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生物化学与分子生物学/蛋白质合成体系

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蛋白质的合成 - 蛋白质合成体系 - 氨基酸与tRNA的连接 - 肽链的合成过程 - 蛋白质合成后的加工和靶向输送 - 蛋白质合成的干扰和抑制
蛋白质生物合成是细胞最为复杂的活动之一。参与细胞内蛋白质生物合成的物质除原料氨基酸外,还需要mRNA作为模板,tRNA作为特异的氨基酸“搬运工具”,核糖体作为蛋白质合成的装配场所,有关的酶与蛋白质因子参与反应,并且需要 ATP或GTP提供能量。

mRNA是蛋白质合成的模板[编辑]

mRNA的发现回答了细胞核内基因组的遗传信息如何编码蛋白质这一重要问题。由DNA转录而来的mRNA在细胞质内作为蛋白质合成的模板,mRNA编码区(可读框)中的核苷酸序列作为遗传密码(geneticcode) , 在蛋白质合成过程中被翻译为蛋白质的氨基酸序列。
mRNA分子中核苷酸序列的翻译以3个相邻核苷酸为单位进行。在mRNA的可读框区域,每3个相邻的核苷酸为一组,编码一种氨基酸或肽链合成的起始/终止信息,称为密码子(codon), 又称三联体密码(triplet code)。例如,UUU 是苯丙氨酸的密码子,UCU是丝氨酸的密码子,GCA是丙氨酸的密码子。构成mRNA的4种核苷酸经排列组合可产生64个密码子,其中的61个编码20种在蛋白质合成中作为原料的氨基酸,另有3个(UAA、UAG、UGA)不编码任何氨基酸,而是作为肽链合成的终止密码子(termination codon)。需要注意的是,AUG具有特殊性,不仅代表甲硫氨酸,如果位于mRNA的翻译起始部位,它还代表肽链合成的起始密码子(initiationcodon)。
遗传密码具有以下几个重要特点:

  • 方向性 组成密码子的核苷酸在mRNA中的排列具有方向性。翻译时的阅读方向只能从5'至3',即从mRNA的起始密码子AUG开始,按5'→3'的方向逐一阅读,直至终止密码子。mRNA可读框中从5'-端到3'-端排列的核苷酸顺序决定了肽链中从N-端到C-端的氨基酸排列顺序。
  • 连续性 mRNA中密码子之间没有间隔核苷酸,即从起始密码子开始,密码子被连续阅读,直至终止密码子出现。因密码子具有连续性,若可读框中插入或缺失了非3的倍数的核苷酸,将会引起mRNA可读框发生移动,称为移码(frame shift)。移码导致后续氨基酸编码序列改变,使得其编码的蛋白质彻底丧失或改变原有功能,称为移码突变(frameshift mutation)。若连续插入或缺失3个核苷酸,则只会在多肽链产物中增加或缺失l个氨基酸残基,但不会导致可读框移位。
  • 简并性 64个密码子中有61个编码氨基酸,而氨基酸只有20种,因此有的氨基酸可由多个密码子编码,这种现象称为简并性(degeneracy)。例如,UUU和UUC都是苯丙氨酸的密码子,UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC都是丝氨酸的密码子。

为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子,也称同义密码子。多数情况下,同义密码子的前两位碱基相同,仅第三位碱基有差异,即密码子的特异性主要由前两位核苷酸决定,如苏氨酸的密码子是ACU、ACC、ACA、ACG。这意味着密码子第三位核苷酸的改变往往不改变其编码的氨基酸,合成的蛋白质具有相同的一级结构。因此,遗传密码的简并性可减少基因突变所带来的生物学效应。

  • 摆动性 密码子通过与tRNA的反密码子配对而发挥翻译作用,但这种配对有时并不严格遵循Watson-Crick碱基配对原则,出现摆动(wobble)。此时mRNA密码子的第1位和第2位碱基(5'→3')与 tRNA 反密码子的第3位和第2位碱基(5'→3')之间仍为Watson-Crick配对,而反密码子的第1位碱基与密码子的第3位碱基配对有时存在摆动现象。例如,反密码子第1位碱基为次黄嘌呤(inosine, I), 可与密码子第3位的A、C或U配对;反密码子第1位的U可与密码子第3位的A或G配对;反密码子第1位的G可与密码子第3位的C或U配对。由此可见,密码子的摆动性能使一种tRNA识别mRNA中的多种简并性密码子。
  • 通用性 遗传密码具有通用性(universal),即从低等生物如细菌到人类都使用着同一套遗传密码,这为地球上的生物来自同一起源的进化论提供了有力证据,另外也使得利用细菌等生物来制造人类蛋白质成为可能。 但遗传密码的通用性并不是绝对的,也有少数例外。例如,在哺乳类动物线粒体内,UGA除了代表终止信号,也代表色氨酸;AUA不再代表异亮氨酸,而是作为甲硫氨酸的密码子。

tRNA是氨基酸和密码子之间的特异连接物[编辑]

作为蛋白质合成原料的20种氨基酸,翻译时由其各自特定的tRNA负责转运至核糖体。tRNA通过其特异的反密码子与mRNA上的密码子相互配对,将其携带的氨基酸在核糖体上准确对号入座。虽然已发现的tRNA多达数十种,一种氨基酸通常与多种tRNA特异结合(与密码子的简并性相适应),但是一种tRNA只能转运一种特定的氨基酸。通常在tRNA的右上角标注氨基酸的三字母符号,以代表其特异转运的氨基酸,如tRNATyr表示这是一种特异转运酪氨酸的tRNA。
tRNA上有两个重要的功能部位:一个是氨基酸结合部位,另一个是mRNA结合部位。与氨基酸结合的部位是tRNA的氨基酸臂的-CCA末端的腺苷酸3'-0H;与mRNA结合的部位是tRNA反密码环中的反密码子。参与肽链合成的氨基酸需要与相应tRNA结合,形成各种氨酰-tRNA, 再运载至核糖体,通过其反密码子与mRNA中对应的密码子互补结合,从而按照mRNA的密码子顺序依次加入氨基酸。

核糖体是蛋白质合成的场所[编辑]

合成肽链时mRNA与tRNA的相互识别、肽键形成、肽链延长等过程全部在核糖体上完成。核糖体类似于一个移动的多肽链“装配厂”,沿着模板mRNA链从5'端向3'端移动。在此期间携带着各种氨基酸的tRNA分子依据密码子与反密码子配对关系快速进出其中为延长肽链提供氨基酸原料。肽链合成完毕,核糖体立刻离开mRNA分子。
原核生物和真核生物的核糖体上均存在A位、P位和E位这3个重要的功能部位。A位结合氨酰-tRNA, 称氨酰位; P位结合肽酰-tRNA, 称肽酰位; E位释放已经卸载了氨基酸的tRNA, 称排出位。

蛋白质合成需要多种酶类和蛋白质因子[编辑]

蛋白质合成需要由 ATP 或 GTP 供能,需要 Mg2+、肽酰转移酶、氨酰-tRNA 合成酶等多种分子参与反应。此外,起始、延长及终止各阶段还需要多种因子参与:①起始因子 (initiation factor, IF), 原核生物和真核生物的起始因子分别以 IF 和 eIF 表示;②延长因子(elongation factor, EF), 原核生物与真核生物的延长因子分别以 EF 和 eEF 表示;③终止因子 (termination factor) , 又称释放因子 (release factor, RF), 原核生物与真核生物的释放因子分别以 RF 和 eRF 表示。