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，这是因结构基因中相应得核苷酸的密码子由来的CTT转变为CAT所致。

（2）蛋白质生物合成的阻断剂：某些抗生素、细菌毒素、植物毒素、以及干扰素(interferon)等对蛋白质合成阻断作用，可用于对细菌和肿瘤细胞的治疗（表12-1）。

1)抗生素2)白喉毒素：在哺乳动物体内特异的抑制肽链延长因子2(EFT-2）的活性，从而抑制蛋白质合成。

3)干扰素：干扰素抑制病毒蛋白质合成的途径有两方面，一是在双链RNA存在下可以诱导一种蛋白激酶，由蛋白激酶使eIF-2磷酸化失活，进而抑制病毒蛋白质合成；二是干扰素可诱导生成一种寡核苷酸，称为2′-5′A,2′-5′A则活化一种核酸内切酶——RNaseL，RNaseL通过降解病毒RNA，实现对病毒蛋白合成的抑制。

【记忆方法】蛋白质生物合成包括几方面的内容，一是概念定义，例如：翻译、分子病等，这需要在理解的基础上加以记忆。

二是掌握合成的体系都含有哪些成分，他们的结构和功能是什么？三是合成过程与机制以及真核与原核合成的差异，这需要了解每一步合成的具体反应，催化的酶及其他的辅助因子，合成的差异用比较方法来记忆，找出真核与原核合成的共同点与不同之处即可。

三、典型试题分析A型题1.遗传密码的简并性指的是（1995年生化试题）A.一些三联体密码可缺少一个嘌呤碱或嘧啶碱B.密码中有许多稀有碱基C.大多数氨基酸有一组以上的密码D.一些密码适用于一种以上的氨基酸E.以上都不是【答案】C【评析】本题考点：密码子的特性。

在mRNA的编码区，每三个前后相联的核苷酸组成一个密码子，每个密码子只为一个氨基酸编码，共有64个密码子，密码子不重叠使用核苷酸，也无核苷酸间隔。

所有生物使用同一套密码子仅有极少数例外，此为密码子的通用性。

一种氨基酸可有多个密码子，此特点称为密码子的简幷性。

2.原核生物蛋白质生物合成中肽链延长所需的能量来源于（1996年生化试题）A.ATPB.GTPC.GDPD.UTPE.CTP【答案】B【评析】本题考点：合成过程中不同阶段的能量来源。

蛋白质合成为二个具体步骤：（1）氨基酸的活化与活化氨基酸的搬运（2）活化氨基酸在核蛋白体上的缩合。

第一个步骤需要ATP供能。

第二个步骤又称核蛋白体循环。

具体分为三个阶段：（1）启动阶段（2）肽链延长阶段（3）终止阶段。

肽链延长阶段是由进位、转肽、脱落、移位四个具体步骤组成，其中进位和移位都需要GTP供能。

3.下列关于氨基酸密码的叙述哪一项是正确的（1996年生化试题）A.由DNA链中相邻的三个核苷酸组成B.由tRNA链相邻的三个核苷酸组成C.由mRNA链中相邻的三个核苷酸组成D.由rRNA链中相邻的三个核苷酸组成E.由多肽链中相邻的三个氨基酸组成【答案】C【评析】本题考点：哪种物质具有编码氨基酸的功能。

核酸是遗传物质，它由DNA和RNA组成，DNA是遗传物质的携带者，它以碱基互补配对原则将信息传递给RNA分子。

RNA分为三种，tRNA具有携带氨基酸的功能，rRNA是合成蛋白质的场所，mRNA将从DNA转录得遗传信息，以三个核苷酸组成一个氨基酸密码子的形式，编码了全部20种氨基酸的密码子。

4.氯霉素的抗菌作用事由于抑制了细菌的（1997年生化试题）A.细胞色素氧化酶B.核蛋白体上的转肽酶C.基因表达D.二氢叶酸还原酶【答案】B【评析】本题考点:抗生素阻断蛋白质合成的作用。

抗生素对人体的许多代谢过程都有干扰作用，例如磺胺类药物对细菌四氢酸还原酶的竞争性抑制，嘌呤核苷酸代谢物是嘌呤氨基酸或叶酸的类似物，而不同的抗生素阻断蛋白质合成的机制不同。

例如：链霉素的作用事抑制蛋白质的合成的启动，金霉素的作用阻碍氨基酰tRNA与小亚基结合等，氯霉素红霉素等的作用事抑制核蛋白体上的转录酶。