第七讲蛋白质的生物合成

第七讲蛋白质的生物合成蛋白质分子是由许多氨基酸组成的，在不同的蛋白质分子中，氨基酸有着特定的排列顺序，这种特定的排列顺序不是随机的，而是严格按照蛋白质的编码基因中的碱基排列顺序决定的。基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。翻译的过程也就是蛋白质分子生物合成的过程，在此过程中需要200多种生物大分子参加，其中包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。翻译基本过程如图7-1。图7-1翻译过程的基本原理主要内容1、参与蛋白质生物合成的物质基础2、蛋白质生物合成的基本过程3、蛋白质翻译后加工修饰1、参与蛋白质生物合成的物质基础（1）合成原料（2）mRNA是合成蛋白质的直接模板（3）tRNA是氨基酸的运载工具（4）核糖体-蛋白质的合成场所（5）蛋白质生物合成的必需因子自然界由mRNA编码的氨基酸共有20种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。某些蛋白质分子还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸等，这些特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的。（1）合成原料芳香族AA：苯丙氨酸、酪氨酸（含有苯环）杂环族AA：杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸杂环亚氨基酸：脯氨酸脂肪族AA：含羟基氨基酸：丝氨酸、苏氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）含酰胺基氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺含一氨基二羧基的酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸含二氨基一羧基的碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸含一氨基一羧基的中性氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸氨基酸的名称与符号alanine丙氨酸AlaAarginine精氨酸ArgRasparagine天冬酰氨AsnNasparticacid天冬氨酸AspDcystine半胱氨酸CysCglutarmine谷氨酰胺GlnQglutarmicacid谷氨酸GluEglycine甘氨酸GlyGhistidine组氨酸HisHisoleucine异亮氨酸IleIleucine亮氨酸LeuLlysine赖氨酸LysKmethionine甲硫氨酸MetMPhenylalanine苯丙氨酸PheFproline脯氨酸ProPserine丝氨酸SerSthreonine苏氨酸ThrTtryptophan色氨酸TrpWtyrosine酪氨酸TyrYvaline缬氨酸ValVmRNA以它分子中的核苷酸排列顺序携带从DNA传递来的遗传信息，作为蛋白质生物合成的直接模板，决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。（2）mRNA是合成蛋白质的直接模板不同的蛋白质有各自不同的mRNA，mRNA除含有编码区外，两端还有非编码区。非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5’端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位（图7-2）。图7-2(a)原核生物mRNA为多顺反子(b)真核生物mRNA为单顺反子遗传密码的破译乔治·伽莫夫(1904～1968)（GeorgeGamov）乌克兰裔美国核物理学家马歇尔.尼伦贝格（1927－）MarshallNirenberg德裔美国生物化学家奥乔亚（1905-1993）SeveroOchoa西班牙裔美籍生物化学家柯拉那（美国）HarGobindKhorana,1922~霍利（美国）RobertHolley,1922-1993•1966年:阐明遗传密码霍利柯拉那尼伦伯格1968年诺贝尔颁奖典礼表7-1遗传密码词典一览表（p149）遗传密码的特点（1）起始码（2）终止码（3）密码无标点符号（4）密码的简并性（5）密码的通用性一种氨基酸有几组密码子，或者几组密码子代表一种氨基酸的现象称为密码子的简并性，这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定，即使第三个碱基发生突变也能翻译出正确的氨基酸，这对于保证物种的稳定性有一定意义。如：GCU，GCC，GCA，GCG都代表丙氨酸。密码的简并性真核生物线粒体的密码子有许多不同于通用密码，例如人线粒体中，UGA不是终止码，而是色氨酸的密码子；AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，加上通用密码中的UAA和UAG，线粒体中共有四组终止码；甲硫氨酸密码子有两个，即AUG和AUA。密码通用性的一些例外（3）tRNA是氨基酸的运载工具tRNA是一类小分子RNA，长度为73-94个核苷酸，tRNA分子中富含稀有碱基和修饰碱基，tRNA分子3’端均为CCA序列，氨基酸分子通过共价键与A结合，此处的结构也叫氨基酸臂（图7-3）。图7-3tRNA的二级结构tRNA分子中还有一个反密码环，此环上的三个反密码子的作用是与mRNA分子中的密码子靠碱基配对原则而形成氢键，达到相互识别的目的。但在密码子与反密码子结合时具有一定摆动性，即密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基配对时并不严格，见图7-4。图7-4密码子和反密码子这种摆动现象使得一个tRNA所携带的氨基酸可排列在2-3个不同的密码子上，因此当密码子的第3位碱基发生一定程度的突变时，并不影响tRNA带入正确的氨基酸。同功tRNA：携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA主要tRNA和次要tRNA：根据它们在细胞内合成量的多少进行区分。主要tRNA中反密码子识别tRNA中的高频密码子，而次要tRNA中反密码子识别mRNA中的低频密码子。每种氨基酸都只有一种氨基酰tRNA合成酶。因此细胞内有20种氨基酰tRNA合成酶。起始tRNA：在蛋白质生物合成过程中，特异识别mRNA上起始密码子的tRNA，它们参与多肽链合成的起始。延伸tRNA：其它在多肽链延伸中运载氨基酸的tRNA。（4）核糖体任何生物的核糖体都是由大、小两个亚基组成，原核生物和真核生物核糖体的蛋白质组分和RNA组成见表7-2。表7-2核糖体中的RNA与蛋白质来源核糖体（S）亚基RNA（S）蛋白质种类原核生物703016215023,534真核生物80401830-326028,5.8,536-50核糖体作为蛋白质的合成场所具有以下几种作用：（1）mRNA结合位点：位于30S小亚基头部，此处有几种蛋白质构成一个结构域，负责与mRNA的结合，特别是16SrRNA3’端与mRNAAUG之前的一段序列互补是这种结合必不可少的；（2）P位点：又叫做肽酰基tRNA位或给位。它大部分位于小亚基，小部分位于大亚基，它是结合起始tRNA并向A位给出氨基酸的位置（图7-5）。图7-5翻译过程中的核糖体图解（3）A位点：叫做氨基酰tRNA位或受位。它大部分位于大亚基而小部分位于小亚基，它是结合一个新进入的氨基酰tRNA的位置（见后面叙述）（图7-5）。（4）转肽酶活性部位：位于P位和A位的连接处。（5）结合参与蛋白质合成的起始因子（IF）、延长因子(EF)和终止因子或释放因子(RF)。（5）必需因子起始因子（IF）延长因子（EF）释放因子（RF）起始因子（initiationfactor）是参与蛋白质生物合成起始的可溶性蛋白因子。蛋白质合成的起始要生成核糖体-mRNA-起始tRNA三元复合物，也叫起始复合物。复合物必须在起始因子帮助下才能形成。目前已知原核生物有三种起始始因子，而真核生物大约有十种。大肠杆菌蛋白质合成起始因子的类型、分子量及所起作用见表7-3。起始因子（IF）表7-3IF-1为一小的碱性蛋白质，没有专一的功能，它只能增加其他两个起始因子的活性。有的原核生物并没有IF-1起始因子。IF-2有两种形式—IF-2a和IF-2b，后者可能是前者的蛋白酶降解产物。一SH为IF-2活性所必需，IF-2经磷酰化后活性不变。IF-2的功能是通过生成IF-2—GTP—fMet-tRNAfmet三元复合物，使起始tRNA与核糖体小亚基结合。IF-3是个双功能蛋白质，它至少有两种分子形式—IF-3和IF-3，后者只比前者在N端少6个氨基酸残基。IF-3除了使mRNA与核糖体小亚基结合外，还具解离因子活性。表7-4真核生物起始因子（eIF）一览表延伸因子（elongationfactor）是一类参与蛋白质合成过程中肽链延伸的蛋白因子。无论原核或真核生物，延伸因子可分为两类：一类是帮助氨酰tRNA（延伸tRNA）进入核糖体与mRNA结合；另一类是使肽基tRNA从核糖体的A位向P位移动。延伸因子（EF）前者有EF-T（包括EF-Tu和EF-Ts，细菌中）和EF-1（真核生物）；后者是EF-G（细菌）和EF-2（真核生物）。原核与真核生物的蛋白质合成中的各种延伸因子见表7-5。表7-5蛋白质合成的延伸因子在原核生物中，存在三种释放因子（releasefactor）—RF1、RF2和RF3，而哺乳动物只有一种释放因子RF。释放因子的作用是终止肽链合成并使肽链释放出核糖体。它们的性质见表7-6。释放因子（RF）表7-6蛋白质合成的释放因子（1）氨基酸的活化（2）多肽链合成的起始（3）肽链的延长（4）肽链的终止和释放蛋白质生物合成过程氨基酸在进行合成多肽链之前,必须先经过活化,然后再与其特异的tRNA结合,带到mRNA相应的位置上,这个过程靠氨基酰tRNA合成酶催化,此酶催化特定的氨基酸与特异的tRNA相结合,生成各种氨基酰tRNA。氨基酰－tRNA的生成每种氨基酸都靠其特有合成酶催化,使之和相对应的tRNA结合,在氨基酰tRNA合成酶催化下,利用ATP供能,在氨基酸羧基上进行活化,形成氨基酰-AMP,再与氨基酰tRNA合成酶结合形成三联复合物,此复合物再与特异的tRNA作用,将氨基酰转移到tRNA的氨基酸臂上(图7-6)。图7-6氨基酰-tRNA的生成原核细胞中起始氨基酸活化后，还要甲酰化，形成甲酰蛋氨酸tRNA(fMet-tRNAfMet)(表7-7)，由N10甲酰四氢叶酸提供甲酰基。而真核细胞没有此过程。表7-7（1）核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位：原核生物中每一个mRNA都具有其核糖体结合位点，它是位于AUG上游8-13个核苷酸处的一个短片段叫做SD序列。大肠杆菌细胞翻译起始复合物形成的过程这段序列正好与30S小亚基中的16SrRNA3’端一部分序列互补，因此SD序列也叫做核糖体结合序列，这种互补就意味着核糖体能选择mRNA上AUG的正确位置来起始肽链的合成，该结合反应由IF3介导，另外IF-1促进IF-3与小亚基的结合，故先形成IF3-30S亚基-mRNA三元复合物。（2）30S前起始复合物的形成：在IF2作用下，甲酰蛋氨酰起始tRNA（fMet-tRNAfmet）与mRNA分子中的AUG相结合，即密码子与反密码子配对，同时IF3从三元复合物中脱落，形成30S前起始复合物，即IF2-30S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物，此步需要GTP和Mg2+参与。（3）70S起始复合物的形成：50S亚基与上述的30S前起始复合物结合，同时IF2脱落，形成70S起始复合物，即50S亚基-30S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物。此时fMet-tRNAfmet占据着50S亚基的肽酰位。而A位则空着有待于对应mRNA中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入，从而进入延长阶段，以上过程见图7-7和图7-8。图7-7大肠杆菌起始复合物的形成图7-8大肠杆菌翻译起始示意图（1）需要特异的起始tRNA即Met-tRNAiMet，并且不需要N端甲酰化。已发现的真核起始因子有近10种（eIF）；（2）起始复合物形成在mRNA5’端AUG上游的帽子结构（除某些病毒mRNA外）；（3）ATP水解为ADP供给mRNA结合所需要的能量。真核细胞蛋白质合成的起始翻译起始是由eIF-3结合在40S小亚基上而促进80S核糖体解离出60S大亚基开始的，同时Met-tRNAiMet在eIF-2作用下，与GTP结合，再通过eIF-3的作用，先结合到40S小亚基，然后再与mRNA结合。mRNA结合到40S小亚基时，除了eIF-3参加外，还需要eIF-1、eIF-4A、eIF-4B及eIF-4C并由ATP水解为ADP及Pi来供能。真核细胞起始复合物