第五节   蛋白质的生物合成
    
    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200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。蛋白质合成的过程大致分为5个阶段：① 氨基酸的激活；② 肽链合成的起始；③ 肽链的延长；④ 肽链合成的终止和释放；⑤ 新合成肽链的折叠和加工。现将各阶段的必需成分列于表3-14。
    
    一、蛋白质生物合成过程
    
    1．氨基酸的活化
    
    表 3-14  蛋白质合成各阶段的主要成分简表
    
    

 
    蛋白质合成的起始需要核糖体大、小亚基，起始tRNA和几十个蛋白因子的参与，在模板mRNA编码区5′ 端形成核糖体mRNA-起始tRNA复合物，并将甲酰甲硫氨酸或甲硫氨酸放入核糖体P位点。
    原核生物的起始tRNA是fMet - tRNA^fMet，而真核生物是Met-tRNA^Met。原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与f-Met -tRNA^fMet结合，最后与50S大亚基结合。而在真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNA^Met相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S 大亚基结合生成80S核糖体- mRNA-Met-tRNA^Met 起始复合物。起始复合物的生成除了需要GTP提供能量外，还需要Mg² 、NH₄ 及3个起始因子（IF-1、IF-2、IF3）。
    tRNA与相应氨基酸的结合是蛋白质合成中的关键步骤，因为只要tRNA携带了正确的氨基酸，多肽合成的准确性就相对有了保障。
    在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸，所以，与核糖体小亚基相结合的是N-甲酰甲硫氨酸-tRNA^fMet，它由以下两步反应合成：
    f-Met tRNA^fMet ATP→f-Met-tRNA^fMet AMP PPi
    然后，由甲酰基转移酶转移一个甲酰基到Met的氨基上。
    N¹⁰-甲酰四氢叶酸 Met-tRNA^fMet→四氢叶酸 fMet-tRNA^fMet
    真核生物中，任何一个多肽合成都是从生成甲硫氨酸-tRNA-^Met开始的，因为甲硫氨酸的特殊性，所以体内存在两种tRNA^Met，只有甲硫氨酸-tRNA^Met才能与40S小亚基相结合，起始肽链合成，普通tRNA^Met 中携带的甲硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链中。
    2．翻译的起始
    （1）翻译起始需要的因子：细菌中翻译的起始需要如下7 种成分： ① 30S核糖体小亚基，② 模板mRNA，③ met-tRNA^Met，④ 翻译起始因子：IF-1、IF-2和IF-3，⑤ GTP，⑥ 50S核糖体大亚基，⑦Mg² 。
    （2）翻译起始的步骤：① 30S小亚基首先与翻译起始因子IF-1、IF-3结合，通过SD序列与mRNA模板相结合。而SD序列是由Shine及Dalgamo首先发现的，它是指mRNA上的5′ 端一序列，通常的碱基序列是 5′ -AGGAGGU-3′，在翻译起始时，该序列与30S亚基上16S rRNA3′ 端的富嘧啶区序列5′ -GAUCACCUCCUUA-3′ 相互补。使二者结合成稳定的复合物。② 在IF-2和GTP的帮助下，Met-tRNA^fMet 进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。③ 带有tRNA，mRNA，3种翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子。
    （3）原核生物和真核生物翻译起始的差别：
    细菌核糖体上一般存在3个与氨酰-tRNA结合的位点，即A位点（aminoacyl site），P位点（peptidyl site）和E位点（exit site）。只有fMet-tRNA^fMet能与P位点结合，其他所有tRNA都必须通过A位点到达P位点，再从E位点离开核糖体。
    真核生物蛋白质生物合成的起始机制与原核生物基本相同,其差异主要是核糖体较大，有较多的起始因子参与。其mRNA具有m⁷GpppNp帽子结构，Met-tRNA^Met 不甲酰化，mRNA分子5′ 端的“帽子”和3′ 端的poly(A)都参与构成翻译起始复合物。
    3．肽链的延伸
    （1）后续AA-tRNA与核糖体结合：生成起始复合物后，第一个氨基酸（fMet/Met-tRNA）与核糖体结合，随之，肽链开始伸长。按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。第二个AA-tRNA在延伸因子（EF）的作用下，生成AA-tRNA-延伸因子-GTP复合物，然后结合到核糖体的A位上。
    模板上的密码子决定了哪种AA-tRNA能被结合到A位上。由于延伸因子只能与起始氨基酸-tRNA以外的其他AA-tRNA起反应，所以起始tRNA不会被起始结合到A位上，这就是mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中间不会出现甲酰甲硫氨酸的原因。
    （2）肽键的生成：经过上一步反应后，在核糖体-mRNA-AA-tRNA复合物中，AA-tRNA占据A位，fMet -tRNA^fMet占据P位。在肽基转移酶（peptidyl transferase）的催化下，A位上的AA-tRNA 转移到P位，与 fMet-tRNA^fMet上的氨基酸生成肽键。起始tRNA在完成使命后离开核糖体P位点，A位点准备接受新的AA-tRNA，开始下一轮合成反应。
    （3）移位：核糖体向mRNA3′ 端方向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子相结合的二肽基tRNA₂从A位进入P位，去氨酰-tRNA被挤入E位，mRNA上的第3个密码子则对应于A位。
    肽链延伸是由许多个这样的反应组成的，原核生物中每次反应共需3个延伸因子，消耗2个GTP，向生长中的肽链加上一个氨基酸，每个循环都包括AA-tRNA与核糖体结合、肽键的生成和移位。
    4．肽链的终止
    在肽链合成延伸到终止密码子UAA、UAG或UGA 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（RF）能识别这些密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之间的二酯键。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（图3-34）。
    
    二、蛋白质前体的加工
    新生的多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰后才能转变为有活性的蛋白质。这些加工过程包括形成高级结构、与其他亚基缔合及其他的共价修饰。
    1．对肽链中氨基酸残基的化学修饰
    对新生肽链中某些氨基酸残基进行共价修饰是翻译后处理的重要内容。反应的主要类型有以下几种，而每一种类型的共价修饰过程都由不同的酶催化，如α氨基和竣基的甲基化是在不同的酶催化下完成的：
    （1）乙酰化：在N末端的α氨基和赖氨酸的ε氨基上添加乙酰基。
    （2）甲基化：在α氨基、ε氨基、精氨酸的胍基和C末端的α羧基和侧链的羧基上添加甲基。
    （3）磷酸化：在丝氨酸、苏氨酸及酪氨酸上添加磷酸基团。
    （4）泛酸化：发生在α氨基和ε氨基上。
    （5）转氨基酸作用：主要发生在N末端的α氨基上。
    （6）多聚ADP核糖基化：主要发生在精氨酸的胍基上。
    （7）糖基化：可以通过N糖苷键连接于天冬氨酸的酰胺基上，也可以通过O糖苷键连接于丝氨酸和苏氨酸的羟基上以及羟赖氨酸和羟脯氨酸的羟基上，也可以通过S糖苷键连接于半胱氨酸的巯基上。
    2．除去肽链中N端的甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸
    在原核生物中，蛋白质起始合成的第一个氨基酸为甲酰甲硫氨酸，真核生物为甲硫氨 酸，而成熟的蛋白质N末端大部分不是甲硫氨酸。实际上在加工过程中，切去了N端的一个或几个氨基酸。该氨基酸的甲酰基可由脱甲酰酶催化下而被去除。在多数情况下，当肽链的N 端游离出核糖体后，立即进行脱甲酰化。N 端的甲硫氨酸的去除也可在合成起始后不久发生，但这一过程受肽链折叠的影响。
    3．切除信号肽
    在各种细胞中，蛋白质除游离于胞浆内发挥作用外，还有一部分要分泌到细胞外和定位于膜系统中起作用。如革兰氏阴性的细胞膜具有两层膜结构，内膜含有与代谢和物质转运有关的蛋白质；外膜有促进离子和营养物质进入细胞的蛋白质。真核细胞内有各种不同的细胞器，每种细胞器又有不同的膜结构，因而蛋白质在细胞内的定位非常复杂。蛋白质不但要决定是否越膜，还要决定要越膜的种类。
    在绝大多数细胞的越膜蛋白中，N端都有一长为15~30个氨基酸的信号肽。信号肽的前半段富含精氨酸和赖氨酸，带正电荷；后半段约有15~20个氨基酸，以疏水性氨基酸为主。该段氨基酸能形成α螺旋结构，紧接信号肽的序列也能形成α螺旋。两段α螺旋以反向平行形成一个发夹结构，很容易进入脂双层。继续合成的肽链能穿过内膜。如果是内膜蛋白，则会有一段或几段疏水区域结合于内膜中。当组成发夹结构的两段α螺旋间的部分达内膜外表面时，位于内膜外表面的信号肽酶（signal peptidase）就切除了信号肽。
    4．肽链的折叠
    肽链的折叠在肽链合成还未结束时就已经开始。核糖体可保护30~40个氨基酸残基长的肽链，当肽链从核糖体中露出后，便开始折叠，三级结构的形成几乎和肽链合成的终止同时完成。如大肠杆菌β-半乳糖苷酶的抗体可识别酶的三级结构，能与合成该酶的多核糖体结合。该酶的活性形式为四聚体，当新生的肽链还未由核糖体释放时，就能与游离的酶分子形成活性形式。这说明高级结构的形成在合成终止前就开始了。由此可见，蛋白质的折叠是从N端开始的。
    5．切除前体中功能不必需的肽段
    在蛋白质的前体分子中，有一些肽段是在成熟的蛋白质中不需要的。肽段的切除是在专一性的蛋白水解酶的作用下完成的。如前胰岛素原的加工过程中就去除了分子内部的连接肽（C肽）；蜜蜂产生的蜂毒素刚合成出来时是没有毒性的前毒素，只有在分泌进入刺吸器后，其N端的22个氨基酸残基被蛋白酶水解，生成有毒性的成熟蛋白质。其他多种多肽激素和酶的前体大都要经过这一加工过程。
    6．形成二硫键
    在mRNA分子中，没有胱氨酸的密码子，而不少蛋白质分子中含有胱氨酸二硫键，有的还有多个，且二硫键是蛋白质的功能基团。当然，二硫键是通过两个半胱氨酸的巯基氧化形成的，有的在切除肽段前就已形成。
    7．多肽链N端和C端的修饰
    在一般情况下，合成的多肽一端或两端存在修饰氨基酸，如微管蛋白的α链在酶的作用 下，C端能被酪氨酸修饰。另外，还发现能利用活化的tRNA将氨基酸残基转移到成熟的蛋白质N端上。
    在病毒和细菌中，有些蛋白质的N 端氨基被乙酰化。而在真核生物中，细胞中有半数以上的蛋白质N端被乙酰化。多数多肽的C 端被酰胺化，特别是多肽激素，如催产素、加压素、促胃液素、缩胆囊素和分泌素。酰胺化能保护多肽免受外切酶的水解。另外，N端还有葡萄糖胺和脂肪酸基团的修饰等。
    三、蛋白质合成过程中的注意事项
    
    在蛋白质生物合成过程中有几个问题需要注意：
    1．蛋白质合成的起始密码是AUG，但在mRNA分子上通常并不是最初的一组核苷酸
    各种研究表明，AUG前面还有一定数目的其他核苷酸，这些核苷酸可能使起始密码子AUG在mRNA上处于一个特殊的位置，容易被识别。
    2．终止密码子UAA不一定是mRNA上最后一个密码子
    一个长的mRNA分子可以有若干个起始密码子和终止密码子，也可以说一条mRNA分子上包括多个结构基因，能产生多条多肽链。
    3．tRNA 进入核糖体的氨酰基位（A）肽位（P）时，可能改变构型
    tRNA改变构型的目的是使P位上的氨基酸跟A位上的氨基酸紧密接触，便于肽基转移酶发生作用，在两氨基酸间形成肽键。
    4．密码子AUG可编码甲酰甲硫氨酸，也可编码甲硫氨酸
    由于mRNA上的起始密码子AUG被带有甲酰甲硫氨酸的tRNA（f-Met –tRNA）所识别，所以开始合成的肽链的第一个氨基酸一定是甲酰甲硫氨酸。但结构基因内的密码子AUG却编码甲硫氨酸，能被带有甲硫氨酸的tRNA（Met- tRNA）所识别。因此多肽中间只可能出现甲硫氨酸，而不会出现甲酰甲硫氮酸。
    5．一条mRNA分子可与多个核糖体结合
    特别在原核生物中，许多mRNA可同时合成多条多肽链，大约每间隔25个密码子就有一个核糖体与之结合（图3-35）。
    
    四、蛋白质的种类
    
    蛋白质的种类难以计数，按照各自的功能，大致可分为以下几类：
    1．酶（enzyme）
    活细胞中进行着许多生化反应，在这些反应中，都有酶作为催化剂，所以酶的种类繁多， 功能多样。而酶绝大多数是蛋白质，若某一反应过程的酶丢失或构型改变，反应就中断，生物体必须会出现一系列症状。如人类许多先天性代谢缺陷就是由于缺乏某种酶而产生的。
    在正常人中，苯丙氨酸代谢途径有多条（图3-36）。其中多种生化代谢步骤都需要特定的酶，而这些酶在正常人体中都能正常合成。但是，若控制某种酶合成的基因发生了突变，就出现遗传症状。例如常见的苯丙酮尿症、白化症和黑尿症就是由于苯丙氨酸代谢失常引起的遗传病。
    （1）黑尿症（a1captonuria）：正常人中，苯丙氨酸经酪氨酸等生成的尿黑酸在尿黑酸氧化酶的作用下可变成乙酰醋酸，最后分解成CO₂和水排出体外。但黑尿病人不能形成尿黑酸氧化酶，因此尿黑酸在体内积累，最后随尿排出，遇空气氧化变黑。
    （2）白化症（albinism）：正常人中酪氨酸在酪氨酸酶的作用下形成3,4-二羟苯丙氨酸，再经一系列反应形成黑色素。然而白化病人体内缺乏酪氨酸酶。说明这种酶的基因发生了突变，而且纯合（aa），结果体内不能形成黑色素，表现皮肤很白，带粉红色，严重畏光，视力很差。
    （3）苯丙酮尿症（pheny1ketonuria）：患者缺乏苯丙氨酸羟化酶，不能使苯丙氨酸转变为酪氨酸，这样，苯丙氨酸就变为苯丙酮酸在血液中积累。结果出现一系列症状：一是过量的苯丙氨酸损害中枢神经系统，影响智力发育；二是苯丙酮酸在体内积累过多，就从尿中排出，形成苯丙酮尿；三是由于苯丙氨酸不能生成酪氨酸，使皮肤内黑色素减少，肤色和发色都较浅。
    2．  运载蛋白质
    细胞有膜系统，这些膜上有许多运载蛋白，它们可促使物质有选择地出入细胞或细胞器。血红蛋白就是一种运载蛋白，它能在脊椎动物体内运输氧气，供身体各种代谢活动的需要。若血红蛋白结构改变，就导致贫血病发生。
    如人的镰刀形红细胞贫血症。经研究了解到镰刀形红细胞贫血症的血红蛋白是由一个正常的血红蛋白基因（Hb^A）突变为多个不同的基因（Hb^S、Hb^C、Hb^Z、Hb^MS等）造成的。
    在正常情况下，成人每个血红蛋白分子有4条多肽链（两条α链、两条β链），α链有141个氨基酸，β链有146个氨基酸。若β链的第6个氨基酸由谷氨酸被缬氨酸替换时，就是镰刀形红细胞贫血症；若被赖氨酸替换时，则是另一种贫血症；若β链上的第63位氨基酸的组氨酸被酪氨酸或精氨酸取代时，就出现另两种贫血症（图3-37）。可见在人的血红蛋白基因的密码子中，仅仅改变其中的一个碱基，就可以直接引起它的最终产物一一血红蛋白的性质发生改变，从而导致镰刀形红细胞贫血症的发生。
    3．作为结构单位的蛋白质
    细胞器、细胞膜、细胞核、染色体等都是由许多蛋白质和其他物质构成的，它们以一定的方式结合起来，从而决定了细胞的形态和结构，并行使特定的功能。
    4．抗体（antibody）
    即免疫球蛋白，它是脊椎动物特有的。当外来的蛋白质、多糖或核酸作为抗原（antigen）进入体内后，很快就被抗体识别，并与之结合，最后借助酶把外来分子消化掉，从而保证了机体的健康。人体的抗体种类无法计算，若抗体系统不正常，就可能产生一系列症状。
    第6位氨基酸的取代                  第63位氨基酸的取代
    DNA信息        CTT     CTT     CTT               GTA    GTA     GTA
    碱基替换          ↓正常   ↓A代T  ↓T代 C            ↓正常   ↓A代G  ↓C代T
    DNA被替换后     CTT     CAT     TTT               GTA    ATA     GCA
    转录               ↓      ↓       ↓                 ↓      ↓       ↓
    mRNA            GAA    GUA     AAA              CAU    UAU     CGU
    翻译               ↓      ↓       ↓                 ↓      ↓       ↓
    蛋白质            Glu     Val       Lys               His     Tyr       Arg
    ↓      ↓       ↓                 ↓      ↓       ↓
    表现              正常   Hb^S      Hb^C                正常    Hb^MS     Hb^Z
    
    图3-37    人类4种常见的贫血症形成机理
     
    5．部分激素
    激素（hormone）分为植物激素和动物激素，植物激素多为有机化合物，动物激素大都是蛋白质，它们在身体的某一部位产生，然后运送到一定部位，调节其他细胞的活性。如男性的脑下垂体前叶产生的促性腺激素，可剌激睾丸的间质细胞，促进辜丸酮的分泌，使精子持续地生成。但在XXY个体中，因为靶的器官一一睾丸对促性腺激素的反应减弱，或不起作用，所以尿中促性腺激素的排泄量上升，精子难以形成，最终导致男性不育。
    从上可见，基因通过转录、翻译合成的蛋白质直接或间接地影响性状的发育，但基因对性状发育的作用还受内外环境条件的影响。