14第十四章 蛋白质的生物合成

第十四章蛋白质的生物合成（ProteinBiosynthesis）中南大学湘雅医学院宋惠萍合成蛋白质的原料是氨基酸rRNA和蛋白质组成的核糖体是生产蛋白质的工厂a、膜结合核糖体b、游离核糖体tRNA作为转换器分子能帮助将mRNA上的核酸语言翻译成蛋白质语言。蛋白质的生物合成可分为三个阶段：起始阶段，延长阶段和终止阶段，从氨基末端向羧基末端合成蛋白质。第一节蛋白质生物合成的基本条件一、mRNA是蛋白质合成的模板mRNA含有从DNA转录的遗传信息多顺反子(polycistron)：编码几种功能相关的蛋白质的一段mRNA，存在于原核生物。单顺反子(monocistron)：只编码一个蛋白质的一段mRNA，多见于真核生物。mRNA包括5′-非翻译区（5′-UTR）、开放阅读框架区（ORF）和3′-非翻译区（3′-UTR）。在mRNA的开放阅读框架区中每3个核苷酸组成三联体遗传密码子，编码蛋白质中20种氨基酸。起始密码子：AUG终止密码子：UAG，UGA，UAA遗传密码的特点：通用性（universality）方向性（directionality）连续性（commalessness）简并性（degeneracy）摆动性（wobble）二、氨基酸与tRNA转换器分子tRNA是蛋白质生物合成过程中氨基酸的转运工具密码子与反密码子的摆动现象tRNA分子3′末端的CCA序列是氨基酸结合部位。每一种特异的tRNA只能转载特异的氨基酸。只有通过氨基酰-tRNA合成酶，才能使tRNA和氨基酸相互识别三、核糖体RNA每个核糖体均由大、小两个亚基组成原核生物大亚基的沉降系数为50S，包括23SrRNA、5SrRNA和34种核糖体蛋白；小亚基的沉降系数为30S，它包括16SrRNA和21种核糖体蛋白。真核生物大亚基的沉降系数为60S，它包括28SrRNA、5.8SrRNA、5SrRNA和50种核糖体蛋白；小亚基的沉降系数为40S，它包括18SrRNA和33种核糖体蛋白。核糖体在蛋白质合成中有两个主要作用：①核糖体通过将mRNA、氨基酰-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成；②核糖体的成分可催化翻译过程的一部分化学反应四、参与蛋白质合成的酶类㈠氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA合成酶(aminocyl-tRNAsynthetase)催化tRNA的3′-末端CCA-OH与氨基酸形成酯键生成氨基酰-tRNA。反应分二步进行：1.氨基酸+ATP-E→氨基酰-AMP-E+PPi2.氨基酰-AMP-E+tRNA→氨基酰-tRNA+E+AMP氨基酰-tRNA的合成同工接受体（isoacceptor）:细胞内的tRNA的种类多于20种，故一种氨基酸可由几种tRNA装载。装载同一氨基酸的所有tRNA被称为同工接受体。氨基酰-tRNA合成酶有校正活性（editingactivity）（二）肽酰转移酶在原核生物中，肽酰转移酶（peptidyltransferase）是大亚基的23SrRNA的成分；在真核生物中，该酶是大亚基28SrRNA的成分。它们均是核酶。第二节蛋白质生物合成的过程蛋白质是从N端向C端合成原核生物的起始tRNA是结合甲酰蛋氨酸的tRNA（tRNAfmet），而真核生物的起始tRNA是结合蛋氨酸的tRNA。Korak共有序列（Korakconsensus）一、翻译的起始阶段1.合成氨基酰-tRNA2.将核糖体解离成大、小两个亚基。翻译起始阶段的两个工作：㈠起始因子原核起始因子功能IF-1防止tRNA过早地结合到A位IF-2促进fMet-tRNAfMet结合到30S小亚基IF-3结合30S小亚基，防止它过早地与50S大亚基结合，并提高P位对fMet-tRNAfMet的特异性真核起始因子功能eIF-1多功能因子，参与多个翻译步骤eIF-2促进起始Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合eIF-2B又称鸟苷酸交换因子，将eIF-2上的GDP交换成GTPeIF-3首先与40S小亚基结合结合的因子，并能加速后续步骤eIF-4A具有RNA解旋酶的活性，能解除mRNA5´端的发夹结构，使其与40S小亚基结合。是eIF4F的组成成分eIF-4B与mRNA结合，对mRNA进行扫描并定位第一个AUGeIF-4E结合mRNA的帽子结构，是eIF4F的组成成分eIF-4G一种接头蛋白，能与eIF4E、eIF-3和polyA结合蛋白（Pab-1p）结合将40S的小亚基富集至mRNA，而刺激翻译。是eIF4F的组成成分eIF-5促进上述起始因子从40S小亚基脱落，以便40S小亚基与60S大亚基结合形成80S起始复合物eIF-6促进无活性的80S核糖体解聚生成40S小亚基和60S大亚基转换因子eIF－2B(鸟苷酸交换因子)的功能㈡翻译的起始过程翻译的起始过程是形成翻译起始复合物的阶段，即在起始因子的作用下，将起始-tRNA和mRNA结合到核糖体上的步骤。1.原核生物的翻译起始过程分为以下六步:⑴核糖体亚基的分离⑵IF-3结合到30S的小亚基上以防止核糖体的亚基聚合。⑶IF-1和IF-2结合在IF-3的旁边，同时GTP与IF-2结合。⑷mRNA在核糖体小亚基上就位⑸30S的起始复合物与50S大亚基结合同时释放IF-1和IF-3。⑹IF-2从复合物解离的同时GTP发生水解，反应产物是70S起始复合物。2．真核生物的翻译起始过程分为三个步骤⑴前起始复合物的形成⑵48S复合物的形成⑶起始复合物的形成二、肽链的延长原核生物延长过程所需的蛋白因子称为延长因子（elongationfactor，EF）；真核生物的延长因子称为eEF（eukaryoticelongationfactor）。P位即肽位（peptidylsite）A位即受位（acceptorsite）核糖体循环可分三个阶段：进位（entrance）或称注册（registration），成肽（peptidebondformation）和转位（translocation）原核生物与真核生物的肽链延长过程相似。㈠进位㈡成肽㈢转位三、肽链合成的终止原核生物与真核生物的终止过程相似释放因子（releasefactor，RF）第三节翻译后的加工修饰从核糖体释放的多肽链不一定是具备生物活性的成熟蛋白质，在细胞内新生肽链只有经过各种修饰处理才能成为有活性的成熟蛋白，该过程称为翻译后加工（post-translationprocessing）。本教材从一级结构的修饰、糖链的添加和高级结构的形成等三个方面描述翻译后的加工。一、翻译后修饰㈠一级结构的修饰1．去除N-甲酰基或N-蛋氨酸翻译过程中，原核生物的N-末端的第一个氨基酸总是甲酰蛋氨酸；真核生物的是蛋氨酸。但大多数天然蛋白质不以上述氨基酸为N-末端的第一位氨基酸。细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以去除N-甲酰基、N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽链阿黑皮素原的水解加工2．蛋白质的水解加工⑴多蛋白的水解加工⑵内含肽的切除内啡肽3．化学修饰㈡糖链的添加N-糖蛋白的合成㈢高级结构的形成只有当蛋白质全部序列离开核糖体之后才能形成它的三级结构细胞内存在一些辅助蛋白，可以帮助蛋白质的折叠1．参与折叠的辅助性蛋白质⑴分子伴侣：可分为下列两大类①热休克蛋白70（heatshockprotein，Hsp70）②热休克蛋白60（Hsp60）家族，即分子伴素，在大肠杆菌中的主要形式为GroEL。GroEL由14个相同亚基组成的多聚体，每7个亚基组成的一个环，两个环背靠背地通过负变构作用堆叠在一起组成GroEL，每个环的中央有一个空腔，每个空腔能结合1个蛋白质底物。GroES是由7个亚基组成的圆顶状的蛋白质。每个亚基有一个与GroES功能密切相关的环状区域，它从圆顶部突出，可将GroES锚定在GroEL上，形成GroEL-GroES复合物。GroES和GroEL的结构顶部结构域中间结构域赤道结构域GroESGroELGroEL⑵二硫键异构酶：在氧化条件下，多肽链内或多肽链间可形成二硫键,其作用是稳定二级和三级结构⑶脯氨酰顺-反异构酶：在新合成的多肽中，X-脯氨酸肽键的构型是反式的，而成熟蛋白质中该肽键的构型有10%以上是顺式的。脯氨酰顺反异构酶催化这种异构化的过程，也可以加速蛋白质的折叠2.蛋白质的折叠过程⑴Hsp70反应循环⑵GroEL-GroES反应循环GroEL-GroES的循环包括如下程：①未折叠蛋白进入未结合GroES的GroEL的空腔；②7个ATP与7个与GroES不结合的GroEL结合；③ATP水解,使14个ADP、７个无机磷酸和GroES释放；④７个ATP和1个GroES与空腔内已有未折叠蛋白的GroEL结合；⑤ATP水解成ADP和Pi。ADP仍留在GroEL上，Pi释放。同时另７个ATP与无折叠蛋白的GroEL结合；⑥蛋白质在密闭的GroEL内折叠，此时GroEL的顶部结构域进行大幅度的转动和向上移动，导致空腔扩大并使表面从疏水转变成亲水，有利于蛋白质折叠；⑦折叠过程大约进行10秒钟，如蛋白质已折叠成天然蛋白质则释放；⑧如未完成折叠，它们可再进入新一轮循环。GroEL对蛋白质的折叠过程二、蛋白质的靶向转运㈠胞浆支路的分拣游离多聚核糖体合成的蛋白质输入到不同的细胞器，尽管它们各有特点，但它们有一些共同的特征，现将它们总结如下：蛋白质输入细胞器通常包括三个阶段：识别、易位和成熟；蛋白质上的靶序列被细胞浆或细胞器表面识别；蛋白质易位是指这些蛋白质通过细胞器膜进入细胞器内部的过程，它是以未折叠的状态进行，这种状态通过细胞浆中的伴侣蛋白得以维持蛋白质穿过膜需要能量和膜的另外一面存在分子伴侣；蛋白质和分子伴侣的结合与解离的不断反复，结果可拉动多肽链跨膜细胞器内的其它蛋白催化蛋白质折叠，这些蛋白通常伴随协同因子或寡糖组装成活性单体或寡聚体。㈡粗面内质网支路的分拣信号肽的性质：（1）通常（并不总是）位于氨基端，约由12-35个氨基酸组成；（2）氨基末端常为蛋氨酸，而近氨基末端处至少含有一个带正电荷的氨基酸，其中央段含有疏水氨基酸簇；（3）通常信号肽酶的切割位点位于丙氨酸羧基端，即信号肽的羧基末端多为丙氨酸。共翻译插入（cotranslationalinsertion）:编码蛋白的相对应的mRNA同时编码其氨基端的信号肽。信号假说认为当mRNA在多聚核糖体翻译的同时，蛋白质就插入到内质网膜分泌蛋白转运过内质网的过程第四节蛋白质生物合成与医学的关系一、许多病毒利用宿主蛋白质合成机器病毒可利用宿主的细胞过程进行复制，也能利用那些参予蛋白质合成的过程，而且某些病毒的翻译比宿主有效得多。二、翻译后的加工影响许多蛋白质的活性三、抗生素对蛋白质生物合成的影响四、一些活性物质对蛋白质生物合成的影响白喉毒素（diphtheriatoxin）是一种化学修饰酶，能催化哺乳动物的延长因子（EF-2）与NAD+反应，生成EF-2的腺苷二磷酸核糖衍生物，使EF-2失活，从而抑制哺乳动物蛋白质的合成：干扰素抑制蛋白质合成的机制(a)干扰素对eIF-2的灭活作用(b)干扰素对mRNA的降解作用干扰素能诱导2´,5´寡腺苷酸合成酶和Hemeontrolledinhibition（HCI）的合成。HIC是一种蛋白激酶，它能催化eIF-2磷酸化，磷酸化的eIF-2与2IF-2B结合形成死端复合物（dead-endcomplex），将蛋白质的合成阻抑在起始阶段。血红素能抑制HIC的活性。2´,5´寡腺苷酸合成酶能催化ATP生成2´,5´寡腺苷酸，它能活化核酸内切酶——RnaseL。RnaseL能降解病毒的mRNA关于诺贝尔奖获得者的小故事究竟是哪3个核苷酸组成1个密码子来决定哪个氨基酸呢？这是多年来一直困扰分子遗传学家与生化学家的一个老大难问题。这个问题的解决，美国科学家尼伦伯格（M·W·Nirenberg）与美籍印裔科学家霍拉纳（H·G·Khorana）贡献卓著。阐明遗传密码这个难题，在1961年终于露出一线曙光。尼