《生化学》蛋白质的生物合成（生物化学蛋白质的生物合成）

蛋白质的生物合成

一．蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称翻译(translation)，是生物细胞以mRNA为模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。将核酸中 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序。蛋白质生物合成是基因表达的最终阶段。

1.反应过程：氨基酸的活化，肽链的生物合成（起始、延长和终止），肽链形成后的加工和靶向输送。

2.生物学意义：蛋白质合成在细胞生命过程中有至关重要的核心作用（生命必需和药物作用靶点）。

二．蛋白质生物合成体系：

1.基本原料:20种编码氨基酸。

2.三种RNA:mRNA—模板; tRNA —适配器；核蛋白体—装配机。

3.主要酶和蛋白质因子:氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等。

4.能源物质:ATP、GTP。

5.无机离子:Mg2 、K 。

三．mRNA的基本结构。

1.组成：5’-端非翻译区、开放阅读框架、3’-端非翻译区。

2.从mRNA 5’–端起始密码子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(ORF)。

3.顺反子:遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为。

四．遗传密码。

1.密码子（codon）：在mRNA的开放阅读框架区，从5’至3’方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(有43个)。其破译在生物学史上有里程碑的意义。

2.有意义密码：能决定氨基酸的密码子（61个）。

3.起始密码子(initiation codon)：AUG。

4.终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA。

5.特点：方向性(directional。翻译时遗传密码的阅读方向是5’→3’，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按5’→3’的方向逐一阅读，直至终止密码子)、连续性(non-punctuated。编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔、无重叠)、简并性(degenerate。一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码，存在“三中读二”的规律)、通用性(universal。从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码)、摆动性(wobble。转运氨基酸的tRNA的反密码子需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码子与密码子间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。通常出现在密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基之间)。

五．核蛋白体的组成。

1.核蛋白体又称核糖体，是由rRNA和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。

2.原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式：A位氨基酰位、P位肽酰位、E位排出位。

六．tRNA。

1.结构：二级结构三叶草型（由氨基酸臂、反密码环、DHU环、TΨC环组成），三级结构呈L型。

2.作用：运载氨基酸（氨基酸各由其特异的tRNA携带，一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸的羧基结合在tRNA 3ˊ-CCA的位置（形成酯键），结合需要ATP供能）；充当“适配器”（每种tRNA的反密码子决定了所携带的氨基酸能准确地在mRNA上对号入座）。

七.重要的酶类。

1.氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸的活化；

2.转肽酶(peptidase)：催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键;并受释放因子的作用后发生变构，表现出酯酶的水解活性，使P位上的肽链与tRNA分离；

3.转位酶(translocase)：催化核蛋白体向mRNA3’-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。

八．蛋白因子（原核生物）。

1.起始因子：IF-1（占据A位防止结合其他tRNA）、IF-2（促进起始tRNA与小亚基结合）、IF-3​（促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA的敏感性）。

2.延长因子：EF-Tu（促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTP）、EF-Ts​（调节亚基）、EF-G​（有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位，促进tRNA卸载与释放）。

3.释放因子： RF-1（特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶）、RF-2，（特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯）、RF-3（可与核蛋白体其他部位结合，有GTP酶活性，能介导RF-1及RF-2与核蛋白体的相互作用）。

九．能源物质（ATP和GTP）及离子（Mg2 、K 等）。

十. 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。参与氨基酸的活化的酶为氨基酰-tRNA合成酶。

1.反应过程：氨基酸与tRNA在氨基酰-tRNA合成酶作用下消耗一分子ATP生成氨基酰- tRNA。

2.结构：氨基酰－tRNA合成酶有3个结合位点，氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷，氨基酰转移到tRNA上，tRNA负载了氨基酸。

3.特性：氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性；该酶与二者中之一结合后，空间构像改变，选择性与对应氨基酸的结合。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。

十一.蛋白质生物学合成中的保真性机制。

1.密码子与反密码子的辨认结合。

2.氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。

3.氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。

4.核糖体对氨基酰-tRNA的进位具有校正作用。

十二.起始氨基酰-tRNA。

1. 起始氨基酰-tRNA，Met-tRNAiMet（真核生物）：tRNAiMet与甲硫氨酸结合后形成Met-tRNAiMet，在mRNA起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。2. 肽链延长的甲硫氨酰-tRNA，Met-tRNAMet（真核生物）：tRNAMet和甲硫氨酸结合后生成Met-tRNAMet，必要时进入核蛋白体，为延长中的肽链添加甲硫氨酸。3. 起始氨基酰-tRNA，fMet-tRNAfMet（原核生物）：具有起始功能的tRNAfMet与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲酰化为N-甲酰甲硫氨酸(fMet)，于是形成N-甲酰甲硫氨酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。原核生物起始密码子只能辨认fMet-tRNAfMet。

十三.原核生物肽链合成起始：指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程。

1. 核蛋白体大小亚基分离。2. mRNA在小亚基定位结合（两种机制）：在各种mRNA起始AUG上游约8～13核苷酸部位，存在一段由4～9个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-Dalgarno序列(S-D序列)，又称核蛋白体结合位点(ribosomal binding site, RBS)。一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。mRNA序列上紧接S-D序列后的小核苷酸序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1识别并结合。3. 起始氨基酰-tRNA的结合。4. 起始氨基酰-tRNA的结合。

十四.原核生物肽链合成延长：又称为核蛋白体循环。在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。

1. 进位：又称注册(registration)，是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核蛋白体A位的过程，需要延长因子EF-Tu与EF-Ts参与。（核糖体对氨基酰-tRNA的进位具有校正作用是翻译保真性的另一机制）2. 成肽：在转肽酶的催化下，核蛋白体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA的α-氨基结合形成肽键的过程。3. 转位：在转位酶的催化下，核蛋白体向mRNA的3´-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程，需要延长因子EF-G（有转位酶活性，可结合并水解1分子GTP，释放的能量促进核蛋白体向mRNA的3′侧移动，使起始二肽酰-tRNA-mRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA则移入E位）参与。

十五.原核生物肽链合成终止：指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程，需要释放因子RF-1、RF-2和 RF-3（RF: 识别终止密码子；激活成肽酶的酯酶活性）参与。

1. 识别终止密码子：RF-1特异识别UAA、UAG，RF-2特异识别UAA、UGA。2. 诱导转肽酶转变为酯酶活性：催化新生肽链与结合在P位的tRNA之间的酯键水解，使肽链从核蛋白体上释放。3. RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性，能介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。

十六.多聚核蛋白体(polysome)：1条mRNA模板链都可附着10～100个核蛋白体，这些核蛋白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与多个核蛋白体形成的聚合物称为多聚核蛋白体。多聚核蛋白体的形成可以使蛋白质生物合成以高速度、高效率进行。

十七.真核生物肽链合成起始：

1. 核蛋白体大小亚基分离；

2. 起始氨基酰-tRNA的结合；

3. mRNA在小亚基定位结合；

4. 核蛋白体大亚基结合。

十八.真核生物肽链合成延长：真核生物肽链合成的延长过程与原核生物基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。

十九.真核生物肽链合成终止：真核生物翻译终止过程与原核生物相似，但只有1个释放因子eRF，可识别所有终止密码子，完成原核生物各类RF的功能。

二十. 原核生物与真核生物肽链合成过程的主要差别。

二十一.多肽链折叠为天然构象的蛋白质：新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。

1. 分子伴侣：分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的保守蛋白质。功能为①封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段②创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰③促进蛋白质折叠和去聚集④遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。分为核糖体结合性（触发因子、新生链相关复合物）和非核糖体结合性。

热休克蛋白(HSP)：热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。包括HSP70、HSP40和GrpE三族。人类细胞中HSP蛋白质家族可存在于胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位，涉及多种细胞保护功能：如使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象；通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。

伴侣蛋白：伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的Gro EL和Gro ES（真核细胞中同源物为HSP60和HSP10）等家族。其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。Gro EL与Gro ES的结构特征。

2. 蛋白质二硫键异构酶（PDI）：多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。3. 肽-脯氨酰顺反异构酶（PPI）：多肽链中肽酰–脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象有明显差别。肽酰–脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰–脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。

二十二.蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修饰。

1. 肽链末端的修饰。N-端修饰：原核生物是N-甲酰甲硫氨酸，真核生物是甲硫氨酸，加工切除（甲酰基酶或氨基肽酶）；真核生物有50%的蛋白质存在N-端氨基酸的乙酰化。C-端修饰：可能存在修饰。2. 个别氨基酸的共价修饰。糖基化：天冬酰胺、丝氨酸、苏氨酸等；羟基化：胶原中的赖氨酸、脯氨酸等；甲基化：谷氨酸、精氨酸、天冬酸；磷酸化：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、代谢酶、CTD；二硫键形成：分泌性蛋白；亲脂性修饰：一些跨膜蛋白，如G蛋白、Ras蛋白，进行疏水性脂链的修饰。3. 水解加工可生成具有生物活性的蛋白质或多肽。

二十三.空间结构的修饰。

1. 通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质。具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体。2. 辅基连接后形成完整的结合蛋白质。结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。

二十四. 蛋白质在核蛋白体上合成后，必须被分选出来，经过复杂机制定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。新生蛋白质的去向：细胞液、细胞器、细胞外。

二十五.靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列。

1.所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为信号序列(signal sequence)。

2.信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。

3.信号肽：N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；

中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；C-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸组成，紧接着是被信号肽酶裂解的位点。

3. 核定位序列（NLS）：靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异信号序列，其为含4～8个氨基酸残基的短序列，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的不同部位，而不只在N末端。不同的NLS间未发现共有序列； 在蛋白质进核定位后，NLS不被切除。

二十六.分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外。核蛋白体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，再分泌到细胞外。

二十七.蛋白质6-磷酸甘露糖基化是靶向输送至溶酶体的信号。

二十八.靶向输送至内质网的蛋白质C-端含有滞留信号序列。与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质先经粗面内质网上的附着核蛋白体合成并进入内质网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但是，内质网蛋白质多肽链的C-端含有滞留信号序列，可与相应受体结合。在高尔基复合体上，内质网蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合后，随囊泡输送回内质网。

二十九.质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜。质膜蛋白质合成时在粗面内质网上的跨膜机制与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，质膜蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，而是锚定在内质网膜上；不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定于膜上。

三十.线粒体蛋白质以其前体形式在胞液合成后靶向输入线粒体。绝大部分线粒体蛋白质是由核基因组编码、在胞液中的游离核蛋白体上合成后释放、靶向输送到线粒体中的。线粒体蛋白以前体形式在胞液合成后输送至线粒体，在线粒体内折叠成有功能的蛋白质。需要导肽（新生蛋白N-端一段大约20～80个氨基酸的肽链, 通常带正电荷的碱性氨基酸(特别是精氨酸和赖氨酸)含量较为丰富）。

三十一.细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核。

三十二.许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用。

1. 抗生素(antibiotics)：一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，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。2. 分为影响翻译起始的抗生素与影响翻译延长（干扰进位、引起读码错误、影响肽键形成、影响转位）的抗生素。

三十二.其他干扰蛋白质生物合成的物质：

1. 毒素：白喉毒素（作为一种修饰酶，可使eEF-2发生ADP糖基化共价修饰，生成eEF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，使eEF-2失活）、蓖麻蛋白（A链是一种蛋白酶，可作用于真核生物核蛋白体大亚基的28S rRNA，催化其中特异腺苷酸发生脱嘌呤基反应，使28S rRNA降解，使核蛋白体大亚基失活；B链对A链发挥毒性具有重要的促进作用，且B链上的半乳糖结合位点也是毒素发挥毒性作用的活性部位）。2. 干扰素（IFN) ：是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。可分为α-（白细胞）型、β-（成纤维细胞）型和γ-（淋巴细胞）型三大类，每类各有亚型，分别具有其特异作用。干扰素在某些病毒双链RNA存在时，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；能与双链RNA共同活化特殊的2ˊ-5ˊ寡聚腺苷酸（2ˊ-5ˊA）合成酶，催化ATP聚合，生成单核苷酸间以2ˊ-5ˊ磷酸二酯键连接的2ˊ-5ˊA，经2ˊ-5ˊA活化核酸内切酶RNase L，后者可降解病毒mRNA，从而阻断病毒蛋白质合成。