蛋白质的生物合成(翻译)_新浪教育

蛋白质的生物合成(翻译)

http://www.sina.com.cn 2004/10/09 14:33 双博士丛书

　　蛋白质的生物合成(翻译)

　　考点：

　　遗传密码的生物特性，氨基酰-tRNA合成酶的催化活性及特异性，三种RNA在蛋白质合成中的功能；

　　原核生物翻译起始的过程，真核生物翻译起始的特点，原核生物肽链延长的三个步骤及延长因子的作用；

　　翻译后加工的形式及意义；

　　蛋白质靶向输送的过程及意义；

　　抗生素、毒素和干扰素阻断蛋白质生物合成的作用的机理。

　　重点：

　　蛋白质合成的反应体系，三种RNA在翻译中的作用，蛋白质合成过程可分为起始、延长、终止三个阶段。原核生物翻译起始与真核生物的区别。肽链合成后的加工修饰。蛋白质生物合成的干扰和抑制。

　　难点：

　　遗传密码的特性，翻译起始复合物的形成，肽链延长阶段的三个步骤，蛋白质的靶向输送。

　　mRNA生成后，遗传信息由mRNA传递给新合成的蛋白质，此时mRNA分子中的遗传信息被翻译成为蛋白质的氨基酸排列顺序，因此蛋白质的合成过程也被称为翻译。

　　一、蛋白质合成体系

　　参与蛋白质合成的物质，除作为原料的氨基酸外，还有mRNA、tRNA、核蛋白体、有关的酶(氨基酰tRNA合成酶)，以及ATP、CTP等供能物质与必要的无机离子等。

　　（1）mRNA的作用原理

　　mRNA中每3个核苷酸组成1个密码子，体现一个氨基酸的信息。

　　在mRNA中，每3个相互邻接的核苷酸，其特定排列顺序，在蛋白质生物合成中可被体现为某种氨基酸或合成的终止信号者称为密码子，统称遗传密码。遗传密码具有简并性、通用性、方向性、不间断性和不重叠性。

　　UAA、UAG、UGA为肽链的终止信号，不代表任何氨基酸。密码子AUG不仅代表一定氨基酸，而且位于mRNA启始部分，AUG又是肽链合成的启始信号。

　　mRNA上的启动信号到终止信号的排列是有一定方向性的。启动信号总是位于mRNA的5′末端的一边，而终止信号总是在mRNA的3′末端一边。

　　（2）tRNA的作用原理

　　不同的氨基酸有其特定的tRNA，同一种氨基酸常有数种tRNA。在ATP和酶存在的条件下，tRNA与对应氨基酸结合成为氨基酰tRNA。

　　tRNA上有由3个核苷酸组成的反密码子，与mRNA上的密码子按碱基互补配对原则结合，氨基酰tRNA才能准确的在mRNA上对号入座。但tRNA的反密码子中的核苷酸与mRNA的第三个核苷酸配对时，并不严格遵循碱基互补配对原则，此种配对称不稳定配对。

　　（3）核蛋白体的作用原理

　　核蛋白体相当于装配体，由大亚基(原核为50S，真核为60S)和小亚基(原核为30S，真核为40S)组成。大亚基具有转肽酶的活性，可使核蛋白体上的肽链转移到新进入核蛋白体的tRNA所携带的氨基酸上，使其缩合成肽。所以，当核蛋白体在mRNA上每向前移动一个密码子的位置，肽链上即增加一个新的氨基酸，直至终止信号。

　　二、蛋白质合成的过程

　　蛋白质生物合成的具体步骤包括：①氨基酸的活化；②活化氨基酸的转运；③活化氨基酸在核蛋白体上的缩合。

　　(一）氨基酸的活化转运

　　氨基酸的活化过程及其活化后与相应tRNA的结合过程，都是由氨基酰tRNA合成酶来催化的，反应方程(见原书),以氨基酰tRNA形式存在的活化氨基酸，即可投入氨基酸缩合成肽的过程。氨基酰tRNA合成酶存在于胞液中，具有高度特异性。它们既能识别特异的氨基酸，又能辨认携带该种氨基酸的特异tRNA分子。在体内，每种氨基酰tRNA合成酶都能从多种氨基酸中选出与其对应的一种，并选出与此氨基酸相应的特异tRNA。这是保证遗传信息准确翻译的要点之一。

　　（二）核蛋白体循环

　　tRNA所携带的氨基酸，是通过“核蛋白体循环”在核蛋白体上缩合成肽，完成翻译过程的。以原核生物中蛋白质合成为例，将核蛋白体循环人为地分为启动、肽链延长和终止三个阶段进行介绍。

　　1．启动阶段

　　在蛋白质生物合成的启动阶段，核蛋白体的大、小亚基，mRNA与一种具有启动作用的氨基酸tRNA共同构成启动复合体。这一过程需要一些称为启动因子的蛋白质以及GTP与镁离子的参与。

　　原核生物中的启动因子有3种，IF1辅助另外两种启动因子IF2、IF3起作用。

　　启动阶段的具体步骤如下：

　　(1)30S亚基在IF3与IF1的促进下与mRNA的启动部位结合，在IF2的促进与IF1辅助下与甲酰蛋氨酰tRNA以及GTP结合，形成30S启动复合体。

　　30S启动复合体由30S亚基、mRNA、fMet-tRNAfMet及IF1、IF2、IF3与GTP共同构成。

　　（2）30S启动复合体一经形成，IF3即行脱落，50S亚基随之与其结合，形成了大、小亚基，mRNA，fMet－tRNAfMet及IF1、IF2与GTP共同构成的70S启动前复合体。

　　（3）70S启动前复合体的GTP水解释出GDP与无机磷酸的同时，IF2和IF1随之脱落，形成了启动复合体。至此，已为肽链延长作好了准备。

　　启动复合体由大、小亚基，mRNA与fMet－tRNAfMet共同构成。

　　已知核蛋白体上有两个位置，分别称为“给位”与“受位”，启动复合体中mRNA的启动信号相对应的fMet－tRNAfMet亦即处于核蛋白体的给位。

　　2．肽链延长阶段

　　这一阶段，根据mRNA上密码子的要求，新的氨基酸不断相应的被特异的tRNA运至核蛋白体受位，形成肽键。同时，核蛋白体从mRNA的5′端向3′端不断移位推进翻译过程。肽链延长阶段需要数种称为延长因子的蛋白质、GTP与某些无机离子的参与。

　　(1)进位

　　受位上mRNA密码子相对应的氨基酸tRNA进入受位，生成复合体V。此步骤需要GTP、Mg2+和称为肽链延长因子EFTu与EFTs的蛋白质因子。

　　（2）转肽

　　50S亚基的给位有转肽酶的存在，可催化肽键形成。此时在转肽酶的催化下，将给位上tRNA所携的甲酰蛋氨酰（或肽酰）转移给受位上已特异性进入的氨基酸tRNA，与其所带的氨基酸的氨基结合形成肽键。此酶需要Mg2+与K2+存在。

　　（3）脱落

　　原在给位上的脱去甲酰蛋氨酰后的tRNAfMet，从复合物上脱落。

　　（4）移位

　　核蛋白体向mRNA的3′端挪动相当于一个密码子的距离，使下一个密码子准确定位在受位，同时带有肽链的tRNA由受体移至给位，此步需有肽链延长因子EFG、GTP与Mg2+。以后肽链上每增加一个氨基酸残基，就按①进位（新的氨基酸tRNA进入“受位”）②转肽（形成新的肽键）③脱落（转肽后“给位”上的tRNA脱落）④移位（核蛋白体挪动的同时，原处于“受位”带有肽链的tRNA随之转到“给位”）。

　　3．终止阶段

　　当多肽链合成已完成，并且“受位”上已出现终止信号（UAA），此后即转入终止阶段。终止阶段包括已合成完毕的肽链被水解释放，以及核蛋白体与tRNA从mRNA上脱落的过程。这一阶段需要一种起终止作用的蛋白质因子——终止因子的参与。

　　终止因子使大亚基“给位”的转肽酶不起转肽作用，而起水解作用。在转肽酶的作用下，“给位”上tRNA所携带的多肽链与tRNA之间的酯键被水解，并从核蛋白体及tRNA上释出。

　　从mRNA上脱落的核蛋白体，分解为大小两个亚基，重新进入核蛋白体循环。核蛋白体的解体需要IF3的参与。

　　下面小结参与原核生物蛋白质合成的一些因子，见表。

作用阶段

因子

作用

起动

IF_１

使带氨基酰的tRNA与小亚基结合

IF₂

同上，并具有GTP酶活性

IF₃

促进小亚基与mRNA特异结合，在终止阶段促使已脱落的核蛋白体解离为亚基

延伸

EFTu、EFTs

促进氨基酰tRNA进入核蛋白体的“受体”具有GTP酶的活性

EFG

具有GTP酶的活性，使转肽后，失去肽链(或蛋氨酰)的tRNA，从“给位”上脱落，并促进移位

终止

RF

识别终止信号，使大亚基团转肽酶将“给位”上已合成的多肽链水解释放

　（三）真核生物与原核生物蛋白质合成的异同

　　1mRNA

　　真核生物的mRNA前体在细胞核内合成，合成后需经加工，才成熟为mRNA，从细胞核输入胞浆，投入蛋白质合成；而原核生物的mRNA常在合成尚未结束时，已开始翻译。真核生物mRNA含有7甲基三磷酸鸟苷形式的“帽”，有由多聚腺苷酸形成的“尾”，为单顺反子，只含一条多肽链的遗传信息，合成蛋白质时只有一个合成的启动点，一个合成的终点；而原核生物的mRNA为多顺反子，含有蛋白质合成多个启动点和终止点，且不带有类似“帽”与“尾”的结构。在5′端方向启动信号的上游存在富含嘌呤的SD区段。真核生物的mRNA则无此区段。真核生物的mRNA代谢较慢，哺乳类动物mRNA的半衰期为4～6h，而细菌的mRNA半衰期仅在1～3min。此外真核生物的mRNA前体常含有插入顺序，即内含子，需要在加工时切除。

　　2核蛋白体

　　真核生物的核蛋白体（80S）大于原核生物。小亚基为 40S含有一种 rRNA(18S rRNA)；大亚基为60S，含有 3种rRNA（28S rRNA、5．5S rRNA和 5S rRNA），所含的核蛋白体蛋白质亦多于原核生物。原核生物小亚基16SrRNA的3′末端有一富含嘧啶的区段，可与其mRNA启动部位富含嘌呤的SD区互补结合。在真核生物相应的rRNA（18S rRNA）中，无此互补区。

　　3tRNA

　　真核生物起着启动作用的氨基酸tRNA为不需要甲酰化的Met－tRNAfMet而原核生物中为fMet-tRNAfMet，系Met－tRNAfMet经蛋氨酰tRNA转甲酰基酸催化后的产物。

　　4合成过程

　　（1）启动。真核生物的启动因子（eIF）有9-10种，真核生物核蛋白小亚基先与Met－tRNAfMet结合，再与mRNA结合，此时需要一分子ATP。

　　（2）肽链延长。真核生物中催化氨基酸tRNA进入受体的延长因子只有一种（EFT1）。催化肽酰tRNA移位的因子称为EFT2，可为白喉毒素所抑制。

　　（3）终止。真核生物只需一种终止因子（RF），此终止因子可识别3种终止密码子，并需要三磷酸鸟苷。原核生物的终止因子有3种。

　　此外，哺乳动物类等真核生物线粒体中，存在着自DNA到RNA及各种有关因子的蛋白合成体系，以合成线粒体的某些多肽。该体系类似原核生物蛋白合成体系。

　　（四）翻译后加工

　　从核蛋白体释放的多肽链，不一定具备生物活性。肽链从核蛋白体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质，称为翻译后加工。

　　1.高级结构的修饰

　　肽链释放后可自行根据其一级结构的特征折叠、盘曲成高级结构。此外，高级结构的修饰还包括：

　　（1）折叠：蛋白立体构象的生成需要折叠，有分子伴侣，二硫键异构酶及肽链顺反异构酶等参与。

　　（2）亚基聚合。具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体，各亚基虽自有独立功能，但又必须相依存，才得以发挥作用。

　　（3）辅基连接。蛋白质分为纯蛋白及结合蛋白两大类，糖蛋白、脂蛋白及各种带有辅酶的酶，都是常见的重要结合蛋白质。

　　辅基（辅酶）与肽链的结合是复杂的生化过程。

　　2一级产物的修饰

　　（1）去除N-甲酰基或N-蛋氨酸。在蛋白质合成过程中，N-端氨基酸总是fMet（甲酰蛋氨酸），其α-氨基是甲酰化的。但天然蛋白质大多数不以蛋氨酸为N端第一位氨基酸。细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以除去N-甲酰基，N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽。

　　（2）个别氨基酸的修饰。有些蛋白质还需经一定的修饰才能成熟而参与正常的生理活动。例如精蛋白的前体需要带上糖链，胶原蛋白的前体在细胞内合成后，需经羟化并带上糖链。

　　在结缔组织的蛋白质内常出现羟脯氨酸、羟赖氨酸，这两种氨基酸并无遗传密码、反密码子及tRNA引导入肽链，是脯氨酸、赖氨酸残基经过羟化而出现的。

　　（3）水解修饰。通过水解修饰，一条肽链可能分为多个不同的活性肽段。无活性的酶原转变为有活性的酶，常需要去掉一部分肽链。例如胰岛素原变为胰岛素时，尚需去掉部分肽段。

　　3蛋白质合成的靶向输送

　　蛋白质合成后，定向地到达其执行功能的目标地点，称为靶向输送。分泌性蛋白的合成过程实际是和其他蛋白质基本一样的。但其mRNA往往要有一段疏水氨基酸较多的肽编码，这段肽称为信号肽，其作用是把合成的蛋白质转移到内质网，剪切下信号肽，然后把合成的蛋白质送出胞外。

　　三、蛋白质生物合成的干扰和抑制

　　（一）抗菌素（抗生素）

　　（1）四环素族，包括土霉素等，能抑制氨基酰tRNA与原核细胞的核蛋白体小亚基结合，抑制细菌的蛋白质生物合成。

　　（2）氯霉素，能与原核生物的核蛋白体大亚基结合，阻断翻译延长过程。高浓度时，对真核生物线粒体内的蛋白质合成也有阻断作用。

　　（3）链霉素，和卡那霉素能与原核生物蛋白体小亚基结合，改变其构象，引起读码错误，结核杆菌对这两种抗生素特别敏感。

　　（4）嘌呤霉素，结构与酪氨酸tRNA相似，从而可取代一些氨基酸tRNA进入翻译中的核蛋白体受位，当延长的肽链转入此异常受位时，容易脱落，终止肽链合成。嘌呤霉素对原核、真核生物的翻译过程均有干扰作用。

　　（5）放线菌素，抑制核蛋白体转肽酶，只对真核生物有特异性作用。

　　（二）干扰蛋白质生物合成的生物活性物质

　　白喉毒素，可对真核生物的EFT２起共价修饰作用，从而使EFT2失活。干扰素，对病毒有两方面的作用：其一是干扰素在双链RNA存在下，可以诱导一种蛋白激酶，由蛋白激酶使eIF2发生磷酸化，从而抑制病毒蛋白质的生物合成；干扰素还可诱导生成一种罕见的寡核苷酸，可活化一种称为RNase L的核酸内切酶，由 RNase L降解病毒 RNA。

　　蓖麻蛋白，与真核生物大亚基(60S)的蛋白结合，间接抑制EFT２的作用，阻碍肽链延长。

　　天花粉蛋白，具有RNA N-糖苷酶活性，使真核大亚基(60S)失活。

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