生物化學丨蛋白質生物合成

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蛋白質生物合成的概念

蛋白質生物合成也稱為翻譯，是遺傳信息表達的最終階段，而蛋白質是遺傳信息表現的功能形式。

翻譯：將mRNA分子中的4種核苷酸序列編碼的遺傳信息，解讀為蛋白質一級結構中20種氨基酸的排列順序。

蛋白質的生物合成體系

反應體系：

原料：20種氨基酸；模板：mRNA；場所：核糖體；氨基酸的「搬運工具」：tRNA；酶與蛋白質因子：氨基醯tRNA合成酶、轉肽酶；起始因子、延長因子、終止因子；能量：ATP、GTP；無機離子：K+、Mg2+

（一）翻譯模板mRNA及遺傳密碼

1.mRNA是遺傳信息的攜帶者，是蛋白質合成的直接模板。

基本概念：

（1）順反子：遺傳學將編碼一個多肽的遺傳部門稱順反子。

（2）多順反子：原核細胞中數個結構基因常串連為一個轉錄部門，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質。轉錄後一般不需特別加工。

（3）單順反子：真核結構基因的遺傳信息是不連續的，mRNA轉錄後需要加工，成熟才成為翻譯的模板，一個mRNA隻編碼一種蛋白質。

2.mRNA上存在遺傳密碼。

（1）概念：

密碼子：mRNA中每3個核苷酸組成一組，代表相應的氨基酸或翻譯起始、終止信號。

起始密碼：5』端AUG，編碼甲醯甲硫氨酸（細菌）或甲硫氨酸（高等動物）。

終止密碼：UAA，UAG或UGA（不編碼相應的氨基酸）。

（2）密碼數量：64個，表示氨基酸的密碼有61個。

（3）遺傳密碼的特點

①連續性：

編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯體密碼連續閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。

②簡併性：

多個密碼可編碼同一種氨基酸，即一種氨基酸可由多個密碼錶示

編碼同一種氨基酸的多個密碼稱同義密碼。

其原因是由於密碼子與反密碼子之間存在不穩定配對（擺動性或搖擺性）。

③通用性：

蛋白質生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。

④擺動性

反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的鹼基配對規律，稱為擺動配對。

主要發生在密碼子的第3位（3』端）與反密碼子的第1位之間（5』端）。tRNA反密碼子第一個核苷酸（5』端）與mRNA密碼子的第三個核苷酸（3』端）配對時，除A—U、G—C外，還可有U—G、I—C、I—A、I—U等。

（二）核糖體是多肽鏈合成的裝置

1.構成

（1）原核生物中的核糖體大小為70S，可分為30S小亞基和50S大亞基。由16S rRNA， 5S rRNA，23S rRNA和蛋白質組成。

（2）真核生物中的核糖體大小為80S，也分為40S小亞基和60S大亞基。由18S rRNA， 5S rRNA，28S rRNA，5.8S rRNA和蛋白質組成。

2.功能

核糖體的大、小亞基分別有不同的功能。

（1）小亞基可與mRNA、GTP和起始氨基醯tRNA結合。

（2）大亞基具有轉肽酶活性；具有兩個不同的tRNA結合點

A位——受位或氨醯基位，可與新進入的氨基醯tRNA結合；

P位——給位或肽醯基位，可與延伸中的肽醯基tRNA結合。

（三）tRNA與氨基酸的活化

tRNA在蛋白質合成中攜帶氨基酸並保證氨基酸準確就位。

一種tRNA可攜帶一種氨基酸；而一種氨基酸可有數種tRNA攜帶，參與蛋白質的合成。

1.氨基酸的活化：氨基酸的羧基與特異tRNA結合形成氨基醯一tRNA，連接位置是tRNA的3』-C-C-A-OH,此過程由氨基醯一tRNA合成酶（特異識別氨基酸、tRNA）催化。

2.起始肽鏈合成的氨基醯一tRNA

原核生物：起始密碼只能辨認甲醯化的甲硫氨酸。

真核生物：與甲硫氨酸結合的tRNA至少有兩種。

3.通過密碼和反密碼的不穩定配對使氨基酸運到準確的位置。

（四）蛋白質因子

包括啟動因子、延長因子、終止因子。

蛋白質生物合成過程

翻譯過程從閱讀框架的5』一AUG開始，按mRNA模板三聯體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現。整個翻譯過程可分為起始，延長，終止。

（一）肽鏈的合成起始

指mRNA和起始氨基醯一tRNA分別與核糖體結合而形成翻譯起始複合物。

該過程需要多種起始因子和GTP參加。（參與該過程的多種蛋白質因子稱為起始因子）

1.原核生物翻譯起始複合物形成

（1）核糖體大小亞基分離。

（2）mRNA在小亞基就位。

S—D序列AGGA與16S—rRNA 3』端UCCU互補。

S—D序列：原核生物mRNA起始密碼AUG上遊約8—13個核苷酸部位，存在4—9個核苷酸的一致序列，富含嘌呤鹼基，如一AGGAGG一，為核糖體結合位點。

（3）起始氨基醯一tRNA的結合（甲醯蛋氨醯-tRNA）。

（4）核糖體大亞基結合。

2.真核生物翻譯起始複合物形成

（1）核糖體大小亞基分離。

（2）起始氨基醯一tRNA與小亞基結合 （蛋氨醯tRNA）。

（3）mRNA在核蛋白體小亞基就位。

（4）核糖體大亞基結合。

（二）肽鏈的延長

根據mRNA密碼序列的指導，依次添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。

肽鏈的延長也稱為核蛋白體循環。

核蛋白體循環：肽鏈延長在核蛋白體上連續性循環式進行，每次循環增加一個氨基酸，包括以下三步：進位、成肽、轉位。

1.進位

指根據mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基醯-tRNA進入核蛋白體A位。

該過程消耗GTP.

鹼基配對 除A—u、G—c外，還可有u—G、I—c、I—A、I—u等。

2.成肽

是由轉肽酶催化的肽鍵形成過程。

肽鏈合成方向N端 → C端。

3.移位 需要消耗GTP

核糖體沿mRNA從5』 →3』移動一個密碼的距離

肽鏈長度預測：起始密碼AUG到終止密碼之間的密碼子數目。

（三）肽鏈合成的終止

1.當核糖體A位出現mRNA的終止密碼後，終止因子（釋放因子） 與其結合，多肽鏈合成停止。

2.轉肽酶起水解作用使肽鏈從肽醯一tRNA中釋放

3.mRNA、核蛋白體大、小亞基等分離等分離，重新利用。

釋放因子RF功能：識別終止密碼和誘導轉肽酶改變為酯酶活性起水解作用。

進而使合成的肽鏈脫落並促進mRNA與核糖體分離。

在體內合成多肽鏈時是多核蛋白體循環。

多肽鏈合成後還需要剪切、側鏈修飾、亞基聚合等加工修飾才能成為有功能的蛋白質。

蛋白質生物合成與醫學的關係

蛋白質生物合成是很多抗生素和某些毒素的作用靶點。它們通過阻斷真核、原核生物蛋白質翻譯體系某組分功能，干擾和抑製蛋白質生物合成過程而起作用。

抑製劑：抗生素、干擾素、毒素。

抗生素類（表1—1—10—1）。

表1-1-10-1 抑製蛋白質生物合成的抗生素類

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