华中农业大学生物化学考研试题库附答案 蛋白质的合成.docx

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华中农业大学生物化学考研试题库附答案蛋白质的合成

第15章蛋白质的合成

一、教学大纲基本要求

蛋白质合成的一般过程以及参与蛋白质合成的各种大分子（包括翻译因子）的结构与功能，蛋白质合成后的加工形式与转运机制，主要内容包括，1.遗传密码，遗传密码的破译策略，遗传密码的特点，2.蛋白质生物合成中的生物大分子结构及其作用，mRNA，rRNA，核糖体，辅助因子。

3.蛋白质生物合成的一般过程，原核生物与真核生物蛋白质合成的异同，常用的原核型与真核型蛋白质合成抑制剂，4.多肽合成后的定向输送与加工，信号肽及信号肽的识别，内质网上多肽的糖基化修饰，高尔基体中多肽的糖基化修饰及多肽的分捡（sorting），线粒体、叶绿体蛋白质的来源。

二、本章知识要点

（一）遗传密码

1、遗传密码的破译

主要利用无细胞体外翻译体系，在外加不同的RNA模板、20种标记的氨基酸后，分析多肽产物的氨基酸序列。

美国科学家M.W.Nirenberg等由于在该领域的开创性工作于1968年获诺贝尔生理医学奖。

2、遗传密码的特点

在64个密码子中有61个编码氨基酸，3个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用，称为终止密码子，它们是UAG、UAA、UGA，密码子AUG（编码Met）又称起始密码子。

（1）方向性：

由mRNA的5’向到3’编码

（2）连读性：

编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个地线形排列，密码子之间既不重叠也不间隔，从起始密码子到终止密码子（包括终止子）构成一个完整的读码框架，又称开放阅读框架（ORF）。

如果在阅读框中插入或删除一个碱基就会使其后的读码发生移位性错误（称为移码）。

两个基因之间或两个ORF之间可能会互相部分重叠（共用部分碱基序列）。

（3）简并性：

几种密码子编码一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。

如GGN（GGA、GGU、GGG、GGC）都编码Gly，那么这4种密码子就称为Gly的简并密码。

只有Met和Trp没有简并密码。

一般情况下密码子的简并性只涉及第三位碱基。

（4）变偶性：

密码子中第三位碱基与反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循A-U、G-C的原则，Crick把这种情况称为摇摆性（变偶性），也称摆动配对或不稳定配对。

密码子的第三位和反密码子的第一位是摇摆位点。

（5）通用性与变异性：

密码子在不同物种间几乎是完全通用的，但线粒体和叶绿体内有列外情况，不同生物往往偏爱某一种密码子。

（二）蛋白质合成的分子基础

1、mRNA，不仅是蛋白质合成的模板，而且参与核糖体的组装与翻译起始

（1）原核生物mRNA的结构

①5’端SD序列：

在起始密码子AUG上游9-13个核苷酸处，有一段可与核糖体16SrRNA配对结合的、富含嘌呤的3-9个核苷酸的共同序列，一般为AGGA，此序列称SD序列。

它与核糖体小亚基内16SrRNA的3’端一段富含嘧啶的序列GAUCACCUCCUUA-OH互补，使得结合于30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG上。

②

许多原核mRNA是多顺反子。

转译时，各个基因都有自己的SD序列、起始密码子、终止密码子，分别控制其合成的起始与终止，也就是说，每个基因的翻译都是相对独立的。

（2）真核生物mRNA的结构

①真核mRNA5’端具有m7GpppN帽子结构，无SD序列。

帽子结构具有参与翻译起始、增强翻译效率的作用。

若起始AUG与帽子结构间的距离太近（小于12个核苷酸），就不能有效利用这个AUG，会从下游适当的AUG起始翻译。

当距离在17-80个核苷酸之间时，离体翻译效率与距离成正比。

②真核生物mRNA的Poly（A）尾巴与mRNA的稳定性有关

2、tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上

可以说tRNA是一个万能接头：

（1）氨酰-tRNA合成酶的识别位点（结合氨酰tRNA合成酶）

（2）3端-CCA上的氨基酸运载位点（结合氨基酸），

（3）核糖体的识别位点（将氨基酸运送到目的地），

（4）反密码子位点（配对mRNA，卸载氨基酸）

3、核糖体是蛋白质合成的工厂

标记各种a.a，注入大鼠体内，在不同时间取出肝脏，匀浆，离心分离各种亚细胞器，分析放射性蛋白的分布，发现蛋白质的合成是在核糖体上进行的。

游离核糖体主要合成细胞质蛋白，内质网核糖体主要合成分泌蛋白和细胞器蛋白。

不论原核细胞还是真核细胞，一条mRNA可以被同时几个核糖体阅读，把同时结合并翻译同一条mRNA的多个核糖体称为多核糖体。

（三）蛋白质合成的一般过程

1、氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成

活化和连接都发生在氨基酸的羧基上，其羧基与tRNA3端的自由-OH形成氨酰酯键，从而形成氨酰tRNA，这是一个高能化合物，其能量足以形成肽键。

2、专门的起始tRNAi启动蛋白质的合成

原核生物的起始氨酰-tRNA的合成机制：

延伸氨酰-tRNA的合成机制：

真核生物的起始氨酰-tRNA的合成机制：

延伸氨酰-tRNA机制：

3、蛋白质合成的一般过程

三个阶段：

起始、延伸、终止。

分别由不同的起始因子、延伸因子和终止因子（释放因子）参与。

（1）翻译的起始：

翻译是从形成起始复合物开始的，①小亚基与mRNA结合，②起始氨酰tRNAi进入P位点，它的反密码子与mRNA上的起始密码子AUG碱基配对。

③大亚基与小亚基结合形成起始复合物。

（2）延伸过程：

延伸方向：

mRNA：

5’→3’，新生肽：

N’→C’。

肽链延伸分三步进行：

①新的氨酰tRNA进入核糖体的A位点；②肽键形成（转肽）；③核糖体移位。

这三步构成了肽链延伸的一个循环。

入位：

第二个氨酰tRNA通过密码子—反密码子的配对作用进入核糖体的A位点（氨基位点）。

转肽：

在大亚基上肽酰转移酶（peptidyltransferase）的作用下，A位点氨基酸的A-氨基亲核攻击P位点氨基酸的羧基基团并形成肽键，生成的二肽连在A位点的tRNA上，该过程称为转肽作用（transpeptidation），此时，P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开。

核糖体移位（translocation，也可称转位）：

核糖体沿着mRNA向3’方向移动1个密码子位置，携带肽链的肽酰-tRNA转移到P位点，A位点空出以便接纳下一个氨基酸。

（3）翻译的终止

由于终止密码子不能结合任何氨酰tRNA，于是肽链合成的终止因子（又称释放因子）识别并结合到终止密码子上，接着肽酰转移酶的酯化酶功能转变成水解功能，将肽链从P位点tRNA上水解掉，核糖体释放掉mRNA并解体成大小亚基，翻译结束。

在翻译过程中除了核糖体大小亚基、mRNA和氨酰tRNA外，还需要GTP和许多蛋白辅助因子。

这些辅助因子有的起催化作用，有的起改变和稳定构象作用。

4、蛋白质翻译后的加工形式

翻译完成后，一些肽链能直接折叠成最终的活性形式，不需要加工修饰，然而经常的情况是新生肽链需要加工修饰（称为翻译后加工或翻译后修饰）包括：

①切除前体蛋白的部分肽段和N端的Met，②在特定氨基酸残基的侧链上添加一些基团（共价修饰）、③插入辅因子，还有些单肽要聚合成多亚基蛋白。

翻译后加工有两方面目的：

①功能需要②定向转运的需要（这在真核生物中尤为复杂，合成的蛋白要定向运输到细胞质、质膜、各种细胞器如叶绿体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体等）。

（四）原核生物的蛋白质合成

1、翻译起始

在原核生物中需要三个起始因子参与：

IF1，IF2，和IF3。

IF1，IF2促进fMet-tRNAifmet、mRNA与30S小亚基的结合，IF3促进核糖体大小亚基分开。

（1）IF3首先结合在30S亚基上，防止它过早地与50S亚基结合。

（2）mRNA结合到30S亚基上。

mRNA通过自身的SD序列与16SrRNA的3端’配对结合而使它处于核糖体上的恰当的位置，SD序列与16SrRNA的配对还为识别起始密码子和Met密码子提供了一种机制。

（3）IF1、IF2-GTP、fMet-tRNAifMet结合到30S亚基上，IF3离开，形成前起始复合物。

IF2是一个GTP结合蛋白，它先与30S亚基结合并促使起始氨酰tRNA（N—甲酰甲硫氨酰tRNA，fMet-tRNAfmet）的反密码子与mRNA上的AUG结合（P位点）。

（4）50S大亚基结合到30S小亚基上，IF1、IF2-GDP离开，形成起始复合物。

GTP水解成GDP释放的能量引起30S亚基构象变化，50S亚基结合到30S亚基上，同时IF2和IF3释放。

因此，原核生物肽链合成的起始复合体由mRNA、70S核糖体、fMet-tRNAifMet组成。

2、延伸

（1）新氨酰tRNA入位

新的氨酰tRNA在延伸因子EF-Tu-GTP的帮助下进入核糖体的A位点。

延伸因子EF-Tu是一个GTP结合蛋白，氨酰tRNA入位后，EF-Tu-GTP水解，EF-Tu-GDP从核糖体上释放下来，在第二个延伸因子EF-Ts帮助下EF-Tu-GDP释放掉GDP并重新结合一分子GTP再生成EF-Tu-GTP。

（2）肽键形成（转肽，Transpeptidation）

现在认为肽酰转移酶活性存在于50S亚基23SrRNA上。

驱动肽键形成的能量由P位点上的氨基酸与它的tRNA的高能肽酰酯键供。

嘌呤霉素抑制肽键形成，原因是它类似于氨酰-tRNA3’上的AMP，形成肽酰嘌呤霉素，新生肽链延伸被迫终止。

（3）核糖体移位（translocation）

核糖体在移位需要另一个GTP结合蛋白EF—G（延伸因子Ｇ，又叫移位酶）的参与，现在认为，GTP水解成GDP时释放出的能量促使核糖体构象发生变化，驱动肽酰tRNA从Ａ位点移动到Ｐ位点。

3、终止

原核生物有三个释放因子（RF-1,RF-2,RF-3）参与终止。

RF1识别UAA和UAG，RF2识别UAA与UGA，RF3作用尚不清楚，可能促进RF1与RF2的活性。

识别过程需要GTP，并改变了核糖体的构象，使肽酰转移酶的功能发生瞬时变化，转变成酯酶功能，将连接肽链与P位点tRNA的肽酰酯键水解开，肽链从核糖体上释放，mRNA与tRNA解离，核糖体解体。

4、原核生物蛋白质合成中的能量计算

ATPA（GTP）

高能磷酸键

甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成

ATP-AMP

2

起始（IF-2）

GTP-GDP

1

第二个a.a-tRNA合成

ATP-AMP

2

第二个a.a-tRNA进入核糖体（EF-TU）

GTP-GDP

1

核糖体移位（EF-G）

GTP-GDP

1

终止

GTP-GDP

1

合成二肽需8个高能磷酸键，其后每加一个a.a需4个高能磷酸键，合成n个氨基酸的多肽总共需要4n个高能磷酸键。

例如，合成200个a.a残基的多肽至少需要8+198×4=800（4n=4×200=800）个高能磷酸键。

5、蛋白质合成的抑制剂

尽管原核生物与真核生物在蛋白质合成方面有许多相似之处，但也存在差异，这些差异正是一些抗生素治疗和研究应用的基础。

抗生素

作用

普遍抑制剂

嘌呤霉素（puromycin）

普遍抑制剂，类似氨酰-tRNA的3′端，进入A位，产生未成熟肽链

原核专一抑制剂

氯霉素

与原核50S亚基结合，竞争性抑制肽转移酶（氨基连接类似肽键）

链霉素、、新霉素、卡那霉素

结合到原核30S亚基上引起读码错误，导致合成的多肽连一级结构改变

四环素

与原核30S亚基结合，干扰氨酰tRNA的结合

红霉素

干扰核糖体移位，抑制原核肽链延伸

真核专一抑制剂

放线菌酮（又环己酰亚胺，cycloheximide）

抑制真核肽酰转移酶活性

白喉毒素

与eEF-2结合并共价修饰His，抑制真核的肽链移位作用

6、原核生物的翻译后加工修饰

一些新生肽链从核糖体上释放下来后可以直接折叠成最终的三维结构。

但多数情况下是新生肽要经过一系列的加工修饰，才