【生化】03物质的生物合成-蛋白质的生物合成

【生化】03物质的生物合成-蛋白质的生物合成，详细的总结了合成体系，合成过程，翻译后修饰，靶向输送，干扰与抑制的内容点梳理。

蛋白质的生物合成

• 合成体系
  • ★复习三种主要RNA参与翻译的过程，一定要及时回头复习其结构，并联系转录后加工修饰的内容 ◎mRNA、tRNA、rRNA在蛋白质合成中的作用是以结构为基础的，请联系第二章进行复习，加强巩固。密码子、氨基酰tRNA合成酶、核糖体的功能位点及各阶段所需要的重要因子都是考试要注意的细节，务必注意！
  • mRNA与遗传密码
    • mRNA是蛋白质合成的直接模板
      • 原核：多顺反子 真核：单顺反子
    • 开放阅读框架(ORF)即编码区：是与多肽链相对应的模板区
      • 在ORF内，每三个相邻的核苷酸为一组，称为遗传密码， 代表一种基本氨基酸或翻译的起始、终止命令
    • 64个密码子
      • 起始密码子：AUG，(蛋氨酸密码)
        • AUG既是起始密码子，又是蛋氨酸的密码子
      • 终止密码子：UAA/UAG/UGA
        • 代表着翻译过程的结束
    • 密码子特性
      • ①方向性：密码子的排列和翻译时的阅读方向只能是5'→3'
        • ①方向性:密码子排列和翻译时的阅读方向只能是5'→3' •从AUG起始密码开始按照5'→3'方向直至终止密码子出现，决定多肽链从N-端到C-端的氨基酸残基排列顺序
      • ②连续性：与移码突变有关，(请复习点突变)
        • ②连续性：密码子之间没有间隔、没有重叠，要连续读码才能正确翻译。如果mRNA分子中有非3n个核昔酸的插入或缺失将导致读码错误，造成氨基酸序列改变(框移突变或移码突变)
      • ③通用性：病毒到高等的人类，几乎使用同一套密码
        • ③通用性：从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套密码，但动物的线粒体和植物的叶绿体有所差别
      • ④简并性：多个密码对应同种氨基酸；维持遗传的稳定性(同义突变)
        • ④简并性：除蛋氨酸和色氨酸外，其它氨基酸都有两个或两个以上密码子与其对应。 •决定同一种氨基酸的几个密码子是简并密码子，头两位碱基一定相同，但第三位碱基可以不同。 •简并性具有一定生物学意义：当基因发生点突变，导致转录产物相应有一个核苷酸改变时，如果该位点恰为简并密码子，则不会造成氨基酸的改变，有利于维持遗传的稳定性(即同义突变)
        • 除蛋氨酸和色氨酸外，其它氨基酸 都有两个或两个以上密码子与其对应
      • ⑤摆动性：密码子第三位与反密码子第一位互补不严格 ( I： A/C/U)；维持遗传的稳定性
        • ⑤摆动性：密码子与反密码子之间遵循反向互补原则，但密码子第三位与反密码子第一位之间并不严格遵守常见的碱基配对规律，这就是摆动性。
        • 反密码子：第一位是次黄嘌呤核苷I时， 密码子：第三位可以是A、U、C的任一种 次黄嘌呤Ⅰ：识别A/C/U
  • tRNA与氨基酸活化
    • ①tRNA既是氨基酸的转运工具，也是蛋白质合成的适配器，能通过反密码子识别mRNA上的密码子来互补配对。 ②氨基酸与tRNA的3'-CCA末端羟基通过酯键结合成为氨基酰-tRNA，这一过程就是氨基酸的活化，由氨基酰-tRNA合成酶催化。 ③氨基酰-RNA合成酶具有高度的特异性和校正活性，保证翻译的准确性。 ④每活化一个氨基酸分子，需要消耗两个高能磷酸键。 ⑤真核起始的甲硫氨酰-tRNA表示为Met-tRNAi-Met ⑥原核起始的甲硫氨酰-tRNA表示为fMet-tRNA-fMet，Met是经过甲酰化修饰的。
    • 生成氨基酰-tRNA，消耗ATP
    • 氨基酰RNA合成酶：高度特异性；校正活性
    • ♦tRNA既是氨基酸的转运工具，也是蛋白质合成的适配器， 能通过反密码子识别mRNA上的密码子来互补配对 ♦一种tRNA只能转运一种氨基酸
  • rRNA与核糖体
    • A位(氨酰位)：氨基酸位点 →结合活化氨基酸(氨酰-tRNA)的位置
    • P位(肽酰位)：多肽位点 →结合延长过程中的肽酰-tRNA
    • E位(排出位)：tRNA排出通道 →卸载tRNA的排出通道
    • 转肽酶：位于大亚基
      • 模板mRNA结合在大、小亚基之间
    • rRNA与相应核糖体蛋白质共同构成核糖体， 是蛋白质合成的场所。
  • 酶和因子
    • 原核生物 •IF-1：占据A位 •IF-2：促进fMet-tRNA-fMet与小亚基结合 •IF-3：促进大、小亚基分离 •EF-Tu：促进氨基酰-tRNA进入A位； 具有GTP酶活性，水解GTP供能 •EF-Ts ：EF-Tu的调节亚基 •EF-G：转位酶活性，促进转位和tRNA释放 •RF-1：识别UAA/UAG，诱导转肽酶变为酯酶 •RF-2：识别UAAUGA，诱导转肽酶变为酯酶 •RF-3：GTP酶活性 真核生物 •eIF：种类较多，促进翻译起始复合物的形成 •eEF1-a：同EF-Tu •eEF1-βγ：同EF-Ts •eEF-2：同EF-G •eRF：识别所有终止密码子，诱导转肽酶变为酯酶
    • 氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸与tRNA结合
    • 转肽酶：是核糖体大亚基的组成成分，催化肽键形成
    • 转位酶：存在于EF-G中
    • 起始/延长/释放因子 ♦原核：IF/EF/RF； ♦真核：eIF/eEF/eRF
  • 能源：ATP、GTP； 离子：Mg2+、K+
• 合成过程
  • 原核
    • 起始
      • ①核糖体大、小亚基分离：在IF-1和IF-3参与下，大、小亚基分离。 ②mRNA在小亚基准确定位。 •在mRNA起始密码子AUG上游大约8-13个核苷酸处，存在富含嘌呤的SD序列，该序列能够与小亚基中16SrRNA的3'-末端富含嘧啶的短序列形成碱基互补。 •SD序列紧邻的下游片段能够被小亚基中的蛋白rpS-1识别并结合。 ③fMet-tRNA-fMet结合：在IF-2和GTP协助下，fMet-tRNA-fMet识别并结合起始密码子AUG，进入对应的P位。 ④大亚基重新结合：IF脱离，大亚基结合，翻译起始复合物组装完成。
      • ①大小亚基分离；
      • ②mRNA与小亚基结合(SD序列)
        • SD序列：原核mRNA起始AUG上游，富含嘌呤的序列
      • ③fMet-tRNA-fMet结合到P位
      • ④大亚基结合
    • 延长(核糖体循环)
      • 依据mRNA密码子的顺序，氨基酰tRNA依次进入核糖体并通过肽键连接形成多肽链，称为核糖体循环， 包括进位、成肽、转位三个步骤
      • ♦进位
        • 进位：在延长因子EF-T(由EF-Tu和EF-Ts构成)和GTP参与下，与密码子对应的氨基酰-tRNA进入A位。其中，EF-Tu 具有GTP酶活性，可水解GTP获得能量。另外，核糖体对氨基酰tRNA的进位还有校正作用
        • ①氨基酰RNA进入A位 ②延长因子EF-T：EF-Tu(GTP酶活性)+ EF-Ts ③GTP
      • ♦成肽
        • 成肽：在转肽酶催化下，P位tRNA携带的酰基转移到A位并与A位的氨基酸形成肽键。此时，P位残留有空载的tRNA。 •转肽酶不是蛋白质，而是核酶 •原核为23S rRNA；真核为28S rRNA
        • ①转肽酶 ；②肽键形成
          • ♦转肽酶不是蛋白质，而是核酶 ♦原核为23S rRNA；真核为28S rRNA
      • ♦转位
        • 转位：在转位酶(EF-G)催化下，核糖体向mRNA的3'-末端移动一个密码子的距离，使P位空载的tRNA移到E位然后脱落，A位的肽链转到P位，而A位被空出，为下一个氨基酰-tRNA的进入做好准备。转位需要水解GTP获得能量。每经过一次循环，肽链延长一个氨基酸残基，直至A位出现终止密码。
        • ①转位酶：EF-G ；②GTP
    • 终止
      • 终止 ①当A位出现终止密码子后，任何氨基酰-tRNA不能进入，只有释放因子(RF1或RF2)能识别终止密码子并结合到A位。 ②RF的结合引起核糖体构象改变，转肽酶变为酯酶，将合成的多肽链水解下来，翻译过程结束。RF3可水解GTP提供这一过程需要的能量。
      • RF：①识别终止密码子并结合到A位；②诱导转肽酶改变为酯酶
  • 真核
    • 起始
      • ①核糖体大、小亚基分离。 ②Met-RNAi-Met与小亚基结合：结合到P位。 ③mRNA在小亚基准确就位： •真核生物不存在SD序列，而是围绕AUG起始密码子存在Kozak序列(ACCAUCC)。 •在大量起始因子elF的相互作用下，小亚基-Met-RNAi-Met能与起始AUG准确配对结合，最终引导mRNA在小亚基定位。 •核糖体与帽结合蛋白复合物也参与正确识别过程(帽结合蛋白复合物是由一系列蛋白质共同组成的，有的结合5'-帽子，有的结合PolyA尾)。 ④大亚基重新结合，形成翻译起始复合物。
      • ①大小亚基分离
      • ②Met-tRNA结合小亚基P位
      • ③mRNA与小亚基结合
      • ④真核大亚基结合
      • 真核生物不存在SD序列， 而是围绕AUG起始密码子存在Kozak序列(ACCAUCC)
    • 延长
      • 延长 与原核生物大致相似，但真核核糖体没有E位，空载tRNA直接从P位排出。成肽是由28S rRNA具备的核酶活性催化形成的
      • ①转肽酶：28S rRNA；②空载tRNA直接从P位脱落
    • 终止
      • 终止 与原核生物基本类似，但真核生物只有一种释放因子eRF
      • 真核生物只有一种释放因子eRF
  • 对比
    • 掌握mRNA、核糖体、起始阶段和各种因子表示方法的区别 ◎原核与真核多肽合成的基本过程是相似的，但应注意比较二者各阶段细节的区别，几年考题注重在细节方面的比较多。
    • 原核生物 ♦mRNA：多顺反子；转录后很少加工；转录和翻译同时进行 ♦核糖体：70S(50S+30S)；A位、P位、E位 ♦因子：IF/EF/RF ♦过程 ◐起始：甲酰蛋氨酸；SD序列；小亚基+mRNA→fMet-HRNAM ◐延长：23S rRNA催化肽键合成；空载tRNA从E位脱落 ◐终止：三种释放因子
      • 真核生物 ♦mRNA：单顺反子；需要转录后加工；核内转录加工，胞浆中翻译 ♦核糖体：80S(60S+40S)；A位和P位，没有E位 ♦因子：elF/eEF/eRF ♦过程 ◐起始：蛋氨酸；Kozak序列；小亚基→Met-tRNAi-Met→mRNA ◐延长：28S rRNA催化肽键合成；空载tRNA从P位脱落 ◐终止：一种释放因子
• 翻译后修饰
  • •翻译后加工包括一级结构与空间结构的修饰，二硫键形成、氨基端修饰、多肽链折叠属于一级结构的加工；辅基的结合属于空间结构加工 ★注意与第一章相关内容的衔接，如分子伴侣、翻译后修饰的氨基酸，蛋白质一级结构与空间结构形成的关系
  • 多肽链自身折叠
    • 多肽链自身折叠 新生多肽链本身氨基酸残基的排列顺序即一级结构是指导自身折叠的基础(一级结构决定空间结构)，但仍需要辅助蛋白的协助。
    • 分子伴侣：热休克蛋白、伴侣蛋白
    • 二硫链形成
      • 蛋白质二硫键异构酶：对正确二硫键的形成有重要作用
      • 肽-脯氨酰顺反异构酶：是蛋白质三维构象形成所需要的酶
  • 一级结构修饰
    • ①N端切除；C端切除
      • N端切除：真核新生肽链N端的蛋氨酸、原核新生肽链N端的甲酰基或甲酰蛋氨酸大多会被切除。真核分泌性蛋白N端的信号肽往往也被切除。
    • ②氨基酸残基化学修饰：胱氨酸(二硫键)、羟赖氨酸、羟脯氨酸
      • 氨基酸残基可进行多种化学修饰： 如糖基化、羟基化、甲基化、磷酸化等修饰，从而改变蛋白质的相关性质，使其功能具有多样性。
    • ③水解加工
      • 水解加工：无活性的蛋白前体经水解生成有活性的蛋白质或肽，如蛋白酶原的活化、胰岛素原向胰岛素的转变。
  • 空间结构修饰
    • ①亚基聚合：具有四级结构的蛋白质需要亚基间的聚合(血红蛋白)
    • ②辅基连接：如血红蛋白需要连接血红素才能与氧结合
• 靶向输送
  • ①新生多肽链一级结构N端具有信号序列，是决定蛋白质靶向输送的元件 ②N端信号肽：分泌性蛋白 ③核定位信号(NLS)：细胞核 ④C端滞留信号：内质网 ⑤N端导肽：线粒体
• 干扰与抑制
  • 蛋白质生物合成抑制剂包括抗生素、毒素、干扰素 •抗生素(嘌呤霉素：抗肿瘤药)； •毒素与干扰素：抑制真核 ◎明确各种干扰和抑制的作用对象以及机制
  • 抗生素
    • 嘌呤霉素虽归为抗生素类 但实质不是抗生素 而是抗肿瘤药
    • 四环素、土霖素：原核小亚基
      • →占据A位，抑制进位(抗菌药)
    • 链霉素、新霉素：原核小亚基
      • →读码错误，影响翻译准确性(抗菌药)
    • 氯霉素、红霉素、林可霉素：原核大亚基
      • →抑制转肽酶、阻断肽键形成(抗菌药)
    • 放线菌酮：真核大亚基
      • →抑制转肽酶、阻断肽链延长(研究试剂)
    • 嘌呤霉索：原核、真核
      • →与酪氨酰tRNA类似，进入A位，使肽链提前脱落(抗肿瘤药)
    • 大观霉素：原核小亚基
      • →阻止转位(抗菌药)
  • 白喉毒素
    • 针对真核细胞蛋白质的合成； 使eEF-2发生糖基化共价修饰失活，抑制肽链延长
  • 干扰素：抑制蛋白质合成
    • 真核细胞被病毒感染后分泌的具有抗病毒作用的蛋白质；干扰索通过诱导蛋白激酶从而磷酸化elF-2，使之失活，阻断病毒蛋白质合成；促进2'，5-'寡聚腺苷酸合成，后者可激活RNase L，能降解病毒mRNA，阻断病毒蛋白质合成。
  • 毒素与干扰素：抑制真核