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生物化學原理/細胞代謝 III：蛋白質合成

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來自華夏公益教科書，開放的書籍，為開放的世界

蛋白質合成是細胞構建蛋白質的過程。該術語有時僅指蛋白質翻譯，但更常見的是指一個多步驟過程，從氨基酸合成和核 DNA 轉錄成信使 RNA 開始，然後被用作翻譯的輸入。順反子 DNA 被轉錄成多種 RNA 中間體。最後一個版本用作合成多肽鏈的模板。蛋白質通常可以透過翻譯 mRNA 直接從基因合成。當蛋白質需要在短時間內或大量供應時，會產生蛋白質前體。前蛋白是一種非活性蛋白質，包含一個或多個抑制肽，當抑制序列在翻譯後修飾過程中透過蛋白水解去除時，可以被啟用。前蛋白是一種含有訊號序列（N 端訊號肽）的形式，指定其插入或穿過膜，即將其靶向分泌。訊號肽在內質網中被切除。前蛋白同時具有抑制序列和訊號序列。

該圖的底部顯示瞭如上所述的胰島素一級結構的修飾。

為了合成蛋白質，必須將一系列負載有適當氨基酸的 tRNA 分子與 mRNA 分子結合在一起，並透過它們的反密碼子與 mRNA 的每個後續密碼子進行鹼基配對。然後，必須將氨基酸連線在一起以擴充套件不斷生長的蛋白質鏈，並且必須釋放負載已卸下的 tRNA。整個複雜的過程是由一種巨大的多分子機器——核糖體——完成的，核糖體由兩條主要的 RNA 鏈（稱為核糖體 RNA (rRNA)）和 50 多種不同的蛋白質組成。這臺分子巨頭會抓住 mRNA 分子的末端，然後沿著它移動，捕捉到負載的 tRNA 分子，並將它們攜帶的氨基酸縫合在一起，形成一條新的蛋白質鏈。蛋白質生物合成雖然非常相似，但原核生物和真核生物有所不同。

翻譯：蛋白質合成

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蛋白質合成被稱為翻譯。翻譯通常發生在細胞質中，核糖體就位於那裡。核糖體由圍繞著 mRNA 的一個小亞基和大亞基組成。在翻譯過程中，信使 RNA (mRNA) 被解碼以根據三核苷酸遺傳密碼指定的規則產生特定的多肽。它使用 mRNA 序列作為模板來指導形成蛋白質的氨基酸鏈的合成。翻譯分四個階段進行：啟用、起始、延伸和終止（所有這些都描述了氨基酸鏈或多肽的生長，它是翻譯的產物）。

在啟用中，正確的氨基酸 (AA) 與正確的轉移 RNA (tRNA) 連線。雖然這在技術上不是翻譯中的一個步驟，但它是翻譯進行所必需的。AA 透過其羧基與 tRNA 的 3' OH 透過酯鍵連線。當 tRNA 與氨基酸連線時，它被稱為“帶電”。起始涉及核糖體小亞基在起始因子 (IF)——幫助該過程的其他蛋白質——的幫助下與 mRNA 的 5' 端結合。延伸發生在當下一個氨醯 tRNA（帶電 tRNA）與 GTP 和延伸因子一起結合到核糖體上時。多肽的終止發生在核糖體的 A 位點面對終止密碼子（UAA、UAG 或 UGA）時。當這種情況發生時，沒有 tRNA 可以識別它，但釋放因子可以識別無義密碼子，並導致多肽鏈的釋放。停用或抑制蛋白質生物合成中的翻譯的能力被抗生素使用，例如：茴香黴素、環己醯亞胺、氯黴素、四環素、鏈黴素、紅黴素、嘌呤黴素等[1] 每個蛋白質都有自己獨特的氨基酸序列，該序列由編碼這種蛋白質的基因的核苷酸序列決定。遺傳密碼是一組被稱為密碼子的三核苷酸集，每個三核苷酸組合指定一個氨基酸，例如 AUG（腺嘌呤-尿嘧啶-鳥嘌呤）是甲硫氨酸的密碼。因為 DNA 包含四個核苷酸，所以可能的密碼子總數為 64；因此，遺傳密碼中存在一些冗餘，一些氨基酸由多個密碼子指定。編碼在 DNA 中的基因首先被 RNA 聚合酶等蛋白質轉錄成前信使 RNA (mRNA)。大多數生物體隨後使用各種形式的翻譯後修飾來處理前 mRNA（也稱為初級轉錄物），形成成熟的 mRNA，然後由核糖體用作蛋白質合成的模板。在原核生物中，mRNA 可能在產生後立即使用，或者在從核區移動後與核糖體結合。相比之下，真核生物在細胞核中製造 mRNA，然後將其轉運穿過核膜進入細胞質，然後在那裡進行蛋白質合成。蛋白質合成速率在原核生物中高於真核生物，每秒可以達到 20 個氨基酸。我們應該始終記住，以下抗生素會抑制蛋白質合成，例如：茴香黴素、環己醯亞胺、氯黴素、四環素、鏈黴素、紅黴素、嘌呤黴素等。

mRNA 被載入到核糖體上，並透過將每個密碼子與存在於轉移 RNA (t-RNA) 分子上的鹼基配對反密碼子匹配，每次讀取三個核苷酸，該分子攜帶與它識別的密碼子相對應的氨基酸。酶氨醯 tRNA 合成酶將正確的氨基酸“載入”到 tRNA 分子上。不斷生長的多肽通常被稱為新生鏈。蛋白質總是從 N 端到 C 端生物合成。合成蛋白質的大小可以透過它包含的氨基酸數量和它的總分子量來衡量，總分子量通常以道爾頓（與原子質量單位同義）或衍生單位千道爾頓 (kDa) 為單位報告。酵母蛋白平均有 466 個氨基酸長，質量為 53 kDa。已知最大的蛋白質是肌聯蛋白，它是肌肉肌節的組成部分，分子量接近 3,000 kDa，總長度接近 27,000 個氨基酸[2] 計算翻譯示例 - 注意（替代）起始密碼子的指示

VIRTUAL RIBOSOME
----
Translation table: Standard SGC0

>Seq1
Reading frame: 1

    M  V  L  S  A  A  D  K  G  N  V  K  A  A  W  G  K  V  G  G  H  A  A  E  Y  G  A  E  A  L
5' ATGGTGCTGTCTGCCGCCGACAAGGGCAATGTCAAGGCCGCCTGGGGCAAGGTTGGCGGCCACGCTGCAGAGTATGGCGCAGAGGCCCTG 90
   >>>...)))..............................................................................)))

    E  R  M  F  L  S  F  P  T  T  K  T  Y  F  P  H  F  D  L  S  H  G  S  A  Q  V  K  G  H  G
5' GAGAGGATGTTCCTGAGCTTCCCCACCACCAAGACCTACTTCCCCCACTTCGACCTGAGCCACGGCTCCGCGCAGGTCAAGGGCCACGGC 180
   ......>>>...))).......................................))).................................

    A  K  V  A  A  A  L  T  K  A  V  E  H  L  D  D  L  P  G  A  L  S  E  L  S  D  L  H  A  H
5' GCGAAGGTGGCCGCCGCGCTGACCAAAGCGGTGGAACACCTGGACGACCTGCCCGGTGCCCTGTCTGAACTGAGTGACCTGCACGCTCAC 270
   ..................)))..................)))......))).........)))......)))......))).........

    K  L  R  V  D  P  V  N  F  K  L  L  S  H  S  L  L  V  T  L  A  S  H  L  P  S  D  F  T  P
5' AAGCTGCGTGTGGACCCGGTCAACTTCAAGCTTCTGAGCCACTCCCTGCTGGTGACCCTGGCCTCCCACCTCCCCAGTGATTTCACCCCC 360
   ...)))...........................))).........))))))......)))..............................

    A  V  H  A  S  L  D  K  F  L  A  N  V  S  T  V  L  T  S  K  Y  R  *
5' GCGGTCCACGCCTCCCTGGACAAGTTCTTGGCCAACGTGAGCACCGTGCTGACCTCCAAATACCGTTAA 429
   ...............))).........)))..................)))...............***

Annotation key:
>>> : START codon (strict)
))) : START codon (alternative)
*** : STOP

核糖體

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核糖體是細胞中從所有氨基酸製造蛋白質的成分。生物學中的一個核心原則，通常被稱為“中心法則”，是 DNA 用於製造 RNA，而 RNA 又用於製造蛋白質。基因中的 DNA 序列被複制到信使 RNA (mRNA) 中。然後，核糖體讀取這種 RNA 中的資訊並使用它來建立蛋白質。這個過程被稱為翻譯；即，核糖體將 RNA 中的遺傳資訊“翻譯”成蛋白質。核糖體透過結合到 mRNA 並使用它作為特定蛋白質中氨基酸正確序列的模板來做到這一點。氨基酸附著在轉移 RNA (tRNA) 分子上，轉移 RNA 分子進入核糖體的某個部分，並與信使 RNA 序列結合。然後，附著的氨基酸透過核糖體的另一個部分連線在一起。核糖體沿著 mRNA 移動，“讀取”它的序列併產生一個氨基酸鏈。

核糖體由 RNA 和蛋白質的複合體構成。核糖體分為兩個亞基，一個比另一個大。較小的亞基與 mRNA 結合，而較大的亞基與 tRNA 和氨基酸結合。當核糖體完成對 mRNA 的讀取時，這兩個亞基就會分離。核糖體被歸類為核酶，因為核糖體 RNA 似乎在連線氨基酸的肽醯轉移酶活性中起著最重要的作用。

細菌、古細菌和真核生物（地球上生命的三域）的核糖體具有顯著不同的結構和 RNA 序列。這些結構上的差異使得一些抗生素能夠透過抑制細菌的核糖體而殺死細菌，同時不會影響人類的核糖體。真核細胞線粒體中的核糖體類似於細菌中的核糖體，這反映了這種細胞器可能的進化起源。“核糖體”一詞源於核糖核酸和希臘語：soma（意為“身體”）[3]。

核糖體的結構

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核糖體讀取信使 RNA 的序列，並從與轉移 RNA 結合的氨基酸中組裝蛋白質。

斯維德伯格（符號 S，有時為 Sv，不要與表示西弗的 SI 單位 Sv 以及非 SI 單位斯維德魯普混淆）是一個用於沉降係數的非 SI 物理單位。它描述了一種顆粒型別在沉降過程中的行為，特別是離心。斯維德伯格技術上是時間的度量，定義為 10-13 秒（100 飛秒）。

該單位以 1926 年因在膠體化學領域的工作以及發明超速離心機而獲得諾貝爾化學獎的瑞典化學家特奧多爾·斯維德伯格（1884-1971）命名。較大的顆粒往往沉降速度更快，因此具有更高的斯維德伯格值。然而，沉降係數不是可加的。沉降速度不僅取決於顆粒的質量或體積，當兩個顆粒結合在一起時，不可避免地會損失表面積。因此，當單獨測量時，它們的斯維德伯格值可能無法加起來等於結合顆粒的斯維德伯格值。斯維德伯格是區分核糖體最重要的度量標準，在系統發育研究中很重要。

原核生物和真核生物的核糖體亞基非常相似。測量單位是斯維德伯格單位，它是離心沉降速度的度量，而不是大小，這解釋了為什麼片段名稱無法加起來（70S 由 50S 和 30S 組成）。原核生物具有 70S 核糖體，每個核糖體包含一個小的（30S）亞基和一個大的（50S）亞基。它們的大亞基由一個 5S RNA 亞基（包含 120 個核苷酸）、一個 23S RNA 亞基（2900 個核苷酸）和 34 種蛋白質組成。30S 亞基具有一個與 21 種蛋白質結合的 1540 個核苷酸 RNA 亞基（16S）。真核生物具有 80S 核糖體，每個核糖體包含一個小的（40S）亞基和一個大的（60S）亞基。它們的大亞基由一個 5S RNA（120 個核苷酸）、一個 28S RNA（4700 個核苷酸）、一個 5.8S 亞基（160 個核苷酸）和約 49 種蛋白質組成。40S 亞基具有一個 1900 個核苷酸（18S）RNA 和約 33 種蛋白質。

真核生物葉綠體和線粒體中發現的核糖體也包含與蛋白質結合在一起的大亞基和小亞基，形成一個 70S 顆粒。這些細胞器被認為是細菌的後代（見內共生學說），因此它們的核糖體類似於細菌的核糖體。各種核糖體共享一個核心結構，儘管大小差異很大，但核心結構非常相似。大部分 RNA 高度有序地排列成各種三級結構基序，例如表現出同軸堆疊的假結。較大核糖體中的額外 RNA 存在於幾個長的連續插入中，使得它們在不破壞或改變核心結構的情況下從核心結構中形成環。核糖體的所有催化活性都是由 RNA 完成的；蛋白質位於表面，似乎可以穩定結構[4]。

藥物化學家利用細菌和真核生物核糖體之間的差異來創造抗生素，這些抗生素可以破壞細菌感染，而不會傷害被感染者的細胞。由於結構差異，細菌 70S 核糖體容易受到這些抗生素的攻擊，而真核生物 80S 核糖體則不會。儘管線粒體擁有與細菌相似的核糖體，但線粒體不受這些抗生素的影響，因為它們被雙層膜包圍，這些膜不容易讓這些抗生素進入細胞器。

圖：大亞基紅色（1）和小亞基藍色（2）

原核生物中的核糖體生成 有 52 個基因編碼核糖體蛋白，它們可以在原核生物 DNA 中的 20 個操縱子中找到。核糖體合成的調節依賴於 rRNA 本身的調節。首先，氨醯 tRNA 的減少會導致原核生物細胞透過降低轉錄和翻譯來響應。這是透過一系列步驟發生的，從嚴格因子與核糖體結合並催化反應開始

   GTP + ATP --> pppGpp + AMP

然後 γ-磷酸鹽被去除，ppGpp 將與 RNA 聚合酶結合並抑制其活性。這種結合導致 rRNA 轉錄的減少。減少的 rRNA 意味著核糖體蛋白（r-蛋白）會被翻譯，但沒有 rRNA 可供結合。相反，它們會負反饋地與自己的 mRNA 結合，抑制 r-蛋白合成。請注意，如果存在 rRNA，r-蛋白優先與互補的 rRNA 結合，而不是 mRNA。核糖體操縱子還包括 RNA 聚合酶和延伸因子（用於 RNA 翻譯）的基因。所有這些基因的協同調節說明了原核生物中轉錄和翻譯之間的耦合。


真核生物中的核糖體生成 真核生物中的核糖體蛋白合成，與大多數蛋白質合成一樣，發生在細胞核外的細胞質中。單個的大亞基和小亞基被合成並透過核孔匯入細胞核。這些孔的直徑為 120 奈米，每分鐘將 560,000 個核糖體蛋白主動轉運到細胞核中。有關核糖體蛋白進入細胞核的更多資訊，請參閱核輸入。

Kozak 共識序列

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酵母 tRNAPhe 的二級三葉草結構。

mRNA 分子上的 Kozak 共識序列被核糖體識別為翻譯起始位點，從該位點開始編碼該 mRNA 分子的蛋白質。核糖體需要該序列，或可能的變異，來啟動翻譯。Kozak 序列不應與核糖體結合位點（RBS）混淆，核糖體結合位點可以是信使 RNA 的 5' 端帽或內部核糖體進入位點（IRES）。在體內，該位點在不同的 mRNA 上通常不完全匹配，從給定的 mRNA 合成的蛋白質數量取決於 Kozak 序列的強度。該序列中的一些核苷酸比其他核苷酸更重要：AUG 最重要，因為它實際上是起始密碼子，編碼蛋白質 N 末端的甲硫氨酸氨基酸。（很少情況下，CTG 被用作起始密碼子，編碼亮氨酸而不是其典型的甲硫氨酸。）“AUG”的 A 核苷酸被稱為編號 1。對於“強”共識，+4 位置（即共識中的 G）和 -3 位置（即共識中的 A 或 G）相對於編號 1 的核苷酸必須都與共識匹配（沒有編號 0 位置）。“足夠”共識僅具有其中一個位點，而“弱”共識沒有。-1 和 -2 位置的 cc 保守性較低，但有助於整體強度。還有證據表明，-6 位置的 G 在翻譯起始中很重要。

在體記憶體在每種型別的 Kozak 共識序列的例子，它們很可能作為另一種基因調控機制而進化。Lmx1b 是具有弱 Kozak 共識序列的基因的一個例子。為了從這樣的位點啟動翻譯，mRNA 序列中需要其他特徵，以便核糖體識別起始密碼子[6]。

tRNA（轉移 RNA）

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tRNA 呈三葉草結構。它的反密碼子臂是一個 5 個鹼基對（bp）的莖，其環包含反密碼子，而它的 D 臂是一個 4 個 bp 的莖，以通常包含二氫尿嘧啶的環結束。tRNA 的 T 臂是一個 5 個 bp 的莖，包含序列 TΨC，其中 Ψ 是假尿嘧啶。在真核細胞中，tRNA 由 RNA 聚合酶 III 在細胞核中轉錄為前 tRNA。tRNA 是一種小的 RNA 分子，通常長 73-95 個核苷酸。RNA 聚合酶 III 識別 tRNA 基因內部的兩個內部啟動子序列（A 盒 B 內部啟動子）。第一個啟動子從成熟 tRNA 的第 8 個核苷酸開始，第二個啟動子位於第一個啟動子下游 30-60 個核苷酸處。轉錄在四或多個胸腺嘧啶延伸後終止。

前tRNA在細胞核內經歷廣泛的修飾。一些前tRNA含有內含子；在細菌中，這些內含子會自剪接，而在真核生物和古細菌中，它們會被tRNA剪接內切核酸酶移除。5'序列被RNase P移除，而3'端被tRNase Z酶移除。一個顯著的例外是在古細菌奈米古菌中，它不含RNase P酶，並且啟動子被放置在轉錄從成熟tRNA的5'端開始的位置。非模板3' CCA尾由核苷酸轉移酶新增。在tRNA被Los1/Xpo-t輸出到細胞質之前，tRNA會被氨醯化。加工事件的順序並不保守。例如，在酵母中，剪接不是在細胞核中進行，而是線上粒體膜的細胞質側進行。[7]氨醯-tRNA合成酶（aaRS）是一種催化特定氨基酸或其前體與其所有相容的同源tRNA之一酯化以形成氨醯-tRNA的酶。這有時被稱為用氨基酸“充電”tRNA。一旦tRNA被充電，核糖體就可以根據遺傳密碼將氨基酸從tRNA轉移到生長的肽鏈上。氨醯-tRNA合成酶有兩類：I類有兩個高度保守的序列基序。它在腺苷核苷酸的2'-OH處進行氨醯化，並且通常是單體或二聚體（分別是一個或兩個亞基）。II類有三個高度保守的序列基序。它在相同腺苷的3'-OH處進行氨醯化，並且通常是二聚體或四聚體（分別為兩個或四個亞基）。雖然苯丙氨酸-tRNA合成酶屬於II類，但它在2'-OH處進行氨醯化。氨基酸透過羧基（-COOH）基團連線到腺苷的羥基（-OH）基團。無論氨醯最初連線到核苷酸的哪個位置，2'-O-氨醯-tRNA最終將透過轉酯化遷移到3'位置。反應：氨基酸 + ATP → 氨醯-AMP + PPi 氨醯-AMP + tRNA → 氨醯-tRNA + AMP 1和2的總和：氨基酸 + tRNA + ATP → 氨醯-tRNA + AMP + PPi

真核生物蛋白質合成

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真核生物中翻譯起始過程，eIF2以淺綠色顯示。其他因素也顯示出來。

起始

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真核起始因子（eIF）是參與真核翻譯起始階段的蛋白質。它們在與40S核糖體亞基和Met-tRNAi形成複合物（稱為43S起始前複合物（PIC））中發揮作用，識別mRNA的5'帽結構並招募43S PIC到mRNA，促進核糖體對mRNA的掃描並調節AUG起始密碼子的識別，以及60S核糖體亞基的連線以形成80S核糖體。由於真核細胞的生物複雜性更高，真核起始因子的數量比原核起始因子多得多。已知蛋白質RLI在起始複合物的形成中具有至關重要的、可能是有催化作用的作用[8]。

eIF4（eIF4F）

eIF4起始因子包括eIF4A、eIF4B、eIF4E和eIF4G。eIF4F通常用於指eIF4A、eIF4E和eIF4G的複合物。eIF4G是一種支架蛋白，它與eIF3（見下文）以及eIF4F複合物的其他成員相互作用。eIF4E識別並結合mRNA的5'帽結構，而eIF4G結合多聚（A）結合蛋白，後者結合多聚（A）尾，使結合的mRNA環化並激活。eIF4A是一種DEAD盒RNA解旋酶，對於解決mRNA二級結構很重要。eIF4B包含兩個RNA結合域——一個非特異性地與mRNA相互作用，而另一個則特異性地結合小核糖體亞基的18S部分。它充當錨定點，也是eIF4A的關鍵輔助因子。它是S6K的底物，並且在磷酸化時，它促進起始前複合物的形成。在脊椎動物中，eIF4H是一種額外的起始因子，其功能類似於eIF4B[9]。

eIF1 & eIF3

eIF1、eIF1A和eIF3都結合到核糖體亞基-mRNA複合物上。它們被認為可以防止大核糖體亞基在準備好開始延伸之前與小亞基結合。在哺乳動物中，eIF3是最大的支架起始因子，由13個亞基（a-m）組成。它大約有~750 kDa，並且它控制著40S核糖體亞基在具有5'帽或IRES的mRNA上的組裝。eIF3使用eIF4F複合物或來自病毒的IRES（內部核糖體進入位點）將mRNA鏈定位在40S核糖體亞基的出口位點附近，從而促進起始前複合物的組裝。在許多癌症中，eIF3會過表達。在血清剝奪條件下（非活動狀態），eIF3與S6K1結合。當被有絲分裂原、生長因子或藥物刺激時，mTOR/Raptor複合物會被啟用，進而結合並磷酸化S6K1的T389（聯結器區域），導致構象變化，導致激酶S6K1從eIF3解離。然後，T389磷酸化的S6k1被PDK1在T229處進一步磷酸化。這種第二次磷酸化完全激活了S6K1激酶，它可以隨後磷酸化eIF4B、S6和其他蛋白質靶標[10]。

eIF2

eIF2是一種GTP結合蛋白，負責將起始tRNA帶到起始前複合物的P位點。它對甲硫氨酸結合的起始tRNA具有特異性，這與其他針對多肽鏈延伸的甲硫氨酸結合的tRNA不同。一旦它將起始tRNA放置在P位點的AUG起始密碼子上，它就會將GTP水解為GDP，並解離。這種水解也發出訊號讓eIF3、eIF1和eIF1A解離，並允許大亞基結合。這標誌著延伸的開始。eIF2具有三個亞基，eIF2-α、β和γ。前者對於可能需要全域性關閉蛋白質合成的細胞尤為重要。當磷酸化時，它會隔離eIF2B（不要與β混淆），eIF2B是一種GEF。如果沒有這種GEF，GDP就不能被GTP交換，翻譯就會受到抑制。eIF2α誘導的翻譯抑制發生在當鐵缺乏時網狀紅細胞中。此外，蛋白激酶R（PKR）在許多多細胞生物中檢測到dsRNA時會磷酸化eIF2α，導致細胞死亡[11]。

eIF5 & eIF5B

eIF5A是一種GTP酶啟用蛋白，它有助於大核糖體亞基與小亞基結合。它需要eIF2的GTP水解，並且包含非典型的氨基酸羥賴氨酸。eIF5B是一種GTP酶，參與完整核糖體的組裝（這需要GTP水解）。

eIF6 eIF6執行與eIF3相同的抑制核糖體組裝的功能，但與大亞基結合。

真核生物中翻譯起始過程依賴於mRNA加帽[12]。

非帽依賴性起始

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真核生物中非帽依賴性翻譯起始模式研究得最透徹的例子是內部核糖體進入位點（IRES）方法。非帽依賴性翻譯與帽依賴性翻譯的區別在於，非帽依賴性翻譯不需要核糖體從mRNA帽的5'端開始掃描直到起始密碼子。核糖體可以透過ITAFs（IRES反式作用因子）被運輸到起始位點，從而繞過了從mRNA非翻譯區的5'端開始掃描的需要。這種翻譯方法是最近才被發現的，並且已被發現對於在需要翻譯特定mRNA的情況下很重要，即使是在細胞壓力或無法翻譯大多數mRNA的情況下也是如此。例如，應對細胞凋亡、壓力誘導反應的因素[13]。

帽依賴性起始

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翻譯的起始通常涉及某些關鍵蛋白與結合在 mRNA 分子 5' 端的特殊標籤（5' 帽子）的相互作用。蛋白因子結合小的核糖體亞基（也稱為 40S 亞基），這些起始因子將 mRNA 固定在位。真核起始因子 3（eIF3）與小的核糖體亞基相關聯，並在阻止大的核糖體亞基過早結合中發揮作用。eIF3 還與 eIF4F 複合物相互作用，該複合物由另外三個起始因子組成：eIF4A、eIF4E 和 eIF4G。eIF4G 是一種支架蛋白，直接與 eIF3 和其他兩個組分結合。eIF4E 是帽子結合蛋白。它是帽子依賴性起始的限速步驟，並且經常被一些病毒蛋白酶從複合物中切割，以限制細胞翻譯自身轉錄本的能力。這是劫持宿主機制以支援病毒（帽子非依賴性）資訊的的一種方法。eIF4A 是一種 ATP 依賴性 RNA 解旋酶，它幫助核糖體解決 mRNA 轉錄本形成的某些二級結構。另一個與 eIF4F 複合物相關的蛋白是多聚（A）結合蛋白（PABP），它結合大多數真核 mRNA 分子的多聚（A）尾部。這種蛋白已被證明在翻譯過程中 mRNA 的環化中發揮作用。這種預起始複合物（43S 亞基，或 40S 和 mRNA）在蛋白因子的伴隨下沿著 mRNA 鏈向其 3' 端移動，掃描 mRNA 上的“起始”密碼子（通常為 AUG），該密碼子指示 mRNA 將從哪裡開始編碼蛋白質。在真核生物和古細菌中，起始密碼子編碼的氨基酸是甲硫氨酸。載入有 Met 的起始 tRNA 是核糖體複合物的一部分，因此所有蛋白質都以該氨基酸開始（除非在隨後的修飾中被蛋白酶切割）。載入有 Met 的起始 tRNA 由真核起始因子 2（eIF2）帶到小的核糖體亞基的 P 位點。它水解 GTP，併發出訊號指示從小的核糖體亞基上分離出幾個因子，從而導致大的亞基（或 60S 亞基）的結合。完整的核糖體（80S）然後開始翻譯延長，在此過程中，“起始”和“終止”密碼子之間的序列從 mRNA 翻譯成氨基酸序列，因此合成了蛋白質[14]。

蛋白質合成的調節取決於起始因子 eIF2 的磷酸化，eIF2 是 met-tRNAi 複合物的一部分。當大量 eIF2 被磷酸化時，蛋白質合成被抑制。這將在發生氨基酸飢餓或病毒感染時發生。然而，自然地，這個起始因子的磷酸化率很低。另一個調節因子是 4EBP，它與位於 mRNA 5' 帽上的起始因子 eIF4E 結合，從而停止蛋白質合成。為了對抗 4EBP 的影響，生長因子磷酸化 4EBP，降低其對 eIF4E 的親和力，並允許蛋白質合成[15]。

延長

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真核延長因子與原核生物中的非常相似。真核生物中的延長由兩個延長因子執行：eEF-1 和 eEF-2。第一個是 eEF-1，它有兩個亞基，α 和 βγ。α 充當原核 EF-Tu 的對應物，介導氨醯 tRNA 進入核糖體的空位點。βγ 充當原核 EF-Ts 的對應物，作為 α 的鳥嘌呤核苷酸交換因子，催化 GDP 從 α 中釋放。第二個延長因子是 eEF-2，它對應於原核 EF-G，催化 tRNA 和 mRNA 在每一輪多肽延長結束時沿核糖體向下移動[16]。

在起始步驟結束時，mRNA 被定位，以便下一個密碼子可以在蛋白質合成的延長階段翻譯。起始 tRNA 佔據核糖體中的 P 位點，而 A 位點準備接收氨醯 tRNA。在鏈延長過程中，每個額外的氨基酸都會在三步微迴圈中被新增到新生肽鏈的羧基端。該微迴圈中的步驟是 (1) 將正確的氨醯 tRNA 定位到核糖體的 A 位點，(2) 形成肽鍵，以及 (3) 將 mRNA 相對於核糖體移動一個密碼子。與催化 DNA 複製的酶系統相比，翻譯機制工作得相對緩慢。原核生物中的蛋白質以每秒僅 18 個氨基酸殘基的速度合成，而細菌複製體以每秒 1000 個核苷酸的速度合成 DNA。這種速率差異在一定程度上反映了聚合四種類型的核苷酸以製造核酸和聚合 20 種類型的氨基酸以製造蛋白質之間的差異。測試和拒絕不正確的氨醯 tRNA 分子需要時間並減緩蛋白質合成。原核生物中的轉錄速率約為每秒 55 個核苷酸，對應於大約每秒 18 個密碼子，或 mRNA 翻譯的相同速率。在細菌中，翻譯起始在 mRNA 的 5' 端合成後立即發生，翻譯和轉錄是耦合的。這種緊密耦合在真核生物中是不可能的，因為轉錄和翻譯在細胞的不同隔室（細胞核和細胞質）中進行。真核 mRNA 前體必須在細胞核中進行加工（例如加帽、多腺苷酸化、剪接），然後才能被轉運到細胞質中進行翻譯[17]。

終止

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延長的終止依賴於真核釋放因子。終止過程與原核終止過程相似[18]。

原核生物中的蛋白質合成

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起始

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原核生物中翻譯起始的過程。

原核生物中翻譯的起始涉及翻譯系統組分的組裝，這些組分包括：兩個核糖體亞基（50S 和 30S 亞基），要翻譯的mRNA，第一個（甲醯）氨醯 tRNA（載入有第一個氨基酸的 tRNA），GTP（作為能量來源），以及三個起始因子（原核起始因子 1 或 IF1，原核起始因子 2 或 IF2，以及原核起始因子 3 或 IF3，它們幫助起始複合物的組裝[19][20]。

核糖體有三個活性位點：A 位點、P 位點和 E 位點。A 位點是氨醯 tRNA 進入的點（除了第一個氨醯 tRNA，fMet-tRNAfMet，它進入 P 位點）。P 位點是肽醯 tRNA 在核糖體中形成的地方。E 位點是脫落的 tRNA 在將自己的氨基酸交給正在生長的肽鏈後離開的地方。

延長

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多肽鏈的延長涉及將氨基酸新增到正在生長的鏈的羧基端。正在生長的蛋白質透過大的亞基中的多肽出口通道離開核糖體[21]。在原核生物中，翻譯需要三個延長因子：EF-Tu、EF-Ts 和 EF-G。

EF-Tu（延長因子熱不穩定）介導氨醯 tRNA 進入核糖體的空位點。

EF-Ts 作為 EF-Tu 的鳥嘌呤核苷酸交換因子，催化 GDP 從 EF-Tu 中釋放。

EF-G 催化 tRNA 和 mRNA 在每一輪多肽延長結束時沿核糖體向下移動。


當 fmet-tRNA 進入 P 位點時，延伸開始，引起構象變化，從而開啟 A 位點以結合新的氨醯-tRNA。這種結合是由延伸因子-Tu (EF-Tu) 促進的，它是一種小的 GTP 酶。現在 P 位點包含待編碼蛋白質的肽鏈的起始，而 A 位點包含待新增到肽鏈中的下一個氨基酸。與 P 位點 tRNA 相連的生長多肽從 P 位點 tRNA 上分離，並且在多肽的最後一個氨基酸與仍然連線到 A 位點 tRNA 的氨基酸之間形成肽鍵。這個過程稱為 *肽鍵形成*，由核酶（50S 核糖體亞基中的 23S 核糖體 RNA）催化。現在，A 位點具有新形成的肽，而 P 位點具有未帶電的 tRNA（沒有氨基酸的 tRNA）。在延伸的最後階段，*轉運*，核糖體沿 mRNA 的 3' 末端移動 3 個核苷酸。由於 tRNA 透過密碼子-反密碼子鹼基配對與 mRNA 相連，因此 tRNA 相對於核糖體移動，將新生肽從 A 位點移動到 P 位點，並將未帶電的 tRNA 移動到 E 出口位點。這個過程是由 延伸因子 G (EF-G) 催化的。
核糖體繼續翻譯 mRNA 上剩餘的密碼子，因為越來越多的氨醯-tRNA 結合到 A 位點，直到核糖體到達 mRNA 上的終止密碼子 (UAA、UGA 或 UAG)[22]


EF-Tu

EF-Tu（延伸因子熱不穩定）是原核延伸因子之一。原核因子 EF-Tu 介導氨醯 tRNA 進入核糖體自由位點。EF-Tu 透過結合細胞質中氨醯化的或帶電荷的 tRNA 分子發揮作用。這種複合物短暫地進入核糖體，tRNA 反密碼子域與核糖體 A 位點的 mRNA 密碼子相關聯。如果密碼子-反密碼子配對正確，EF-Tu 將三磷酸鳥苷 (GTP) 水解為二磷酸鳥苷 (GDP) 和無機磷酸鹽，並改變構象以從 tRNA 分子中分離。氨醯 tRNA 然後完全進入 A 位點，在那裡它的氨基酸被帶到 P 位點多肽附近，並且核糖體催化氨基酸與多肽的共價轉移。EF-Tu 透過三種方式促進翻譯準確性。如果核糖體 A 位點的 tRNA 與 mRNA 密碼子不匹配，它會延遲 GTP 水解，從而優先增加不正確 tRNA 離開核糖體的可能性。它還在從 tRNA 中分離後（無論 tRNA 是否匹配）新增第二個延遲，在氨醯 tRNA 完全進入 A 位點之前。這種延遲時間是第二個機會，讓不正確配對的 tRNA（及其結合的氨基酸）在不正確氨基酸不可逆地新增到多肽鏈之前從 A 位點移出。第三種機制是 EF-Tu 對氨基酸-tRNA 關聯進行粗略檢查的不太清楚的功能，並拒絕氨基酸沒有與編碼它的正確 tRNA 相結合的複合物。

EF-Ts

EF-Ts（延伸因子熱穩定）是原核延伸因子之一。EF-Ts 作為 EF-Tu（延伸因子熱不穩定）的鳥嘌呤核苷酸交換因子，催化二磷酸鳥苷從 EF-Tu 中釋放。這使 EF-Tu 能夠結合新的三磷酸鳥苷分子，釋放 EF-Ts，並繼續催化另一個氨醯 tRNA 的新增。

EF-G

因子 EF-G 催化 tRNA 和 mRNA 在每輪多肽延伸結束時向下沿著核糖體移動。與 EF-Tu + tRNA 類似，EF-G 也以其 GTP 結合狀態與核糖體結合。當它與 A 位點相關聯時，EF-G 使先前佔據該位點的 tRNA 佔據中間 A/P 位置（與小核糖體亞基的 A 位點和大核糖體亞基的 P 位點結合），而 P 位點的 tRNA 被轉移到 P/E 混合狀態。EF-G 對 GTP 的水解會導致構象變化，迫使 A/P tRNA 完全佔據 P 位點，P/E tRNA 完全佔據 E 位點（並退出核糖體複合物），並且 mRNA 相對於核糖體向下移動三個核苷酸，這是由於它與這些 tRNA 分子的關聯。然後，GDP 結合的 EF-G 分子從複合物中分離，留下另一個自由的 A 位點，在那裡延伸迴圈可以重新開始。除了在轉運中的作用外，EF-G 與核糖體迴圈因子協同工作，以 GTP 依賴的方式促進核糖體迴圈。


圖： 由核糖體 (2)（顯示為小（藍色）和大（紅色）亞基）翻譯 mRNA (1) 成多肽鏈(3)。核糖體從 mRNA 的起始密碼子 (AUG) 開始，並在終止密碼子 (UAG).

終止

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當三個終止密碼子之一移動到 A 位點時，終止發生。這些密碼子不被任何 tRNA 識別。相反，它們被稱為釋放因子的蛋白質識別，即 RF1（識別 UAA 和 UAG 終止密碼子）或 RF2（識別 UAA 和 UGA 終止密碼子）。這些因子觸發肽醯-tRNA 中酯鍵的水解以及新合成蛋白質從核糖體中的釋放。第三個釋放因子 RF-3 在終止過程結束時催化 RF-1 和 RF-2 的釋放[23]

迴圈

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由終止步驟結束形成的終止後複合物由具有 A 位點終止密碼子的 mRNA、P 位點的未帶電 tRNA 和完整的 70S 核糖體組成。核糖體迴圈步驟負責分解終止後核糖體複合物。[24] 一旦新生蛋白質在終止中釋放，核糖體迴圈因子 和延伸因子 G (EF-G) 功能是釋放 mRNA 和 tRNA 從核糖體中，並將 70S 核糖體解離為 30S 和 50S 亞基。然後 IF3 取代脫醯基 tRNA，釋放 mRNA。所有翻譯成分現在都可用於額外的翻譯輪次[25]

多聚核糖體

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翻譯由多個核糖體同時進行。由於核糖體尺寸相對較大，它們只能附著在 mRNA 上相距 35 個核苷酸的位點。一個 mRNA 和多個核糖體的複合體稱為多聚核糖體或多核糖體[26]

抑制蛋白質合成的藥物

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一般來說，蛋白質合成抑制劑在原核 mRNA 翻譯成蛋白質的不同階段起作用，例如起始、延伸（包括氨醯 tRNA 進入、校對、肽醯轉移和核糖體轉運）和終止。

早期階段

利福平透過抑制與 DNA 依賴性 RNA 聚合酶的 β 亞基結合來抑制原核 DNA 轉錄成 mRNA。

*起始* *斜體文字*利奈唑胺在起始階段起作用，可能是透過阻止起始複合物的形成，儘管機制尚不清楚。

氨醯 tRNA 進入

四環素類和替加環素（一種與四環素類相關的甘氨醯環素）阻斷核糖體上的 A 位點，阻止氨醯 tRNA 的結合。


校對

氨基糖苷類，除其他潛在的作用機制外，還會干擾校對過程，導致合成錯誤率增加，出現過早終止。

肽醯轉移

氯黴素阻斷細菌和線粒體中 50S 核糖體亞基上延伸的肽醯轉移步驟。大環內酯類（以及抑制核糖體轉運和其他潛在機制）與 50s 核糖體亞基結合，抑制肽醯轉移。奎努普利斯汀/達福普利斯汀協同作用，達福普利斯汀增強奎努普利斯汀的結合，以及抑制肽醯轉移。奎努普利斯汀與 50S 核糖體亞基上的附近位點結合，阻止多肽的延伸，以及導致不完全鏈釋放。

核糖體轉運

克林黴素，除其他潛在機制外。氨基糖苷類和大環內酯類，除其他潛在的作用機制外，都有抑制核糖體轉運的證據。夫西地酸阻止延伸因子 G (EF-G) 從核糖體中週轉。

終止

嘌呤黴素的結構類似於酪氨醯氨醯-tRNA。因此，它與核糖體 A 位點結合並參與肽鍵形成，產生肽醯-嘌呤黴素。然而，它不參與轉運，並且很快從核糖體中分離，導致多肽合成的過早終止。大環內酯類和克林黴素（兩者也具有其他潛在機制）導致肽醯-tRNA 從核糖體中過早分離。鏈黴素類也會導致肽鏈過早釋放。

未指定機制的蛋白質合成抑制劑

瑞他普林

結合位點

以下抗生素與核糖體的 30S 亞基結合

氨基糖苷類

四環素類

以下抗生素與 50S 核糖體亞基結合

氯黴素

紅黴素

克林黴素

利奈唑胺

替利黴素

鏈黴素類

瑞他普林

蛋白質的翻譯後修飾 (PTM)

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涉及新增功能基團的 PTM

體內由酶催化的新增修飾 醯化，例如 O-醯化（酯類）、N-醯化（醯胺）、S-醯化（硫酯） 乙醯化，新增一個乙醯基，可以是在蛋白質的 N 端[2]，也可以是在賴氨酸殘基上。另見組蛋白乙醯化。相反的過程稱為脫乙醯化。 甲醯化 脂醯化，新增一個脂醯基 (C8) 功能基團 肉豆蔻醯化，新增肉豆蔻酸，一種 C14 飽和脂肪酸 棕櫚醯化，新增棕櫚酸，一種 C16 飽和脂肪酸 烷基化，新增一個烷基，例如甲基、乙基 甲基化，新增一個甲基，通常在賴氨酸或精氨酸殘基上。相反的過程稱為脫甲基化。 異戊烯化或預烯化，新增一個異戊二烯基 (例如法尼醇和香葉基香葉醇) 法尼基化 香葉基香葉基化 C 端氨基酸新增 醯胺化 精氨醯化，一種 tRNA 介導的新增 多聚谷氨醯化，穀氨酸殘基與微管蛋白和其他一些蛋白質的共價連線。[6] (見微管蛋白多聚谷氨醯化酶) 多聚甘氨醯化，一個到超過 40 個甘氨酸殘基與微管蛋白 C 端尾部的共價連線 二氫蝶醯胺形成 γ-羧化，依賴維生素 K 糖基化，將一個糖基新增到天冬醯胺、羥賴氨酸、絲氨酸或蘇氨酸上，形成糖蛋白。與糖基化不同，糖基化被認為是非酶促的糖類附著。 多聚唾液酸化，新增多聚唾液酸 (PSA) 到 NCAM 上 糖基磷脂醯肌醇 (GPI) 錨形成 血紅素部分可以共價連線 羥基化 羥脯氨酸形成 (在 [EIF5A] 和 aIF5a 的保守賴氨酸上) 碘化 (例如甲狀腺激素) 核苷酸或其衍生物可以共價連線 腺苷酸化 ADP-核糖基化 黃素連線 亞硝基化 S-谷胱甘肽化 氧化 磷酸泛醯巰基乙胺化，新增來自輔酶 A 的一個 4'-磷酸泛醯巰基乙胺基團，如脂肪酸、聚酮類、非核糖體肽和亮氨酸生物合成 磷酸化，新增一個磷酸基團，通常到絲氨酸、酪氨酸、蘇氨酸或組氨酸上 焦穀氨酸形成 硫酸化，新增一個硫酸基團到酪氨酸上。 硒代化 (在硒蛋白中硒的共翻譯摻入)

體內非酶促新增修飾 糖基化，在沒有酶控制的情況下，將一個糖分子新增到蛋白質上。

體外非酶促新增修飾 生物素化，用生物素附著物對保守的賴氨酸殘基進行醯化 聚乙二醇化

涉及新增其他蛋白質或肽的修飾

ISG15 化，與 ISG15 蛋白 (干擾素刺激基因 15) 的共價連線 SUMO 化，與 SUMO 蛋白 (小泛素相關修飾物) 的共價連線 泛素化，與泛素蛋白的共價連線。 遍在蛋白化，與 Nedd 的共價連線

涉及改變氨基酸化學性質的修飾

瓜氨酸化，或脫氨基化，將精氨酸轉化為瓜氨酸 脫醯胺化，將谷氨醯胺轉化為穀氨酸或天冬醯胺轉化為天冬氨酸 消除反應，透過磷酸蘇氨酸和磷酸絲氨酸的 β-消除或蘇氨酸和絲氨酸的脫水以及半胱氨酸的脫羧來轉化為烯烴。 氨基甲醯化，將賴氨酸轉化為高瓜氨酸

涉及結構改變的修飾

二硫鍵，兩個半胱氨酸氨基酸的共價連線 蛋白水解切割，在肽鍵處切割蛋白質 脯氨醯異構酶對脯氨酸的消旋[27]

參考文獻

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  1. ↑ 蛋白質生物合成
  2. ↑ 蛋白質
  3. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ribosome&oldid=416005241
  4. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ribosome&oldid=416005241
  5. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ribosome&oldid=416005241
  6. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Kozak_consensus_sequence&oldid=423149623
  7. ↑ 轉運RNA
  8. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_initiation_factor&oldid=420870296
  9. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_initiation_factor&oldid=420870296
  10. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_initiation_factor&oldid=420870296
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  12. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_initiation_factor&oldid=420870296
  13. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_translation&oldid=420870435
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  15. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_translation&oldid=420870435
  16. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_translation&oldid=420870435
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  18. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_translation&oldid=420870435
  19. ↑ Malys N, McCarthy JEG (2010). "Translation initiation: variations in the mechanism can be anticipated". Cellular and Molecular Life Sciences. doi:10.1007/s00018-010-0588-z. {{cite journal}}: Unknown parameter |unused_data= ignored (help)
  20. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Prokaryotic_translation&oldid=424721560
  21. ↑ 大腸桿菌蛋白質傳導通道結合到翻譯核糖體上的結構，K. Mitra 等人。自然 (2005)，卷 438，頁 318
  22. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Prokaryotic_translation&oldid=424721560
  23. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Prokaryotic_translation&oldid=424721560
  24. ↑ Hirokawa 等人。 (2006) "核糖體再迴圈步驟：共識還是爭議？". 生物化學趨勢，第 31 卷（3 期），第 143-149 頁。
  25. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Prokaryotic_translation&oldid=424721560
  26. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Prokaryotic_translation&oldid=424721560
  27. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Posttranslational_modification&oldid=423971333
來源："https://wikibook.tw/w/index.php?title=Principles_of_Biochemistry/Cell_Metabolism_III:_Synthesis_of_protein&oldid=3663595"
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