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。