分子生物学 第 4 章 第 2 节：蛋白质合成

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  • 蛋白质的生物合成包括：
    • 氨基酸活化
    • 肽链的起始、延伸、终止
    • 新合成多肽链的折叠和加工

4.2.1 核糖体

  • 定义：由几十种蛋白质和几种核糖体 RNA （ribosomal RNA，rRNA） 组成的亚细胞颗粒
  • 核糖体包含两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的两倍
  • 核糖体的小亚基负责对模板 mRNA 进行序列特异性识别 如寻找 SD 序列

沉降系数

  • 单位：Svedberg，S
  • 沉降系数是由形状和大小共同决定的，因而不是质量的衡量标准
  • 核糖体上有多个活性中心，每个中心都有一组特殊的核糖体蛋白 （ribosomal protein，r-protein） 构成
  • 核糖体有 3 个 tRNA 结合位点
    • A 位点：入口，是新到来的氨酰 tRNA 的结合位点
    • P 位点：肽酰 tRNA 结合位点
    • E 位点：是延伸过程中的多肽链转移到氨酰 tRNA 上释放 tRNA 的位点
    • 方向性：tRNA 的移动顺序是从 A 位点到 P 位点再到 E 位点，通过密码子与反密码子之间的相互作用保证反应正向进行而不会倒转

氨酰 tRNA：AA-tRNA 肽酰 tRNA：AA-AA-tRNA

4.2.2 氨基酸的活化

[!WARNING] 此步骤消耗 1 ATP

  • 氨基酸必须在氨酰 tRNA 合成酶的作用下生成活化氨基酸： AA-tRNA
  • 至少存在 20 种以上具有氨基酸专一性的氨酰 tRNA 合成酶，能够识别并通过氨基酸的羧基与 tRNA 3' 端腺苷酸核糖基上 3'-OH 缩水形成二酯键

[!TIP]

  • tRNA 3' 端末端碱基为-CCA
  • 细菌中，起始氨基酸为 fMet

4.2.3 翻译的起始

[!WARNING] 此步骤消耗 GTP

对比真核生物原核生物
起始 tRNAMet-tRNA $^{Met}$fMet-tRNA $^{fMet}$
起始结合顺序40 S 小亚基先与 Met-tRNA $^{Met}$ 结合
再与 mRNA 模板结合
最后与 60 S 大亚基结合		30 S 小亚基先与 mRNA 模板结合
再与 fMet-tRNA $^{fMet}$ 结合
最后与 50 S 大亚基结合
  • 起始复合物的生成的条件
    • GTP 提供能量
    • $Mg^{2+}$
    • $NH_4^+$
    • 3 个翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3（可重复利用）

① 原核生物翻译的起始

  • 细菌中翻译起始需要的成分（按结合顺序）：
    1. 30 S 小亚基
    2. mRNA 模板
    3. fMet-tRNA $^{fMet}$
    4. 3 个翻译起始因子：IF-1、IF-2、IF-3
    5. GTP
    6. 60 S 大亚基
    7. $Mg^{2+}$
  • 翻译起始的三步：
    1. 30 S 小亚基与翻译起始因子 IF-1、IF-3 结合，通过 SD 序列与 mRNA 模板相结合
    2. 在 IF-2 和 GTP 的帮助下，fMet-tRNA $^{fMet}$ 进入小亚基的 P 位点，tRNA 上的反密码子与 mRNA 上的起始密码子配对
    3. 带有 tRNA、mRNA、3 个翻译起始因子的小亚基复合物与 50 S 大亚基结合，GTP 水解，释放翻译起始因子

② 真核生物翻译的起始

  • 扫描模型：解释 40 S 小亚基对 mRNA 起始密码子的识别作用
  • 40 S 小亚基识别 mRNA 5' 端的甲基化帽子 （作用类似于原核生物中的 SD 序列）

4.2.4 肽链的延伸

[!WARNING] 此步骤消耗 GTP 每形成一个肽键消耗 2 GTP

  1. 后续 AA-tRNA 与核糖体结合(AA -tRNA 进入 A 位点) 此步消耗 1 GTP
  2. 肽键的生成
  3. 移位：核糖体向 mRNA 3' 端方向移动一个密码子 此步消耗 1 GTP

4.2.5 肽链的终止

[!WARNING] 此步骤消耗 GTP

  • 肽链延伸过程中，当终止密码子 （UGA、UAG、UAA） 出现在核糖体的 A 位时，没有相应的 AA-tRNA 能与之结合，而释放因子 （release factor，RF） 能识别这些密码子并与之相结合，水解 P 位上的多肽链与 tRNA 上的二酯键。接着，新生的肽链和 tRNA 从核糖体上释放，核糖体大、小亚基解体，蛋白质合成结束

释放因子 RF

  • 具有 GTP 酶活性，催化 GTP 水解，使肽链与核糖体解离
  • 释放因子分类
    • Ⅰ类 RF：识别终止密码子，催化新合成的多肽链从 P 位点的 tRNA 中水解释放出来
    • Ⅱ类 RF：在多肽链释放后，刺激Ⅰ类 RF 从核糖体中解离出来
  • 细菌细胞内存在 3 种不同的释放因子（RF 1、RF 2、RF 3）
  • 真核细胞的Ⅰ类和Ⅱ类释放因子分别只有一种：eRF 1、eRF 3
  • Ⅰ类 RF（eRF 1）能识别 3 个终止密码子
  • 多核糖体 （polyribosome 或 polysome）：结合多个核糖体的 mRNA
    • 多核糖体的作用：提高 mRNA 翻译效率

4.2.6 蛋白质前体的加工（4 种）

  1. N 端 fMet 或 Met 的切除
  2. 二硫键的形成
  3. 特定氨基酸的修饰
    • 磷酸化phosphorylation
    • 糖基化glycosylation
    • 甲基化methylation
    • 乙酰化acetylation
    • 泛素化ubiquitination和类泛素化修饰ubiquitin-like modifications
  4. 切除新生肽链中的非功能片段

4.2.7 蛋白质的折叠

  • 分子伴侣molecular chaperone：一类序列上没有相关性，但有共同功能的保守性蛋白质，它们在细胞内能帮助其他多肽进行正确的折叠、组装、转运和降解
  • 两类分子伴侣
    1. 热休克蛋白
    2. 伴侣素