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蛋白质的合成
生物化学与分子生物学之蛋白质的合成知识梳理，包括蛋白质合成体系、氨基酸与tRNA的连接、肽链的合成过程、蛋白质合成后的加工和靶向输送等等。
编辑于2022-11-02 22:00:02 广东- 蛋白质的合成
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蛋白质的合成
概述
蛋白质具有多种生物学功能，参与生命的几乎所有过程，是生命活动的物质基础
通常一个细胞在某一特定时刻，其生存及活动约需数千种结构蛋白质和功能蛋白质的参与。
蛋白质具有高度的种属特异性，不同种属间蛋白质不能互相替代，因此各种生物的蛋白质均由机体自身合成
蛋白质由基因编码，是遗传信息表达的主要终产物
mRNA带有蛋白质合成的编码信息是蛋白质合成的模板。蛋白质在机体内的合成过程，实际上就是遗传信息从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，因此这一过程也被形象地称为翻译（taslauion）。从低等生物细菌到高等哺乳动物，蛋白质合成机制高度保守。
新合成的蛋白质多肽链通常并不具备生物学活性，需经过各种修饰加工并折叠为正确构象，然后靶向运输至合适的亚细胞部位才能行使其功能
第一节 蛋白质合成体系
蛋白质生物合成是细胞最为复杂的活动之一。参与细胞内蛋白质生物合成的物质除原料氨基酸外，还需要mRNA作为模板，tRNA作为特异的氨基酸“搬运工具”，核糖体作为蛋白质合成的装配场所，有关的酶与蛋白质因子参与反应，并且需要ATP或GTP提供能量。
一、mRNA是蛋白质合成的模板
简述
编码蛋白质机制
mRNA的发现回答了细胞核内基因组的遗传信息如何编码蛋白质这一重要问题。
由DNA转录而来的mRNA在细胞质内作为蛋白质合成的模板
mRNA编码区（可读框）中的核苷酸序列作为遗传密码
在蛋白质合成过程中被翻译为蛋白质的氨基酸序列
核苷酸序列的翻译
mRNA分子中核苷酸序列的翻译以3个相邻核苷酸为单位进行。
密码子
（P288表15-1）
在mRNA的可读框区域，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，称为密码子，又称三联体密码
例如，UUU是苯丙氨酸的密码子，UCU是丝氨酸的密码子，GCA是丙氨酸的密码子。
构成mRNA的4种核苷酸经排列组合可产生64个密码子，其中的61个编码20种在蛋白质合成中作为原料的氨基酸
终止密码子
另有3个（UAA、UAG、UGA）不编码任何氨基酸，而是作为肽链合成的终止密码子
起始密码子
AUG具有特殊性，不仅代表甲硫氨酸，如果位于mRNA的翻译起始部位，它还代表肽链合成的起始密码子
遗传密码重要特点
1.方向性
组成密码子的核苷酸在mRNA中的排列具有方向性。翻译时的阅读方向只能从5′至3′，即从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。mRNA可读框中从5′-端到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（P288图15-1a）。
2.连续性
mRNA中密码子之间没有间隔核苷酸，即从起始密码子开始，密码子被连续阅读，直至终止密码子出现
因密码子具有连续性，若可读框中插入或缺失了非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，称为移码突变（ frameshift mutation）（图15-1b）。若连续插入或缺失3个核苷酸，则只会在多肽链产物中增加或缺失个氨基酸残基，但不会导致可读框移位。
3.简并性
概念
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，这种现象称为简并性
例如，UUU和UUC都是苯丙氨酸的密码子，UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC都是丝氨酸的密码子。
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
特点
多数情况下，同义密码子的前两位碱基相同，仅第三位碱基有差异，即密码子的特异性主要由前两位核苷酸决定
如苏氨酸的密码子是ACU、ACC、ACA、ACG。这意味着密码子第三位核苷酸的改变往往不改变其编码的氨基酸，合成的蛋白质具有相同的一级结构
意义
遗传密码的简并性可减少基因突变所带来的生物学效应
4.摆动性
简述
密码子通过与tRNA的反密码子配对而发挥翻译作用，但这种配对有时并不严格遵循 Watson-Crick碱基配对原则，出现摆动
此时mRNA密码子的第1位和第2位碱基（5′→3′）与tRNA反密码子的第3位和第2位碱基（5′→3′）之间仍为 Watson-Crick-配对，而反密码子的第1位碱基与密码子的第3位碱基配对有时存在摆动现象。例如，反密码子第1位碱基为次黄嘌呤（inosine，I），可与密码子第3位的A、C或U配对；反密码子第1位的U可与密码子第3位的A或G配对；反密码子第1位的G可与密码子第3位的C或U配对（P289图15-2）。
意义
密码子的摆动性能使一种tRNA识别mRNA中的多种简并性密码子
图片
5.通用性
概念
遗传密码具有通用性，即从低等生物如细菌到人类都使用着同一套遗传密码
这为地球上的生物来自同一起源的进化论提供了有力证据，另外也使得利用细菌等生物来制造人类蛋白质成为可能。但遗传密码的通用性并不是绝对的，也有少数例外。例如，在哺乳类动物线粒体内，UGA除了代表终止信号，也代表色氨酸；AUA不再代表异亮氨酸，而是作为甲硫氨酸的密码子。
图片
二、tRNA是氨基酸的密码子之间的特异连接物
简述
作为蛋白质合成原料的20种氨基酸，翻译时由其各自特定的tRNA负责转运至核糖体
机制
参与肽链合成的氨基酸需要与相应tRNA结合，形成各种氨酰-tRNA（ aminoacyl tRNA），再运载至核糖体，通过其反密码子与mRNA中对应的密码子互补结合（P289图15-2），从而按照mRNA的密码子顺序依次加入氨基酸。
tRNA通过其特异的反密码子与mRNA上的密码子相互配对，将其携带的氨基酸在核糖体上准确对号入座
特点
虽然已发现的tRNA多达数十种，一种氨基酸通常与多种tRNA特异结合（与密码子的简并性相适应）
但是一种tRNA只能转运一种特定的氨基酸
常在tRNA的右上角标注氨基酸的三字母符号，以代表其特异转运的氨基酸，如tRNATyr表示这是一种特异转运酪氨酸的tRNA。
结构
tRNA上有两个重要的功能部位
氨基酸结合部位
与氨基酸结合的部位是tRNA的氨基酸臂的-CCA末端的腺苷酸3’-OH
mRNA结合部位
与mRNA结合的部位是tRNA反密码环中的反密码子
三、核糖体是蛋白质合成的场所
简述
合成肽链时mRNA与tRNA的相互识别、肽键形成、肽链延长等过程全部在核糖体上完成
核糖体类似于一个移动的多肽链“装配厂”，沿着模板mRNA链从5′端向3’端移动。在此期间，携带着各种氨基酸的tRNA分子依据密码子与反密码子配对关系快速进出其中为延长肽链提供氨基酸原料（动画15-1“30S小亚基-tRNA”）。肽链合成完毕，核糖体立刻离开mRNA分子。
三个重要功能位
原核生物和真核生物的核糖体上均存在A位、P位和E位这3个重要的功能部位（见P289图15-3）
A位结合氨酰-tRNA，称氨酰位
P位结合肽酰-tRNA，称肽酰位
E位释放已经卸载了氨基酸的tRNA，称排出位
图片
四、蛋白质合成需要多种酶类和蛋白质因子
蛋白质合成需要由ATP或GTP供能，需要Mg2+、肽酰转移酶、氨酰-tRNA合成酶等多种分子参与反应。此外，起始、延长及终止各阶段还需要多种因子参与 各类因子的种类及其生物学功能见P290表15-2（原核生物）及表15-3（真核生物）。
①起始因子（ IF），原核生物和真核生物的起始因子分别以IF和eIF表示；
②延长因子（ EF），原核生物与真核生物的延长因子分别以EF和eEF表示；
③终止因子，又称释放因子（ RF），原核生物与真核生物的释放因子分别以RF和eRF表示。
第二节 氨基酸与tRNA的连接
概述
氨基酸的活化
参与肽链合成的氨基酸需要与相应tRNA结合，形成各种氨酰-tRNA
氨基酸与特异tRNA结合形成氨酰-tRNA的过程（由氨酰-tRNA合成酶催化）
一、氨酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA
（1）氨酰-tRNA合成酶决定氨基酸与tRNA连接准确性，对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性
mRNA密码子与tRNA反密码子间的识别主要由tRNA决定，而与氨基酸无关，“搭错车”的氨基酸仍将依据tRNA的种类进入多肽链导致合成出错。因此氨基酸与tRNA连接的准确性是正确合成蛋白质的关键。 目前发现氨酰-tRNA合成酶至少有23种，分别与组成蛋白质的各种氨基酸一一对应，并能准确识别相应的tRNA。在组成蛋白质的常见20种氨基酸中，除了赖氨酸有两种氨酰tRNA合成酶与其对应，其他氨基酸各自对应一种氨酰-tRNA合成酶，另外还有识别磷酸化丝氨酸和吡咯酪氨酸的氨酰-tRNA合成酶。
催化反应步骤
氨酰tRNA合成酶催化ATP分解为焦磷酸与AMP
AMP、酶、氨基酸三者结合为中间复合体（氨酰-AMP-酶）
氨基酸羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相连而活化
活化氨基酸与tRNA3’-CCA末端腺苷酸的核糖2’或3’位游离羟基以酯键结合
已经结合了不同氨基酸的氨酰-tRNA用前缀氨基酸三字母代号表示，如Tyr-tRNATyr代表tRNATyr的氨基酸臂上已经结合有酪氨酸。
形成相应的氨酰-tRNA
AMP以游离形式被释放
每个氨基酸活化消耗2个高能磷酸键
（2）氨酰-tRNA合成酶还有校对活性
水解释放错误结合的氨基酸，换上正确的氨基酸，以改正错配
从而保证氨基酸和tRNA结合反应的误差小于10﹣4。
二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨酰-tRNA
编码甲硫氨酸的密码子又作为起始密码子
尽管都携带着甲硫氨酸，但结合在起始密码子处的氨酰-tRNA，与结合可读框内部甲硫氨酸密码子的氨酰-tRNA在结构上是有差别的。
结合于起始密码子的属于专门的起始氨酰-tRNA
原核生物为fMet-tRNA，甲硫氨酸被甲酰化，成为N-甲酰甲硫氨酸
真核生物为tRNAi，与甲硫氨酸结合后，参与形成翻译起始复合物
可以在mRNA的起始密码子AUG处就位， Met-tRNAiMet和Met -tRNAMet可分别被起始或延长过程起催化作用的酶和蛋白质因子识别。
第三节 肽链的合成过程
概述
翻译过程
真核生物的肽链合成过程与原核生物的肽链合成过程基本相似，只是反应更复杂、涉及的蛋白质因子更多。
起始
延长
终止
一、翻译起始复合物的装配启动肽链合成
概述
起始是指mRNA、起始氨酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物的过程
（一）原核生物反应起始复合物的形成
原核生物翻译起始复合物的形成需要30S小亚基、 mRNA、fMet-tRNAfMet和50S大亚基，还需要3种IF、GTP和Mg2+。其主要步骤如下:
1.核糖体大小亚基分离
完整核糖体在IF的帮助下，大、小亚基解离，为结合mRNA和fMet-tRNA做好准备
IF的作用是稳定大、小亚基的分离状态，如没有IF存在，大、小亚基极易重新聚合。
2.mRNA与核糖体小亚基结合
可准确识别起始密码子AUG，而不会结合内部AUG，从而正确地翻译出所编码蛋白质
保证这一结合准确性的机制是:mRNA起始密码子AUG上游存在一段被称为核糖体结合位点（RBS）的序列。该序列距AUG上游约10个核苷酸处通常为-AGGAGG-（S-D序列），可被16S rRNA通过碱基互补而精确识别，从而将核糖体小亚基准确定位于mRNA。
3.fMet-tRNA结合在核糖体P位
fMet-tRNA与结合了GTP的IF2识别并结合对应于小亚基P位mRNA的AUG处
A位被IF1占据，不与任何氨酰-tRNA结合
4.翻译起始复合物形成
结合于IF2的GTP被水解，释的能量促使3种IF释放
大亚基与结合了 mRNA、 fMet-tRNA的小亚基结合形成翻译起始复合物
由完整核糖体、 mRNA、 fMet-tRNA组成的
核糖体三功能部位（A位、P位、E位）
肽链合成过程中
新的氨酰-tRNA首先进入A位，形成肽键后移至P位
翻译起始复合物装配时
fMet-tRNA直接结合于核糖体P位，A位空留，且对应于AUG后的密码子，为下一个氨酰-tRNA的进入及肽链延长做好准备
（二）真核生物翻译起始复合物的形成
真核生物翻译起始复合物的装配所需起始因子的种类更多，其装配过程更复杂，且mRNA的5′-帽和3’-多聚（A）尾均为正确起始所必需。此外，起始氨酰-tRNA先于mRNA结合于小亚基，与原核生物的装配顺序不同。其主要步骤如下:
1.43S前起始复合物的形成
多种起始因子与核糖体小亚基结合，形成43S前起始复合物
其中eIF1A和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。
eIF1结合于E位
GTP-eIF2与起始氨酰-tRNA结合
eIF5和eIF5B
2.mRNA与核糖体小亚基结合
eIF4F复合物介导mRNA与43S前起始复合物的结合
eIF4F由eIF4E（结合mRNA5；5’-帽）、eIF4A（具 ATPase及RNA解旋酶活性）和eIF4G组成（结合eIF3、eIF4E和PABP）。
3.核糖体大亚基的结合
mRNA与43S前起始复合物、eIF4F复合物结合，产生48S起始复合物
从mRNA5′-端向3’-端扫描起始并定位起始密码子
有些mRNA的翻译起始并不依赖其5’-帽结构，在翻译起始时，核糖体可被mRNA上的内部核糖体进入位点（IRES）直接招募至翻译起始处，这一过程需要多种蛋白质如IRES反式作用因子（IRES trans-acting- factors， ITAFs）、eIF4GI等的协助。
大亚基加入，起始因子释放，翻译起始复合物形成（需要eIF5和eIF5B参与）
eIF5促使eIF2发挥 GTPase活性，水解与之结合的GTP生成eIF2-GDP，使得eIF2-GDP与起始tRNA的亲和力减弱。eIF5B是原核IF2的同源物，通过水解与之结合的GTP，促进eIF2-GDP与其他起始因子解离。
二、在核糖体上重复进行的三步反应延长肽链
概述
肽链延长
原核生物与真核生物的肽链延长过程基本相似，只是反应体系和延长因子不同。这里主要介绍原核生物的肽链延长过程。
定义：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
特点：在核糖体上重复进行的进位、成肽和转位的循环过程，每循环1次，肽链上即可增加1个氨基酸残基
条件：需要mRNA、tRNA、核糖体、数种延长因子以及GTP参与
1.进位
（1）指氨酰-tRNA按照mRNA模板指令进入核糖体A位的过程，又称注册
翻译起始复合物中的A位是空闲的，并对应着可读框的第二个密码子，进入A位的氨酰-tRNA种类即由该密码子决定。氨酰-tRNA先与GTP-EF-Tu结合成一复合物，然后进入A位，GTP随之水解，EF-Tu-GDP从核糖体释放。GTP-EF-Tu又可循环生成。
（2）核糖体对氨酰-tRNA的进位有校正作用
肽链生物合成以很高速度进行，延长阶段每一过程都有时限
正确氨酰-tRNA能迅速发生反密码子密码子互补配对进入A位
错误氨酰-tRNA因反密码子-密码子不能配对结合而从A位解离
维持肽链生物合成的高度保真性的机制之一
2.成肽
（1）指核糖体A位和P位上tRNA所携带氨基酸缩合成肽的过程
起始复合物中，P位上起始tRNA所携带的甲酰甲硫氨酸与A位上进位的氨酰tRNA的α-氨基缩合形成二肽
二肽酰-tRNA占据核糖体A位，卸载了氨基酸的tRNA仍在P位
（2）成肽由肽酰转移酶催化，该酶化学本质是RNA（核酶）
原核生物为23S rRNA
真核生物为28S rRNA
3.转位
（1）指成肽反应后，核糖体需要向mRNA3’-端移动一个密码子的距离，方可阅读下一个密码子的过程
（2）核糖体转位需要延长因子EF-G（即转位酶），并需要GTP水解供能，转位的结果：
①P位上tRNA所携带氨基酸或肽在成肽后交给A位上氨基酸
P位上卸载的tRNA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位得以空出，且准确定位在mRNA下一个密码子，以接受下一个氨酰-tRNA进位
综述
（1）延长方式
核糖体从mRNA5’-端向3’-端顺序阅读密码子，进位、成肽和转位三步反应循环进行，每循环一次向肽链C-端添加一个氨基酸残基，肽链由N-端向C-端逐渐延长
经过第二轮进位一成肽一转位，P位出现三肽酰tRNA，A位空留并对应于第四个氨酰-tRNA进位。重复此过程，则有四肽酰-tRNA、五肽酰-tRNA等陆续出现于核糖体P位，A位空留，接受下一个氨酰-tRNA进位。
（2）真核生物特点
需要eEF1α、eEF1βγ和eEF2这三类延长因子，功能分别对应原核生物的EF-Tu、EF-Ts和EF-G
真核生物的肽链延长机制与原核生物基本相同但亦有差异，如两者所需延长因子不同。
一个新的氨酰-tRNA进入A位后会产生别构效应，致使空载tRNA从E位排出
（3）耗能
每生成1个肽键，至少需消耗4个高能磷酸键
氨基酸活化为氨酰-tRNA时需消耗2个高能磷酸键
每生成一个肽键，都需要水解2分子GTP（进位与转位各1分子）获取能量，即消耗2个高能磷酸键
若出现不正确氨基酸进入肽链，也需要消耗能量来水解清除
三、终止密码子和释放因子导致肽链合成终止
概述
肽链每增加一个氨基酸残基，就需经过一次进位、成肽、转位反应，直到核糖体A位与mRNA终止密码子对应
（1）释放因子RF
终止密码子不被任何氨酰-tRNA识别，只有释放因子RF能识别终止密码子而进入A位（需水解 GTP ）
RF结合可触发核糖体构象改变，将肽酰转移酶转变为酯酶，水解P位上肽酰-tRNA中肽链与tRNA之间的酯键，新生肽链随之释放，mRNA、tRNA及RF从核糖体脱离，核糖体大小亚基分离。mRNA模板、各种蛋白质因子及其他组分都可被重新利用。
原核生物有3种RF
RF1特异识别UAA或UAG
RF2特异识别UAA或UGA
均可诱导肽酰转移酶转变为酯酶
RF3具 GTPase有活性，当新生肽链从核糖体释放后，促进RF1或RF2与核糖体分离
真核生物仅有一种释放因子eRF，3种终止密码子均可被其识别
（2）多聚核糖体
多个核糖体结合在1条mRNA链上所形成的聚合物称为多聚核糖体
无论在原核细胞还是真核细胞内，1条mRNA模板链上都可附着10～100个核糖体。这些核糖体依次结合起始密码子并沿mRNA5’→3’方向移动，同时进行同一条肽链的合成。
使肽链合成高速度、高效率进行
（3）原核、真核转录翻译特点
原核生物
转录翻译过程紧密偶联，转录未完成时已有核糖体结合于mRNA分子的5’-端开始翻译
真核生物
转录发生在细胞核，翻译在细胞质，分隔进行
第四节 蛋白质合成后的加工和靶向输送
概述
（一）翻译后加工
新生肽链成为有活性的成熟蛋白质的过程，方式多样
正确折叠形成具有生物活性的三维空间结构
形成二硫键
通过亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质
水解作用切除一些肽段或氨基酸
对某些氨基酸残基的侧链基团进行化学修饰等
（二）蛋白质靶向输送（蛋白质分拣）
蛋白质合成后在细胞内被定向输送到其发挥作用部位的过程
蛋白质合成后还需要被输送到合适的亚细胞部位才能行使各自的生物学功能。有的蛋白质驻留于细胞质，有的被运输到细胞器或镶嵌入细胞膜，还有的被分泌到细胞外
一、新生肽链折叠需要分子伴侣
（一）分子伴侣
指导新生肽链按特定方式正确折叠的辅助性蛋白质
蛋白质在合成时，尚未折叠的肽段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空间构象。这种结构混乱的肽链聚集体产生过多会对细胞有致命的影响。 细胞中大多数天然蛋白质折叠并不是自发完成的，其折叠过程需要其他酶或蛋白质的辅助。 原核生物和真核生物都存在多种类型的分子伴侣，研究比较清楚的主要有：
热激蛋白70（Hsp70）家族
（1）特征
分子量接近70kD，高温刺激可诱导其合成
（2）作用机制
与未折叠蛋白质的疏水区结合
避免蛋白质因高温而变性
防止新生肽链过早折叠
使一些跨膜蛋白质在转位至膜前保持非折叠状态
通过与多肽链结合、释放的循环过程，使多肽链发生正确折叠
需ATP水解供能、其他伴侣蛋白如Hsp40的共同作用
与未折叠多肽链结合，解开多肽链之间的聚集或防止新聚集的产生
多肽链从Hsp70释放后，可以重新折叠成天然构象
如果多肽链折叠不充分，上述过程可重复进行直至天然构象形成。
（3）人热激蛋白家族
可存在于细胞质、内质网腔、线粒体、胞核等部位，发挥多种细胞保护功能
使线粒体和内质网蛋白质以未折叠状态转运和跨膜
避免蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生不可逆聚集
清除变性或错误折叠的肽链中间物等
伴侣蛋白
有些肽链的正确折叠还需要伴侣蛋白发挥辅助作用
为非自发性折叠肽链提供正确折叠的微环境
大肠杆菌内伴侣系统 GroEL/GroES
大肠杆菌内有10％～15％的细胞内蛋白质的正确折叠依赖伴侣系统 GroEL/GroES，热激条件下依赖该系统的蛋白质则高达30％。 GroEL是由14个相同亚基组成的多聚体，可形成一桶状空腔，顶部是空腔的出口。 GroES是由7个相同亚基组成的圆顶状复合物，可作为GroEL桶的盖子。需要折叠的肽链进入 GroEL的桶状空腔后， GroES可作为盖子瞬时封闭 GroEL出口。封闭后的桶状空腔为肽链折叠提供微环境，折叠过程需消耗大量ATP。折叠完成后，形成天然构象的多肽链被释放，尚未完全折叠的肽链可进入下一轮循环，重复以上过程，直至天然构象形成。
真核细胞与 GroEL/GroES功能类似的伴侣蛋白是Hsp60
（二）异构酶
也参与一些蛋白质正确空间构象的形成
这些都是蛋白质形成正确空间构象和发挥功能的必要条件。
蛋白质硫键异构酶（PDI）
帮助肽链内或肽链间二硫键的正确形成
肽脯氨酰基顺-反异构酶（PPI）
使肽链在各脯氨酸残基弯折处形成正确折叠
二、肽链水解加工产生具有活性的蛋白质或多肽
（一）新生肽链的水解是肽链加工的重要形式
N-端的甲硫氨酸残基，离开核糖体后大部分由特异蛋白水解酶切除
原核细胞
约半数成熟蛋白质的N-端经脱甲酰基酶切除N-甲酰基而保留甲硫氨酸
另一部分被氨基肽酶水解而去除N-甲酰甲硫氨酸
真核细胞
分泌蛋白质和跨膜蛋白质的前体分子的N-端信号肽序列（13～36个氨基酸残基组成）
蛋白质成熟过程中需被切除
有些情况下C-端的氨基酸残基需被酶切除
使蛋白质呈现特定功能
初合成时是分子量较大的没有活性的前体分子（胰岛素、胰蛋白酶原等）
经过水解作用切除部分肽段，才能成为有活性的蛋白质分子或功能肽
（二）有些多肽链经水解可以产生数种小分子活性肽
如阿黑皮素原（POMC）可被水解而生成促肾上腺皮质激素、β-促脂解素、α-激素、促皮质素样中叶肽、γ-促脂解素、β-内啡肽、β-促黑激素、γ-内啡肽及α-内啡肽等9种活性物质
三、氨基酸残基的化学修饰改变蛋白质的活性
某些氨基酸残基的侧链基团发生化学修饰，显著增加了肽链中氨基酸种类
直接参与肽链合成的氨基酸约有20种 已发现蛋白质中存在100多种修饰性氨基酸
功能
改变蛋白质的溶解度、稳定性、亚细胞定位以及与细胞中其他蛋白质的相互作用等，使蛋白质的功能具有多样性
体内常见化学修饰
磷酸化
丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸
N-糖基化
天冬酰胺
O-糖基化
丝氨酸、苏氨酸
羟基化
脯氨酸、赖氨酸
甲基化
赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸
乙酰化
赖氨酸、丝氨酸
硒化
半胱氨酸
修饰均为酶促反应（蛋白激酶、糖基转移酶、羟化酶、甲基转移酶等）
四、亚基聚合形成具有四级结构的活性蛋白质
有些肽链需与辅基聚合才能形成具有活性的蛋白质
生物体内许多具有特定功能的蛋白质由2条以上肽链构成，各肽链之间通过非共价键或二硫键维持一定空间构象。 例如，成人血红蛋白由2条α链、2条β链及4个血红素分子组成。α链合成后从核糖体自行脱离，与尚未从核糖体释放的β链相结合，将β链带离核糖体，形成游离的αβ二聚体。此二聚体再与线粒体内生成的两个血红素相结合，最后才形成一个由4条肽链（α2β2）和4个血红素构成的有功能的血红蛋白分子。
①亚基相互聚合时信息蕴藏在氨基酸序列中
②聚合过程往往有一定顺序，前一步骤聚合往往促进后一步骤进行
五、蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位
概述
蛋白质合成后，还必须被靶向输送至其发挥功能的亚细胞区域，或分泌到细胞外
生物体内的蛋白质历经肽链合成的起始、延长、终止，以及加工和靶向输送后发挥生物学功能。其后，蛋白质在特定的时空条件下被降解蛋白质的生物合成及其降解是几乎所有生命活动的基础。
分拣信号（信号序列）是决定蛋白质靶向输送特性的最重要结构
所有需靶向输送的蛋白质，其一级结构都存在分拣信号，可引导蛋白质转移到细胞的特定部位
有的信号序列存在于肽链的N-端，有的在C-端，有的在肽链内部有的输送完成后切除有的保留。现代生物信息学技术可通过基因的结构推测其编码蛋白质在细胞内的可能定位
有的蛋白质合成过程中已开始靶向输送，有的从核糖体上释放后才开始
（一）分泌蛋白质在内质网加工及靶向输送
（1）细胞内分泌蛋白质的合成与靶向输送同时发生
已发现有数百种信号肽存在
其N-端存在由数十个氨基酸残基组成的信号序列（即信号肽）其共同特点是:
N-端含一个或多个碱性氨基酸残基
中段含10～15个疏水性氨基酸残基
C-端由一些极性较大、侧链较短的氨基酸残基组成，与信号肽裂解位点邻近
（2）分泌蛋白质的合成及转运机制
在游离核糖体上，信号肽因位于肽链N-端而首先被合成，随后被信号识别颗粒（SRP）识别并结合，SRP随即结合到核糖体上
内质网膜上有SRP受体（SRP对接蛋白），SRP-核糖体复合物被引导至内质网膜上
内质网膜上，肽转位复合物形成跨内质网膜的蛋白质通道，合成中的肽链穿过内质网膜孔进入内质网
SRP脱离信号肽和核糖体，肽链继续延长直至完成
信号肽在内质网内被信号肽酶切除
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
在高尔基复合体中被包装进分泌小泡
转运至细胞膜，分泌到细胞外
（二）内质网蛋白质的C-端含有滞留信号序列
内质网中含多种帮助新生肽链折叠成天然构型的蛋白质（如分子伴侣等）
经粗面内质网上附着的核糖体合成并进入内质网腔
随囊泡输送至高尔基复合体
通过内质网C-端滞留信号序列与相应受体结合，随囊泡输送回内质网
（三）大部分线粒体蛋白质在细胞质合成后靶向输入线粒体
（1）绝大部分线粒体蛋白质由细胞核基因组基因编码
线粒体自身含有DNA、 mRNA、 tRNA和核糖体等，可以进行蛋白质的合成，但绝大部分线粒体蛋白质由细胞核基因组基因编码（超过95％，约1100种）
在胞质游离核糖体中合成后靶向输送到线粒体
大部分定位于线粒体基质
其他定位于内膜、外膜或膜间腔
（2）定位于线粒体基质的蛋白质靶向输送过程
这类蛋白质的其前体分子N-端包含前导肽序列，由20～35个氨基酸残基组成，富含丝氨酸、苏氨酸及碱性氨基酸。
新合成的线粒体蛋白质与热激蛋白或线粒体输入刺激因子结合，以稳定的未折叠形式转运至线粒体外膜
通过前导肽序列识别，与线粒体外膜的受体复合物结合
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，进入线粒体基质
蛋白质前体被蛋白酶切除前导肽序列，在分子伴侣作用下折叠成有功能构象的蛋白质
（3）输送到线粒体内膜和膜间隙的蛋白质多一段信号序列
作用是引导蛋白质从基质输送到线粒体内膜或穿过内膜进入膜间隙
（四）质膜蛋白质由囊泡靶向输送至细胞膜
（1）靶向跨膜机制与分泌蛋白质不同点
肽链不完全进入内质网腔，锚定在内质网膜上，通过内质网膜“出芽”方式形成囊泡
跨膜蛋白质随囊泡转移至高尔基复合体进行加工，再随囊泡转运至细胞膜，最终与细胞膜融合而构成新的质膜
（2）不同类型的跨膜蛋白质以不同形式锚定于膜上
例如，单次跨膜蛋白质的肽链中除N-端含信号序列外，还有一段由疏水性氨基酸残基构成的跨膜序列，即停止转移序列，是跨膜蛋白质在膜上的嵌入区域。当合成中的多肽链向内质网腔导入时，疏水的停止转移序列可与内质网膜的脂双层结合，从而使导入中的肽链不再向内质网腔内转移，形成一次性跨膜的锚定蛋白质。多次跨膜蛋白质的肽链中因有多个信号序列和多个停止转移序列，可在内质网膜上形成多次跨膜。
（五）核蛋白质由核输入因子运载经核孔入核
核蛋白质在细胞质中合成后经核孔进入细胞核
细胞核内含有多种蛋白质，如参与DNA复制和转录的各种酶及蛋白质因子、组蛋白、调节基因表达的转录因子等
靶向输送需要
特异核定位序列（NLS）引导
NLS由4～8个氨基酸残基组成，通常包含连续的碱性氨基酸（Arg或Lys），在肽链的位置不固定，定位完成后保留于肽链而不被切除。
多种蛋白质的参与
核输入因子α和β形成异二聚体，识别并结合核蛋白质的NLS序列。
如核输入因子α和β、Ras相关核蛋白质（RAN）
基本过程
在细胞质合成的核蛋白质与核输入因子结合形成复合物后被导向核孔
具有 GTPase活性的Ran蛋白水解GTP释能，核蛋白质核输入因子复合物通过耗能机制经核孔进入细胞核基质
核输入因子β和α先后从上述复合物中解离，移出核孔后可被再利用，核蛋白质定位于细胞核内
第五节 蛋白质合成的干扰和抑制
概述
蛋白质生物合成是许多药物和毒素的作用靶点
通过阻断蛋白质合成体系中某组分的功能，可干扰和抑制蛋白质合成过程
真原核生物的翻译过程有差别，在临床医学中有重要应用价值
如抗生素能杀灭细菌但对真核细胞无明显影响，因此原核生物蛋白质合成所必需的关键组分可作为研发抗菌药物的靶点
蛋白质合成的每一步反应几乎都可被特定的抗生素所抑制
这些抗生素可被用于蛋白质合成机制的研究。某些毒素作用于基因信息传递过程，对毒素作用机制的研究，不仅有助于理解其致病机制，还可从中探索研发新药的途径。
一、许多抗生素通过抑制蛋白质合成发挥作用
概述
某些抗生素可抑制细胞的蛋白质合成
仅作用于原核细胞蛋白质合成的抗生素可作为抗菌药
抑制细菌生长和繁殖，预防和治疗感染性疾病
作用于真核细胞蛋白质合成的抗生素可以作为抗肿瘤药
（一）抑制肽链合成起始的抗生素
伊短菌素、密旋霉素
可引起mRNA在核糖体上错位
阻碍翻译起始复合物的形成
抑制真原核生物的蛋白质合成
伊短菌素还可影响起始氨酰tRNA的就位和IF3的功能
晚霉素结合于原核23S rRNA，阻止fMet-tRNA的转位
（二）抑制肽链延长的抗生素
1.干扰进位的抗生素
四环素特异性结合30S亚基的A位
从而抑制氨酰-tRNA的进位
粉霉素可降低EF-Tu的GTP酶活性
从而抑制EF-Tu与氨酰-tRNA结合
黄色霉素可阻止EF-Tu从核糖体释出
2.引起读码错误的抗生素
氨基糖苷类抗生素能与30S亚基结合，影响翻译的准确性，例如
这些抗生素均能使延长中的肽链引入错误的氨基酸残基，从而改变细菌蛋白质合成的忠实性。
链霉素与30S亚基结合，在较低浓度时引起读码错误（在高浓度时是抑制蛋白质合成的起始）
潮霉素B、新霉素能与16S rRNA及rpS12结合，干扰30S亚基的解码部位，引起读码错误
3.影响成肽的抗生素
氯霉素可结合核糖体50S亚基，通过阻止肽酰转移而抑制肽键形成
林可霉素作用于A位和P位，阻止tRNA在这两个位置就位而抑制肽键形成
大环内酯类抗生素如红霉素能与核糖体50S亚基中肽链排出通道结合，阻止新生肽链排出，从而阻止肽键进一步形成
嘌呤霉素结构与酪氨酰-tRNA相似，在翻译中可取代酪氨酰-tRNA而进入核糖体A位，中断肽链合成
放线菌酮特异性抑制真核生物核糖体肽酰转移酶的活性
4.影响转位的抗生素
夫西地酸、硫链菌肽、微球菌素抑制EF-G的转位酶活性，从而阻止核糖体转位
大观霉素结合核糖体30S亚基，阻碍小亚基变构，抑制转位反应
二、某些毒素抑制真核生物的蛋白质合成
某些毒素可通过干扰真核生物的蛋白质合成而呈现毒性
白喉毒素
作为一种修饰酶，使eEF2发生ADP-核糖基化修饰
生成eEF2-腺苷二磷酸核糖衍生物
使eEF2失活，从而抑制蛋白质的合成
蓖麻毒蛋白
是蓖麻籽中所含的植物糖蛋白，由A、B两条肽链组成，两条肽链之间由一个二硫键连接
A链是一种蛋白酶
作用于真核生物核糖体大亚基的28S rRNA
特异催化其中一个腺苷酸发生脱嘌呤反应
导致28S rRNA降解而使核糖体大亚基失活
B链对A链发挥毒性起重要的促进作用
B链上的半乳糖结合位点也是蓖麻毒蛋白发挥烟酰胺毒性作用的活性部位