第十二章 蛋白质的生物合成

　　蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体地解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。

　　一、蛋白质生物合成的条件。

　　生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：① mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序;② tRNA：搬运氨基酸的工具;③ 核糖体(又名核蛋白体)：蛋白体生物合成的场所;④ 酶及其他蛋白质因子;⑤ 供能物质及无机离子。

　　(一)mRNA：

　　作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码(coden)。共有64种不同的密码，即4×4×4=64。

　　遗传密码具有以下特点：① 连续性;② 简并性;③ 通用性;(但在线粒体或叶绿体中特殊)④ 方向性，即解读方向为5′→ 3′;⑤ 摆动性;⑥ 起始密码：AUG;终止密码：UAA、UAG、UGA。

　　(二)tRNA：

　　在氨酰-tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的 氨基酸结合，生成氨酰-tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。

　　tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码子(anticoden)。

　　反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ(次黄嘌呤)，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。

　　能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet;而在真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。

　　在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码，AUG。

　　(三)rRNA和核糖体：

　　原核生物中的核糖体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。

　　真核生物中的核糖体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。

　　核糖体的大、小亚基分别有不同的功能：

　　1.小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。

　　2.大亚基：

　　(1)具有两个不同的tRNA结合点。A位(右)—— 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合;P位(左)——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。

　　(2)具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。

　　(3)具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。

　　(4)具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

　　在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核糖体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核糖体。

　　(四)起动因子(IF)

　　这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子(eIF)。其作用主要是促进核糖体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。

　　(五)延长因子(EF)

　　这是一些与多肽链合成延伸有关的蛋白因子。原核生物中存在3种延长因子(EFTU，EFTS，EFG)，真核生物中存在2种(EF1，EF2)。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核糖体的受体，并可促进移位过程。

　　(六)释放因子(RF)

　　这是一些与多肽链合成终止有关的蛋白因子。原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。

　　(七)氨酰-tRNA合成酶

　　该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。

　　每种氨酰-tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。

　　目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。

　　(八)供能物质和无机离子

　　多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。

　　氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。

　　二、蛋白质生物合成的过程

　　蛋白质生物合成过程包括三大步骤：①氨基酸的活化与搬运;②活化氨基酸在核糖体上的缩合;③多肽链合成后的加工修饰。

　　(一)氨基酸的活化与搬运

　　氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨酰-tRNA合成酶催化完成。

　　在此反应中，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨酰-tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核糖体上参与多肽链的合成。氨酰-tRNA的合成，可使氨基酸 ①活化;②搬运;③定位。

　　(二)活化氨基酸在核糖体上的缩合

　　活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核糖体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核糖体循环。

　　核糖体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。

　　1、起动阶段：

　　(1)30S起动复合物的形成：在起动因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA(fmet-tRNAfmet)，和GTP结合，形成复合体。

　　原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列(核糖体结合位点，RBS)，可被核蛋白体小亚基辨认结合。

　　真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白(CBP)以识别此结构。

　　(2)70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。

　　(3)70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位(P位)。

　　2、肽链延长阶段：

　　(1)进位：与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的A位(受位)。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。

　　(2)成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到P位(受位)上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核糖体上脱落。

　　(3)移位：核糖体向mRNA的3‘- 端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF(EFG)、GTP和Mg2+参与。此时，核糖体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。

　　3、肽链终止阶段：

　　核糖体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入P位。

　　1.识别：RF识别终止密码，进入核糖体的受位。

　　2.水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。

　　3.解离：通过水解GTP，使核糖体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核糖体解离为大、小亚基。

　　多肽链的合成是一个消耗能量的过程，其能量主要由ATP和GTP提供。

　　若n个氨基酸合成一条多肽链：

　　n个氨基酸分子的活化： 2n个

　　(ATP→AMP+PPi)

　　70s起始复合物的形成： 1个

　　(GTP → GDP+Pi)

　　(n-1)个氨酰-tRNA进入核糖体A位点： (n-1)个

　　(GTP → GDP+Pi)

　　(n-1)次核糖体移位： (n-1)个

　　(GTP → GDP+Pi)

　　共(4n-1)个

　　(三)蛋白质的翻译后加工修饰

　　一级结构的加工修饰：

　　1.N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：

　　N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。

　　① 去甲酰化：

　　甲酰化酶

 

　　甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽

　　② 去蛋氨酰基：

　　蛋氨酸氨基肽酶

 

　　蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽

　　2.氨基酸的修饰：

　　由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。

　　3.二硫键的形成： 由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。

　　4.肽段的切除： 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。 如：前胰岛素原(切信号肽)→胰岛素原(切间插序列) →胰岛素

　　高级结构的形成：

　　1.构象的形成：

　　在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。

　　2.亚基的聚合。

　　3.辅基的连接。

　　三、蛋白质的靶向运输

　　蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。

　　信号肽假说：

　　1、分泌蛋白的mRNA先和游离的核糖体结合合成出信号肽;

　　2、信号肽识别蛋白(SRP)结合在信号肽上，暂时中止蛋白质合成;

　　3、信号肽识别蛋白—mRNA—核糖体复合物与内质网表面的停泊蛋白(SRP receptor，信号肽识别蛋白受体)结合;

　　4、经过一系列反应后，核糖体与停泊蛋白紧密结合，中断的翻译恢复。信号肽识别蛋白被释放参加下一轮作用。

　　5、肽链在穿过转位蛋白形成的内质网孔时，信号肽被信号肽酶切除。合成的新生肽链进入内质网腔后折叠成最终构象。