蛋白质的生物合成

蛋白质是生命的物质基础，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者。本图梳理了蛋白质合成体系、氨基酸与tRNA的链接、肽链的合成过程、蛋白质合成的干扰与抑制，收藏下图学习吧！

蛋白质的生物合成（翻译）

• 翻译：是将mRNA分子中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。 翻译进行部位：细胞质（复制、转录部位在细胞核）。 mRNA的结构： 原核生物（多顺反子mRNA）； 真核生物（单顺反子mRNA）。
• 蛋白质合成体系
  • mRNA、tRNA、rRNA 氨基酸（20种）——————→蛋白质 酶、蛋白因 子、GTP、ATP、镁离子 原料：20种氨基酸 RNA：mRNA、tRNA、rRNA 酶：氨酰-tRNA合成酶、肽酰转移酶 蛋白质因子：起始因子（IF）、延长因子（EF）、释放因子（RF） 供能物质：ATP、GTP 无机离子：镁离子、钾离子
  • mRNA
    • mRNA的作用
      • mRNA携带DNA的遗传信息决定多肽链氨基酸的排列顺序。
    • 遗传密码
      • mRNA分子的信息区内上从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，称为三联体遗传密码。
      • 遗传密码的种类
        • mRNA分子有4种碱基：A、U、C、G，可组合成64种密码子，其中61个分别代表20种不同氨基酸； 遗传密码共有4的三次方=64种： 64：UAA、UAG、UGA、 终止密码 61：AUG 起始密码 代表Met 60：代表19种氨基酸。 在mRNA起始部位的AUG为起始信号。
      • 遗传密码的特点
        • 遗传密码阅读的方向性
          • 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。
        • 遗传密码的连续性
          • 沿5’→3‘方向连续阅读 插入碱基↓缺失碱基 移码突变 基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变。
        • 遗传密码的简并性
          • 20种编码氨基酸中除色氨酸和甲硫氨酸各有一个密码子外，其余每一种氨基酸都有2-6个密码子。 同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。
        • 摆动性
          • 反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对。
        • 遗传密码的通用性
          • 从原核生物到人类都共用同一套遗传密码，被称为遗传密码的通用性。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先； 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。
  • tRNA
    • tRNA的作用
      • 携带氨基酸
      • 辨认密码子
        • 反密码子辨认密码子 原则：碱基互补，方向相反。 摆动配对。
      • 转运氨基酸
        • 氨酰-tRNA合成酶； 氨基酸的α-羧基与tRNA的3’-CCA的腺苷酸3‘-OH以酯键相连形成氨酰-tRNA。
  • rRNA
    • 功能
      • 与蛋白质结合构成核糖体； 为蛋白质的合成提供场所。
    • 核糖体的主要功能部位
      • 三个结合位点：氨酰位（A位点）：结合氨酰-tRNA； 肽酰位（P位点）：结合肽酰-tRNA；排出位（E位点）：结合脱酰-tRNA。 肽酰转移酶（转肽酶）活性部位； mRNA结合部位； 蛋白因子（IF、EF、RF）结合部位。
  • 肽链生物合成需要酶类和蛋白质因子
    • 氨基酰-tRNA合成酶
      • 催化氨基酸的活化。
    • 肽酰转移酶（转肽酶）
      • 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。
    • 转位酶
      • 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。
    • 起始因子（IF）
    • 延长因子（EF）
    • 释放因子（RF）
• 氨基酸与tRNA的链接
  • 氨基酸+tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的作用下，加入ATP、AMP+PPi生成氨基酰-tRNA。
  • 氨酰-tRNA合成酶催化的反应
    • 第一步：活化反应
    • 第二步：连接反应
  • 氨基酰-tRNA合成酶的特点
    • 对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性
    • 具有校正活性
  • 氨基酰-tRNA的表示方法
    • Ala-tRNA Ser-tRNA Met-tRNA。
• 肽链的合成过程
  • 翻译过程：核糖体大小亚基聚合在mRNA5‘端AUG部位开始，沿着mRNA模板链5’→3‘方向移动，由tRNA阅读mRNA三联体遗传密码并携带特定氨基酸在核糖体上“对号入座”，将氨基酸从N端→C端方向连接起来构成多肽链，直至核糖体在mRNA3'端遇到终止信号而使大小亚基解体为止。 整个翻译过程可分为： 翻译的起始、翻译的延长、翻译的终止。
  • 起始阶段
    • 原核生物翻译起始复合物的形成
      • 参与的物质： 核糖体50S和30S大小两类亚基； mRNA； 起始作用的fMet-tRNA； GTP供能； 起始因子（IF1、IF2、IF3）。 起始过程： 核糖体大小亚基解离； 小亚基与mRNA结合：16sRNA识别mRNA的SD序列； fMet-tRNA与mRNA起始密码子AUG结合； 核糖体大小亚基形成起始复合物。
    • 真核生物翻译起始复合物的形成
      • 核糖体大小亚基分离
      • Met-tRNAi定位结合于小亚基P位
      • mRNA与核糖体小亚基定位结合
      • 核糖体大亚基结合
  • 延长阶段
    • 根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 肽链盐城在核糖体上连续性循环式进行，又称为核糖体循环，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位：氨酰-tRNA进入A位、成肽：由转肽酶催化的肽键形成过程、转位：指核糖体沿着mRNA5'→3’方向移动一个密码子。 需要延长因子：EF-Tu、EF-Ts、EFG。
  • 终止阶段
    • 当终止密码子UAA、UAG或UGA出现在核糖体的A位时，没有相应的氨酰-tRNA能与之结合，此时即转入了终止阶段； 起终止作用的蛋白质因子-释放因子（RF） RF1能识别UAG和UAA； RF2能识别UGA和UAA； RF3可与GTP结合，促进RF1与RF2的作用。 多聚核糖体：在蛋白质生物合成过程中，一条mRNA同时与多个核糖体结合所形成的念珠状聚合物； 使蛋白质合成高速、高效进行。
• 蛋白质合成后的加工与靶向输送
  • 从核糖体释放出的新生多肽链不具有生物活性，必须经过翻译后加工才能转变为具有一定构象和功能的蛋白质； 主要包括：一级结构的修饰；高级结构的修饰；靶向运输。
  • 一级结构的修饰
    • N端修饰
      • 由氨基肽酶或脱甲酰基酶催化水解，除去N端第一个甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸残基。
    • 氨基酸的修饰
      • 蛋白质的侧链修饰包括：磷酸化、羟基化、甲基化、糖基化、羧基化、乙酰化等； 如：胶原蛋白内出现羟脯氨酸和羟赖氨酸，多肽链内或肽链间还可由两个半胱氨酸的-SH形成二硫键等。
    • 肽链的水解加工
      • 一些多肽链合成后需要在特异蛋白水解酶的作用下，去除某些肽端或氨基酸残基，才能变为活性分子； 如血纤维蛋白原、胰蛋白酶原等，需剪去部分肽段才能成为有活性的血纤维蛋白和胰蛋白酶。
  • 高级结构的修饰
    • 多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质
      • 新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成。可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、结构域到形成完整的空间构象。 多肽链自身氨基酸顺序储存者蛋白质折叠的信息，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、蛋白辅助。
      • 几种有促进蛋白折叠功能的大分子
        • 分子伴侣
          • 分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，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。包括：热激蛋白（热休克蛋白）、伴侣蛋白。 分子伴侣功能： 封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段； 创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰； 促进蛋白质折叠和去聚集； 遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。
          • 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； 热休克蛋白包括HSP70、HSP40和GrpE三族。
          • 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。
        • 蛋白二硫键异构酶（PDI）
          • 多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白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，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。
        • 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，空间构象明显差别； 肽-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-脯氨酰顺反异构酶使蛋白质三位构象形成的限速酶，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。
    • 亚基聚合
      • 四级结构的蛋白质由两条或两条以上肽链通过非共价键聚合； 如：血红蛋白时四聚体。
    • 辅基或辅酶的结合
      • 各种结合蛋白合成后都需要结合相应辅基或辅酶，才能成为具有特定功能的蛋白质。
  • 靶向输送
    • 靶向输送：蛋白质合成后，经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物学功能的目标部位。 细胞合成的蛋白质有三个去向： 留在胞液中；输送到细胞器中；分泌到细胞外。
    • 分泌性蛋白
      • 有些蛋白质合成后不在本细胞内使用，而是分泌到血液循环中再到达靶细胞而发挥功能，这类蛋白质称为分泌性蛋白。
    • 信号肽
      • 分泌性蛋白结构中存在特异信号，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，这一氨基酸序列称为信号肽。
• 蛋白质合成的干扰和抑制
  • 蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。他们通过阻断真核、原核生物蛋白质合成体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用； 可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。
  • 抗生素
    • 微生物产生的能杀死细菌或抑制细菌的药物。
  • 白喉毒素
    • 白喉杆菌产生的毒蛋白；