蛋白質(zhì)的生物合成
一.蛋白質(zhì)生物合成(protein biosynthesis)也稱翻譯(translation),是生物細胞以mRNA為模板,按照mRNA分子中核苷酸的排列順序所組成的密碼信息合成蛋白質(zhì)的過程。將核酸中 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息,通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。蛋白質(zhì)生物合成是基因表達的最終階段。
1.反應(yīng)過程:氨基酸的活化,肽鏈的生物合成(起始、延長和終止),肽鏈形成后的加工和靶向輸送。
2.生物學(xué)意義:蛋白質(zhì)合成在細胞生命過程中有至關(guān)重要的核心作用(生命必需和藥物作用靶點)。
二.蛋白質(zhì)生物合成體系:
1.基本原料:20種編碼氨基酸。
2.三種RNA:mRNA---模板; tRNA ---適配器;核蛋白體---裝配機。
3.主要酶和蛋白質(zhì)因子:氨基酰-tRNA合成酶、轉(zhuǎn)肽酶、起始因子、延長因子、釋放因子等。
4.能源物質(zhì):ATP、GTP。
5.無機離子:Mg2+、K+。
三.mRNA的基本結(jié)構(gòu)。
1.組成:5’-端非翻譯區(qū)、開放閱讀框架、3’-端非翻譯區(qū)。
2.從mRNA 5’-端起始密碼子AUG到3’-端終止密碼子之間的核苷酸序列,稱為開放閱讀框架(ORF)。
3.順反子:遺傳學(xué)將編碼一個多肽的遺傳單位稱為。
四.遺傳密碼。
1.密碼子(codon):在mRNA的開放閱讀框架區(qū),從5’至3’方向,由AUG開始,每3個核苷酸為一組,決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號,稱為三聯(lián)體密碼(有43個)。其破譯在生物學(xué)史上有里程碑的意義。
2.有意義密碼:能決定氨基酸的密碼子(61個)。
3.起始密碼子(initiation codon):AUG。
4.終止密碼子(termination codon) :UAA、UAG、UGA。
5.特點:方向性(directional。翻譯時遺傳密碼的閱讀方向是5’→3’,即讀碼從mRNA的起始密碼子AUG開始,按5’→3’的方向逐一閱讀,直至終止密碼子)、連續(xù)性(non-punctuated。編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀,密碼子及密碼子的各堿基之間既無間隔、無重疊)、簡并性(degenerate。一種氨基酸可具有2個或2個以上的密碼子為其編碼,存在三中讀二的規(guī)律)、通用性(universal。從簡單的病毒到高等的人類,幾乎使用同一套遺傳密碼)、擺動性(wobble。轉(zhuǎn)運氨基酸的tRNA的反密碼子需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結(jié)合,但反密碼子與密碼子間不嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律,稱為擺動配對。通常出現(xiàn)在密碼子的第3位堿基與反密碼子的第1位堿基之間)。
五.核蛋白體的組成。
1.核蛋白體又稱核糖體,是由rRNA和多種蛋白質(zhì)結(jié)合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒,是蛋白質(zhì)生物合成的場所。
2.原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:A位氨基酰位、P位肽酰位、E位排出位。
六.tRNA。
1.結(jié)構(gòu):二級結(jié)構(gòu)三葉草型(由氨基酸臂、反密碼環(huán)、DHU環(huán)、TΨC環(huán)組成),三級結(jié)構(gòu)呈L型。
2.作用:運載氨基酸(氨基酸各由其特異的tRNA攜帶,一種氨基酸可有幾種對應(yīng)的tRNA,氨基酸的羧基結(jié)合在tRNA 3ˊ-CCA的位置(形成酯鍵),結(jié)合需要ATP供能);充當適配器(每種tRNA的反密碼子決定了所攜帶的氨基酸能準確地在mRNA上對號入座)。
七.重要的酶類。
1.氨基酰-tRNA合成酶:催化氨基酸的活化;
2.轉(zhuǎn)肽酶(peptidase):催化核蛋白體P位上的肽酰基轉(zhuǎn)移至A位氨基酰-tRNA的氨基上,使酰基與氨基結(jié)合形成肽鍵;并受釋放因子的作用后發(fā)生變構(gòu),表現(xiàn)出酯酶的水解活性,使P位上的肽鏈與tRNA分離;
3.轉(zhuǎn)位酶(translocase):催化核蛋白體向mRNA3’-端移動一個密碼子的距離,使下一個密碼子定位于A位。
八.蛋白因子(原核生物)。
1.起始因子:IF-1(占據(jù)A位防止結(jié)合其他tRNA)、IF-2(促進起始tRNA與小亞基結(jié)合)、IF-3?(促進大小亞基分離,提高P位對結(jié)合起始tRNA的敏感性)。
2.延長因子:EF-Tu(促進氨基酰-tRNA進入A位,結(jié)合并分解GTP)、EF-Ts?(調(diào)節(jié)亞基)、EF-G?(有轉(zhuǎn)位酶活性,促進mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P位,促進tRNA卸載與釋放)。
3.釋放因子: RF-1(特異識別UAA、UAG,誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ッ福F-2,(特異識別UAA、UGA,誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)變?yōu)轷ィF-3(可與核蛋白體其他部位結(jié)合,有GTP酶活性,能介導(dǎo)RF-1及RF-2與核蛋白體的相互作用)。
九.能源物質(zhì)(ATP和GTP)及離子(Mg2+、K+ 等)。
十.氨基酸與特異的tRNA結(jié)合形成氨基酰-tRNA的過程稱為氨基酸的活化。參與氨基酸的活化的酶為氨基酰-tRNA合成酶。
1.反應(yīng)過程:氨基酸與tRNA在氨基酰-tRNA合成酶作用下消耗一分子ATP生成氨基酰- tRNA。
2.結(jié)構(gòu):氨基酰-tRNA合成酶有3個結(jié)合位點,氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷,氨基酰轉(zhuǎn)移到tRNA上,tRNA負載了氨基酸。
3.特性:氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性;該酶與二者中之一結(jié)合后,空間構(gòu)像改變,選擇性與對應(yīng)氨基酸的結(jié)合。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。
十一.蛋白質(zhì)生物學(xué)合成中的保真性機制。
1.密碼子與反密碼子的辨認結(jié)合。
2.氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。
3.氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。
4.核糖體對氨基酰-tRNA的進位具有校正作用。
十二.起始氨基酰-tRNA。
十三.原核生物肽鏈合成起始:指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物的過程。
十四.原核生物肽鏈合成延長:又稱為核蛋白體循環(huán)。在mRNA模板的指導(dǎo)下,氨基酸依次進入核蛋白體并聚合成多肽鏈的過程。每輪循環(huán)使多肽鏈增加一個氨基酸殘基。
十五.原核生物肽鏈合成終止:指核蛋白體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子后,多肽鏈合成停止,肽鏈從肽酰-tRNA中釋出,mRNA、核蛋白體大、小亞基等分離的過程,需要釋放因子RF-1、RF-2和 RF-3(RF: 識別終止密碼子;激活成肽酶的酯酶活性)參與。
十六.多聚核蛋白體(polysome):1條mRNA模板鏈都可附著10~100個核蛋白體,這些核蛋白體依次結(jié)合起始密碼子并沿5′→3′方向讀碼移動,同時進行肽鏈合成,這種mRNA與多個核蛋白體形成的聚合物稱為多聚核蛋白體。多聚核蛋白體的形成可以使蛋白質(zhì)生物合成以高速度、高效率進行。
十七.真核生物肽鏈合成起始:
1. 核蛋白體大小亞基分離;
2. 起始氨基酰-tRNA的結(jié)合;
3. mRNA在小亞基定位結(jié)合;
4. 核蛋白體大亞基結(jié)合。
十八.真核生物肽鏈合成延長:真核生物肽鏈合成的延長過程與原核生物基本相似,但有不同的反應(yīng)體系和延長因子。另外,真核細胞核蛋白體沒有E位,轉(zhuǎn)位時卸載的tRNA直接從P位脫落。
十九.真核生物肽鏈合成終止:真核生物翻譯終止過程與原核生物相似,但只有1個釋放因子eRF,可識別所有終止密碼子,完成原核生物各類RF的功能。
二十.原核生物與真核生物肽鏈合成過程的主要差別。
原核生物
真核生物
mRNA
一條mRNA編碼幾種蛋白質(zhì)(多順反子)
一條mRNA編碼一種蛋白質(zhì)(單順反子)
轉(zhuǎn)錄后很少加工
轉(zhuǎn)錄后進行首尾修飾及剪接
轉(zhuǎn)錄、翻譯和mRNA的降解可同時發(fā)生
mRNA在核內(nèi)合成,加工后進入胞液,再作為模板指導(dǎo)翻譯
核蛋白體
30S小亞基+50S大亞基?70S核蛋白體
40S小亞基+60S大亞基?80S核蛋白體
起始階段
起始氨基酰-tRNA為fMet-tRNAfMet
起始氨基酰-tRNA為Met-tRNAiMet
核蛋白體小亞基先與mRNA結(jié)合,再與fMet-tRNAfMet結(jié)合
核蛋白體小亞基先與Met-tRNAiMet結(jié)合,再與mRNA結(jié)合
mRNA中的S-D序列與16S rRNA 3¢-端的一段序列結(jié)合
mRNA中的帽子結(jié)構(gòu)與帽子結(jié)合蛋白復(fù)合物結(jié)合
3種IF參與起始復(fù)合物的形成
有至少10種eIF參與起始復(fù)合物的形成
延長階段
延長因子為EF-Tu、EF-Ts和EF-G
延長因子為eEF-1α、eEF-1βγ和eEF-2
終止階段
釋放因子為RF-1、RF-2和RF-3
釋放因子為eRF
二十一.多肽鏈折疊為天然構(gòu)象的蛋白質(zhì):新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成,新生肽鏈N-端在核蛋白體上一出現(xiàn),肽鏈的折疊即開始。可能隨著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊,產(chǎn)生正確的二級結(jié)構(gòu)、模序、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間構(gòu)象。一般認為,多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質(zhì)折疊的信息,即一級結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。細胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動完成,而需要其他酶和蛋白質(zhì)輔助。
熱休克蛋白(HSP):熱休克蛋白屬于應(yīng)激反應(yīng)性蛋白質(zhì),高溫應(yīng)激可誘導(dǎo)該蛋白質(zhì)合成。熱休克蛋白可促進需要折疊的多肽折疊為有天然空間構(gòu)象的蛋白質(zhì)。包括HSP70、HSP40和GrpE三族。人類細胞中HSP蛋白質(zhì)家族可存在于胞漿、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔、線粒體、胞核等部位,涉及多種細胞保護功能:如使線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)保持未折疊狀態(tài)而轉(zhuǎn)運、跨膜,再折疊成功能構(gòu)象;通過類似上述機制,避免或消除蛋白質(zhì)變性后因疏水基團暴露而發(fā)生的不可逆聚集,以利于清除變性或錯誤折疊的多肽中間物等。
伴侶蛋白:伴侶蛋白是分子伴侶的另一家族,如大腸桿菌的Gro EL和Gro ES(真核細胞中同源物為HSP60和HSP10)等家族。其主要作用是為非自發(fā)性折疊蛋白質(zhì)提供能折疊形成天然空間構(gòu)象的微環(huán)境。Gro EL與Gro ES的結(jié)構(gòu)特征。
二十二.蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)修飾主要是肽鍵水解和化學(xué)修飾。
二十三.空間結(jié)構(gòu)的修飾。
二十四.蛋白質(zhì)在核蛋白體上合成后,必須被分選出來,經(jīng)過復(fù)雜機制定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細胞靶部位,這一過程稱為蛋白質(zhì)的靶向輸送。蛋白質(zhì)的靶向輸送與翻譯后修飾過程同步進行。新生蛋白質(zhì)的去向:細胞液、細胞器、細胞外。
二十五.靶向輸送的蛋白質(zhì)N-端存在信號序列。
1.所有靶向輸送的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在分選信號,主要是N末端特異氨基酸序列,可引導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞的適當靶部位,這類序列稱為信號序列(signal sequence)。
2.信號序列是決定蛋白質(zhì)靶向輸送特性的最重要元件,提示指導(dǎo)蛋白質(zhì)靶向輸送的信息存在于蛋白質(zhì)自身的一級結(jié)構(gòu)中。
3.信號肽:N-端含1個或幾個帶正電荷的堿性氨基酸殘基,如賴氨酸、精氨酸;
中段為疏水核心區(qū),主要含疏水的中性氨基酸,如亮氨酸、異亮氨酸等;C-端加工區(qū)由一些極性相對較大、側(cè)鏈較短的氨基酸組成,緊接著是被信號肽酶裂解的位點。
二十六.分泌型蛋白質(zhì)由分泌小泡靶向輸送至胞外。核蛋白體上合成的肽鏈先由信號肽引導(dǎo)進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔并被折疊成為具有一定功能構(gòu)象的蛋白質(zhì),在高爾基復(fù)合體中被包裝進分泌小泡,轉(zhuǎn)移至細胞膜,再分泌到細胞外。
二十七.蛋白質(zhì)6-磷酸甘露糖基化是靶向輸送至溶酶體的信號。
二十八.靶向輸送至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)C-端含有滯留信號序列。與分泌型蛋白質(zhì)一樣,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的駐留蛋白質(zhì)先經(jīng)粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的附著核蛋白體合成并進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔,然后隨囊泡輸送到高爾基復(fù)合體。但是,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)多肽鏈的C-端含有滯留信號序列,可與相應(yīng)受體結(jié)合。在高爾基復(fù)合體上,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)通過其滯留信號序列與受體結(jié)合后,隨囊泡輸送回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。
二十九.質(zhì)膜蛋白質(zhì)的靶向輸送由囊泡轉(zhuǎn)移到細胞膜。質(zhì)膜蛋白質(zhì)合成時在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的跨膜機制與分泌型蛋白質(zhì)的跨膜機制相似,但是,質(zhì)膜蛋白質(zhì)的肽鏈并不完全進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔,而是錨定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上;不同類型的跨膜蛋白質(zhì)以不同的形式錨定于膜上。
三十.線粒體蛋白質(zhì)以其前體形式在胞液合成后靶向輸入線粒體。絕大部分線粒體蛋白質(zhì)是由核基因組編碼、在胞液中的游離核蛋白體上合成后釋放、靶向輸送到線粒體中的。線粒體蛋白以前體形式在胞液合成后輸送至線粒體,在線粒體內(nèi)折疊成有功能的蛋白質(zhì)。需要導(dǎo)肽(新生蛋白N-端一段大約20~80個氨基酸的肽鏈, 通常帶正電荷的堿性氨基酸(特別是精氨酸和賴氨酸)含量較為豐富)。
三十一.細胞核蛋白質(zhì)在胞液中合成后經(jīng)核孔靶向輸送入核。
三十二.許多抗生素通過抑制蛋白質(zhì)生物合成發(fā)揮作用。
三十二.其他干擾蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì):
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