蛋白質的生物合成

一．蛋白質生物合成 (protein biosynthesis) 也稱 翻譯(translation)，是生物細胞以 mRNA 為模板，按照 mRNA 分子中核苷酸的排列順序所組成的密碼信息合成蛋白質的過程。將核酸中 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質一級結構中 20 種氨基酸的排列順序。蛋白質生物合成是基因表達的最終階段。

1.反應過程：氨基酸的活化，肽鏈的生物合成（起始、延長和終止），肽鏈形成后的加工和靶向輸送。

2.生物學意義：蛋白質合成在細胞生命過程中有至關重要的核心作用（生命必需和藥物作用靶點）。

二．蛋白質生物合成體系：

1.基本原料:20 種編碼氨基酸。

2.三種 RNA:mRNA— 模板; tRNA — 適配器；核蛋白體 — 裝配機。

3.主要酶和蛋白質因子: 氨基酰 -tRNA 合成酶、轉肽酶、起始因子、延長因子、釋放因子等。

4.能源物質:ATP、GTP。

5.無機離子:Mg2+、K+。

三．mRNA 的基本結構。

1.組成：5’- 端非翻譯區、開放閱讀框架、3’- 端非翻譯區。

2. 從 mRNA 5’- 端起始密碼子 AUG 到 3’- 端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(ORF)。

3.順反子: 遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為。

四．遺傳密碼。

1.密碼子（codon）：在 mRNA 的開放閱讀框架區，從 5’至 3’方向，由 AUG 開始，每 3 個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質合成的起始、終止信號，稱為三聯體密碼(有 43 個)。其破譯在生物學史上有里程碑的意義。

2.有意義密碼：能決定氨基酸的密碼子（61 個）。

3.起始密碼子(initiation codon)：AUG。

4.終止密碼子(termination codon)：UAA、UAG、UGA。

5.特點 ： 方向性 (directional。翻譯時遺傳密碼的閱讀方向是 5’→3’，即讀碼從 mRNA 的起始密碼子 AUG 開始，按 5’→3’的方向逐一閱讀，直至終止密碼子)、 連續性 (non-punctuated。編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯體密碼連續閱讀，密碼子及密碼子的各堿基之間既無間隔、無重疊)、 簡并性 (degenerate。一種氨基酸可具有 2 個或 2 個以上的密碼子為其編碼，存在三中讀二的規律)、 通用性 (universal。從簡單的病毒到高等的人類，幾乎使用同一套遺傳密碼)、 擺動性(wobble。轉運氨基酸的 tRNA 的反密碼子需要通過堿基互補與 mRNA 上的遺傳密碼反向配對結合，但反密碼子與密碼子間不嚴格遵守常見的堿基配對規律，稱為擺動配對。通常出現在密碼子的第 3 位堿基與反密碼子的第 1 位堿基之間)。

五．核蛋白體的組成。

1.核蛋白體 又稱核糖體，是由 rRNA 和多種蛋白質結合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒，是蛋白質生物合成的場所。

2. 原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式： A 位 氨基酰位、 P 位 肽酰位、 E 位 排出位。

六．tRNA。

1.結構：二級結構三葉草型（由氨基酸臂、反密碼環、DHU 環、TΨC 環組成），三級結構呈 L 型。

2.作用 ： 運載氨基酸 （氨基酸各由其特異的 tRNA 攜帶，一種氨基酸可有幾種對應的 tRNA，氨基酸的羧基結合在 tRNA 3ˊ-CCA 的位置（形成酯鍵），結合需要 ATP 供能）； 充當適配器（每種 tRNA 的反密碼子決定了所攜帶的氨基酸能準確地在 mRNA 上對號入座）。

七. 重要的酶類。

1.氨基酰 -tRNA 合成酶：催化氨基酸的活化；

2.轉肽酶(peptidase)：催化核蛋白體 P 位上的肽酰基轉移至 A 位氨基酰 -tRNA 的氨基上，使酰基與氨基結合形成肽鍵; 并受釋放因子的作用后發生變構，表現出酯酶的水解活性，使 P 位上的肽鏈與 tRNA 分離；

3.轉位酶(translocase)：催化核蛋白體向 mRNA3’- 端移動一個密碼子的距離，使下一個密碼子定位于 A 位。

八．蛋白因子（原核生物）。

1.起始因子：IF-1（占據 A 位防止結合其他 tRNA）、IF-2（促進起始 tRNA 與小亞基結合）、IF-3?（促進大小亞基分離，提高 P 位對結合起始 tRNA 的敏感性）。

2.延長因子：EF-Tu（促進氨基酰 -tRNA 進入 A 位，結合并分解 GTP）、EF-Ts?（調節亞基）、EF-G?（有轉位酶活性，促進 mRNA- 肽酰 -tRNA 由 A 位移至 P 位，促進 tRNA 卸載與釋放）。

3.釋放因子：RF-1（特異識別 UAA、UAG，誘導轉肽酶轉變為酯酶）、RF-2，（特異識別 UAA、UGA，誘導轉肽酶轉變為酯）、RF-3（可與核蛋白體其他部位結合，有 GTP 酶活性，能介導 RF- 1 及 RF- 2 與核蛋白體的相互作用）。

九．能源物質（ATP 和 GTP）及離子（Mg2+、K+ 等）。

十. 氨基酸與特異的 tRNA 結合形成氨基酰 -tRNA 的過程稱為 氨基酸的活化 。參與氨基酸的活化的酶為 氨基酰 -tRNA 合成酶。

1.反應過程：氨基酸與 tRNA 在氨基酰 -tRNA 合成酶作用下消耗一分子 ATP 生成氨基酰 - tRNA。

2.結構：氨基酰-tRNA 合成酶有 3 個結合位點，氨基酸和 ATP 形成氨基酰腺苷，氨基酰轉移到 tRNA 上，tRNA 負載了氨基酸。

3.特性：氨基酰 -tRNA 合成酶對底物氨基酸和 tRNA 都有高度特異性；該酶與二者中之一結合后，空間構像改變，選擇性與對應氨基酸的結合。氨基酰 -tRNA 合成酶具有校正活性。

十一. 蛋白質生物學合成中的保真性機制。

1. 密碼子與反密碼子的辨認結合。

2. 氨基酰 -tRNA 合成酶對底物氨基酸和 tRNA 都有高度特異性。

3. 氨基酰 -tRNA 合成酶具有校正活性。

4. 核糖體對氨基酰 -tRNA 的進位具有校正作用。

十二. 起始氨基酰 -tRNA。

十三. 原核生物肽鏈合成起始：指 mRNA 和起始氨基酰 -tRNA 分別與核蛋白體結合而形成翻譯起始復合物的過程。

十四. 原核生物肽鏈合成延長：又稱為核蛋白體循環。在 mRNA 模板的指導下，氨基酸依次進入核蛋白體并聚合成多肽鏈的過程。每輪循環使多肽鏈增加一個氨基酸殘基。

十五. 原核生物肽鏈合成終止：指核蛋白體 A 位出現 mRNA 的終止密碼子后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰 -tRNA 中釋出，mRNA、核蛋白體大、小亞基等分離的過程，需要釋放因子 RF-1、RF- 2 和 RF-3（RF: 識別終止密碼子；激活成肽酶的酯酶活性）參與。

十六. 多聚核蛋白體(polysome)：1 條 mRNA 模板鏈都可附著 10～100 個核蛋白體，這些核蛋白體依次結合起始密碼子并沿 5′→3′方向讀碼移動，同時進行肽鏈合成，這種 mRNA 與多個核蛋白體形成的聚合物稱為多聚核蛋白體。多聚核蛋白體的形成可以使蛋白質生物合成以高速度、高效率進行。

十七. 真核生物肽鏈合成起始：

1. 核蛋白體大小亞基分離；

2. 起始氨基酰 -tRNA 的結合；

3. mRNA 在小亞基定位結合；

4. 核蛋白體大亞基結合。

十八. 真核生物肽鏈合成延長：真核生物肽鏈合成的延長過程與原核生物基本相似，但有不同的反應體系和延長因子。另外，真核細胞核蛋白體沒有 E 位，轉位時卸載的 tRNA 直接從 P 位脫落。

十九. 真核生物肽鏈合成終止：真核生物翻譯終止過程與原核生物相似，但只有 1 個釋放因子 eRF，可識別所有終止密碼子，完成原核生物各類 RF 的功能。

二十.原核生物與真核生物肽鏈合成過程的主要差別。

二十一. 多肽鏈折疊為天然構象的蛋白質：新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈 N - 端在核蛋白體上一出現，肽鏈的折疊即開始。可能隨著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產生正確的二級結構、模序、結構域到形成完整空間構象。一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。細胞中大多數天然蛋白質折疊都不是自動完成，而需要其他酶和蛋白質輔助。

熱休克蛋白(HSP)：熱休克蛋白屬于應激反應性蛋白質，高溫應激可誘導該蛋白質合成。熱休克蛋白可促進需要折疊的多肽折疊為有天然空間構象的蛋白質。包括 HSP70、HSP40 和 GrpE 三族。人類細胞中 HSP 蛋白質家族可存在于胞漿、內質網腔、線粒體、胞核等部位，涉及多種細胞保護功能：如使線粒體和內質網蛋白質保持未折疊狀態而轉運、跨膜，再折疊成功能構象；通過類似上述機制，避免或消除蛋白質變性后因疏水基團暴露而發生的不可逆聚集，以利于清除變性或錯誤折疊的多肽中間物等。

伴侶蛋白：伴侶蛋白是分子伴侶的另一家族，如大腸桿菌的 Gro EL 和 Gro ES（真核細胞中同源物為 HSP60 和 HSP10）等家族。其主要作用是為非自發性折疊蛋白質提供能折疊形成天然空間構象的微環境。Gro EL 與 Gro ES 的結構特征。

二十二. 蛋白質一級結構修飾主要是肽鍵水解和化學修飾。

二十三. 空間結構的修飾。

二十四. 蛋白質在核蛋白體上合成后，必須被分選出來，經過復雜機制定向輸送到最終發揮生物功能的細胞靶部位，這一過程稱為蛋白質的 靶向輸送。蛋白質的靶向輸送與翻譯后修飾過程同步進行。新生蛋白質的去向：細胞液、細胞器、細胞外。

二十五.靶向輸送的蛋白質 N - 端存在信號序列。

1. 所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，主要是 N 末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉移到細胞的適當靶部位，這類序列稱為 信號序列(signal sequence)。

2. 信號序列是決定蛋白質靶向輸送特性的最重要元件，提示指導蛋白質靶向輸送的信息存在于蛋白質自身的一級結構中。

3.信號肽：N- 端含 1 個或幾個帶正電荷的堿性氨基酸殘基，如賴氨酸、精氨酸；

中段為疏水核心區，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、異亮氨酸等；C- 端加工區由一些極性相對較大、側鏈較短的氨基酸組成，緊接著是被信號肽酶裂解的位點。

二十六. 分泌型蛋白質由分泌小泡靶向輸送至胞外。核蛋白體上合成的肽鏈先由信號肽引導進入內質網腔并被折疊成為具有一定功能構象的蛋白質，在高爾基復合體中被包裝進分泌小泡，轉移至細胞膜，再分泌到細胞外。

二十七. 蛋白質 6 - 磷酸甘露糖基化是靶向輸送至溶酶體的信號。

二十八. 靶向輸送至內質網的蛋白質 C - 端含有滯留信號序列。與分泌型蛋白質一樣，內質網中的駐留蛋白質先經粗面內質網上的附著核蛋白體合成并進入內質網腔，然后隨囊泡輸送到高爾基復合體。但是，內質網蛋白質多肽鏈的 C - 端含有滯留信號序列，可與相應受體結合。在高爾基復合體上，內質網蛋白質通過其滯留信號序列與受體結合后，隨囊泡輸送回內質網。

二十九. 質膜蛋白質的靶向輸送由囊泡轉移到細胞膜。質膜蛋白質合成時在粗面內質網上的跨膜機制與分泌型蛋白質的跨膜機制相似，但是，質膜蛋白質的肽鏈并不完全進入內質網腔，而是錨定在內質網膜上；不同類型的跨膜蛋白質以不同的形式錨定于膜上。

三十. 線粒體蛋白質以其前體形式在胞液合成后靶向輸入線粒體。絕大部分線粒體蛋白質是由核基因組編碼、在胞液中的游離核蛋白體上合成后釋放、靶向輸送到線粒體中的。線粒體蛋白以前體形式在胞液合成后輸送至線粒體，在線粒體內折疊成有功能的蛋白質。需要 導肽 （新生蛋白 N - 端一段大約 20～80 個氨基酸的肽鏈, 通常帶正電荷的堿性氨基酸(特別是精氨酸和賴氨酸) 含量較為豐富）。

三十一. 細胞核蛋白質在胞液中合成后經核孔靶向輸送入核。

三十二. 許多抗生素通過抑制蛋白質生物合成發揮作用。

三十二. 其他干擾蛋白質生物合成的物質：