第十一章 蛋白质的生物合成

第十一章

蛋白质的生物合成温州医学院生物化学教研室李春洋遗传信息贮存于DNA分子中，通过转录生成mRNA，由mRNA传递的遗传信息被蛋白质生物合成成为蛋白质的氨基酸排列顺序，因此蛋白质生物合成过程又称为翻译。蛋白质生物合成过程中需要200多种生物大分子参加，其中最关键的是mRNA、tRNA、rRNA。翻译包含起始、延长和终止三个阶段的连续过程。蛋白质生物合成的多肽链，要经过翻译后的加工，多种蛋白质在胞液合成后还需要输送到适当部位发挥作用。第一节

参与蛋白质生物合成的物质一、蛋白质生物合成需要的原料氨基酸是蛋白质合成的原料，由mRNA编码的氨基酸只有20种，它们是蛋白质合成的直接原料。蛋白质分子中含有的一些特殊氨基酸是在肽链合成后经修饰加工形成的。二、三种RNA在翻译中所起的作用（一）mRNA的作用mRNA是结构基因的转录产物，含有DNA传递的遗传信息。mRNA分子上以5＇→3＇方向，由AUG开始到3＇端终止密码子之间的核苷酸序列，称为一个开放阅读框架。在阅读框架内，每3个连续的核苷酸组成一个三联体的遗传密码解读蛋白质中20种氨基酸，称为遗传密码子。UCAGUCAGUCAGUCAG遗传密码的特点：方向性——起始密码子总是位于开放阅读框架5＇端，终止密码子位于3＇-末端，且密码子的三个核苷酸也是按5＇→3＇方向阅读的。连续性——阅读mRNA分子中遗传密码是从5＇端起始密码起始开始每3个核苷酸连续不断地向3＇端阅读，直至终止密码出现。简并性——一个氨基酸具有两种或两种以上密码子（同义密码）的现象（除蛋氨酸和色氨酸外）。摆动性——密码子和反密码子配对，有时会出现不遵循碱基配对规律的情况，称为遗传密码的摆动性。通用性——是指所有生物体在蛋白质生物合成过程中使用的遗传密码相同。tRNA反密码子第1位碱基mRNA反密码子第3位碱基IU、C、AUA、GGU、CAUCG（二）tRNA的作用一种氨基酸可以和2～6种tRNA特异地结合，tRNA分子反密码环的反密码子与mNRA的密码子配对。反密码子与密码子配对有时不严格遵守碱基配对原则，出现摆动配对。（三）rRNA的作用各种细胞核蛋白体都有大、小两个亚基构成，每个亚基都由多种rRNA和核蛋白质组成。胞质中的核蛋白体分为两类：一类附着于粗面内质网；另一类游离于胞质。核蛋白体小亚基上有mRNA结合的部位，使mRNA附着于核蛋白体上；大亚基不仅有转肽酶活性，还有结合氨基酰的A位和结合肽酰的P位（在原核生物还有E位）。三、蛋白质合成酶系1.氨基酰-tRNA合成酶——在ATP存在时，催化生成氨基酰-tRNA，具有绝对专一性和校正活性；2.转肽酶——位于核蛋白体大亚基（核酶），其作用是使大亚基P位上的肽酰基转移到A位上氨基酰基的氨基上生成肽键；3.转位酶——其活性存在于EF-G，其作用是使核蛋白体向mRNA的3＇-端移动一个密码子的距离。氨基酸+tRNA+ATP氨基酰-tRNA+AMP+PPi氨基酰-tRNA合成酶Mn2+或Mg2+四、其他因子其他蛋白质因子，如起始因子（IF/eIF）、延长因子（EF/eEF）、释放因子（RF/eRF）等；无机离子，如Mg2+、K+等；供能物质，如ATP、GTP等。第二节

蛋白质生物合成的过程一、氨基酸的活化与转运“L”形的tRNA具有两个功能端：一端是反密码子，能识别mRNA中的密码子并与它配对结合；另一端能与氨基酸共价结合。tRNA携带的氨基酸是由氨基酰-tRNA合成酶催化的，该酶具有绝对专一性，能特异地识别氨基酸和tRNA，并利用ATP释放的能量完成氨基酰-tRNA的合成。氨基酸+ATP-E氨基酰-AMP-E+PPi氨基酰-tRNA+AMP+E氨基酰-AMP-E+tRNA密码子AUG可编码蛋氨酸（Met），同时还是起始密码。在蛋白质合成过程中特异识别mRNA上起始密码子AUG的tRNA称为起始tRNA，用tRNAi或者tRNAimet表示；在多肽链延伸过程中运载氨基酸的tRNA统称为普通tRNA

，用tRNA或者tRNAmet表示。真核生物：Met-tRNAiMet

原核生物：fMet-tRNAifMet二、原核生物蛋白质的合成（一）肽链生物合成的起始原核蛋白质生物合成起始是指大、小亚基、mRNA和具有启动作用的氨基酰-tRNA聚合为起始复合物的过程。参与起始复合物形成的物质有核蛋白体大亚基、核蛋白体小亚基、mRNA、起始氨基酰（甲酰蛋氨酰）-tRNA和各种起始因子（IF或eIF）等。原核生物翻译起始分为三个阶段：核蛋白体亚基的拆离30S前起始复合物的形成70S起始复合物的形成30S50S50S30SIF3IF1IF1IF3mRNAAUG26345S-DGTP，Mg2+IF3IF1mRNAAUG26345S-DmRNAAUG26345S-DfMet-tRNAfMetIF2IF1,2,3mRNAAUG26345S-DfMet-tRNAfMet30SIF3IF1IF1IF2IF3GDP+Pi50SmRNAAUG26345S-DIF1,2,3mRNAAUG26345S-DfMet-tRNAfMetfMet-tRNAfMet（二）肽链的形成与延长肽链延长阶段是指根据mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸，从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。原核和真核生物翻译延长过程基本相同，可分为进位、成肽和转位三个步骤，每循环一次延长一个氨基酸。延长阶段需要的蛋白质因子称为延长因子（EF），还需要GTP、Mg2+和K+等参与。（一）进位根据A位上对应的mRNA遗传密码，相应的氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位，称为进位（又称为注册）。在进位前需要延长因子EF-T（包括Tu、Ts两个亚基）和EF-G的作用。（二）成肽（三）转位进位成肽转位（三）肽链合成的终止参与肽链终止的蛋白质因子称为释放因子（RF）：RF-1（识别UAA、UAG）、RF-2（识别UAA、UGA）和RF-3（转肽酶变构、激活其酯酶活性）。解聚后的大小亚基又可重新聚合形成起始复合物，开始另一条肽链的合成，此过程即核蛋白体循环。三、真核生物蛋白质的合成（一）参与蛋白质生物合成的蛋白质因子参与翻译的起始因子较多原核细胞延长因子EF-Tu和EF-G对应的真核细胞延长因子eIF-1和eIF-2，tRNA释放方式不同真核细胞释放因子只有一种，具有GTP酶活性（二）起始的氨基酰-tRNA生成起始复合物IF大小亚基分离起始tRNA结合mRNA就位IF-3、IF-1核酸-核酸、核酸-蛋白质的辨认结合eIF-3、3A、4CeIFIF-2、IF-1eIF-2、2B、3、4CeIF-3、1、4A、4B、4E、4F大亚基结合GTP水解、各种IF脱落eIF-5原核生物真核生物功能EF-TuEF-TsEF-G促进氨基酰-tRNA进入A位，结合GTP调节亚基，从EF-Tu中置换出GDP有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位进至P位，促进卸载tRNA的释放EF1-αEF1-β、γEF2（三）mRNA结构真核生物的mRNA含有7-甲基鸟苷三磷酸形成的帽子结构（与核蛋白体结合）和多聚腺苷酸的尾（跨核膜转运）的单顺反子。真核生物mRNA代谢较慢，无SD序列，其前体常含有插入序列，需要在加工时切除。某些可感染哺乳动物的RNA病毒，其RNA部分呈mRNA活性，RNA内含有核蛋白体进入位点（类似SD序列）。（四）形成起始复合物的机制核蛋白体大、小亚基分离起始氨基酰-tRNA的结合mRNA在核蛋白体小亚基的准确就位（扫描）核蛋白体大亚基结合40SMet-GTP-eIF2eIF3eIF4C40SmRNAMetMetATPADP+PiGDP+PieIF2,3,4,C,5eIF4A,4B,4E,4FeIF560SMet（五）转录和蛋白质生物合成的不同步性（六）核糖体结构（七）抑制剂多聚核蛋白体循环细胞内合成蛋白质时常常一条mRNA链上结合着多个核蛋白体同时进行肽链的合成，形成多聚核蛋白体循环；核蛋白体在mRNA上最大密度为相隔80个核苷酸有一个核蛋白体。第三节

蛋白质合成后的加工和靶向转运一、蛋白质生物合成后的加工（一）新生肽链的折叠蛋白质二硫键异构酶肽链脯氨酸异构酶分子伴侣GroESGroEL热休克蛋白HSP60GroEL（Hsp60）折叠蛋白质的过程二、一级结构的修饰1.起始蛋氨酸的去除2.剪接修饰3.部分氨基酸的共价修饰⑴磷酸化修饰；⑵糖基化修饰；⑶羟基化修饰；⑷二硫键形成。KR：赖氨酸和精氨酸残基MSH：促黑激素LT：脂酸释放激素ACTH：促肾上腺皮质激素信号肽KRKRKRKR103肽ACTHα-LTβ-MSHα-MSH内啡肽POMCPOMC：阿黑皮素原三、高级结构的修饰亚基的聚合辅基的连接疏水脂键的连接糖链的添加二、蛋白质生物合成后的靶向转运不论是原核生物还是真核生物，细胞内合成的蛋白质都需要定位于细胞的特定区域才能发挥其作用，蛋白质合成后定向输送到其执行功能的区域的现象称为蛋白质的靶向转运（又称为蛋白分送）。蛋白质靶向转运去向：①保留在胞质；②进入线粒体、细胞核或其他细胞器；③分泌入体液，再输送到其应发挥作用的靶器官和靶细胞。1.原核生物蛋白质的跨膜转运

原核生物细胞外膜、内膜和周质膜间隙所含的蛋白质几乎都是分泌蛋白，其中绝大多数含有信号肽。信号肽（也称为信号序列）是指分泌性蛋白质其N端14～36个以疏水氨基酸为主的保守性序列。信号肽的作用是将合成的蛋白质移向内质网膜，与之结合最终穿过胞膜送出细胞外。2.真核生物蛋白质的分泌在真核细胞中，蛋白质的生物合成与分泌是同时时行的，真核细胞合成的蛋白质的N端也有信号肽，也能形成两个-螺旋发夹结构，插入到内质网膜，将正在合成中的多肽链带入内质网腔。在内质网腔中由粗面内质网向滑面内质网移行，最后进入高尔基体；在高尔基复合体中进一步加工后，贮存于分泌泡，泡膜与质膜融合，即可排出细胞外。第四节

蛋白质生物合成与医学的关系

一、基因突变对蛋白质生物合成的影响由于DNA分子上基因的缺陷使RNA和蛋白质合成异常，导致体内某些组织细胞结构和功能异常，由此造成的疾病称为分子病。镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·

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C肽链CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亚基N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·

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C肽链CTCGAG基因二、病毒对蛋白质生物合成的影响某些病毒如（如大脑心肌炎病毒）的蛋白质生物合成比宿主有效得多。呼吸道、肠道病毒和疱疹性口炎病毒等都可大量复制，对于有限的蛋白质生物合成因子来说，它们的mRNA比宿主细胞的mRNA更具竞争优势。某些病毒还可以阻止mRNA与40S核糖体结合，从而抑制宿主细胞蛋白质的合成。三、抗生素对蛋白质生物合成的影响抗生素一般是细菌或真菌所产生的具有抵制其他生物生长的物质。许多具有杀菌或抑制细菌生长的作用而被广泛应用于临床和科研工作。抗生素种类繁多，有不少直接作用于蛋白质生物合成的各个阶段，其作用机制各有不同。抗生素抑制蛋白质生物合成的原理抗生素作用机制作用点利福霉素