蛋白质生物合成特征（生化学蛋白质的生物合成）

蛋白质的生物合成

一．蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称翻译(translation)，是生物细胞以mRNA为模板，按照mRNA分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。将核酸中 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序。蛋白质生物合成是基因表达的最终阶段。

1.反应过程：氨基酸的活化，肽链的生物合成（起始、延长和终止），肽链形成后的加工和靶向输送。

2.生物学意义：蛋白质合成在细胞生命过程中有至关重要的核心作用（生命必需和药物作用靶点）。

二．蛋白质生物合成体系：

1.基本原料:20种编码氨基酸。

2.三种RNA:mRNA---模板; tRNA ---适配器；核蛋白体---装配机。

3.主要酶和蛋白质因子:氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等。

4.能源物质:ATP、GTP。

5.无机离子:Mg2 、K 。

三．mRNA的基本结构。

1.组成：5’-端非翻译区、开放阅读框架、3’-端非翻译区。

原核生物

真核生物

mRNA

一条mRNA编码几种蛋白质（多顺反子）

一条mRNA编码一种蛋白质（单顺反子）

转录后很少加工

转录后进行首尾修饰及剪接

转录、翻译和mRNA的降解可同时发生

mRNA在核内合成，加工后进入胞液，再作为模板指导翻译

核蛋白体

30S小亚基＋50S大亚基 ↔ 70S核蛋白体

40S小亚基＋60S大亚基 ↔ 80S核蛋白体

起始阶段

起始氨基酰-tRNA为fMet-tRNAfMet

起始氨基酰-tRNA为Met-tRNAiMet

核蛋白体小亚基先与mRNA结合,再与fMet-tRNAfMet结合

核蛋白体小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再与mRNA结合

mRNA中的S-D序列与16S rRNA 3¢-端的一段序列结合

mRNA中的帽子结构与帽子结合蛋白复合物结合

3种IF参与起始复合物的形成

有至少10种eIF参与起始复合物的形成

延长阶段

延长因子为EF-Tu、EF-Ts和EF-G

延长因子为eEF-1α、eEF-1βγ和eEF-2

终止阶段

释放因子为RF-1、RF-2和RF-3

释放因子为eRF

二十一.多肽链折叠为天然构象的蛋白质：新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。

1. 分子伴侣：分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠的保守蛋白质。功能为①封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段②创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰③促进蛋白质折叠和去聚集④遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。分为核糖体结合性（触发因子、新生链相关复合物）和非核糖体结合性。

热休克蛋白(HSP)：热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。包括HSP70、HSP40和GrpE三族。人类细胞中HSP蛋白质家族可存在于胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位，涉及多种细胞保护功能：如使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象；通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。

伴侣蛋白：伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的Gro EL和Gro ES（真核细胞中同源物为HSP60和HSP10）等家族。其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。Gro EL与Gro ES的结构特征。

2. 蛋白质二硫键异构酶（PDI）：多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。3. 肽-脯氨酰顺反异构酶（PPI）：多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象有明显差别。肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。

二十二.蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修饰。

1. 肽链末端的修饰。N-端修饰：原核生物是N-甲酰甲硫氨酸，真核生物是甲硫氨酸，加工切除（甲酰基酶或氨基肽酶）；真核生物有50%的蛋白质存在N-端氨基酸的乙酰化。C-端修饰：可能存在修饰。2. 个别氨基酸的共价修饰。糖基化：天冬酰胺、丝氨酸、苏氨酸等；羟基化：胶原中的赖氨酸、脯氨酸等；甲基化：谷氨酸、精氨酸、天冬酸；磷酸化：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、代谢酶、CTD；二硫键形成：分泌性蛋白；亲脂性修饰：一些跨膜蛋白，如G蛋白、Ras蛋白，进行疏水性脂链的修饰。3. 水解加工可生成具有生物活性的蛋白质或多肽。

二十三.空间结构的修饰。

1. 通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质。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。2. 辅基连接后形成完整的结合蛋白质。结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。

二十四. 蛋白质在核蛋白体上合成后，必须被分选出来，经过复杂机制定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。新生蛋白质的去向：细胞液、细胞器、细胞外。

二十五.靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列。

1.所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为信号序列(signal sequence)。

2.信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。

3.信号肽：N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；

中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；C-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸组成，紧接着是被信号肽酶裂解的位点。

3. 核定位序列（NLS）：靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异信号序列，其为含4～8个氨基酸残基的短序列，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的不同部位，而不只在N末端。不同的NLS间未发现共有序列； 在蛋白质进核定位后，NLS不被切除。

二十六.分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外。核蛋白体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，再分泌到细胞外。

二十七.蛋白质6-磷酸甘露糖基化是靶向输送至溶酶体的信号。

二十八.靶向输送至内质网的蛋白质C-端含有滞留信号序列。与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质先经粗面内质网上的附着核蛋白体合成并进入内质网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但是，内质网蛋白质多肽链的C-端含有滞留信号序列，可与相应受体结合。在高尔基复合体上，内质网蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合后，随囊泡输送回内质网。

二十九.质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜。质膜蛋白质合成时在粗面内质网上的跨膜机制与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，质膜蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，而是锚定在内质网膜上；不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定于膜上。

三十.线粒体蛋白质以其前体形式在胞液合成后靶向输入线粒体。绝大部分线粒体蛋白质是由核基因组编码、在胞液中的游离核蛋白体上合成后释放、靶向输送到线粒体中的。线粒体蛋白以前体形式在胞液合成后输送至线粒体，在线粒体内折叠成有功能的蛋白质。需要导肽（新生蛋白N-端一段大约20～80个氨基酸的肽链, 通常带正电荷的碱性氨基酸(特别是精氨酸和赖氨酸)含量较为丰富）。

三十一.细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核。

三十二.许多抗生素通过抑制蛋白质生物合成发挥作用。

1. 抗生素(antibiotics)：一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。2. 分为影响翻译起始的抗生素与影响翻译延长（干扰进位、引起读码错误、影响肽键形成、影响转位）的抗生素。

三十二.其他干扰蛋白质生物合成的物质：

1. 毒素：白喉毒素（作为一种修饰酶，可使eEF-2发生ADP糖基化共价修饰，生成eEF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，使eEF-2失活）、蓖麻蛋白（A链是一种蛋白酶，可作用于真核生物核蛋白体大亚基的28S rRNA，催化其中特异腺苷酸发生脱嘌呤基反应，使28S rRNA降解，使核蛋白体大亚基失活；B链对A链发挥毒性具有重要的促进作用，且B链上的半乳糖结合位点也是毒素发挥毒性作用的活性部位）。2. 干扰素（IFN) ：是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。可分为α-（白细胞）型、β-（成纤维细胞）型和γ-（淋巴细胞）型三大类，每类各有亚型，分别具有其特异作用。干扰素在某些病毒双链RNA存在时，能诱导特异的蛋白激酶活化，该活化的蛋白激酶使eIF-2磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成；能与双链RNA共同活化特殊的2ˊ-5ˊ寡聚腺苷酸（2ˊ-5ˊA）合成酶，催化ATP聚合，生成单核苷酸间以2ˊ-5ˊ磷酸二酯键连接的2ˊ-5ˊA，经2ˊ-5ˊA活化核酸内切酶RNase L，后者可降解病毒mRNA，从而阻断病毒蛋白质合成。

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