第十节蛋白质生物合成

第十节蛋白质生物合成
蛋白质生物合成的概述
(_)蛋白质生物合成的概念
蛋白质生物合成是以mRNA为模板，按照mRNA分子中由核苷酸组成的密码信息合成 蛋白质分子中氨基酸序列的过程，也称为翻译。
根据中心法则，DNA通过转录将遗传信息传递至mRNA分子，再通过翻译将遗传信息从 mRNA传递到蛋白质分子中。蛋白质是遗传信息表现的功能形式，是生命活动的物质基础。 蛋白质生物合成是一个涉及数百种分子参与的复杂的耗能过程。蛋白质的生物合成体系包括 20种原料氨基酸、模板mRNA、氨基酸的运载工具tRNA、肽链的装配机核糖体、某些重要的 酶类和蛋白质因子、能源物质GTP和ATP，以及无机离子等。
蛋白质的生物合成包括3个反应过程:①氨基酸的活化;②肽链的生物合成;③肽链形成 后的加工过程。此外，多种蛋白质在胞液合成后还需要定向输送到相应细胞部位发挥作用。
(二）蛋白质生物合成体系和遗传密码(表1-4)
蛋白质的生物合成是一个由多种分子参与的复杂过程。20种被编码氨基酸是蛋白质生 物合成的基本原料，mRNA、tRNA和核糖体分别是蛋白质生物合成的模板、“适配器”和“装配 机”。此外，参与氨基酸活化及肽链合成的起始、延长和终止阶段的多种蛋白质因子、其他蛋白

质、酶类、供能物质和某些无机离子也是蛋白质生物合成不可缺少的。
的碱基序列信息就转 化为多肽链中氨基酸的排列顺序。所以，mRNA是蛋白质生物合成的直接模板。
mRNA分子由5'-端非翻译区、开放阅读框架区和3'-端非翻译区3部分组成。开放阅读 框架区与编码蛋白质的基因序列相对应。在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷 酸为一组，代表一种氨基酸或其他信息，这种存在于mRNA的开放阅读框架区的三联体形式 的核苷酸序列称为密码子。由A、G、C、U这4种核苷酸可组合成64个三联体密码子。在64 个密码子中，有61个密码子分别代表不同的氨基酸。AUG既编码多肽链中的甲硫氨酸，又作 为多肽链合成的起始信号。作为起始信号的AUG称为起始密码子。另有3个密码子UAA、 UAG、UGA不编码任何氨基酸，只作为肽链合成终止的信号，称为终止密码子。从mRNA5'- 端的起始密码子AUG到3'-端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架，通常的 0RF包含5⑻个以上的密码子。
表1-4遗传密码表

第一核苷酸		第二锷苷酸			第三核苷酸
..；(5，)	.u- ; .■.	■ ... ■■	A .	..::G	(3，）
	苯丙氨酸u U U	丝氨酸u C U	酪氨酸U A U	半胱氨酸u G U	U
U	苯丙氨酸u U C	丝氨酸u C C	酪氨酸U A C	半胱氨酸u G C	c
	亮氨酸U U A	丝氨酸U C A	终止密码U A A	终止密码U G A	A
	亮氨酸U U G	丝氨酸U C G	终止密码U A G	色氨酸U G G	G
	亮氨酸C U U	脯氨酸C C U	组氨酸C A U	精氨酸C G U	U
C	亮氨酸C U C	脯氨酸C C C	组氨酸C A C	精氨酸CGC	C
	亮氨酸C U A	脯氨酸C C A	谷氨酰胺C A A	精氨酸C G A	A
	亮氨酸C U G	脯氨酸C C G	谷氨酰胺C A G	精氨酸C G G	G
	异亮氨酸A U U	苏氨酸A C U	天冬酰胺A A U	丝氨酸A G U	U
A	异亮氨酸A U C	苏氨酸A C C	天冬酰胺A A C	丝氨酸A G C	C
	异亮氨酸A U A	苏氨酸A C A	赖氨酸A A A	精氨酸A G A	A
	甲硫氨酸AUG	苏氨酸A C G	赖氨酸A A G	精氨酸A G G	G
	缬氨酸G U U	丙氨酸G C U	天冬氨酸G A U	甘氨酸G G U	U
G	缬氨酸GUC	丙氨酸G C C	天冬氨酸G A C	甘氨酸G G C	C
	缬氨酸G U A	丙氨酸GCA	谷氨酸G A A	甘氨酸G G A	A
	缬氨酸G U G	丙氨酸G C G	谷氨酸G A G	甘氨酸G G G	G

遗传密码具有以下重要特点：方向性（5'—3');连续性（密码子及密码子的各碱基之 间没有间隔）；简并性（一种氨基酸可具有两个或两个以上的密码子）；通用性（遗传密码基 本上适用于生物界的所有物种）；摆动性（第3位密码子与第1位反密码子之间的配对并 不严格）。
密码子的特异性主要由头两位核苷酸决定，如丙氨酸的密码子是GCU、GCC、GCA、 GCG，而ACU、ACC、ACA、ACG都编码苏氨酸。这意味着第三位碱基的改变往往不改变其 密码子编码的氨基酸，从而使合成的蛋白质结构不变。因此，遗传密码的简并性对于减少基因 突变对蛋白质功能的影响具有一定的生物学意义。

2. 核糖体rRNA和多种蛋白质构成核糖体。参与蛋白质生物合成的各种成分最终都

要在核糖体上将氨基酸合成多肽链，所以，核糖体是蛋白质生物合成的场所。核糖体由大、小 的 28S rRNA、5. 8S rRNA、5S rRNA和49种蛋白质组成，小亚基(40S)由18S rRNA和33种蛋 白质组成，大、小亚基结合形成80S的核糖体。大、小亚基所含蛋白质分别称为rpL和rpS，它 们多是参与蛋白质生物合成过程的酶和蛋白质因子。
核糖体上的P位、A位分别结合肽酰-tRNA和氨基酰-tRNA。核糖体小亚基介导mRNA 序列上的密码子与tRNA分子中的反密码子之间精密的相互作用，从而保证了遗传信息转换 的准确性。核糖体大亚基蛋白质具有转肽酶活性，催化肽键形成而延长新生肽链。各种底物 氨基酸需和相应的tRNA结合，活化为氨基酰-tRNA，运载各种氨基酸进入蛋白质肽链的正确 位置，氨基酰-tRNA合成酶在其中起重要作用。

3. tRNA氨基酸需要由tRNA搬运到核糖体上才能组装成多肽链，所以，tRNA起着运 载氨基酸的作用。tRNA还起适配器的作用，即mRNA序列中密码子的排列顺序通过tRNA “改写”成多肽链中氨基酸的排列顺序。

tRNA具有与氨基酸结合和与mRNA结合的2个部位。氨基酸结合部位是tRNA氨基 酸臂的-CCA腺苷酸3'-轻基。氨基酸与特定的tRNA分子结合，形成氨基酰-tRNA。氨基酰- tRNA是氨基酸的活化形式。tRNA与mRNA的结合部位是tRNA的反密码子。tRNA所 携带的各自氨基酸就可以按mRNA序列准确地排列成肽链中氨基酸序列。

4. 蛋白质生物合成需要的酶类、蛋白质因子等参与蛋白质生物合成的重要酶有氨基 酰-tRNA合成酶、转肽酶和转位酶等。在蛋白质生物合成的各阶段有很多重要蛋白质因子参 与反应，主要有起始因子、延长因子、释放因子(又称终止因子)等。

(三）蛋白质生物合成的基本过程

1. 氨基酸的活化氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的 活化。氨基酸的活化由氨基酰-tRNA合成酶催化生成，每个氨基酸活化需消耗2个高能磷酸 键。氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。
2.  肽链合成的起始翻译过程是从mRNA的起始密码子AUG开始，按3'方向逐一 读码，直至终止密码子。真核生物起始氨基酰-tRNA是Met-tRNAi^M"。肽链的合成过程是从 起始甲硫氨酸开始，从N-端向C-端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸。起 始步骤包括:①核糖体大、小亚基分离;②Met-tRNAi^M«与核糖体小亚基结合;③mRNA在核 糖体小亚基就位;④核糖体大亚基结合。
3. 肽链的延长肽链的延长需要经历的步骤是:①氨基酰-tRNA的进位;②成肽反应； ③核蛋白体移位至mRNA上的下一个密码子。
4. 肽链合成的终止当翻译到A位上出现终止密码子时，释放因子与相应的终止密码子 结合，肽链从肽酰tRNA中释出，mRNA、核糖体大、小亚基等分离，这过程为肽链终止。

无论在原核细胞还是真核细胞内，1条mRNA模板链都可附着10〜100个核糖体，这些 核糖体依次结合起始密码子并沿5'—3'方向读码移动，同时进行肽链合成，这种mRNA与多 个核糖体形成的聚合物称为多聚核糖体。多聚核糖体的形成可以使蛋白质生物合成以高速 度、高效率进行。

5. 蛋白质翻译后修饰新合成的肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工 过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰。翻译后修饰包 括多肽链折叠为天然的三维构象及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。

折叠:完成多肽链折叠所需的所有信息都包含在蛋白质自身的氨基酸排列顺序中，即一级
 伸而逐步折叠，产生正确的二级结构、模体、结构域到形成完整空间构象。分子伴侣是一类重 要的参与蛋白质折叠的蛋白质因子。
N-端和C-端的化学修饰:翻译过程中，新生肽链的第一个氨基酸为甲硫氮酸(真核生物）， 细胞内氨基肽酶可以除去N-端甲硫氨酸或N-端附加序列(如信号肽）；真核生物中，约50%的 蛋白质有N-端氨基酸的乙酰化;在肽链合成过程中即可发生N-端修饰。C-端的氨基酸残基 有时也出现修饰现象。
氨基酸残基的化学修饰:蛋白质分子中某些氨基酸残基的侧链可进行翻译后的共价修饰。 由于这些共价修饰，组成蛋白质的氨基酸种类显著增加。这些化学修饰有①糖基化;②羟基 化;③甲基化;④磷酸化;⑤二硫键形成;⑥亲脂性修饰。
水解加工:某些无活性的蛋白质前体可经蛋白酶水解，生成具有活性的蛋白质或多肽。
蛋白质空间结构修饰:通过非共价键使亚基聚合，而形成具有四级结构的蛋白质。此外， 蛋白质与辅基连接后，形成完整的结合蛋白质。
(四）蛋白质生物合成与医学的关系
真核、原核生物的翻译过程既相似又有差别，这些差别在临床医学中具有重要应用价值。 蛋白质生物合成是很多抗生素和某些毒素的作用靶点。

1. 干扰素可抑制病毒的繁殖，保护宿主细胞。在某些病毒双链RNA存在时，干扰素能 诱导特异的蛋白激酶活化，该活化的蛋白激酶使eIF-2磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合 成;此外干扰素能与双链RNA共同活化特殊的2^寡聚腺苷酸合成酶，催化ATP聚合，生成 2'-5'寡聚腺苷酸,后者活化核酸内切酶RNase L,以降解病毒mRNA,从而阻断病毒蛋白质 合成。

干扰素除抗病毒作用外，还有调节细胞生长分化、激活免疫系统等作用，已普遍应用于临 床治疗。

2. 抗生素是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，可阻断细菌蛋白质合成而抑 制细菌生长和繁殖，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。 抗生素可通过影响翻译的不同过程，达到抑菌的作用。表1-5显示了常用抗生素抑制蛋白质 生物合成的基本原理。

表1-5常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用

抗生素	\ .，作用位点	^ 作用原埋	.■应用……
伊短菌素	原核、真核核糖体小亚基	阻碍翻译起始复合物的形成	.抗肿瘤药
四环素、土霉素	原核核糖体小亚基	抑制氨基酰-tRNA与小亚基结合	抗菌药
链霉素、新霉素、巴龙霉素	原核核糖体小亚基	改变构象引起读码错误、抑制起始	抗菌药
氯霉素、林可霉素、红霉素	原核核糖体大亚基	抑制转肽酶、阻断肽链延长	抗菌药
嘌呤霉素	原核、真核核糖体	使肽酰基转移到它的氨基上后脱落	抗肿瘤药
放线菌酮	真核核糖体大亚基	抑制转肽酶、.阻断肽链延长	医学研究
夫西地酸、细球菌素	EF-G	抑制EF-G、阻止转位	抗菌药
大观霉素	原核核糖体小亚基	阻止转位	抗菌药