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蛋白质的生物合成

6917 字符

文集 医学分子细胞遗传基础 共 17 篇

#课程笔记2026-2027

目录

intro

aka 翻译 translation

tree

  • 蛋白质合成体系
    • mRNA与遗传密码
    • tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”
    • rRNA(核糖体)是肽链合成的“装配机”
  • 蛋白质的合成过程
    • 氨基酸的活化与转运
    • 肽链合成的起动、延长 、终止
    • 真核生物蛋白质合成的特点
  • 翻译后加工与蛋白质合成后分泌
    • 肽链合成后的加工与修饰
    • 复合蛋白质的形成和亚单位的聚合
    • 分泌蛋白的合成与分泌
  • 蛋白质合成与某些医学问题
    • 蛋白质生物合成的阻断剂

蛋白质的特性

  • 蛋白质是生命活动的物质基础
  • 蛋白质处于不断更新状态
    • 半衰期，minutes/hours～days
  • 蛋白质具有高度种属特异性
  • 蛋白质由生物体自行合成

蛋白质生物合成——翻译（translation）

  • 以mRNA为模板、以氨基酸为原料，形成特定多肽链的过程。这样，mRNA分子中的核苷酸序列就被翻译为蛋白质的氨基酸序列。

第一节 蛋白质合成体系

  • 三种RNA
    • mRNA－模板
    • tRNA－ 特异的“搬运工具”
    • rRNA－“装配机”
  • 20种α-氨基酸-原料
  • 酶与蛋白质因子（原核/e真核）
    • IF/eIF（起始因子）
    • EF/eEF（延伸因子）
    • RF/eRF（释放因子）
  • 无机离子及能量：Mg2+，K+，ATP，GTP

一、蛋白质合成机制研究的三大成就

  • Zamecnik证明核糖体是蛋白质合成的场所（1953年）
    • 同位素标记丙氨酸——hours蛋白质标记，minutes核糖体标记
  • Hoagland和Zamecnik发现了“活化”的氨基酸－氨基酰tRNA (1955年)
  • Crick提出DNA与蛋白质之间有转换分子（1958年）
    • DNA->mRNA->蛋白质

二、mRNA与遗传密码

mRNA and Genetic Code

mRNA的作用：翻译的直接模板

  • mRNA、碱基语言(4字符)
  • 蛋白质、氨基酸语言(20字符)
  • 遗传密码Genetic Code？
    • 在mRNA分子上，
    • 从5’端→3’端，每相邻的3个核苷酸组成一组
    • 在蛋白质合成时，对应某一种氨基酸，
    • 这就是遗传密码。相邻的三个核苷酸称为密码子(codon)或三联体密码(triplet)

ScreenShot_2026-11 -02_083055_9142x 遗传密码表{: style="text-align: center"}

遗传密码的特点

  • 简并性 (Degeneracy)
  • 起始密码和终止密码(Initiation codon & Termination codon)
  • 方向性与无间隔性 (Polarity & commaless)
  • 通用性 (Universal)

1. 简并性（Degeneracy）

多个密码子对应一种氨基酸的现象

2. 起始密码与终止密码

initiation codon & termination codon

AUG：甲酰蛋氨酸／蛋氨酸；起始密码位于mRNA5’端附近，起始密码最适上下文序列为：CC(A/G)CCAUGG

UAA、UAG、UGA：终止密码不代表任何氨基酸密码子

3. 方向性与无间隔性

(Polarity & Commaless)

  • 方向性：
    • 密码子的排列是从mRNA 5’ →3’端
    • 起始密码位于 5’ 端；终止密码位于3’端
  • 无间隔性：
    • 密码子在mRNA上是连续的
    • 相邻密码子之间既无间断也无交叉重叠
    • 如插入或缺失碱基可能导致移码突变(frame shift mutation)

开放阅读框 (open reading frame, ORF)

  • 从mRNA 5'端起始密码AUG到3'端终止密码之间的核苷酸序列，各个三联密码子连续排列编码一个蛋白质多肽链。

碱基丢失、碱基突变、碱基改变

4. 通用性（Universal）

从病毒、细菌到人 ，所有生物均使用同一套密码子，说明各种生物在进化上具有同源性。

通用性是相对的

  • 线粒体中：UGA不代表终止信号而是代表色氨酸
    • AGA、AGG：终止密码
    • AUA：起始密码；蛋氨酸
  • 某些细菌：GUG也可作启动信号

三、tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”

tRNA, The Adaptor of An Amino Acid to Its Codon

tRNA转运氨基酸的特点

  • tRNA转运氨基酸具有特异性
    • 一种tRNA对应一种氨基酸
    • 一种氨基酸可由多种 tRNA转运
  • 氨基酸结合于tRNA的3’末端(CCA-OH)
    • 氨基酰tRNA表示法：\(ala-tRNA^{ala}\)
      • \(met-{tRNA_i}^{met}\) 起始阶段initiation
      • \(met-{tRNA_e}^{met}\) 延伸阶段
  • tRNA上的反密码子识别mRNA上的密码子,使所携带的氨基酸准确对号入座。

反密码子与密码子的配对：

  1. 反向
  2. 不稳定（摆动性wobble）

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密码子与反密码子配对的摆动现象

tRNA反密码子
第1位碱基		 I U G A C
mRNA密码子
第3位碱基		 U/C/A A/G U/C U G
  • 反密码子第一位与mRNA第三位非完全配对

四、核糖体是肽链合成的“装配机”

Ribosome，the Machinery for Synthesis of Peptide Chain

核糖体组成

  • 大、小两个亚基
  • 主要成分是多种蛋白质＋rRNA

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核糖体功能区：

  • 受位 (氨基酰位, A位)
    • acceptor site (aminoacyl site)
  • 给位 (肽位, P位):
    • donor site (peptidyl site)
  • 排出位（ E位,原核）
    • exit site

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蛋白质合成的高效性－多核糖体（polysome）

真核：单顺反子；原核：多顺反子

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第二节 蛋白质的合成过程

Section 2 PROCESS OF PROTEIN SYNTHESIS

  • 氨基酸的活化
  • 活化氨基酸在核糖体上的缩合（核糖体循环）
    • 起始（initiation）
    • 延长（elongation）
    • 终止（termination）

一、氨基酸的活化与转运

Activation and Transfer of Amino Acids

氨基酸的活化与转运是酶促需能反应

\[ tRNA + 氨基酸 \frac{ATP/Mg^{2+}/Mn^{2+}}{氨基酰-tRNA合成酶} 氨基酰tRNA \]
  • 消耗两个高能磷酸键（1*ATP提供）
  • 氨基酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase）保证tRNA携带正确的氨基酸
    • 氨基酰-tRNA合成酶（23种）对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性
      • 赖氨酸（2种）、磷酸化丝氨酸、吡咯酪氨酸
    • 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity)

二、肽链合成的起始（原核生物）

Initiation in Ribosome Cycle

  • 起始复合物
    • 核糖体大小亚基
    • 模板mRNA
    • \(fMet-tRNA^{fMet}\)（N-甲酰甲硫氨酸）
  • 需要因子：Mg2＋、GTP、起始因子(IF)

原核起始因子(initiation factor, IF)

  • IF2: 促进核糖体小亚基与\(fMet-tRNA^{fMet}\)结合;
    • GTP酶活性（GTP→GDP+Pi）
  • IF3: 抑制核糖体大、小亚基过早聚合;
    • 促进小亚基与mRNA结合
  • IF1: 辅助IF2、IF3

起始复合物的形成过程

  1. 核糖体大小亚基分离
  2. mRNA在小亚基定位结合
    • S-D序列 (Shine-Dalgarno sequence),rRNA定位起始密码子
  3. 起始氨基酰-tRNA结合，形成30S起始复合物
  4. 核糖体大亚基结合，形成70S起始复合体

三、肽链延长（原核生物）

Elongation in Ribosome Cycle

  • 即核糖体自mRNA 5’端向3’端推进翻译过程，
  • 需延长因子(EF)、GTP和无机离子

肽链延长过程（循环进行、肽链延长）：

  1. 进位(entrance)
  2. 成肽(peptide bond formation)
  3. 转位(translocation)
原核
延长因子		 生物功能 对应真核
延长因子
EF-Tu 促进氨基酰-tRNA进入A位，
具有GTP酶活性		 eEF-1-α
EF-Ts 调节亚基，促进EF-Tu再利用 eEF-1-βγ
EF-G 有转位酶活性，促进mRNA-
肽酰-tRNA由A位前移到P位，
促进卸载tRNA释放		 eEF-2

肽链合成的延长因子(elongation factor, EF){: style="text-align: center"}

1. 进位 entrance

又称注册(registration)

  • 根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位
  • 延长因子EF-Tu
    • 促进氨基酰tRNA与核糖体A位结合
  • 延长因子EF-Ts
    • 促进EF-Tu的再利用

2. 成肽 peptide bond formation

由转肽酶催化肽键生成 (23s RNA)

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3. 转位 translocation

EF-G有转位酶活性，通过水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3’侧移动。

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肽链延长过程特点：

  • 每一循环生成一个肽键
  • 每生成一个肽键消耗4个高能磷酸键
    • 活化: 2, 1*ATP->AMP
    • 进位: 1, 1*GTP->GDP
    • 转位: 1, 1*GTP->GDP
  • 密码子阅读方向：5’ → 3’
  • 多肽链延长方向：N端→C端

四、肽链合成的终止

Termination in Ribosome Cycle

当翻译至mRNA终止密码时，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体等分离。

终止过程：

  • 终止因子辨认终止密码（UAA、UGA、UAG）
  • 转肽酶转变为水解酶
  • 肽链释放
  • mRNA释放
  • 大小亚基分离

终止因子（或称释放因子, release factor, RF）

  • 辨认终止密码，使转肽酶变为水解酶，水解肽链与tRNA的连接，促进肽链从核蛋白体释放。
  • RF1, RF2, RF3

核糖体循环 Ribosome Cycle

蛋白质翻译过程中，核糖体大小亚基聚合，完成肽链合成的起始、延长及终止过程后解离，然后再聚合成完整的核糖体，开始新的肽链合成，循环往复。

  1. 活化
  2. 缩合
    1. 起始
    2. 延伸（进位、成肽、转位）
    3. 终止