蛋白质生物合成的机制

中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息,到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。蛋白质合成过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。4.4蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的场所是核糖体,原料是20种L-氨基酸，tRNA则是模板与氨基酸之间的接合体，反应所需能量由ATP、GTP提供，此外还有Mg2+、K+等金属离子参与。蛋白质合成各阶段的主要成分简表阶段必需组分1．氨基酸的活化20种氨基酸20种氨基酰-tRNA合成酶20种或更多的tRNAATP，Mg2+2．肽链的起始mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAmRNA上的起始密码子（AUG）核糖体小亚基核糖体大亚基GTP，Mg2+起始因子（IF-1，IF-2，IF-3）3．肽链的延伸功能核糖体（起始复合物）AA-tRNA伸长因子GTP，Mg2+肽基转移酶4．肽链的终止ATPMRNA上的终止密码子释放因子（RF-1，RF-2，RF-3）5．折叠和加工参与起始氨基酸的切除、修饰等加工过程的酶4.4.1氨基酸的活化氨基酸在掺入肽链前必须活化，在胞液中进行。氨基酸的活化是指各种参加蛋白质合成的AA与携带它的相应的tRNA结合成氨酰-tRNA的过程。活化反应在氨酰-tRNA合成酶的催化下进行。活化反应分两步进行：1、活化：AA-AMP-E复合物的形成E-CR1-C-O~P-O-CH2=OOH-O腺嘌呤OHOHONH2AA+ATP+EAA-AMP-E+PPiMg2+Mn2+2、转移AA-AMP-E+tRNA氨酰-tRNA+AMP+E高能酸苷键PPPCCAOC-C-ROHNH3+OH氨基酸活化的总反应式是：氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨酰-tRNA+AMP+PPi20种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰-tRNA合成酶。氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性，它既能识别相应的氨基酸（L-构型），又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA分子；即使AA识别出现错误，此酶具有水解功能，可以将其水解掉。这种高度的专一性保证了氨基酸与其特定的tRNA准确匹配，从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。氨酰-tRNA合成酶tRNAIle——携带Ile的tRNAIle-tRNAIle——异亮氨酰-tRNAIle4.4.2翻译的起始在模板mRNA编码区5’端形成核糖体-mRNA-起始tRNA复合物,(甲酰)甲硫氨酸放入核糖体P位点。30S亚基能与mRNA结合(IF3参加，识别起始密码子AUG），在IF1参与下，30S-mRNA-IF3进一步与fMet-tRNAf、GTP结合，并释放IF3，形成30S复合物：30S-mRNA-fMet-tRNAf30S起始复合物与50S大亚基相结合，形成70S复合物时，消耗一分子GTP，并释放出IF1和IF2。IF不同形式MWGTP结合能力生物学活性IF-19500-无特异功能，但具有加强IF2和IF3的活性作用。IF-2IF-2aIF-2b11700085000+生成IF2-GTP-fMet-tRNAfmet与前起始复合物结合形成30S三元复合物IF-3IF-3aIF-3β2066819997-1.使得30S与mRNA结合，形成前起始复合物。2.解离活性，使70S核糖体颗粒解离为30S和50S亚基。起始因子(Initiationfactor，IF）Ecoli三种:IF1IF2IF3IF的性质特点：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)。在原核生物中,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。•fMet-tRNAf的形成Met-tRNAf+N10-甲酰FH4fMet-tRNAf+FH4甲酰化酶真核生物：Met-tRNAMet。真核生物无甲基化过程，起始氨基酸是Met,起始tRNA为tRNAiMetfMet-tRNAifMet图4-12翻译起始复合物的形成。(1)小亚基上16SrRNA3′端的(3′-UCCUCC-5′）和Shine-Dalgarno顺序（5′-AAACAGGAGG-3′原核生物mRNA上嘌呤区）互补，相互结合，使下游的AUG起始密码子定位在P位上。(2)核糖体结合位点也含有一个信号起始密码子（initiationcodon）－AUG。翻译时第一个密码子如何被识别的？4.4.3肽链的延伸延伸的三个阶段：⑴进位反应：主要是密码子-反密码子的识别；⑵转肽反应：肽链的形成；⑶移位反应：tRNA和mRNA相对核糖体的移动1、进位新的氨酰-tRNA进入A位。需要消耗GTP，并需EF-Tu（热不稳定）,EF-Ts（热稳定）两种延伸因子。EF-Tu-GTP+下一个要进入的氨酰-tRNA形成复合物，将这个氨酰-tRNA送入核糖体A位，同时GTPGDP+Pi，EFTu-GDP释放。EF-Tu-GDP+EF-TsEF-Tu-Ts+GDPEF-Tu-Ts+GTPEF-Tu-GTP+EF-Ts重新参与下一轮循环促进氨酰-tRNA进入A位与mRNA结合2、转肽肽酰转移酶在肽酰转移酶的作用下P位点上fMet-tRNAf的甲酰甲硫氨酸从相应的tRNA上解离下来，其-COOH与刚进入A位的氨酰-tRNA上的-NH2形成肽键（实质是A位点氨酰-tRNA氨基亲核攻击酯键羰基），无负荷的tRNA留在P位，此时A位点携带一个二肽。5’3’PAAA-fMetAAAPfMet5’3’图4-17细菌中肽链延伸的第二步反应：键的生成。PA5’3’3、移位在EF-G（移位酶）的作用下，核糖体沿mRNA5’3’方向移动，每次移动一个密码子的距离，结果使原来在A上的肽酰-tRNA移到了P位点，原来在P位点的无负载的tRNA离开核糖体，同时一个新的密码子进入空的A位，EF-G催化的移位过程需水解GTP提供能量。肽链合成从N-C。PA5’3’PAPPAA图4-18细菌中肽链延伸的第三步反应：移位。核糖体通过EF-G介导的GTP水解所提供的能量向mRNA模板3’末端移动一个密码子，使二肽基-tRNA完全进入P位,准备开始新一轮肽链延伸。核糖体沿mRNA移动与肽基-tRNA的移位这两个过程是耦联的。每次循环需要三个延伸因子：EF-Tu、Ts、EF-G和2分子的GTP，在mRNA密码子指导下，肽链延伸一个氨基酸。延伸因子(Elongationfactor，EF）延伸因子MWGTP结合能力生物学活性EF-TEF-Tu4500+EF-Tu-GTP结合氨基酰-tRNA（延伸tRNA）进入核糖体A位与mRNA结合EF-Ts3000+EF-Ts帮助EF-Tu完成GDP被GTP取代，恢复活性EF-G80000+使肽基-tRNA从核糖体的A位向P位移动包括：肽链释放，tRNA逐出，核糖体与mRNA解聚终止密码UAA,UGA,UAG；释放因子(releasingfactor,RF)释放因子MWGTP结合能力生物学活性RF136000识别UAA和UAGRF238000识别UAA和UGARF346000+刺激RF1，RF2的活性,与GTP结合，使转肽酶构象改变，发挥酯酶活性，水解多肽、脱离tRNA4.4.4肽链的终止a.RF1、RF2作用于A位点（P位被肽酰-tRNA所占据），识别终止密码子；b.RF3作用改变肽基转移酶构象，从而改变肽基转移特性，发挥水解酶作用，将肽链从结合在核糖体上的tRNA的CCA末端上水解下来，mRNA与核糖体分离，tRNA脱落。c.RF3与GTP结合为肽基转移及随后的核糖体释放提供能量。d.同时核糖体在IF-3作用下，解离出大、小亚基。终止过程表15-5抗生素在蛋白质合成的不同阶段所起的抑制作用4.4.5蛋白质前体的加工N端fMet或Met的切除二硫键的形成特定氨基酸的修饰切除新生肽链中的非功能片段新生的多肽链大多数没有功能，必须经过加工修饰才能转变为活性蛋白质。蛋白质前体的加工蛋白质的前体加工包括：图4-20生物体内最常见的被修饰的氨基酸及其修饰产物。图4-21发生在小牛组蛋白H3前35个氨基酸残基中的4种化学修饰。图4-23前胰岛素原蛋白翻译后成熟过程示意图。切除新生肽链中非功能片段4.4.6蛋白质的折叠由核糖体合成的所有新生肽链必须通过正确的折叠才能形成动力学和热力学稳定的三维构象，从而表现出生物活性或功能。参与蛋白质折叠的一类蛋白质－助折叠蛋白分子伴侣（molecularchaperone）指一类在细胞内帮助新生肽链正确组装成为成熟蛋白质，而本身却不是最终功能蛋白质分子的组成成分的分子，称为……分子伴侣的功能和种类功能a、同一个分子伴侣可促进多种多肽链的折叠（无专一性）b、或者阻止多肽的错误折叠如防止初始翻译的疏水端的错误折叠目前研究最多的两个蛋白质家族◎胁迫－70家族（stress-70）◎分子伴侣家族（chaperonin）Prok.和Euk.◎热休克蛋白Hsp70（heatshockprotein,Hsp70）E.coliDnaK参与蛋白质折叠、组装、跨膜、分泌与降解DnaJ协助DnaK的结合－－有利于新生肽的折叠GrpE解离复合物而反复循环4.4.7蛋白质合成抑制剂蛋白质生物合成的抑制剂主要是一些抗生素，如嘌呤霉素、链霉素、四环素、氯霉素、红霉素等。此外，5-甲基色氨酸、环已亚胺、白喉毒素、蓖麻蛋白和其他核糖体灭活蛋白都能抑制蛋白质的合成。链霉素是一种碱性三糖，能干扰fMet-tRNA与核糖体的结合，从而阻止蛋白质合成的正确起始，也会导致mRNA的错读。若以多聚（U）作模板，则除苯丙氨酸（UUU）外，异亮氨酸（AUU）也会被掺入。链霉素的作用位点在30S亚基上。阻止mRNA核糖体结合氯霉素链霉素、新霉素、卡那霉素等阻止AA-tRNA与核糖体结合四环素干扰AA-tRNA与核糖体结合图4-25几种常见蛋白质合成抑制剂的结构式。青霉素、四环素和红霉素只与原核细胞核糖体发生作用，从而阻遏原核生物蛋白质的合成，抑制细菌生长。氯霉素和嘌呤霉素既能与原核细胞核糖体结合，又能与真核生物核糖体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。