《生化》第9版：13、蛋白质合成

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13、蛋白质合成

• 一、合成体系
  • 1、DNA复制、RNA转录与蛋白质合成的鉴别
    • 
  • 2、蛋白质合成的概念
    • 翻译
      • 蛋白质合成是遗传信息从DNA经mRNA传递到蛋白质的过程，此时mRNA分子中的遗传信息被具体地翻译成蛋白质的氨基酸排列顺序
    • 部位
      • 蛋白质合成的亚细胞部位在胞质（mRNA在细胞核合成）
  • 3、蛋白质合成体系
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    • (1)模板——mRNA
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      • ①mRNA的编码区
        • 作用组成
          • 由DNA转录而来的mRNA可作为蛋白质合成的模板
          • 5'-端非翻译区、编码区（可读框）、3'-端非翻译区
        • 5'-端
          • 有帽子结构（7-甲基鸟嘌呤三磷酸核苷）
        • 可读框
          • 为mRNA的编码区
        • 3'-端
          • 有多聚腺苷酸尾（poly A）
      • ②遗传密码
        • 密码子/三联体密码
          • mRNA可读框内，每3个相邻的核苷酸为一组，编码一种氨基酸或肽链合成的起始/终止信息
        • 总数
          • 密码子总数为64个，其中61个编码20种氨基酸
          • 另有3个不编码任何氨基酸，而作为肽链合成的终止密码子（UAA、UAG、UGA）
          • 5'端第一个AUG为起始密码子，位于中间时，也是甲硫氨酸密码
        • 特性
          • 方向性、连续性、简并性、通用性、摆动性
        • A、方向性
          • mRNA中密码子阅读方向只能从5'→3'
          • 意义
            • 蛋白质的一级结构取决于密码子的方向性：可读框架中从5′-端→3′-端排列的核苷酸顺序，决定了肽链中从N-端到C-端的氨基酸排列顺序
        • B、连续性
          • 从起始密码开始，密码子被连续阅读，直至终止密码出现，每3个1组，连续不间断
          • 移码突变
            • 若可读框中插入或缺失了非3倍数的核苷酸，将会引起mRNA可读框发生移动，称为移码
            • 移码可致后续氨基酸编码序列改变，使得其编码的蛋白质彻底改变原有功能，称为移码突变
          • 若连续插入或缺失3个核苷酸，则会在多肽链产物中增加或缺失1个氨基酸，但不会致可读框移位
        • C、简并性
          • 61个密码子用于编码氨基酸，而氨基酸只有20种，因此有的氨基酸可由多个密码子编码，这种现象称为简并性
          • 特点
            • 为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子、同义密码子
            • 同义密码子的第一、二位碱基相同，只有第三位碱基不同，故第三位核苷酸的改变，往往不改变编码的氨基酸
            • 除Trp（色氨酸）、Met（甲硫氨酸）各有1个密码子外，其他均有2、3、4或6个密码子
          • 意义
            • 可减少基因突变所带来的生物学效应
        • D、通用性
          • 各种生物都使用同一套密码
          • 意义
            • 为地球上的生物来自同一起源的进化论提供了有力依据
            • 使得利用细菌等生物，来制造人类蛋白质成为可能
        • E、摆动性
          • 密码子与反密码子的配对，有时并不严格遵守Watson-Crick碱基配对规律，称为摆动性。
          • 特点
            • ★摆动配对多发生于反密码子第一位和密码子第三位
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          • 意义
            • 摆动配对可使一种tRNA，识别mRNA的多种简并性密码，从而维持生物表型稳定
        • F、需要记忆的特殊密码子
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    • （2）运载工具——tRNA
      • tRNA是氨基酸和密码子间的特异连接物
      • 运载作用（结合氨基酸）
        • tRNA3′-端有氨基酸接纳茎，可特异性结合氨基酸，将胞质中的氨基酸转运到核糖体中去
        • 一种氨基酸可与2~6种tRNA特异性结合，但是一种tRNA只能转运一种特定的氨基酸，这与密码子的简并性相适应
      • 适配器作用（识别密码子）
        • tRNA上有反密码子，可特异性结合mRNA上的密码子。（mRNA序列中密码子序列→氨基酸的排列顺序）
    • （3）蛋白质合成场所——核糖体
      • 核糖体沿着模板mRNA链从5'端向3'端移动
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      • 原核/真核生物核糖体上功能部位
        • A位
          • Aminiacyl site、氨酰位——结合氨基酰-tRNA
        • P位
          • Peptidyl site、肽酰位——结合肽酰-tRNA
        • E位
          • Exit site、排出位——释放已经卸载了氨基酸的tRNA
      • 肽链合成完毕，核糖体立刻离开mRNA分子
    • (4）其他—蛋白质合成所需的酶类和蛋白质因子
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        • 蛋白质因子：原核生物大写，真核生物e+大写
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          • GTPase活性：GTP酶活性
• 二、氨基酸与tRNA的连接
  • 1、氨基酸的活化
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    • 参与肽链合成的氨基酸，需要与相应tRNA结合，形成各种氨基酰-tRNA
    • 关键酶
      • 氨基酰-tRNA合成酶，需消耗1分子ATP，2个单位能量
  • 2、氨基酰-tRNA合成酶
    • 种类
      • 至少23种
        • 20种氨基酸各1种，其中赖氨酸有2种，还有识别磷酸化丝氨酸、吡咯酪氨酸的氨基酰-tRNA合成酶
    • 高度专一性
      • 氨基酸与tRNA连接的准确性由氨基酰-tRNA合成酶决定
      • 密码mRNA+反密码tRNA+氨基酸是一种特异结合，以酯键连接，形成氨基酰-tRNA
    • 校对活性
      • 能将错误结合的氨基酸水解释放，再换上与密码子相对应的氨基酸
  • 3、肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酰-tRNA
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• 三、肽链的合成过程
  • 1、肽链合成的起始——翻译起始复合物的形成
    • 主要考原核
    • 概念
      • 翻译的起始是指mRNA、起始氨基酰-tRNA分别与核糖体结合，形成翻译起始复合物的过程
      • 原核生物
        • 原核翻译起始复合物的形成：核糖体大小亚基、3种IF、mRNA、甲酰化甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAfMet)、GTP等
      • 真核生物
        • 真核翻译起始复合物的形成更复杂：核糖体、多种起始因子、mRNA、起始甲硫氨酰-tRNA
    • (1)原核生物翻译起始复合物的形成
      • ①核糖体大、小亚基分离
        • 过程
          • 小亚基与IF3、IF1结合，使大小亚基解离，为结合mRNA做准备
        • IF1
          • 结合于核糖体A位，防止起始阶段任何氨基酰-tRNA与该位结合
        • IF3
          • 结合于核糖体E位，促进大小亚基解离，防止大小亚基重新聚合
      • ②mRNA与核糖体小亚基结合
        • 准确结合
          • 小亚基与mRNA结合时，可准确识别可读框的起始密码子AUG，而不会结合内部的AUG
        • 机制
          • ★mRNA起始密码子AUG上游10nt，存在核糖体结合位点（RBS）为-AGGAGG-（S-D序列），可被16SrRNA通过碱基互补（ACCUCCU）而精确识别，从而使核糖体小亚基准确定位mRNA
      • ③fMet-tRNAfMe结合在核糖体P位
        • P位
          • 起始氨基酰-tRNA(fMet-tRNAfMet)与结合了GTP的IF2一起，识别并结合对应于小亚基P位的mRNA的AUG处（qishitRNA上的反密码子：CAU）
        • A位
          • A位被IF1占据，不与任何氨酰-tRNA结合
      • ④翻译起始复合物的形成
        • 释放
          • 结合于IF2的GTP被水解，释放的能量促使3种IF释放
        • 翻译起始复合物
          • 大亚基与结合了mRNA、fMet-tRNAMe的小亚基结合，起始复合物组成
          • 起始复合物由：完整核糖体、mRNA、fMet-tRNAfMet组成
        • 位置
          • 新的氨酰-tRNA进入A位，形成肽键后移至P位
    • （2）真核生物翻译起始复合物的形成
      • ①43S前起始复合物的形成
        • 起始因子
          • 多种起始因子与核糖体小亚基结合
          • 其中eIF1A、eIF3与原核起始因子IF1和IF3功能相似，可阻止tRNA结合A位，并防止大亚基和小亚基过早结合
        • 起始氨基酰-tRNA
          • eIF1结合于E位，GTP-eIF2与起始氨酰-tRNA结合，随后eIF5、eIF5B加入，形成43s的前起始复合物
      • ②mRNA与小亚基结合
        • mRNA
          • mRNA与43S前起始复合物结合，由eIF4F复合物介导
        • eIF4F复合物
          • eIF4A
            • 具有ATPase及RNA解旋酶活性
          • eIF4G
            • 结合eIF3、eIF4E和PABP
          • eIF4E
            • 结合mRNA5'-帽
      • ③核糖体大小亚基结合
        • 48S起始复合物
          • Met-tRNAMeti-小亚基沿着mRNA,从5'→3'扫描定位，Met-tRNAMeti的反密码子与AUG配对结合，形成48S
        • 大小亚基结合
          • 随后大亚基加入，IF释放，翻译起始复合物形成
  • 2、肽链合成的延长——核糖体循环
    • 翻译起始复合物形成后，核糖体从mRNA的5'-端向3'-端移动，依据密码子顺序，从N-端开始向C-端合成多肽链
    • 核糖体循环
      • 步骤
        • 进位、成肽、转位
      • 在核糖体上重复进行的进位、成肽、转位的循环过程，每循环1次肽链上可增加1个氨基酸残基
    • (1)进位
      • 指氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令，进入到核糖体A位的过程
      • 特点
        • 翻译起始复合物中的A位空闲，对应着mRNA可读框的第二个密码子，进入A位的氨酰-tRNA种类由该密码子决定
      • 耗能
        • 氨酰-tRNA先与GTP-EF-Tu结合成复合物，然后进入A位，GTP随之水解，EF-Tu-GDP从核糖体释放。
        • 消费耗1GTP，1个高能键
    • （2）成肽
      • 指核糖体A位和P位上的tRNA所携带的氨基酸，缩合成肽的过程
      • 过程
        • 在起始复合物中，P位上起始tRNA所携带的甲酰甲硫氨酸与A位上新进位的氨酰-tRNA的氨基缩合成二肽
        • 第一个肽键形成后，二肽酰-tRNA占据着A位，而卸载了氨基酸的tRNA仍在P位
      • 酶
        • 成肽由肽酰转移酶（转肽酶）催化，其本质不是蛋白质而是RNA
        • 肽酰转移酶属于核酶。该酶在原核为23SrRNA，在真核为28S rRNA
    • （3）转位
      • 成肽反应后，核糖体需向mRNA3'-端移动一个密码子的距离，方可阅读下一个密码子，此过程称为转位
      • 酶
        • 转位需要延长因子EF-G（转位酶，蛋白酶）的协助，并需要GTP水解供能
      • 结果
        • ①P位上tRNA所携带的氨基酸——在成肽后交给A位上的氨基酸
          • P位上卸载的tRNA：在转位后进入E位，然后从核糖体脱落
        • ②成肽后，位于A位的肽酰-tRNA移动到P位
        • ③A位空出，以接受下一个氨酰-tRNA进位
    • （4）蛋白质合成的能量消耗
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        • 活化2，进1转1
  • 3、肽链合成的终止
    • 终止密码子
      • 肽链随核糖体循环延长，直到核糖体A位对应到mRNA终止密码子UAA、UAG、UGA
    • 释放因子
      • 原核生物
        • RF1识别UAA、UAG； RF2识别UAA、UGA； RF3与GTP结合并使其水解，协助RF1、RF2与核糖体结合
      • 真核生物——只有一种eRF，3种终止密码子均可被eRF识别
  • 4、原核生物和真核生物蛋白质合成的比较
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    • 拓展：RR(核蛋白体释放因子)参与原核翻译的终止过程
• 四、蛋白质合成后的加工修饰
  • 1、翻译后加工的概念
    • 新生肽链并无生物活性，它们必须经过一定水解修饰，并正确折叠形成具有生物活性的空间结构，才能成为有活性的成熟蛋白质，这一过程称为翻译后加工
    • 加工方式
      • 折叠、二硫键、亚基聚合、水解、化学修饰
    • 翻译后修饰，在肽链合成开始即随之进行
  • 2、新生肽链折叠
    • 新生肽链有许多疏水基团暴露在外，具有分子内或分子间聚集的倾向，使蛋白质不能形成正确的空间构象，没有生理功能。这些蛋白质需要折叠成正确的空间构象，才能发挥生理功能
    • 蛋白质的折叠不能自发完成，需要分子伴侣、异构（折叠）酶的帮助
    • （1)分子伴侣
      • 细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自发完成的，其折叠过程需要其他酶(折叠酶）或蛋白质的辅助。这些辅助性蛋白质可以指导新生肽链按特定方式正确折叠，它们被称为分子伴侣
      • 分类
        • ①热激蛋白70家族（热休克蛋白、Hsp70)；
          • 结构
            • Hsp70因其分子量接近70kD而得名，高温刺激可诱导其合成
          • Hsp70与未折叠蛋白质的疏水区结合，既可避免蛋白质因高温而变性，又可防止新生肽链过早折叠
          • 功能
            • Hsp70可促进需要折叠的肽链，折叠为有天然空间构象的蛋白质
        • ②伴侣蛋白
          • 有些肽链的正确折叠，需要伴侣蛋白发挥辅助作用
          • 主要作用
            • 为非自发性折叠肽链提供正确折叠的微环境
              • 大肠杆菌10%～15%蛋白质正确折叠依赖伴侣系统GroEL/GroES
              • 真核细胞，与GroEL/GroES功能类似的伴侣蛋白是Hsp60
    • （2)异构酶（折叠酶）
      • 可催化蛋白质功能构象形成所必需的酶
      • 分类
        • 蛋白质二硫键异构酶(PDI）——可催化形成链内、链间二硫键
        • 肽脯氨酰基顺-反异构酶（PPI)——可使肽链在各脯氨酸处折叠
          • β折叠？
  • 3、蛋白质一级结构修饰
    • 新生肽链的水解属于蛋白质的一级结构修饰
      • 是最常见的翻译后加工形式，几乎所有成熟的多肽链都要经过这种形式的加工
    • 分类
      • （1）新生肽链的末端水解：
        • N-端水解（常见）
          • 新生肽链N-端的甲硫氨酸残基，在肽链离开核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解酶切除；
            • 去除N-甲酰基或N-甲硫氨酸
          • 真核细胞分泌的跨膜蛋白质的前体分子的N端含有信号肽，在成熟过程中需被切除
        • C-端水解（少见）
          • C-端的氨基酸残基也可被酶切除，使之呈现特定功能
      • （2）新生肽链中肽键的水解
        • 酶原激活
          • 某些无活性的蛋白质前体，需经蛋白酶水解切除部分肽段，才能成为有活性的蛋白质分子或功能肽
          • 如胰岛素原、胰蛋白酶原的激活
        • 小分子活性肽
          • 有些多肽链经水解可产生多种小分子活性肽
          • 如阿黑皮素原可被水解为促肾上腺皮质激素、β-促脂激素、α-激素、促皮质素样中叶肽、β-内啡肽等9种活性物质
  • 4、氨基酸残基侧链的化学修饰——改变蛋白质的活性
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      • （老是输）
      • Thr苏氨酸、Ser丝氨酸、Tyr酪氨酸
    • 硒化半胱氨酸又称第21种氨基酸
    • 甲基化：碱性氨基酸（精赖组），酸性（天冬氨酸，谷氨酸），中性（谷氨酰胺）
  • 5、蛋白质空间结构修饰
    • 亚基聚合
      • 由2条以上肽链构成的蛋白质，需要通过非共价键进行亚基聚合，才能形成具有活性的四级结构蛋白质
    • 辅基连接（九版删除）
      • 蛋白质分单纯、结合蛋白质，只有结合蛋白质才有此修饰
• 五、蛋白质合成的干扰与抑制
  • 1、许多抗生素通过抑制蛋白质合成发挥作用
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      • 大红大氯，林中放养——大亚基
  • 2、某些毒素抑制真核生物蛋白质的合成
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  • 3、干扰素也能影响蛋白质合成（已删除）
    • 干扰素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
    • 其抗病毒作用机制
      • 一是干扰素能活化一种特异的蛋白激酶，使蛋白质翻译的起始因子eIF-2磷酸化而失活（A对），从而抑制病毒蛋白质合成
      • 二是可活化一种特异的核酸内切酶（RNase L），使蛋白质翻译的模板mRNA被降解，从而阻断病毒蛋白质合成。抑