蛋白质的生物合成

以下讲述了蛋白质的生物合成，内容有蛋白质合成体系、氨基酸与tRNA的连接、肽链的生物合成过程、肽链合成后加工和靶向输送。

蛋白质的生物合成（翻译） 蛋白质的生物合成也称为翻译，是指以mRNA为模板，把mRNA分子中由A,G,C,U四种核苷酸序列组成的遗传信息，解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序的过程翻译（translation）。

• 蛋白质合成体系
  • mRNA是蛋白质合成的模板
    • mRNA的基本结构
      • 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(open reading frame, ORF)。
      • 原核生物一条mRNA往往含有功能相关的几种蛋白质多肽链的编码序列 原核生物的mRNA被称为多顺反子；n个ORF
      • 真核生物一条mRNA分子往往只带有一种蛋白质多肽链的编码信息。 真核生物的mRNA常常只能编码一条多肽链，被称为单顺反子； 帽子、尾巴；一个ORF
    • 遗传密码
      • 密码子： 在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，编码一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子（遗传密码）起
        • 始密码子(initiation codon)： AUG
        • 终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA
      • 遗传密码的特点：
        • 方向性
        • 连续性
          • 移码：由于密码子的连续性，在开放阅读框中插入或缺失非3的倍数的核苷酸，将会引起mRNA可读框发生移动，称为移码（frame shift）
          • 移码突变 ：移码导致后续氨基酸编码序列改变，使得其编码的蛋白质彻底丧失或改变原有功能，称之为移码突变
        • 简并性
          • 为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子
        • 摆动性
        • 通用性
  • tRNA是氨基酸与密码子之间的特异连接物
    • tRNA双重功能
      • 以氨基酰-tRNA的形式携带氨基酸
      • 识别mRNA上的遗传密码
      • 一种tRNA只能转运一种特定的氨基酸 一种氨基酸可与2-6种对应的tRNA特异性结合
  • 核糖体是蛋白质合成的场所
    • 核糖体的组成
      • 原核核蛋白体：70S：50S+30S
      • 真核核蛋白体：80S：60S+40S
    • 结构特点和作用
      • tRNA结合位点： 受位 (氨酰位, A位) 给位 (肽酰位, P位) 排出位（ E位 ）
      • mRNA结合位点： 位于30s/40s小亚基头部
      • 肽酰转移酶活性部位：P位和A位连接处 与核糖体大亚基23srRNA/28srRNA有关
      • 结合参与蛋白质合成的多种可溶性蛋白因子
  • 肽链生物合成需要酶类和蛋白质因子
    • 酶类
      • 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNA synthetase)：催化氨基酸的活化；
      • 肽酰转移酶(peptidase)： 催化核糖体P位上的肽酰基转移至A位氨基酰-tRNA的氨基上，形成肽键;并受释放因子RF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(translocase)： 此酶存在于延长因子EF-G中，催化核糖体向mRNA3’-端移动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。
    • 蛋白质因子
      • 起始因子（initiation factor，IF）
      • 延长因子（elongation factor，EF）
      • 释放因子（release factor，RF）
• 氨基酸与tRNA的连接（氨基酸活化）
  • 氨基酸的活化：
    • 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。
    • 氨基酸的活化形式:氨基酰-tRNA
    • 氨基酸与tRNA的连接方式:酯键
    • 每个氨基酸活化需消耗2个来自ATP的高能磷酸键
    • 氨基酰-tRNA的表示方法： 氨基酸的三字母缩写 - tRNA氨基酸的三字母缩写
  • 氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA
    • 氨基酰-tRNA合成酶作用特点
      • 氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性
  • 肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酰-tRNA
    • 起始tRNA：转运起始氨基酸的tRNA
      • 真核生物：Met-tRNAiMet 原核生物：fMet-tRNAfMet
    • 延伸tRNA：在肽链延伸过程中起作用的tRNA
      • 真核生物：Met-tRNA Met 原核生物：Met-tRNA mMet
• 肽链的生物合成过程
  • 起始：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
      • 翻译起始复合物:30s小亚基,模板mRNA,fMet-tRNAfMet,50s大亚基还需3种IF,GTP和Mg2+
      • 1. 核糖体大小亚基分离； 2. mRNA与核糖体小亚基结合:S-D序列,RBS 3. fMet-tRNAfMet结合在核糖体P位 ； 4. 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
      • 43S前起始复合物的形成 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。
  • 延长：在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链
    • 进位/注册
    • 成肽：肽酰转移酶属于一种核酶
    • 转位
    • 特点
      • 每一循环生成 1个肽键
      • 每生成一个肽键至少消耗4个高能磷酸键
      • 密码子阅读方向：5’  3
      • 多肽链延长方向：N端C端
  • 终止：终止密码子和释放因子导致肽链合成停止
    • 原核生物有3种RF：RF1,RF2,RF3 多聚核糖体
• 肽链合成后加工和靶向输送
  • 新生肽链折叠需要分子伴侣
    • 分子伴侣: 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70家族、伴侣蛋白等
    • 异构酶: 二硫化物异构酶 肽酰-脯氨酰顺反异构酶
  • 肽链水解加工产生具有活性的蛋白质或多肽
    • 合成后肽链的末端被水解加工
    • 肽链中肽键水解产生多种功能肽
  • 氨基酸残基的化学修饰改变蛋白质的活性
  • 亚基聚合形成具有四级结构的活性蛋白质
    • 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
    • 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
  • 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
    • 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液合成后靶向输入线粒体
    • 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
• 蛋白质生物合成的干扰和抑制
  • 许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用
  • 某些毒素抑制真核生物蛋白质合成
  • 干扰素经抑制蛋白质生物合成而呈现抗病毒作用