蛋白質(zhì)合成（堿基排列順序變?yōu)榈鞍踪|(zhì)的過(guò)程）

合成過(guò)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、開(kāi)放閱讀框架區、和3ˊ-端非翻譯區；真核生物的mRNA的5ˊ-端還有帽子結構、3ˊ-端有長(cháng)度不一的多聚腺苷酸（polyA）尾。帽子結構能與帽子結合，在翻譯時(shí)參與mRNA在核糖體上的定位結合，啟動(dòng)蛋白質(zhì)生物的合成；帽子結構和ployA尾的作用還有穩定RNA；開(kāi)放閱讀框架區與編碼蛋白質(zhì)的基因序列相對應。

在mRNA的開(kāi)放式閱讀框架區，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)體形勢稱(chēng)為密碼子（codon）。如圖，通常的開(kāi)放式閱讀框架區包含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。

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

三簡(jiǎn)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），但每種密碼子只對應一個(gè)氨基酸，或對應終止信息。

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的對應不完全，導致了簡(jiǎn)并性

合成場(chǎng)所

核糖體就像一個(gè)小的可移動(dòng)的工廠(chǎng)，沿著(zhù)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域。

有關(guān)信息

蛋白質(zhì)合成

原核細胞中起始氨基酸活化后，還要甲酰化，形成甲酰蛋氨酸tRNA，由N10甲酰四氫葉酸提供甲酰基。而真核細胞沒(méi)有此過(guò)程。前面講過(guò)運載同一種氨基酸的一組不同tRNA稱(chēng)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tRNA和氨基酸兩者具有專(zhuān)一性，它對氨基酸的識別特異性很高，而對tRNA識別的特異性較低。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)入合成酶的相應位點(diǎn)，才能合成正確的氨酰基tRNA。現在已經(jīng)知道合成酶與L形tRNA的內側面結合，結合點(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(jiàn)氨酸接受柄、乍看起來(lái)，反密碼子似乎應該與氨基酸的正確負載有關(guān)，對于某些tRNA也確實(shí)如此，然而對于大多數tRNA來(lái)說(shuō)，情況并非如此，人們早就知道，當某些tRNA上的反密碼子突變后，但它們所攜帶的氨工酸卻沒(méi)有改變。1988年，候稚明和Schimmel的實(shí)驗證明丙氨酸tRNA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合成酶的正確識別，說(shuō)明G3：U70是丙氨酸tRNA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域叫做副密碼子。一種氨基酰tRNA合成酶可以識別以一組同功tRNA，這說(shuō)明它們具有共同特征。例如三種丙氨酸tRNA（tRNAAlm/CUA,tRNAAim/GGC,tRNAAin/UGC都具有G3：U70副密碼子。）但沒(méi)有充分的證據說(shuō)明其它氨基酰tRNA合成酶也識別同功tRNA組中相同的副密碼子。另外副密碼子也沒(méi)有固定的位置，也可能并不止一個(gè)堿基對。

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、大腸桿菌細胞翻譯起始復合物形成的過(guò)程：

⑴核糖體30S小亞基附著(zhù)于mRNA起始信號部位：原核生物中每一個(gè)mRNA都具有其核糖體結合位點(diǎn)，它是位于A(yíng)UG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，因此SD序列也叫做核糖體結合序列，這種互補就意味著(zhù)核糖體能選擇mRNA上AUG的正確位置來(lái)起始肽鏈的合成，該結合反應由起始因子3（IF-3）介導，另外IF-1促進(jìn)IF-3與小亞基的結合，故先形成IF3-30S亞基-mRNA三元復合物。

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

蛋白質(zhì)合成

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

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

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

⑶ATP水解為ADP供給mRNA結合所需要的能量。

真核細胞起始復合物的形成過(guò)程是：

翻譯起始也是由eIF-3結合在40S小亞基上而促進(jìn)80S核糖體解離出60S大亞基開(kāi)始，同時(shí)eIF-2在輔eIF-2作用下，與Met-tRNAfmet及GTP結合，再通過(guò)eIF-3及eIF-4C的作用，先結合到40S小亞基，然后再與mRNA結合。mRNA結合到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(lái)供能，通過(guò)帽結合因子與mRNA的帽結合而轉移到小亞基上。但是在mRNA5’端并未發(fā)現能與小亞基18SRNA配對的S-D序列。目前認為通過(guò)帽結合后，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(lái)，進(jìn)行翻譯起始。

肽鏈步驟

多肽鏈的延長(cháng)在多肽鏈上每增加一個(gè)氨基酸都需要經(jīng)過(guò)進(jìn)位，轉肽和移位三個(gè)步驟。⑴為密碼子所特定的氨基酸tRNA結合到核蛋白體的A位，稱(chēng)為進(jìn)位。氨基酰tRNA在進(jìn)位前需要有三種延長(cháng)因子的作用，即，熱不穩定的E（Unstable temperature,EF）EF-Tu，熱穩定的EF(stable temperature EF,EF-Ts）以及依賴(lài)GTP的轉位因子。EF-Tu首先與GTP結合，然后再與氨基酰tRNA結合成三元復合物，這樣的三元復合物才能進(jìn)入A位。此時(shí)GTP水解成GDP，EF-Tu和GDP與結合在A(yíng)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構之前被切除。其過(guò)程是：① 去甲酰化；② 去蛋氨酰基。

⑵氨基酸的修飾：由專(zhuān)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(zhuān)一性的氧化酶催化，將-SH氧化為-S-S-。

⑷肽段的切除：由專(zhuān)一性的蛋白酶催化，將部分肽段切除。

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

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行功能的場(chǎng)所稱(chēng)為靶向輸送。大多數情況下，被輸送的蛋白質(zhì)分子需穿過(guò)膜性結構，才能到達特定的地點(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(chēng)為信號肽。分泌型蛋白質(zhì)的定向輸送，就是靠信號肽與胞漿中的信號肽識別粒子（SRP）識別并特異結合，然后再通過(guò)SRP與膜上的對接蛋白（DP）識別并結合后，將所攜帶的蛋白質(zhì)送出細胞。

信號肽假說(shuō)：信號肽位于新合成的分泌蛋白N端。對分泌蛋白的靶向運輸起決定作用。①細胞內的信號肽識別顆粒（SRP）識別信號肽，使肽鏈合成暫時(shí)停止，SRP引導核蛋白體結合粗面內質(zhì)網(wǎng)膜；②SRP識別、結合內質(zhì)網(wǎng)膜上的對接蛋白，水解GTP使SRP分離，多肽鏈繼續延長(cháng)；③信號肽引導延長(cháng)多肽進(jìn)入內質(zhì)網(wǎng)腔后，經(jīng)信號肽酶切除。分泌蛋白在高爾基體包裝成分泌顆粒出胞。

生物調控

生物體內蛋白質(zhì)合成的速度，主要在轉錄水平上，其次在翻譯過(guò)程中進(jìn)行調節控制。它受性別、激素、細胞周期、生長(cháng)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錄的速度決定。弱化作用是一個(gè)通過(guò)翻譯產(chǎn)物的過(guò)量與不足首先影響轉錄，從而調節翻譯速度的一種方式。mRNA的結構和性質(zhì)也能調節蛋白質(zhì)合成的速度。

真核生物轉錄與翻譯不是偶聯(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(guò)轉錄和轉錄后加工及mRNA的結構和性質(zhì)（如帽子結構和多聚A尾巴等）（見(jiàn)信使核糖核酸）進(jìn)行調控外，通過(guò)對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的因素能調節翻譯的速度。用哺乳動(dòng)物網(wǎng)織紅細胞的無(wú)細胞制劑進(jìn)行離體研究指出，當缺乏血紅素時(shí)，因為無(wú)法形成血紅蛋白，沒(méi)有必要合成蛋白質(zhì)。實(shí)驗證明血紅素的調控是通過(guò)一種稱(chēng)為血紅素調控阻遏物（HCR）實(shí)現的。HCR有活潑和不活潑的兩種狀

血紅素通過(guò)影響eIF－2對蛋白質(zhì)進(jìn)行調控。當血紅素存在時(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胞合成蛋白質(zhì)，如促進(jìn)肝癌細胞、海拉細胞和腹水瘤細胞無(wú)細胞制劑的蛋白質(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(zhuān)一性，這對于研究合成機制很重要。許多臨床有效的抗生素是通過(guò)特異抑制原核生物的蛋白質(zhì)合成而發(fā)揮作用的，它們抑制細菌生長(cháng)而不損害人體細胞。利用兩類(lèi)生物蛋白質(zhì)合成的差異，可以找出治療細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(zhuān)一性。