【含金量最高】2018-【公卫执业医师】生物化学【考点解读】-第12章

2018年01月25日 来源:来学网

第十二章 蛋白质的生物合成

  蛋白质的生物合成过程,就是将DNA传递给mRNA的遗传信息,再具体地解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程,这一过程被称为翻译(translation)。

  一、蛋白质生物合成的条件。

  生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系,该体系包括:① mRNA:作为蛋白质生物合成的模板,决定多肽链中氨基酸的排列顺序;② tRNA:搬运氨基酸的工具;③ 核糖体(又名核蛋白体):蛋白体生物合成的场所;④ 酶及其他蛋白质因子;⑤ 供能物质及无机离子。

  (一)mRNA:

  作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体,代表一个氨基酸的信息,此三联体就称为密码(coden)。共有64种不同的密码,即4×4×4=64。

  遗传密码具有以下特点:① 连续性;② 简并性;③ 通用性;(但在线粒体或叶绿体中特殊)④ 方向性,即解读方向为5′→ 3′;⑤ 摆动性;⑥ 起始密码:AUG;终止密码:UAA、UAG、UGA。

  (二)tRNA:

  在氨酰-tRNA合成酶催化下,特定的tRNA可与相应的 氨基酸结合,生成氨酰-tRNA,从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。

  tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体,可以识别mRNA上相应的密码,此三联体就称为反密码子(anticoden)。

  反密码对密码的识别,通常也是根据碱基互补原则,即A—U,G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对,并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ(次黄嘌呤),则可与A、U或C配对,如为U,则可与A或G配对,这种配对称为不稳定配对。

  能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA,称为起动tRNA。在原核生物中,起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA,即tRNAifmet;而在真核生物中,起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA,即tRNAimet。

  在原核生物和真核生物中,均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA,识别非起动部位的蛋氨酸密码,AUG。

  (三)rRNA和核糖体:

  原核生物中的核糖体大小为70S,可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成,大亚基由5SrRNA,23SRNA和35种蛋白质构成。

  真核生物中的核糖体大小为80S,也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成,大亚基则由5S rRNA,28S rRNA和50多种蛋白质构成,在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。

  核糖体的大、小亚基分别有不同的功能:

  1.小亚基:可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。

  2.大亚基:

  (1)具有两个不同的tRNA结合点。A位(右)—— 受位或氨酰基位,可与新进入的氨基酰tRNA结合;P位(左)——给位或肽酰基位,可与延伸中的肽酰基tRNA结合。

  (2)具有转肽酶活性:将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA,形成肽键。

  (3)具有GTPase活性,水解GTP,获得能量。

  (4)具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

  在蛋白质生物合成过程中,常常由若干核糖体结合在同一mRNA分子上,同时进行翻译,但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔,形成念球状结构。由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核糖体。

  (四)起动因子(IF)

  这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子,分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子(eIF)。其作用主要是促进核糖体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。

  (五)延长因子(EF)

  这是一些与多肽链合成延伸有关的蛋白因子。原核生物中存在3种延长因子(EFTU,EFTS,EFG),真核生物中存在2种(EF1,EF2)。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核糖体的受体,并可促进移位过程。

  (六)释放因子(RF)

  这是一些与多肽链合成终止有关的蛋白因子。原核生物中有4种,在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码,协助多肽链的释放。

  (七)氨酰-tRNA合成酶

  该酶存在于胞液中,与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。

  每种氨酰-tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性,这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。

  目前认为,该酶对tRNA的识别,是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码,即第二套遗传密码。

  (八)供能物质和无机离子

  多肽链合成时,需ATP、GTP作为供能物质,并需Mg2+、K+参与。

  氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键,肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键,故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。

  二、蛋白质生物合成的过程

  蛋白质生物合成过程包括三大步骤:①氨基酸的活化与搬运;②活化氨基酸在核糖体上的缩合;③多肽链合成后的加工修饰。

  (一)氨基酸的活化与搬运

  氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合,均由氨酰-tRNA合成酶催化完成。

  在此反应中,特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接,形成氨酰-tRNA,从而使活化氨基酸能够被搬运至核糖体上参与多肽链的合成。氨酰-tRNA的合成,可使氨基酸 ①活化;②搬运;③定位。

  (二)活化氨基酸在核糖体上的缩合

  活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核糖体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程,称为核糖体循环。

  核糖体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段,这三个阶段在原核生物和真核生物类似,现以原核生物中的过程加以介绍。

  1、起动阶段:

  (1)30S起动复合物的形成:在起动因子的促进下,30S小亚基与mRNA的起动部位,起动tRNA(fmet-tRNAfmet),和GTP结合,形成复合体。

  原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成,称为SD序列(核糖体结合位点,RBS),可被核蛋白体小亚基辨认结合。

  真核生物中的mRNA具有帽子结构,已知需一种特殊的帽子结合蛋白(CBP)以识别此结构。

  (2)70S起动前复合体的形成:IF3从30S起动复合体上脱落,50S大亚基与复合体结合,形成70S起动前复合体。

  (3)70S起动复合体的形成:GTP被水解,IF1和IF2从复合物上脱落。此时,tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合,tRNAfmet结合在核蛋白的给位(P位)。

  2、肽链延长阶段:

  (1)进位:与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的A位(受位)。此步骤需GTP,Mg2+,和EF参与。

  (2)成肽:在转肽酶的催化下,将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到P位(受位)上的氨基酰tRNA上,与其α-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+,K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核糖体上脱落。

  (3)移位:核糖体向mRNA的3‘- 端滑动相当于一个密码的距离,同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF(EFG)、GTP和Mg2+参与。此时,核糖体的受位留空,与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入,重复以上循环过程,使多肽链不断延长。

  3、肽链终止阶段:

  核糖体沿mRNA链滑动,不断使多肽链延长,直到终止信号进入P位。

  1.识别:RF识别终止密码,进入核糖体的受位。

  2.水解:RF使转肽酶变为水解酶,多肽链与tRNA之间的酯键被水解,多肽链释放。

  3.解离:通过水解GTP,使核糖体与mRNA分离,tRNA、RF脱落,核糖体解离为大、小亚基。

  多肽链的合成是一个消耗能量的过程,其能量主要由ATP和GTP提供。

  若n个氨基酸合成一条多肽链:

  n个氨基酸分子的活化: 2n个

  (ATP→AMP+PPi)

  70s起始复合物的形成: 1个

  (GTP → GDP+Pi)

  (n-1)个氨酰-tRNA进入核糖体A位点: (n-1)个

  (GTP → GDP+Pi)

  (n-1)次核糖体移位: (n-1)个

  (GTP → GDP+Pi)

  共(4n-1)个

  (三)蛋白质的翻译后加工修饰

  一级结构的加工修饰:

  1.N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除:

  N端甲酰蛋氨酸,必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。

  ① 去甲酰化:

  甲酰化酶

 

  甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽

  ② 去蛋氨酰基:

  蛋氨酸氨基肽酶

 

  蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽

  2.氨基酸的修饰:

  由专一性的酶催化进行修饰,包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。

  3.二硫键的形成: 由专一性的氧化酶催化,将-SH氧化为-S-S-。

  4.肽段的切除: 由专一性的蛋白酶催化,将部分肽段切除。 如:前胰岛素原(切信号肽)→胰岛素原(切间插序列) →胰岛素

  高级结构的形成:

  1.构象的形成:

  在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下,形成特定的空间构象。

  2.亚基的聚合。

  3.辅基的连接。

  三、蛋白质的靶向运输

  蛋白质合成后,定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下,被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构,才能到达特定的地点。因此,在这些蛋白质分子的氨基端,一般都带有一段疏水的肽段,称为信号肽。

  信号肽假说:

  1、分泌蛋白的mRNA先和游离的核糖体结合合成出信号肽;

  2、信号肽识别蛋白(SRP)结合在信号肽上,暂时中止蛋白质合成;

  3、信号肽识别蛋白—mRNA—核糖体复合物与内质网表面的停泊蛋白(SRP receptor,信号肽识别蛋白受体)结合;

  4、经过一系列反应后,核糖体与停泊蛋白紧密结合,中断的翻译恢复。信号肽识别蛋白被释放参加下一轮作用。

  5、肽链在穿过转位蛋白形成的内质网孔时,信号肽被信号肽酶切除。合成的新生肽链进入内质网腔后折叠成最终构象。

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