蛋白质的合成

第十四章蛋白质的合成ProteinSynthesis一、蛋白质合成体系二、蛋白质的生物合成三、蛋白质定位一、蛋白质合成系统（一）mRNA（二）遗传密码（三）tRNA的结构与功能（四）核糖体（一）mRNA

原核细胞每个mRNA分子常带有多个功能相关蛋白质的编码信息，以一种多顺反子的形式排列，在翻译过程中可同时合成几种蛋白质；真核细胞每个mRNA一般只带一种蛋白质编码信息，是单顺反子的形式。真核生物mRNA的结构

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可能是与核糖体结合的部位。（二）遗传密码

遗传密码（Geneticcode）：mRNA中蕴藏遗传信息的碱基顺序。

1954年物理学家Gamov首先对遗传密码进行探讨。提出不可能是一个碱基或两个碱基决定一个氨基酸（41＝4，42＝16），如果用三个碱基决定一个氨基酸，43＝64，就足以编码20种氨基酸。密码子应是三联体（triplet）。1.遗传密码的概念1961年Crick证明三联体密码子学说是正确的；且非重叠的、连续编码无标点的。

mRNA分子上以5'→3'方向，从AUG开始每三个连续的核苷酸（三联体）组成一个密码子(codon)。

mRNA中的4种碱基可以组成64种密码子。这些密码代表了20种氨基酸，同时决定了翻译过程的起始与终止位置。每种氨基酸至少有一种密码子，最多的有6种密码子。通过遗传学和生物化学实验，1966年编排出了遗传密码字典。

（1）均聚核苷酸指导均聚肽合成首先，polyU作为模板，加入体外无细胞翻译系统中。将翻译产物分析后，发现合成的肽链中的氨基酸残基全部是Phe。确认了第一个Phe的密码子（UUU）。接着，polyA和polyC证明是polyLys和polyPro。确定了AAA是Lys的密码子，CCC是pro的密码子。2.遗传密码的破译

以A和C原料合成polyAC。polyAC含有8种不同的密码子：CCC、CCA、CAA、AAA、AAC、ACC、ACA和CAC。实验中AC共聚物作模板翻译出的肽链由6种氨基酸组成，即Asp、His、Thr、Pro和Lys。根据共聚物成份不同的比例和翻译产物中氨基酸比例亦不同的关系，不能确定A和C的排列方式。

（2）特定共聚核苷酸

在缺乏蛋白质合成所需的因子的条件下，特异aa-tRNA可与核糖体-mRNA复合物结合。它并不一定需要长的mRNA分子，三核苷酸就可以与核糖体结合。（3）核糖体结合技术遗传密码字典3.密码的基本性质

（1）每个密码子三联体(triplet)决定一种氨基酸性质相近的氨基酸的密码子排列较近，这有利于在基因突变时不会引起蛋白质功能的变化。（2）两个密码子之间无任何核苷酸或其它成分加以分隔，即密码子间无逗号因此从起始码AUG开始，三个碱基代表一个氨基酸，从mRNA的5'→3'方向构成一个连续的读框，直至终止码。如果在读框中间插入或缺失一个碱基就会造成移码突变，引起突变位点下游氨基排列的错误。AUG是起始密码子，也是Met（或者fMet）的密码子。原核和真核生物肽链合成的第一个氨基酸都是Met（或者fMet）；少数细菌中也用GUG做为起始码（起始位点编码fMet，密码表中编码Val）；真核生物偶尔也用CUG作起始蛋氨酸的密码。密码子UAA，UAG，UGA是肽链成的终止密码，不代表任何氨基酸，也称无意义密码子。（3）起始密码子和终止密码子

简并性：一种氨基酸有几个密码子的现象。在64组密码子中，除UAA、UAG和UGA三组为终止密码子外，有61组密码子分别代表20种氨基酸，出Met和Trp只有1个密码子外，其它氨基酸都有好几组密码子。编码同一种氨基酸的密码子称为同义密码子。这种现象称为密码子的简并性。同义密码子的存在减少了由于碱基取代造成的有害突变。此外，不同生物对同义密码子的使用频率可能有不同的选择，在进行基因工程操作时应考虑选择最有效的密码子（也称偏爱密码子）。（4）密码子有简并性(degeneracy)

通用性：即不论是病毒、原核生物还是真核生物密码子的含义都是相同的。但真核线粒体的密码子有例外：线粒体中UGA不是终止密码子，而编码Trp。肽链内的Met由AUG和AUA二个密码子编码，起始部位的Met由AUG、AUA、AUU和AGG均可编码；AGA和AGG不是Arg的密码子，而是终止密码子，即UAA、UAG、AGA和AGG均为终止密码子。

（5）密码子的通用性（6）密码与反密码子的相互

识别——变偶性tRNA上的反密码子（anticodon）与mRNA密码子配对时，密码子的第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位可以有一定的变动。即：一般是反密码子的5'-端碱基与密码子的3'-端碱基非正规配对，但能使正确的氨基酸进入非正确的密码子的现象称为变偶性。“摆动假说”认为：碱基间除标准配对外，还可以有非标准的配对。（三）tRNA的结构与功能

在蛋白质生物合成过程中，tRNA主要起转运氨基酸的作用。蛋白质生物合成需要一整套tRNA将各种氨基酸按照mRNA上密码子所决定的顺序转运到核糖体上。在蛋白质生物合成过程中，特异识别mRNA上起始密码子的tRNA被称为起始tRNA，它们参加多肽链合成的起始；在多肽链延伸中运载氨基酸的tRNA，称为延伸tRNA。

通常将tRNA所转运的氨基酸标在右上角，如tRNACys表示转运Cys的tRNA。原核细胞内约有60种不同的tRNA，真原核细胞内则多达100-120种。运输同一种氨基酸的不同tRNA称为同工受体tRNA。蛋氨酸虽只有一组密码子（AUG）却至少有两种tRNA，一种负责将运到肽链中间，用tRNAmMet表示；另一种携带甲酰蛋氨酰参与蛋白质合成的起始，用tRNAfMet表示；真核细胞的起始tRNA表示为tRNAiMet，携带甲酰蛋氨酰参与起始作用，用于肽链延伸的则表示为tRNAMet。1.tRNA的二级结构的特点（1）3'端含CCA-OH序列

氨基酸接在腺苷酸残基(A)上，CCA-OH序列称为氨基酸接受臂(aminoacidacceptorarm)。

3'-端第5~11位核苷酸与5'-端第1~7位核苷酸形成螺旋区，称为氨基酸接受茎(aminoacidacceptorstem)。

（2）TψC环；TψC环由7个碱基组成，参与tRNA与核糖体表面的结合。（3）额外环或可变环(extrovariableloop)。碱基种类和数量（3~18个碱基）高度可变，并富含稀有碱基。（4）反密码子环(anti-cordonloop)。由7个碱基组成，处于中间位的3个碱基为反密码子。反密码子可与mRNA中的密码子结合。毗邻反密码子的3'端碱基往往为烷化修饰嘌呤，其5'端为U，即：U-反密码子-修饰嘌呤。

（5）二氢尿嘧啶环(D-loop)由8~12个碱基组成，含有2±1个修饰的碱基(D)。（6）TψC环、反密码子环和二氢尿嘧啶分别连接在由4~5个碱基组成的螺旋区上，依次称为TψC茎，反密码子茎和二氢尿嘧啶茎。

15~16个固定碱基几乎全部位于这些环上。

（三）核糖体

核糖体(ribosome，核蛋白体）是由rRNA和蛋白质组成的亚细胞颗粒，位于胞浆内。一类核糖体附着于粗面内质网，参与分泌性蛋白质的合成。一类游离于胞浆，参与细胞固有蛋白质的合成。1.rRNA

组成核糖体的rRNA为单股链，可自行折叠形成螺旋区和环区，所有螺旋区的碱基都是保守的。所有来源rRNA均能形成4个结构域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)，每个结构域均含许多茎和环，它们通过碱基对的相互反应彼此靠近；绝大多数的rRNA碱基的特异功能尚不清楚。2.蛋白质大多数蛋白呈纤维状，只有少数呈球状。3.核糖体的结构模型4.核糖体的结合位点

（1）mRNA结合位点：位于30s小亚基头部，负责与mRNA的结合，特别是16srRNA的3'-端与mRNA的AUG之前的一段序列互补是这种结合必不可少的。

（2）A位点：（Aminoacyl-tRNAsite）是结合新进入的氨基酰-tRNA的位置。即氨基酰-tRNA位或受位。它大部分位于大亚基，而小部分位于小亚基，（3）P位点：（peptidyl-tRNAsite）是结合起始tRNA并向A位给出氨基酸的位置。又称肽酰基-tRNA位或给位。它大部分位于小亚基，小部分位于大亚基。5.多核糖体（Polysomes）原核生物的翻译和转录是相偶连的

由一个分子与一定数目的单个核糖体结合形成多核糖体，每个多核糖体独立完成一条多肽链的合成，极大提高了翻译的效率。

多核糖体正处于工作状态，游离的单核糖体则是贮备状态，核糖体亚基是刚从mRNA上释放的，核糖体在这三种状态之间的转换称为核糖体循环。二、蛋白质的生物合成

蛋白质生的合成（翻译，Translation）是把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋白质中的氨基酸排列顺序的过程。参与蛋白质生物合成的成份至少有200种，主要由mRNA、tRNA、核糖体以及有关的酶和蛋白因子组成。

蛋白质是由20种氨基酸合成的。某些蛋白质中含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸等，都是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的。氨基酸在核糖体上缩合成多肽链是通过核糖体循环而实现的。此循环可分为肽链合成的起始(initiation)，肽链的延伸(elongation)和肽链合成的终止(termination)三个过程。1.氨基酸的激活与氨酰-tRNA的合成

在蛋白质生物合成中，各种氨基酸在参入肽链之前必须先经活化，然后再由其特异的tRNA携带至核糖体上，才能以mRNA为模板缩合成肽链。氨基酸活化后与相应的tRNA结合的反应，是由特异的氨酰tRNA合成酶催化的。

每种氨基酸都只有一种氨酰tRNA合成酶(aaRS)。因此细胞内有20种氨酰tRNA合成酶。

aaRS具有高度的特异性，它既能识别特异的氨基酸，又能识别携带该氨基酸的特异tRNA。

aaRS对氨基酸有严格的特异性，而对与此氨基酸相适应的数种同工tRNA则无严格的特异性。

原核生物先合成此物质甲酰蛋氨酰-tRNA2.肽链合成的起始

（1）三元复合物(trimercomplex)的形成在起始因子3(IF3)介导和IF-1促进下，核糖体30S小亚基附着于mRNA的起始信号部位，形成IF3-30S亚基-mRNA三元复合物。mRNA上位于AUG的上游8~13个核苷酸处有一短的SD序列（Shine-Dalgarno，核糖体结合序列），它与30S小亚基16SrRNA的3'端部分序列互补，是核糖体结合位点。

SD序列可使核糖体选择mRNA上AUG的正确位置起始肽链合成。

（2）30S前起始复合物的形成在IF2作用下，fMet-tRNAMet与mRNA分子中的起始密码子(AUG或GUG)相结合（密码子与反密码子反应）。同时IF3从三元复合物脱落，形成30S前起始复合物：

IF2-30S亚基-mRNA-fMet-tRNAMet复合物。

（3）70S起始复合物形成

50S亚基与30S前起始复合物结合，同时IF2脱落，形成70S起始复合物：30S亚基-mRNA-50S亚基-fMet-tRNAMet复合物。起始2.肽链的延长

肽链的延长包括：进位、肽键形成、脱落和移位等过程。肽链合成的延长需两种延长因子(Elongationfactor，EF）EF-T和EF-G以及GTP供能。

（1）进位在GTP、EF-T等参与下，新的氨酰-tRNA进入50S大亚基A位，并与mRNA分子上相应的密码子结合。（2）肽键形成在大亚基上肽酰转移酶催化下，P位点上tRNA携带的甲酰蛋氨酰基(或肽酰基)转移给A位上新进入的氨基酰-tRNA的氨基酸，即P位上的氨基酸(或肽的3'端氨基酸)的α-COOH基，与A位上的氨基酸的α-NH2基形成肽链。

（3）脱落并移位在EF-G和GTP的作用下，核糖体沿mRNA链(5'→3')相对移动。每次移动相当于一个密码子的距离，使下一个密码子能准确定位于A位点。原来处于A位点上的二肽酰tRNA转移到P位点上，空出A位点。

随后再依次进位、肽键形成、脱落和移位进行下一循环。延长过程每重复一次，肽链延伸一个氨基酸残基，多次重复使肽链增长到必要的长度。肽链的延伸是从N端开始的。3.肽链合成的终止与释放

（1）当mRNA上肽链合成终止密码子出现在核糖体的A位点上。终止因子（RF）—可识别终止密码子，并在A位点上与终止密码子相结合，从而阻止肽链的继续延伸。

（2）终止因子可使核糖体P位点上的肽酰转移酶发生变构，酶活性从转肽作用变为水解作用，使tRNA所携带的多肽链与tRNA之间的酯键被水解切断，多肽链从核糖体及tRNA释放出来。

核糖体与mRNA分离；在核糖体P位上的tRNA和A位上的RF脱落。在IF3的参与下，与mRNA分离的核糖体又分离为大小两个亚基，可重新投入另一条肽链的合成过程。4.真核生物和原核生物蛋白合成的异同

起始复合物形成位于mRNA5'端AUG上游的帽子结构。①形成43S核糖体复合物：40S小亚基与elF3和elF4c组成。②形成43S前起始复合物：在43S核糖体复合物上，连接elF2-GTP-Met-tRNAMet复合物。（1）起始的异同③形成48S前起始复合物：由mRNA及帽结合蛋白1(CBP1)、elF4A、elF4B和elF4F共同构成一个mRNA复合物。mRNA复合物与43S前起始复合物作用，形成48S前起始复合物。

④形成80S起始复合物：在elF5的作用下，48S前起始复合物中的所有elF释放出，并与60S大亚基结合，最终形成80S起始复合物：

40S亚基-mRNA-Met-tRNAMet-60S亚基。

在真核生物蛋白质生物合成的起始阶段，40S核糖体亚基一般可选择第一个起始密码子AUG，开始对mRNA翻译。由于AUG是唯一的起始密码子；并且，40S亚基与带帽的mRNA5'末端接触，沿着mRNA"扫描"一直到抵达第一个AUG处再开始翻译。（2）肽链的延长和终止

真核细胞蛋白质生物合成延长和终止中所涉及的因子比较简单。真核细胞肽链延长和终止所涉及的因子：因子功能

EF1α促使aa-tRNA与核糖体结合

EF1βγ使EF1α再循环

EF2转位

RF肽链释放

延长因子(EF1α）可与GTP和aa-tRNA形成复合物，并把aa-tRNA供给核糖体。

EF1βγ能催化GDP-GTP交换，有助于EF1α再循环利用；EF2催化GTP水解和使aa-tRNA从A位转移至P位。

肽链合成的终止仅涉及释放因子(RF)。RF可识别所有的三种终止密码子UAA，UAG和UGA。终止肽链合成。

RF活化肽链酰转移酶释放新生肽链后，即从核糖体解离。6.肽链合成后的加工mRNA翻译的多肽大多数为无功能的初级产物，需经折叠、修饰、剪切等加工过程后才具有活性。原核的有些蛋白质要分泌到细胞外，真核的许多蛋白质要易位到细胞器或胞液中。（1）蛋白质的修饰

蛋白质的修饰一般伴随着肽链合成的进行。修饰利于折叠，也与蛋白质的易位和分泌有关。多肽链的修饰包括：①N-端的Met（fMet）残基，以及有些多肽链N-端的多个残基或C-端的残基都会被切除；②一些多肽链还要经过一定的剪接；③氨基酸侧链的修饰：二硫键形成、磷酸化、糖基化、脂化、核糖基化和乙酰化等。（2）蛋白质的折叠

蛋白质的折叠是由多肽链中氨基酸顺序决定的。但环境条件对折叠有影响。肽链折叠与肽链合成同步进行。随着肽链的延伸，空间构象不断调整，最终成为天然态的构象。一些酶和分子伴侣可参与肽链的折叠，称它们为助折叠蛋白(foldlinghelper)。①酶,如蛋白质二硫键异构酶(proteindisulfide1somerase，PDI)可加速形成蛋白质中正确的二硫键；肽酰脯酰顺反异构酶(peptidylprolylcis/transisomerase，PPI)可催化肽脯氨酰之间肽键的旋转反应，从而加速蛋白质的折叠过程。②分子伴侣(chaperonin)是细胞内一类能帮助新生肽链正确组装、成熟和跨膜运输，自身却不是终产物分子的成分的蛋白质，类似酶但又无酶的专一性特征，所以称为分子伴侣。分子伴侣所识别的靶蛋白部位是它们部分折叠的非天然状态，促进折叠的机理尚不清楚。7.抑制翻译的抗菌素

很多抗菌素对蛋白质合成都有抑制作用。①四环素族(tetracyclinefamily)

抑制氨基酰–tRNA与原核细胞核糖体的结合，而抑制多种细菌的蛋白质合成。②氯霉素(chloromycetin)

与原核细胞核糖体的50S亚基结合，阻断肽键的形成。高浓度时，对哺乳动物线粒体内核糖体50S亚基也有作用。③链霉素(Streptomycin)和卡那霉素(Kanamycin)

与原核细胞核糖体30S亚基结合而改变其构象，引起读码错误，导致合成错误的蛋白质。④嘌呤霉素(Puromycin)

结构与氨酰–tRNA末端相似，带有游离氨基，可以取代氨基酰–tRNA进入核糖体受位，使正在延长中的肽链转移到嘌呤霉素的氨基上，这种异常肽链很容易从核糖体上释放下来，从而终止肽链的延长。对真核及原核细胞都有作用，不能用于临床治疗。

⑤亚胺环己酮(Cycloheximide)

对真核细胞有作用，能抑制核糖体上的多肽转移酶。此外，白喉毒素也能抑制蛋白质合成，它是由白喉棒状杆菌产生的，却不抑制细菌的蛋白质合成。此毒素可对延长因子–2进行酶促反应，使其修饰成腺苷二磷酸核糖衍生物，从而使动物延长因子–2失活，抑制肽链的移位作用。由于它是一种酶蛋白，极小量即能完全抑制蛋白质合成，成为一种剧毒物。三、蛋白质的定位

原核生物和真核生物新合成的蛋白质只有被运送到各自特定的亚