備課素材：蛋白質(zhì)的生物合成與修飾 第一學(xué)期高中生物學(xué)必修二

蛋白質(zhì)的生物合成與修飾蛋白質(zhì)生物合成：是指DNA結(jié)構(gòu)基因中儲存的遺傳信息，通過轉(zhuǎn)錄生成mRNA，再指導(dǎo)多肽鏈合成的過程。翻譯：在生物合成的過程中，mRNA上來自DNA基因編碼的核苷酸序列信息轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)中的氨基酸序列，稱為翻譯。一、蛋白質(zhì)合成體系的組成1.mRNA是翻譯的直接模板

原核生物中，數(shù)個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)在一起，構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的一段mRNA可以編碼多種蛋白質(zhì)，稱為多順反子，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物不需要加工，可直接翻譯。

真核生物中，結(jié)構(gòu)基因的遺傳信息是不連續(xù)的，mRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需加工后成熟才能進行反應(yīng)，真核生物的一個mRNA只能編碼一種蛋白質(zhì)，稱為單順反子。mRNA包括5'-非翻譯區(qū)、開放閱讀框、3'-非翻譯區(qū)。在閱讀框內(nèi)，每相鄰3個核苷酸組成一個三聯(lián)體的遺傳密碼，編碼一種氨基酸。UAA、UAG、UGA三個密碼子作為終止密碼子，不編碼任何氨基酸。AUG既是起始密碼子，也可以編碼甲硫氨酸。遺傳密碼的特點：（1）方向性：mRNA上遺傳密碼的閱讀方向只能是5'—3'（起始密碼子在mRNA的5'端，終止密碼子在3'端），這種方向性也決定了多肽鏈合成的方向是氨基端到羧基端。（2）連續(xù)性：mRNA的遺傳密碼是連續(xù)的，無間隔區(qū)。如果在mRNA鏈中發(fā)生堿基的插入或缺失，可造成框移突變。（3）簡并性：不同密碼子可對應(yīng)同一氨基酸。除甲硫氨酸和色氨酸只有一個密碼子外，其他均有兩個以上密碼子。（4）擺動性：翻譯過程中，密碼子和反密碼子有時出現(xiàn)不遵守堿基配對規(guī)律的情況，稱為擺動配對。如tRNA反密碼子的第一位出現(xiàn)稀有堿基次黃嘌呤（I），可分別與密碼子第三位堿基U、C、A配對。擺動配對讓密碼子與反密碼子之間相互識別更靈活。（5）通用性：蛋白質(zhì)合成的遺傳密碼適用于所有生物。2.核糖體是肽鏈合成的場所（1）真核細胞核糖體可以游離存在，也可以與細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合形成粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。（2）核糖體由大、小兩個亞基組成，每個亞基都由核糖核蛋白和rRNA組成。（3）原核生物核糖體至少有6個功能部位：a.容納mRNA的部位b.結(jié)合氨基酰tRNA的氨基酰位（A位）c.結(jié)合肽酰tRNA的肽酰位（P位）d.tRNA排出位（E位）e.肽酰轉(zhuǎn)移酶的位置f.轉(zhuǎn)位酶的位置3.tRNA是氨基酸的轉(zhuǎn)運載體

在翻譯時，帶著不同氨基酸的tRNA通過反密碼環(huán)上的反密碼子與mRNA相對應(yīng)的密碼子相識別，其3'端的氨基酸接受臂CCA序列中A的3'末端的羥基與相應(yīng)氨基酸的羧基結(jié)合，攜帶有氨基酸的tRNA稱為氨基酰-tRNA。4.肽鏈合成需要的酶和蛋白因子蛋白質(zhì)合成消耗能量（GTP），需要轉(zhuǎn)肽酶、氨基酸-tRNA合成酶等多種酶參加，還需要其他核糖體外的蛋白因子：（1）起始因子。真核eIF；原核IF（2）延長因子。真核eEF；原核EF（3）釋放因子。真核eRF；原核RF二、蛋白質(zhì)合成的過程1.氨基酸的活化和轉(zhuǎn)運在蛋白質(zhì)的合成過程中，原料氨基酸以氨基-tRNA形式進行運輸并參與肽鍵形成。催化氨基酰-tRNA合成的酶是：氨基酰-tRNA合成酶，反應(yīng)分為兩步。（1）氨基酸與ATP反應(yīng)生成氨基酰腺苷酸（2）氨基酰-AMP的氨?；晦D(zhuǎn)移到tRNA的3'端，形成氨基酰-tRNA。總反應(yīng)：氨基酸+ATP+tRNA=氨基酰-tRNA+AMP+ppi(消耗2個高能鍵)原核生物的起始密碼只能辨認甲?；募琢虬彼幔∟-甲酰甲硫氨酸，fMet），表示為fMet-tRNAi(fMet)。fMet的甲?；怯蒒10-甲酰四氫葉酸轉(zhuǎn)移到甲硫氨酸上。補充：氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性，它能把錯配的氨基酸水解下來，再換上與反密碼子相對應(yīng)的氨基酸。2.核糖體循環(huán)

核糖體循環(huán)是從起始密碼AUG開始的，直至終止密碼出現(xiàn)。這一過程可分為起始（initiation）、延長（elongation）、終止（termination）。起始階段翻譯的起始是指mRNA、起始氨基酰-tRNA分別與核蛋白體結(jié)合形成復(fù)合物的過程。（模板、原料、加工廠）原核生物：（1）核糖體大小亞基分離：蛋白質(zhì)合成是連續(xù)進行的，肽鏈延長過程中，大小亞基是聚合的。一條肽鏈完成合成后，IF-3、IF-1與小亞基結(jié)合，促使大小亞基分離。（2）mRNA與小亞基定位結(jié)合：原核細胞中，mRNA上有很多起始密碼子AUG，如何識別這么多的AUG位點呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在AUG上游10bp左右，通常含有一段六聚體序列（-AGGAGG-），稱為SD序列。它與原核生物小亞基16S-rRNA3'端的短序列（-UCCUCC-）互補，從而使mRNA與小亞基結(jié)合。因此，mRNA的SD序列又稱為核糖體結(jié)合位點。（3）起始fMet-tRNAi(fMet)的結(jié)合：a.原核生物核糖體有3個tRNA結(jié)合位點：氨基酰-tRNA進入A位；肽酰-tRNA進入P位；去氨酰的tRNA通過E位排出。b.A位、P位由大小亞基一起參與構(gòu)成，而E位只由大亞基構(gòu)成。c.fMet-tRNAi(fMet)與核糖體的結(jié)合受IF-2控制。在IF-2的幫助下，fMet-tRNAi(fMet)識別核糖體P位的mRNA上的密碼子AUG，并與之結(jié)合。d.起始時，IF-1結(jié)合在A位，阻止氨酰基-tRNA的進入，也可以阻止大亞基（50S）和小亞基（30S）結(jié)合。mRNA、fMet-tRNAi(fMet)與小亞基的結(jié)合好比運動員進入賽道，在賽道起點準備聽裁判鳴槍比賽（mRNA是賽道，運動員是核糖體，fMet-tRNAi(fMet)是裁判員）（4）70S起始復(fù)合物形成：當大小亞基結(jié)合時，IF-2具有GTP酶活性。當結(jié)合了mRNA、fMet-tRNAi(fMet)的小亞基再與大亞基結(jié)合時，IF-2水解GTP釋放能量，促使IF-1、IF-2、IF-3釋放，形成由完整核糖體、mRNA、起始氨基酰-tRNA組成的復(fù)合物。此時，結(jié)合AUG的fMet-tRNAi(fMet)占據(jù)P位，A位空出，為肽鏈延長做準備。真核生物：

真核生物的翻譯起始過程與原核類似，但需要的組分不同。如核糖體為80S，起始因子數(shù)目更多，起始甲硫氨酸不需要甲?；?，且成熟mRNA分子內(nèi)部沒有核糖體結(jié)合位點。小亞基首先識別結(jié)合5'端帽子結(jié)構(gòu)，再移向起始點，并在那里與大亞基結(jié)合。（1）核糖體大小亞基分離：真核起始因子eIF-2B、eIF-3與小亞基結(jié)合，并在eIF-6的參與下，促進無活性的80S核糖體解聚成40S和60S。（2）起始Met-tRNAi(Met)的結(jié)合：與原核生物不同，真核生物小亞基先與起始氨基酰-tRNA結(jié)合，再與mRNA結(jié)合。首先Met-tRNAi(Met)與eIF-2、eIF-1結(jié)合為三元聚合物，然后與游離狀態(tài)的小亞基P位結(jié)合，形成43S復(fù)合物。這個過程需要eIF-3、eIF-4C的幫助，eIF-3使40S小亞基保持游離狀態(tài)。（3）mRNA與小亞基結(jié)合：eIF-4F復(fù)合物（帽子結(jié)構(gòu)復(fù)合物）包括eIF-4E、eIF-4A、eIF4G。它可以幫助上面的43S復(fù)合物與mRNA的5'端結(jié)合。其中eIF-4E（帽結(jié)合蛋白）結(jié)合5'帽子；3'端polyA尾與polyA結(jié)合蛋白（PABP）結(jié)合，它們這一群結(jié)合成一個復(fù)合物。（4）小亞基沿mRNA掃描查找起始點：5'帽子與起始AUG距離較遠，小亞基從5'—3'，直到找到啟動信號AUG。但是只掃描到AUG還不行，還必須是AUG上下游有合適的序列，最適序列為GCC（A/G）CCAUGG，在AUG上游的第三個嘌呤（A/G）與緊隨其后的G是最重要的。小亞基掃描到AUG后，Met-tRNAi(Met)與mRNA準確定位結(jié)合成48S復(fù)合物。（5）80S復(fù)合物的形成：48S復(fù)合物定位于起始密碼子后，在eIF-5作用下，迅速與60S大亞基結(jié)合形成80S復(fù)合物。eIF-5是一種GTP酶，水解GTP，促使eIF-2、eIF-3釋放延長階段肽鏈的延長是指在mRNA密碼子指導(dǎo)下，由特意tRNA攜帶相應(yīng)氨基酸運至核糖體的受位，使肽鏈依次從N端向C端逐漸延伸。這里涉及到核糖體循環(huán)，每次循環(huán)分三個階段：進位、成肽、轉(zhuǎn)位。（1）進位肽鏈的合成被啟動后，核糖體P位已被起始氨基酰-tRNA占據(jù)，但A位是空的。進位就是第二個氨基酰-tRNA進入核糖體的A位，又稱注冊（registration），這一過程在原核細胞需要延長因子EF-T參與。EF-T分為EF-Tu和EF-Ts兩個亞基。當EF-Tu結(jié)合GTP時，兩個亞基分離，使EF-Tu-GTP處于活性狀態(tài)。進位時，活性的EF-Tu-GTP與氨基酰-tRNA結(jié)合，把它帶到A位。任務(wù)完成后，EF-Tu-GTP分解自身GTP產(chǎn)生能量，使其從核糖體排出。這時候EF-Ts與EF-Tu-GDP結(jié)合，把GDP置換出去，重新生成EF-T二聚體，繼而再與GTP結(jié)合，進行下一次進位。進位的過程，好比一對情侶中插入了一個第三者，有一人跟第三者跑了，后來又回到前任旁邊，把第三者踢了。（2）成肽成肽就是肽基轉(zhuǎn)移酶催化肽鍵的形成。進位后核糖體的A位和P位各結(jié)合一個氨基酰-tRNA，在肽基轉(zhuǎn)移酶的催化下，P位上起始tRNA所攜帶的甲硫氨酸的α-羧基與A位上氨基酸的α-氨基形成肽鍵，此過程在A位上進行，不耗能。（肽基轉(zhuǎn)移酶是個核酶）（3）轉(zhuǎn)位a.第一個肽鍵形成以后，二肽酰-tRNA占據(jù)核糖體A位，而卸載的tRNA仍在P位。b.轉(zhuǎn)位是指核糖體向mRNA的3'端移動一個密碼子（3個堿基）的距離，A位上的二肽酰-tRNA轉(zhuǎn)移至P位，A位空出。在原核生物中，P位卸載的tRNA進入E位，并由此排出。（真核細胞核糖體沒有E位，轉(zhuǎn)位時卸載的tRNA可以直接從P位排出）c.在原核生物，轉(zhuǎn)位依賴延長因子EF-G和GTP。EF-G有轉(zhuǎn)錄酶活性，可水解GTP產(chǎn)生能量促進核糖體向mRNA的3'端移動。（真核中與EF-G功能類似的是eEF-2）d.轉(zhuǎn)位后，mRNA分子上的第三個密碼子進入A位，為下一個氨基酰-tRNA進位做好準備。再進入第二輪循環(huán)，進位-成肽-轉(zhuǎn)位，每一輪循環(huán)肽鏈將增加一個氨基酸殘基。需注意的是：每次成肽反應(yīng)都是P位的肽酰-tRNA上的氨基酸鏈轉(zhuǎn)移到A位上。（不是新的氨基酸加到舊的上，是舊的氨基酸安裝到新的上）終止階段翻譯的終止涉及兩個階段：識別終止密碼，釋放肽鏈；終止反應(yīng)后釋放tRNA和mRNA，大小亞基分離。研究證明終止密碼子不是由tRNA識別，而是蛋白因子。原核生物的翻譯終止：（1）mRNA的終止密碼子UAA（UAG/UGA）進入A位時，釋放因子與GTP結(jié)合后能識別終止密碼子，形成RF-1-RF-2-RF-3-GTP復(fù)合物結(jié)合在核糖體上。（2）復(fù)合物的結(jié)合改變了轉(zhuǎn)肽酶的構(gòu)象，使其具有水解酶的活性，使P位上的tRNA與多肽鏈之間的酯鍵被水解，釋放出多肽。（需要RF-3水解GTP產(chǎn)生能量）（3）與GDP結(jié)合的釋放因子及P位上空載的tRNA依次從核糖體脫落，并解離成大小亞基。（真核生物的釋放因子是eER1-eEF3-GTP復(fù)合物）三、翻譯后加工翻譯后修飾：新合成的多肽鏈大多沒有正常的生理功能，許多蛋白質(zhì)在肽鏈合成后，需要一定的加工或修飾，才能行使正常生理功能。翻譯后修飾的主要方式：1.新合成的多肽鏈的加工和修飾（1）脫N-甲?；騈-蛋氨酸原核生物起始氨基酸“去”甲?；徽婧松锲鹗技琢虬彼幔ǖ鞍彼幔┲苯用摰?。（2）氨基酸側(cè)鏈的修飾新生肽鏈中往往有一些氨基酸的側(cè)鏈經(jīng)過轉(zhuǎn)移的修飾，如膠原蛋白中脯氨酸、賴氨酸會被羥基化。（3）二硫鍵的形成兩個半胱氨酸殘基側(cè)鏈的巰基化。2.新生多肽鏈中非功能性片段的切除（1）信號肽的切除（2）內(nèi)含肽的切除（3）其他功能片段的切除3.亞基的聚合由多條多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，各個亞基按特定方式聚合。真核生物翻譯水平的調(diào)控表現(xiàn)：

mRNA自身結(jié)構(gòu)的影響，蛋白質(zhì)-mRNA相互作用的調(diào)節(jié)，招募因子的調(diào)節(jié)、肽鏈起始因子的調(diào)節(jié)。（1）mRNA自身結(jié)構(gòu)的影響a.起始密碼旁側(cè)序列的影響真核細胞中，mRNA中合適的起始密碼旁側(cè)序列是小亞基識別起始密碼子AUG所必需的。若旁側(cè)序列不合適，小亞基不會理會起始AUG。b.非翻譯區(qū)的結(jié)構(gòu)與翻譯調(diào)控5'非翻譯區(qū)的序列中若存在連續(xù)的堿基配對，就可以形成發(fā)夾/莖環(huán)結(jié)構(gòu)，阻止核糖體遷移。（2）mRNA與蛋白質(zhì)相互作用的調(diào)控效應(yīng)在真核生物中某些mRNA分子的翻譯可以被特定阻遏蛋白結(jié)合而阻斷。如細胞內(nèi)Fe2+含量低時，鐵蛋白（結(jié)合Fe）mRNA的翻譯被抑制；當游離Fe濃度增高時，鐵蛋白合成阻遏被解除。（3）招募因子的作用招募因子是能促進mRNA與核糖體結(jié)合的因子。（4）翻譯起始因子的調(diào)節(jié)翻譯起始因子活性決定了翻譯的起始水平。起始因子（eIF）可通過磷酸化促進或抑制蛋白質(zhì)的合成。四、干擾素和白喉毒素的抑制作用

干擾素是真核生物細胞感染病毒后產(chǎn)生的一種具有抗病毒作用的蛋白質(zhì)。干擾素的種類：α-（白細胞）型、β-（成纖維細胞）型、γ-（淋巴細胞）型干擾素的作用原理：1.干擾素在雙鏈RNA（某些RNA病毒）存在時，可活化一種蛋白質(zhì)激酶，激酶使eIF-2磷酸化，磷酸后失去啟動翻譯的能力。2.干擾素與雙鏈RNA可共同活化2'-5'A合成酶，該酶可使ATP轉(zhuǎn)化為2'-5'A，進而活化RNaseL（核酸內(nèi)切酶），使mRNA降解。白喉毒素作用機制：白喉毒素可特異性結(jié)合

eIF-2，使其失活從而抑制蛋白質(zhì)合成臨床常用抗生素抑制蛋白質(zhì)合成的作用點和機制：（1）四環(huán)素：抑制起始氨?；?tRNA與核糖體的A位結(jié)合。（2）鏈霉素、卡那霉素：與原核生物30S亞基結(jié)合，引起遺傳信息錯讀，生成錯誤的蛋白質(zhì)。（3）氯霉素：與70S亞基結(jié)合，抑制