Woraus ein menschliches Ribosom zusammengesetzt ist
Im Zellplasma des Menschen arbeitet das 80S-Ribosom. Die Zahl mit dem S steht für den Sedimentationskoeffizienten, also dafür, wie schnell ein Partikel in der Ultrazentrifuge absinkt. Weil dieser Wert von Form und Masse abhängt, ergeben 40S und 60S zusammen nicht 100S.
| Untereinheit | RNA-Moleküle | Länge in Nukleotiden, ca. | Proteine, ca. |
|---|---|---|---|
| Kleine Untereinheit (40S) | 18S-rRNA | 1.870 | 33 |
| Große Untereinheit (60S) | 28S-rRNA | 5.070 | 47 |
| 5,8S-rRNA | 160 | ||
| 5S-rRNA | 120 |
Die kleine Untereinheit liest die Boten-RNA ab und prüft die Paarung von Codon und Anticodon. In der großen Untereinheit liegt das Peptidyltransferase-Zentrum, an dem die Kette um ein Glied wächst. Dieses Zentrum besteht aus RNA, nicht aus Protein.
Bindungsorte des zweiwertigen Magnesiums im Translationsapparat
Magnesium kann auf zwei Arten an RNA haften. Bei der inneren Koordination berührt das Ion ein Sauerstoffatom der RNA direkt. Bei der äußeren Koordination bleibt eine Schale aus Wassermolekülen dazwischen, die ihrerseits Wasserstoffbrücken zur RNA bildet. Beide Formen kommen im Ribosom nebeneinander vor.
| Ort | Art der Bindung | Beobachtung bei zu wenig Magnesium im Versuchsansatz |
|---|---|---|
| Helices und Knoten der rRNA | direkt an Phosphat-Sauerstoff oder über gebundene Wassermoleküle | die kompakte Faltung lockert sich |
| Brücken zwischen kleiner und großer Untereinheit | an Kontaktstellen, an denen RNA auf RNA trifft | die Untereinheiten trennen sich |
| Umgebung des Peptidyltransferase-Zentrums | strukturell, in der RNA der großen Untereinheit | die Geometrie des Zentrums geht verloren |
| tRNA, Knick der L-Form | an Kontakten zwischen D-Schleife und T-Schleife | die dreidimensionale Faltung wird instabil |
| Aminoacyl-tRNA-Synthetasen | als Mg-ATP im aktiven Zentrum | das Aminoacyl-Adenylat entsteht kaum |
| Elongationsfaktoren eEF1A und eEF2 | als Mg-GTP in der GTP-bindenden Domäne | die GTP-Spaltung bleibt aus |
Wie viele Ionen ein Ribosom tatsächlich trägt, hängt von der Auflösung der Struktur und von den Pufferbedingungen ab. Aktuelle Modelle bakterieller Ribosomen nennen mehrere hundert Positionen; für das menschliche Ribosom liegen Zahlen in ähnlicher Größenordnung vor, sind aber weniger vollständig ausgewertet.
Festgelegter EU-Wortlaut
„Magnesium trägt zu einer normalen Eiweißsynthese bei“
Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012
Die Aminoacylierung in Formeln und in Worten
Eine Aminosäure allein erkennt das Ribosom nicht. Es erkennt das Anticodon der tRNA, die sie trägt. Deshalb hängt die Genauigkeit der Translation davon ab, dass jede tRNA mit genau der passenden Aminosäure beladen wird. Diese Aufgabe erledigen die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen in einer Reaktion aus zwei Teilschritten.
| Teilschritt | Reaktion | Beteiligung von Magnesium |
|---|---|---|
| Aktivierung | Aminosäure + ATP → Aminoacyl-AMP + Pyrophosphat | Mg2+ bindet an die β- und γ-Phosphatgruppe des ATP und hält das Molekül in reaktionsbereiter Lage |
| Übertragung | Aminoacyl-AMP + tRNA → Aminoacyl-tRNA + AMP | kein weiteres ATP; die Energie stammt aus der Bindung im Adenylat |
| Nachlauf | Pyrophosphat + Wasser → 2 Phosphat | die anorganische Pyrophosphatase arbeitet ebenfalls mit Magnesium-Ionen |
Zwei Enzymklassen mit unterschiedlicher Bauweise
Die zwanzig Synthetasen lassen sich nach ihrem Faltungsmuster in zwei Gruppen teilen. Beide nutzen Mg-ATP, halten es aber in unterschiedlicher Gestalt fest.
| Vergleichspunkt | Klasse I | Klasse II |
|---|---|---|
| Kern des aktiven Zentrums | Rossmann-Faltung aus parallelen β-Strängen | antiparalleles β-Faltblatt |
| Kennzeichnende Sequenzmotive | HIGH und KMSKS | Motive 1, 2 und 3 |
| Gestalt des gebundenen ATP | gestreckt | abgewinkelt, häufig mit mehreren Magnesium-Ionen |
| Erste Anheftung an die tRNA | 2′-Hydroxylgruppe der letzten Ribose | 3′-Hydroxylgruppe der letzten Ribose |
| Beispiele | Methionyl-, Tyrosyl-, Tryptophanyl-, Leucyl-tRNA-Synthetase | Seryl-, Threonyl-, Alanyl-, Histidyl-tRNA-Synthetase |
Merkzettel zu diesem Abschnitt
- Die ribosomale RNA braucht zweiwertige Gegenionen für ihre kompakte Faltung.
- Die Untereinheiten halten über Brücken zusammen, an denen Magnesium-Ionen sitzen.
- Die Aktivierung jeder Aminosäure läuft über einen Komplex aus ATP und Magnesium.
Für Magnesium lautet der zugelassene Satz: „Magnesium trägt zu einer normalen Eiweißsynthese bei“ — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012. Wer die Tabellen liest, erfährt etwas über Ribosomen und Synthetasen; am Wortlaut selbst ändert das nichts.
Nukleotide, die pro eingebautem Kettenglied gespalten werden
Die Knüpfung einer Peptidbindung selbst setzt am Ribosom kein ATP ein. Aufwand entsteht vorher und nachher: bei der Aktivierung der Aminosäure und bei den Bewegungen, mit denen Elongationsfaktoren die tRNA anliefern und das Ribosom um ein Codon weiterrücken. Jedes dieser Nukleotide liegt während der Reaktion an ein Magnesium-Ion gebunden vor.
| Station | Gespaltenes Nukleotid | Energiereiche Bindungen |
|---|---|---|
| Aktivierung an der Synthetase | ATP → AMP + Pyrophosphat, danach Spaltung des Pyrophosphats | 2 |
| Anlieferung der tRNA durch eEF1A | GTP → GDP + Phosphat | 1 |
| Weiterrücken durch eEF2 | GTP → GDP + Phosphat | 1 |
| Summe je Kettenglied | 4 |
Ein Protein aus 400 Aminosäuren entspricht nach dieser Rechnung etwa 1.600 gespaltenen energiereichen Bindungen, dazu kommen Start und Abschluss der Translation.
Der rechtliche Rahmen des EU-Satzes zu Magnesium
Gesundheitsbezogene Angaben nach Artikel 13 der Verordnung (EG) Nr. 1924/2006 wurden von der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit bewertet und anschließend von der Kommission in eine Liste aufgenommen. Der Wortlaut ist fest vorgegeben. Ein Lebensmittel darf ihn nur tragen, wenn es Magnesium in nennenswerter Menge enthält.
| Kennwert | Festlegung | Umgerechnet für Magnesium |
|---|---|---|
| Nährstoffbezugswert für Erwachsene | Bezugsgröße für die Kennzeichnung | 375 mg am Tag |
| Mindestgehalt bei festen Lebensmitteln | 15 % je 100 g | 56,25 mg |
| Mindestgehalt bei Getränken | 7,5 % je 100 ml | 28,1 mg |
Der Bezugswert ist eine Rechengröße für Etiketten. Er beschreibt weder den persönlichen Bedarf einer bestimmten Person noch eine Menge, ab der die Eiweißsynthese anders abliefe.
Randnotizen zu den Tabellen
Warum zerfallen Ribosomen im Puffer, wenn Magnesium fehlt?
Ohne genügend zweiwertige Gegenionen stoßen sich die Phosphatgruppen der rRNA stärker ab, und die Brücken zwischen den Untereinheiten verlieren ihren Halt. Der Vorgang ist im Reagenzglas umkehrbar: Gibt man wieder Magnesium hinzu, lagern sich die Teile erneut zusammen. In einer lebenden Zelle ist die Konzentration dagegen weitgehend konstant.
Knüpft das Magnesium-Ion die Peptidbindung selbst?
Nach dem Stand der Strukturforschung nicht direkt. Im Peptidyltransferase-Zentrum richten vor allem RNA-Basen und eine Hydroxylgruppe der tRNA die beiden Reaktionspartner zueinander aus. Magnesium-Ionen in der Umgebung sichern die Form dieses Zentrums, sitzen aber nicht an der Stelle, an der die Bindung entsteht.
Stammen alle Zahlen vom menschlichen Ribosom?
Die Tabelle zu den Bauteilen beschreibt das menschliche 80S-Ribosom. Viele Aussagen zu einzelnen Ionen beruhen dagegen auf Strukturen aus Bakterien und Hefe, weil diese früher und mit höherer Auflösung gelöst wurden. Die Grundprinzipien gelten über diese Organismen hinweg, einzelne Positionen können abweichen.
Kommt im Magnesium-Satz eine Mengenangabe vor?
Nein. Weder eine Tagesmenge noch Beschwerden werden darin erwähnt; der Satz betrifft den gewöhnlichen Ablauf, wenn genug Magnesium zugeführt wird.