蛋白质的生物合成

《生物化学与分子生物学》第十七章 蛋白质的生物合成笔记，包括蛋白质生物合成体系、氨基酸与 tRNA 的连接、肽链的生物合成过程等内容。

17 第十七章 蛋白质的生物合成

• 蛋白质生物合成的干扰与抑制 P352
  • 许多抗生素通过抑制肽链生物合成发挥作用
    • 抑制肽链合成起始的抗生素
    • 扣制肽链延长的抗生素
      • 干扰进位的抗生素
      • 引起读码错误的抗生素
      • 影响成肽的抗生素
      • 影响转位的抗生素
  • 某些毒素抑制真核生物蛋白质合成
    • 某些毒素可经不同机制干扰真核生物蛋白质合成而呈现毒性作用。白喉毒素是真核细胞蛋白质合成的抑制剂，能在肽链延长阶段阻断蛋白质合成而呈现毒性
  • 干扰素经抑制蛋白质生物合成而呈现抗病毒作用
    • 干扰素抑制病毒繁殖的作用机制有两种
      • 一是干扰素能诱导细胞内一种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
      • 二是干扰素能与双链 RNA 共同活化特殊的 2'-5' 寡聚腺苷酸(2'-5'A)合成酶，催化ATP聚合，生成核苷酸间以 2'-5' 磷酸二酯键连接的 2'-5'A 多聚物，经 2'-5'A 活化核酸酶 RNase L，后者可降解病毒 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
• 肽链生物合成后的加工和靶向输送 P345
  • 肽链折叠为功能构象需要分子伴侣
    • 分子伴侣的主要作用
      • ①封闭待折叠肽链暴露的疏水区段
      • ②创建一个隔离的环境，可以使肽链的折叠互不干扰
      • ③促进肽链折叠和去聚集
      • ④遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。许多分子伴侣是ATP酶，能提供水解ATP产生的自由能
    • 细胞内分子伴侣可分为两大类,
      • 一类为核糖体结合性分子伴侣，包括触发因子和新生链相关复合物
      • 另一类为非核糖体结合性分子伴侣,包括热激蛋白伴侣蛋白等
    • 热激蛋白
      • 热激蛋白亦称为热休克蛋白。属于应激反应性蛋白，高温刺激可诱导其合成
    • 伴侣蛋白 GroEL 和 GroES
      • 伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，代表性成员如大肠杆菌的 GroEL 和 GroES 其主要作用是为非自发性折叠肽链提供能折叠形成天然空间构象的微环境。估计大肠杆菌细胞中约 10%~20% 的蛋白质折叠需要这一家族成员的辅助
  • 肽链的肽键水解生成活性蛋白质或功能肽
    • 合成后肽链的末端被水解加工
      • 新生肽链的 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
    • 肽链中肽键水解产生多种功能肽
  • 肽链中氨基酸残基的化学修饰增加蛋白质功能多样性
    • 肽链合成时直接掺人的氨基酸只有20种，合成后某些氨基酸残基的侧链基团发生的化学修饰显著增加了肽链中的氨基酸种类
  • 亚基聚合形成功能性蛋白质复合物
    • 生物体内的功能蛋白质许多是由 2 条以上肽链构成的蛋白质。多聚体的肽链之间通过非共价键维持一定空间构象，有些还需与辅基聚合才能形成具有活性的蛋白质
  • 蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位
    • 分泌型蛋白在内质网加工转运
      • 信号肽的共性
        • ①N-端有带正电荷的碱性氨基酸残基
        • ②中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸
        • ③C-端由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸残基组成，邻近有可被信号肽酶裂解的位点
      • 含有信号肽的多肽的翻译转运机制和步骤
        • ①在核糖体上合成时，信号肽部分位于 N 端首先被合成，并被 SRP 所捕捉，SRP 随即结合到核糖体上
        • ②内质网膜上有 SRP 的受体(亦称为SRP对接蛋白)，借此受体，SRP-核糖体复合体被引导到内质网膜上
        • ③在内质网膜上，肽转位复合物形成跨内质网膜的蛋白质通道，正在合成的肽链穿过内质网膜孔进人内质网
        • ④SRP 脱离信号肽和核糖体,肽链继续延长直至完成
        • ⑤信号肽在内质网内被信号肽酶切除
        • ⑥肽链在内质网中折叠形成最终构象，随内质网膜“出芽”形成的囊泡转移至高尔基复合体，最后在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转运至细胞膜，再分泌到细胞外
    • 定位于内质网的蛋白质 C-端含有滞留信号序列
    • 大部分线粒体蛋白质在细胞质合成后靶向输入线粒体
      • 线粒体基质蛋白质的靶向输送过程
        • ①新合成的线粒体蛋白质与热激蛋白或线粒体输人刺激因子结合，以稳定的未折叠形式转运至线粒体外膜
        • ②通过信号序列识别,结合线粒体外膜的受体复合物
        • ③在热激蛋白水解ATP和跨内膜电化学梯度的动力共同作用下，蛋白质穿过由外膜转运体和内膜转运体共同构成的跨膜蛋白质通道，进人线粒体基质
        • ④蛋白质前体被蛋白酶切除信号序列,在分子伴侣作用下折叠成有功能构象的蛋白质
    • 质膜蛋白质由囊泡靶向转运至细胞膜
    • 细胞核蛋白质由核输入因子运载经核孔入核
      • 细胞核蛋白质的靶向输送过程
        • ①细胞质中合成的细胞核蛋白质与核输人因子 αβ 异二聚体结合形成复合物，并被导向核孔
        • ②RAN 水解 GTP 释能，细胞核蛋白质核输入因子复合物通过耗能机制经核孔进人细胞核基质
        • ③核输人因子 β 和 α 先后从上述复合物中解离，移出核孔而被再利用，细胞核蛋白质定位于细胞核内，NLS 位于肽链内部，不被切除
• 蛋白质生物合成体系 P335
  • mRNA 是蛋白质合成的信息模板
    • 遗传密码的特点
      • 方向性
        • 组成密码子的各碱基在mRNA序列中的排列具有方向性
      • 连续性
        • mRNA的密码子之间没有间隔核苷酸
      • 简并性
        • 64 个密码子中有 61 个编码氨基酸，而氨基酸只有20种，因此有的氨基酸可由多个密码子编码，这种现象被称为简并性
      • 摆动性
        • 密码子的翻译通过与tRNA的反密码子配对反应而实现
      • 通用性
        • 从细菌到人类都使用着同一套遗传密码，这一方面为地球上的生物来自同一起源的进化论提供了有力依据,另外使我们有可能利用细菌等生物来制造人类蛋白质
  • 氨基酰-tRNA 通过其反密码子与 mRNA 中对应的密码子互补结合
    • 在蛋白质合成中使用的 20 种氨基酸各由其特定的 tRNA 负责转运至核糖体。在翻译时，带着不同氨基酸的各种tRNA通过其特有的反密码子识别，准确地在核糖体上与 mRNA 上相应的密码子对号人座
    • tRNA 上有两个重要的功能部位：一个是氨基酸结合部位，另一个是 mRNA 结合部位
  • 核糖体是肽链“装配厂”
  • 肽链生物合成需要酶类和蛋白质因子
    • 蛋白因子的类型
      • ①起始因子，原核生物和真核生物的起始因子分别用 IF 和 eIF 表示
      • ②延长因子，原核生物与真核生物的延长因子分别用 EF 和 eEF 表示
      • ③释放因子又称终止因子，原核生物与真核生物的释放因子分别用 RF 和 eRF 表示
• 氨基酸与 tRNA 的连接 P339
  • 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。该过程是由氨基酰 tRNA 合成酶所催化的耗能反应。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
  • 氨基酰-tRNA 合成酶识别特定氨基酸和 tRNA
    • 氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酰-tRNA合成的主要反应步骤
      • ①氨基酰 tRNA 合成酶催化ATP分解为焦磷酸与AMP
      • ②AMP、酶、氨基酸三者结合为中间复合体(氨基酰-AMP-E)，其中氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联，成为活化的氨基酸
      • ③活化氨基酸与 tRNA 分子的3'-CCA末端(氨基酸接纳臂)上的腺苷酸的核糖 2' 或 3' 位的游离羟基以酯键结合，形成相应的氨基酰tRNA
  • 肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酰-tRNA
• 肽链的生物合成过程 P341
  • 翻译起始复合物的装配启动肽链合成
    • 原核生物翻译起始复合物的形成
      • 核糖体大小亚基分离
      • 核糖体小亚基结合于 mRNA 的起始密码子附近
      • fMet-tRNAfMet 结合在核糖体 P 位
      • 核糖体大亚基结合形成起始复合物
    • 真核生物翻译起始复合物的形成
      • 核糖体大小亚基分离
      • Met-tRNAiMet 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
  • 在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链
    • 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。这是一个在核糖体上重复进行的进位、成肽和转位的循环过程，每完成 1 次，肽链上即可增加 1 个氨基酸残基
    • 真核生物的肽链延长过程
      • 进位
        • 又称注册，是指一个氨基酰-tRNA 按照 mRNA 模板的指令进人并结合到核糖体 A 位的过程
      • 成肽
        • 指肽基转移酶(转肽酶)催化两个氨基酸间肽键形成的反应
      • 转位
        • 指的是核糖体沿着mRNA的移位
        • 移位的结果
          • ①成肽后位于 P 位的 tRNA 所携带的氨基酸或肽在反应中交给了 A 位上的氨基酸，空载的 tRNA 从核糖体直接脱落
          • ②成肽后位于 A 位的带有合成中的肽链的 tRNA(肽酰-tRNA)转到了 P 位上
          • ③ A 位得以空出，且准确定位在 mRNA 的下一个密码子，以接受一个新的对应的氨基酰 tRNA 进位
  • 终止密码子和释放因子导致肽链合成停止
    • 肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要经过一次进位、成肽和转位反应。如此往复，直到核糖体的 A 位对应到了 mRNA 的终止密码子上
    • 原核生物有 3 种 RF。RF1 识别 UAA 或 UAG，RF2 识别 UAA 或 UGA，RF3 则与 GTP 结合并使其水解，办助 RF1 与 RF2 与核糖体结合