生物化學與分子生物學/蛋白質合成體系

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蛋白質的合成 - 蛋白質合成體系 - 胺基酸與tRNA的連接 - 肽鏈的合成過程 - 蛋白質合成後的加工和靶向輸送 - 蛋白質合成的干擾和抑制
蛋白質生物合成是細胞最為複雜的活動之一。參與細胞內蛋白質生物合成的物質除原料胺基酸外,還需要mRNA作為模板,tRNA作為特異的胺基酸「搬運工具」,核糖體作為蛋白質合成的裝配場所,有關的酶與蛋白質因子參與反應,並且需要 ATP或GTP提供能量。

mRNA是蛋白質合成的模板[編輯]

mRNA的發現回答了細胞核內基因組的遺傳信息如何編碼蛋白質這一重要問題。由DNA轉錄而來的mRNA在細胞質內作為蛋白質合成的模板,mRNA編碼區(可讀框)中的核苷酸序列作為遺傳密碼(geneticcode) , 在蛋白質合成過程中被翻譯為蛋白質的胺基酸序列。
mRNA分子中核苷酸序列的翻譯以3個相鄰核苷酸為單位進行。在mRNA的可讀框區域,每3個相鄰的核苷酸為一組,編碼一種胺基酸或肽鏈合成的起始/終止信息,稱為密碼子(codon), 又稱三聯體密碼(triplet code)。例如,UUU 是苯丙氨酸的密碼子,UCU是絲氨酸的密碼子,GCA是丙氨酸的密碼子。構成mRNA的4種核苷酸經排列組合可產生64個密碼子,其中的61個編碼20種在蛋白質合成中作為原料的胺基酸,另有3個(UAA、UAG、UGA)不編碼任何胺基酸,而是作為肽鏈合成的終止密碼子(termination codon)。需要注意的是,AUG具有特殊性,不僅代表甲硫氨酸,如果位於mRNA的翻譯起始部位,它還代表肽鏈合成的起始密碼子(initiationcodon)。
遺傳密碼具有以下幾個重要特點:

  • 方向性 組成密碼子的核苷酸在mRNA中的排列具有方向性。翻譯時的閱讀方向只能從5'至3',即從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。mRNA可讀框中從5'-端到3'-端排列的核苷酸順序決定了肽鏈中從N-端到C-端的胺基酸排列順序。
  • 連續性 mRNA中密碼子之間沒有間隔核苷酸,即從起始密碼子開始,密碼子被連續閱讀,直至終止密碼子出現。因密碼子具有連續性,若可讀框中插入或缺失了非3的倍數的核苷酸,將會引起mRNA可讀框發生移動,稱為移碼(frame shift)。移碼導致後續胺基酸編碼序列改變,使得其編碼的蛋白質徹底喪失或改變原有功能,稱為移碼突變(frameshift mutation)。若連續插入或缺失3個核苷酸,則只會在多肽鏈產物中增加或缺失l個胺基酸殘基,但不會導致可讀框移位。
  • 簡併性 64個密碼子中有61個編碼胺基酸,而胺基酸只有20種,因此有的胺基酸可由多個密碼子編碼,這種現象稱為簡併性(degeneracy)。例如,UUU和UUC都是苯丙氨酸的密碼子,UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC都是絲氨酸的密碼子。

為同一種胺基酸編碼的各密碼子稱為簡併性密碼子,也稱同義密碼子。多數情況下,同義密碼子的前兩位鹼基相同,僅第三位鹼基有差異,即密碼子的特異性主要由前兩位核苷酸決定,如蘇氨酸的密碼子是ACU、ACC、ACA、ACG。這意味着密碼子第三位核苷酸的改變往往不改變其編碼的胺基酸,合成的蛋白質具有相同的一級結構。因此,遺傳密碼的簡併性可減少基因突變所帶來的生物學效應。

  • 擺動性 密碼子通過與tRNA的反密碼子配對而發揮翻譯作用,但這種配對有時並不嚴格遵循Watson-Crick鹼基配對原則,出現擺動(wobble)。此時mRNA密碼子的第1位和第2位鹼基(5'→3')與 tRNA 反密碼子的第3位和第2位鹼基(5'→3')之間仍為Watson-Crick配對,而反密碼子的第1位鹼基與密碼子的第3位鹼基配對有時存在擺動現象。例如,反密碼子第1位鹼基為次黃嘌呤(inosine, I), 可與密碼子第3位的A、C或U配對;反密碼子第1位的U可與密碼子第3位的A或G配對;反密碼子第1位的G可與密碼子第3位的C或U配對。由此可見,密碼子的擺動性能使一種tRNA識別mRNA中的多種簡併性密碼子。
  • 通用性 遺傳密碼具有通用性(universal),即從低等生物如細菌到人類都使用着同一套遺傳密碼,這為地球上的生物來自同一起源的進化論提供了有力證據,另外也使得利用細菌等生物來製造人類蛋白質成為可能。 但遺傳密碼的通用性並不是絕對的,也有少數例外。例如,在哺乳類動物線粒體內,UGA除了代表終止信號,也代表色氨酸;AUA不再代表異亮氨酸,而是作為甲硫氨酸的密碼子。

tRNA是胺基酸和密碼子之間的特異連接物[編輯]

作為蛋白質合成原料的20種胺基酸,翻譯時由其各自特定的tRNA負責轉運至核糖體。tRNA通過其特異的反密碼子與mRNA上的密碼子相互配對,將其攜帶的胺基酸在核糖體上準確對號入座。雖然已發現的tRNA多達數十種,一種胺基酸通常與多種tRNA特異結合(與密碼子的簡併性相適應),但是一種tRNA只能轉運一種特定的胺基酸。通常在tRNA的右上角標註胺基酸的三字母符號,以代表其特異轉運的胺基酸,如tRNATyr表示這是一種特異轉運酪氨酸的tRNA。
tRNA上有兩個重要的功能部位:一個是胺基酸結合部位,另一個是mRNA結合部位。與胺基酸結合的部位是tRNA的胺基酸臂的-CCA末端的腺苷酸3'-0H;與mRNA結合的部位是tRNA反密碼環中的反密碼子。參與肽鏈合成的胺基酸需要與相應tRNA結合,形成各種氨醯-tRNA, 再運載至核糖體,通過其反密碼子與mRNA中對應的密碼子互補結合,從而按照mRNA的密碼子順序依次加入胺基酸。

核糖體是蛋白質合成的場所[編輯]

合成肽鏈時mRNA與tRNA的相互識別、肽鍵形成、肽鏈延長等過程全部在核糖體上完成。核糖體類似於一個移動的多肽鏈「裝配廠」,沿着模板mRNA鏈從5'端向3'端移動。在此期間攜帶着各種胺基酸的tRNA分子依據密碼子與反密碼子配對關係快速進出其中為延長肽鏈提供胺基酸原料。肽鏈合成完畢,核糖體立刻離開mRNA分子。
原核生物和真核生物的核糖體上均存在A位、P位和E位這3個重要的功能部位。A位結合氨醯-tRNA, 稱氨醯位; P位結合肽醯-tRNA, 稱肽醯位; E位釋放已經卸載了胺基酸的tRNA, 稱排出位。

蛋白質合成需要多種酶類和蛋白質因子[編輯]

蛋白質合成需要由 ATP 或 GTP 供能,需要 Mg2+、肽醯轉移酶、氨醯-tRNA 合成酶等多種分子參與反應。此外,起始、延長及終止各階段還需要多種因子參與:①起始因子 (initiation factor, IF), 原核生物和真核生物的起始因子分別以 IF 和 eIF 表示;②延長因子(elongation factor, EF), 原核生物與真核生物的延長因子分別以 EF 和 eEF 表示;③終止因子 (termination factor) , 又稱釋放因子 (release factor, RF), 原核生物與真核生物的釋放因子分別以 RF 和 eRF 表示。