第12 章Protein Biosynthesis (Translation) 第一节 蛋白质生物合成体系Protein Biosynthesis System 遗传密码表许多真核生物基因转录后有一个对mRNA 外显子加工的过程，可通过特定碱基的插入、缺失或置换，使mRNA 序列中出现移码突变、错义突变或无义突变，导致mRNA 与其DNA 模板序列不匹配，使同一前体mRNA 翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为mRNA 编辑（mRNA editing ）。从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。第二节 氨基酸的活化Activation of Amino Acids 氨基酸与特异的tRNA 结合形成氨基酰-tRNA 的过程称为氨基酸的活化。参与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA 合成酶。tRNA 的三级结构示意图氨基酰-tRNA 合成酶对底物氨基酸和tRNA 都有高度特异性。氨基酰-tRNA 合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。氨基酰-tRNA 的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet 二、真核生物起始氨基酰-tRNA 是Met-tRNAiMet 第三节 肽链的生物合成过程The Biosynthesis Process of Peptide Chain 翻译——肽链的生物合成过程。从mRNA 的起始密码子AUG 开始，按5ˊ→3ˊ方向逐一读码，直至终止密码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，从N端→C 端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸。一、原核生物的肽链合成过程起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination ) 原核生物mRNA 在核蛋白体小亚基上的准确定位和结合涉及两种机制：在各种mRNA 起始AUG 上游约8～13 核苷酸部位，存在一段由4～9个核苷酸组成的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG- ，称为Shine-Dalgarno 序列(S-D 序列)，又称核蛋白体结合位点(ribosomal binding site, RBS) 。一条多顺反子mRNA 序列上的每个基因编码序列均拥有各自的S-D 序列和起始AUG 。mRNA 序列上紧接S-D 序列后的小核苷酸序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1 识别并结合。指在mRNA 模板的指导下，氨基酸依次进入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。EF-G 有转位酶（translocase ）活性，可结合并水解1分子GTP ，释放的能量促进核蛋白体向mRNA 的3′侧移动，使起始二肽酰-tRNA-mRNA 相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA 则移入E位。第四节 蛋白质翻译后修饰和靶向输送Posttranslational Modification and Targeting Transfer of Protein 新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰(posttranslational modification) 。翻译后修饰包括多肽链折叠为天然的三维构象及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位点的过程称为蛋白质的靶向输送(protein targeting) 。一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N- 端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助。几种有促进蛋白质折叠功能的大分子: 分子伴侣(molecular chaperon) 蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI) 它有两个主要功能域：一个是存在于N- 端的高度保守的ATP 酶结构域，能结合和水解ATP ；另一个是存在于C- 端的多肽链结合结构域。蛋白质的折叠需要这两个结构域的相互作用。人类细胞中HSP 蛋白质家族可存在于胞浆、内质网腔、线粒体、胞核等部位，涉及多种细胞保护功能：如使线粒体和内质网蛋白质保持未折叠状态而转运、跨膜，再折叠成功能构象；通过类似上述机制，避免或消除蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，以利于清除变性或错误折叠的多肽中间物等。（二）分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外真核细胞分泌型蛋白质的靶向输送过程为：核蛋白体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，再分泌到细胞外。（四）靶向输送至内质网的蛋白质C- 端含有滞留信号序列与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质先经粗面内质网上的附着核蛋白体合成并进入内质网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但是，内质网蛋白质多肽链的C- 端含有滞留信号序列，可与相应受体结合。在高尔基复合体上，内质网蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合后，随囊泡输送回内质网。（五）质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到细胞膜质膜蛋白质合成时在粗面内质网上的跨膜机制与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，质膜蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，而是锚定在内质网膜上。不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定于膜上。（六）线粒体蛋白质以其前体形式在胞液合成后靶向输入线粒体绝大部分线粒体蛋白质是由核基因组编码、在胞液中的游离核蛋白体上合成后释放、靶向输送到线粒体中的。（七）细胞核蛋白质在胞液中合成后经核孔靶向输送入核第五节 蛋白质生物合成的干扰和抑制Interference and Inhibition of Protein Biosynthesis 蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。抗生素等就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能、干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。可针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时尽量利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。影响翻译起始的抗生素影响翻译延长的抗生素嘌呤霉素作用示意图二、其他干扰蛋白质生物合成的物质某些毒素能在肽链延长阶段阻断蛋白质合成而呈现毒性，如白喉毒素是真核细胞蛋白质合成的抑制剂，它作为一种修饰酶，可使eEF-2 发生ADP 糖基化共价修饰，生成eEF-2 腺苷二磷酸核糖衍生物，使eEF-2 失活。白喉毒素的作用机理：2．蓖麻蛋白(ricin) 蓖麻蛋白是蓖麻籽中所含的植物糖蛋白，由A、B两条多肽链组成。A 链是一种蛋白酶，可作用于真核生物核蛋白体大亚基的28S rRNA ，催化其中特异腺苷酸发生脱嘌呤基反应，使28S rRNA 降解，使核蛋白体大亚基失活；B 链对A链发挥毒性具有重要的促进作用，且B链上的半乳糖结合位点也是毒素发挥毒性作用的活性部位。（二）干扰素干扰素(interferon, IFN) 是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可抑制病毒的繁殖。干扰素分为α- （白细胞）型、β- （成纤维细胞）型和γ- （淋巴细胞）型三大类，每类各有亚型，分别具有其特异作用。干扰素抑制病毒的作用机制有两方面：一是干扰素在某些病毒双链RNA 存在时，能诱导特异的蛋白激酶活化，该活化的蛋白激酶使eIF-2 磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质合成；二是干扰素能与双链RNA 共同活化特殊的2ˊ-5ˊ寡聚腺苷酸（2ˊ-5ˊA ）合成酶，催化ATP 聚合，生成单核苷酸间以2ˊ-5ˊ磷酸二酯键连接的2ˊ-5ˊA ，经2ˊ-5ˊA 活化核酸内切酶RNase L ，后者可降解病毒mRNA ，从而阻断病毒蛋白质合成。干扰素的作用机制: 2. 干扰素诱导病毒RNA 降解Gro EL-Gro ES 反应循环2. 蛋白质二硫键异构酶多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。3. 肽-脯氨酰顺反异构酶多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象有明显差别。肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。二、蛋白质一级结构修饰主要是肽键水解和化学修饰（一）肽链末端的修饰（二）个别氨基酸的共价修饰1．糖基化2 ．羟基化3 ．甲基化4 ．磷酸化5 ．二硫键形成6 ．亲脂性修饰例：鸦片促黑皮质素原(POMC) 的水解修饰（三）多肽链的水解修饰三、空间结构的修饰结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体(oligomer) 。（一）通过非共价键亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质（二）辅基连接后形成完整的结合蛋白质四、合成后蛋白质可被靶向输送至细胞特定部位蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同步进行。所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要是N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为信号序列(signal sequence) 。信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于蛋白质自身的一级结构中。（一）靶向输送的蛋白质N- 端存在信号序列N- 端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；C- 端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，紧接着是被信号肽酶(signal peptidase) 裂解的位点。信号肽有以下共性：靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异信号序列，称为核定位序列(nuclear localization sequence, NLS) 。NLS 为含4～8个氨基酸残基的短序列，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的不同部位，而不只在N末端。不同的NLS 间未发现共有序列；在蛋白质进核定位后，NLS 不被切除。核定位序列信号序列引导蛋白质进入内质网（三）蛋白质6- 磷酸甘露糖基化是靶向输送至溶酶体的信号真核