蛋白质生物合成

简称“蛋白质合成”。与核酸密切相关。脱氧核糖核酸(DNA)具有蛋白质合成的遗传信息，在合成过程中，以DNA为模板转录合成的多种RNA，其中mRNA是合成蛋白质的直接模板，通过它使DNA上储存的遗传信息传递给蛋白质，还需来自三磷酸腺苷及三磷酸鸟苷的高能磷酸键中的能量为能源，以及细胞代谢中形成的氨基酸为原料，通过氨基酸激活，肽链合成起始，肽链的延伸和它的合成终止与释放，肽链合成后的加工处理等一系列过程，形成蛋白质。

蛋白质生物合成

蛋白质生物合成是机体根据存在于DNA上的遗传信息，将氨基酸聚合成具有相应结构的蛋白质的整个过程。遗传信息的传递先从DNA转到RNA，再从RNA转到蛋白质，前者称转录，后者称翻译，蛋白质合成包含这两大阶段的一系列反应； 不过蛋白质合成也常狭义地仅指按mRNA的信息聚合氨基酸这段反应。所以常视翻译为蛋白质合成的同义词。唯翻译偏于从信息流动上考虑，而蛋白质合成除信息传递之外尚有其他很多生物化学反应。本卷另有“核糖核酸的合成”条，本条着重介绍从RNA到蛋白质的翻译这一阶段。
蛋白质的功能决定于其结构，而空间结构决定于一级结构，因此使蛋白质的一级结构亦即氨基酸残基排列顺序忠实表达出mRNA上的信息是蛋白质合成上的关键，否则合成的蛋白质就会失去其本应具备的功能。保证翻译无误的机理，必定十分精巧复杂，所以对蛋白质合成直到近20年来才有较深的认识。合成过程大致可分为氨基酸的活化作用、多肽链合成启动、肽链的延长、肽链合成的终止等主要步骤，参加到这些步骤的大小分子有一二百种之多。
氨基酸活化 一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基反应生成肽链，在热力学上是困难的，只有羧基经活化后才可进行，所以蛋白质生物合成的第一步是： 作为蛋白质原料的20种氨基酸均得转成为活化的氨基酰tRNA形式。该反应由氨基酰tRNA合成酶（又称氨基酸活化酶）所催化。
现已分离出高度特异、能分别催化20种氨基酸的高度纯化的酶蛋白，它们的分子量在100 000～240 000之间，有些是单条肽链如亮氨酰tRNA合成酶，有些含两个或四个相同亚基如色氨酰tRNA合成酶，还有含两种不同亚基的如甘氨酰tRNA合成酶，它含分子量为33 000的α亚基和8000的β亚基各两个。这一反应需要Mg2+。
在活化反应中，ATP分解为AMP和焦磷酸，而氨基酸转移到tRNA的过程又分两步。第一步是氨基酸与ATP反应，置换焦磷酸而形成结合在酶分子上的中间产物： 氨基酰腺苷酸。氨基酸的羧基借酸酐键与AMP的5′-磷酸相连，这高能的酸酐键活化了氨基酸的羧基。第二步则是氨基酰基团从AMP转移到tRNA的3′端，产物氨基酰tRNA和AMP都从酶分子上脱落下来。上述两步反应为。氨基酸借其活化了的羧基与tRNA3′端CCA中AMP的自由2′羟基或3′羟基酯化则视不同的合成酶而异。
活化反应的标准自由能减少很小，以一个ATP高能键为代价而形成的氨基酸与tRNA之间的酶键仍是高能键。由于活化反应中产生的焦磷酸随即被焦磷酸酶水解，每一氨基酸分子的活化要耗两个高能磷酸键，因此，在细胞里氨基酸的活化实际上并不可逆。
氨基酰tRNA合成酶对氨基酸及其对应tRNA都具有高度特异性，这甚为关键，因为在蛋白质合成中对氨基酸的识别只靠tRNA分子上的三联体反暗码子和mRNA上的暗码子配对。因此氨基酰tRNA合成酶必需分别具有和氨基酸及tRNA结合的非常特异的部位。在细胞内的条件下，合成酶对天然氨基酸的识别可说是万无一失的，因为其特异识别确是10 000次也不出现一次差错。此等精确的机理可从异亮酰tRNA合成酶得到说明： 该酶要区分只差一个亚甲基的异亮氨酸和缬氨酸。该酶对这两种氨基酸的结合相差是很大的，Km异=5μmol和Km缬=400μmol，况且酶异亮氨酰腺苷酸复合体遇到相应的tRNA异就形成异亮酰tRNA异，但是酶缬氨酰腺苷酸复合体遇到对异亮氨酸特异的tRNA异则迅速水解为自由的缬氨酸和AMP。
多肽合成链启动 蛋白质合成在核蛋白体上进行，核蛋白体是随蛋白质合成的开始而由核蛋白体小亚单位(真核细胞的40s，原核细胞的30s)和大亚单位(真核细胞的60s，原核细胞的50s) 缔合而成 (真核细胞的核蛋白体80s，原核细胞的70s)，也随蛋白质合成的结束而解缔。实际上，解缔是合成的先决条件，因为蛋白质合成从小亚单位开始。合成的起始很复杂，参加这过程的除了大小亚单位外，尚有起始氨基酰tRNA、GTP、mRNA以及叫做起始因子的特殊蛋白质。原核细胞含起始因子1、2和3 (IF1、IF2、IF3)，分子量分别为9000、6500和21 000，它们都不是核蛋白体上的固有成分。真核细胞起始因子已发现有eIF1、eIF2、eIF3、eIF4A、eIF4B、eIF4C及1IF5等。起始氨基酰tRNA在原细胞是N甲酰蛋氨酰tRNA (fMet-tRNA_f蛋)。细菌里有两种携带蛋氨酸的tRNA，一种在带上蛋氨酸后可借特殊甲酰转移酶催化，从甲酰四氢叶酸接受甲酰基而生成N甲酰蛋氨酰tRNA。
N¹⁰甲酰四氢叶酸+Met—tRNA_f蛋—→四氢叶酸+fMet—tRNAf蛋，该酶不催化自由蛋氨酸甲酰化，也不催化接连在另一tRNA蛋上的蛋氨酸。fMet—tRNAf蛋不仅起始原核细胞肽链的合成，而且起始真核细胞里线粒体的蛋白质合成。真核细胞脑浆核蛋白体所进行的蛋白质合成是由未甲酰化的蛋氨酰tRNAf蛋起始的。这种蛋氨酰tRNA_f蛋在体外可被细菌甲酰转移酶催化而甲酰化，而不作为起始的另一种蛋氨酰tRNA蛋则不被甲酰化，显然在真核细胞里也有不同的两种携带蛋氨酸的tRNA。形成完整的有功能的70s核蛋白体大致如下。30s亚单位和IF1及IF3形成复合体，然后和mRNA结合。另一方面，fmet—tRNA和GTP结合到IF2，这样形成的复合体与30s—IF3—mRNA—IF1复合体相结合产生所谓起始复合体。然后起始复合体才和50s亚单位形成完整的有功能的70s核蛋白体。其中，GTP被水解为GDP与Pi，同时三个起始因子也先后从核蛋白体上游离下来。这样复杂的过程保证了起始氨基酰tRNA结合到P位(Peptidyl site) 并与mRNA上的AUG起始暗码子相对应，这就使蛋白质合成从mRNA上的正确始点开始翻译。
肽链延长 当起始氨基酰tRNA或者多肽tRNA结合在核蛋白体的P位上，这一tRNA的反暗码子与mRNA上相应暗码子配对，同时核蛋白体上的A位(aminoacylsite)却空着，肽链延长作用就开始，它包含三个主要步骤。A位去的氨基酰tRNA先和特异的蛋白质结合。在原核细胞，这蛋白质是延伸因子T(EF-T)，真核细胞是延伸因子I(EFI)。EF—T由称为Tu和Ts两种蛋白质构成，EF—Tu分子量为40 000，不稳定。EF—Tu与GTP结合为EF—Tu—GTP复合体，而EF—Ts被释出； EF—Tu—GTP与氨基酰tRNA结合成EF—Tu—GTP—氨基酰tRNA。这复合体与核蛋白体结合并使氨基酰tRNA位置在A位上，其反暗码子与mRNA上相应暗码子氢键配合。此时，结合的GTP被水解，产生EF—Tu—GDP和Pi，并从核蛋白体上脱离开。GTP水解所供能量是氨基酰tRNA被置于正确位置上所需。EF—Ts不与fMet—tRNA结合。EF—Ts的作用是可以取代EF—Tu—GDP的GDP，形成EF—Tu—Ts复合体，这复合体才能与GTP结合，才可使EF—Tu反复使用。
第二步是肽键的形成。当fMet—tRNA在P位，新结合到A位上的氨基酰tRNA以其氨基对前者的酯化羰基作亲核性反应，从而形成第一个肽键。这反应由存在于50s亚单位上的肽基转移酶所催化，产物是结合在A位上的二肽tRNA以及结合在P位上不带氨基酸的tRNA。这反应不需ATP或GTP供能，可能是利用甲酰蛋氨酰和tRNA间的酯键键能。此后每次的肽键形成也是如此，新结合在A位上的氨基酰tRNA的氨基与P位上肽基tRNA的酯化羰基反应，产生结合在A位上的增多了一个氨基酸残基的肽基tRNA。从这一步也可看到蛋白质的合成是从其N末端开始向C末端逐个加上氨基酸。
第三步是移位。在肽键刚形成时，延长了的肽基tRNA仍结合在A位上，所以延伸作用的第三步是核蛋白体向mRNA3′端移动一个暗码子的距离，从而肽基tRNA结合到P位上，原来的不带氨基酸的tRNA脱落。而把A位空出来。移位是分多步进行的，要特别的蛋白质延伸因子G(EFG)及GTP参加。在真核细胞参加的是延伸因子2(EF2)。GTP先和EFG形成复合体，然后结合到核蛋白体。GTP被水解为GDP和Pi，提供了改变构象所需的能量，令核蛋白体在mRNA上向下一个暗码子移动，同时肽基tRNA由A位移至P位。空出的A位对应在下一暗码子上，可以接纳具有和这暗码子配对的氨基酰tRNA的到来，以开始新的一轮延伸作用。因此，氨基酸的顺序是由mRNA上的暗码子决定的。移位后，EF—G就从核蛋白体上脱落。
合成的终止 多肽链合成的完成以及从核蛋白体上脱落下来，还需要经过特别的步骤。多肽链合成的终止是由mRNA上的终止暗码子所决定的。当羧基端最后一个氨基酸通过肽键结合到核蛋白体的多肽链上之后，多肽链仍借助其末端羧基连结到最后到来的tRNA上，并通过这个tRNA结合在A位上，然后才移位到P位。移位后，对应于A位上的mRNA暗码子是三种终止暗码子UAA、UAG或UGA中之一。一旦出现终止暗码子，因无相当的氨基酰tRNA进入A位，合成就要终止，肽链也就从核蛋白体释放。但是终止作用还是相当复杂的，要有特异的蛋白质因子参加，在原核细胞里是由释放因子1(RF1)识别UAA和UAG这两个终止暗码子，释放因子2 (RF2)识别UAA和UGA。RF1和RF2的分子量分别为44 000和47 000。另有释放因子3(RF3)，按体外实验分析，它促进RF1或RF2结合到核蛋白体上。亦即促进肽链合成的终止。释放因子以某种方式将合成的肽链从tRNA上水解下来。多肽一旦从tRNA脱下，tRNA和mRNA也离开核蛋白体，核蛋白体又解离成二个亚单位。真核细胞里只发现一种释放因子，分子量约为115 000，是个二聚体。为保证肽链的延伸到时终止，还发现一些mRNA以连续的两个终止暗码子来指令终止，这样即使第一个终止信号由于某种原因不起作用时，蛋白质合成也能及时终止。
蛋白质合成后的加工修饰 从mRNA翻译出来的多肽链多须加工修饰方可具备活性。加工或在多肽链尚未从核蛋白体上脱下，即C端尚未完全聚合完毕，N端就可以开始加工，也有蛋白质从核蛋白体上脱落后才进行加工的。加工方法有： 除去N端甲酰基或切去N端氨基酸，两个半胱氨酸的硫氢基氧化成二硫键，氨基酸侧链化学修饰如脯氨酸和赖氨酸的羟化，门冬酰胺、丝氨酸和苏氨酸则可与糖结合。
对蛋白质合成的控制，在原核细胞因其mRNA存在时间短暂，控制主要在转录水平上，而在真核细胞则其mRNA可具较长的存在时间，所以对蛋白质合成的调节控制不限于转录水平，也见于翻译水平。如网状红细胞合成珠蛋白要有血红素的存在。在无血红素时，肽链起始的抑制因子就被激活，这个抑制因子称为由血红素调控的抑制物，它是一种不依赖cAMP的蛋白激酶，催化起始因子磷酸化而使之失去活性。

蛋白质生物合成简图。AA: 代表氨基酸

关于蛋白质生物合成的过程扼要总结如上页图。

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蛋白质生物合成

蛋白质生物合成是根据mRNA的信息，把氨基酸聚合成多肽的耗能多步骤过程，或称翻译，即将以4种碱基为字母的核酸语言译成以20种氨基酸为字母的蛋白质语言。因为蛋白质的功能归根到底决定于其一级结构，所以保证翻译要忠实于mRNA的信息极为重要，否则所合成的蛋白质可能执行不了其应有的功能。为此，翻译过程十分精巧，要百种以上大小分子协同作用。
氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基形成肽键的反应在热力学上是困难的，因此羧基要先活化后方可进行这个聚合反应。作为蛋白质原料的20种氨基酸由各自的特异氨基酸tRNA合成酶催化其与特异的tRNA以酯键结合成氨基酰tRNA，该反应由ATP供能。作为氨基酸携带者的tRNA上有反密码子，可以与mRNA上的相应氨基酸的密码子相配对。所以对mRNA上的信息是由tRNA认识的，而合成酶对氨基酸和tRNA的极高的特异性保证了翻译的忠实性(参见“氨基酸的活化”)。
蛋白质合成是在称为核糖体的细胞器上进行的。原核细胞的核糖体按其沉降系数称为70s核糖体，由大的50s和小的30s两个亚单位组成。50s亚单位含23s和5srRNA及33种不同的蛋白质；而30s亚单位含16s rRNA及21种不同的蛋白质。真核细胞的核糖体较大，为80s，含较多的蛋白质，所含rRNA也略大并多一种。大小两个亚单位与起始甲硫氨酰tRNA和mRNA形成起始复合体。甲硫氨酰tRNA有两种，一种是蛋白质合成起始的Met-tRNAimet(原核为fMet-tRNAfmet)，另一种是蛋白质合成其他位置上的Met-tRNAmet。起始甲硫氨酰tRNA和大小两个亚单位及mRNA形成起始复合体，是肽链合成的起始。起始甲硫氨酰tRNA的反密码子与mRNA 5′端AUG起始信号借氢键结合。肽链合成的起始要有GTP供能，还要有蛋白质起始因子的参加。原核细胞含三种起始因子，而真核细胞有约10种因子参与起始作用。起始阶段是控制蛋白质合成的重要环节(参见 “肽链合成的起始”)。一旦形成了起始复合体就可以把氨基酸一个一个聚合到起始甲硫氨酸上，是肽链延伸作用。此时核糖体上有结合肽基tRNA(或起始甲硫氨酰tRNA)的P位和接受氨基酰tRNA的A位。A位上mRNA的密码子与氨基酰tRNA的反密码子以氢键相结合，然后P位上肽基（或起始甲硫氨酸） 以其活化的羧基与A位上氨基酸的氨基形成肽键；P位上tRNA失去肽基或甲硫氨酸而从核糖体脱落，A位上tRNA携带的已非氨基酸而是肽基，也从A位移到P位，mRNA随之移动，另个密码子出现在A位上，下一个相应氨基酰tRNA可进行下一轮延伸。参与延伸作用的还有延伸因子(参见“延伸作用”)。当A位上出现mRNA的密码子为UAA、U-AG或UGA这三个终止密码子之一时，则没有与之相应的氨基酰tRNA，而有认识它的蛋白质因子，称为释放因子。它们与核糖体相结合，使肽基转移酶将合成的肽从tRNA上水解下来，tRNA和mRNA脱落，核糖体也解离为大小两个亚单位(参见“肽链合成的终止”)。蛋白体生物合成的起始、延伸、终止以及氨基酸的活化作用可受一些因素的抑制，有些抑制原核细胞的蛋白质合成而不抑制真核细胞的蛋白质合成，可作为抗菌药物，如链霉素、四环素等(参见“蛋白质合成的抑制作用”)。蛋白质生物合成是生物的一个极为重要的过程，对它的研究与了解在医学上也甚为重要。