第十一章 蛋白質(zhì)的生物合成

第十一章

蛋白質(zhì)的生物合成溫州醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教研室李春洋遺傳信息貯存于DNA分子中，通過轉(zhuǎn)錄生成mRNA，由mRNA傳遞的遺傳信息被蛋白質(zhì)生物合成成為蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序，因此蛋白質(zhì)生物合成過程又稱為翻譯。蛋白質(zhì)生物合成過程中需要200多種生物大分子參加，其中最關(guān)鍵的是mRNA、tRNA、rRNA。翻譯包含起始、延長和終止三個階段的連續(xù)過程。蛋白質(zhì)生物合成的多肽鏈，要經(jīng)過翻譯后的加工，多種蛋白質(zhì)在胞液合成后還需要輸送到適當(dāng)部位發(fā)揮作用。第一節(jié)

參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)一、蛋白質(zhì)生物合成需要的原料氨基酸是蛋白質(zhì)合成的原料，由mRNA編碼的氨基酸只有20種，它們是蛋白質(zhì)合成的直接原料。蛋白質(zhì)分子中含有的一些特殊氨基酸是在肽鏈合成后經(jīng)修飾加工形成的。二、三種RNA在翻譯中所起的作用（一）mRNA的作用mRNA是結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，含有DNA傳遞的遺傳信息。mRNA分子上以5＇→3＇方向，由AUG開始到3＇端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為一個開放閱讀框架。在閱讀框架內(nèi)，每3個連續(xù)的核苷酸組成一個三聯(lián)體的遺傳密碼解讀蛋白質(zhì)中20種氨基酸，稱為遺傳密碼子。UCAGUCAGUCAGUCAG遺傳密碼的特點：方向性——起始密碼子總是位于開放閱讀框架5＇端，終止密碼子位于3＇-末端，且密碼子的三個核苷酸也是按5＇→3＇方向閱讀的。連續(xù)性——閱讀mRNA分子中遺傳密碼是從5＇端起始密碼起始開始每3個核苷酸連續(xù)不斷地向3＇端閱讀，直至終止密碼出現(xiàn)。簡并性——一個氨基酸具有兩種或兩種以上密碼子（同義密碼）的現(xiàn)象（除蛋氨酸和色氨酸外）。擺動性——密碼子和反密碼子配對，有時會出現(xiàn)不遵循堿基配對規(guī)律的情況，稱為遺傳密碼的擺動性。通用性——是指所有生物體在蛋白質(zhì)生物合成過程中使用的遺傳密碼相同。tRNA反密碼子第1位堿基mRNA反密碼子第3位堿基IU、C、AUA、GGU、CAUCG（二）tRNA的作用一種氨基酸可以和2～6種tRNA特異地結(jié)合，tRNA分子反密碼環(huán)的反密碼子與mNRA的密碼子配對。反密碼子與密碼子配對有時不嚴(yán)格遵守堿基配對原則，出現(xiàn)擺動配對。（三）rRNA的作用各種細胞核蛋白體都有大、小兩個亞基構(gòu)成，每個亞基都由多種rRNA和核蛋白質(zhì)組成。胞質(zhì)中的核蛋白體分為兩類：一類附著于粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；另一類游離于胞質(zhì)。核蛋白體小亞基上有mRNA結(jié)合的部位，使mRNA附著于核蛋白體上；大亞基不僅有轉(zhuǎn)肽酶活性，還有結(jié)合氨基酰的A位和結(jié)合肽酰的P位（在原核生物還有E位）。三、蛋白質(zhì)合成酶系1.氨基酰-tRNA合成酶——在ATP存在時，催化生成氨基酰-tRNA，具有絕對專一性和校正活性；2.轉(zhuǎn)肽酶——位于核蛋白體大亞基（核酶），其作用是使大亞基P位上的肽酰基轉(zhuǎn)移到A位上氨基?；陌被仙呻逆I；3.轉(zhuǎn)位酶——其活性存在于EF-G，其作用是使核蛋白體向mRNA的3＇-端移動一個密碼子的距離。氨基酸+tRNA+ATP氨基酰-tRNA+AMP+PPi氨基酰-tRNA合成酶Mn2+或Mg2+四、其他因子其他蛋白質(zhì)因子，如起始因子（IF/eIF）、延長因子（EF/eEF）、釋放因子（RF/eRF）等；無機離子，如Mg2+、K+等；供能物質(zhì)，如ATP、GTP等。第二節(jié)

蛋白質(zhì)生物合成的過程一、氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運“L”形的tRNA具有兩個功能端：一端是反密碼子，能識別mRNA中的密碼子并與它配對結(jié)合；另一端能與氨基酸共價結(jié)合。tRNA攜帶的氨基酸是由氨基酰-tRNA合成酶催化的，該酶具有絕對專一性，能特異地識別氨基酸和tRNA，并利用ATP釋放的能量完成氨基酰-tRNA的合成。氨基酸+ATP-E氨基酰-AMP-E+PPi氨基酰-tRNA+AMP+E氨基酰-AMP-E+tRNA密碼子AUG可編碼蛋氨酸（Met），同時還是起始密碼。在蛋白質(zhì)合成過程中特異識別mRNA上起始密碼子AUG的tRNA稱為起始tRNA，用tRNAi或者tRNAimet表示；在多肽鏈延伸過程中運載氨基酸的tRNA統(tǒng)稱為普通tRNA

，用tRNA或者tRNAmet表示。真核生物：Met-tRNAiMet

原核生物：fMet-tRNAifMet二、原核生物蛋白質(zhì)的合成（一）肽鏈生物合成的起始原核蛋白質(zhì)生物合成起始是指大、小亞基、mRNA和具有啟動作用的氨基酰-tRNA聚合為起始復(fù)合物的過程。參與起始復(fù)合物形成的物質(zhì)有核蛋白體大亞基、核蛋白體小亞基、mRNA、起始氨基酰（甲酰蛋氨酰）-tRNA和各種起始因子（IF或eIF）等。原核生物翻譯起始分為三個階段：核蛋白體亞基的拆離30S前起始復(fù)合物的形成70S起始復(fù)合物的形成30S50S50S30SIF3IF1IF1IF3mRNAAUG26345S-DGTP，Mg2+IF3IF1mRNAAUG26345S-DmRNAAUG26345S-DfMet-tRNAfMetIF2IF1,2,3mRNAAUG26345S-DfMet-tRNAfMet30SIF3IF1IF1IF2IF3GDP+Pi50SmRNAAUG26345S-DIF1,2,3mRNAAUG26345S-DfMet-tRNAfMetfMet-tRNAfMet（二）肽鏈的形成與延長肽鏈延長階段是指根據(jù)mRNA密碼序列的指導(dǎo)，依次添加氨基酸，從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。原核和真核生物翻譯延長過程基本相同，可分為進位、成肽和轉(zhuǎn)位三個步驟，每循環(huán)一次延長一個氨基酸。延長階段需要的蛋白質(zhì)因子稱為延長因子（EF），還需要GTP、Mg2+和K+等參與。（一）進位根據(jù)A位上對應(yīng)的mRNA遺傳密碼，相應(yīng)的氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位，稱為進位（又稱為注冊）。在進位前需要延長因子EF-T（包括Tu、Ts兩個亞基）和EF-G的作用。（二）成肽（三）轉(zhuǎn)位進位成肽轉(zhuǎn)位（三）肽鏈合成的終止參與肽鏈終止的蛋白質(zhì)因子稱為釋放因子（RF）：RF-1（識別UAA、UAG）、RF-2（識別UAA、UGA）和RF-3（轉(zhuǎn)肽酶變構(gòu)、激活其酯酶活性）。解聚后的大小亞基又可重新聚合形成起始復(fù)合物，開始另一條肽鏈的合成，此過程即核蛋白體循環(huán)。三、真核生物蛋白質(zhì)的合成（一）參與蛋白質(zhì)生物合成的蛋白質(zhì)因子參與翻譯的起始因子較多原核細胞延長因子EF-Tu和EF-G對應(yīng)的真核細胞延長因子eIF-1和eIF-2，tRNA釋放方式不同真核細胞釋放因子只有一種，具有GTP酶活性（二）起始的氨基酰-tRNA生成起始復(fù)合物IF大小亞基分離起始tRNA結(jié)合mRNA就位IF-3、IF-1核酸-核酸、核酸-蛋白質(zhì)的辨認結(jié)合eIF-3、3A、4CeIFIF-2、IF-1eIF-2、2B、3、4CeIF-3、1、4A、4B、4E、4F大亞基結(jié)合GTP水解、各種IF脫落eIF-5原核生物真核生物功能EF-TuEF-TsEF-G促進氨基酰-tRNA進入A位，結(jié)合GTP調(diào)節(jié)亞基，從EF-Tu中置換出GDP有轉(zhuǎn)位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位進至P位，促進卸載tRNA的釋放EF1-αEF1-β、γEF2（三）mRNA結(jié)構(gòu)真核生物的mRNA含有7-甲基鳥苷三磷酸形成的帽子結(jié)構(gòu)（與核蛋白體結(jié)合）和多聚腺苷酸的尾（跨核膜轉(zhuǎn)運）的單順反子。真核生物mRNA代謝較慢，無SD序列，其前體常含有插入序列，需要在加工時切除。某些可感染哺乳動物的RNA病毒，其RNA部分呈mRNA活性，RNA內(nèi)含有核蛋白體進入位點（類似SD序列）。（四）形成起始復(fù)合物的機制核蛋白體大、小亞基分離起始氨基酰-tRNA的結(jié)合mRNA在核蛋白體小亞基的準(zhǔn)確就位（掃描）核蛋白體大亞基結(jié)合40SMet-GTP-eIF2eIF3eIF4C40SmRNAMetMetATPADP+PiGDP+PieIF2,3,4,C,5eIF4A,4B,4E,4FeIF560SMet（五）轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)生物合成的不同步性（六）核糖體結(jié)構(gòu)（七）抑制劑多聚核蛋白體循環(huán)細胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)時常常一條mRNA鏈上結(jié)合著多個核蛋白體同時進行肽鏈的合成，形成多聚核蛋白體循環(huán)；核蛋白體在mRNA上最大密度為相隔80個核苷酸有一個核蛋白體。第三節(jié)

蛋白質(zhì)合成后的加工和靶向轉(zhuǎn)運一、蛋白質(zhì)生物合成后的加工（一）新生肽鏈的折疊蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶肽鏈脯氨酸異構(gòu)酶分子伴侶GroESGroEL熱休克蛋白HSP60GroEL（Hsp60）折疊蛋白質(zhì)的過程二、一級結(jié)構(gòu)的修飾1.起始蛋氨酸的去除2.剪接修飾3.部分氨基酸的共價修飾⑴磷酸化修飾；⑵糖基化修飾；⑶羥基化修飾；⑷二硫鍵形成。KR：賴氨酸和精氨酸殘基MSH：促黑激素LT：脂酸釋放激素ACTH：促腎上腺皮質(zhì)激素信號肽KRKRKRKR103肽ACTHα-LTβ-MSHα-MSH內(nèi)啡肽POMCPOMC：阿黑皮素原三、高級結(jié)構(gòu)的修飾亞基的聚合輔基的連接疏水脂鍵的連接糖鏈的添加二、蛋白質(zhì)生物合成后的靶向轉(zhuǎn)運不論是原核生物還是真核生物，細胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)都需要定位于細胞的特定區(qū)域才能發(fā)揮其作用，蛋白質(zhì)合成后定向輸送到其執(zhí)行功能的區(qū)域的現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的靶向轉(zhuǎn)運（又稱為蛋白分送）。蛋白質(zhì)靶向轉(zhuǎn)運去向：①保留在胞質(zhì)；②進入線粒體、細胞核或其他細胞器；③分泌入體液，再輸送到其應(yīng)發(fā)揮作用的靶器官和靶細胞。1.原核生物蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運

原核生物細胞外膜、內(nèi)膜和周質(zhì)膜間隙所含的蛋白質(zhì)幾乎都是分泌蛋白，其中絕大多數(shù)含有信號肽。信號肽（也稱為信號序列）是指分泌性蛋白質(zhì)其N端14～36個以疏水氨基酸為主的保守性序列。信號肽的作用是將合成的蛋白質(zhì)移向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，與之結(jié)合最終穿過胞膜送出細胞外。2.真核生物蛋白質(zhì)的分泌在真核細胞中，蛋白質(zhì)的生物合成與分泌是同時時行的，真核細胞合成的蛋白質(zhì)的N端也有信號肽，也能形成兩個-螺旋發(fā)夾結(jié)構(gòu)，插入到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，將正在合成中的多肽鏈帶入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中由粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)移行，最后進入高爾基體；在高爾基復(fù)合體中進一步加工后，貯存于分泌泡，泡膜與質(zhì)膜融合，即可排出細胞外。第四節(jié)

蛋白質(zhì)生物合成與醫(yī)學(xué)的關(guān)系

一、基因突變對蛋白質(zhì)生物合成的影響由于DNA分子上基因的缺陷使RNA和蛋白質(zhì)合成異常，導(dǎo)致體內(nèi)某些組織細胞結(jié)構(gòu)和功能異常，由此造成的疾病稱為分子病。鐮形紅細胞貧血病人Hb(HbS)β亞基N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·

·

·

·

·

·

C肽鏈CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亞基N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·

·

·

·

·

·

C肽鏈CTCGAG基因二、病毒對蛋白質(zhì)生物合成的影響某些病毒如（如大腦心肌炎病毒）的蛋白質(zhì)生物合成比宿主有效得多。呼吸道、腸道病毒和皰疹性口炎病毒等都可大量復(fù)制，對于有限的蛋白質(zhì)生物合成因子來說，它們的mRNA比宿主細胞的mRNA更具競爭優(yōu)勢。某些病毒還可以阻止mRNA與40S核糖體結(jié)合，從而抑制宿主細胞蛋白質(zhì)的合成。三、抗生素對蛋白質(zhì)生物合成的影響抗生素一般是細菌或真菌所產(chǎn)生的具有抵制其他生物生長的物質(zhì)。許多具有殺菌或抑制細菌生長的作用而被廣泛應(yīng)用于臨床和科研工作?？股胤N類繁多，有不少直接作用于蛋白質(zhì)生物合成的各個階段，其作用機制各有不同?？股匾种频鞍踪|(zhì)生物合成的原理抗生素作用機制作用點利福霉素