蛋白质的生物合成.ppt

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1、第十三章 蛋白质的生物合成,人们已完全清楚，贮存遗传信息的DNA不是蛋白质合成的直接模板。DNA上的遗传信息首先转录给mRNA。而mRNA是蛋白质合成的直接模板。mRNA所编码的遗传信息在核糖体上翻译成蛋白质多肽链氨基酸的排列顺序，这过程正像从一种语言翻译成另一种语言时的情形相类似，因此人们把以mRNA为模板合成蛋白质的过程称为翻译(图13-1)。,蛋白质合成非常复杂。真核生物细胞合成蛋白质需要70多种核糖体蛋白质，20多种活化氨基酸的酶，10多种辅助酶和其他蛋白质因子参加，同时还要100多种附加的酶类、40多种tRNA、rRNA，总计约有300多种不同的大分子参与多肽的合成。一个典型的细菌细

2、胞干重的35物质参与蛋白质合成过程。原核生物和真核生物合成机制非常相似，参与蛋白质合成的大分子种类和数量也极相似。蛋白质合成速度非常惊人。大肠杆菌在37条件下合成100个残基组成的蛋白质只需5s。蛋白质合成的数量和种类受到严格调节控制，使蛋白质浓度维持在细胞生理需要的水平。,蛋白质合成要消耗大量能量，约占全部生物合成反应总耗能量的90，所需要的能量由ATP和GTP提供。蛋白质合成机理的研究工作，早期是采用大肠杆菌无细胞体系进行的，因此，对大肠杆菌的蛋白质合成机理了解比真核生物的要详细得多。主要介绍大肠杆菌原核生物蛋白质生物合成有关问题，同时简要介绍真核生物和原核生物蛋白质合成的起始阶段主要差异

3、。,一、遗传密码,蛋白质合成的遗传密码包含于DNA的碱基序列之中。DNA被转录为mRNA，mRNA又决定所形成多肽链中的氨基酸序列。因此我们讨论的密码实际上是指mRNA中的核苷酸排列序列与蛋白质中的氨基酸排列序列的关系。mRNA中的核苷酸有4种，而氨基酸有20种，4种核苷酸怎样排列组合才足以代表20种氨基酸呢?用数学方法推算，如果每一种核苷酸代表一种氨基酸，那么只能代表4种氨基酸，这显然是不可能的。如果每两个核苷酸代表一种氨基酸，可以有42=16种排列方式，仍不足为20种氨基酸编码。如果由3个核苷酸代表一种氨基酸，就可以有43=64种排列方式，这就满足了20种氨基酸编码的需要。以后大量的实验结

4、果证明密码确实是由3个连续的核苷酸所组成的。这3个核苷酸也称为三联体密码或密码子。,遗传密码,mRNA分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四种碱基（A、G、C和U）以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密码子。因此 mRNA 分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨基酸顺序。mRNA的每一个密码子代表一个氨基酸。20种基本氨基酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子是肽链合成起始密码子,三个是终止密码子，以保证蛋白质合成能够有序地进行。,用人工合成的简单的多核苷酸代替天然的mRNA，观察这种结构的RNA可

5、以指导合成怎样的多肽，就可以推测氨基酸的密码。例如合成一个多聚尿苷酸作为mRNA，把它加入到从大肠杆菌制备的无细胞提取物中，提取物中的内源mRNA事先已设法除去，再加入放射性同位素标记的氨基酸和ATP，在一定条件下保温后，观察哪一种标记氨基酸参人到不溶于酸的蛋白质产物中。结果发现只有多聚苯丙氨酸生成。这一实验结果证明：UUU是决定苯丙氨酸的密码，同样用多聚腺苷酸和多聚胞苷酸合成的mRNA来合成蛋白质，结果只得到多聚赖氨酸和多聚脯氨酸。这就表明AAA是赖氨酸的密码、CCC是脯氨酸的密码。,另一种测定密码子中的核苷酸排列序列的方法是核糖体结合技术。此技术建立在两个基本事实上，一是人工合成的三核苷酸

6、即可以起着mRNA的模板作用，并不需要很长的RNA链；二是在无GTP存在时，三核苷酸可以促进与对应的携带有氨基酸的tRNA结合在核糖体上，而不生成蛋白质。这样，利用结合的tRNA复合物可被硝基纤维素膜吸附的性质，可将其与未结合的tRNA分开。由于三核苷酸只与一定的tRNA对应，此tRNA又只与一定的氨基酸结合，因此只要有带标记的氨基酸被滤膜保留，即可推测出模板是什么样氨基酸的密码子。例如加入UUU时，苯丙-tRNA结合于核糖体；加入AAA时，赖氨酸-tRNA结合于核糖体，CCC则对脯氨酸-tRNA的结合有显著促进。因此可以确定它们分别是苯丙、赖、脯氨酸的密码子。此法实验条件简便，也能巧妙地确定

7、绝大多数密码子的序列。,总之，利用酶法或化学法合成有特定序列的均聚核苷酸，共聚核苷酸及核糖体结合技术等方法，仅仅用了4年时间，于1965年完全弄清了20种天然氨基酸的多组密码子(表13-1)。,遗传密码,64种密码子，有61种是氨基酸的密码。每种氨基酸可以有16种密码。其中AUG不仅是甲硫氨酸的密码，也是“起始”密码。UAA，UAG，UGA是终止密码，也就是蛋白质合成的终止信号。上述遗传密码虽然是用大肠杆菌为实验材料所得的结果，但是后来证明生物的遗传密码是通用的，即不论病毒、原核生物还是真核生物都用同一套密码。但1980年底，有的实验室报导酵母链孢霉和哺乳动物线粒体的遗传密码有的不同于标准密码

8、。如在线粒体中UGA不是终止密码而是色氨酸的密码。AUA是甲硫氨酸的密码，而不再是异亮氨酸的密码，CUA应是亮氨酸的密码，但是在线粒体中却是苏氨酸的密码。由此看来，细胞核和亚细胞的密码子略有不同。这到底是进化结果还是突变的产物，尚没有统一的认识。,原核生物的一个mRNA分子往往可以编码几种多肽链(称为多顺反子mRNA)，例如大肠杆菌中一个7000核苷酸长的mRNA可以编码合成色氨酸代谢有关的5种酶。每一种酶蛋白的合成都有自己的起始和终止密码，以控制多肽链合成的起始与终止。,原核生物mRNA上的起始密码一般为AUG，少数为GUG。多肽合成的起始并不是从mRNA的5-末端的第1个核苷酸开始，而是位

9、于5-末端第25个核苷酸残基以后开始的。在起始密码上游约10个核苷酸处(即-10区)通常有一段富含嘌呤的序列。这一序列最初由Shine-Dalgaino首先发现的，因此人们把这一序列称为SD序列。SD序列可以与小亚基16SrRNA3-末端的序列互补，使mRNA与小亚基结合。图13-2列举出一些原核生物的SD序列和SD序列与16SrRNA3-端片段之间的互补关系。,遗传密码的基本特点,密码是无标点符号的密码的兼并性密码子中的第三位碱基比前两个碱基具有较小的专一性64组密码子中，有三组不编码任何氨基酸，而是肽链合成的终止密码子。密码的通用性,二、核糖体,（一）核糖体是蛋白质合成的部位 早在1950

10、年就有人将放射性同位素标记的氨基酸注射到大白鼠体内，经短时间后，取出肝脏制成匀浆，离心，将其分成细胞核、线粒体、“微粒体”及上清液，并测定各部分的放射性强度，发现只有“微粒体”部分的放射性强度最高。他们还发现用放射性标记氨基酸与新制备的大白鼠肝无细胞匀浆一起保温，也有放射性标记氨基酸掺人到“微粒体”蛋白质中。把标记的“微粒体”部分再进一步分离就发现掺人的放射性大部分集中在小的核糖核蛋白颗粒中。这些核糖核蛋白颗粒后来称为核糖体。,将微粒体用去污剂处理，可以使核糖体从内质网上分离出来，离心后即可获得纯化的核糖体。将核糖体与放射性标记氨基酸、ATP、Mg2+和大白鼠肝脏的胞浆上清液部分一起保温，就可

11、以进行肽链的合成。此后又发现许多其他的细胞，如网织红细胞、大肠杆菌等均可使氨基酸掺人核糖体。上述一系列实验结果清楚地指出：核糖体是细胞内蛋白质合成的部位。,（二）核糖体的组成和结构,核糖体是细胞质里的一种球状小颗粒。原核细胞的核糖体直径约18nm，颗粒重为2.8106，沉降系数70S。它含6065rRNA和30-35蛋白质。真核细胞的核糖体较大，直径为2022nm，它含55左右的rRNA和45左右的蛋白质，颗粒重约为4.0106，沉降系数为7780S。在原核细胞中核糖体或自由存在或与mRNA缔合。在真核细胞中，核糖体或与粗面内质网结合或者自由存在。当多个核糖体与mRNA缔合时称为多聚核糖体。真

12、核细胞的线粒体和叶绿体中也有核糖体存在。平均每个原核细胞含有15000个或更多的核糖体，每个真核细胞含有106107个核糖体。,核糖体是由大小不同的两个亚基组成的。大肠杆菌的核糖体由沉降系数各为50S和30S的亚基所组成。50S的大亚基含23SrRNA和5SrRNA各一分子和34种蛋白质。30S小亚基含一分子16SrRNA和21种蛋白质。上述55种蛋白质和3种RNA的一级结构几乎全部阐明，现在人们已经把大肠杆菌核糖体的化学结构基本搞清楚，并且在核糖体体外重组研究中取得重大进展。真核细胞的核糖体由沉降系数各为60S和40S的两个亚基所组成。60S大亚基含28SrRNA，5.8SrRNA，5SrR

13、NA各一分子和大约50种蛋白质。40S小亚基含18SrRNA和大约33种蛋白质。表13-2摘录核糖体的组成及某些特性。,（三）核糖体的功能,核糖体可以看作是一个蛋白质生物合成的分子“机器”，机器内的各组分相互精密配合，彼此分工明确，分别参与多肽链的启动、延长、终止和“移动”含有遗传信息的模板mRNA。,图13-3示意了核糖体大小亚基，贯穿于大小亚基接触面上的mRNA和合成的新生多肽链通过外出孔而进入膜腔。核糖体上有两个tRNA结合位点：肽酰结合位(P位)和氨酰接受位(A位)。P位大部分位于小亚基，其余小部分在大亚基。氨基酰tRNA接受位(A位)主要分布在大亚基上。在A位处5SrRNA有一序列能

14、与氨酰tRNA的TC环的保守序列互补，以利延长用的氨酰tRNA进人A位，而起始用的tRNA无此互补序列，因此，进入核糖体时，它只能进到P位。核糖体的30S亚基与50S亚基结合成70S起始复合物时，两亚基的接合面上留有相当大的空隙。两亚基的接触面空隙内有一个结合mRNA的位点。在50S亚基上还有一个GTP水解的位点，为氨酰-tRNA移位过程提供能量。蛋白质生物合成可能在两亚基接合面上的空隙内进行。,11111111111111111111,三、转移RNA的功能,天然蛋白质的20种氨基酸都有自己特定的tRNA，而且一种氨基酸常有数种tRNA，所以tRNA的种类可达数10种。它们在ATP提供能量和酶

15、的作用下，可分别与特定的氨基酸结合。实验表明，tRNA必须具备倒L型的三级结构才具有携带氨基酰的功能。tRNA分子上与蛋白质生物合成有关的位点至少有4个，即(1)3端CCA上的氨基酸接受位点。(2)识别氨酰tRNA合成酶的位点。(3)核糖体识别位点，使延长中的肽链附着于核糖体上。(4)反密码子位点。每个tRNA都有一个由3个核苷酸组成的特殊的反密码子。此反密码子可以根据碱基配对的原则，与mRNA上对应的密码相结合。据此在蛋白质合成时，带着不同氨基酸的各个tRNA就能较为准确地在mRNA分子上“对号入座”(依次与其密码相结合)。通过“对号入座”和tRNA作中间媒介，氨基酸即可排成一定的序列。,值

16、得提出的是tRNA反密码子中的核苷酸与mRNA密码子中的第三个核苷酸(由5-端向3-端计数)配对时并不严格遵循碱基配对原则，除AU、GC可以配对外，UG、IU(I为次黄苷酸)，IC、IA也可以配对，甚至mRNA的碱基还可以和tRNA反密码子中的稀有碱基配对。不过，要注意的是：反密码子的5端的G可与密码子3端的C或U配对；反密码子上5端的I可与密码子3端的U，C或A配对。但反密码子5端的C和A只能与密码子3端的G和U配对。,贮存在mRNA的遗传密码称为第一套密码系统。1988年以来陆续发现在tRNA分子中也贮存着遗传密码，此密码系统称之为第二套密码系统。实验发现，tRNA分子上某个碱基或某些碱基

17、对能决定tRNA携带氨基酸的专一性。例如突变的赖氨酸tRNA不仅对Lys专一，而且还能携带Ala或Gly。经研究发现，赖氨酸tRNA分子在氨基酸接受臂中的G3G70一对碱基已被G3U70所取代。另外还发现大肠杆菌的丙氨酸tRNA的氨基酸接受臂上的G3U70被其他碱基对取代，丙氨酸tRNA便不能携带Ala。,如果把G3U70碱基对引入半胱氨酸tRNA或苯丙氨酸tRNA，结果这两种tRNA转变成具有携带Ala的功能。同样发现，异亮氨酸tRNA的G5G9碱基对决定着负载Ile的专一性。因此，一个专一的氨酰-tRNA合成酶不仅要对其活化的氨基酸专一，而且对一定的tRNA必须专一，正是这种专一性才保证蛋

18、白质生物合成的忠实性。这种氨酰tRNA合成酶和tRNA之间的相互作用和tRNA分子中某些碱基或碱基对决定着携带专一氨基酸的作用称为第二套遗传密码系统。第二套密码系统的提出，立即受到人们的重视，破译第二套密码将对生物学科各个领域产生重大影响。,目前已破译的第二套密码的tRNA有大肠杆菌丙氨酸tRNA(G3U70)，大肠杆菌精氨酸tRNA(A20)，谷氨酰胺tRNA(U35)，异亮氨酸tRNA(G5G69)，甲硫氨酸tRNA(反密码子)，酵母苯丙氨酸tRNA(G20，G34，A35，A36等)大肠杆菌丝氨酸tRNA(G1G72，G2G71，A3U70等)。tRNA携带专一氨基酸是否要完整的分子结构

19、?近年来有人用化学方法合成一种微螺旋或小螺旋的结构作为氨基酸接受臂，发现能运载专一氨基酸。例如将丙氨酸tRNA分子的113残基组成的片段与第66-76残基的片段通过第13号和第66号残基的磷酯键连接，构成有氨基酸接受臂的小螺旋，这种小螺旋能运载丙氨酸。,四、蛋白质生物合成的分子机制,蛋白质生物合成的机制要比DNA复制和转录复杂得多。它需要大约300种生物大分子，其中包括tRNA、mRNA、核糖体、可溶性蛋白质因子等参加的协同作用。蛋白质合成的过程大致分为5个阶段：(1)氨基酸的激活。(2)肽链合成的起动。(3)肽链的延长。(4)肽链合成的终止和释放。(5)肽链的折叠和加工处理。表13-3中列举

20、大肠杆菌蛋白质合成体系中所需要的重要组分。,（一）氨基酸的活化,tRNA在氨基酰-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的 3-OH与氨基酸的羧基形成活化酯-氨酰-tRNA。氨酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基酰基转移到tRNA的 3-OH端上,形成氨酰-tRNA。,氨基酸活化的总反应式是：,氨基酰-tRNA 合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O 氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA 合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨

21、基酰-tRNA 合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA 合成酶只能识别一种相应的tRNA。tRNA分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA 合成酶所识别。,（二）在核糖体上合成多肽,在大肠杆菌中，此过程可人为地分成起始、肽链的延长和终止三个阶段。1肽链合成的起始 原核细胞中肽链合成的起始需要30S亚基、mRNA、N-甲酰甲硫氨酸-tRNA、起始因子(IFl、IF2及IF3)及GTP参加。,氨基酰-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNA上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按mRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽

22、链。,现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子有两个，即Met的密码子(AUG)和al的密码子(GUG)(极少出现)。在大肠杆菌中,起始密码子AUG所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身,而是甲酰甲硫氨酸。,起始复合物的形成分三个步骤进行(图13-5)。首先30S核糖体亚基与起始因子3(IF3)结合以阻止30S亚基与50S亚基重新结合。然后30S亚基与mRNA结合成30SmRNAIF3复合体(组分比例1：1：1)，第二步是30SmRNAIF3与已经含有结合态GTP及甲酰甲硫氨酰-tRNA的起始因子IFl和IF2结合形成更大的复合物。第三步是此复合物释放出IF3后就与50S核糖体大亚基结合；与此同时与

23、IF2结合的GTP水解生成GDP及磷酸释放出来，IFl及IF2也离开此复合物，形成具有起始功能的核糖体称为起始复合物。这时fMettRNA占据了核糖体上的肽基部位(P部位)，空着的氨酰tRNA部位(A部位)准备接受下一个氨酰tRNA。至此肽链延长的准备工作已经完成。起始复合物形成过程中，起始因子IF2具有GTP酶活性，而IF1起协调IF2和促进IF3离开小亚基的作用。,甲酰甲硫氨酸tRNA(fMet-tRNA)的作用：许多年以前就观察到大肠杆菌蛋白质约有50的N端氨基酸为甲硫氨酸。后来又发现在大肠杆菌的粗提取液中加入甲硫氨酸特别是甲酰甲硫氨酸能够大大促进蛋白质的合成。以后证明原核生物蛋白质的合

24、成就开始于甲酰甲硫氨酸。有一种特殊的tRNA(起始tRNA)专门携带甲酰甲硫氨酸。细胞内有一种甲酰化酶可以催化甲酰甲硫氨酰-tRNA的形成。tRNA+甲硫氨酸甲硫氨酰-tRNA N1O-甲酰四氢叶酸+甲硫氨酰-tRNA四氢叶酸+甲酰甲硫氨酰-tRNA,2肽链的延长 在延长因子EFFu、EFTs(常简称为Tu、Ts)和GTP作用下，新来的氨酰-tRNA识别相应的密码子，并且结合于A部位上，此时在50S上fMet脱离tRNA在转肽酶的作用下，其羧基和所进入的氨酰-tRNA的氨基形成肽键。随后，携带着肽基的tRNA从A部位移到P部位这个过程称为移位。由移位酶(G因子)催化，并必须有供能的GTP和延伸

25、因子EFTs和EFTu参与，此时P部位上原有的tRNA释放出来。核糖体也沿mRNA从53方向移动，于是下一个密码进入A部位，等待着第三个氨酰-tRNA进入。以后肽链上每增加一个氨基酸残基，就按(1)进位(新的氨酰-tRNA进入A部位)；(2)转肽(形成新的肽键)；(3)脱落(转肽后，P部位上的tRNA脱落)；(4)移位(核糖体移动的同时，原处于A部位带有肽链的tRNA随即转到P部位)，这4个步骤一再重复，直至肽链增长到必需的长度(图13-6、13-7、13-8)。,嘌呤霉素 是AA-tRNA的结构类似物，能结合在核糖体的A位，抑制AA-tRNA进入。肽酰嘌呤霉素随后从核糖体上解离出来，通过提前

26、释放肽链来抑制蛋白质合成的。,3肽链合成的终止和释放 终止反应包含两个事件：(1)在mRNA上识别终止密码子；(2)水解所合成肽链与tRNA间的酯键而释放出新生的蛋白质。终止密码子为UAA、UAG及UGA。终止反应需要R1、R2及R33个辅助因子。Rl因子对识别UAA及UAG是必须的，R2因子对识别UAA和UGA是必要的，R3影响多肽链的释放速度。因此可设想终止反应分为依赖于终止密码子的R1或R2结合反应及R1或R2在P部位上把转肽酶的作用转变成水解作用，使P部位上tRNA所携带的多肽链与tRNA之间的酯键水解。tRNA残基从P部位上脱落还有一个最后因子RR参加。一旦tRNA脱落，则70S核糖

27、体也从mRNA上脱落，解离为30S及50S亚基并立即投入下一轮核糖体循环，以合成另一新的蛋白质分子。,以上示意图中所表示的是单个核糖体上的情况，实际上生物体内合成蛋白质常是多个核糖体在同一时间内与同一mRNA相连，每一个核糖体按上述步骤依次在mRNA的模板指导下，各自合成一条肽链。例如血红蛋白多肽链的mRNA分子较小，只能附着56个核糖体，而合成肌球蛋白多肽链的mRNA较大，可以附着5060个核糖体(图13-9)。多核糖体合成多肽链的效率可大大提高。真核细胞的蛋白质合成过程大致与细菌相同，但也有所不同，例如高等动物起动作用的氨酰-tRNA不是甲酰甲硫氨酰-tRNA，而是甲硫氨酰-tRNA。起动

28、因子有910种。肽链延长因子为EFTl和EFT2。终止因子只有1个等。,（三）肽链合成后的“加工处理”,由信使核糖核酸翻译出来的多肽链，多数还不是有功能的蛋白质，新生蛋白质一般要经过各种方式的“加工处理”才能转变成为有一定生物学功能的蛋白质。1细菌蛋白质的N端为甲酰甲硫氨酸，往往先被脱甲酰基酶催化水解除去N端的甲酰基，然后在氨肽酶的作用下，再切去一个或多个N端氨基酸。在真核生物中，N端的甲硫氨酸常常在肽链的其他部分还未完全合成时就已经水解下来。2某些蛋白质在合成过程中，在氨基末端额外生成1530个氨基酸组成的信号序列(信号肽)，用以引导合成的蛋白质前往细胞的固定部位。最后，这些信号序列将在特异

29、的肽酶作用下除去。,3某些蛋白质的一些丝氨酸、苏氨酸等残基中的羟基，可通过酶促磷酸化作用，生成磷酸丝氨酸、磷酸苏氨酸及磷酸酪氨酸残基。例如有些酶的活化需要酶分子中的特异丝氨酸羟基磷酸化。正常细胞转化成癌细胞，某些蛋白质中特异的酪氨酸的磷酸化可能是重要的步骤。4tRNA中没有胱氨酸的密码子，二硫键是通过两个半胱氨酸的硫氢基氧化形成的。5某些氨基酸的侧链要经过专一性的改变，如胶原中的Pro和Lys的羟基化，又如在翻译完成后糖蛋白的天冬氨酸、丝氨酸和苏氨酸的侧链基团才与糖基相结合。,6有些新生的多肽链要在专一性的蛋白酶水解去掉部分肽段后，才能转变成有功能的蛋白质。如前胰岛素转变为胰岛素，前胶原转变为

30、胶原，蛋白酶原转变为蛋白酶等。有些动物病毒的信使RNA则先翻译成很长的多肽链，然后再水解成许多个有功能的蛋白质分子。最近积累的许多证据证明：大量哺乳动物蛋白质在细胞中生成时首先合成较大的前体，再从细胞运出。7由多个肽链及其他辅助成分(如脂类、核酸、血红素等)构成的蛋白质，在多肽链合成后，还需要经过多肽链之间以及多肽链与辅助成分之间的缔合过程，才能形成有活性的蛋白质。,8新生多肽链折叠成有活性的构象 以前人们一直认为蛋白质一级结构决定其高级结构，即多肽链氨基酸序列包含着高级结构的全部信息。然而这一原则只给出了蛋白质折叠的热力学上的可能性，至于多肽链合成后折叠过程和折叠途径仍然是个谜。近年来大量实

31、验及理论的研究发现，生物体内蛋白质多肽链的准确折叠和组装过程需要某些辅助蛋白质参与。这种辅助蛋白质称为分子伴侣或监护蛋白。其功能是与新生多肽链或部分折叠的蛋白质结合，加速折叠或组装成天然构象的进程。,分子伴侣一般与没有折叠或部分折叠的多肽链的疏水表面结合，诱发多肽链折叠成正确构象，防止多肽链间相互聚合或错误折叠。在生物进化过程中，分子伴侣是十分保守的蛋白质家族成员中的一类。在行使功能时要ATP提供能量，它能识别未折叠或部分变性的蛋白质的结构域，影响折叠的速度，它无序列的偏爱性。分子伴侣既可以防止多肽链过早折叠，阻碍多肽跨越线粒体或内质网膜。当多肽链越膜后，它帮助多肽链正确地折叠成有活性的蛋白质

32、构象。分子伴侣分布在细胞膜、线粒体膜和内质网膜的内外空间。分子伴侣一旦与新生多肽结合，就可以通过设置的障碍来阻止错误的装配或通过降低正确装配所需的活化能，以促进多肽链的折叠。,（四）蛋白质合成所需的能量,每一分子氨酰-tRNA的形成需要两个高能磷酸基团。在延长过程中有一分子GTP水解成GDP。在移位过程中又有一分子GTP水解，因此完整多肽链中每形成一个肽键至少需要4个高能键。一mol肽键水解时，标准自由能的变化为-20.9kJ(-5.0kcal)，而合成一个肽键消耗能量为122kJmol(7.34=29.2kcalmol)。所以肽键合成标准自由能变化为101.2kJmol(-242kcalmo

33、l)，说明蛋白质合成反应实际上是不可逆的。大量的能量消耗可能是用于保证mRNA的遗传信息翻译成蛋白质的氨基酸序列的准确性。,（五）活性肽合成的特征,人体内活性肽绝大多数是从非活性的蛋白质前体经特殊的酶系加工而形成的。它包括多肽链裂解、酰化,合成途径有两个共同特征：(1)由起始乙酰化、糖基化和硫酯化等作用,活性肽的生物编码AUG译出的甲硫氨酸残基领先逐个往羧基末端延伸至20肽左右的片段，称为信号肽。信号肽被内质网腔膜上的信号肽酶除去。信号肽酶裂解位点往往是20肽左右长度的羧基端残基与丙氨酸或甘氨酸或丝氨酸形成的肽键；(2)形成的激素原前体，转移到高尔基体复合体区域进行选择性酶促加工。酶切位点往往

34、为配对的碱性氨基酸残基的序列，尤其以-Lys-Arg为主，尚有Arg-Lys，Lys-Lys，Arg-Arg。,信号肽、信号识别蛋白体（SRP）和停靠蛋白（DP）等对识别、运送起着重要的作用。,信号肽及其功能 信号肽假说认为，穿膜蛋白质是由mRNA编码的。在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA片段，这个氨基酸序列就称为信号序列。随着信号序列在结合核糖体上合成，便与膜上特定受体相互作用，产生通道，允许这段多肽在延长的同时穿过膜结构。这种方式是边翻译边跨膜转运。,信号肽假说认为，分泌蛋白的生物合成像细胞质中一般蛋白质一样在自由核糖体内开始，当翻译进行到大约50-70个氨基酸残基之后，信

35、号肽开始从核糖体的大亚基露出，它即被RER膜上的受体识别，并与之相结合。信号肽穿过膜后被内质网腔的信号肽酶水解，正在合成的新生肽随之通过蛋白孔道穿越疏水的双层磷脂。一旦核糖体移到mRNA的“终止”密码子，蛋白质合成即告完成，翻译体系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖体重新处于自由状态。,结论：完整的信号多肽是保证蛋白质转运的必要条件。信号序列中疏水性氨基酸突变成亲水性氨基酸后，会阻止蛋白质转运而使新生蛋白以前体形式积累在胞质中。仅有信号肽还不足以保证蛋白质转运的发生。指导蛋白质转运的信号事实上可能要长于蛋白酶降解掉的信号肽链。信号序列的切除并不是蛋白质转运所必需的。并非所有的转运蛋白质都有可降解的

36、信号肽。在卵清蛋白分子的中心区域有相当于信号肽功能的肽段存在。信号肽应当定义为：能启动蛋白转运的任何一段多肽。,SRP能识别正在合成并将通过内质网膜的蛋白质的自由核糖体，它与这类核糖体上新生蛋白的信号肽结合是多肽正确运送的前提，但同时也导致了该多肽合成的暂时终止。信号肽的疏水部分很可能与SRP的疏水域相结合，SRP-信号肽-多核糖体复合物即被引向内质网膜并与SRP的受体DP相结合。后者由两部分组成，位于细胞质的亲水部分，嵌入膜内的疏水部分，只有当SRP与DP相结合时，多肽合成才恢复进行，新生肽链随信号肽继续延伸。跨膜以后，信号肽被水解，新生肽继续延伸，形成高级结构和成熟型的蛋白质，并位于相应细

37、胞器。,核糖体在膜上的受体也参与了这一复杂过程。SRP与DP的结合很可能导致受体聚集而形成膜孔道，使信号肽及与其相连的新生肽得以通过。此时SRP与DP相分离并恢复游离状态。待翻译过程结束后，核糖体的大、小亚基相互解离，受体解聚，通道消失，内质网膜也恢复完整的脂双层结构。,L:Leu A:Ala F:Phe G:Gly C:Cys P:Pro W:Trp Y:Tyr I:Ile V:Val M:Met,K:Lys R:Arg,五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异,真核生物蛋白质合成机制与原核生物非常相似，但并不相同，它涉及的因子多，起始复合物形成较复杂。下面就此问题作简要的对比(图13-10)

38、。1起始复合物形成所需的蛋白质因子的差异 原核生物起始因子主要有IFl，IF2和IF3等3种，而真核生物就目前所知，起始因子就有9种左右，其中eIF2由3个亚基组成(2，2和2)，而eIF4按其参与复合物的作用不同区分为4A，4B，4C，4E，4F。而形成的复合物4F(eIF4AeIF4EP220复合物)称为帽子结构结合蛋白复合物(CBPC)。P220由它的相对分子质量为220000而得名，它可促进起始因子eIF4E与mRNA帽子结构结合。这些因子的生物活性与原核生物相关因子的生物活性依次列于表13-4中。,2起始复合物形成过程的次序差异 真核生物蛋白质合成的起始过程分为三步：43S起始复合物

39、的形成；48S起始复合物的形成和80S起始复合物的形成。(1)43S起始复合物的形成 小亚基40S核糖体首先与起始因子eIF3和eIF4C结合生成43S核糖体复合物，然后再与eIF2GTPMettRNAi复合物结合形成43S前起始复合物。而原核生物在起始因子IFl、IF2、IF3和GTP促使下形成复合物后，与mRNA结合生成复合物再与fMet-tRNAfMet结合生成30S前起始复合物。,(2)48S起始复合物的形成 真核生物43S前起始复合物与mRNA复合物结合成48S前起始复合物。mRNA复合物含有CPBC(帽子结构结合蛋白复合物)，eIf4A、eIF4B和eIF4F。在有ATP条件下，这

40、些因子一起生成复合物。原核生物无此步骤。(3)80S起始复合物的形成 48S前起始复合物生成后，在延长因子eIF5作用下，释放出eIF2GDPPi和eIF3，eIF4c，接着60S大亚基核糖体便与小亚基结合而生成80S起始复合物。,真核生物与原核生物蛋白质合成的起始阶段中，真核细胞起始的Met-tRNAi只选择mRNA起始密码AUG，而原核细胞起始密码除AUG外，还有GUG，UUG，甚至AUU也可利用；40S亚基与mRNA5-末端接触并沿着mRNA寻找起始密码AUG，开始翻译的过程需要ATP供能。真核mRNA中AUG前的附加信号(如原核生物的SD序列)是不需要的。,3肽链延长和终止过程 真核生

41、物蛋白质合成过程中的肽链延长，由延长因子EF1、EF1作用下进行的。EF1与GTP，氨基酰-tRNA形成复合物，促使氨酰-tRNA进入核糖体。EF1 催化GDP与GTP交换，利于EF1循环利用。而移位是由EF2作用进行的，相当于原核生物的EF-G，它催化GTP水解和驱动氨基酰-tRNA从A位移到P位。终止过程由释放因子RF识别UAA或UAG或UGA终止密码。它使肽酰基转移酶变构成具有水解肽酰基与tRNA之间的酯键，释放出新合成的肽链，在终止过程中需GTP供能。而原核生物的终止密码分别由RFl和RF2识别。真核生物和原核生物蛋白质合成的肽链延长和终止过程非常相似，除因子的种类和名称不同外，没有更明显的差别。不过随着研究的深入会有更多的发现。,