第十三章蛋白质的生物合成

第十三章蛋白质的生物合成

一、教学基本要求

解释翻译的概念。

写出蛋白质生物合成体系的组成，论述mRNA,tRNA和核蛋白的作用原理。

复述蛋白质生物合成过程。

简要写出真核与原核生物蛋白质合成异同及肽链合成后的加工过程。

解释分子病，并举例说明。

简要叙述蛋白质合成阻断剂作用原理。

二、教材内容精要

（一）蛋白质的生物合成:

1.蛋白质的生物合成的概念

在生物体细胞内，以mRNA为模板合成蛋白质多肽链的过程即蛋白质的生物合成。在蛋白质的生物合成过程中，多肽链的氨基酸顺序是模板mRNA中的核苷酸排列顺序决定的，因此这一过程又称翻译（translation）。

2.蛋白质的生物合成体系

除合成原料氨基酸外，蛋白质的生物合成体系还包括mRNA、tRNA核（糖核）蛋白体、有关的酶、蛋白质因子、ATP、GTP等功能物质及必要的无机离子。

(1)mRNA：它是蛋白质多肽链合成的模板。mRNA5′至3′方向，若有AUG开始，可以称为一个开放读码框架（open reading），读码框架内每3个核苷酸组成一个密码子，如AAA 或AAG代表赖氨酸；5′端第一个AUG表示起动信号（initiator codon），并代表甲酰蛋氨酸（细菌）或蛋氨酸（高等动物）；UAA,UAG或UGA表示终止信号（terminator codon）。为氨基酸编码的密码子具有如下特点：①简并性（degenerate），即一个以上密码子体现一个氨基酸遗传信息的现象。②连续性（commaless），密码的三联体不间断，须3个一组连续读下去。③通用性（universal)从病毒、植物到人类，所有生物在蛋白质生物合成中都使用一套遗传密码。模板上的密码子可与tRNA的反密码子（anticodon）互补结合。

(2)tRNA及核（糖核）蛋白体：tRNA是氨基酸的运载体。一种tRNA可携带一种氨基酸；而一种氨基酸可由数种tRNA携带。tRNA反密码子与mRNA密码子第三个核苷酸配对时，除A-U,G-C外，还可有U-G,I-C,I-A等不稳定配对（wobble base pair）。核（糖核）蛋白体是多肽链的“装配机”。由大、小亚基组成，亚基又分别由不同的rRNA分子与多种蛋白质分子构成。原核小亚基为30S，真核为40S；原核大亚基为50S，真核为60S。整个原核核（糖核）蛋白体大小为70S，真核为80S。在细胞内，一类核（糖核）蛋白体附着于内质网，参与分泌蛋白质的合成；另一类游离于胞质中。

(3)蛋白质因子：现以原核生物中蛋白质生物合成为例，介绍参与这一过程的蛋白质因子。A1：启动因子（initiation factor）参与起动。

①IF1：促使携带氨基酰的起动tRNA与小亚基结合。

②IF2：功能同上，并有GTP酶活性。

③IF3：促进小亚基与mRNA特异结合；在终止阶段后促使脱落的核蛋白体解离为大、小亚基。

B1：延长因子（elongation factor）。

④EFTu和EFTs延长因子（elongation factor）作用于肽链延长阶段。促进氨基酰-tRNA 进人核蛋白体的“受位”（acceptorsate)，具有GTP酶活性。

⑤EFG作用于肽链延长阶段。具有GTP酶活性，使转肽后失去肽链或蛋氨酰-tRNA从“给位”(donor site）上脱落，并促进移动。

C:释放因子。

⑥)RF：识别终止信号，使大亚基转肽酶（transpeptidase）将“给位”上已合成的肽链水解释放。

3.蛋白质多肽链的生物合成过程

蛋白质的翻译过程包括氨基酸的活化与转运，以及核蛋白体循环（ribosome cycle）。核蛋白体循环是本章重点内容。

(1）氨基酸的活化与转运—即参加蛋白质合成的氨基酸在特异的氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)催化下由ATP供能并与相应得tRNA结合。氨基酰-tRNA合成酶具有绝对的专一性，酶对氨基酸、tRNA两种底物都能高度特异的识别。氨基酰-tRNA合成酶还有校对活性，当tRNA携带了错误的氨基酸时，氨基酰-tRNA合成酶具有水解错误氨基酸酯键的功能，换上与密码子相对应的氨基酸。

(2）核蛋白体循环可分为启动(initiation）、肽链延长（elongation）及终止（termination)3个阶段。

1)启动过程中形成启动复合体，此时需要GTP,真核体系中还需ATP.

具体步骤：mRNA与小亚基结合，并有IF1和IF3辅助，与此同时fmet-RNA辨认结合于mRNA的起始密码子AUG上，此时IF3脱落，而IF2与GTP参与反应；50S的大亚基与小亚基结合，启动因子IF1、IF2脱落。fmet-RNA携带的第一个蛋氨酸位于核蛋白体的给位（donor site)又叫肽位(peptidyl site)，它位于核蛋白体的左半部分，给位的右侧称受位(acceptor site)，在核蛋白体的右侧。

2)肽链延长阶段，每增加一个氨基酸，就按进位、转肽、脱落和移位这四个步骤重复进行。具体步骤：进位：第二个氨基酸进人受位，此步需要延长因子EFTu和EFTs及GTP、Mg2十参加。转肽：50S大亚基给位有转肽酶的存在，可催化肽键形成。经转肽酶催化，给位上的甲酰蛋氨酸被转移到受位上，与受位的氨基酸的氨基形成肽键，此步需要Mg2十和K+。

脱落：在给位上的RNA fmet脱落。

移位：核蛋白体向mRNA的3′端移动一个密码子，下一个密码子进人受位，同时携有肽链的tRNA由受位移至给位，反应需要延长因子EFG、GTP与tRNA由受位移至给位，反应需要延长因子EFG\GTP与Mg2十

3)终止阶段，需终止因子RF参与,RF使给位的转肽酶变为水解作用，合成好的肽链被水解并从核蛋白体上释放。从mRNA上脱落的核蛋白体，分解为大、小两个亚基，核蛋白体的解缔过程需要启动因子3(IF3)。蛋白质合成是需能反应，每生成一个肽键，共需消耗四个高能磷酸键。

4)真核生物的蛋白质合成与原核大同小异，它的核蛋白体为80S；有启动作用的氨基酰-tRNA不需要甲酰化，而原核生物需要甲酰化；真核生物的延长因子为EFT1和EFT2；其终止因子为RF，它可以识别3种终止密码子，而原核生物的终止因子有3种，即RF1,RF2和RF3。蛋白质合成具有方向性，即由N端向C端延伸。

4.肽链合成后的加工（processing）

某些蛋白质经此过程方能形成有生物学活性的分子。该过程包括：多肽链的切除修饰、C端氨基酸酰胺化修饰、N末端乙酰化修饰，以及加糖、加脂、磷酸化、羟化、甲基化与羟甲基化等。单纯蛋白质是由多条肽链组成，多个亚单位构成的蛋白质需经亚基聚合过程，复合蛋白尚有辅助成分参与组成。

5.蛋白质合成与医学的关系

(1)分子病(molecular diseases)的概念：由于基因缺陷，则可出现RNA与蛋白质合成异常，最终导致机体某些结构与功能变异引起的疾病，称为分子病，例如镰刀状红细胞贫血。这类患者血红蛋白β链N端的第六个氨基酸残基由谷氨酸转变为缬氨酸，这是因结构基因