合成過程

蛋白質(zhì)合成

直接模板

protein biosynthesis

不同mRNA序列的分子大小和堿基排列順序各不相同，但都具有5ˊ-端非翻譯區(qū)、開放閱讀框架區(qū)、和3ˊ-端非翻譯區(qū)；真核生物的mRNA的5ˊ-端還有帽子結(jié)構(gòu)、3ˊ-端有長度不一的多聚腺苷酸（polyA）尾。帽子結(jié)構(gòu)能與帽子結(jié)合，在翻譯時(shí)參與mRNA在核糖體上的定位結(jié)合，啟動(dòng)蛋白質(zhì)生物的合成；帽子結(jié)構(gòu)和ployA尾的作用還有穩(wěn)定RNA；開放閱讀框架區(qū)與編碼蛋白質(zhì)的基因序列相對(duì)應(yīng)。

在mRNA的開放式閱讀框架區(qū)，以每3個(gè)相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸或其他信息，這種三聯(lián)體形勢(shì)稱為密碼子（codon）。如圖，通常的開放式閱讀框架區(qū)包含500個(gè)以上的密碼子。

一方向性：密碼子及組成密碼子的各堿基在mRNA序列中的排列具有方向性（direction），翻譯時(shí)的閱讀方向只能是5ˊ→3ˊ。

二連續(xù)性：mRNA序列上的各個(gè)密碼子及密碼子的各堿基是連續(xù)排列的，密碼子及密碼子的各個(gè)堿基之間沒有間隔，每個(gè)堿基只讀一次，不重疊閱讀。

三簡并性：一種氨基酸可具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的密碼子為其編碼。遺傳密碼表中顯示，每個(gè)氨基酸都有2,3,4或6個(gè)密碼子為其編碼（除甲硫氨酸只有一個(gè)外），但每種密碼子只對(duì)應(yīng)一個(gè)氨基酸，或?qū)?yīng)終止信息。

四通用性：生物界的所有生物，幾乎都通用這一套密碼子表

五擺動(dòng)性：tRNA的最后一位，和mRNA的對(duì)應(yīng)不完全，導(dǎo)致了簡并性

合成場所

核糖體就像一個(gè)小的可移動(dòng)的工廠，沿著mRNA這一模板，不斷向前迅速合成肽鏈。氨基酰tRNA以一種極大的速率進(jìn)入核糖體，將氨基酸轉(zhuǎn)到肽鏈上，又從另外的位置被排出核糖體，延伸因子也不斷地和核糖體結(jié)合和解離。核糖體和附加因子一道為蛋白質(zhì)合成的每一步驟提供了活性區(qū)域。

有關(guān)信息

蛋白質(zhì)合成

原核細(xì)胞中起始氨基酸活化后，還要甲?；纬杉柞５鞍彼醫(yī)RNA，由N10甲酰四氫葉酸提供甲?；?。而真核細(xì)胞沒有此過程。前面講過運(yùn)載同一種氨基酸的一組不同tRNA稱為同功tRNA。一組同功tRNA由同一種氨酰基tRNA合成酶催化。氨基酰tRNA合成酶對(duì)tRNA和氨基酸兩者具有專一性，它對(duì)氨基酸的識(shí)別特異性很高，而對(duì)tRNA識(shí)別的特異性較低。氨基酰tRNA合成酶是如何選擇正確的氨基酸和tRNA呢？按照一般原理，酶和底物的正確結(jié)合是由二者相嵌的幾何形狀所決定的，只有適合的氨基酸和適合的tRNA進(jìn)入合成酶的相應(yīng)位點(diǎn)，才能合成正確的氨?；鵷RNA?，F(xiàn)在已經(jīng)知道合成酶與L形tRNA的內(nèi)側(cè)面結(jié)合，結(jié)合點(diǎn)包括接近臂，DHU臂和反密碼子臂（圖2）。氨基酰－tRNA合成酶與tRNA的相互作用，可見氨酸接受柄、乍看起來，反密碼子似乎應(yīng)該與氨基酸的正確負(fù)載有關(guān)，對(duì)于某些tRNA也確實(shí)如此，然而對(duì)于大多數(shù)tRNA來說，情況并非如此，人們?cè)缇椭?，?dāng)某些tRNA上的反密碼子突變后，但它們所攜帶的氨工酸卻沒有改變。1988年，候稚明和Schimmel的實(shí)驗(yàn)證明丙氨酸t(yī)RNA酸分子的氨基酸臂上G3：U70這兩個(gè)堿基發(fā)生突變時(shí)則影響到丙氨酰tRNA合成酶的正確識(shí)別，說明G3：U70是丙氨酸t(yī)RNA分子決定其本質(zhì)的主要因素。tRNA分子上決定其攜帶氨基酸的區(qū)域叫做副密碼子。一種氨基酰tRNA合成酶可以識(shí)別以一組同功tRNA，這說明它們具有共同特征。例如三種丙氨酸t(yī)RNA（tRNAAlm/CUA,tRNAAim/GGC,tRNAAin/UGC都具有G3：U70副密碼子。）但沒有充分的證據(jù)說明其它氨基酰tRNA合成酶也識(shí)別同功tRNA組中相同的副密碼子。另外副密碼子也沒有固定的位置，也可能并不止一個(gè)堿基對(duì)。

多肽鏈解析

核蛋白體大小亞基，mRNA起始tRNA和起始因子共同參與肽鏈合成的起始。

1、大腸桿菌細(xì)胞翻譯起始復(fù)合物形成的過程：

⑴核糖體30S小亞基附著于mRNA起始信號(hào)部位：原核生物中每一個(gè)mRNA都具有其核糖體結(jié)合位點(diǎn)，它是位于AUG上游8-13個(gè)核苷酸處的一個(gè)短片段叫做SD序列。這段序列正好與30S小亞基中的16S rRNA3’端一部分序列互補(bǔ)，因此SD序列也叫做核糖體結(jié)合序列，這種互補(bǔ)就意味著核糖體能選擇mRNA上AUG的正確位置來起始肽鏈的合成，該結(jié)合反應(yīng)由起始因子3（IF-3）介導(dǎo)，另外IF-1促進(jìn)IF-3與小亞基的結(jié)合，故先形成IF3-30S亞基-mRNA三元復(fù)合物。

⑵30S前起始復(fù)合物的形成：在起始因子2作用下，甲酰蛋氨酰起 始tRNA與mRNA分子中的AUG相結(jié)合，即密碼子與反密碼子配對(duì)，同時(shí)IF3從三元復(fù)合物中脫落，形成30S前起始復(fù)合物，即IF2-3S亞基-mRNA-fMet-tRNAfmet復(fù)合物，此步需要GTP和Mg2+參與。

蛋白質(zhì)合成

2、真核細(xì)胞蛋白質(zhì)合成的起始真核細(xì)胞蛋白質(zhì)合成起始復(fù)合物的形成中需要更多的起始因子參與，因此起始過程也更復(fù)雜。

⑴需要特異的起始tRNA即，-tRNAfmet，并且不需要N端甲酰化。已發(fā)現(xiàn)的真核起始因子有近10種（eukaryote Initiation factor,eIF）

⑵起始復(fù)合物形成在mRNA5’端AUG上游的帽子結(jié)構(gòu)，（除某些病毒mRNA外）

⑶ATP水解為ADP供給mRNA結(jié)合所需要的能量。

真核細(xì)胞起始復(fù)合物的形成過程是：

翻譯起始也是由eIF-3結(jié)合在40S小亞基上而促進(jìn)80S核糖體解離出60S大亞基開始，同時(shí)eIF-2在輔eIF-2作用下，與Met-tRNAfmet及GTP結(jié)合，再通過eIF-3及eIF-4C的作用，先結(jié)合到40S小亞基，然后再與mRNA結(jié)合。mRNA結(jié)合到40S小亞基時(shí)，除了eIF-3參加外，還需要eIF-1、eIF-4A及eIF-4B并由ATP水解為ADP及Pi來供能，通過帽結(jié)合因子與mRNA的帽結(jié)合而轉(zhuǎn)移到小亞基上。但是在mRNA5’端并未發(fā)現(xiàn)能與小亞基18SRNA配對(duì)的S-D序列。目前認(rèn)為通過帽結(jié)合后，mRNA在小亞基上向下游移動(dòng)而進(jìn)行掃描，可使mRNA上的起始密碼AUG在Met-tRNAfmet的反密碼位置固定下來，進(jìn)行翻譯起始。

肽鏈步驟

多肽鏈的延長在多肽鏈上每增加一個(gè)氨基酸都需要經(jīng)過進(jìn)位，轉(zhuǎn)肽和移位三個(gè)步驟。⑴為密碼子所特定的氨基酸t(yī)RNA結(jié)合到核蛋白體的A位，稱為進(jìn)位。氨基酰tRNA在進(jìn)位前需要有三種延長因子的作用，即，熱不穩(wěn)定的E（Unstable temperature,EF）EF-Tu，熱穩(wěn)定的EF(stable temperature EF,EF-Ts）以及依賴GTP的轉(zhuǎn)位因子。EF-Tu首先與GTP結(jié)合，然后再與氨基酰tRNA結(jié)合成三元復(fù)合物，這樣的三元復(fù)合物才能進(jìn)入A位。此時(shí)GTP水解成GDP，EF-Tu和GDP與結(jié)合在A位上的氨基酰tRNA分離。

多肽鏈詳情

⑴N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸是多肽鏈合成的起始氨基酸，必須在多肽鏈折迭成一定的空間結(jié)構(gòu)之前被切除。其過程是：① 去甲酰化；② 去蛋氨酰基。

⑵氨基酸的修飾：由專一性的酶催化進(jìn)行修飾，包括糖基化、羥基化、磷酸化、甲酰化等。

⑶二硫鍵的形成：由專一性的氧化酶催化，將-SH氧化為-S-S-。

⑷肽段的切除：由專一性的蛋白酶催化，將部分肽段切除。

⑴構(gòu)象的形成：在分子內(nèi)伴侶、輔助酶及分子伴侶的協(xié)助下，形成特定的空間構(gòu)象。

⑵亞基的聚合。⑶輔基的連接。

蛋白質(zhì)合成后，定向地被輸送到其執(zhí)行功能的場所稱為靶向輸送。大多數(shù)情況下，被輸送的蛋白質(zhì)分子需穿過膜性結(jié)構(gòu)，才能到達(dá)特定的地點(diǎn)。因此，在這些蛋白質(zhì)分子的氨基端，一般都帶有一段疏水的肽段，稱為信號(hào)肽。分泌型蛋白質(zhì)的定向輸送，就是靠信號(hào)肽與胞漿中的信號(hào)肽識(shí)別粒子（SRP）識(shí)別并特異結(jié)合，然后再通過SRP與膜上的對(duì)接蛋白（DP）識(shí)別并結(jié)合后，將所攜帶的蛋白質(zhì)送出細(xì)胞。

信號(hào)肽假說：信號(hào)肽位于新合成的分泌蛋白N端。對(duì)分泌蛋白的靶向運(yùn)輸起決定作用。①細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)肽識(shí)別顆粒（SRP）識(shí)別信號(hào)肽，使肽鏈合成暫時(shí)停止，SRP引導(dǎo)核蛋白體結(jié)合粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜；②SRP識(shí)別、結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的對(duì)接蛋白，水解GTP使SRP分離，多肽鏈繼續(xù)延長；③信號(hào)肽引導(dǎo)延長多肽進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后，經(jīng)信號(hào)肽酶切除。分泌蛋白在高爾基體包裝成分泌顆粒出胞。

生物調(diào)控

生物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的速度，主要在轉(zhuǎn)錄水平上，其次在翻譯過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。它受性別、激素、細(xì)胞周期、生長發(fā)育、健康狀況和生存環(huán)境等多種因素及參與蛋白質(zhì)合成的眾多的生化物質(zhì)變化的影響。由于原核生物的翻譯與轉(zhuǎn)錄通常是偶聯(lián)在一起的，且其mRNA的壽命短，因而蛋白質(zhì)合成的速度主要由轉(zhuǎn)錄的速度決定。弱化作用是一個(gè)通過翻譯產(chǎn)物的過量與不足首先影響轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)節(jié)翻譯速度的一種方式。mRNA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也能調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的速度。

真核生物轉(zhuǎn)錄與翻譯不是偶聯(lián)的，通常蛋白質(zhì)合成的速度比原核生物慢。真核生物除了主要通過轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工及mRNA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（如帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾巴等）（見信使核糖核酸）進(jìn)行調(diào)控外，通過對(duì)珠蛋白生物合成研究表明，真核起始因子eIF－2是翻譯速度的限制因子，因此影響eIF－2的因素能調(diào)節(jié)翻譯的速度。用哺乳動(dòng)物網(wǎng)織紅細(xì)胞的無細(xì)胞制劑進(jìn)行離體研究指出，當(dāng)缺乏血紅素時(shí)，因?yàn)闊o法形成血紅蛋白，沒有必要合成蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明血紅素的調(diào)控是通過一種稱為血紅素調(diào)控阻遏物（HCR）實(shí)現(xiàn)的。HCR有活潑和不活潑的兩種狀

血紅素通過影響eIF－2對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)血紅素存在時(shí)，抑制了胞蛋白質(zhì)合成，而且還能促進(jìn)通常不合成血紅蛋白的細(xì)胞合成蛋白質(zhì)，如促進(jìn)肝癌細(xì)胞、海拉細(xì)胞和腹水瘤細(xì)胞無細(xì)胞制劑的蛋白質(zhì)合成。

蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑 許多蛋白質(zhì)生物合成抑制劑具有高度專一性，這對(duì)于研究合成機(jī)制很重要。許多臨床有效的抗生素是通過特異抑制原核生物的蛋白質(zhì)合成而發(fā)揮作用的，它們抑制細(xì)菌生長而不損害人體細(xì)胞。利用兩類生物蛋白質(zhì)合成的差異，可以找出治療細(xì)菌感染引起的疾病的藥物。表中列出一些較為重要的蛋白質(zhì)生物合成抑制劑及其作用部位和專一性。