18第十七章蛋白质的生物合成

第十七章蛋白质的生物合成生物体内的蛋白质以mRNA为模板而合成。在这一过程中，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，故称为翻译（translation）。翻译是指在多种因子辅助下，由tRNA携带并转运相应氨基酸，识别mRNA上的三联体密码子，在核糖体上合成具有特定序列多肽链的过程。第一节蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成是细胞最为复杂的活动之一。参与细胞内蛋白质生物合成的物质．除原料氨基酸外，还需要mRNA作为模板、tRNA作为特异的氨基酸“搬运工具”、核糖体作为蛋白质合成的装配场所、有关的酶与蛋白质因子参与反应,ATP或GTP提供能量。一、mRNA是蛋白质合成的信息模板mRNA的发现回答了细胞核内基因组的遗传信息如何为蛋白质编码这一重要问题。从DNA分子中转录合成而来的mRNA分子在细胞质内作为蛋白质合成的模板，mRNA分子的编码区（开放阅读框）中的核苷酸序列作为遗传密码（geneticcodes），在蛋白质合成过程中被翻译成蛋白质中的氨基酸序列。生物对mRNA分子中核苷酸序列的翻译方式以3个相邻核苷酸为单位进行。在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，编码一种氨基酸。如AUG被识别为甲硫氨酸和肽链合成起始信号、UCU允许丝氨酸进人新生肽链、UGA将被识别为终止信号。这样串连排列的3个核苷酸被称为一个三联体密码子（codon）。4种构成mRNA的核苷酸经排列组合可构成64个密码子（表17-1），其中61个编码20种直接在蛋白质合成中使用的氨基酸；另有3个不编码任何氨基酸，而作为肽链合成的终止密码子（terminatorcodon）。遗传密码具有以下几个重要特点：1．方向性组成密码子的各碱基在mRNA序列中的排列具有方向性。翻译时的阅读方向只能从5'至3'，即从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。mRNA阅读框架中从5'一端到3’一端排列的核苷酸顺序决定了肽链中从N一端到C一端的氨基酸排列顺序（图17-1a）。2.连续性mRNA的密码子之间没有间隔核苷酸。从起始密码子开始，密码子被连续阅读，直至终止密码子出现。由于密码子的连续性，在开放阅读框中发生插人或缺失1个或2个碱基的基因突变，都会引起mRNA阅读框架发生移动，称为移码（frameshift），使后续的氨基酸序列大部分被改变（图17-lb），其编码的蛋白质彻底丧失功能，称之为移码突变（frameshiftmuta-tion)；如同时连续插人或缺失3个碱基，则只会在蛋白产物中增加1个或缺失1个氨基酸，但不会导致阅读框移位，对蛋白质的功能影响相对较小。3.简并性64个密码子中有61个编码氨基酸，而氨基酸只有20种，因此有的氨基酸可由多个密码子编码，这种现象被称为简并性（degeneracy)。例如，UUU和UUC都是苯丙氨酸的密码子，UCU、UCC、UCA、UCG,AGU和AGC都是丝氨酸的密码子。密码子AUG具有特殊性，不仅代表甲硫氨酸，如果位于mRNA起始部位，它还代表肽链合成的起始密码子（initiatorcodon）。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子。多数情况下，同义336第三篇遗传信息的传递密码子的前两位碱基相同，仅第三位碱基有差异，即密码子的特异性主要由前两位核苷酸决定，如苏氨酸的密码子是ACU,ACC,ACA,ACG。这意味着第三位碱基的改变往往不改变其密码子编码的氨基酸，合成的蛋白质具有相同的一级结构。因此，遗传密码的简并性可降低基因突变的生物学效应。4.摆动性密码子的翻译通过与tRNA的反密码子配对反应而实现。这种配对有时并不严格遵循Watson-Crick碱基配对原则，出现摆动（wobble）。此时mRNA密码子的第1位第十七章蛋白质的生物合成337位碱基（5’-3’）与tRNA反密码子的第3位和第2位碱基（5’叶3’）之间仍为Watson-Crick配对，而反密码子的第1位碱基与密码子的第3位碱基配对存在碱基配对摆动现象。如某种tRNA上的反密码子第1位为次黄嘌呤核苷（inosine，I），则可分别与mRNA分子中的密码子第3位的A,C或U配对；反密码子第1位的U可分别与密码子第3位的A或G配对；反密码子第1位的G可分别与密码子第3位的C或U配对（图17-2）。由此可见，摆动配对能使一种tRNA识别mRNA序列中的多种简并性密码子。5.通用性从细菌到人类都使用着同一套遗传密码，这一方面为地球上的生物来自同一起源的进化论提供了有力依据，另外使我们有可能利用细菌等生物来制造人类蛋白质。遗传密码的通用性中仍有个别例外，在哺乳类动物线粒体内有些密码子编码方式不同于通用遗传密码，如UAG不代表终止信号而代表色氨酸，CUA,AUA编码有所不同，此外终止密码子亦不一样。框17-1碗译通传密码20世纪中叶，人们已经知道DNA是遗传信息的拼带分子，并通过RNA控制蛋白质的生物合成。此后，一些科学家即开始从不同角度去破译遗传密码。20世纪60年代初，MWNirenbe飞等人推断出64个三联体密码子，并利用合成的多聚尿啥吮核普酸（polyU）为模板，在无细胞蛋白质合成体系中合成了多聚笨丙氛酸，从而解读出第一个“象形文字”即编码笨丙氛改的密玛子“UUU”。其后，他们用同样的方法证明CCC,AAA分别代表浦氛酸和核氛酸。另外，HGKhorana等将化学合成与醉促合成结合，合成含有重复序列的多核普政共泉物，并以此为模板确定了半耽氮酸、级氛故等氛基酸的密码子。tRNA发现者之一的RWHolley成功地制备了一种纯的tRNA,标志肴有生物学活性的核酸的化学结构的确定。经过多位科学家近5年的共同努力，于1966年确定了64个密码子的意义。MWNi-renberg,HGKhorana,RWHolleyi$3位科学家因此共同荣获1968年诺贝尔生理学／医学奖。338第三篇遗传信息的传递二、氨基酸-tRNA通过其反密码子与mRNA中对应的密码子互补结合在蛋白质合成中使用的20种氨基酸各由其特定的tRNA负责转运至核糖体。在翻译时，带着不同氨基酸的各种tRNA通过其特有的反密码子识别，准确地在核糖体上与功RNA上相应的密码子对号人座。虽然已发现的tRNA达数十种，一种氨基酸通常可与2一6种对应的tRNA特异性结合，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。不同的tRNA的命名采用右上标的不同氨基酸的三字母代号，如tRNA，表示这是一个专门转运酪氨酸的tRNA.tRNA上有两个重要的功能部位：一个是氨基酸结合部位，另一个是mRNA结合部位。与氨基酸结合的部位是tRNA的氨基酸臂的一CCA末端的腺苷酸3‘一羟基；与mRNA结合的部位是tRNA反密码环中的反密码子。参与肽链合成的氨基酸需要与相应tRNA结合，形成各种氨基酸tRNA(aminoacyl-tRNA)，再运载至核糖体，通过其反密码子与mRNA序列中对应的密码子互补结合（参见图17一），从而按照mRNA的密码子顺序依次加人氨基酸残基。三、核糖体是肽链“装配厂”合成肽链所需要的mRNA与tRNA结合、肽键形成等过程全部是在核糖体（第二章）上完成的。核糖体类似于一个移动的多肽链“装配厂”，沿着模板mRNA链从5'端向3’端移动。在此期间，携带着各种氨基酸的tRNA分子依据密码子与反密码子配对关系快速进出其中，为延长的肽链提供氨基酸原料；肽链合成完毕，核糖体立刻离开mRNA分子。原核生物的核糖体上有A位、P位和E位这3个重要的功能部位（图17-3），在肽链合成中，分别作为氨基酰-tRNA进人的位置、肽酰-tRNA结合的位置和tRNA排出的部位。A位结合氨基M-tRNA,称氨基酰位(aminoacylsite);P位结合肽酰-tRNA,称肽酰位(peptidylsite);E位是出口位（exitsite），由此释放已经卸载了氨基酸的tRNA。真核生物的核糖体上没有E位，空载的tRNA直接从p位脱落。四、肽链生物合成需要酶类和蛋白质因子蛋白质生物合成需要由ATP或GTP提供能量，需要mg2+、转肽酶、氨基酸一tRNA合成酶等多种酶参与反应，从起始、延长到终止的各阶段还需要多种其他核糖体外的蛋白因子（表17-2、表．17-3)。这些因子有：①起始因子（initiationfactor,IF)，原核生物（prokaryote）和真核生物（eu-第十七章蛋白质的生物合成339karyote)的起始因子分别用IF和eIF表示；②延长因子（elongationfactor,EF)，原核生物与真核生物的延长因子分别用EF和eEF表示；③释放因子（releasefactor，RF）又称终止因子（tenvinationfactor），原核生物与真核生物的释放因子分别用RF和eRF表示。第二节氨基酸与tRNA的连接参与肽链合成的氨基酸需要与相应tRNA结合，形成各种氨基酞tRNA。该过程是由氨基酞tRNA合成酶（anunoacyl-tRNAsynthetase）所催化的耗能反应。氨基酸与特异的tRNA结合形成340第三篇遗传信息的传递氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。一、氨基酰-tRNA合成酶识别特定氨基酸和tRNA密码子与反密码子间的识别主要由tRNA决定而与氨基酸无关，“搭错车”的氨基酸仍将依据tRNA的种类进人多肽链导致合成出错。因此氨基酸与tRNA连接的准确性是正确合成蛋白质的关键步骤。氨基酸与tRNA连接的专一性由氨基酰tRNA合成酶保证。氨基酰tRNA合成酶都具有高度专一性，既能识别特异的氨基酸，又能辨认应该结合该种氨基酸的tRNA分子。因此，氨基酰tRNA合成酶对底物氨墓酸和tRNA都有高度特异性。该酶通过分子中相分隔的活性部位分别识别并结合ATP、特异氨基酸及能识别并结合简并密码子的数种tRNA。氨基酞-tRNA由氮基酞-tRNA合成酶催化生成，每个氨基酸活化需消耗2个来自ATP的高能磷酸键。总反应式如下：氨基酸+tRNA+ATP------氨基酰-tRNA合成酶----氨基酰tRNA+AMP+PPi氨基酰-tRNA合成酶催化氨基酰-tRNA合成的主要反应步骤包括：①氨基酰tRNA合成酶催化ATP分解为焦磷酸与AMP②AMP,酶、氨基酸三者结合为中间复合体（氨基酰-AMP-E)，其中氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以苷键相联，成为活化的氨基酸；③活化氨基酸与tRNA分子的3'-CCA末端（氨基酸接纳臂）上的腺苷酸的核糖2‘或3‘位的游离羟基以酯键结合，形成相应的氨基酰tRNA（图17-4）。已经结合了不同氨基酸的氨基酰-tRNA用前缀氨基酸三字母代号表示，如Tyr-tRNATyr代表Tyr-tRNATyr的氨基酸接纳臂上已经结合有酪氨酸。氨基酰tRNA合成酶还有校对活性（proofreadingactivity），能将错误结合的氨基酸水解释放，即将任何错误的氨基酰-AMP-E复合物或氨基酰-tRNA的醋键水解，再换上与密码子相对应的氨基酸，改正反应的任一步骤中出现的错配，保证氨基酸和tRNA结合反应的误差小于10-4。二、肽链合成的起始需要特殊的起始氨基酸-tRNA从密码子表中可见，编码甲硫氨酸（Met）的密码子在原核生物与真核生物中同时又作为起始密码子。目前已知，尽管都携带着Met，但结合在起始密码子处的Met-tRNA，与结合阅读框内部的Met密码子的Met-tRNA在结构上是有差别的，是两种不同的tRNA。结合于起始密码子的属于专门的起始氨基酰-tRNA。在原核生物，起始氨基酰-tRNA是fMet-tRNAfMet，其中的Met被甲酰化，成为N一甲酰甲硫氨酸（N-formylmethionine,fMet）。在真核生物，具有起始功能的是第十七章蛋白质的生物合成341tRNAiMet（initiator-tRNA)，它与Met结合后，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合物。Met-tRNAiMet和Met-tRNAMet如可分别被起始或延长过程起催化作用的酶和蛋白质因