蛋白质的合成

详细描述了蛋白质合成过程，生物学是维持多种生命活动，适应环境的变化，参与组织的更新和修复。

蛋白质的生物合成

• 概述
  • 反应过程
    • 氨基酸的活化，肽链的生物合成，肽链完成后的加工和靶向输送
  • 生物学意义
    • 维持多种生命活动，适应环境的变化，参与组织的更新和修复
• 蛋白质生物合成体系
  • 基本原料: 20 种编码氨基酸
  • mRNA是蛋白质合成的模板
    • 开放阅读框架
      • 从mRNA 5'-端起始密码子到3'-端终止密码子之间的核苷酸序列
    • 真核生物和原核生物mRNA的区别
      • mRNA是遗传信息的携带者
      • 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子
      • 原核细胞中数个结构基因，常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质,称为多顺反子
      • 真核生物的一个mRNA只编码一种蛋白质，称为单顺反子
    • 密码子
      • 每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子
      • 起始密码子
        • AUG
      • 终止密码子
        • UAA, UGA, UAG
    • 遗传密码特点
      • 方向性
        • 翻译时遗传密码的阅读方向是5'→3'，即读码从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
      • 连续性
        • 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，相邻的密码子各碱基之间即无间隔也无交叉
        • 移码突变
          • 若在mRNA中一个或两个碱基的插入或缺失，可引起移码突变
      • 简并性
        • 同一种氨基酸具有两个或更多个密码子
          • 除色氨酸和甲硫氨酸除外
      • 摆动性
        • 密码子与反密码子的配对，并不完全遵照碱基互补规律，密码子的第三位碱基于反密码子的第一位碱基配对时，（与稀有碱基配对）即使不严格互补也能辨认配对
      • 通用性
        • 简单的病毒，原核生物直至人类都使用着同一套遗传密码
        • 有少数例外，动物C线粒体，植物C叶绿体
        • 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先
  • 特异的氨基酸“搬运工具”: tRNA
    • 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
    • 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
  • 装配厂:核蛋白体（核糖体）
    • 蛋白质合成的场所
    • 由rRNA和多种核糖体蛋白组成
    • 亚基比例
      • S值
        • 原核生物
          • 核糖体 70S
            • 大亚基 50S
              • 小亚基 30S
        • 真核生物
          • 核糖体 80S
            • 大亚基 60S
              • 小亚基 40S
      • rRNA
        • 原核生物
          • 大亚基 23S，5S
            • 小亚基 16S
        • 真核生物
          • 大亚基 28S，5.8S，5S
            • 小亚基 18S
      • 蛋白质
        • 原核生物
          • 大亚基 34种
            • 小亚基 21种
        • 真核生物
          • 大亚基49种
            • 小亚基 33种
    • 核糖体的主要功能部位
      • 受位（A位）
        • 氨基酰tRNA进入核糖体占据位置
      • 给位（P位）
        • 肽酰tRNA占据的位置
      • 排出位（E位）
        • 空载tRNA占据的位置
      • 肽酰转移酶活性部位
      • GTPase位点
  • 主要酶和蛋白质因子
    • 氨基酰-tRNA合成酶
      • 催化氨基酸的活化
    • 肽链转移酶
      • 催化核蛋白体P位上的肽酰基转移至A位氨基酸tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键，并受释放因子的作用后发生变构，使P位上的肽链与tRNA分离
    • 转位酶
      • 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，延长因子，释放因子
  • 能源物质: ATP、GTP
  • 无机离子: Mg2+ 、K+
• 蛋白质的合成过程
  • 氨基酸的活化与转运
    • 高度专一性和校对活性，消耗能量
    • 游离的氨基酸必须经过活化以获得能量，才能参与蛋白质的合成，活化反应由氨基酰tRNA合成酶催化，最终氨基酸连接在tRNA3'端AMP的3'-OH上，合成氨基酰-tRNA。
    • 氨基酸的活化形式：氨基酰-tRNA
      • 氨基酸的活化部位：α-羧基
    • 连接方式：酯键
      • 活化耗能：两个~P
  • 肽链合成的起始
    • 氨基酸-tRNA的表示方法
      • 氨基酸三字母缩写-tRNA （右上角）氨基酸的三字母缩写
    • 起始肽链合成的氨基酰-tRNA
      • 真核生物
        • Met-tRNAi 右上角Met
      • 原核生物
        • fMet-tRNA 右上角fMet
    • 延伸肽链合成的氨基酰-tRNA
      • 原核生物和真核生物都是
        • Met-tRNA 右上角Met
    • 原核生物蛋白质生物合成起始阶段
      • 核糖体大小亚基分离
      • mRNA与小亚基定位结合
      • fMet-tRNA结合在核糖体P位
      • 翻译起始复合体的形成
      • 起始过程消耗1个GTP
    • 核糖体结合位点
      • SD序列
        • 在各种mRNA起始AUG上游约8~13核苷酸部位存在一段由十个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如：-AGGAGG-，称为SD序列
        • 一条多顺反子mRNA序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D序列和起始AUG。
        • 亚基中的16S-rRNA 3'-端有一富含嘧啶碱基的短序列，如3'-UCCUCC-5'，通过与S-D序列碱基互补而使mRNA与小亚基结合。
  • 肽链延长
    • 翻译起始复合物形成后，核糖体从mRNA的5'端向3'端移动，依据密码子的顺序, 从N端开始向C端合成多肽链
    • 延长因子和GTP
      • 原核生物延长因子
        • EF-Tu, EF-Ts, EF-G
      • 真核生物延长因子
        • eEF1α，eEF1βγ，eEF2
      • 功能
        • 促进氨基酰tRNA进入A位，结合分解GTP
        • 调节亚基
        • 有转位酶活性，促进卸载tRNA释放
    • 进位或注册
      • 氨基酰tRNA根据mRNA模板的指引，在EF-Tu和GDP的协助下进入核糖体的A位，消耗1个GTP
    • 成肽
      • 在转肽酶的催化下P位和A位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫酰胺基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位上氨基酰-tRNA的α氨基结合形成肽键的过程
      • 大亚基上的肽酰转移酶催化肽酰的形成（核酶），不消耗能量
    • 转位
      • 在转位酶的催化下核糖体的mRNA向3’端方向移动一组密码子的距离，使得mRNA序列上的下一个密码子进入核糖体的A位，而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程移位。
      • 转位需要延长因子EF-G参与，消耗一个GTP
  • 肽链合成的终止
    • 释放因子RF能识别终止密码子而进入A位，需要GTP
    • 原核生物3种，真核生物4种
  • 每合成一条肽键至少消耗4个~P
  • 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。多聚核糖体的形成可以使肽链合成高速度、高效率进行。
• 蛋白质合成的干扰和抑制
  • 许多抗生素通过抑制蛋白质合成发挥作用
    • 影响肽链合成起始的抗生素
    • 影响肽链延长的抗生素
      • 干扰进位的抗生素
      • 引起读码错误的抗生素
      • 影响肽键形成的抗生素
      • 影响转位的抗生素
  • 某些毒素抑制真核生物的蛋白质合成
    • 白喉毒素
      • 作为定向药物中的“生物导弹”杀伤肿瘤细胞的因子。
    • 蓖麻毒蛋白
      • 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