第11章蛋白质的生物合成

第三核苷酸 （3’）
U C A
G U C A
G
U C A
G U C A G
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，生成氨基酰tRNA，从而携带 氨基酸参与蛋白质的生物合成。 tRNA的反密码可以 识别mRNA上相应的密码（见下页图） 。
反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原 则，即A对U，G对C。
GTP
蛋
蛋
起2
给位
受位
UAC AUG ACA 5′
小亚基
大亚基
UAC AUG ACA
3′
5′
3′
GDP + Pi
小亚基
蛋白质生物合成的起始复合物
（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进入核蛋白体的受位。此步骤需GTP，Mg2+， 和EF参与。
2．转肽 在转肽酶的催化下，将给位上的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+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的 tRNA从核蛋白上脱落。
1．识别 RF（终止因子）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（见下3页图）。
下图：肽链合成的终止阶段 1
AUG UAC UAA
一、氨基酸的活化与搬运
氨基酸与tRNA结合为氨基酰tRNA的过 程称为氨基酸的活化，由氨基酰-tRNA合成酶 催化完成。其反应过程为：
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA
氨基酰-tRNA
ATP AMP + PPi
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，形成氨基酰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。
段。 3.图示基因操纵子调节。
学时分配：2学时
第一节 参与蛋白质生物合成的物质
参与蛋白质生物合成的物质有： ① mRNA：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； ② tRNA：搬运氨基酸的工具； ③ rRNA：与蛋白质结合为核蛋白体，是蛋白
质生物合成的场所； ④ 酶及其他蛋白质因子； ⑤ 供能物质及无机离子。
在操纵子前端有调节基因。它含有合成阻遏蛋白的遗传信息，可作 为模版转录出mRNA并指导阻遏蛋白的合成。诱导物（某些代谢物或外 源性化学物质）能特异地与阻遏蛋白结合，引导阻遏蛋白的变构，使之 不能在与操纵基因结合，于是在起动基因上的RNA聚合酶即可移动到 结构基因上，开始转录并合成mRNA,从而促进蛋白质合成（见下两页 图）。
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（延长因子）、GTP和Mg2+参与。 此时，核蛋白体的受位留空，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（见下5页图）。
下图：肽链合成的延伸阶段 1
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，每两个相邻核 蛋白体之间存在一定的间隔，形成念珠状结构，称为多 核蛋白体循环（见下页图）。
下图：多核蛋白体循环
5′
给位
受位
3′
mRNA
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。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。
蛋白质合成依赖于正确的遗传信息的转录，遗传信息的翻 译和营养物质的合理供应。现将转录水平和翻译水平的蛋白质 合成的调节分别简述如下：
（一）转录水平的调节
细胞内基因不是同时全处于活动状态，只是那些解除了组蛋白对 DNA某个片断的封闭的部位才能表达，即进行复制和转录。转录过程是 受操纵子控制的。操纵子指DNA分子中的一个片段，是转录单位。它含 有起动基因、操纵基因和结构基因，可作为转录的模版，指导mRNA的合 成。起动基因是RNA聚合酶与DNA结合并转录的部位。操纵基因为控制 RNA聚合酶向结构基因移动的部位。当阻遏蛋白结合到操纵基因上时， RNA聚合酶的移动即被阻断，从而阻止转录的进行，间接影响蛋白质的 合成。
在起动因子和GTP的参与下，小亚基先与 mRNA的起动部位结合，然后蛋氨酰-tRNA通过 其反密码与mRNA上起始密码互补辨认而结合， 最后大亚基与小亚基结合形成蛋白质生物合成的 起始复合体（见下页图） 。
下图：蛋白质生物合成的起始阶段
小亚基
mRNA
起3、1
AUG ACA 5′
小亚基
mRNA 3′ 蛋氨酰-tRNA
基因操纵子调节示意图1
调节基因 启动基因
操纵子
操纵基因
结构基因
转录 翻译
RNA聚合酶 mRNA
阻遏蛋白
阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不起作用
基因操纵子调节示意图2
操纵子
调节基因 启动基因
操纵基因
结构基因
RNA聚合酶 诱导物
阻遏蛋白
诱导物-阻遏蛋白 结合物
操纵子
调节基因 启动基因
操纵基因
结构基因
转录
二、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。
（一）起动阶段
必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。
甲酰化酶
甲酰蛋氨酸-肽
甲酸+蛋氨酸-肽
蛋氨酰-肽
蛋氨酸氨基肽酶
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。
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。
（二）高级结构的形成
1．构象的形成：多肽链合成后，通过卷曲、 折叠 形成特定的空 间构象。
2．亚基的聚合 3．辅基的连接
四、蛋白质生物合成的调节
人体的各种细胞都是从一个受精卵发育分化而来的 ，其 遗传信息都来自受精卵固有的DNA。为什么发育过程分化成 不同的组织细胞呢？这是由于发育过程中DNA有不同的表达、 合成不同的蛋白质、从而形成不同的组织细胞。而且有些蛋白 质是结构蛋白质，另一些是有生物活性的功能蛋白质。即使同 一组织内在不同发育阶段也会有不同的功能蛋白质。例如，成 人血红蛋白由两条α-链和两条β-链组成。自然，不同细胞合 成的不同蛋白质，例如胰岛β-细胞合成胰岛素而α-细胞合成 胰高血糖素。这说明在遗传信息指导下的蛋白质生物合成是受 精卵调节和控制的。即使已经合成的新生蛋白质，也要运送到 特定的细胞部位而这种运送也是受控制的。
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；而在真核 生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA。 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。
小亚基
给位
受位
上图：核蛋白体示意图
大亚基
核蛋白体的大、小亚基具有不同的功能：
1．小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2．大亚基：①具有两个tRNA结合点。A位（ 受位）， 可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（给位），可与 延伸中的肽酰基tRNA结合。 ②具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上 的氨基酰tRNA，形成肽键。 ③具有GTP酶活性，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。
五、延长因子（EF）
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）
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。
下图：密码子与反密码子的碱基配对
蛋 蛋氨酰tRNA
反密码
5'
UAC AUG ACA GUU
5'
3'
mRNA
三、rRNA和核蛋白体
真核生物中的核蛋白体大小为80S，分为 40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18S rRNA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（如下图）。
蛋
苏
给位
受位
UAC AUG ACA
5′
3′
小亚基
蛋白质生物合成的起始复合物
UGU
延1
GTP GDP+Pi ①进位