考研生物化学笔记11.2:蛋白质生物合成的分子机制
第二节 蛋白质生物合成的分子机制
蛋白质的生物合成要比DNA复制和转录复杂的多,有约300种生物大分子协同作用,全过程大致有5个阶段:氨基酸的活化、翻译起始、肽链延长、肽链合成的终止和释放、翻译后加工。真核生物与原核生物蛋白质合成非常相似,但有差异。
一、氨基酸的激活
1. 每一种氨基酸由专一的氨酰-tRNA合成酶激活。
氨酰-tRNA合成酶能识别并使氨基酸的羧基与tRNA3′端腺苷酸核糖基上3′- O H缩水形成二酯键。反应分两步进行。
氨基酸+tRNA+ATP → 氨酰-tRNA+AMP+PPi
tRNA与相应的AA结合是蛋白质合成的关键,tRNA携带正确的AA,多肽合成准确性才有保障。氨酰-tRNA合成酶有氨基酰化部位和水解活性部位,能纠正酰化的错误(如异亮氨酸与缬氨酸只一个甲基的差异,Ile-tRNA合成酶能在酰化部位区分它们,即使Val取代Ile错误掺入生成的Val-tRNA,也会通过Ile-tRNA合成酶将其水解。经过酰化部位和校正部位的共同作用,可使翻译的错误频率小于万分之一)。
2. 原核生物起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸(fMet),起始tRNA是 tRNAfMet。甲酰基转移酶催化fMet-tRNAfMet的形成。
Met + tRNAfMet → Met-tRNAfMet
Met-tRNAfMet+N10-CHOFH4 → fMet-tRNAfMet+ FH4
真核生物起始氨基酸是甲硫氨酸,有两种tRNAMet,只有tRNAiMet才能与小亚基结合,起始肽链合成,普通tRNAMet携带Met只能被渗入正在延伸的肽链中。
二、在核糖体上合成多肽
此过程分为翻译起始、肽链延长、肽链的终止三个阶段。
1. 翻译起始
原核细胞肽链合成的起始需要7种成分:30S小亚基、mRNA、fMet-tRNAfMet、起始因子、GTP、50S大亚基、Mg2+。起始分成3步。
① 30S小亚基和起始因子结合,通过SD序列与mRNA结合。
② fMet-tRNAfMet进入小亚基P位,tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码配对。
③带有tRNA、mRNA和IF的小亚基复合物与50S大亚基结合,形成起始复合物。GTP水解,释放IF。
原核mRNA是多顺反子,有多个起始密码AUG位点,核糖体是如何识别合适位置的AUG?
1970年Shine和Dalgarno发现细菌的mRNA通常含有一段富含嘌呤碱基的序列(SD序),它们在起始AUG上游10个碱基左右的位置,能与16S rRNA3′端的7个嘧啶碱基互补识别,以帮助从起始AUG处开始翻译。
IF3的功能是协助30S小亚基选择mRNA起始位点;IF2具有GTP酶的活性,起始过程需要一分子GTP水解成GDP及磷酸以提供能量,它对30S起始复合物与50S亚基的结合是必需的;IF1则在70S起始复合物生成后促进IF2释放,从而完成起始过程。
2. 肽链的延长
当与起始密码子紧邻的密码子被其氨酰-tRNA上的反密码子识别并结合后,延长反应也就开始。一个氨基酸的掺入是由进位—成肽—转位3个重复的反应完成的。其中肽键的形成靠核糖体自身催化,其它两个反应需要延长因子(elongation factor,EF)的参与。
① 第二个aa-tRNA在 EF-Tu及GTP作用下,生成复合物,并结合到核糖体的A位。 EF-Tu结合GDP离开核糖体。
②肽酰转移酶(转肽酶)催化P位fMet-tRNA携带的fMet转向A位与进入的aa-tRNA形成第一个肽键,催化的实质是使一个酯键转变成肽键。
③移位(translocation),移位因子EF-G催化,GTP和EF-Ts、EF-Tu参与,P位的tRNA脱落,核糖体沿mRNA移动,原A位带有肽链的tRNA转到P位,下一个密码子进入A位,以供继续翻译。
3. 翻译的终止
终止反应由释放因子RF识别进入核糖体A位的终止密码UAA、UAG、UGA开始,大亚基上肽酰转移酶变构,表现水解酶的活性,使P位上tRNA所携带的多肽链与tRNA之间的酯键水解。RR因子使tRNA从P位脱落,70S核糖体随即也从mRNA上脱落,解离为30S和50S亚基,投入下一轮核糖体循环,合成另一新的蛋白质分子。
通常,多个核糖体同时翻译一个mRNA分子,形成多核糖体(polysome),加快蛋白质合成的速度,亦使mRNA得到充分利用。
蛋白质合成消耗的大量能量用于保证mRNA的遗传信息翻译成蛋白质氨基酸序列的准确性。每一aa-tRNA形成需要 1分子ATP(2个高能键)。延长一个氨基酸消耗2分子GTP。因此每形成1个肽键消耗能量7.3×4=29.2kcal/mol(122kj/mol)。
三、翻译后加工
很多蛋白质在肽链合成后要经过一定的加工或修饰,才转变为有生物学活性的蛋白质。举例说明:
1.一级结构的修饰
①去除N-fMet
细菌蛋白质的合成以fMet-tRNA作为第一个进位的起始物,所以N端是fMet,脱甲酰基酶水解除去N端的甲酰基,然后氨基肽酶再切除一个或多个N端氨基酸。
②靶向运输
新合成的多肽的输送是有目的、定向地进行的,通过信号肽引导到目的地。通常在被转运多肽链的N端,一段10~40个氨基酸残基组成的序列,含高度疏水性的氨基酸,最后信号肽被信号肽酶切除。如胰岛素原是由84个氨基酸组成的一条无活性的肽链,其前面的23个氨基酸残基的信号肽在转运至高尔基体的过程中被切除。最后形成由A链、B链,3个二硫键组成的有活性的胰岛素。许多蛋白激素是以前体蛋白形式合成,经加工后,再分泌出细胞。
③个别氨基酸的修饰
胶原中羟脯氨酸和羟赖氨酸是脯氨酸和赖氨酸经羟化反应形成;许多酶的活性中心的磷酸丝氨酸也是丝氨酸羟基磷酸化而成。
2. 高级结构的修饰
蛋白质的一级结构决定其高级结构,这一原则只给出蛋白质折叠的热力学上的可能性。多肽链准确折叠和组装过程需要某些辅助蛋白质——分子伴侣(chaperon)的参与,通过提供一个保护环境加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣广泛存在从细菌到人的生物体中,其中有很大一部分被称之为热休克蛋白。
3. 活性肽合成
人体内活性肽多数是从非活性的蛋白质前体经特殊的酶系加工而成。包括多肽链裂解、酰化、乙酰化、糖基化和硫酯化等。
四、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异
1. 起始因子种类多。已知有9种,称为eIFs。起始氨基酸是Met,起始tRNA称Met-tRNA1。有帽子结合蛋白。
2. 起始复合物形成的次序有差异。
有43S起始复合物形成,48S起始复合物形成和80S起始复合物形成三步。小亚基40S核糖体结合到mRNA的帽子上,沿着mRNA运动,直到遇到第一个AUG密码子,才开始翻译(没有富含嘌呤的序列确定起始位点)。
3. 肽链延长和终止
目前所知,除因子的种类和名称与原核生物蛋白质合成不同外,其过程非常相似。延长因子是eEF1α和eEF1βγ。终止由单一的释放因子eRF催化。
2025考研人数达388w,考研热度依旧火热!如何备战2026考研?哪个考研专业适合自己?在职考生如何备考?考研知识点繁多,择校困难大,和海天考研咨询老师聊一聊。网课面授多项选,专业辅导1对1,全年集训随时学!