Der Translokon (auch Translokator oder Translokationskanal genannt ) ist ein Oberbegriff für einen Proteinkanal in biologischen Membranen, der Polypeptide durch die Membran transportiert oder in die Lipiddoppelschicht einfügt. [ 1 ] Diese Struktur ist ein Schlüsselelement des Proteintransportwegs in allen Organismen, von Bakterien über Archaeen bis hin zu Eukaryoten.

Bei Eukaryoten bezeichnet der Begriff Translokon meist den Komplex, der neu synthetisierte Polypeptide mit einer Zielsequenz aus dem Zytosol in den Innenraum (Zisternen oder Lumen) des endoplasmatischen Retikulums (ER) transportiert. Dieser Translokationsprozess erfordert, dass das Protein eine hydrophobe Lipiddoppelschicht durchquert . Derselbe Komplex wird auch verwendet, um neu synthetisierte Proteine ​​in die Membran selbst zu integrieren ( Membranproteine ). Bei Prokaryoten transportiert ein ähnlicher Proteinkomplex Polypeptide durch die (innere) Plasmamembran oder integriert Membranproteine. [ 2 ] In beiden Fällen besteht der Proteinkomplex aus Sec-Proteinen (Sec: sekretorisch), wobei das heterotrimere Sec61 den Kanal bildet. [ 3 ] Bei Prokaryoten ist der homologe Kanalkomplex als SecYEG bekannt. [ 4 ]

Struktur und Komponenten

Der Translokon besteht typischerweise aus integralen Membranproteinen, die einen engen Kanal bilden, der gerade breit genug ist, damit eine ungefaltete Polypeptidkette hindurchpassen kann. Die Kernstruktur des Translokons variiert je nach System:

  • Sicherheitssystem
    • Prokaryoten : SecYEG-Komplex
    • Eukaryoten : Sec61αβγ-Komplex
  • TAT-System ( Twin-Arginine Translocation )
    • TatA-, TatB- und TatC-Komplex, spezialisiert auf vollständig gefaltete Proteine
  • YidC-System
    • Fügt Membranproteine ​​ein, ohne den Sec-Weg zu durchlaufen

Translokone besitzen oft ein „seitliche Tor“, das es hydrophoben Segmenten (Transmembrandomänen) ermöglicht, direkt in die Lipiddoppelschicht auszutreten.

Zentralkanal

Die Struktur dieses Kanals im inaktiven Zustand wurde in Archaeen mittels Röntgenkristallographie bestimmt.

In Zellen ist der Translokonkanal ein dreiteiliger Proteinkomplex, der bei Prokaryoten als SecYEG und bei Eukaryoten als Sec61 bekannt ist. [ 5 ] Er besteht aus den Untereinheiten SecY, SecE und SecG, wobei SecY die Hauptpore bildet. Die Struktur dieses Kanals im Ruhezustand wurde mittels Röntgenkristallographie in Archaeen aufgeklärt . [ 4 ]

In einigen Fällen verbindet sich das Kerntrimer mit vier weiteren Proteinen zu einem größeren, siebenteiligen (heptameren) Komplex, der für den Transport bestimmter Polypeptide in das endoplasmatische Retikulum (ER) verantwortlich ist. [ 6 ]

Der Kanal weist von der Seite betrachtet eine charakteristische Sanduhrform mit einem Trichter an beiden Enden auf. Der nach außen gerichtete Trichter ist durch einen kleinen, aus einer Alpha-Helix bestehenden „Pfropfen“ verschlossen . In der Mitte der Membran befindet sich ein Ring aus sechs hydrophoben Aminosäuren, deren Seitenketten nach innen gerichtet sind und eine selektive Barriere bilden. Bei Beginn der Proteintranslokation schiebt sich der Pfropfen zur Seite, und die neue Polypeptidkette gelangt vom zytoplasmatischen Trichter durch den Porenring und durch den gegenüberliegenden Trichter nach außen. Bei Membranproteinen treten hydrophobe Bereiche durch eine seitliche Öffnung, das sogenannte laterale Tor, in die umgebende Lipidschicht ein und bilden dort Segmente, die die Membran durchspannen. [ 4 ]

Assoziiertes Protein

In Bakterien bildet SecYEG einen Komplex mit SecDF, YajC und YidC. [ 7 ] [ 8 ] In Eukaryoten bildet Sec61 einen Komplex mit dem Oligosaccharyltransferase- Komplex, dem TRAP-Komplex und dem Membranprotein TRAM (möglicherweise ein Chaperon). Für weitere Komponenten, wie den Signalpeptidase- Komplex und den SRP-Rezeptor, ist unklar, inwieweit sie nur vorübergehend mit dem Translokon-Komplex assoziieren. [ 9 ]

Translokationsmechanismus

Der Translokationskanal ermöglicht den Transport von Peptiden in beide Richtungen und benötigt daher zusätzliche Komponenten, um das Peptid in die richtige Richtung zu lenken. Es gibt zwei Haupttypen der Translokation: die cotranslationale , die während der Proteinsynthese am Ribosom stattfindet, und die posttranslationale , die nach der Fertigstellung des Proteins erfolgt. Beide Prozesse kommen in Eukaryoten und Bakterien vor, die Mechanismen unterscheiden sich jedoch. In Eukaryoten werden Proteine ​​mithilfe von BiP und anderen Transportkomplexen transportiert, während in Bakterien die SecA- ATPase die Energie liefert, um das Peptid durch den Kanal zu befördern. [ 10 ]

Cotranslationale Translokation

ER-Translokon-Komplex. Zahlreiche Proteinkomplexe sind an der Proteinsynthese beteiligt. Die eigentliche Produktion findet an den Ribosomen (gelb und hellblau) statt. Über den ER-Translokon (grün: Sec61, blau: TRAP-Komplex, rot: Oligosaccharyltransferase-Komplex) wird das neu synthetisierte Protein durch die Membran (grau) ins Innere des ER transportiert. Sec61 dient als Proteinkanal, und der Oligosaccharyltransferase-Komplex (OST) fügt dem entstehenden Protein Zuckerreste hinzu.

Bei der cotranslationalen Translokation arbeitet der Translokon mit dem Ribosom zusammen , sodass eine wachsende Proteinkette direkt vom Ribosom in den Translokonkanal transportiert wird. In Eukaryoten beginnt dieser Prozess, wenn ein Signalerkennungspartikel (SRP) eine kurze Signalsequenz am Anfang des Proteins erkennt. Das SRP pausiert die Proteinsynthese und lenkt das Ribosom zum SRP-Rezeptor am endoplasmatischen Retikulum (ER). Sobald das Ribosom gebunden ist, wird das SRP freigesetzt und die Proteinsynthese fortgesetzt. Das neue Protein wird in ungefalteter Form durch den Sec61-Kanal transportiert, manchmal mithilfe eines Mechanismus, der als Brownsche Ratsche bekannt ist . Nach der vollständigen Proteinsynthese spaltet eine Signalpeptidase die kurze Signalsequenz ab und gibt das fertige Protein in das Innere des ER frei. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

Der ER-Translokon ist eine Gruppe von miteinander verbundenen Proteinkomplexen, darunter Sec61 (der Kanal), der TRAP-Komplex und der Oligosaccharyltransferase (OST)-Komplex, der Zuckermoleküle an das neue Protein anheften kann, wenn dieses in das ER eintritt.

Bakterien nutzen ein ähnliches SRP-System sowie ein Chaperon namens YidC, das mit dem TRAM-Protein in Eukaryoten vergleichbar ist. [ 14 ] [ 10 ]

Der Translokon kann Membranproteine ​​auch in der korrekten Orientierung in die ER-Membran einfügen. Dies beruht auf der Erkennung hydrophober Abschnitte der Proteinsequenz , die zu Transmembranhelices werden . Diese Helices werden vom Translokon durch eine Kombination aus Stopp-Transfer- und Signalsequenzen positioniert, wobei sich der Verschluss des Kanals öffnet und schließt, um sie korrekt in der Membran zu platzieren. [ 10 ]

Posttranslationale Translokation

Bei Eukaryoten beruht die posttranslationale Translokation auf BiP und anderen Helferkomplexen, darunter dem in die Membran eingebetteten Proteinkomplex SEC62/SEC63. Dabei unterstützt Sec63 BiP beim Abbau von ATP, wodurch BiP die Energie erhält, um an das neue Protein zu binden und es durch den Kanal zu „ziehen“. Dieser Zugvorgang wird von mehreren BiP-Molekülen wiederholt, bis sich das gesamte Protein im Zielkompartiment befindet. [ 10 ]

Bei Bakterien übernimmt SecA eine ähnliche Funktion. SecA ist ein ATP-betriebener „Schiebemotor“, der gelegentlich vom SecDF-Komplex auf der gegenüberliegenden Seite unterstützt wird, der das Protein durchziehen kann. [ 15 ] SecA nutzt einen „Schiebe- und Gleitmechanismus“: Im ATP-gebundenen Zustand schiebt es mithilfe einer Zwei-Helix-Fingerstruktur einen Abschnitt des Proteins in den Kanal. Nach der Spaltung von ATP in ADP gibt SecA seinen Halt frei, sodass das Protein leicht in beide Richtungen gleiten kann. Anschließend greift SecA den nächsten Abschnitt des Proteins und wiederholt den Zyklus, bis die gesamte Kette den Kanal passiert hat. [ 10 ]

Der ER-Retrotranslokon

Translokatoren können auch Polypeptide (wie zum Beispiel beschädigte Proteine, die für Proteasomen bestimmt sind ) aus dem Zisternenraum des endoplasmatischen Retikulums ins Zytosol transportieren. ER-Proteine ​​werden im Zytosol durch das 26S- Proteasom abgebaut , ein Prozess, der als ER-assoziierter Proteinabbau bekannt ist , und müssen daher über einen geeigneten Kanal transportiert werden. Dieser Retrotranslokon ist noch immer rätselhaft.

Man ging zunächst davon aus, dass der Sec61-Kanal für diesen retrograden Transport verantwortlich ist, was impliziert, dass der Transport durch Sec61 nicht immer unidirektional, sondern auch bidirektional sein kann. [ 16 ] Die Struktur von Sec61 stützt diese Ansicht jedoch nicht, und es wurden mehrere verschiedene Proteine ​​vorgeschlagen, die für den Transport vom ER-Lumen ins Zytosol verantwortlich sind. [ 17 ]

Translocon-Qualitätskontrolle

Translokone können durch translationsgehemmte oder falsch gefaltete Proteine, die mit dem Komplex interagieren, blockiert werden. Dies ist eine der Ursachen für Funktionsstörungen von Translokonen; beispielsweise kann es bei der kotranslationalen Translokation (CTT) zu einer Blockierung des Translokons durch translationsgehemmte ER-Zielproteine ​​kommen. [ 18 ] Eine Blockierung des Translokons während der posttranslationalen Translokation (PTT) kann auftreten, wenn Proteine ​​nicht korrekt gefaltet sind oder Aggregate bilden, bevor sie vollständig transloziert sind. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

Die Qualitätskontrollmechanismen des Translokons in der Zelle stellen die Translokonfunktion wieder her, indem sie verstopfte Translokonkanäle während der Proteintranslokation freimachen. [ 20 ] Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist einer von mehreren Abbaumechanismen im Rahmen der Translokon-Qualitätskontrolle (TQC). Dieser Prozess umfasst das Targeting verstopfter Proteine ​​durch Anheftung von Ubiquitin- Enzymen zum Abbau durch das Proteasom. [ 22 ]

Siehe auch

Referenzen

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