細胞生物學/蛋白質的生物合成

細胞內遺傳信息的傳遞及調控 - 基因及其結構 - 基因轉錄和轉錄後加工 - 蛋白質的生物合成 - 基因表達的調控 - 基因的信息傳遞與醫學
在遺傳信息的傳遞過程中，DNA將其遺傳信息轉錄給mRNA, 這是基因表達的第一步，mRNA再指導蛋白質的合成，這是基因表達的第二步，即翻譯(translation)。在翻譯過程需要300多種生物大分子的參與，其中包括核糖體、mRNA、tRNA及多種蛋白質因子。mRNA作為翻譯的模板，決定蛋白質中的胺基酸順序；tRNA作為運輸工具，攜帶胺基酸準確進入指定位置；rRNA與多種蛋白質組成核糖體，作為蛋白質合成的裝配機器。體內的蛋白質處於不斷合成與降解的動態平衡。細胞內的蛋白質不斷地被降解和被新合成的蛋白質取代，以維繫細胞正常的生命活動。

遺傳信息翻譯的基本原理

mRNA攜帶指導蛋白質合成的遺傳密碼

生物體的遺傳信息儲存於DNA分子四種鹼基的排列順序中，通過轉錄，這種順序轉移到mRNA分子中。由於DNA和RNA具有相似的結構特點，因而在轉錄中可通過鹼基互補配對的形式實現信息的傳遞。但RNA和蛋白質的結構不同，而且組成蛋白質的胺基酸有20種，組成RNA的鹼基只有4種，無法實現相互之間的一一對應。那麼RNA與蛋白質間的信息傳遞是以什麼方式進行的呢？現在人們認識到，在mRNA鏈上從5'端到3'端每3個相鄰的核苷酸可以決定一個特定的胺基酸，這種核苷酸三聯體被稱為密碼子(codon)。除了5'端和3'端的非翻譯區之外，整個mRNA鏈即是由串聯排列的密碼子組成，這樣，就把mRNA上的鹼基排列順序叫做遺傳密碼(genetic code)。在蛋白質合成中，它們決定胺基酸的排列順序。核苷酸有4種，每3個為一組，共可組成64種密碼子。
遺傳密碼有如下特點：①通用性(universal): 從原核生物到真核生物，幾乎所有生物體中的遺傳密碼都是通用的，就是說，一個特定的鹼基序列無論在哪一種生物體中均編碼同一種胺基酸。但也有例外，動物細胞線粒體和植物細胞葉綠體中，蛋白質合成所使用的三聯密碼子有少數與目前通用密碼子有所不同。②簡併性(degeneracy): 密碼子有64種，其中三個密碼子UAA、UAG、UGA為終止密碼，不決定胺基酸，其餘61個密碼子都可以編碼胺基酸，而胺基酸只有20種，所以，必然出現多個密碼子決定同一胺基酸的情況，這種現象叫做遺傳密碼的簡併性。如丙氨酸由GCU、GCC、GCA、GCG4種密碼子決定，而亮氨酸則由6種密碼子決定。③連續性(commaless)：在翻譯過程中，遺傳密碼的閱讀是連續的，在mRNA上的每個三聯體密碼子之間沒有間隔。④方向性（如ection):mRNA中每個密碼子的閱讀方向必須從5'→3', 因而起始密碼子AUG總是位於5'端，終止密碼子則位於3'端，翻譯過程是從mRNA的5'→3'方向進行。

tRNA既能識別mRNA上的密碼子又能攜帶特定的胺基酸

在翻譯過程中，mRNA上的鹼基序列可以決定蛋白質中的胺基酸序列，但在mRNA鹼基與胺基酸之間不具有特異的化學識別作用，兩者之間的相互作用是通過另一類核酸分子tRNA實現的。tRNA既能夠識別mRNA上的密碼子，又能攜帶特定的胺基酸，因而被稱為蛋白質合成的接合器(adaptor)。
tRNA結構的主要特點是3'端的CCA序列，活化後的胺基酸就是通過CCA序列上的-OH與tRNA結合，然後被帶到核糖體上參與蛋白質的合成。tRNA攜帶特定胺基酸的過程是通過氨醯-tRNA合成酶催化的兩步反應完成的，反應的第一步是胺基酸與ATP在氨醯-tRNA合成酶作用下形成氨醯-AMP, 完成胺基酸的活化；第二步，活化胺基酸的氨醯基被轉移至tRNA分子上形成氨醯-tRNA(aminoacyl-tRNA) 並釋放AMP, 完成胺基酸與tRNA的連接。
tRNA的另一個重要的結構部位是位於反密碼環中的一個三聯核苷酸，在蛋白質合成中能通過鹼基互補配對識別mRNA上的密碼子，這種存在於tRNA中的三聯核苷酸被稱為反密碼子(anticodon)。不同的tRNA分子有不同的反密碼子。
在翻譯過程中，tRNA攜帶特定的胺基酸，通過反密碼子識別mRNA上的密碼子，實現遺傳信息從mRNA到蛋白質的傳遞，因此，密碼子與反密碼子之間的正確識別是遺傳信息正確傳遞的保證。在生物體中，tRNA的種類要小於編碼胺基酸的密碼子的種類，要識別這些密碼子，必然存在一種反密碼子識別多種密碼子的現象。一般來講，密碼子的前兩位鹼基在和反密碼子配對時，遵循正常的鹼基互補配對原則，而第三位鹼基的配對具有一定的靈活性，即反密碼子的第三個鹼基(5'鹼基）可與密碼子第三位上的不同鹼基配對，這就是密碼子和反密碼子配對的擺動性(wobble)。例如，攜帶丙氨酸的tRNA反密碼子為3'-CGC-5', 它既可以和密碼子5'-GCG-3'配對，也可以和5'-GCU-3'配對。

蛋白質合成的場所——核糖體

核糖體(ribosome)也稱核蛋白體。核糖體幾乎存在於所有的細胞內，即使是最簡單的支原體細胞也至少含有上百個核糖體。此外，在線粒體中也含有核糖體。核糖體是合成蛋白質的機器，其功能是按照mRNA的指令由胺基酸合成蛋白質。

核糖體是由rRNA和蛋白質組成的大分子複合物

生物體內含有兩種基本類型的核糖體，一是70S的核糖體，存在於原核細胞；另一類是80S的核糖體，存在於真核細胞。此外，真核細胞線粒體內的核糖體近於70S。70S和80S 的核糖體均由大小不同的兩個亞單位組成，大的稱為大亞基，小的稱為小亞基。核糖體大小亞基在細胞內一般以游離狀態存在，只有當小亞基與mRNA結合後，大亞基才與小亞基結合，形成完整的核糖體。
分析結果顯示：在70S核糖體中，小亞基為30S, 由16SrRNA和21種蛋白質組成，大亞基為50S，由23S rRNA 、5S rRNA和34種蛋白質組成。在80S核糖體中，小亞基為40S, 由18SrRNA和33種蛋白質組成，大亞基為60S, 由28S rRNA、5.8S rRNA和5S rRNA及49種蛋白質組成。RNA約占核糖體的60%, 蛋白質約占40%。核糖體中的RNA主要構成核糖體的骨架，將蛋白質串聯起來，並決定蛋白質的定位。
電鏡下，核糖體呈顆粒狀，直徑約為15～25nm。

核糖體是蛋白質合成的場所

在原核細胞中，除少數核糖體附着在質膜以外，大部分核糖體則以游離形式存在。在真核細胞中，很多核糖體附着在內質網膜的外表面，形成糙面內質網，還有一部分核糖體以游離形式分布在細胞質溶膠內。呈游離狀態的核糖體稱為游離核糖體，附着在膜上的核糖體稱為附着核糖體，兩者的結構與功能基本相同，其不同點在於所合成的蛋白質種類不同，如游離核糖體主要合成細胞內的某些基礎性蛋白，附着核糖體主要合成細胞的分泌蛋白和膜蛋白。
核糖體上存在多個與蛋白質的多肽鏈形成密切相關的活性部位，主要有：

mRNA結合位點 原核生物30S小亞基具有專一性地識別和選擇mRNA起始位點的性質。研究發現，30S小亞基通過其16S rRNA的3'端與mRNA5'端起始密碼子上游鹼基配對結合。在原核生物的mRNA5'端起始密碼子的上游都有一個SD序列(Shine - Dalgarno sequence), 即5'-AGGAGGU-3'序列，這個富嘌呤區與30S小亞基上16S rRNA 3'端的富嘧啶區序列5'-CACCUCCUUA-3'互補。SD序列可指導mRNA的起始密碼子正確定位在30S小亞基的P位，又稱為核糖體結合位點(ribosomal binding site, RBS)。在真核生物中，核糖體上有專一位點或因子識別mRNA的帽子結構，使mRNA與核糖體結合。
P位(peptidyl site)是肽醯tRNA結合的位置。它大部分位於小亞基，小部分位於大亞基，是結合起始肽醯-tRNA並向A位給出胺基酸的位置。
A位(aminoacyl site)是氨醯tRNA結合的位置。它大部分位於大亞基而小部分位於小亞基，是結合一個新進入的氨醯tRNA的位置。
轉肽酶活性部位 轉肽酶(transpeptidase)活性部位位於P位和A位的連接處，其作用是在肽鏈延長時，催化進入核糖體的胺基酸之間形成肽鍵。
參與蛋白質合成的因子的結合部位如結合起始因子(initiation factor, IF)、延長因子(elongation factor, EF)和終止因子或釋放因子(release factor, RF)的部位。

蛋白質合成的一般過程

蛋白質生物合成可分為五個階段，即胺基酸的活化、多肽鏈合成的起始、肽鏈的延長、肽鏈的終止和釋放、蛋白質合成後的加工修飾。原核生物與真核生物的蛋白質合成過程中有很多區別，真核生物此過程比較複雜，下面着重介紹原核生物蛋白質合成的過程，並指出真核生物與其不同之處。

胺基酸活化是蛋白質生物合成的預備階段

胺基酸在參與合成膚鏈以前需活化以獲得額外的能量。在氨醯-tRNA合成酶作用下，胺基酸的羧基與tRNA 3'末端的CCA-OH縮合成氨醯-tRNA。該反應是耗能過程，生成的氨醯-tRNA中酯醯鍵含較高能量，可用於肽鍵合成。其總反應式可寫為：

氨基酸+tRNA+ATP→氨酰-tRNA+AMP+PPi

氨醯-tRNA合成酶分布在細胞質中，其作用具有高度特異性，它既能識別特異的胺基酸，又能辨認攜帶該種胺基酸的特異tRNA, 這是保證遺傳信息準確翻譯的關鍵之一。

起始過程形成起始複合物

起始階段指核糖體大、小亞基，mRNA和具有啟動作用的起始氨醯-tRNA裝配為起始複合物的過程。具有啟動作用的氨醯-tRNA在原核細胞是甲醯甲硫氨醯-tRNA(fMet-tRNA^fMet), 在真核細胞是甲硫氨醯-tRNA(Met-tRNA^Met) 。
在大腸桿菌中翻譯起始複合物形成的過程：①在起始因子-1(IF-1)和(IF-3)作用下，核糖體30S小亞基附着於mRNA起始信號部位（SD序列），形成IF1-IF3-30S亞基-mRNA複合物；②在起始因子-2作用下，fMet-tRNA^fMet與mRNA分子中的AUG相結合（密碼子與反密碼子配對），形成30S前起始複合物，即IF1-IF2-IF3-30S亞基-mRNA-fMet-tRNA^fMet複合物，此步需要GTP和Mg²⁺參與；③50S亞基與上述的30S前起始複合物結合，同時IF-1、IF-2和IF-3脫落，形成70S起始複合物，即30S亞基-mRNA-50S亞基-mRNA-fMet-tRNA^fMet複合物。此時fMet-tRNA^fMet，佔據着50S亞基的肽醯位（P位），而A位留空有待於對應mRNA中第二個密碼的相應氨醯-tRNA進入，從而進入延長階段。
與原核細胞相比，真核細胞蛋白質合成起始過程更為複雜。參與該過程的起始因子被稱為eIF(e代表真核細胞）。某些eIF參與了40S小亞基與mRNA 5'端帽子結構的結合。在起始複合物形成後，40S小亞基在mRNA上掃描直到發現正確的AUG起始密碼子，然後eIF被釋放，60S大亞基結合到起始複合物上來，啟動蛋白質的合成。此外，mRNA 3'端尾部的poly-A可以促進起始複合物的形成，提高翻譯效率。

肽鏈延長是多因子參與的核糖體循環過程

起始複合物形成後，根據mRNA上密碼子序列的指導，各種氨醯-tRNA依次結合到核糖體上使肽鏈從N端向C端逐漸延長。由於肽鏈延長在核糖體上連續循環進行，所以這個過程又稱為核糖體循環(ribosome circulation)，核糖體循環包括進位(registration) 、成肽(peptide bond formation)、轉位(translocation)三個步驟。每經過一個循環肽鏈增加一個胺基酸殘基。

進位起始複合物形成時，P位已被起始-tRNA佔據，而A位是空的。根據70S起始複合物A位上mRNA密碼子，特異的氨醯-tRNA進入A位。此步驟需GTP、Mg²⁺和延長因子EF-Tu與EF-Ts。EF-Tu和EF-Ts是延長因子EF-T的兩個亞基。EF-Tu與GTP、氨醯-tRNA反應生成三元複合物——氨醯-tRNA-EF-Tu-GTP。該複合物中tRNA的反密碼子與小亞基上mRNA結合後，其中的GTP分解釋放Pi，EF-Tu-GDP脫落並與EF-Ts反應生成GDP和EF-Tu-EF-Ts, 後者再與GTP反應，釋放出EF-Ts 生成EF-Tu-GTP並進入下一次延長反應。
成肽在起始複合物形成後，核糖體的P位上已結合了fMet-tRNA^fMet，在進位後，P位和A位上各結合了一個氨醯tRNA,兩個胺基酸之間在核糖體大亞基轉肽酶的作用下，P位上的胺基酸提供α-COOH基，與A位上的胺基酸的α-NH₂基形成肽鍵，從而使P位上的胺基酸連接到A位胺基酸的氨基上，這就是成肽。成肽後，在A位上形成了一個二肽醯tRNA。P位上的tRNA 隨之從核糖體上脫落下來，使P位空出。
轉位 P位空出後，在延長因子G(EF-G)的作用下，由GTP供能，核糖體沿mRNA5'端向3'端移動一個密碼子距離，結果使肽醯tRNA由A位移到P位，空出的A位可接受新的氨醯-tRNA。

此後，肽鏈上每增加一個胺基酸殘基，即重複上述進位、成肽、轉位的步驟，直至肽鏈合成終止。
真核細胞的肽鏈延長過程與原核細胞大致相同，僅在參與的因子方面有所區別。如真核細胞的延長因子有3種，分別為eEF1α、eEF1βγ和eEF2；轉位時所需因子為eEF-2。

肽鏈合成終止過程包括三個步驟

在核糖體向mRNA 3'端移動中，肽鏈也逐漸延長，當mRNA的終止信號UAA、UAG、UGA 中任一種進入A位時，沒有任何tRNA能與之識別，只有釋放因子(RF)識別這種信號。原核細胞的RF有3種，RF-1識別UAA和UAG，RF-2識別UAA和UGA，RF-3結合GTP並促進RF-1、RF-2與核糖體結合。終止的過程如下：

終止密碼的辨認 當A位上出現終止密碼時，RF-1或RF-2識別並結合到A位上。
肽鏈和mRNA等釋出 RF的結合使核糖體上轉肽酶構象改變，具有水解酶活性，使P位上tRNA與肽鏈間酯鍵水解，肽鏈脫落。tRNA、RF、mRNA也隨後從核糖體上釋出。
核糖體大小亞基解聚 在IF-3作用下，大小亞基解聚，重新進入新循環。

真核細胞終止過程與原核細胞相似，但其釋放因子為eRFl, 它可識別3種終止密碼子。
在生物細胞內進行蛋白質合成時，每分子mRNA上不只結合一個核糖體，而是同時結合着多個核糖體。蛋白質開始合成時，第一個核糖體在mRNA的起始部位結合，引入第一個甲硫氨酸，接着核糖體向mRNA的3'端移動一定距離後，第二個核糖體又在mRNA的起始部位結合，並向前移動一定的距離，在起始部位又結合第三個核糖體，依次下去直至終止。這樣，多個核糖體結合到一個mRNA分子上，成串排列，形成蛋白質合成的功能單位，稱為多聚核糖體(polyribosome)。兩個核糖體之間有一定的長度間隔，每個核糖體都獨立完成一條多肽鏈的合成，所以這種多聚核糖體可以在一條mRNA鏈上同時合成多條相同的多肽鏈，這就大大提高了翻譯的效率。

肽鏈合成後的加工修飾

從核糖體mRNA鏈釋放的新生多肽鏈尚不具有生物活性，必需經過化學修飾（如糖基化、甲基化等）和加工處理，使其在一級結構的基礎上進一步盤曲、摺疊，對於含有多個亞基的蛋白質還需要亞基與亞基間的結合，這樣才能形成具有天然構象和生物學活性的功能蛋白。

—級結構的修飾改變了多肽鏈胺基酸的性質和組成

新生多肽鏈一級結構的修飾常通過化學反應進行，如磷酸化、甲基化、二硫鍵形成等，這往往能改變多肽鏈胺基酸的性質和組成，並為空間結構的形成提供基礎。
1、肽鏈氨基端的修飾 原核生物中幾乎所有蛋白質合成都是從N-甲醯甲硫氨酸開始，真核生物從甲硫氨酸開始，但天然蛋白質大多數不是以甲硫氨酸或甲醯甲硫氨酸為氨基端起始的。因此，在多肽鏈合成終止，甚至在肽鏈合成進行的同時，甲醯基經脫甲醯基酶水解而除去，甲硫氨酸或者氨基端的一些胺基酸殘基由氨肽酶水解掉，包括除去信號肽序列。
2、共價修飾 許多蛋白質可以進行不同類型化學基團的共價修飾，如磷酸化、糖基化、羥基化、甲基化、乙醯化和二硫鍵形成等，修飾後可以表現為激活狀態，也可表現為失活狀態。
磷酸化多發生在多膚鏈絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基上，由蛋白激酶催化，磷酸化後蛋白質的活性發生改變，如磷酸化酶經磷酸化後活性增加，而糖原合成酶經磷酸化後活性喪失；質膜蛋白質和許多分泌型蛋白質都具有糖鏈，這些寡糖鏈通過糖基化反應結合在絲氨酸或蘇氨酸的羥基上，如紅細胞膜上的ABO血型決定簇；膠原蛋白前體脯氨酸和賴氨酸殘基脛基化形成經脯氨酸和經賴氨酸，對成熟膠原的鏈間共價交聯是必需的；mRNA上沒有胱氨酸的密碼子，多肽鏈中的二硫鍵，是在肽鏈合成後，通過兩個半胱氨酸的琉基氧化形成的，二硫鍵的形成對維持蛋白質的活性和結構是必需的。
3、多肽鏈的水解修飾 有些活性蛋白往往是由其無活性的前體蛋白水解而得來的，如大多數的蛋白酶原水解後轉變為蛋白酶。一般真核細胞中一個基因對應一個mRNA, 一個mRNA對應一條多肽鏈，但少數情況下一種mRNA翻譯後的多肽鏈經水解後產生幾種不同的蛋白質或多肽，如哺乳動物的鴉片樣促黑皮質激素原(proopio-melano-cortin, POMC)初翻譯產物為265個胺基酸，在垂體前葉細胞中， POMC初切割成為N-端片段和C-端片段的β-促脂解激素(β-LT, lipotropin), 然後N-端片段又被切割成較小的N-端片段和39肽的促腎上腺皮質激素(ACTH),而在腦下垂體中葉細胞中，β-促脂解激素再次被切割產生β-內啡肽(β-endorphin)；ACTH也被切割產生13膚的促黑激素(α-melanotropin)。

高級結構的修飾包括亞基聚合、多肽摺疊和輔基連接

有許多蛋白質是由兩個以上亞基構成，並需要各亞基肽鏈通過非共價鍵聚合成多聚體才能表現出完整的生物活性，如由兩條α鏈、兩條β鏈所組成的人血紅蛋白、細胞膜上的鑲嵌蛋白和穿膜蛋白等。
新生肽鏈必須逐步摺疊成天然空間構象才能成為有活性的功能蛋白。一般認為，蛋白質一級結構是其空間結構形成的基礎，同時也需要其他的酶、蛋白質輔助才能完成摺疊過程。分子伴侶(molecular chaperone)是一類能識別肽鏈的非天然結構、並能促進各功能域和整體蛋白質的正確摺疊的酶或蛋白分子，它能介導其他蛋白質正確裝配成有功能活性的空間結構，而本身並不參與最終裝配產物的組成。目前認為「分子伴侶」蛋白有兩類：①蛋白因子，如熱休克蛋白(heat shock protein, HSP)、伴侶素(chaperonin), 它們可以和部分摺疊或沒有摺疊的蛋白質分子結合，穩定它們的構象，使其免遭其他酶的水解或促進蛋白質摺疊成正確的空間結構；②酶，如蛋白質二硫鍵異構酶(protein disulfide isomerase, PDI), 可以識別和水解非正確配對的二硫鍵；肽-脯氨酸順反異構酶(peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)能促進多肽鏈中肽醯-脯氨酸肽鏈的順反異構體之間的轉換。有些蛋白，特別是結合蛋白和帶輔基的酶，合成後都需要結合相應輔基，才能成為天然功能蛋白質。

蛋白質的降解

細胞內蛋白質處於不斷合成與降解的動態平衡。細胞內的蛋白質不斷地被降解和被新合成的蛋白質取代。蛋白的降解在細胞的生理活動中發揮着不可替代的作用，包括處理損傷或錯誤摺疊的蛋白翻譯後修飾的蛋白及功能發揮後蛋白質的清除等。細胞內蛋白質在一系列蛋白酶的作用下水解成多肽，再在膚酶作用下降解成游離胺基酸，又再被重利用合成新的蛋白質。如果蛋白質的降解速率和位點出現異常，就會影響細胞的多種功能，如細胞分裂、信號傳遞等，從而導致疾病的發生。
胞內蛋白質的降解主要通過兩個途徑，即泛素-蛋白酶體途徑(ubiquitin proteasome system )和溶酶體途徑。

蛋白質通過泛素-蛋白酶體途徑被降解：泛素－蛋白酶體途徑是細胞內蛋白質選擇性降解的重要途徑。細胞中新合成的蛋白質中有超過30%需要通過泛素介導而被降解以保證蛋白質的質量。泛素是在1975年從小牛的胰臟中分離得到的1種含有76個胺基酸的小肽，隨後被發現存在於大量不同的組織和有機體（但至今未在細菌中發現）中，因此命名為泛素(ubiqu山n)。泛素可以與待降解的蛋白質共價結合，而且一種蛋白質可以和多個泛素分子結合。後來將這種現象稱為多泛素化(polyubiquitination), 蛋白質的多泛素化是啟動蛋白質降解的信號。在細胞內存在3種與泛素有關的重要的酶：泛素激活酶（E1）、泛素結合酶(E2)、泛素蛋白連接酶(E3)。El激活泛素分子，此過程需要ATP供能；泛素分子被激活後被運送到E2上，E2負責將泛素綁在被降解的蛋白質上；E3能識別被降解的蛋白質；最後，E3釋放出被泛素標記的蛋白質。如此循環反覆，在結合了一定數量（一般認為至少5個）的泛素分子後，被降解蛋白質就被運送到細胞內的一種被稱為「垃圾處理廠」的蛋白酶體(proteasome)結構中進行降解。蛋白酶體是一個26S蛋白複合體，主要存在於細胞核和細胞質中，負責依賴泛素的蛋白質降解途徑，降解異常蛋白和短壽命蛋白。蛋白酶體本身不具備選擇蛋白質的能力，只有被泛索分子標記而且被E3識別的蛋白質才能在蛋白酶體中進行降解。
蛋白質在溶酶體通過ATP非依賴途徑被降解：與蛋白質在蛋白酶體通過ATP依賴途徑被降解的途徑不同，溶酶體是真核細胞的消化器官，內含多種酸性水解酶，可以直接分解蛋白質分子。蛋白質通過此途徑降解，是不需要ATP提供能量的。蛋白物質經自噬形成自噬體，或內吞作用進入細胞後，通過溶酶體消化，分解為小分子胺基酸。溶酶體降解蛋白質是一條非特異性的蛋白質降解系統，真核細胞內的膜蛋白、長壽蛋白和一部分短壽命蛋白都是在溶酶體中降解的。蛋白質在溶酶體的酸性環境中被相應的酶降解，然後通過溶酶體膜的載體蛋白運送至胞液，為合成新的蛋白質提供原料。