第十三章 蛋白质的生物合成——翻译

概述
　　体内合成蛋白质的过程称为蛋白质生物合成。遗传信息贮存于DNA分子，通过转录成mRNA，由mRNA传递的遗传信息被具体地翻译成为蛋白质的氨基酸排列顺序，因此蛋白质生物合成过程称为翻译。
　　mRNA穿过核膜进入胞质后，是合成蛋白质的模板，多个核蛋白体附着其上，形成多核蛋白体。
　　作为原料的各种氨基酸在tRNA携带下，在多核蛋白体上以肽键互相结合。即通过氨基酸活化与转运，进行翻译的起始、肽链的延长、翻译的终止各阶段。
　　合成的多肽链还需经过一定的加工或修饰，多个亚单位构成的蛋白质还需经过聚合过程，才能成为完整的蛋白质分子。
　　基因如有缺陷，可出现蛋白质合成的异常。某些抗生素及干扰素等对蛋白质合成有阻断作用。

第一节 蛋白质生物合成体系
蛋白质的生物合成是复杂的生命化学过程，参与蛋白质合成的物质包括：
①作为原料的20种氨基酸；②作为模板指导蛋白质合成的mRNA；③氨基酸活化的运载体tRNA；④合成的场所核糖核蛋白体；⑤有关的酶和某些蛋白质因子（起始因子、延长因子、释放因子）；⑥无机离子及能量的供给者ATP、GTP。
以上多种物质构成复杂的蛋白质生物合成体系。
一、mRNA是翻译的直接模板
原核生物的一种mRNA往往是功能相关的几种蛋白质的编码信息，如一个酶系统。原核生物的一段mRNA称做一个顺反子（cistron）。
真核生物的mRNA比原核生物多，但一个mRNA一般只带有一种蛋白质的编码。
mRNA分子上从5′至3 ′的方向，如果有AUG开始，可以称做一个开放读玛框架（open reading frame，ORF）。读玛框架内每三个碱基形成的三联体，组成一个遗传密码（密码子，codon）。这些密码代表20种氨基酸和起动信号及终止信号。
遗传密码表见下表。

密码表的说明：
①mRNA上四种碱基可组成43＝64种密码：其中61 密码个分别代表各种氨基酸；
②AUG 作为起始密码(initiator codon) ，在原核生物中又代表编码肽链的甲酰蛋氨酸，在高等动物除作为起始信号外，代表蛋氨酸。
③UAG 、UAA 、UGA 为终止密码(termiator codon) ：终止密码不代表任何氨基酸，仅代表肽链合成终止的信号。
④遗传密码适用于所有生物。
（一）遗传密码的连续性
连续性（commaless）：密码的三联体不间隔，必须连续读取。mRNA链上的碱基的插入或缺失会导致框移（frame shift），使下游翻译出的氨基酸完全改变。
（见第十一章第四节 基因突变）
（二）简并性
简并性（degeneracy）：指密码的第三碱基改变往往不影响氨基酸翻译。
遗传密码中，色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子，其余氨基酸有2、3、4、6个密码。
有2个以上密码子的氨基酸，其三联体上一、二位碱基多数相同，只是第三位碱基不同。
代表同种氨基酸的密码称做同义密码子。
翻译过程总是优先选用其中的一二个同义密码子。
（三）摆动性
摆动性（wobble）指密码子与反密码子配对过程中有时会出现不遵从碱基配对规律的情况。摆动性配对情况多见于密码子的第三碱基与反密码子的第一碱基之间。
出现摆动配对的碱基见下表。

（四）通用性
通用性（universal）指所有生物都使用同样的一套密码。病毒、细菌、哺乳类动物都一样。特殊的细胞器的密码与通用密码有所区别。
动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体的起始密码包括AUG 、AUU，AUA 兼有起始密码子和甲硫氨酸的功能。 终止密码子是AGA 、AGG；色氨酸的密码子是UGA。
二、核蛋白体是肽链合成场所
核糖核蛋白体简称核蛋白体或核糖体，由大小不同两个亚基组成，这两个亚基是由不同的rRNA分子与多种蛋白质分子共同构成的。
1、小亚基：在原核生物为30S，真核生物为40S，其长轴上有一下凹的颈沟。
2、大亚基：在原核生物为50S，真核生物为60S，外形似有三个角，中央部分凹陷。
下图为原核生物的核糖体大、小亚基示意图。

胞质中核蛋白体一般可分为两类：一类附着于粗面内质网，参与分泌性蛋白质的合成；另一类游离于胞质，主要参与细胞固有蛋白的合成。
大、小亚基聚合时，其间形成一个腔，贯穿整个核蛋白体（原核生物为70S，真核生物为80S），多肽合成就在其中进行。
（一）核蛋白体的组成
1、大肠杆菌的核糖体（70S）由沉降系数各为50S和30S的亚基所组成。
50S大亚基含23SrRNA和5SrRNA各一分子和31种蛋白质。30S小亚基含1分子16SRNA和21种蛋白质。

2、真核生物细胞的核糖体（80S ）由沉降系数为60S 和40S 的两个亚基组成。
60S 的大亚基含有28 S、5.8S 、5S 的rRNA 各1 分子和50 种蛋白质。40S 小亚基含有18SrRNA 和33 种蛋白质。

原核生物的核糖体亚基及位点分布见下图。

翻译过程中的核糖体见下图。

P位：肽位（peptidyl site）或给位（donor site）；在肽链延长阶段，肽从此位置转给A位形成肽键，移位后肽回到此位置进行再次转肽。
A位：氨基酰位（aminoacyl site）或受位（acceptor site）；进位时，此位置接受氨基酰-tRNA，成肽时接受P位给出的肽酰基链形成新的肽键。
（二）多聚核蛋白体
多聚核蛋白体：一个mRNA分子上同时有多个核蛋白体在进行蛋白质的合成，即mRNA和多个核蛋白体的聚合物，称为多核蛋白体。

一段有读玛框架的mRNA 分子只有一个起始密码子，但可以反复使用。
肽链合成过程中，核蛋白体沿模板向下游移动一段距离，起始密码子又可以结合另一个核蛋白体，开始另一轮的翻译。体现了蛋白质生物合成的高速和高效性。
下图为蚕丝腺多核糖体电镜照片及示意图

三、tRNA和氨基酰-tRNA
tRNA在翻译过程中起接合体的作用。tRNA 的反密码环 与mRNA 的密码环配对。
tRNA 的-CCA-OH 3′是氨基酸的结合位点，一种氨基酸可以和2-6 种tRNA 结合。
已发现 的tRNA 有40-50 种。
tRNA 携带氨基酸按mRNA 的遗传密码“ 对号入座” 。所谓tRNA 携带氨基酸，实质是酶催化的化合反应生成氨基酰-tRNA 。
（一）氨基酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase）
1、此酶具有绝对特异性：对氨基酸和tRNA两种底物都能高度特异性地识别。
2、此酶还具有校正活性（editing activity ）：水解酯键把错配的氨基酸水解下来，换上与密码子对应的正确的氨基酸。氨基酰-tRNA 合成酶催化的反应分2 个步骤进行。下图为氨基酰-tRNA合成酶催化的反应。

（二）氨基酰-tRNA的表示方法
氨基酰-tRNA的完整写法：ala-tRNAala（携带丙氨酸的tRNA）；met-tRNAemet（ tRNAemet为延长中的tRNA）；met-tRNAimet（tRNAimet为起始者tRNA）；fmet-tRNAfmet原核生物起始tRNA携带N-甲酰甲硫氨酸。
注：前三个缩写代表结合的氨基酸；右上角的缩写代表tRNA的结合特异性（可省略）。
N-甲酰甲硫氨酰-tRNA的生成见下图。

第二节 蛋白质的生物合成
翻译的过程是从读玛框架的5′-AUG??????开始，按模板三联体的顺序延长肽链，直到出现终止密码。甲硫氨酸（甲酰甲硫氨酸）是肽链的N-端；终止密码的前一个三联体代表的氨基酸是肽链的C-端。
氨基酰-tRNA的合成是伴随起始、延长阶段不断配合进行的。
翻译过程（速度达20个氨基酸残基/秒）分起始、延长、终止三阶段，蛋白质合成后需要加工修饰。
一、翻译的起始
翻译起始就是把带有甲硫氨酸的起始tRNA连同mRNA结合到核蛋白体上形成起始复合物。此过程需要多种起始因子（IF）参加。原核生物与真核生物所需要的起始因子有所不同，但步骤大体相同。
原核生物细胞的翻译起始可以分为以下几步：核蛋白体拆离、mRNA 在小亚基上就位、fmet-tRNA 的结合、核蛋白体大亚基结合。
（一）原核生物的翻译起始
1、核蛋白体亚基拆离。
2、mRNA在小亚基上就位。
原核生物mRNA与核蛋白体小亚基结合的分子机制见下图。

3、fmet-tRNA辨认并结合于mRNA的起始密码子上。
4、大亚基加入成为70S的翻译起始复合体。
起始复合体的生成全过程如下图。

（二）原核生物起始因子（IF）和真核生物的起始因子（eIF）
原核生物的起始因子（IF）有三种，而真核生物的起始因子（eIF）有十种。

（三）原核与真核生物翻译起始特点比较见下表。

真核生物的翻译起始复合物生成过程

二、肽链的延长——翻译过程的肽链延长称核蛋白体循环。
广义的核蛋白体循环指翻译的全过程，延长过程需要延长因子（EF）。

（一）进位
进位（entrance）又称注册（registration）：指氨基酰-tRNA按遗传密码指导进入核蛋白体的A位。此时需要EFT的协助。
EFTu、EFTs是延长因子上的2个亚基（s 、 u分别表示蛋白相对稳定和不稳定）。
EFT与GTP结合后释放Ts，余下的Tu-GTP复合物可以结合aa-tRNA；复合物aa-tRNA-Tu-GTP被送到核蛋白体小亚基上与mRNA结合，密码与反密码子对应。
GTP分解释放Pi，Tu-GDP利用GTP的能量重新合成EFT，催化下一个aa-tRNA的进位过程。
1、第一次进位

2、EFTu-Ts循环（进位程序）

（二）成肽
成肽过程：P位上的fMet-tRNAfmet（第一次成肽，以后P位上是肽酰-tRNA）与A位上的aa-tRNA的氨基反应形成肽键，反应在A位进行。成肽完成后的二肽（首次成肽）在A位。以后的循环依次为三肽、四肽??????多肽。
在成肽完成前，P位的tRNA脱落，使P位空出。
成肽由转肽酶（transpeptidase）催化，转肽酶实际上是核蛋白体大亚基上的蛋白质rpl（ribosomal proteins，Large subunit）。
转肽酶催化的肽键的形成过程如下图。

（三）转位
在A位的肽链连同mRNA从A位进入P位。实际上是整个核蛋白体与mRNA-肽之间的相对位置移动，催化转位的酶是转位酶（translocase ）。
转位的结果：肽酰-tRNA-mRNA 占据P 位、A 位空出，为下一个aa-tRNA 进入A 位注册做准备。

核蛋白体循环过程示意图

三、肽链合成的终止
肽链合成的终止包括：终止密码的辨认；肽链从肽酰tRNA水解、释放出来；mRNA从核蛋白体分离；大小亚基拆开、解体。
终止过程需要的蛋白因子称做释放因子
1、RF，作用是辨认终止密码和促进肽链C端与tRNA之间酯键的水解，使肽链从核蛋白体释放。
2、RR：作用是把mRNA从核蛋白体上释放出来。
终止过程的描述
1、当A位出现终止密码（任何一个）时，因无aa-tRNA与之对应（A位不能接纳aa-tRNA ），RF-1、RF-2能识别终止密码进入A位。

2、RF-3激活转肽酶（变构），表现出酯酶水解活性，使P位肽链与tRNA分离。

3、在RR作用下，tRNA、mRNA、RF均从核蛋白体脱落，然后在IF作用下核蛋白体分出大小亚基进入下一次循环。

第三节 翻译后加工
翻译后加工（post-translational processing）：指肽链从核蛋白体释放后经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质。
翻译后加工包括三方面内容：
（1 ）高级结构的修饰
（2 ）一级结构的修饰
（3 ）蛋白质的靶向运输
一、高级结构的修饰
肽链释放后可以根据一级结构自行折叠、盘曲成高级结构。高级结构的修饰还包括：
1、亚基聚合：具有四级结构的蛋白质由2条以上肽链通过非共价键聚合成寡聚体。
2 、辅基连接 ：结合蛋白质与非蛋白部分的连接。如：糖蛋白、脂蛋白、色蛋白以及酶与辅酶。
二、一级结构的修饰
1、切除N-端的甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸（此过程可以在肽链合成过程中进行）。
2、个别氨基酸的修饰（羟化、磷酸化、二硫键的形成等）。
3、水解修饰
真核生物有时会遇到合成后的肽链经过翻译后加工产生多种不同活性的蛋白质或多肽的情况。鸦片促黑皮质素原（POMC）的水解剪裁如下图。

POMC是多种活性物质的前体。
三、蛋白质合成后的靶向运输
1、靶向运输（Protein targeting）：蛋白质合成后定向地到达其执行功能的目标地点。
2、分泌性蛋白 （secretory proteins ）：穿过合成所在的细胞膜到其它组织细胞去的蛋白质统称为分泌性蛋白质。分泌性蛋白合成后靶向运输需要具备下列条件：信号肽、蛋白质自身结构特点、转运机构。
3、信号肽（signal peptide）：未成熟蛋白质中可以被细胞转运系统识别的特征性氨基酸序列。
信号肽的结构特点：10-40 个氨基酸残基组成 ；N- 端为带正电荷的碱性氨基酸（赖氨酸、精氨酸）； 中间较大到20 或更多的中性氨基酸（亮、异亮）组成疏水核心区域；C- 端含有小分子氨基酸（甘、丙、丝），是被信号肽酶裂解的部位，又称为加工区 。
信号肽的一级结构见下图。

实验结果说明信号肽决定靶向运输：不同蛋白质甚至不同物种的信号肽之间可以互相通用，但是把A蛋白的信号肽连接到B蛋白分子，B蛋白则会到达原来只有A蛋白才会到达的位置。另外的实验又证明蛋白质本身结构也是决定靶向运输的重要因素。
把一些分泌性蛋白的的氨基酸序列加以人工变更后，虽然信号肽不变，也不能把蛋白质送到相应的位置。也有相当部分的分泌性蛋白未能找到完整的信号肽序列。
分泌性蛋白输送机制——信号假说（the signal hypothesis）认为：
分泌性蛋白在合成过程中就与转运系统联系；真核细胞浆内存在一种信号识别颗粒（sigmal recognation particles，SRP）：6种蛋白质+1种7s-RNA组成的复合体（核蛋白）
SRP可以辨认、结合信号肽，并可以暂时停止蛋白质合成，随即将正在合成蛋白质的核蛋白体带到细胞膜的胞浆面。
SRP与一种膜内的对接蛋白（doking protein，DP，又称SRP受体）结合，促使膜蛋白通道开放。
信号肽带动合成中的蛋白穿过膜，信号肽沿通道折回膜内，并被膜外侧的信号肽酶在加工区切断，使成熟的分泌性蛋白释放到胞外完成分泌过程。
分泌性蛋白质的转运如下图。

第四节 蛋白质合成的干扰和抑制
抗生素（antibiotics）：能够杀灭或抑制细菌的一类药物。
抗代谢药物：指能干扰生物代谢过程、抑制细菌过度生长的药物。
一、抗生素

二、干扰蛋白质合成的生物活性物质
白喉毒素（diphtheria toxin）： 对真核生物有剧毒的蛋白，其本质是修饰酶。
作用：对真核生物的延长因子-2 （EF-2 ） 起共价修饰作用，生成EF-2 的腺苷二磷酸衍生物使其失活。毒素的作用通常是极低剂量发挥作用。
干扰素（interferon ，IF ）：真核生物细胞感染病毒后分泌的抗病毒蛋白。
干扰素的作用机制如下图。