第十三章 蛋白質(zhì)的生物合成

1、第十三章 蛋白質(zhì)的生物合成一、教學(xué)基本要求解釋翻譯的概念。寫出蛋白質(zhì)生物合成體系的組成，論述mRNA,tRNA和核蛋白的作用原理。復(fù)述蛋白質(zhì)生物合成過程。簡要寫出真核與原核生物蛋白質(zhì)合成異同及肽鏈合成后的加工過程。解釋分子病，并舉例說明。簡要敘述蛋白質(zhì)合成阻斷劑作用原理。二、教材內(nèi)容精要（一）蛋白質(zhì)的生物合成:1.蛋白質(zhì)的生物合成的概念在生物體細胞內(nèi)，以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)多肽鏈的過程即蛋白質(zhì)的生物合成。在蛋白質(zhì)的生物合成過程中，多肽鏈的氨基酸順序是模板mRNA中的核苷酸排列順序決定的，因此這一過程又稱翻譯（translation）。2.蛋白質(zhì)的生物合成體系除合成原料氨基酸外，蛋白質(zhì)的生物

2、合成體系還包括mRNA、tRNA核（糖核）蛋白體、有關(guān)的酶、蛋白質(zhì)因子、ATP、GTP等功能物質(zhì)及必要的無機離子。(1)mRNA：它是蛋白質(zhì)多肽鏈合成的模板。mRNA5至3方向，若有AUG開始，可以稱為一個開放讀碼框架（open reading），讀碼框架內(nèi)每3個核苷酸組成一個密碼子，如AAA或AAG代表賴氨酸；5 端第一個AUG表示起動信號（initiator codon），并代表甲酰蛋氨酸（細菌）或蛋氨酸（高等動物）；UAA,UAG或UGA表示終止信號（terminator codon）。為氨基酸編碼的密碼子具有如下特點：簡并性（degenerate），即一個以上密碼子體現(xiàn)一個氨基酸遺傳信

3、息的現(xiàn)象。連續(xù)性（commaless），密碼的三聯(lián)體不間斷，須3個一組連續(xù)讀下去。通用性（universal)從病毒、植物到人類，所有生物在蛋白質(zhì)生物合成中都使用一套遺傳密碼。模板上的密碼子可與tRNA的反密碼子（anticodon）互補結(jié)合。(2)tRNA及核（糖核）蛋白體：tRNA是氨基酸的運載體。一種tRNA可攜帶一種氨基酸；而一種氨基酸可由數(shù)種tRNA攜帶。tRNA反密碼子與mRNA密碼子第三個核苷酸配對時，除A-U,G-C外，還可有U-G,I-C,I-A等不穩(wěn)定配對（wobble base pair）。核（糖核）蛋白體是多肽鏈的“裝配機”。由大、小亞基組成，亞基又分別由不同的rRNA

4、分子與多種蛋白質(zhì)分子構(gòu)成。原核小亞基為30S，真核為40S；原核大亞基為50S，真核為60S。整個原核核（糖核）蛋白體大小為70S，真核為80S。在細胞內(nèi)，一類核（糖核）蛋白體附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，參與分泌蛋白質(zhì)的合成；另一類游離于胞質(zhì)中。(3)蛋白質(zhì)因子：現(xiàn)以原核生物中蛋白質(zhì)生物合成為例，介紹參與這一過程的蛋白質(zhì)因子。A1：啟動因子（initiation factor）參與起動。IF1：促使攜帶氨基酰的起動tRNA與小亞基結(jié)合。IF2：功能同上，并有GTP酶活性。IF3：促進小亞基與mRNA特異結(jié)合；在終止階段后促使脫落的核蛋白體解離為大、小亞基。B1：延長因子（elongation factor）

5、。EFTu和EFTs延長因子（elongation factor）作用于肽鏈延長階段。促進氨基酰-tRNA進人核蛋白體的“受位”（acceptorsate)，具有GTP酶活性。EFG作用于肽鏈延長階段。具有GTP酶活性，使轉(zhuǎn)肽后失去肽鏈或蛋氨酰-tRNA從“給位”(donor site）上脫落，并促進移動。C:釋放因子。)RF：識別終止信號，使大亞基轉(zhuǎn)肽酶（transpeptidase）將“給位”上已合成的肽鏈水解釋放。3.蛋白質(zhì)多肽鏈的生物合成過程蛋白質(zhì)的翻譯過程包括氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運，以及核蛋白體循環(huán)（ribosome cycle）。核蛋白體循環(huán)是本章重點內(nèi)容。(1）氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運即參

6、加蛋白質(zhì)合成的氨基酸在特異的氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)催化下由ATP供能并與相應(yīng)得tRNA結(jié)合。氨基酰-tRNA合成酶具有絕對的專一性，酶對氨基酸、tRNA兩種底物都能高度特異的識別。氨基酰-tRNA合成酶還有校對活性，當tRNA攜帶了錯誤的氨基酸時，氨基酰-tRNA合成酶具有水解錯誤氨基酸酯鍵的功能，換上與密碼子相對應(yīng)的氨基酸。(2）核蛋白體循環(huán)可分為啟動(initiation）、肽鏈延長（elongation）及終止（termination)3個階段。1)啟動過程中形成啟動復(fù)合體，此時需要GTP,真核體系中還需ATP.具體步驟：mRNA與小

7、亞基結(jié)合，并有IF1和IF3輔助，與此同時fmet-RNA辨認結(jié)合于mRNA的起始密碼子AUG上，此時IF3脫落，而IF2與GTP參與反應(yīng)；50S的大亞基與小亞基結(jié)合，啟動因子IF1、IF2脫落。fmet-RNA攜帶的第一個蛋氨酸位于核蛋白體的給位（donor site)又叫肽位(peptidyl site)，它位于核蛋白體的左半部分，給位的右側(cè)稱受位(acceptor site)，在核蛋白體的右側(cè)。2)肽鏈延長階段，每增加一個氨基酸，就按進位、轉(zhuǎn)肽、脫落和移位這四個步驟重復(fù)進行。具體步驟：進位：第二個氨基酸進人受位，此步需要延長因子EFTu和EFTs及GTP、Mg2十參加。轉(zhuǎn)肽：50S大亞基

8、給位有轉(zhuǎn)肽酶的存在，可催化肽鍵形成。經(jīng)轉(zhuǎn)肽酶催化，給位上的甲酰蛋氨酸被轉(zhuǎn)移到受位上，與受位的氨基酸的氨基形成肽鍵，此步需要Mg2十和K+。脫落：在給位上的RNAfmet脫落。移位：核蛋白體向mRNA的3 端移動一個密碼子，下一個密碼子進人受位，同時攜有肽鏈的tRNA由受位移至給位，反應(yīng)需要延長因子EFG、GTP與tRNA由受位移至給位，反應(yīng)需要延長因子EFGGTP與Mg2十3)終止階段，需終止因子RF參與,RF使給位的轉(zhuǎn)肽酶變?yōu)樗庾饔茫铣珊玫碾逆湵凰獠暮说鞍左w上釋放。從mRNA上脫落的核蛋白體，分解為大、小兩個亞基，核蛋白體的解締過程需要啟動因子3(IF3)。蛋白質(zhì)合成是需能反應(yīng)，每生

9、成一個肽鍵，共需消耗四個高能磷酸鍵。4)真核生物的蛋白質(zhì)合成與原核大同小異，它的核蛋白體為80S；有啟動作用的氨基酰-tRNA不需要甲酰化，而原核生物需要甲?；?；真核生物的延長因子為EFT1和EFT2；其終止因子為RF，它可以識別3種終止密碼子，而原核生物的終止因子有3種，即RF1,RF2和RF3。蛋白質(zhì)合成具有方向性，即由N端向C端延伸。4.肽鏈合成后的加工（processing）某些蛋白質(zhì)經(jīng)此過程方能形成有生物學(xué)活性的分子。該過程包括：多肽鏈的切除修飾、C端氨基酸酰胺化修飾、N末端乙?；揎?，以及加糖、加脂、磷酸化、羥化、甲基化與羥甲基化等。單純蛋白質(zhì)是由多條肽鏈組成，多個亞單位構(gòu)成的蛋白

10、質(zhì)需經(jīng)亞基聚合過程，復(fù)合蛋白尚有輔助成分參與組成。5.蛋白質(zhì)合成與醫(yī)學(xué)的關(guān)系(1)分子病(molecular diseases)的概念：由于基因缺陷，則可出現(xiàn)RNA與蛋白質(zhì)合成異常，最終導(dǎo)致機體某些結(jié)構(gòu)與功能變異引起的疾病，稱為分子病，例如鐮刀狀紅細胞貧血。這類患者血紅蛋白鏈N端的第六個氨基酸殘基由谷氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)槔i氨酸，這是因結(jié)構(gòu)基因中相應(yīng)得核苷酸的密碼子由來的CTT轉(zhuǎn)變?yōu)镃AT所致。（2）蛋白質(zhì)生物合成的阻斷劑：某些抗生素、細菌毒素、植物毒素、以及干擾素(interferon)等對蛋白質(zhì)合成阻斷作用，可用于對細菌和腫瘤細胞的治療（表12-1）。1)抗生素2)白喉毒素：在哺乳動物體內(nèi)特異的抑制肽

11、鏈延長因子2(EFT-2）的活性，從而抑制蛋白質(zhì)合成。3)干擾素：干擾素抑制病毒蛋白質(zhì)合成的途徑有兩方面，一是在雙鏈RNA存在下可以誘導(dǎo)一種蛋白激酶，由蛋白激酶使eIF-2磷酸化失活，進而抑制病毒蛋白質(zhì)合成；二是干擾素可誘導(dǎo)生成一種寡核苷酸，稱為2-5A,2-5A則活化一種核酸內(nèi)切酶RNaseL，RNaseL通過降解病毒RNA，實現(xiàn)對病毒蛋白合成的抑制?！居洃浄椒ā?蛋白質(zhì)生物合成包括幾方面的內(nèi)容，一是概念定義，例如：翻譯、分子病等，這需要在理解的基礎(chǔ)上加以記憶。二是掌握合成的體系都含有哪些成分，他們的結(jié)構(gòu)和功能是什么？三是合成過程與機制以及真核與原核合成的差異，這需要了解每一步合成的具體反應(yīng)

12、，催化的酶及其他的輔助因子，合成的差異用比較方法來記憶，找出真核與原核合成的共同點與不同之處即可。三、典型試題分析A型題1.遺傳密碼的簡并性指的是（1995年生化試題）A.一些三聯(lián)體密碼可缺少一個嘌呤堿或嘧啶堿B.密碼中有許多稀有堿基C.大多數(shù)氨基酸有一組以上的密碼D.一些密碼適用于一種以上的氨基酸E.以上都不是【答案】C【評析】本題考點：密碼子的特性。在mRNA的編碼區(qū)，每三個前后相聯(lián)的核苷酸組成一個密碼子，每個密碼子只為一個氨基酸編碼，共有64個密碼子，密碼子不重疊使用核苷酸，也無核苷酸間隔。所有生物使用同一套密碼子僅有極少數(shù)例外，此為密碼子的通用性。一種氨基酸可有多個密碼子，此特點稱為密

13、碼子的簡幷性。2.原核生物蛋白質(zhì)生物合成中肽鏈延長所需的能量來源于（1996年生化試題）A.ATP B.GTP C.GDP D.UTP E.CTP【答案】B【評析】本題考點：合成過程中不同階段的能量來源。蛋白質(zhì)合成為二個具體步驟：（1）氨基酸的活化與活化氨基酸的搬運（2）活化氨基酸在核蛋白體上的縮合。第一個步驟需要ATP供能。第二個步驟又稱核蛋白體循環(huán)。具體分為三個階段：（1）啟動階段（2）肽鏈延長階段（3）終止階段。肽鏈延長階段是由進位、轉(zhuǎn)肽、脫落、移位四個具體步驟組成，其中進位和移位都需要GTP供能。3.下列關(guān)于氨基酸密碼的敘述哪一項是正確的（1996年生化試題）A.由DNA鏈中相鄰的三個

14、核苷酸組成 B.由tRNA鏈相鄰的三個核苷酸組成C.由mRNA鏈中相鄰的三個核苷酸組成 D.由rRNA鏈中相鄰的三個核苷酸組成E.由多肽鏈中相鄰的三個氨基酸組成【答案】C【評析】本題考點：哪種物質(zhì)具有編碼氨基酸的功能。 核酸是遺傳物質(zhì)，它由DNA和RNA組成，DNA是遺傳物質(zhì)的攜帶者，它以堿基互補配對原則將信息傳遞給RNA分子。RNA分為三種，tRNA具有攜帶氨基酸的功能，rRNA是合成蛋白質(zhì)的場所，mRNA將從DNA轉(zhuǎn)錄得遺傳信息，以三個核苷酸組成一個氨基酸密碼子的形式，編碼了全部20種氨基酸的密碼子。4.氯霉素的抗菌作用事由于抑制了細菌的（1997年生化試題）A.細胞色素氧化酶 B.核蛋白

15、體上的轉(zhuǎn)肽酶C.基因表達 D.二氫葉酸還原酶【答案】B【評析】本題考點:抗生素阻斷蛋白質(zhì)合成的作用?？股貙θ梭w的許多代謝過程都有干擾作用，例如磺胺類藥物對細菌四氫酸還原酶的競爭性抑制，嘌呤核苷酸代謝物是嘌呤氨基酸或葉酸的類似物，而不同的抗生素阻斷蛋白質(zhì)合成的機制不同。例如：鏈霉素的作用事抑制蛋白質(zhì)的合成的啟動，金霉素的作用阻礙氨基酰tRNA與小亞基結(jié)合等，氯霉素紅霉素等的作用事抑制核蛋白體上的轉(zhuǎn)錄酶。5.一個mRNA的部分順序和密碼編號如下（1998年生化試題）CAG CUC UAU CGG UAG AAU AGC140 141 142 143 144 145 146以此功mRNA為模板，經(jīng)

16、翻譯后生成多肽鏈含有的氨基酸數(shù)是A.140 B.141 C.142 D.143 E.146【答案】D【評析】本題考點：終止密碼子。在64個密碼子中，啟始密碼子是AUG，代表蛋氨酸。三個終止密碼子是：UAA,UAG、UGA，它們只提供終止信號，不編碼任何氨基酸，題中的144位是終止信號。故合成的氨基酸數(shù)應(yīng)是143。6.核蛋白體“受位”的功能是（2003年生化試題）A.催化肽鍵形成 B.從tRNA水解新生肽鏈C.接受新進位的氨基酸t(yī)RNA D.轉(zhuǎn)肽E.活化氨基酸【答案】C【評析】本題考點：核蛋白體大亞基的功能。核蛋白體由大小亞基組成，在肽鏈合成階段，大亞基上的“給位”與攜帶起始密碼子的氨基酰-tR

17、NA相結(jié)合，同時接受每延長一個氨基酸的肽鏈，并有轉(zhuǎn)肽酶活性，終止時有水解新生肽鏈的作用?！笆芪弧苯邮軘y帶每次合成所需要的氨基酰-tRNA，氨基酸之間的肽鍵形成在此完成。X型題1.下列哪些氨基酸是蛋白質(zhì)合成后加工過程形成的（1997年生化試題）A.羥賴氨酸 B.磷酸酪氨酸 C.羥脯氨酸 D.磷酸絲氨酸【答案】ABCD【評析】本題考點：蛋白質(zhì)合成后的加工與修飾。有些蛋白質(zhì)合成后并沒有活性，需要進一步加工后才有生物學(xué)功能，加工的方式包括：肽段的切除和修飾、亞單位的聚合及分泌蛋白的加工。肽段的修飾又有磷酸化、羥基化、糖基化、甲基化及乙?；?。肽段中的賴氨酸和脯氨酸通常被羥基化，肽鏈中的磷酸化主要發(fā)生在

18、蘇氨酸、酪氨酸和絲氨酸上。2.下列哪些成分是核蛋白循環(huán)終止階段所需要的（1999年生化試題）A.核蛋白體 B.終止因子 C.遺傳密碼(UAA,UAG,UGA） D.GTP【答案】ABC【評析】本題考點：參與核蛋白循環(huán)終止階段的組分。多肽鏈合成完成時，核蛋白體復(fù)合物上的受位出現(xiàn)終止信號（UUA），這個標志轉(zhuǎn)入終止階段。終止階段包括合成完肽鏈的水解，核蛋白體與tRNA從mRNA上脫落的過程，這一階段需要終止因子（RF）或稱釋放因子參與。四、復(fù)習(xí)自測試題（一）名詞解釋1翻譯（Protein Biosynthesis，Translation）2順反子 (cistron)（二）選擇題A型題類題 1.真核

19、生物在蛋白質(zhì)生物合成中的啟動tRNA是 A.亮氨酸t(yī)RNA B.丙氨酸t(yī)RNA C.賴氨酸t(yī)RNA D.甲酰蛋氨酸t(yī)RNA E.蛋氨酸t(yī)RNA 2.哺乳動物核蛋白體大亞基的沉降常數(shù)是 A.40S B.70S C.30S D.80S E.60S類題1.使核蛋白體大小亞基保持分離狀態(tài)的蛋白質(zhì)因子是A.IFl B.IF2 C.IF3 D.ER E.EF22.兼可抑制真、原核生物蛋白質(zhì)生物合成的抗生素是A.放線菌酮 B.四環(huán)素 C.鏈霉素D.抓霉素 E.嘌呤霉素B型題A.嘌呤霉素 B.氯霉素 C. 利福霉素 D.環(huán)己酰亞胺 E.青霉素1.真核生物蛋白質(zhì)合成特異抑制劑2.原核生物蛋白質(zhì)合成特異抑制劑X型題類題1.真核生物合成蛋白質(zhì)，需要ATP的階段是 A.氨基酸活化階段 B.啟動階段 C.肽鏈延長階段 D.終止階段、2.無密碼子的氨基酸是 A.精氨酸 B.異亮氨酸 C.羥脯氨酸 D.鳥氨酸類題1.新生肽鏈合成后加工，可被