0蛋白質的合成過程

1、 二二 . . 蛋白質的合成過程蛋白質的合成過程（大腸桿菌）大腸桿菌）v 氨基酸的活化氨基酸的活化v 肽鏈合成的起始肽鏈合成的起始v 肽鏈的延伸肽鏈的延伸v 肽鏈合成的終止與釋放肽鏈合成的終止與釋放 蛋白質合成的機制要比dna復制和轉錄復雜的多。它大約需要300多種生物大分子，其中包括三類核糖核酸、可溶性蛋白質因子等參加的協(xié)同作用。其合成過程大致分為5個階段：氨基酸的激活、肽鏈合成的啟動、肽鏈的延長、肽鏈合成的終止和釋放、肽鏈的折疊和加工處理。 （一）氨基酸的活化與轉運 氨基酸在摻入肽鏈之前必須活化（activition）以獲得額外的能量。活化反應是在氨酰-trna合成酶（aminoacyl-

2、trna synthetase）催化下進行的?；罨说陌被崤ctrna形成氨酰-trna。這一反應可在可溶性細胞質內完成。活化反應分兩步進行：1、氨基酸-amp-酶復合物的形成：反應如下： atp+氨基酸+酶氨基酸-amp-酶+ppi反應需要mg2+或mn2+，并且是atp水解釋放能量供復合物的形成。在復合物中，氨基酸的羧基通過酸酐鍵與amp上的5-磷酸基相連接,形成高能酸酐鍵,從而使氨基酸的羧基得到活化。2、氨基酸從復合物上面轉移到相應的trna上面： 氨基酸-amp-酶+ppi 氨酰-trna+amp+酶1、 活化活化 ： aa-amp-e復合物的形成復合物的形成e-cr1-c-o p-o

3、- ch2= o oh-o腺嘌呤 oh oh onh2aa+atp+e aa+atp+e aa-amp-eaa-amp-e +ppi +ppimg 2+mn 2+2、 轉移轉移aa-amp-e+ aa-amp-e+ trnatrna 氨酰氨酰- -trnatrna +amp+e +amp+epppc c a高能酸苷鍵高能酸苷鍵o c-c-rc-c-ro ho hnh3nh3+ +ohoh2 2 -oh-oh連接連接aaaa，影響下一步，影響下一步肽鍵形成肽鍵形成v氨基酸活化的總反應式是：氨基酸活化的總反應式是： 氨基酸氨基酸+atp+trna +h+atp+trna +h2 2o o 氨酰氨酰

4、-trna+amp+ppi-trna+amp+ppiv2020種氨基酸中每一種都有各自特異的氨酰種氨基酸中每一種都有各自特異的氨酰-trna-trna合成合成酶。酶。氨酰氨酰-trna-trna合成酶合成酶具有高度的專一性具有高度的專一性，它既能識它既能識別相應的氨基酸（別相應的氨基酸（l-l-構型），又能識別與此氨基酸構型），又能識別與此氨基酸相對應的一個或多個相對應的一個或多個trna trna 分子；即使分子；即使aaaa識別出現(xiàn)錯識別出現(xiàn)錯誤，此酶具有水解功能，可以將其水解掉。誤，此酶具有水解功能，可以將其水解掉。這種高這種高度的專一性保證了氨基酸與其特定的度的專一性保證了氨基酸與其特

5、定的trna準確匹配，準確匹配，從而使蛋白質的合成具有一定的保真性。從而使蛋白質的合成具有一定的保真性。氨酰氨酰-trna -trna 合成酶合成酶v trnatrnaileile攜帶攜帶ileile的的trnatrnav ile- trnaile- trnaileile異亮氨酰異亮氨酰-trna-trnaileile氨酰氨酰-trna-trna合成酶和之相對應的合成酶和之相對應的trnatrna分子被稱為遺傳密碼第二重要性分子被稱為遺傳密碼第二重要性 （二）大腸桿菌中肽鏈合成的起始1、起始密碼子（起始信號）：細菌中多肽的合成并不是從mrna5端的第一個核苷酸開始的。被轉譯的頭一個密碼子往往位

6、于5端的第25個核苷酸以后。mrna上的起始密碼子常為aug，少數情形下也為gug。 對起始密碼子附近的核苷酸序列進行分析后發(fā)現(xiàn)，在距離起始密碼子上游約10個核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列（稱為shine-dalgarno序列，簡稱sd序列）。它與16srrna3端的核苷酸序列形成互補。 下圖為一些原和生物的sd序列和sd序列于16srrna3端片段之間的互補關系：l 現(xiàn)在已經知道作為多肽合成起始信號的密碼子現(xiàn)在已經知道作為多肽合成起始信號的密碼子有兩個，即甲硫氨酸的密碼子有兩個，即甲硫氨酸的密碼子(aug)(aug)和纈氨酸和纈氨酸的密碼子的密碼子(gug)(gug)(極少出現(xiàn)極少出現(xiàn)

7、) )。在大腸桿菌中在大腸桿菌中, , 起始密碼子起始密碼子aug aug 所編碼的氨基酸并不是甲硫氨所編碼的氨基酸并不是甲硫氨酸本身酸本身, , 而是甲酰甲硫氨酸。而是甲酰甲硫氨酸。fmet-trnafmet-trnaf f的形成的形成met-trnaf + n10-甲酰fh4 fmet-trnaf + fh4甲?；刚婧松铮簃et-trnamet。真核生物無甲基化過程，起始真核生物無甲基化過程，起始氨基酸是氨基酸是met,met,起始起始trnatrna為為met-trnamet-trnametmetfmet-trnaifmet2、起始復合物的形成：原核細胞中的起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸，

8、而不是甲硫氨酸，它是在甲?；缸饔孟滦纬傻?。但需注意的是這種酶只能催化甲硫氨酸-trnaf轉化為甲酰甲硫氨酸-trna(fmet-trna），而不能催化游離的甲硫氨酸或met-trnam的甲酰化。這就是說細胞內有兩種攜帶甲硫氨酸的trna。即trnaf用來與fmet相結合，參與原核生物肽鏈的合成的起始；而trnam攜帶正常的甲硫氨酸摻入肽鏈。 起始復合物的形成可分三個步驟進行：首先始30s的亞基與起始因子3（if3）結合以阻止30亞基與50s亞基重新結合；然后30s亞基與mrna結合成 30smrnaif3復合物（組分比例1:1:1)。第二步是30smrnaif3與已經含有結合態(tài)gtp及甲酰甲

9、硫氨酰-trna的起始因子if1和if2結合形成更大的復合物。第三步是此復合物釋放出if3后就與50s大亞基結合，同時與if2結合的gtp水解生成gdp及磷酸釋放出來。if1及if2也離開此復合物，形成具有起始功能的起始復合物，即30smrna50sfmet-trna。 這時fmettrna占據了核糖體上的肽基部位（p位），空著的氨酰trna部位（a位）準備接受下一個氨酰trna。至此肽鏈延長的準備工作已經完成。 起始復合物形成過程中。起始因子if2具有gtp酶活性，而if1起協(xié)調if2和促進if3離開小亞基的作用。 其起始過程的圖解如下：30s30s復合物形成：復合物形成：augif3if3

10、augif3gtp、if1、if2fmet-trnaf小亞基小亞基auggtp、if1、if2fmetuac570s70s復合物的形成：復合物的形成：auggtp、if1、if2fmetuac5+ 50s50s核糖體核糖體auggtp、if1、if2fmetuac5p p位點位點a a位點位點gdp+pigdp+pi、if1if1、if2if2 在肽鏈合成起始時，首先是核糖體小亞基與在肽鏈合成起始時，首先是核糖體小亞基與mrnamrna上的核糖體結合位點識別結合，然后，大上的核糖體結合位點識別結合，然后，大亞基與小亞基結合，形成完整的核糖體亞基與小亞基結合，形成完整的核糖體( (70s70s起

11、起始復合物始復合物) )。 f f( (三三) )肽鏈的肽鏈的延伸延伸分為三步分為三步：1 1、進位、進位 新的氨酰新的氨酰- trna- trna進入進入a a位。需要消耗位。需要消耗gtpgtp，并需，并需ef-tuef-tu（熱不穩(wěn)（熱不穩(wěn)定）定）,ef-ts,ef-ts（熱穩(wěn)定）兩種延伸因子。（熱穩(wěn)定）兩種延伸因子。 ef-tu-gtp+ef-tu-gtp+下一個要進入的氨酰下一個要進入的氨酰-trna-trna 形成復合物形成復合物，將這個氨，將這個氨酰酰-trna -trna 送入核糖體送入核糖體a a位，同時位，同時gtpgtp gdp + pi gdp + pi，eftu-gd

12、peftu-gdp釋放。釋放。v ef-tu-gdp+ ef-ts ef-tu-ts + gdpef-tu-gdp+ ef-ts ef-tu-ts + gdp ef-tu-ts + gtp ef-tu-gtp + ef-ts ef-tu-ts + gtp ef-tu-gtp + ef-ts重新參與下一輪循環(huán)重新參與下一輪循環(huán)促進氨酰促進氨酰-trna -trna 進入進入a a位與位與mrnamrna結合結合所有氨酰所有氨酰-trna-trna必須與必須與ef-tu-gtpef-tu-gtp結合才可進入結合才可進入70s70s核糖體，除了核糖體，除了fmet-trnafmet-trnaf f

13、f 2 2、轉肽、轉肽 肽酰轉移酶肽酰轉移酶( (反應需要較高濃度的k+參加)在肽酰轉移酶的作用下在肽酰轉移酶的作用下p p位點上位點上f fmet-trnamet-trnaf f的甲酰甲的甲酰甲硫氨酸從相應的硫氨酸從相應的trnatrna上解離下來，其上解離下來，其-cooh-cooh（高能酯（高能酯鍵）鍵）與剛進入與剛進入a a位的氨酰位的氨酰-trna-trna上的上的-nh2-nh2形成肽鍵形成肽鍵（實質是（實質是a a位點氨酰位點氨酰-trna-trna氨基親核攻擊氨基親核攻擊酯鍵羰基酯鍵羰基），），無負荷的無負荷的trnatrna留在留在p p位，此時位，此時a a位點攜帶一個二肽

14、。位點攜帶一個二肽。53paaa-fmetaaapfmet53嘌呤霉素（與嘌呤霉素（與amp相似）與相似）與aa反應生成反應生成氨酰嘌呤霉素，中斷蛋白質的合成反應。氨酰嘌呤霉素，中斷蛋白質的合成反應。 3、脫落：卸下肽鏈無負載的trna從核糖體上面脫落下來。4、移位（translocation）：它是指核糖體沿mrna（53）作相對移動，每次移動的距離位為一個密碼子的位置。移位的結果是原來在a位點上的肽酰-trna又回到了p位點。移位反應需要延伸因子g（也稱移位酶）和gtp參于。 以后每增加一個氨基酸殘基就重復這四個過程，直至a位上出現(xiàn)終止密碼子。pa53也就是：也就是： 在在ef-gef-g

15、（移位酶）的作用下，核糖體沿（移位酶）的作用下，核糖體沿mrna5mrna5 3 3方向移動，每次移動一個密碼子的距離，結果使原來在方向移動，每次移動一個密碼子的距離，結果使原來在a a上上的肽酰的肽酰-trna-trna移到了移到了p p位點，原來在位點，原來在p p位點的無負載的位點的無負載的trnatrna離離開核糖體，同時一個新的密碼子進入空的開核糖體，同時一個新的密碼子進入空的a a位，位， ef-g ef-g 催化催化的的移位過程需水解移位過程需水解gtpgtp提供能量提供能量。肽鏈合成。肽鏈合成從從n-cn-c。pa53pappaa 以上三（或四步）步為一個延伸循環(huán)，肽鏈每以上三

16、（或四步）步為一個延伸循環(huán)，肽鏈每摻入一個氨基酸就重復一次延伸循環(huán)。摻入一個氨基酸就重復一次延伸循環(huán)。 肽鏈合成肽鏈合成從從n-cn-c（四）肽鏈合成的終止與釋放（四）肽鏈合成的終止與釋放v當終止密碼子出現(xiàn)在當終止密碼子出現(xiàn)在a a位時，終止因子結合在位時，終止因子結合在a a位，肽鏈合成終止。位，肽鏈合成終止。 rfrf1 1：識別終止密碼子：識別終止密碼子uaauaa和和uag uag rfrf2 2：識別終止密碼子：識別終止密碼子uaauaa和和ugaugarfrf3 3：具具gtpgtp酶活性，酶活性，激活激活rfrf1 1和和rfrf2 2活性，協(xié)助肽鏈的釋放活性，協(xié)助肽鏈的釋放v終

17、止因子的結合使肽酰轉移酶活性變?yōu)榻K止因子的結合使肽酰轉移酶活性變?yōu)樗饷富钚运饷富钚裕幕晦D移，肽基不轉移給給a a位位trnatrna，而轉移給，而轉移給h h2 2o o，并把已合成的多肽鏈從核糖體和，并把已合成的多肽鏈從核糖體和 trnatrna上釋放出來，無負荷的上釋放出來，無負荷的trnatrna隨機從核糖體脫落，該核糖體立即離開隨機從核糖體脫落，該核糖體立即離開 mrnamrna，在，在ifif3 3存在下存在下, ,消耗消耗gtpgtp而解離為而解離為30s 30s 和和50s50s非功能性亞基。再非功能性亞基。再重復下一輪過程。重復下一輪過程。 肽鏈合成 的終止（termi

18、nation）包括兩步反應：即對mrna上的終止密碼子（終止信號）的識別及水解所合成肽鏈與trna間的酯鍵而釋放出新生的蛋白質： 肽鏈合成的終止密碼子有三種，即uaa、uag和uga。三種蛋白質因子（rf1、rf2、rf3）參與這一步反應。rf1識別密碼子uaa、uag；rf2幫助識別uaa、uga。rf3不識別任何終止密碼子，但能協(xié)助肽鏈釋放。rf1或rf2可能還可以使p位點上的肽酰轉移酶活力轉變?yōu)樗饣盍?，從而使肽酰trna不再轉移到氨酰trna上，而轉入水相中。一旦trna從70s核糖體脫落，該核糖體就立即離開mrna，解離成50s與30s亞基，重新參加新一輪反應中去 以合成另一新的蛋白

19、質。 在trna從核糖體上脫落過程中，還需要肽鏈釋放因子rr的參與。此外，if3與30s亞基結合后，可防止50s亞基與30s亞基的重新聚合。 肽鏈終止和釋放圖解如下：v蛋白質的合成是一個高耗能過程蛋白質的合成是一個高耗能過程 aaaa活化活化 2 2個高能磷酸鍵（個高能磷酸鍵（atpatp） 肽鏈起始肽鏈起始 1 1個（個（70s70s復合物形成，復合物形成，gtpgtp） 進位進位 1 1個（個（gtpgtp） 移位移位 1 1個（個（gtpgtp） 第一個氨基酸參入需消耗第一個氨基酸參入需消耗3 3個（活化個（活化2+2+起始起始1 1 ）以后每摻入一個以后每摻入一個aaaa需要消耗需要消

20、耗4 4個（活化個（活化2 +2 +進位進位 1 1個個 + +移位移位1 1個）。個）。（五）真核細胞蛋白質的生物合成 真核細胞蛋白質合成的機理與原核十分相似，但是某些步驟更為復雜，涉及到的蛋白質因子也更多。 1、核糖體更大：真核細胞的核糖體為80s，可解離成60s和40s兩個亞基。 2、起始trna：真核細胞多肽合成的起始氨基酸為甲硫氨酸，而不是n-甲酰甲硫氨酸。起始trna為met-trnamet，此trna不含tc序列，這在trna家族中是十分特殊的。 3、起始密碼子：為aug，它的上游5端也不富含嘌呤（sd）的序列。它通常是在mrna5端的aug密碼子所在的位置也就是多肽合成的起始點

21、。40s核糖體與mrna5端的帽子相結合后，向3-方向移動，以便尋找aug密碼子，這過程要消耗atp。真核細胞mrna通常只有一個aug密碼子，每種mrna只轉譯出一種多肽。 4、起始復合物：真核細胞中涉及的蛋白質因子比原核要多。原核生物的起始因子有3種，而真核生物可達 9種左右（詳細情況見書中描述）。 5、肽鏈延伸因子和終止因子：真核細胞蛋白質生物合成的肽鏈延長因子一是ef1，它可與gtp、氨酰trna形成復合物，促使氨酰trna進入核糖體。其二是ef1，它催化gdp與gtp交換，利于ef1循環(huán)利用。而移位是由ef2作用進行的，相當于原核生物的ef-g，它催化gtp水解和驅動氨酰trna從a

22、位移到p位。原核生物的終止密碼分別由rf1和rf2所識別，而真核生物只有一種釋放因子（rf因子）識別所有終止密碼子。6、蛋白質激酶參與真核細胞蛋白質合成的調節(jié)：在真核細胞中，蛋白質激酶可以催化起始因子eif2的磷酸化。而eif2的作用是將met-trnamet運送至40s核糖體亞基上，eif2被磷酸化后就難以再投入下一輪的起始作用。所以蛋白質合成受到抑制。若使其恢復其功能，必須解除其磷酸化，這由專一的磷酸酶來催化。 eif2的磷酸化作用具有重要的生理意義：如當血紅素含量降低時，血紅蛋白的合成就會受到抑制（血紅素缺乏可激活蛋白激酶），這樣就可防止無血紅素血紅蛋白的合成，因為它很易變性。細胞是不會

23、做這種徒勞無功的事情的。（六）蛋白質合成的抑制劑 除了嘌呤霉素外，還有許多抗菌素及毒素抑制蛋白質的合成。 鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素可抑制原核細胞的轉譯，但不抑制真核細胞的轉譯。其外，鏈霉素、卡那霉素、新霉素可與原核細胞的30s核糖體結合，可引起密碼錯讀。 亞胺環(huán)己酮只作用于80s核糖體，所以只抑制真核細胞的轉譯。 白喉棒狀桿菌所產生的白喉毒素是一種蛋白質可與ef2結合，可以抑制肽鏈的移位作用。（七）多肽合成后的定向輸送及轉譯后加工在核糖體上新合成的多肽被送往細胞的各個部分，以行使各自的功能?，F(xiàn)已經知道，新合成的多肽是定向且有目的輸送的。到達目的地后可再進行一系列的加工而轉變?yōu)榫哂猩锘钚缘牡鞍踪|

24、。 定向輸送：在真核細胞中，當某一蛋白質多肽的n-端剛開始不久，這種多肽合成后的去向就已被決定。而行使定向作用的是在其n-端有一段起信號作用的肽段，這個肽段成為信號肽（signal sequence）。 信號肽的概念是由d.salatini和g.blobel提出的，以后，c.milstein和g.brownlee在體外合成的免疫球蛋白肽鏈的n-端找到了這種信號肽。隨后人們在不同的個體中發(fā)現(xiàn)了這種信號肽。 信號肽具有一些共同的特征：肽鏈長度為13-26個氨基酸殘基，氨基端至少含有一個帶正電荷的氨基酸，在中部有一段長度為10-15個氨基酸殘基且高度疏水性的肽鏈，常見的有丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、異亮

25、氨酸和苯丙氨酸。此疏水區(qū)極為重要，其中的某一個氨基酸被非極性氨基酸置換時，信號肽就失去其功能；在信號肽的c-端有一個可被信號肽酶識別的位點，此位點上游有一段疏水區(qū)較強的5肽，信號肽切點上游的第一個（-1）及第三個（-3）氨基酸常為具有一個小側鏈的氨基酸（如丙氨酸）。 信號肽的位置也不一定在新生肽的n-端。有些蛋白質（如卵清蛋白）的信號肽位于多肽鏈的中部，但其功能相同。 信號肽是由信號識別體（signal recognition particle,srp）來識別的。 spr有兩個功能區(qū)，一個用于識別信號肽，另一個用以干擾進入的氨酰-trna的肽酰移位酶的反應，以終止肽鏈的延伸。信號肽與spr的結

26、合發(fā)生在蛋白質合成剛一開始時，即n-端的新生肽鏈剛一出現(xiàn)時，一旦spr與帶有新生肽鏈的核糖體相結合，肽鏈的延伸就暫時終止或減弱。然后spr-核糖體復合物就移動到內質網上并與那里的spr受體停泊蛋白（docking protein）結合，一旦與此受體相結合后，蛋白質合成的延伸又重新開始。然后，帶有新生肽鏈的核糖體被送入多肽移位裝置，同時，spr又被釋放到胞漿中，新生肽鏈又繼續(xù)延伸。其作用過程如下圖：信號肽的識別過程 1 1、 水解水解n n末端的末端的( (甲酰甲酰) )甲硫氨酸的切除甲硫氨酸的切除. .在去甲酰酶催化下將肽鏈合成的起始氨基酸在去甲酰酶催化下將肽鏈合成的起始氨基酸- -甲酰甲硫甲

27、酰甲硫氨酸水解脫掉甲?；员汶逆溞纬伤璧臉嬒蟀彼崴饷摰艏柞；员汶逆溞纬伤璧臉嬒? .在氨肽酶催化下切去在氨肽酶催化下切去n n末端一個或幾個氨基酸。末端一個或幾個氨基酸。多肽鏈還未釋放時，上兩個過程已發(fā)生。而真核生物多肽鏈還未釋放時，上兩個過程已發(fā)生。而真核生物15-3015-30氨基酸時，就已開始上過程。氨基酸時，就已開始上過程。水解斷裂水解斷裂如動物體中蛋白酶形成的是無活性的酶原，到消化道如動物體中蛋白酶形成的是無活性的酶原，到消化道后，水解切下一部分肽鏈，使酶原變成有活性的酶。后，水解切下一部分肽鏈，使酶原變成有活性的酶。 2 2、氨基酸側鏈的、氨基酸側鏈的修飾修飾脯氨酸、賴氨酸側鏈發(fā)生羥基化作用。脯氨酸、賴氨酸側鏈發(fā)生羥基化作用。蘇氨酸、絲氨酸、酪氨酸羥基磷酸化。如糖原磷酸化酶蘇氨酸、絲氨酸、酪氨酸羥基磷酸化。如糖原磷酸化酶糖基化作用使蛋白質多肽鏈轉變成糖蛋白（糖基化作用使蛋白質多肽鏈轉