备课素材：蛋白质的生物合成与修饰 第一学期高中生物学必修二

蛋白质的生物合成与修饰蛋白质生物合成：是指DNA结构基因中储存的遗传信息，通过转录生成mRNA，再指导多肽链合成的过程。翻译：在生物合成的过程中，mRNA上来自DNA基因编码的核苷酸序列信息转换为蛋白质中的氨基酸序列，称为翻译。一、蛋白质合成体系的组成1.mRNA是翻译的直接模板

原核生物中，数个功能相关的结构基因常串联在一起，构成一个转录单位，转录生成的一段mRNA可以编码多种蛋白质，称为多顺反子，转录产物不需要加工，可直接翻译。

真核生物中，结构基因的遗传信息是不连续的，mRNA转录产物需加工后成熟才能进行反应，真核生物的一个mRNA只能编码一种蛋白质，称为单顺反子。mRNA包括5'-非翻译区、开放阅读框、3'-非翻译区。在阅读框内，每相邻3个核苷酸组成一个三联体的遗传密码，编码一种氨基酸。UAA、UAG、UGA三个密码子作为终止密码子，不编码任何氨基酸。AUG既是起始密码子，也可以编码甲硫氨酸。遗传密码的特点：（1）方向性：mRNA上遗传密码的阅读方向只能是5'—3'（起始密码子在mRNA的5'端，终止密码子在3'端），这种方向性也决定了多肽链合成的方向是氨基端到羧基端。（2）连续性：mRNA的遗传密码是连续的，无间隔区。如果在mRNA链中发生碱基的插入或缺失，可造成框移突变。（3）简并性：不同密码子可对应同一氨基酸。除甲硫氨酸和色氨酸只有一个密码子外，其他均有两个以上密码子。（4）摆动性：翻译过程中，密码子和反密码子有时出现不遵守碱基配对规律的情况，称为摆动配对。如tRNA反密码子的第一位出现稀有碱基次黄嘌呤（I），可分别与密码子第三位碱基U、C、A配对。摆动配对让密码子与反密码子之间相互识别更灵活。（5）通用性：蛋白质合成的遗传密码适用于所有生物。2.核糖体是肽链合成的场所（1）真核细胞核糖体可以游离存在，也可以与细胞内质网结合形成粗面内质网。（2）核糖体由大、小两个亚基组成，每个亚基都由核糖核蛋白和rRNA组成。（3）原核生物核糖体至少有6个功能部位：a.容纳mRNA的部位b.结合氨基酰tRNA的氨基酰位（A位）c.结合肽酰tRNA的肽酰位（P位）d.tRNA排出位（E位）e.肽酰转移酶的位置f.转位酶的位置3.tRNA是氨基酸的转运载体

在翻译时，带着不同氨基酸的tRNA通过反密码环上的反密码子与mRNA相对应的密码子相识别，其3'端的氨基酸接受臂CCA序列中A的3'末端的羟基与相应氨基酸的羧基结合，携带有氨基酸的tRNA称为氨基酰-tRNA。4.肽链合成需要的酶和蛋白因子蛋白质合成消耗能量（GTP），需要转肽酶、氨基酸-tRNA合成酶等多种酶参加，还需要其他核糖体外的蛋白因子：（1）起始因子。真核eIF；原核IF（2）延长因子。真核eEF；原核EF（3）释放因子。真核eRF；原核RF二、蛋白质合成的过程1.氨基酸的活化和转运在蛋白质的合成过程中，原料氨基酸以氨基-tRNA形式进行运输并参与肽键形成。催化氨基酰-tRNA合成的酶是：氨基酰-tRNA合成酶，反应分为两步。（1）氨基酸与ATP反应生成氨基酰腺苷酸（2）氨基酰-AMP的氨酰基被转移到tRNA的3'端，形成氨基酰-tRNA。总反应：氨基酸+ATP+tRNA=氨基酰-tRNA+AMP+ppi(消耗2个高能键)原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸（N-甲酰甲硫氨酸，fMet），表示为fMet-tRNAi(fMet)。fMet的甲酰基是由N10-甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸上。补充：氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性，它能把错配的氨基酸水解下来，再换上与反密码子相对应的氨基酸。2.核糖体循环

核糖体循环是从起始密码AUG开始的，直至终止密码出现。这一过程可分为起始（initiation）、延长（elongation）、终止（termination）。起始阶段翻译的起始是指mRNA、起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合形成复合物的过程。（模板、原料、加工厂）原核生物：（1）核糖体大小亚基分离：蛋白质合成是连续进行的，肽链延长过程中，大小亚基是聚合的。一条肽链完成合成后，IF-3、IF-1与小亚基结合，促使大小亚基分离。（2）mRNA与小亚基定位结合：原核细胞中，mRNA上有很多起始密码子AUG，如何识别这么多的AUG位点呢？科学家发现在AUG上游10bp左右，通常含有一段六聚体序列（-AGGAGG-），称为SD序列。它与原核生物小亚基16S-rRNA3'端的短序列（-UCCUCC-）互补，从而使mRNA与小亚基结合。因此，mRNA的SD序列又称为核糖体结合位点。（3）起始fMet-tRNAi(fMet)的结合：a.原核生物核糖体有3个tRNA结合位点：氨基酰-tRNA进入A位；肽酰-tRNA进入P位；去氨酰的tRNA通过E位排出。b.A位、P位由大小亚基一起参与构成，而E位只由大亚基构成。c.fMet-tRNAi(fMet)与核糖体的结合受IF-2控制。在IF-2的帮助下，fMet-tRNAi(fMet)识别核糖体P位的mRNA上的密码子AUG，并与之结合。d.起始时，IF-1结合在A位，阻止氨酰基-tRNA的进入，也可以阻止大亚基（50S）和小亚基（30S）结合。mRNA、fMet-tRNAi(fMet)与小亚基的结合好比运动员进入赛道，在赛道起点准备听裁判鸣枪比赛（mRNA是赛道，运动员是核糖体，fMet-tRNAi(fMet)是裁判员）（4）70S起始复合物形成：当大小亚基结合时，IF-2具有GTP酶活性。当结合了mRNA、fMet-tRNAi(fMet)的小亚基再与大亚基结合时，IF-2水解GTP释放能量，促使IF-1、IF-2、IF-3释放，形成由完整核糖体、mRNA、起始氨基酰-tRNA组成的复合物。此时，结合AUG的fMet-tRNAi(fMet)占据P位，A位空出，为肽链延长做准备。真核生物：

真核生物的翻译起始过程与原核类似，但需要的组分不同。如核糖体为80S，起始因子数目更多，起始甲硫氨酸不需要甲酰化，且成熟mRNA分子内部没有核糖体结合位点。小亚基首先识别结合5'端帽子结构，再移向起始点，并在那里与大亚基结合。（1）核糖体大小亚基分离：真核起始因子eIF-2B、eIF-3与小亚基结合，并在eIF-6的参与下，促进无活性的80S核糖体解聚成40S和60S。（2）起始Met-tRNAi(Met)的结合：与原核生物不同，真核生物小亚基先与起始氨基酰-tRNA结合，再与mRNA结合。首先Met-tRNAi(Met)与eIF-2、eIF-1结合为三元聚合物，然后与游离状态的小亚基P位结合，形成43S复合物。这个过程需要eIF-3、eIF-4C的帮助，eIF-3使40S小亚基保持游离状态。（3）mRNA与小亚基结合：eIF-4F复合物（帽子结构复合物）包括eIF-4E、eIF-4A、eIF4G。它可以帮助上面的43S复合物与mRNA的5'端结合。其中eIF-4E（帽结合蛋白）结合5'帽子；3'端polyA尾与polyA结合蛋白（PABP）结合，它们这一群结合成一个复合物。（4）小亚基沿mRNA扫描查找起始点：5'帽子与起始AUG距离较远，小亚基从5'—3'，直到找到启动信号AUG。但是只扫描到AUG还不行，还必须是AUG上下游有合适的序列，最适序列为GCC（A/G）CCAUGG，在AUG上游的第三个嘌呤（A/G）与紧随其后的G是最重要的。小亚基扫描到AUG后，Met-tRNAi(Met)与mRNA准确定位结合成48S复合物。（5）80S复合物的形成：48S复合物定位于起始密码子后，在eIF-5作用下，迅速与60S大亚基结合形成80S复合物。eIF-5是一种GTP酶，水解GTP，促使eIF-2、eIF-3释放延长阶段肽链的延长是指在mRNA密码子指导下，由特意tRNA携带相应氨基酸运至核糖体的受位，使肽链依次从N端向C端逐渐延伸。这里涉及到核糖体循环，每次循环分三个阶段：进位、成肽、转位。（1）进位肽链的合成被启动后，核糖体P位已被起始氨基酰-tRNA占据，但A位是空的。进位就是第二个氨基酰-tRNA进入核糖体的A位，又称注册（registration），这一过程在原核细胞需要延长因子EF-T参与。EF-T分为EF-Tu和EF-Ts两个亚基。当EF-Tu结合GTP时，两个亚基分离，使EF-Tu-GTP处于活性状态。进位时，活性的EF-Tu-GTP与氨基酰-tRNA结合，把它带到A位。任务完成后，EF-Tu-GTP分解自身GTP产生能量，使其从核糖体排出。这时候EF-Ts与EF-Tu-GDP结合，把GDP置换出去，重新生成EF-T二聚体，继而再与GTP结合，进行下一次进位。进位的过程，好比一对情侣中插入了一个第三者，有一人跟第三者跑了，后来又回到前任旁边，把第三者踢了。（2）成肽成肽就是肽基转移酶催化肽键的形成。进位后核糖体的A位和P位各结合一个氨基酰-tRNA，在肽基转移酶的催化下，P位上起始tRNA所携带的甲硫氨酸的α-羧基与A位上氨基酸的α-氨基形成肽键，此过程在A位上进行，不耗能。（肽基转移酶是个核酶）（3）转位a.第一个肽键形成以后，二肽酰-tRNA占据核糖体A位，而卸载的tRNA仍在P位。b.转位是指核糖体向mRNA的3'端移动一个密码子（3个碱基）的距离，A位上的二肽酰-tRNA转移至P位，A位空出。在原核生物中，P位卸载的tRNA进入E位，并由此排出。（真核细胞核糖体没有E位，转位时卸载的tRNA可以直接从P位排出）c.在原核生物，转位依赖延长因子EF-G和GTP。EF-G有转录酶活性，可水解GTP产生能量促进核糖体向mRNA的3'端移动。（真核中与EF-G功能类似的是eEF-2）d.转位后，mRNA分子上的第三个密码子进入A位，为下一个氨基酰-tRNA进位做好准备。再进入第二轮循环，进位-成肽-转位，每一轮循环肽链将增加一个氨基酸残基。需注意的是：每次成肽反应都是P位的肽酰-tRNA上的氨基酸链转移到A位上。（不是新的氨基酸加到旧的上，是旧的氨基酸安装到新的上）终止阶段翻译的终止涉及两个阶段：识别终止密码，释放肽链；终止反应后释放tRNA和mRNA，大小亚基分离。研究证明终止密码子不是由tRNA识别，而是蛋白因子。原核生物的翻译终止：（1）mRNA的终止密码子UAA（UAG/UGA）进入A位时，释放因子与GTP结合后能识别终止密码子，形成RF-1-RF-2-RF-3-GTP复合物结合在核糖体上。（2）复合物的结合改变了转肽酶的构象，使其具有水解酶的活性，使P位上的tRNA与多肽链之间的酯键被水解，释放出多肽。（需要RF-3水解GTP产生能量）（3）与GDP结合的释放因子及P位上空载的tRNA依次从核糖体脱落，并解离成大小亚基。（真核生物的释放因子是eER1-eEF3-GTP复合物）三、翻译后加工翻译后修饰：新合成的多肽链大多没有正常的生理功能，许多蛋白质在肽链合成后，需要一定的加工或修饰，才能行使正常生理功能。翻译后修饰的主要方式：1.新合成的多肽链的加工和修饰（1）脱N-甲酰基或N-蛋氨酸原核生物起始氨基酸“去”甲酰基化；真核生物起始甲硫氨酸（蛋氨酸）直接脱掉。（2）氨基酸侧链的修饰新生肽链中往往有一些氨基酸的侧链经过转移的修饰，如胶原蛋白中脯氨酸、赖氨酸会被羟基化。（3）二硫键的形成两个半胱氨酸残基侧链的巯基化。2.新生多肽链中非功能性片段的切除（1）信号肽的切除（2）内含肽的切除（3）其他功能片段的切除3.亚基的聚合由多条多肽链组成的蛋白质，各个亚基按特定方式聚合。真核生物翻译水平的调控表现：

mRNA自身结构的影响，蛋白质-mRNA相互作用的调节，招募因子的调节、肽链起始因子的调节。（1）mRNA自身结构的影响a.起始密码旁侧序列的影响真核细胞中，mRNA中合适的起始密码旁侧序列是小亚基识别起始密码子AUG所必需的。若旁侧序列不合适，小亚基不会理会起始AUG。b.非翻译区的结构与翻译调控5'非翻译区的序列中若存在连续的碱基配对，就可以形成发夹/茎环结构，阻止核糖体迁移。（2）mRNA与蛋白质相互作用的调控效应在真核生物中某些mRNA分子的翻译可以被特定阻遏蛋白结合而阻断。如细胞内Fe2+含量低时，铁蛋白（结合Fe）mRNA的翻译被抑制；当游离Fe浓度增高时，铁蛋白合成阻遏被解除。（3）招募因子的作用招募因子是能促进mRNA与核糖体结合的因子。（4）翻译起始因子的调节翻译起始因子活性决定了翻译的起始水平。起始因子（eIF）可通过磷酸化促进或抑制蛋白质的合成。四、干扰素和白喉毒素的抑制作用

干扰素是真核生物细胞感染病毒后产生的一种具有抗病毒作用的蛋白质。干扰素的种类：α-（白细胞）型、β-（成纤维细胞）型、γ-（淋巴细胞）型干扰素的作用原理：1.干扰素在双链RNA（某些RNA病毒）存在时，可活化一种蛋白质激酶，激酶使eIF-2磷酸化，磷酸后失去启动翻译的能力。2.干扰素与双链RNA可共同活化2'-5'A合成酶，该酶可使ATP转化为2'-5'A，进而活化RNaseL（核酸内切酶），使mRNA降解。白喉毒素作用机制：白喉毒素可特异性结合

eIF-2，使其失活从而抑制蛋白质合成临床常用抗生素抑制蛋白质合成的作用点和机制：（1）四环素：抑制起始氨酰基-tRNA与核糖体的A位结合。（2）链霉素、卡那霉素：与原核生物30S亚基结合，引起遗传信息错读，生成错误的蛋白质。（3）氯霉素：与70S亚基结合，抑制