第 33 章蛋白质的生物合成 Chapter 13 Biosynthesis of Protein

第33章蛋白质的生物合成Chapter 13Biosynthesis of Protein 蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。

第一节参与蛋白质生物合成的物质 生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括： ①mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序； ②tRNA：搬运氨基酸的工具； ③核糖体：蛋白体生物合成的场所； ④酶及其他蛋白质因子； ⑤供能物质及无机离子。

一、mRNA 作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码(coden)。共有64种不同的密码。原核生物的转录与翻译同步进行无义突变蛋白质的合成是N端——C端

遗传密码的连续性

二、tRNA 在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨基酸tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。 tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码(anticoden)。反向互补

转运RNA（tRNA）

tRNA的功能 tRNA分子上与蛋白质合成有关的位点： 1. 3′端-CCA上的氨基酸接受位点。 2. 识别氨酰-tRNA合成酶的位点。 3. 核糖体识别位点，使延长中的肽链附着于核糖体上。 4. 反密码子位点。第一套密码系统、第二套密码系统校正tRNA：mRNA发生突变后，tRNA的反密码子也突变搬来相近的氨基酸

反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ，则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。

能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。 • 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码，AUG。 • 均被同一种甲硫氨酰tRNA合成酶合成

三、rRNA和核蛋白体 原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。

核蛋白体的组装

大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。

核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能： 1．小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2．大亚基：（1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右）—— 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。（2）具有转肽酶活性：将P位上的肽酰基转移给A位上的氨基酰tRNA，形成肽键。（3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。（4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。 由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。

四、起动因子（IF） 这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。

五、延长因子（EF） 原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。

六、释放因子（RF） 原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。

七、氨基酰tRNA合成酶 该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。

八、供能物质和无机离子 多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。

第二节蛋白质生物合成过程 蛋白质生物合成过程包括三大步骤： ①氨基酸的活化与搬运； ②活化氨基酸在核蛋白体上的缩合； ③多肽链合成后的加工修饰。

一、氨基酸的活化与搬运 • 氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。其反应过程为：可纠正错误的酰化

氨基酸的活化 氨基酰-tRNA 合成酶氨基酸 + ATP + tRNA + H2O 氨基酰-tRNA + AMP + PPi

ATP + HOOCCH(NH2)R → A—P—OCCH(NH2)R + PPi P A—P—OCCH(NH2)R + tRNA →RCH(NH2)CO-tRNA + AMP P • 在此反应中，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酸tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核蛋白体上参与多肽链的合成。 • 氨基酸tRNA的合成，可使氨基酸①活化；②搬运；③定位。

氨基酸活化的总反应式是： 氨基酰-tRNA 合成酶 • 氨基酸 + ATP + tRNA + H2O 氨基酰-tRNA + AMP + PPi • 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA 合成酶。它既催化氨基酸与 ATP 的作用, 也催化氨基酰基转移到 tRNA。 • 氨基酰-tRNA 合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA 合成酶只能识别一种相应的 tRNA。 • tRNA 分子能接受相应的氨基酸, 决定于它特有的碱基顺序, 而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA 合成酶所识别。

二、活化氨基酸的缩合——核蛋白体循环 • 活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。 • 核蛋白体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。

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)。在大肠杆菌中, 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。

（一）起动阶段： • 1．30S起动复合物的形成：在起动因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（fmet-tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。

蛋白质合成起始复合物的形成 核糖体大小亚基，起始tRNA，蛋白合成因子原核生物中的起始tRNA是fMet-tRNAfMet 真核生物中的起始tRNA是Met-tRNAMet 形成过程：mRNA先与核糖体的小亚基结合，起始tRNA再结合上来，再与核糖体的大亚基结合最后形成 80S rRNA-mRNA- Met-tRNAMet

原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基16S的3，端辨认结合。 • 真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。

2．70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。 • 3．70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位（P位）。

肽键的形成不需要任何蛋白因子，是核糖体自身催化完成的肽键的形成不需要任何蛋白因子，是核糖体自身催化完成的延伸：大亚基上的A位与P位，A位对应密码子第一个氨基酸结合到P位，第二个A位氨基酸之间形成肽键，肽转移酶A位空缺第三个氨基酸再结合到A位，循环延伸终止：终止密码子出现在A位时,无配对的AA-tRNA ，P位的AA与tRNA的连接水解，tRNA与完整的多肽链释放

（二）肽链延长阶段： 1．进位：与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的A位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。

2．成肽：在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。P位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。 2．成肽：在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。P位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。 • 3．移位：核蛋白体向mRNA的3'- 端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的A位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。

（三）肽链终止阶段： • 核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。 • 1．识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。 • 2．水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。 • 3．解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。

第一个 tRNA 把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个 tRNA带来第二个氨基酸。

第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。 核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个 tRNA脱落,准备好位置迎接第三个 tRNA及其所带的氨基酸。

合成过程连续进行

直到在 mRNA上出现休止符号的密码子。 于是，不再有新的 tRNA上来，肽链合成结束。核糖体与 mRNA脱开。

三、多肽链合成后的加工修饰 • （一）一级结构的加工修饰： • 1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除： • N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 • ① 去甲酰化： • 甲酰化酶 • 甲酰蛋氨酸-肽甲酸 + 蛋氨酸-肽 • ② 去蛋氨酰基： • 蛋氨酸氨基肽酶 • 蛋氨酰-肽蛋氨酸+ 肽

2．氨基酸的修饰： 由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 3．二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。 4．肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。

蛋白质合成中还有其他加工步骤 • 切去N端的Met或fMet • S-S的形成 • 蛋白质大分子折叠； • 糖基和其他基团的修饰； • 向细胞各部位的运送等等

蛋白质分子折叠

（二）高级结构的形成： 1．构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。 2．亚基的聚合。 3．辅基的连接。

（三）靶向输送： • 蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。

第 33 章蛋白质的生物合成 Chapter 13 Biosynthesis of Protein