蛋白质的生物合成过程

第33章蛋白质的生物合成Chapter13BiosynthesisofProtein蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。第一节参与蛋白质生物合成的物质生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：①mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序；②tRNA：搬运氨基酸的工具；③核糖体：蛋白体生物合成的场所；④酶及其他蛋白质因子；⑤供能物质及无机离子。一、mRNA作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码(coden)。共有64种不同的密码。原核生物的转录与翻译同步进行无义突变蛋白质的合成是N端——C端遗传密码的连续性二、tRNA在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨基酸tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码(anticoden)。反向互补转运RNA（tRNA）tRNA的功能tRNA分子上与蛋白质合成有关的位点：1.3′端-CCA上的氨基酸接受位点。2.识别氨酰-tRNA合成酶的位点。3.核糖体识别位点，使延长中的肽链附着于核糖体上。4.反密码子位点。第一套密码系统、第二套密码系统校正tRNA：mRNA发生突变后，tRNA的反密码子也突变搬来相近的氨基酸反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码，AUG。均被同一种甲硫氨酰tRNA合成酶合成三、rRNA和核蛋白体原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5SrRNA，28SrRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8SrRNA。核蛋白体的组装大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：1．小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。2．大亚基：（1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右）——受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。（2）具有转肽酶活性：将P位上的肽酰基转移给A位上的氨基酰tRNA，形成肽键。（3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。（4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。四、起动因子（IF）这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。EFTU（GTPase）α（GTPase）EFTEF1β原核EFTS真核γEFG（转位酶）EF2（转位酶）五、延长因子（EF）原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。六、释放因子（RF）原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。七、氨基酰tRNA合成酶该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。八、供能物质和无机离子多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。第二节蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程包括三大步骤：①氨基酸的活化与搬运；②活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；③多肽链合成后的加工修饰。一、氨基酸的活化与搬运•氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。其反应过程为：可纠正错误的酰化氨基酸的活化氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi在此反应中，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酸tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸①活化；②搬运；③定位。ATP+HOOCCH(NH2)R→A—P—OCCH(NH2)R+PPiPA—P—OCCH(NH2)R+tRNA→RCH(NH2)CO-tRNA+AMPP氨基酸活化的总反应式是：氨基酰-tRNA合成酶•氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi•每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。•氨基酰-tRNA合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的tRNA。•tRNA分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。二、活化氨基酸的缩合——核蛋白体循环活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。•现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子有两个，即甲硫氨酸的密码子(AUG)和缬氨酸的密码子(GUG)(极少出现)。在大肠杆菌中,起始密码子AUG所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸。•（一）起动阶段：•1．30S起动复合物的形成：在起动因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（fmet-tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。蛋白质合成起始复合物的形成核糖体大小亚基，起始tRNA，蛋白合成因子原核生物中的起始tRNA是fMet-tRNAfMet真核生物中的起始tRNA是Met-tRNAMet形成过程：mRNA先与核糖体的小亚基结合，起始tRNA再结合上来，再与核糖体的大亚基结合最后形成80SrRNA-mRNA-Met-tRNAMet原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基16S的3，端辨认结合。真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。•2．70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。•3．70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位（P位）。延伸：大亚基上的A位与P位，A位对应密码子第一个氨基酸结合到P位，第二个A位氨基酸之间形成肽键，肽转移酶A位空缺第三个氨基酸再结合到A位，循环延伸终止：终止密码子出现在A位时,无配对的AA-tRNA，P位的AA与tRNA的连接水解，tRNA与完整的多肽链释放肽键的形成不需要任何蛋白因子，是核糖体自身催化完成的•（二）肽链延长阶段：1．进位：与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的A位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。•2．成肽：在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。P位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。•3．移位：核蛋白体向mRNA的3'-端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的A位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。•（三）肽链终止阶段：•核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。•1．识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。•2．水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。•3．解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。第一个tRNA把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个tRNA带来第二个氨基酸。第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个tRNA脱落,准备好位置迎接第三个tRNA及其所带的氨基酸。合成过程连续进行直到在mRNA上出现休止符号的密码子。于是，不再有新的tRNA上来，肽链合成结束。核糖体与mRNA脱开。三、多肽链合成后的加工修饰•（一）一级结构的加工修饰：•1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：•N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。•①去甲酰化：•甲酰化酶•甲酰蛋氨酸-肽甲酸+蛋氨酸-肽••②去蛋氨酰基：•蛋氨酸氨基肽酶•蛋氨酰-肽蛋氨酸+肽2．氨基酸的修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。3．二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。4．肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。切去N端的Met或fMetS-S的形成蛋白质大分子折叠；糖基和其他基团的修饰；向细胞各部位的运送等等蛋白质合成中还有其他加工步骤蛋白质分子折叠（二）高级结构的形成：1．构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。2．亚基的聚合。3．辅基的连接。（三）靶向输送：蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。常见的信号肽由10~40个氨基酸残基组成，N端为带正电荷的氨基酸残基，中间为疏水的核心区，而C端由小分子氨基酸残基组成，可被信号肽酶识别并裂解。分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白（DP）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。分泌型蛋白质的靶向输送