蛋白质生物合成的过程简介

蛋白质的生物合成包括3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，即氨基酸的活化。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3个阶段。

1.起始阶段　起始阶段主要由核糖体大、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23-2）。mRNA分子阅读框中第一个密码子既代表起始密码子，又是甲硫氨酸密码子，但原核生物参加形成起始复合体的氨基酰-tRNA是甲酰甲硫氨酰-tRNA（fmet-tRNAfmet）。称为起始fMet-tRNAfmet。

图23-2　翻译的起始阶段

起始复合体的形成首先由IF3、小亚基、IFl和mRNA形成一个复合物，同时IF2、起始fmet-tRNAfmet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，IF1，2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IF1，2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-tRNAfmet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。

（1）进位（注册）：在起始复合体中，起始fMet-tRNAfmet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。进位必需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）转肽（成肽）：在大亚基中的转肽酶催化下，P位上甲酰蛋氨酰-tRNAfmet中的甲酰甲硫氨酰基转移到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+。肽链的合成方向从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mRNA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23-3）。

图23-3　翻译的延长(www.xing528.com)

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23-4）。

图23-4　翻译过程的终止

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越长，结合核糖体越多。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mRNA3′端越近，新生肽链越长，直到肽链完全合成为止（图23-5）。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23-5　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.切除　多肽链N-端的甲酰甲硫氨酸可于肽链合成后或在肽链延长过程中，被肽链脱甲酰基酶和对甲硫氨酸特异的氨基肽酶作用下先后切除。

2.水解　在特异的蛋白酶作用下水解掉肽链上的某些氨基酸残基或肽段。

3.亚基聚合　由两条或两条以上肽链构成的蛋白质（如血红蛋白），亚基与亚基之间通过非共价聚合成四级结构。

4.连接辅基（辅酶）　结合蛋白质的酶蛋白部分一定要与相应的辅基（辅酶）结合后才有生物学功能。

5.修饰　氨基酸残基侧链基团经磷酸化、羟基化或甲基化等反应对肽链进行化学修饰。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。

6.二硫键的形成　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。