蛋白质的合成 蛋白质的生物合成

本章重点:蛋白质合成的反应系统，三种RNA在翻译中的作用，蛋白质合成的过程可以分为起始、延伸和终止三个阶段。原核生物翻译起始与真核生物的差异。肽链合成后的加工修饰。蛋白质生物合成的干扰和抑制。

本章难点:遗传密码的特点，翻译起始复合物的形成，肽链延伸阶段的三个步骤，

蛋白质的靶向输送。

一、参与蛋白质生物合成的物质

要点:翻译过程中涉及的物质:20种氨基酸、3种RNA、蛋白质因子、酶、ATP、GTP等。来协调蛋白质的合成。

1.mRNA是翻译的直接模板

每三个碱基组成一个三联体密码子，决定了一个氨基酸的信息。共有64个密码子，其中mrna 5’端的AUG称为起始码。UAG、UAA和UGA是肽链合成的终止信号，其余61个密码子代表20种氨基酸。密码的阅读方向是从5 '到3 '，决定了翻译的方向。

遗传密码具有以下生物学特征:

遗传密码的连续性，即从AUG开始，每个密码子不间断地连续阅读，如果有碱基插入或缺失，就会引起移框突变；

简并性，大多数氨基酸有多个密码子，多为2 ~ 4个，可能有6个密码子。一个氨基酸被多个代码编码的现象称为简并。决定同一氨基酸密码子的前两个碱基相同，但第三个碱基不同，正常氨基酸在第三个碱基发生点突变时仍可翻译；

Swing，mRNA密码子的前两个碱基与tRNA的反编码严格匹配。然而，密码的第三个基数和反密码的第一个基数并没有严格遵循配对规则，这被称为密码配对的摆动。见表1-1。

表1-1密码子和反密码子配对的摆动现象

tRNA反密码子的第一个碱基

第三个碱基

普遍性，生物的遗传密码是一样的，这叫密码的普遍性。线粒体密码子也有例外。例如，AUA和AUG都代表Met和起始密码子；UGA是色氨酸密码子而不是终止密码子。

2.核糖体是肽链合成的场所

核糖体由大小亚基组成，每个亚基含有不同的蛋白质和rRNA。该大亚基具有转肽酶活性，有两个位置用于含tRNA: A位即氨酰基位置，P位即肽基位置。

3.tRNA和氨酰基-tRNA

tRNA的功能是携带和运输特定的氨基酸。tRNA分子3’端的CCA序列是氨基酸的结合位点，反编码环可以特异性识别mRNA的编码序列。

氨基酰基tRNA合成酶。

氨酰基- tRNA合成酶能高度特异性识别氨基酸和tRNA底物，保证每个氨基酸与几个相应的tRNA精确结合。氨基酸-tRNA合成酶催化的反应分为两步:

氨基酸+ATP-E-→氨基酸-AMP-E+PPI

氨基酰基-amp-e+trna-→氨基酰基-tRNA+AMP+E

该反应激活了氨基酸的羧基，并将激活的氨基酸转移到TRNA 3’端的CCA-OH上，形成氨基酸的活性形式，即氨酰基TRNA。

氨酰trna的表征

原核tRNA携带的蛋氨酸可以被甲酰化，称为tRNAifmet。fMet- tRNAifmet特异性识别初始代码AUG，是第一个进入核糖体周期的。

甲酰基转移酶

N10-甲酰四氢叶酸+met-trnaifet-→四氢叶酸++fMet-trnaifet

基本要求:

1.熟悉遗传密码的生物学特性。

2.掌握氨酰tRNA合成酶的催化活性和特异性。

3.掌握三种RNA在蛋白质合成中的作用。

基本概念:

1.遗传密码:模板上的三个核苷酸决定了一个组中氨基酸的类型，称为三联体密码。代码也决定了蛋白质的一级结构。

2.翻译:蛋白质生物合成称为翻译，是将核苷酸序列组成的遗传信息打破成蛋白质分子的氨基酸序列。

二.蛋白质生物合成过程

要点:翻译过程可以分为三个阶段:开始、延长和结束。蛋白质的合成是在称为核糖体循环的核糖体上进行的。肽链的合成是从N端到C端。

1.翻译开始

产生了由初始氨酰基-tRNA、mRNA和核糖体组成的70S初始复合物。原核生物有三种初始因子。原核生物和真核生物的过程相似。

核糖体大小亚单位的分离。

S-D序列位于与小亚基结合的mRNA起始码的上游，可与小亚基16s rRNA的3’端互补。紧接着S-D序列的短核苷酸序列可以被小亚基蛋白质识别和结合，这促进了mRNA在小亚基上的定位。

fmet-trnaifet与mRNA-小亚单位复合物的AUG结合，形成30S初始复合物。

将该大亚基添加到30S初始复合物中，形成70S初始复合物。

真核生物翻译起始的特征

真核生物的核糖体是80S。10个初始因素见下表。

表1-2各种起始因子在起始复合物形成中的作用

生成初始复杂步骤IF eIF

亚单位分离始于tRNA就位、大亚单位结合IF-3、IF-1IF-2、IF-1核酸-核酸和核酸-蛋白质以及各种IF脱落。GTP水解eIF- 3、eIF-3A、eIF-4 eIF-2、eIF2B、eIF-3和eIF-4 eIF-4

1.真核生物起始蛋氨酸不需要甲酰化。

2.真核mRNA没有S-D序列，但其5’端帽结构与其在核糖体中的位置有关。Cap结合蛋白可以与mRNA cap结合，促进mRNA与小亚基的结合。

2.肽链延伸

延长期是一个持续循环的过程，也称为核糖体循环。它分为三个步骤:携带、肽形成和转座。真核生物和原核生物的伸长主要是由于伸长因子系统的差异，如表1-3所示。

表1-3真核和原核延伸因子及其功能

原核生物功能性真核生物

EFTuEFTsEFG帮助氨酰-tRNA进入A位，结合GTP取代来自EFTu的GDP转移酶，促进肽酰基-tRNA从A位进入P位，帮助tRNA释放EF1αEF1β和EF1γEF2

支撑

根据位置a上的密码，相应的氨酰基-trna进入位置a，称为carry。EF-T由两个亚单位组成，EF-Tu和EF-Ts。EF-Tu-GTP与氨酰-tRNA形成氨酰-tRNA-Tu-GTP三元配合物并进入一个位置，消耗GTP完成携带并释放EF-Tu-GDP。英孚Ts推动英孚Tu释放GDP，并重新形成英孚T，再次使用。

肽形成

转肽酶催化p位点的甲酰硫基或肽酰基转移到a位点的氨酰基-tRNA形成肽键连接，生成的二肽基-tRNA占据一个位点，p位点与空-携带tRNA连接，会迅速从核糖体上脱落。

排水量

EFG具有转座酶活性，催化A位二肽基tRNA进入P位。同时，核糖体沿着mRNA移动一个密码子，A位点再次缺失空，打开第三个氨基酸-tRNA载体。重复上述循环，在肽链的N端添加一个氨基酸。使3肽、4肽等依次出现在p位。

肽链合成的终止

终止需要释放射频和射频因子。真核生物只需要一个释放因子，并且具有GTP酶活性。

1.任何氨酰基-trna都不识别终止码，但RF-1识别终止码UAA和UAG；；RF-2识别UAA和UGA。

2.RF-3能改变转肽酶的构象，发挥酯酶活性水解多肽并与tRNA分离。

3.在RR的作用下，tRNA、mRNA和RF从核糖体中分离出来。大小亚基被分离出来，再次参与蛋白质的合成。

多核小体周期:翻译过程中，多个核小体结合到同一个mRNA上，这意味着mRNA上的密度与模板的长度有关。它能使蛋白质高速高效地合成多条肽链。

基本要求:

1.掌握原核生物的翻译起始过程。

2.了解真核生物翻译起始的特征

3.熟悉原核生物肽链延长的三个步骤和延长因子的作用。

基本概念:

1.核糖体循环:蛋白质合成的中心环节。这是一个活化氨基酸在核小体上浓缩成肽的过程。包括三个阶段:发起、延续和终止。

2.S-D序列:mRNA起始码AUG上游富含嘌呤……AGGA……该序列称为S-D序列，可以与小亚基16s rrna的3’端互补。因此，AGGA序列也被称为核糖体结合序列。

3.核糖体周期是指翻译过程中肽链的延伸阶段。该循环包括三个步骤:携带、肽形成和转座。在每个循环中，肽链延伸一个氨基酸形成肽键。重复这一过程，直到肽链合成终止。

三.翻译后处理

要点:新合成的多肽链经过加工和修饰后转化为生物活性蛋白。

1.高级结构修改

由多条肽链组成的蛋白质，每个亚基合成后都要聚合成四级结构。多种细胞内结合蛋白，如脂蛋白、色蛋白、核蛋白、糖蛋白等。，合成后需要与相应的辅助基团结合。

2.一级结构的修改

去除最初的蛋氨酸

多肽链延伸到一定程度，最初的N-甲酰基或N-末端甲硫氨酸被脱甲酰基酶或氨肽酶切断。

单个氨基酸的修饰

例如，肽链中或肽链之间的两个半胱氨酸形成二硫键。脯氨酸和赖氨酸的羟基化产生羟脯氨酸和羟赖氨酸。有些蛋白质丝、丝和酪氨酸可以被磷酸化。

水解改性

胰岛素、甲状旁腺激素、生长素等激素在合成初期是无活性的前体，通过水解切断部分肽段而成熟。例如，鸦片黑皮质素可以被切断以产生几种肽激素。

3.蛋白质合成后的靶向转运

蛋白质被合成并转运到相应的功能位点，称为蛋白质的靶向转运。根据功能和目的地，合成的蛋白质可以分为两类，一类是分泌蛋白，由结合在粗面内质网上的核糖体合成。另一种蛋白质分布在细胞质、线粒体和细胞核中，由游离核小体合成。

信号肽假说:信号肽位于新合成的分泌蛋白的N端。它在分泌蛋白的靶向转运中起决定性作用。①细胞内信号肽识别颗粒识别信号肽，暂时停止肽链合成，SRP引导核糖体与粗面内质网膜结合；②SRP识别并结合内质网膜上的对接蛋白，水解GTP分离SRP，多肽链继续延伸；③信号肽将延长的多肽导入内质网腔后，被信号肽酶切除。分泌蛋白在高尔基体中被包装成分泌颗粒。

基本要求:

1.掌握翻译后处理的形式和意义。

2.熟悉蛋白质靶向递送的过程和意义。

基本概念:

1.信号肽:未成熟分泌蛋白中能被细胞转运系统识别的特征性氨基酸序列，有三段:碱性N端、疏水核心区和加工区。

2.翻译后加工:新合成的肽链经过修饰成为具有生理活性的成熟蛋白质，称为翻译后加工。主要包括高级结构的修饰:亚基聚合和辅助基团连接。一级结构修饰:去除N-甲酰基或N-甲硫氨酸，修饰单个氨基酸，水解修饰和靶向递送。

4.蛋白质生物合成的干扰和抑制

要点:一些药物、毒素和生物活性物质会干扰和抑制蛋白质的生物合成。

1.抗生素

它可以通过直接阻断蛋白质生物合成来抑制细菌。见表1-4。

表1-4抗生素抑制蛋白质生物合成的原理

抗生素作用点的作用原理

四环素氯霉素、链霉素、卡那霉素、嘌呤霉素放线菌素前核小体小亚基前核小体大亚基前核小体大亚基前核小体大亚基抑制氨酰-tRNA和小亚基的结合抑制转肽酶，阻断延伸和改变构象引起阅读错误，抑制转肽酶的初始抑制，阻碍转肽酶的移位抑制，阻断延伸

2.干扰蛋白质合成的生物活性物质

毒素

许多毒素可以在肽链延伸阶段阻断蛋白质的合成，如白喉毒素，通过抑制翻译延伸的移位来抑制细菌蛋白质的合成。

干扰素的作用

干扰素可以抑制病毒繁殖。有两种机制:一种是在某些病毒双链RNA存在下诱导特异性蛋白激酶的激活，使起始因子eIF2的磷酸化失活，抑制病毒蛋白的合成；第二，干扰素和双链RNA共同激活特殊的2’-5’A合成酶生成2’-5’A，再激活核酸内切酶RNA酶L降解病毒RNA。

基本要求:

1.了解抗生素、毒素和干扰素阻断蛋白质生物合成的机制。