第六节 蛋白质的生物合成

一、翻译的概念

将mRNA上的核苷酸序列转变为蛋白质中的氨基酸序列的过程称为翻译。如前所述，遗传信息传递的中心法则是DNA→mRNA→蛋白质，蛋白质分子中氨基酸的排列顺序由DNA链的结构基因碱基顺序转录给mRNA，再由mRNA碱基顺序转变为蛋白质分子中氨基酸排列顺序。

说一说：

翻译的概念和生物学意义。

二、蛋白质生物合成体系

参与蛋白质生物合成的物质除作为原料的20种氨基酸外，还有mRNA、tRNA、核糖体（含rRNA）、多种酶、蛋白质因子、ATP、GTP和一些无机离子等。这些物质总称为蛋白质生物合成体系。

（一）三类RNA在翻译中的作用

想一想：

在翻译过程中三种RNA是如何起作用的？

1.mRNA与遗传密码　mRNA上所携带的遗传信息是以碱基互补原则，从DNA结构基因转录下来的。在mRNA链上以5′→3′方向，每3个相邻碱基组成一个三联体代表一种氨基酸，称遗传密码（又称密码子，codon），见表10－4。组成mRNA的碱基有四种，故可排列成4³＝64个密码子，它们不仅代表20种氨基酸，而且有起始密码和终止密码。

遗传密码有如下特点：

（1）密码的简并性：一种氨基酸具有两种以上的密码子称为密码的简并性。同一种氨基酸所有的几种密码子称同义密码。密码子的专一性主要由前2个碱基决定，第3个碱基则呈摆动现象。这是由于密码子的第3个碱基（3′端）与反密码子的第1个碱基（5′端）配对要求不十分严格，因此第3个碱基即便发生突变仍能正确翻译出，这对维持生物物种的稳定性有一定意义。

想一想：

mRNA分子上的遗传密码有何特点？

（2）密码阅读的连续性：密码之间不隔开，翻译方向是从5′端向3′端一个一个连续不断地进行，直至终止密码。如在mRNA分子插入或缺失一个碱基，就会引起阅读框（被翻译的碱基顺序）移位，称移码。移码可引起突变。

（3）起始密码和终止密码：UAA、UAG和UGA是3个终止密码，它们不代表任何氨基酸，只标志翻译的终止。AUG是蛋氨酸的密码子，但在mRNA分子翻译起始部位时，又是肽链合成的起始密码子。因此，代表氨基酸的密码子是61个。

（4）密码的通用性：遗传密码子基本上通用于生物界所有物种，说明了生物的同源进化。近十年研究表明，在线粒体和叶绿体的密码与通用密码有一些差别。

表11－11　遗传密码表

＊AUG若在mRNA翻译起始部位，为起始密码；不在起始部位，则为蛋氨酸密码。

2.tRNA与氨基酸的转运　在蛋白质生物合成中tRNA是氨基酸特异的运载工具，这是由于tRNA的3′－末端的CCA－OH（氨基酸臂）是结合氨基酸的部位，可结合氨基酸形成氨基酰－tRNA。结合何种氨基酸，取决于tRNA反密码环上的反密码子。反密码子准确地按碱基配对原则与mRNA上密码子结合，使所带的氨基酸按mRNA分子中密码子顺序排列成肽链。这种结合是反方向的，即反密码子的第1、2、3核苷酸分别和密码子的第3、2、1核苷酸结合。其中反密码子的第1位核苷酸和密码子的第3位核苷酸结合时，并不严格遵循碱基配对原则，即U－G、I－U、I－C或I－A均可配对，这种现象称为摆动配对。

3.rRNA与蛋白质构成的核糖体（又称核蛋白体）　核蛋白体由大亚基和小亚基组成。两个亚基均由不同的rRNA与多种蛋白质组成。大亚基上有转肽酶，还有两个氨基酰－tRNA结合位点，一个是结合肽酰－tRNA的位点（peptidyl site位，P位，亦称“给位”），另一个是结合氨基酰－tRNA的位点（aminoacyl site位，A位，亦称“受位”）。小亚基有mRNA结合部位，使mRNA能附着于核蛋白体上，以便遗传密码被逐个进行翻译（图10－20）。

图11－12　核糖体

（二）蛋白质合成的酶类

1.氨基酰－tRNA合成酶　此酶在ATP存在下，催化氨基酸活化，以便与tRNA结合。酶特异性很高，每一种酶只催化一种特定氨基酸与其相应tRNA结合，此酶有20种以上。

2.转肽酶　存在于核蛋白体大亚基上，是其组成蛋白质成分之一。作用是使P位上肽酰（或氨基酰）－tRNA的肽酰（或氨基酰）转移至A位上氨基酰－tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键。

（三）其他因子

1.蛋白因子，如起始因子（initiation factor，IF），延长因子（elongation factor，EF），终止因子或称释放因子（releasing factor，RF）；分别参与蛋白质生物合成的起始、延长和终止过程。

2.Mg²⁺、K⁺等无机离子。

3.ATP、GTP等供能物质。

说一说：

翻译的主要过程。

三、蛋白质生物合成的过程

蛋白质的生物合成包括三个阶段：氨基酸活化、肽链合成、多肽链合成后的加工修饰。此过程原核生物与真核生物不全相同，以原核生物为例介绍。

（一）氨基酸的活化

氨基酸的羧基以酯键的形式连接在tRNA的3′末端上，形成氨基酰－tRNA，即氨基酸活化。反应在细胞质进行，由氨基酰－tRNA合成酶（下面反应式中用“酶”代表）催化，ATP供能。反应分两步进行：

反应中，ATP分解成AMP和焦磷酸并释放能量，使氨基酸的羧基活化，形成氨基酰－AMP－酶中间复合物，其中的活化氨基酰进一步转移到tRNA的3′－CCA末端腺苷酸（A）的核糖2′或3′位的游离—OH上，以酯键连接，形成氨基酰－tRNA。转运氨基酸至核糖体上，按mRNA遗传密码指导的顺序，参与肽链合成。

（二）肽链的合成

在核糖体上按mRNA密码顺序，氨基酸缩合成肽链的过程称核糖体循环（ribosome cycle）。此循环可分为起始、延伸、终止三个阶段。

1.起始阶段　起始阶段主要由核糖体大与小亚基、模板mRNA及具有启动作用的甲酰蛋氨酰－tRNA共同构成起始复合体，这一过程需要Mg²⁺、GTP及几种IF参与（图10－21）。mRNA分子阅读框中第一个密码子既代表起始密码子，又是蛋氨酸密码子，但原核生物参加形成起始复合体的氨基酰－tRNA是甲酰蛋氨酰－tRNA（fmet－tR－NA^fmet），称为起始fmet－tRNA^fmet。

起始复合体的形成首先由IF₃、小亚基、IF_l和mRNA形成一个复合物；同时，IF₂、起始fmet－tRNA^fmet和GPT也结合成一个复合物；然后上述两种复合物再组成30S起始复合物。之后，IF₃脱落，IF_1，2和GTP仍结合在复合物中；大亚基结合到小亚基上，形成70S起始复合体。复合体中的GTP水解为GDP和Pi脱落，同时IF_1，2也释放出来。70S起始复合体含mRNA链的两个密码子，其中第1个是起始密码子AUG对应于核糖体的P位，起始fmet－tRNA^fmet的反密码子恰好与之互补结合；mRNA的第2个密码子对应于核糖体的A位，以便接受相对应的氨基酰－tRNA。

2.肽链的延伸　起始复合体形成后，随即对mRNA链上的遗传信息进行连续翻译，即各种氨基酰－tRNA按mRNA的密码子顺序在核糖体上一一对号入座，由tRNA带到核糖体上的氨基酸依次以肽键相连接，直到新生肽链达到应有的长度为止。新生肽链每增长一个氨基酸单位都要经过进位、转肽和移位的过程，这一阶段需要EF、GTP、Mg²⁺和K⁺参与。

图11－13　翻译的起始阶段

IF1、IF2、IF3为三种不同的启动因子

（1）注册（进位）：在起始复合体中，起始fmet－tRNA^fmet在核糖体的P位，A位空着，依照核糖体A位处mRNA上的第2个密码子，相应氨基酰－tRNA的反密码子与之互补结合，进入到A位。进位必须EF－T（由Tu、Ts两亚基组成）和GTP参与。当EF－T与GTP结合后，释出Ts，与氨基酰－tRNA结合成氨基酰－tRNA－Tu－GTP复合物，将氨基酰－tRNA送至核蛋白体的A位。之后Tu－GTP分解释出Pi，Tu－GDP脱下，Ts促进Tu－GDP中GDP脱落，与Tu重新结合成EF－T（Tu－Ts）。这样，在第1次进位后，核蛋白体P位及A位各结合了一个氨基酰－tRNA。

（2）成肽（转肽）：在大亚基中的转肽酶催化下，P位上甲酰蛋氨酰－tRNA^fmet中的甲酰蛋氨酰基转移到A位，并通过其活化的酰基与A位上氨基酰－tRNA中氨基酰的氨基结合，形成第一个肽键。这样在核糖体A位生成了二肽酰－tRNA，之后P位上空载的tRNA从核蛋白体上脱落下来。转肽过程需要Mg²⁺和K⁺。肽链的合成方向为N端→C端。

（3）移位（转位）：在EF－G、GTP和Mg²⁺的参与下，GTP分解供能，核糖体沿mR－NA由5′端向3′端移动一个密码子位置，使原先在A位上的二肽酰－tRNA移至P位，而mRNA链上的下一个密码子进入A位，以便另一个相应的氨基酰－tRNA进位。然后再进行转肽，形成三肽酰－tRNA，接着再移位。进位、转肽、移位反复进行，肽链就按mRNA密码顺序所决定的氨基酸顺序不断延长，直至出现终止密码为止（图10－22）。

图11－14　翻译的延长

EFTu、EFTs代表不同的肽链延长因子；

tRNA上“蛋”、“2”、“3”分别代表甲酰蛋氨酸与不同的氨基酰

3.肽链合成的终止　当肽链合成至A位上出现终止密码（UAG、UAA或UGA）时，各种氨基酰－tRNA都不能进位，只有终止因子能够识别终止密码并与之结合。终止因子和核糖体结合后，使转肽酶活性改变为催化P位上肽酰－tRNA水解酶的作用，从而使合成的多肽链从tRNA上释放出来，这一步也需要GTP分解供能。接着，tRNA也从P位上脱落，核糖体再解聚为大、小亚基，并与mRNA分离。至此，多肽链的合成过程即告完成（图10－23）。

实际上，细胞内合成多肽时并不是单个核糖体，而是每分子mRNA常结合着多个核糖体。1分子mRNA上结合多个核糖体所形成的多聚体称多核糖体，多核糖体才是合成肽链的功能单位。多核糖体上核糖体的数目依mRNA的长度而定。一般多个核糖体之间相隔90多个核苷酸的距离，所以mRNA愈长，结合核糖体愈多。在多核糖体中，每一个核糖体上都有一条正在增长的新生肽链。距mRNA 3′端愈近，新生肽链愈长，直到肽链完全合成为止（图10－24）。通过多核糖体的形式提高了mRNA的利用率，即提高了多肽链合成的效率。

图11－15　翻译过程的终止

图11－16　多核糖体

（三）多肽链合成后的加工修饰

许多新合成的多肽链还无生物活性，需经加工修饰，才能成为具有一定生物活性的完整的蛋白质分子。主要的加工修饰如下：

1.多肽链N－端的甲酰蛋氨酸可被切除　多肽链N－端的甲酰蛋氨酸可在肽链合成后或在肽链延长过程中，被脱甲酰基酶和对蛋氨酸特异的氨基肽酶作用下先后切除。

2.切除部分肽段使无活性的或有部分活性的蛋白质转变为完全有活性的形式　如胰岛素原切除一段肽链（C肽，人C肽有31个氨基酸残基），使其形成A链（21个氨基酸残基）、B链（30个氨基酸残基），才具活性。

3.氨基酸残基的修饰　如胶原蛋白中某些脯氨酸和赖氨酸经羟化生成羟脯氨酸和羟赖氨酸，才能进而成熟为胶原纤维。某些蛋白质还存在甲基化、磷酸化、糖基化以及酯化的氨基酸残基，都是在肽链合成后，经化学修饰而成的。

4.二硫键的形成　多肽链内部或多肽链间所形成的二硫键，是多肽链中空间位置相近的半胱氨酸残基的巯基氧化而形成的，二硫键的形成对维持蛋白质空间结构起着重要作用。

小　结

分子生物学的中心法则阐明了生物遗传信息的规律。DNA通过半保留复制使遗传信息能够代代相传。复制需要许多酶和蛋白质参与，过程可分为起始、延长和终止三阶段。由复制体按5′→3′方向合成先导链和随从链，随从链是以冈崎片段形式合成。内外环境中某些因素可使DNA损伤，这是突变发生的原因，机体能对其进行修复。逆转录是RNA病毒的复制形式，它是以RNA为模板合成DNA的过程。

转录和复制都是核苷酸聚合成核酸大分子的过程，复制需全部保留和继承亲代的遗传信息；转录是活细胞所需信息的表达，是不对称的转录，需RNA聚合酶及ρ因子等参与，过程可分为起始、延长、终止三阶段。转录出的RNA需经加工修饰成熟后才能发挥生物学活性。

蛋白质的生物合成，需要各种氨基酸作为原料，mRNA作模板，tRNA作转运工具，rRNA和多种蛋白质组成的核糖体作为装配机以及酶、蛋白因子参与。其过程包括氨基酸活化、肽链合成及加工修饰三阶段。肽链合成通过核糖体循环进行，此循环又分起始、延伸和终止三步。延伸由进位、转肽、移位反复循环使肽链延长。终止时终止因子识别并结合终止密码而使肽链脱落。所合成肽链需经加工修饰才能具有生物学活性。