Post-translationale Modifikation

Posttranslationale Proteinmodifikationen sind Veränderungen von Proteinen, die nach der Translation stattfinden. Die meisten werden durch den Organismus oder durch die Zellen selbst ausgelöst.

Zellen besitzen eine Vielzahl von Möglichkeiten, ihre Proteine zu bearbeiten und zu verändern. Dazu besitzen sie eine Vielzahl von Enzymen, die eigens für die Proteinmodifikation von der Zelle gebildet werden. Proteinmodifikationsprozesse können konstitutiv ablaufen oder aber durch Umwelteinflüsse oder andere Parameter beeinflusst werden. Folgende Vorgänge, die zu neuen Proteinspezies führen, wurden analysiert (in willkürlicher Reihenfolge):

• Abspaltung des N-terminalen Formylrestes durch die Deformylase. Jedes neu synthetisierte Protein (in Prokaryoten) enthält anfangs ein N-terminales Formylmethionin (Methionin bei Eukaryoten), welches bei der Translation immer zuerst eingebaut wird und dessen Formylrest im Folgenden durch die Deformylase abgespalten wird. Ein noch vorhandener Formylrest zeigt die gerade erst beendete Synthese des Proteinmoleküls an;
• die Abspaltung des Methionylrests am N-Terminus neusynthetisierter Proteine durch die Methionylaminopeptidase. Bei Bakterien konnte man beobachten, dass die Größe der folgenden Aminosäure das Abspaltungsverhalten des N-terminalen Methionins beeinflusst. Je größer die zweite Aminosäure ist, desto unwahrscheinlicher wird eine Abspaltung des Startmethionins;
• Phosphorylierungen durch Proteinkinasen;
• Hydroxylierung von Prolin-Resten zu Hydroxyprolin-Resten (nur im Kollagen)
• Hydroxylierung von Lysin-Resten zu Hydroxylysin-Resten (häufig Ausgangspunkt für Glykosylierungen, im Kollagen auch für anschließende Quervernetzungen)
• Glykosylierungen (Glykoproteine);
• das Knüpfen von Disulfidbrücken zwischen benachbarten Cystein-Resten zum Cystin (etwa Insulin);
• die Veränderung der Faltung durch Chaperone;
• die gezielte Abspaltung von Signalsequenzen (etwa Protokollagen zu Kollagen);
• das selektive Herausschneiden von Teilsequenzen (etwa Proinsulin zu Insulin);
• die Verknüpfung mit Coenzymen und prosthetischen Gruppen (etwa Häm + Hämoglobin);
• die Bindung (Komplexierung) von Ionen und niedermolekularen Substanzen;
• die Bildung von Proteinkomplexen aus Untereinheiten (etwa Hämoglobin);
• die Bildung von festen Strukturen über kovalente Quervernetzungen (etwa Kollagen-Fibrillen);
• die mRNA-unabhängige Synthese von Polypeptiden mit Hilfe von Enzymen;
• Proteininaktivierung und –fragmentierung durch Proteolyse, an der Proteasen beteiligt sind;
• Ubiquitinylierung;
• Acetylierung durch Acetylasen
• Methylierung
• Prenylierung.

An diesen Prozessen beteiligt sind häufig Proteine, die durch Modifizierungsgene (modifier genes) codiert werden. Die Genprodukte solcher Modifizierungsgene können abhängig von Umweltfaktoren gebildet oder funktionalisiert werden und Proteine entsprechend beeinflussen.

Während einige der Prozesse unmittelbar am Entstehungsort ablaufen, finden andere an bestimmten Zellorganellen statt, wieder andere erst außerhalb der produzierenden Zelle.

Neben beabsichtigten Proteinveränderungen treten aber auch ungewollte Proteinmodifikationen auf. Geht man davon aus, dass die Transkriptions- und Translationsmaschinerie bei der Umschrift der Gene über die mRNA zu den Proteinen mit Fehlerquoten von 1/1.000 Nukleotiden oder 1/10.000 Aminosäuren arbeiten, so werden durch den Einbau falscher Aminosäuren nicht unerhebliche Mengen misstranslatierter Polypeptidketten produziert. Der Anteil misstranslatierter Proteine, die eigentlich nicht wirklich posttranslational, sondern cotranslational verändert werden, kann durch Anwesenheit von Streptomycin (Störung des Ribosoms) bzw. durch Mangel einzelner Aminosäuren erhöht werden.

Zusätzlich können Proteinketten durch Radikale, durch hochenergetische Strahlung oder andere Proteine (siehe Prionen) beschädigt, verändert oder denaturiert werden und Faltungsisoformen bilden, die der Ursprungskonformation nicht mehr entsprechen und die vorgesehene Funktion nicht erfüllen können.