proteintyp hat ein anderes Zielsignal, z. B. zielen spaltbare Signale auf sekretorische Proteine ab und bewirken, dass die Proteine die Membran vollständig passieren. Nicht gespaltene Signale hingegen zielen auf Membranproteine ab. Ungespaltene Signale werden auch als Transmembransegmente (TM) bezeichnet. Das Endergebnis ist die Integration der TM-Segmente in die Lipiddoppelschicht (Halic, 2005).
Heteromere Kanäle
Die beiden Arten von Proteinen nutzen proteinleitende Kanäle, damit die Translokation stattfinden kann. Das Auftreten dieses Kanals ist auf die Existenz eines erhaltenen heteromeren Membranproteinkomplexes zurückzuführen. In Prokaryonten wird dieser Komplex als secY bezeichnet, während er in Eukaryonten als sec61 bezeichnet wird. Zu den Komponenten dieses Komplexes gehören drei Untereinheiten, nämlich die a-, g- und b-Untereinheiten. Jede Art von Untereinheit hat ein einzigartiges Überbrückungsmuster. So dreht sich beispielsweise die a-Untereinheit zehnmal innerhalb des Komplexes, während sich sowohl die g- als auch die b-Untereinheit einmal innerhalb des Komplexes drehen (Irihmovitch, 2003).
Der heteromere Kanal hat einen hydrophilen Innenraum und eine flexible Pore. Dies ermöglicht den Durchgang von großen Chemikalien, die an Aminosäureseitenketten gebunden sind. Trotz dieser Flexibilität bleibt dieser Weg eine Barriere, da der Translokationsprozess stattfindet, wodurch der Durchgang von Ionen sowie von Miniaturmolekülen verhindert wird. Eine weitere Eigenschaft heteromerer Kanäle ist ihre Fähigkeit, sich seitlich zu öffnen. Dies ermöglicht die seitliche Bewegung von Transmembranproteinen aus der hydrophilen Umgebung in die äußere hydrophobe Schicht der Lipiddoppelschicht. Die Fähigkeit des heteromeren Kanals, sich auf zwei verschiedene Arten zu öffnen, d. h. seitlich und quer, unterscheidet ihn von anderen Kanälen. Heteromere Kanäle haben Poren mit einer Größe von 5-8 A°. Aufgrund der geringen Größe der Poren ist ein Mechanismus erforderlich, der eine weitere Öffnung ermöglicht, um den Durchtritt großer Polypeptidkettenmoleküle zu erleichtern. Dieser Mechanismus erfolgt durch die seitliche Verschiebung von Helices, die an den Porenresten ansetzen. Dank dieser Eigenschaft sind die Poren flexibel und ermöglichen die Bewegung sowohl kleiner als auch großer Moleküle (Irihmovitch, 2003).
Formen der Proteintranslokation
Da der heteromere Kanal von sec61 und secY eine reflexive Pore ist, können Polypeptidketten hin- und hergleiten. Dazu ist eine treibende Kraft erforderlich, die die Translokation von Proteinen ermöglicht. Dies wird durch Assoziationen zwischen dem Kanal und verschiedenen Partnern erreicht. Aufgrund der unterschiedlichen Partner wird die Translokation in drei Modi unterteilt, nämlich kotranslationale Translokation, posttranslationale Translokation sowie posttranslationale Translokation in Eubakterien (Lurink & Sinning 2004).
Kotranslationale Translokation
Bei dieser Form der Translokation assoziiert der heteromere Kanal Marjory mit dem Ribosom. Dies ist die häufigste Art der Proteintranslokation und kommt in allen Klassen von Organismen sowie in Zellen vor. Die kotranslationale Translation ist für die Integration zwischen Membranproteinen verantwortlich. Die erste Phase der kotranslationalen Translokation ist die Targeting-Phase. In diesem Schritt lenkt ein Signalerkennungspartikel (SRP) eine wachsende Ribosomenkette in die Membran. Das Ribosom besitzt einen SRP-Rezeptor, der ebenfalls an der Targeting-Phase beteiligt ist (Halic & Beckmann 2005).
Die zweite Phase umfasst die Bindung des Ribosoms an den heteromeren Kanal. Nach der Bindung wird das wachsende Polypeptid vom Ribosom an den Heteromerkanal abgekoppelt. Die Bewegung der Polypeptidkette durch den heteromeren Kanal wird durch die Hydrolyse von GTP erleichtert. Die GTP-Hydrolyse liefert die nötige Energie, um die Proteine oder die Polypeptidkette in Vorwärtsrichtung durch den heteromeren Kanal zu treiben. Wenn das Ribosom eine zytosolische Sphäre von Membranproteinen erzeugt, wird das Protein seitlich entlang des Kanals verlagert. Schließlich tritt es aus der heteromeren Kanal-Ribosomen-Verbindung schräg in das Zytosol aus (Mothes et al. 1997).
Posttranslationale Translokation
Diese Art der Translokation kommt in Eukaryoten vor, wo Polypeptidketten oder Proteine nach ihrer vollständigen Synthese transloziert werden. Bei dieser Art der Translokation gibt es keine SRP-Wechselwirkungen mit Polypeptidketten während der Proteinsynthese, da Proteine, die auf diese Weise transloziert werden, eine minimale hydrophobe Signalsequenz aufweisen (Ng et al. 1996).
Die posttranslationale Translokation wurde in S. cerevisiae untersucht und beobachtet, und nach dieser Beobachtung ist der Prozess in höheren Prokaryonten ähnlich. Bei der posttranslationalen Translokation geht der heteromere Kanal eine Partnerschaft mit dem luminalen BiP-Protein ein, um die Antriebskraft zu erzeugen. Luminale BiP-Proteine gehören zur Hsp70-Klasse der ATPasen. Die Antriebsenergie der posttranslationalen Translokation wird durch den Ratschenmechanismus erzeugt. Die Bindung einer Polypeptidkette oder eines Proteins an BiP-Proteine im ER-Lumen verhindert, dass die Polypeptidkette nach hinten ins Zytosol gleitet. Das Ergebnis ist eine Vorwärtstranslokationsbewegung (Matlack et al. 1999).
Das BiP-Protein ist mit ATP verbunden und verfügt über eine peptidbindende Tasche, die die Interaktion mit der lumenalen Domäne von Sec63p unterstützt. Diese Assoziation führt zur Hydrolyse von ATP und damit zur Erzeugung von Energie, die die Vorwärtstranslokation von Proteinen innerhalb des heteromeren Kanals unterstützt. Neben der ATP-Hydrolyse bewirkt diese Assoziation den Verschluss der Peptidbindetasche und verhindert so die Ablösung der zu translozierenden Proteine. Nachdem das Polypeptid eine beträchtliche Strecke zurückgelegt hat, wird es von einem anderen BiP-Proteinmolekül aufgenommen und gebunden, und der Prozess setzt sich immer weiter fort, bis die Polypeptidkette den Kanal durchquert hat. Die Freisetzung der BiP-Proteine aus der Polypeptid-Bindungstasche erfolgt, nachdem ATP das ADP ersetzt hat. Dadurch kann eine zweite Polypeptidkette transloziert werden, und der Prozess geht immer weiter. Der Ratschenmechanismus weist einige besondere Aspekte auf; dazu gehört der Verlust der gebundenen zytosolischen Chaperone durch die Polypeptidketten vor der Translokation. Damit soll die Vorwärtsbewegung der Polypeptidketten erleichtert werden. Vor der Translokation sind die vollständig synthetisierten Proteine an verschiedene Arten von Chaperonen gebunden, die die Polypeptidketten speziell am C-Terminus binden; bei der Bindung der Polypeptidkette an den Sec-Komplex über die N-terminalen Sequenzen wird jedoch ein Chaperon freigesetzt (Plath & Rapoport, 2000).
Eubakterielle posttranslationale Translokation
Diese Art der Proteintranslokation kommt nur in Eubakterien vor und ist für sekretorische Proteine gedacht. Der heteromere Partner ist in diesem Fall die zytosolische ATPase, die als SecA bekannt ist. SecA unterstützt die Vorwärtsbewegung der Polypeptidketten entlang des heteromeren Kanals. Da diese Art der Translokation in Prokaryoten wie Eubakterien vorkommt, ist der heteromere Kanal in diesem Fall SecY. SecA-Proteine unterliegen nach der Bindung an die Polypeptidkette einer Assenting-Veränderung. Einige Organismen wie Archaea weisen sowohl kotranslationale als auch posttranslationale Translokationsmechanismen auf. Trotz der Existenz beider Translokationsmechanismen ist unklar, wie sie die posttranslationale Translokation durchführen, da ihnen sowohl Sec62/63 als auch SecA-Komplexe fehlen (Mori & Ito 2000).
Schlussfolgerung
Die Translokation von Proteinen erfolgt über das endoplasmatische Retikulum durch heteromere Kanäle zu den Zielorganellen; zu den Modi der Proteintranslokation gehören die kotranslationale und die posttranslationale Translokation. Dies hängt von der Art des Proteins und der Art des Organismus ab. Durch diesen Prozess wird der Transport spezifischer Proteine zu den jeweiligen Organellen gefördert. Dies wird durch eine bestimmte Aminosäuresequenz unterstützt, die am Ende eines jeden Proteins steht. Die Aminosäuresequenz wirkt wie ein Code, der das Protein zu einer bestimmten Organelle leitet. Fehler im Zusammenhang mit der Proteintranslokation führen zum Auftreten genetischer Krankheiten. Die Entdeckung dieses Prozesses hat es den Wissenschaftlern daher ermöglicht, das Auftreten verschiedener Störungen zu erklären.
Referenzen
Economou A, Wickner W. 1994. SecA fördert die Präprotein-Translokation durch ATP-getriebene Zyklen der Membran-Insertion und -Deinsertion. Cell 78:835-43.
Halic M, Beckmann R. 2005. Das Signalerkennungspartikel und seine Interaktionen beim Protein-Targeting. Curr. Opin. Structure. Biol. 15:116-25.
Irihmovitch V, Eichler J. 2003. Posttranslationale Sekretion von Fusionsproteinen in der halophilen Archaea Haloferax volcanii. J. Biol. Chem. 278:12881-87.
Matlack KES, MothesW, RapoportTA. 1998. Proteintranslokation: Tunnelblick. Cell 92:381-390.
Mori H, Ito K. 2001. Der Sec-Protein-Translokationsweg. Trends Microbiol. 9:494-500.
Ng DT, Brown JD, Walter P. 1996. Signalsequenzen spezifizieren den Zielpfad zur Membran des endoplasmatischen Retikulums. J. Cell Biol. 134:269-78.
Plath K, Rapoport TA. 2000. Spontane Freisetzung von zytosolischen Proteinen aus posttranslationalen Substraten vor ihrem Transport in das endoplasmatische Retikulum. J. Cell Biol. 151:167-78.