第七讲蛋白质的生物合成

第七讲蛋白质的生物合成

蛋白质分子是由许多氨基酸组成的，在不同的蛋白质分子中，氨基酸有着特定的排列顺序，这种特定的排列顺序不是随机的，而是严格按照蛋白质的编码基因中的碱基排列顺序决定的。基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。

翻译的过程也就是蛋白质分子生物合成的过程，在此过程中需要200多种生物大分子参加，其中包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。翻译基本过程如图7-1。图7-1翻译过程的基本原理主要内容1、参与蛋白质生物合成的物质基础2、蛋白质生物合成的基本过程3、蛋白质翻译后加工修饰

1、参与蛋白质生物合成的物质基础（1）合成原料

（2）mRNA是合成蛋白质的直接模板

（3）tRNA是氨基酸的运载工具

（4）核糖体-蛋白质的合成场所（5）蛋白质生物合成的必需因子

自然界由mRNA编码的氨基酸共有20种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。某些蛋白质分子还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸等，这些特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的。（1）合成原料

芳香族AA：苯丙氨酸、酪氨酸（含有苯环）杂环族AA：杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸杂环亚氨基酸：脯氨酸脂肪族AA：含羟基氨基酸：丝氨酸、苏氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）含酰胺基氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺含一氨基二羧基的酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸含二氨基一羧基的碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸含一氨基一羧基的中性氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸氨基酸的名称与符号alanine 丙氨酸

Ala Aarginine 精氨酸

Arg Rasparagine 天冬酰氨 AsnNasparticacid天冬氨酸

Asp Dcystine 半胱氨酸

Cys Cglutarmine 谷氨酰胺

Gln Qglutarmicacid谷氨酸

Glu Eglycine 甘氨酸 Gly Ghistidine 组氨酸

His Hisoleucine 异亮氨酸

Ile Ileucine 亮氨酸

Leu Llysine 赖氨酸

Lys Kmethionine 甲硫氨酸

Met MPhenylalanine苯丙氨酸

Phe Fproline 脯氨酸 Pro

Pserine 丝氨酸 Ser Sthreonine 苏氨酸

Thr Ttryptophan 色氨酸 Trp Wtyrosine 酪氨酸 Tyr Yvaline 缬氨酸

Val VmRNA以它分子中的核苷酸排列顺序携带从DNA传递来的遗传信息，作为蛋白质生物合成的直接模板，决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。

（2）mRNA是合成蛋白质的直接模板

不同的蛋白质有各自不同的mRNA，mRNA除含有编码区外，两端还有非编码区。非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5’端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位（图7-2）。图7-2(a)原核生物mRNA为多顺反子(b)真核生物mRNA为单顺反子遗传密码的破译乔治·伽莫夫(1904～1968)（GeorgeGamov）乌克兰裔美国核物理学家马歇尔.尼伦贝格（1927－）MarshallNirenberg德裔美国生物化学家奥乔亚（1905-1993）SeveroOchoa西班牙裔美籍生物化学家柯拉那（美国）

HarGobindKhorana,1922~

霍利（美国）

RobertHolley,1922-1993

1966年:阐明遗传密码

霍利柯拉那尼伦伯格1968年诺贝尔颁奖典礼表7-1遗传密码词典一览表（p149）

遗传密码的特点

（1）起始码（2）终止码（3）密码无标点符号

（4）密码的简并性

（5）密码的通用性

一种氨基酸有几组密码子，或者几组密码子代表一种氨基酸的现象称为密码子的简并性，这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定，即使第三个碱基发生突变也能翻译出正确的氨基酸，这对于保证物种的稳定性有一定意义。如：GCU，GCC，GCA，GCG都代表丙氨酸。密码的简并性

真核生物线粒体的密码子有许多不同于通用密码，例如人线粒体中，UGA不是终止码，而是色氨酸的密码子；AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，加上通用密码中的UAA和UAG，线粒体中共有四组终止码；甲硫氨酸密码子有两个，即AUG和AUA。

密码通用性的一些例外（3）tRNA是氨基酸的运载工具tRNA是一类小分子RNA，长度为73-94个核苷酸，tRNA分子中富含稀有碱基和修饰碱基，tRNA分子3’端均为CCA序列，氨基酸分子通过共价键与A结合，此处的结构也叫氨基酸臂（图7-3）。图7-3tRNA的二级结构tRNA分子中还有一个反密码环，此环上的三个反密码子的作用是与mRNA分子中的密码子靠碱基配对原则而形成氢键，达到相互识别的目的。但在密码子与反密码子结合时具有一定摆动性，即密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基配对时并不严格，见图7-4。图7-4密码子和反密码子

这种摆动现象使得一个tRNA所携带的氨基酸可排列在2-3个不同的密码子上，因此当密码子的第3位碱基发生一定程度的突变时，并不影响tRNA带入正确的氨基酸。同功tRNA：携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA主要tRNA和次要tRNA：根据它们在细胞内合成量的多少进行区分。主要tRNA中反密码子识别tRNA中的高频密码子，而次要tRNA中反密码子识别mRNA中的低频密码子。每种氨基酸都只有一种氨基酰tRNA合成酶。因此细胞内有20种氨基酰tRNA合成酶。起始tRNA：在蛋白质生物合成过程中，特异识别mRNA上起始密码子的tRNA，它们参与多肽链合成的起始。延伸tRNA：其它在多肽链延伸中运载氨基酸的tRNA。（4）核糖体

任何生物的核糖体都是由大、小两个亚基组成，原核生物和真核生物核糖体的蛋白质组分和RNA组成见表7-2。表7-2核糖体中的RNA与蛋白质来源

核糖体（S）亚基RNA（S）蛋白质种类原核生物703016215023,534真核生物80401830-326028,5.8,536-50

核糖体作为蛋白质的合成场所具有以下几种作用：

（1）mRNA结合位点：位于30S小亚基头部，此处有几种蛋白质构成一个结构域，负责与mRNA的结合，特别是16SrRNA3’端与mRNAAUG之前的一段序列互补是这种结合必不可少的；（2）P位点：又叫做肽酰基tRNA位或给位。它大部分位于小亚基，小部分位于大亚基，它是结合起始tRNA并向A位给出氨基酸的位置（图7-5）。图7-5翻译过程中的核糖体图解（3）A位点：叫做氨基酰tRNA位或受位。它大部分位于大亚基而小部分位于小亚基，它是结合一个新进入的氨基酰tRNA的位置（见后面叙述）（图7-5

）。（4）转肽酶活性部位：位于P位和A位的连接处。（5）结合参与蛋白质合成的起始因子（IF）、延长因子(EF)和终止因子或释放因子(RF)。

（5）必需因子

起始因子（IF）延长因子（EF）释放因子（RF）

起始因子（initiationfactor）是参与蛋白质生物合成起始的可溶性蛋白因子。蛋白质合成的起始要生成核糖体-mRNA-起始tRNA三元复合物，也叫起始复合物。复合物必须在起始因子帮助下才能形成。目前已知原核生物有三种起始始因子，而真核生物大约有十种。大肠杆菌蛋白质合成起始因子的类型、分子量及所起作用见表7-3。起始因子（IF）表7-3

IF-1为一小的碱性蛋白质，没有专一的功能，它只能增加其他两个起始因子的活性。有的原核生物并没有IF-1起始因子。

IF-2有两种形式—IF-2a和IF-2b，后者可能是前者的蛋白酶降解产物。一SH为IF-2活性所必需，IF-2经磷酰化后活性不变。IF-2的功能是通过生成IF-2—GTP—fMet-tRNAfmet三元复合物，使起始tRNA与核糖体小亚基结合。

IF-3是个双功能蛋白质，它至少有两种分子形式—IF-3和IF-3，后者只比前者在N端少6个氨基酸残基。IF-3除了使mRNA与核糖体小亚基结合外，还具解离因子活性。表7-4真核生物起始因子（eIF）一览表

延伸因子（elongationfactor）是一类参与蛋白质合成过程中肽链延伸的蛋白因子。无论原核或真核生物，延伸因子可分为两类：一类是帮助氨酰tRNA（延伸tRNA）进入核糖体与mRNA结合；另一类是使肽基tRNA从核糖体的A位向P位移动。延伸因子（EF）

前者有EF-T（包括EF-Tu和EF-Ts，细菌中）和EF-1（真核生物）；后者是EF-G（细菌）和EF-2（真核生物）。原核与真核生物的蛋白质合成中的各种延伸因子见表7-5。表7-5蛋白质合成的延伸因子

在原核生物中，存在三种释放因子（releasefactor）—RF1、RF2和RF3，而哺乳动物只有一种释放因子RF。释放因子的作用是终止肽链合成并使肽链释放出核糖体。它们的性质见表7-6。释放因子（RF）表7-6蛋白质合成的释放因子（1）氨基酸的活化（2）多肽链合成的起始（3）肽链的延长（4）肽链的终止和释放蛋白质生物合成过程

氨基酸在进行合成多肽链之前,必须先经过活化,然后再与其特异的tRNA结合,带到mRNA相应的位置上,这个过程靠氨基酰tRNA合成酶催化,此酶催化特定的氨基酸与特异的tRNA相结合,生成各种氨基酰tRNA。氨基酰－tRNA的生成

每种氨基酸都靠其特有合成酶催化,使之和相对应的tRNA结合,在氨基酰tRNA合成酶催化下,利用ATP供能,在氨基酸羧基上进行活化,形成氨基酰-AMP,再与氨基酰tRNA合成酶结合形成三联复合物,此复合物再与特异的tRNA作用,将氨基酰转移到tRNA的氨基酸臂上(图7-6)。图7-6氨基酰-tRNA的生成

原核细胞中起始氨基酸活化后，还要甲酰化，形成甲酰蛋氨酸tRNA(fMet-tRNAfMet)(表7-7)，由N10甲酰四氢叶酸提供甲酰基。而真核细胞没有此过程。表7-7（1）核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位：原核生物中每一个mRNA都具有其核糖体结合位点，它是位于AUG上游8-13个核苷酸处的一个短片段叫做SD序列。大肠杆菌细胞翻译起始复合物形成的过程

这段序列正好与30S小亚基中的16SrRNA3’端一部分序列互补，因此SD序列也叫做核糖体结合序列，这种互补就意味着核糖体能选择mRNA上AUG的正确位置来起始肽链的合成，该结合反应由IF3介导，另外IF-1促进IF-3与小亚基的结合，故先形成IF3-30S亚基-mRNA三元复合物。（2）30S前起始复合物的形成：在IF2作用下，甲酰蛋氨酰起始tRNA（fMet-tRNAfmet）与mRNA分子中的AUG相结合，即密码子与反密码子配对，同时IF3从三元复合物中脱落，形成30S前起始复合物，即IF2-30S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物，此步需要GTP和Mg2+参与。（3）70S起始复合物的形成：50S亚基与上述的30S前起始复合物结合，同时IF2脱落，形成70S起始复合物，即50S亚基-30S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物。此时fMet-tRNAfmet占据着50S亚基的肽酰位。而A位则空着有待于对应mRNA中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入，从而进入延长阶段，以上过程见图7-7和图7-8。图7-7大肠杆菌起始复合物的形成图7-8大肠杆菌翻译起始示意图（1）需要特异的起始tRNA即Met-tRNAiMet，并且不需要N端甲酰化。已发现的真核起始因子有近10种（eIF）；（2）起始复合物形成在mRNA5’端AUG上游的帽子结构（除某些病毒mRNA外）；（3）ATP水解为ADP供给mRNA结合所需要的能量。真核细胞蛋白质合成的起始

翻译起始是由eIF-3结合在40S小亚基上而促进80S核糖体解离出60S大亚基开始的，同时Met-tRNAiMet

在eIF-2作用下，与GTP结合，再通过eIF-3的作用，先结合到40S小亚基，然后再与mRNA结合。mRNA结合到40S小亚基时，除了eIF-3参加外，还需要eIF-1、eIF-4A、eIF-4B及eIF-4C并由ATP水解为ADP及Pi来供能。

真核细胞起始复合物的形成过程

通过eIF-5的作用，可使结合Met-tRNAiMet

·GTP及mRNA40S小亚基与60S大亚基结合，形成80S复合物。eIF-5具有GTP酶活性，催化GTP水解为GDP及Pi，并有利于其它起始因子从40S小亚基表面脱落，从而有利于40S与60S两个亚基结合起来成为具有活性的80S-Met-tRNAiMet-mRNA起始复合物（图7-9和图7-10）。图7-9真核细胞翻译起始复合物的形成图7-10真核生物翻译起始示意图多肽链的延长

（1）为密码子所特定的氨基酸tRNA结合到核蛋白体的A位，称为进位：氨基酰tRNA在进位前需要有三种延长因子的作用，即热不稳定的EF-Tu,热稳定的EF-Ts以及依赖GTP的转位因子。EF-Tu首先与GTP结合，然后再与氨基酰tRNA结合成三元复合物，这样的三元复合物才能进入A位。此时GTP水解成GDP，EF-Tu和GDP与结合在A位上的氨基酰tRNA分离（图7-11）。图7-11原核生物肽链延长因子EFTu与GTP的作用原理（2）转肽--肽键的形成：在70S起始复合物形成过程中，核糖核蛋白体的P位上已结合了起始型甲酰蛋氨酸tRNA，当进位后，P位和A位上各结合了一个氨基酰tRNA，两个氨基酸之间在核糖体转肽酶作用下，P位上的氨基酸提供α-COOH基，与A位上的氨基酸的α-NH2形成肽键，从而使P位上的氨基酸连接到A位氨基酸的氨基上，这就是转肽。转肽后，在A位上形成了一个二肽酰tRNA（图7-12）。

图7-12肽键的形成①核蛋白体“给位”上携甲酰蛋氨酰基的tRNA②核蛋白体“受体”上新进入的氨基酰tRNA;③失去甲酰蛋氨酰基后，即将从核蛋白体脱落的tRNA;④接受甲酰蛋氨酰基后已增长一个氨基酸残基的肽键（3）移位：转肽作用发生后，氨基酸都位于A位，P位上无负荷氨基酸的tRNA就此脱落，核蛋白体沿着mRNA向3’端方向移动一组密码子，使得原来结合二肽酰tRNA的A位转变成了P位，而A位空出，可以接受下一个新的氨基酰tRNA进入，移位过程需要EF-G，GTP和Mg2+的参加（图7-13）。

图7-13大肠杆菌蛋白质合成的延伸过程

以后，肽链上每增加一个氨基酸残基，即重复上述进位，转肽，移位的步骤，直至所需的长度，实验证明mRNA上的信息阅读是从5’端向3’端进行，而肽链的延伸是从氨基端到羧基端。所以多肽链合成的方向是N端到C端。

无论原核生物还是真核生物都有三种终止密码子UAG，UAA和UGA。没有一个tRNA能够与终止密码子作用，而是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用。这类蛋白质因子叫做释放因子，原核生物有三种释放因子：RF1，RF2和RF3。RF1识别UAA和UAG，RF2识别UAA和UGA。RF3的作用还不明确。真核生物中只有一种释放因子eRF，它可以识别三种终止密码子。翻译的终止及多肽链的释放

不管原核生物还是真核生物，释放因子都作用于A位点，使转肽酶活性变为水解酶活性，将肽链从结合在核糖体上的tRNA的CCA末端上水解下来，然后mRNA与核糖体分离，最后一个tRNA脱落，核糖体在IF-3作用下，解离出大、小亚基。解离后的大小亚基又重新参加新的肽链的合成，循环往复，所以多肽链在核糖体上的合成过程又称核糖体循环(图7-14)。图7-14大肠杆菌蛋白质合成的终止过程

上述只是单个核糖体的翻译过程，事实上在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3’端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。多核糖体循环

两个核糖体之间有一定的长度间隔，每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率（图7-15）。

图7-15多核糖体循环

多聚核糖体的核糖体个数，与模板mRNA的长度有关，例如血红蛋白的多肽链mNRA编码区有450个核苷酸组成，长约150nm。上面串连有5-6个核糖核蛋白体形成多核糖体。而肌凝蛋白的重链mRNA由5400个核苷酸组成，它由60多个核糖体构成多核糖体完成多肽链的合成。（1）氨基端和羧基端的修饰（2）共价修饰（3）亚基的聚合（4）水解断链

蛋白质翻译后加工修饰

在原核生物中几乎所有蛋白质都是从N-甲酰蛋氨酸开始，真核生物从蛋氨酸开始。甲酰基经酶水解而除去，蛋氨酸或者氨基端的一些氨基酸残基常由氨肽酶催化而水解除去。包括除去信号肽序列。因此，成熟的蛋白质分子N-端没有甲酰基，或没有蛋氨酸。同时，某些蛋白质分子氨基端要进行乙酰化在羧基端也要进行修饰。氨基端和羧基端的修饰（1）磷酸化：磷酸化多发生在多肽链丝氨酸，苏氨酸的羟基上，偶尔也发生在酪氨酸残基上，这种磷酸化的过程受细胞内一种蛋白激酶催化，磷酸化后的蛋白质可以增加或降低它们的活性，例如：促进糖原分解的磷酸化酶，无活性的磷酸化酶b经磷酸化以后，变成有活性的磷酸化酶a。而有活性的糖原合成酶I经磷酸化以后变成无活性的糖原合成酶D，共同调节糖元的合成与分解。共价修饰（2）糖基化：质膜蛋白质和许多分泌性蛋白质都具有糖链，这些寡糖链结合在丝氨酸或苏氨酸的羟基上，例如红细胞膜上的ABO血型决定簇也可以与天门冬酰胺连接。这些寡糖链是在内质网或高尔基体中加入的（图7-16）。图7-16糖蛋白中常见的糖一肽连接键（3）羟基化：胶原蛋白前α链上的脯氨酸和赖氨酸残基在内质网中受羟化酶、分子氧和维生素C作用产生羟脯氨酸和羟赖氨酸，如果此过程受障碍，胶原纤维不能进行交联，极大地降低了它的张力强度；（4）二硫键的形成：mRNA上没有胱氨酸的密码子，多肽链中的二硫键，是在肽链合成后，通过二个半胱氨酸的疏基氧化而形成的，二硫键的形成对于许多酶和蛋白质的活性是必需的。

有许多蛋白质是由二个以上亚基构成的，这就需这些多肽链通过非共价键聚合成多聚体才能表现生物活性。亚基的聚合

例如成人血红蛋白由两条α链，两条β链及四分子血红素所组成，大致过程如下：α链在多聚核糖体合成后自行释下，并与尚未从多聚核糖体上释下的β链相连，然后一并从多聚核糖体上脱下来，变成α、β二聚体。此二聚体再与线粒体内生成的两个血红素结合，最后形成一个由四条肽链和四个血红素构成的有功能的血红蛋白分子。

一般真核细胞中一个基因对应一个mRNA，一个mRNA对应一条多肽链，但也有少数的情况，即一种翻译后的多肽链经水解后产生几种不同的蛋白质或多肽。水解断链

例如哺乳动物的鸦片样促黑皮激素原初翻译产