Posttranslationale Modifikation

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

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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, sind im Allgemeinen beobachtet worden:

• Abspaltung des N-terminalen Formylrestes durch die Deformylase, Jedes neu synthetisierte Protein enthält anfangs ein N-terminales Formylmethionin, 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 2.Aminosäure ist, desto unwahrscheinlicher wird eine Abspaltung des Startmethionins.
• Phosphorylierungen werden durch Proteinkinasen durchgeführt
• Glykosylierungen
• das Knüpfen von Disulfidbrücken
• die Veränderung der Faltung durch Chaperone
• die gezielte Abspaltung von Signal- oder von anderen Teilsequenzen
• die Verknüpfung mit Coenzymen und prosthetischen Gruppen
• die Bindung von Ionen und niedermolekularen Substanzen
• die Bildung von Proteinkomplexen
• die mRNA-unabhängige Synthese von Polypeptiden mit Hilfe von Enzymen
• Proteininaktivierung und –fragmentierung durch Proteolyse, an der natürlich Proteasen beteiligt sind
• Ubiquitination (engl.) bzw. Ubiquitinylierung (deutsch)
• Prenylierung

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

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 bzw. 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 Einfluss reaktiver Radikale, durch hochenergetische Strahlung oder andere Proteine (s. a. Prionen) beschädigt oder verändert werden und Faltungsisoformen bilden, die der Ursprungskonformation nicht mehr entsprechen.