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生物化学原理/细胞代谢 III：蛋白质合成

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蛋白质合成是细胞构建蛋白质的过程。该术语有时仅指蛋白质翻译，但更常见的是指一个多步骤过程，从氨基酸合成和核 DNA 转录成信使 RNA 开始，然后被用作翻译的输入。顺反子 DNA 被转录成多种 RNA 中间体。最后一个版本用作合成多肽链的模板。蛋白质通常可以通过翻译 mRNA 直接从基因合成。当蛋白质需要在短时间内或大量供应时，会产生蛋白质前体。前蛋白是一种非活性蛋白质，包含一个或多个抑制肽，当抑制序列在翻译后修饰过程中通过蛋白水解去除时，可以被激活。前蛋白是一种含有信号序列（N 端信号肽）的形式，指定其插入或穿过膜，即将其靶向分泌。信号肽在内质网中被切除。前蛋白同时具有抑制序列和信号序列。

该图的底部显示了如上所述的胰岛素一级结构的修饰。

为了合成蛋白质，必须将一系列负载有适当氨基酸的 tRNA 分子与 mRNA 分子结合在一起，并通过它们的反密码子与 mRNA 的每个后续密码子进行碱基配对。然后，必须将氨基酸连接在一起以扩展不断生长的蛋白质链，并且必须释放负载已卸下的 tRNA。整个复杂的过程是由一种巨大的多分子机器——核糖体——完成的，核糖体由两条主要的 RNA 链（称为核糖体 RNA (rRNA)）和 50 多种不同的蛋白质组成。这台分子巨头会抓住 mRNA 分子的末端，然后沿着它移动，捕捉到负载的 tRNA 分子，并将它们携带的氨基酸缝合在一起，形成一条新的蛋白质链。蛋白质生物合成虽然非常相似，但原核生物和真核生物有所不同。

翻译：蛋白质合成

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蛋白质合成被称为翻译。翻译通常发生在细胞质中，核糖体就位于那里。核糖体由围绕着 mRNA 的一个小亚基和大亚基组成。在翻译过程中，信使 RNA (mRNA) 被解码以根据三核苷酸遗传密码指定的规则产生特定的多肽。它使用 mRNA 序列作为模板来指导形成蛋白质的氨基酸链的合成。翻译分四个阶段进行：激活、起始、延伸和终止（所有这些都描述了氨基酸链或多肽的生长，它是翻译的产物）。

在激活中，正确的氨基酸 (AA) 与正确的转移 RNA (tRNA) 连接。虽然这在技术上不是翻译中的一个步骤，但它是翻译进行所必需的。AA 通过其羧基与 tRNA 的 3' OH 通过酯键连接。当 tRNA 与氨基酸连接时，它被称为“带电”。起始涉及核糖体小亚基在起始因子 (IF)——帮助该过程的其他蛋白质——的帮助下与 mRNA 的 5' 端结合。延伸发生在当下一个氨酰 tRNA（带电 tRNA）与 GTP 和延伸因子一起结合到核糖体上时。多肽的终止发生在核糖体的 A 位点面对终止密码子（UAA、UAG 或 UGA）时。当这种情况发生时，没有 tRNA 可以识别它，但释放因子可以识别无义密码子，并导致多肽链的释放。禁用或抑制蛋白质生物合成中的翻译的能力被抗生素使用，例如：茴香霉素、环己酰亚胺、氯霉素、四环素、链霉素、红霉素、嘌呤霉素等[1] 每个蛋白质都有自己独特的氨基酸序列，该序列由编码这种蛋白质的基因的核苷酸序列决定。遗传密码是一组被称为密码子的三核苷酸集，每个三核苷酸组合指定一个氨基酸，例如 AUG（腺嘌呤-尿嘧啶-鸟嘌呤）是甲硫氨酸的密码。因为 DNA 包含四个核苷酸，所以可能的密码子总数为 64；因此，遗传密码中存在一些冗余，一些氨基酸由多个密码子指定。编码在 DNA 中的基因首先被 RNA 聚合酶等蛋白质转录成前信使 RNA (mRNA)。大多数生物体随后使用各种形式的翻译后修饰来处理前 mRNA（也称为初级转录物），形成成熟的 mRNA，然后由核糖体用作蛋白质合成的模板。在原核生物中，mRNA 可能在产生后立即使用，或者在从核区移动后与核糖体结合。相比之下，真核生物在细胞核中制造 mRNA，然后将其转运穿过核膜进入细胞质，然后在那里进行蛋白质合成。蛋白质合成速率在原核生物中高于真核生物，每秒可以达到 20 个氨基酸。我们应该始终记住，以下抗生素会抑制蛋白质合成，例如：茴香霉素、环己酰亚胺、氯霉素、四环素、链霉素、红霉素、嘌呤霉素等。

mRNA 被加载到核糖体上，并通过将每个密码子与存在于转移 RNA (t-RNA) 分子上的碱基配对反密码子匹配，每次读取三个核苷酸，该分子携带与它识别的密码子相对应的氨基酸。酶氨酰 tRNA 合成酶将正确的氨基酸“加载”到 tRNA 分子上。不断生长的多肽通常被称为新生链。蛋白质总是从 N 端到 C 端生物合成。合成蛋白质的大小可以通过它包含的氨基酸数量和它的总分子量来衡量，总分子量通常以道尔顿（与原子质量单位同义）或衍生单位千道尔顿 (kDa) 为单位报告。酵母蛋白平均有 466 个氨基酸长，质量为 53 kDa。已知最大的蛋白质是肌联蛋白，它是肌肉肌节的组成部分，分子量接近 3,000 kDa，总长度接近 27,000 个氨基酸[2] 计算翻译示例 - 注意（替代）起始密码子的指示

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

核糖体

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核糖体是细胞中从所有氨基酸制造蛋白质的成分。生物学中的一个核心原则，通常被称为“中心法则”，是 DNA 用于制造 RNA，而 RNA 又用于制造蛋白质。基因中的 DNA 序列被复制到信使 RNA (mRNA) 中。然后，核糖体读取这种 RNA 中的信息并使用它来创建蛋白质。这个过程被称为翻译；即，核糖体将 RNA 中的遗传信息“翻译”成蛋白质。核糖体通过结合到 mRNA 并使用它作为特定蛋白质中氨基酸正确序列的模板来做到这一点。氨基酸附着在转移 RNA (tRNA) 分子上，转移 RNA 分子进入核糖体的某个部分，并与信使 RNA 序列结合。然后，附着的氨基酸通过核糖体的另一个部分连接在一起。核糖体沿着 mRNA 移动，“读取”它的序列并产生一个氨基酸链。

核糖体由 RNA 和蛋白质的复合体构成。核糖体分为两个亚基，一个比另一个大。较小的亚基与 mRNA 结合，而较大的亚基与 tRNA 和氨基酸结合。当核糖体完成对 mRNA 的读取时，这两个亚基就会分离。核糖体被归类为核酶，因为核糖体 RNA 似乎在连接氨基酸的肽酰转移酶活性中起着最重要的作用。

细菌、古细菌和真核生物（地球上生命的三域）的核糖体具有显著不同的结构和 RNA 序列。这些结构上的差异使得一些抗生素能够通过抑制细菌的核糖体而杀死细菌，同时不会影响人类的核糖体。真核细胞线粒体中的核糖体类似于细菌中的核糖体，这反映了这种细胞器可能的进化起源。“核糖体”一词源于核糖核酸和希腊语：soma（意为“身体”）[3]。

核糖体的结构

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核糖体读取信使 RNA 的序列，并从与转移 RNA 结合的氨基酸中组装蛋白质。

斯维德伯格（符号 S，有时为 Sv，不要与表示西弗的 SI 单位 Sv 以及非 SI 单位斯维德鲁普混淆）是一个用于沉降系数的非 SI 物理单位。它描述了一种颗粒类型在沉降过程中的行为，特别是离心。斯维德伯格技术上是时间的度量，定义为 10-13 秒（100 飞秒）。

该单位以 1926 年因在胶体化学领域的工作以及发明超速离心机而获得诺贝尔化学奖的瑞典化学家特奥多尔·斯维德伯格（1884-1971）命名。较大的颗粒往往沉降速度更快，因此具有更高的斯维德伯格值。然而，沉降系数不是可加的。沉降速度不仅取决于颗粒的质量或体积，当两个颗粒结合在一起时，不可避免地会损失表面积。因此，当单独测量时，它们的斯维德伯格值可能无法加起来等于结合颗粒的斯维德伯格值。斯维德伯格是区分核糖体最重要的度量标准，在系统发育研究中很重要。

原核生物和真核生物的核糖体亚基非常相似。测量单位是斯维德伯格单位，它是离心沉降速度的度量，而不是大小，这解释了为什么片段名称无法加起来（70S 由 50S 和 30S 组成）。原核生物具有 70S 核糖体，每个核糖体包含一个小的（30S）亚基和一个大的（50S）亚基。它们的大亚基由一个 5S RNA 亚基（包含 120 个核苷酸）、一个 23S RNA 亚基（2900 个核苷酸）和 34 种蛋白质组成。30S 亚基具有一个与 21 种蛋白质结合的 1540 个核苷酸 RNA 亚基（16S）。真核生物具有 80S 核糖体，每个核糖体包含一个小的（40S）亚基和一个大的（60S）亚基。它们的大亚基由一个 5S RNA（120 个核苷酸）、一个 28S RNA（4700 个核苷酸）、一个 5.8S 亚基（160 个核苷酸）和约 49 种蛋白质组成。40S 亚基具有一个 1900 个核苷酸（18S）RNA 和约 33 种蛋白质。

真核生物叶绿体和线粒体中发现的核糖体也包含与蛋白质结合在一起的大亚基和小亚基，形成一个 70S 颗粒。这些细胞器被认为是细菌的后代（见内共生学说），因此它们的核糖体类似于细菌的核糖体。各种核糖体共享一个核心结构，尽管大小差异很大，但核心结构非常相似。大部分 RNA 高度有序地排列成各种三级结构基序，例如表现出同轴堆叠的假结。较大核糖体中的额外 RNA 存在于几个长的连续插入中，使得它们在不破坏或改变核心结构的情况下从核心结构中形成环。核糖体的所有催化活性都是由 RNA 完成的；蛋白质位于表面，似乎可以稳定结构[4]。

药物化学家利用细菌和真核生物核糖体之间的差异来创造抗生素，这些抗生素可以破坏细菌感染，而不会伤害被感染者的细胞。由于结构差异，细菌 70S 核糖体容易受到这些抗生素的攻击，而真核生物 80S 核糖体则不会。尽管线粒体拥有与细菌相似的核糖体，但线粒体不受这些抗生素的影响，因为它们被双层膜包围，这些膜不容易让这些抗生素进入细胞器。

图：大亚基红色（1）和小亚基蓝色（2）

原核生物中的核糖体生成 有 52 个基因编码核糖体蛋白，它们可以在原核生物 DNA 中的 20 个操纵子中找到。核糖体合成的调节依赖于 rRNA 本身的调节。首先，氨酰 tRNA 的减少会导致原核生物细胞通过降低转录和翻译来响应。这是通过一系列步骤发生的，从严格因子与核糖体结合并催化反应开始

   GTP + ATP --> pppGpp + AMP

然后 γ-磷酸盐被去除，ppGpp 将与 RNA 聚合酶结合并抑制其活性。这种结合导致 rRNA 转录的减少。减少的 rRNA 意味着核糖体蛋白（r-蛋白）会被翻译，但没有 rRNA 可供结合。相反，它们会负反馈地与自己的 mRNA 结合，抑制 r-蛋白合成。请注意，如果存在 rRNA，r-蛋白优先与互补的 rRNA 结合，而不是 mRNA。核糖体操纵子还包括 RNA 聚合酶和延伸因子（用于 RNA 翻译）的基因。所有这些基因的协同调节说明了原核生物中转录和翻译之间的耦合。


真核生物中的核糖体生成 真核生物中的核糖体蛋白合成，与大多数蛋白质合成一样，发生在细胞核外的细胞质中。单个的大亚基和小亚基被合成并通过核孔导入细胞核。这些孔的直径为 120 纳米，每分钟将 560,000 个核糖体蛋白主动转运到细胞核中。有关核糖体蛋白进入细胞核的更多信息，请参阅核输入。

Kozak 共识序列

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酵母 tRNAPhe 的二级三叶草结构。

mRNA 分子上的 Kozak 共识序列被核糖体识别为翻译起始位点，从该位点开始编码该 mRNA 分子的蛋白质。核糖体需要该序列，或可能的变异，来启动翻译。Kozak 序列不应与核糖体结合位点（RBS）混淆，核糖体结合位点可以是信使 RNA 的 5' 端帽或内部核糖体进入位点（IRES）。在体内，该位点在不同的 mRNA 上通常不完全匹配，从给定的 mRNA 合成的蛋白质数量取决于 Kozak 序列的强度。该序列中的一些核苷酸比其他核苷酸更重要：AUG 最重要，因为它实际上是起始密码子，编码蛋白质 N 末端的甲硫氨酸氨基酸。（很少情况下，CTG 被用作起始密码子，编码亮氨酸而不是其典型的甲硫氨酸。）“AUG”的 A 核苷酸被称为编号 1。对于“强”共识，+4 位置（即共识中的 G）和 -3 位置（即共识中的 A 或 G）相对于编号 1 的核苷酸必须都与共识匹配（没有编号 0 位置）。“足够”共识仅具有其中一个位点，而“弱”共识没有。-1 和 -2 位置的 cc 保守性较低，但有助于整体强度。还有证据表明，-6 位置的 G 在翻译起始中很重要。

在体内存在每种类型的 Kozak 共识序列的例子，它们很可能作为另一种基因调控机制而进化。Lmx1b 是具有弱 Kozak 共识序列的基因的一个例子。为了从这样的位点启动翻译，mRNA 序列中需要其他特征，以便核糖体识别起始密码子[6]。

tRNA（转移 RNA）

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tRNA 呈三叶草结构。它的反密码子臂是一个 5 个碱基对（bp）的茎，其环包含反密码子，而它的 D 臂是一个 4 个 bp 的茎，以通常包含二氢尿嘧啶的环结束。tRNA 的 T 臂是一个 5 个 bp 的茎，包含序列 TΨC，其中 Ψ 是假尿嘧啶。在真核细胞中，tRNA 由 RNA 聚合酶 III 在细胞核中转录为前 tRNA。tRNA 是一种小的 RNA 分子，通常长 73-95 个核苷酸。RNA 聚合酶 III 识别 tRNA 基因内部的两个内部启动子序列（A 盒 B 内部启动子）。第一个启动子从成熟 tRNA 的第 8 个核苷酸开始，第二个启动子位于第一个启动子下游 30-60 个核苷酸处。转录在四或多个胸腺嘧啶延伸后终止。

前tRNA在细胞核内经历广泛的修饰。一些前tRNA含有内含子；在细菌中，这些内含子会自剪接，而在真核生物和古细菌中，它们会被tRNA剪接内切核酸酶移除。5'序列被RNase P移除，而3'端被tRNase Z酶移除。一个显著的例外是在古细菌纳米古菌中，它不含RNase P酶，并且启动子被放置在转录从成熟tRNA的5'端开始的位置。非模板3' CCA尾由核苷酸转移酶添加。在tRNA被Los1/Xpo-t输出到细胞质之前，tRNA会被氨酰化。加工事件的顺序并不保守。例如，在酵母中，剪接不是在细胞核中进行，而是在线粒体膜的细胞质侧进行。[7]氨酰-tRNA合成酶（aaRS）是一种催化特定氨基酸或其前体与其所有兼容的同源tRNA之一酯化以形成氨酰-tRNA的酶。这有时被称为用氨基酸“充电”tRNA。一旦tRNA被充电，核糖体就可以根据遗传密码将氨基酸从tRNA转移到生长的肽链上。氨酰-tRNA合成酶有两类：I类有两个高度保守的序列基序。它在腺苷核苷酸的2'-OH处进行氨酰化，并且通常是单体或二聚体（分别是一个或两个亚基）。II类有三个高度保守的序列基序。它在相同腺苷的3'-OH处进行氨酰化，并且通常是二聚体或四聚体（分别为两个或四个亚基）。虽然苯丙氨酸-tRNA合成酶属于II类，但它在2'-OH处进行氨酰化。氨基酸通过羧基（-COOH）基团连接到腺苷的羟基（-OH）基团。无论氨酰最初连接到核苷酸的哪个位置，2'-O-氨酰-tRNA最终将通过转酯化迁移到3'位置。反应：氨基酸 + ATP → 氨酰-AMP + PPi 氨酰-AMP + tRNA → 氨酰-tRNA + AMP 1和2的总和：氨基酸 + tRNA + ATP → 氨酰-tRNA + AMP + PPi

真核生物蛋白质合成

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真核生物中翻译起始过程，eIF2以浅绿色显示。其他因素也显示出来。

起始

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真核起始因子（eIF）是参与真核翻译起始阶段的蛋白质。它们在与40S核糖体亚基和Met-tRNAi形成复合物（称为43S起始前复合物（PIC））中发挥作用，识别mRNA的5'帽结构并招募43S PIC到mRNA，促进核糖体对mRNA的扫描并调节AUG起始密码子的识别，以及60S核糖体亚基的连接以形成80S核糖体。由于真核细胞的生物复杂性更高，真核起始因子的数量比原核起始因子多得多。已知蛋白质RLI在起始复合物的形成中具有至关重要的、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通常用于指eIF4A、eIF4E和eIF4G的复合物。eIF4G是一种支架蛋白，它与eIF3（见下文）以及eIF4F复合物的其他成员相互作用。eIF4E识别并结合mRNA的5'帽结构，而eIF4G结合多聚（A）结合蛋白，后者结合多聚（A）尾，使结合的mRNA环化并激活。eIF4A是一种DEAD盒RNA解旋酶，对于解决mRNA二级结构很重要。eIF4B包含两个RNA结合域——一个非特异性地与mRNA相互作用，而另一个则特异性地结合小核糖体亚基的18S部分。它充当锚定点，也是eIF4A的关键辅助因子。它是S6K的底物，并且在磷酸化时，它促进起始前复合物的形成。在脊椎动物中，eIF4H是一种额外的起始因子，其功能类似于eIF4B[9]。

eIF1 & eIF3

eIF1、eIF1A和eIF3都结合到核糖体亚基-mRNA复合物上。它们被认为可以防止大核糖体亚基在准备好开始延伸之前与小亚基结合。在哺乳动物中，eIF3是最大的支架起始因子，由13个亚基（a-m）组成。它大约有~750 kDa，并且它控制着40S核糖体亚基在具有5'帽或IRES的mRNA上的组装。eIF3使用eIF4F复合物或来自病毒的IRES（内部核糖体进入位点）将mRNA链定位在40S核糖体亚基的出口位点附近，从而促进起始前复合物的组装。在许多癌症中，eIF3会过表达。在血清剥夺条件下（非活动状态），eIF3与S6K1结合。当被有丝分裂原、生长因子或药物刺激时，mTOR/Raptor复合物会被激活，进而结合并磷酸化S6K1的T389（连接器区域），导致构象变化，导致激酶S6K1从eIF3解离。然后，T389磷酸化的S6k1被PDK1在T229处进一步磷酸化。这种第二次磷酸化完全激活了S6K1激酶，它可以随后磷酸化eIF4B、S6和其他蛋白质靶标[10]。

eIF2

eIF2是一种GTP结合蛋白，负责将起始tRNA带到起始前复合物的P位点。它对甲硫氨酸结合的起始tRNA具有特异性，这与其他针对多肽链延伸的甲硫氨酸结合的tRNA不同。一旦它将起始tRNA放置在P位点的AUG起始密码子上，它就会将GTP水解为GDP，并解离。这种水解也发出信号让eIF3、eIF1和eIF1A解离，并允许大亚基结合。这标志着延伸的开始。eIF2具有三个亚基，eIF2-α、β和γ。前者对于可能需要全局关闭蛋白质合成的细胞尤为重要。当磷酸化时，它会隔离eIF2B（不要与β混淆），eIF2B是一种GEF。如果没有这种GEF，GDP就不能被GTP交换，翻译就会受到抑制。eIF2α诱导的翻译抑制发生在当铁缺乏时网状红细胞中。此外，蛋白激酶R（PKR）在许多多细胞生物中检测到dsRNA时会磷酸化eIF2α，导致细胞死亡[11]。

eIF5 & eIF5B

eIF5A是一种GTP酶激活蛋白，它有助于大核糖体亚基与小亚基结合。它需要eIF2的GTP水解，并且包含非典型的氨基酸羟赖氨酸。eIF5B是一种GTP酶，参与完整核糖体的组装（这需要GTP水解）。

eIF6 eIF6执行与eIF3相同的抑制核糖体组装的功能，但与大亚基结合。

真核生物中翻译起始过程依赖于mRNA加帽[12]。

非帽依赖性起始

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真核生物中非帽依赖性翻译起始模式研究得最透彻的例子是内部核糖体进入位点（IRES）方法。非帽依赖性翻译与帽依赖性翻译的区别在于，非帽依赖性翻译不需要核糖体从mRNA帽的5'端开始扫描直到起始密码子。核糖体可以通过ITAFs（IRES反式作用因子）被运输到起始位点，从而绕过了从mRNA非翻译区的5'端开始扫描的需要。这种翻译方法是最近才被发现的，并且已被发现对于在需要翻译特定mRNA的情况下很重要，即使是在细胞压力或无法翻译大多数mRNA的情况下也是如此。例如，应对细胞凋亡、压力诱导反应的因素[13]。

帽依赖性起始

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翻译的起始通常涉及某些关键蛋白与结合在 mRNA 分子 5' 端的特殊标签（5' 帽子）的相互作用。蛋白因子结合小的核糖体亚基（也称为 40S 亚基），这些起始因子将 mRNA 固定在位。真核起始因子 3（eIF3）与小的核糖体亚基相关联，并在阻止大的核糖体亚基过早结合中发挥作用。eIF3 还与 eIF4F 复合物相互作用，该复合物由另外三个起始因子组成：eIF4A、eIF4E 和 eIF4G。eIF4G 是一种支架蛋白，直接与 eIF3 和其他两个组分结合。eIF4E 是帽子结合蛋白。它是帽子依赖性起始的限速步骤，并且经常被一些病毒蛋白酶从复合物中切割，以限制细胞翻译自身转录本的能力。这是劫持宿主机制以支持病毒（帽子非依赖性）信息的的一种方法。eIF4A 是一种 ATP 依赖性 RNA 解旋酶，它帮助核糖体解决 mRNA 转录本形成的某些二级结构。另一个与 eIF4F 复合物相关的蛋白是多聚（A）结合蛋白（PABP），它结合大多数真核 mRNA 分子的多聚（A）尾部。这种蛋白已被证明在翻译过程中 mRNA 的环化中发挥作用。这种预起始复合物（43S 亚基，或 40S 和 mRNA）在蛋白因子的伴随下沿着 mRNA 链向其 3' 端移动，扫描 mRNA 上的“起始”密码子（通常为 AUG），该密码子指示 mRNA 将从哪里开始编码蛋白质。在真核生物和古细菌中，起始密码子编码的氨基酸是甲硫氨酸。加载有 Met 的起始 tRNA 是核糖体复合物的一部分，因此所有蛋白质都以该氨基酸开始（除非在随后的修饰中被蛋白酶切割）。加载有 Met 的起始 tRNA 由真核起始因子 2（eIF2）带到小的核糖体亚基的 P 位点。它水解 GTP，并发出信号指示从小的核糖体亚基上分离出几个因子，从而导致大的亚基（或 60S 亚基）的结合。完整的核糖体（80S）然后开始翻译延长，在此过程中，“起始”和“终止”密码子之间的序列从 mRNA 翻译成氨基酸序列，因此合成了蛋白质[14]。

蛋白质合成的调节取决于起始因子 eIF2 的磷酸化，eIF2 是 met-tRNAi 复合物的一部分。当大量 eIF2 被磷酸化时，蛋白质合成被抑制。这将在发生氨基酸饥饿或病毒感染时发生。然而，自然地，这个起始因子的磷酸化率很低。另一个调节因子是 4EBP，它与位于 mRNA 5' 帽上的起始因子 eIF4E 结合，从而停止蛋白质合成。为了对抗 4EBP 的影响，生长因子磷酸化 4EBP，降低其对 eIF4E 的亲和力，并允许蛋白质合成[15]。

延长

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真核延长因子与原核生物中的非常相似。真核生物中的延长由两个延长因子执行：eEF-1 和 eEF-2。第一个是 eEF-1，它有两个亚基，α 和 βγ。α 充当原核 EF-Tu 的对应物，介导氨酰 tRNA 进入核糖体的空位点。βγ 充当原核 EF-Ts 的对应物，作为 α 的鸟嘌呤核苷酸交换因子，催化 GDP 从 α 中释放。第二个延长因子是 eEF-2，它对应于原核 EF-G，催化 tRNA 和 mRNA 在每一轮多肽延长结束时沿核糖体向下移动[16]。

在起始步骤结束时，mRNA 被定位，以便下一个密码子可以在蛋白质合成的延长阶段翻译。起始 tRNA 占据核糖体中的 P 位点，而 A 位点准备接收氨酰 tRNA。在链延长过程中，每个额外的氨基酸都会在三步微循环中被添加到新生肽链的羧基端。该微循环中的步骤是 (1) 将正确的氨酰 tRNA 定位到核糖体的 A 位点，(2) 形成肽键，以及 (3) 将 mRNA 相对于核糖体移动一个密码子。与催化 DNA 复制的酶系统相比，翻译机制工作得相对缓慢。原核生物中的蛋白质以每秒仅 18 个氨基酸残基的速度合成，而细菌复制体以每秒 1000 个核苷酸的速度合成 DNA。这种速率差异在一定程度上反映了聚合四种类型的核苷酸以制造核酸和聚合 20 种类型的氨基酸以制造蛋白质之间的差异。测试和拒绝不正确的氨酰 tRNA 分子需要时间并减缓蛋白质合成。原核生物中的转录速率约为每秒 55 个核苷酸，对应于大约每秒 18 个密码子，或 mRNA 翻译的相同速率。在细菌中，翻译起始在 mRNA 的 5' 端合成后立即发生，翻译和转录是耦合的。这种紧密耦合在真核生物中是不可能的，因为转录和翻译在细胞的不同隔室（细胞核和细胞质）中进行。真核 mRNA 前体必须在细胞核中进行加工（例如加帽、多腺苷酸化、剪接），然后才能被转运到细胞质中进行翻译[17]。

终止

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延长的终止依赖于真核释放因子。终止过程与原核终止过程相似[18]。

原核生物中的蛋白质合成

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起始

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原核生物中翻译起始的过程。

原核生物中翻译的起始涉及翻译系统组分的组装，这些组分包括：两个核糖体亚基（50S 和 30S 亚基），要翻译的mRNA，第一个（甲酰）氨酰 tRNA（加载有第一个氨基酸的 tRNA），GTP（作为能量来源），以及三个起始因子（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，它们帮助起始复合物的组装[19][20]。

核糖体有三个活性位点：A 位点、P 位点和 E 位点。A 位点是氨酰 tRNA 进入的点（除了第一个氨酰 tRNA，fMet-tRNAfMet，它进入 P 位点）。P 位点是肽酰 tRNA 在核糖体中形成的地方。E 位点是脱落的 tRNA 在将自己的氨基酸交给正在生长的肽链后离开的地方。

延长

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多肽链的延长涉及将氨基酸添加到正在生长的链的羧基端。正在生长的蛋白质通过大的亚基中的多肽出口通道离开核糖体[21]。在原核生物中，翻译需要三个延长因子：EF-Tu、EF-Ts 和 EF-G。

EF-Tu（延长因子热不稳定）介导氨酰 tRNA 进入核糖体的空位点。

EF-Ts 作为 EF-Tu 的鸟嘌呤核苷酸交换因子，催化 GDP 从 EF-Tu 中释放。

EF-G 催化 tRNA 和 mRNA 在每一轮多肽延长结束时沿核糖体向下移动。


当 fmet-tRNA 进入 P 位点时，延伸开始，引起构象变化，从而打开 A 位点以结合新的氨酰-tRNA。这种结合是由延伸因子-Tu (EF-Tu) 促进的，它是一种小的 GTP 酶。现在 P 位点包含待编码蛋白质的肽链的起始，而 A 位点包含待添加到肽链中的下一个氨基酸。与 P 位点 tRNA 相连的生长多肽从 P 位点 tRNA 上分离，并且在多肽的最后一个氨基酸与仍然连接到 A 位点 tRNA 的氨基酸之间形成肽键。这个过程称为 *肽键形成*，由核酶（50S 核糖体亚基中的 23S 核糖体 RNA）催化。现在，A 位点具有新形成的肽，而 P 位点具有未带电的 tRNA（没有氨基酸的 tRNA）。在延伸的最后阶段，*转运*，核糖体沿 mRNA 的 3' 末端移动 3 个核苷酸。由于 tRNA 通过密码子-反密码子碱基配对与 mRNA 相连，因此 tRNA 相对于核糖体移动，将新生肽从 A 位点移动到 P 位点，并将未带电的 tRNA 移动到 E 出口位点。这个过程是由 延伸因子 G (EF-G) 催化的。
核糖体继续翻译 mRNA 上剩余的密码子，因为越来越多的氨酰-tRNA 结合到 A 位点，直到核糖体到达 mRNA 上的终止密码子 (UAA、UGA 或 UAG)[22]


EF-Tu

EF-Tu（延伸因子热不稳定）是原核延伸因子之一。原核因子 EF-Tu 介导氨酰 tRNA 进入核糖体自由位点。EF-Tu 通过结合细胞质中氨酰化的或带电荷的 tRNA 分子发挥作用。这种复合物短暂地进入核糖体，tRNA 反密码子域与核糖体 A 位点的 mRNA 密码子相关联。如果密码子-反密码子配对正确，EF-Tu 将三磷酸鸟苷 (GTP) 水解为二磷酸鸟苷 (GDP) 和无机磷酸盐，并改变构象以从 tRNA 分子中分离。氨酰 tRNA 然后完全进入 A 位点，在那里它的氨基酸被带到 P 位点多肽附近，并且核糖体催化氨基酸与多肽的共价转移。EF-Tu 通过三种方式促进翻译准确性。如果核糖体 A 位点的 tRNA 与 mRNA 密码子不匹配，它会延迟 GTP 水解，从而优先增加不正确 tRNA 离开核糖体的可能性。它还在从 tRNA 中分离后（无论 tRNA 是否匹配）添加第二个延迟，在氨酰 tRNA 完全进入 A 位点之前。这种延迟时间是第二个机会，让不正确配对的 tRNA（及其结合的氨基酸）在不正确氨基酸不可逆地添加到多肽链之前从 A 位点移出。第三种机制是 EF-Tu 对氨基酸-tRNA 关联进行粗略检查的不太清楚的功能，并拒绝氨基酸没有与编码它的正确 tRNA 相结合的复合物。

EF-Ts

EF-Ts（延伸因子热稳定）是原核延伸因子之一。EF-Ts 作为 EF-Tu（延伸因子热不稳定）的鸟嘌呤核苷酸交换因子，催化二磷酸鸟苷从 EF-Tu 中释放。这使 EF-Tu 能够结合新的三磷酸鸟苷分子，释放 EF-Ts，并继续催化另一个氨酰 tRNA 的添加。

EF-G

因子 EF-G 催化 tRNA 和 mRNA 在每轮多肽延伸结束时向下沿着核糖体移动。与 EF-Tu + tRNA 类似，EF-G 也以其 GTP 结合状态与核糖体结合。当它与 A 位点相关联时，EF-G 使先前占据该位点的 tRNA 占据中间 A/P 位置（与小核糖体亚基的 A 位点和大核糖体亚基的 P 位点结合），而 P 位点的 tRNA 被转移到 P/E 混合状态。EF-G 对 GTP 的水解会导致构象变化，迫使 A/P tRNA 完全占据 P 位点，P/E tRNA 完全占据 E 位点（并退出核糖体复合物），并且 mRNA 相对于核糖体向下移动三个核苷酸，这是由于它与这些 tRNA 分子的关联。然后，GDP 结合的 EF-G 分子从复合物中分离，留下另一个自由的 A 位点，在那里延伸循环可以重新开始。除了在转运中的作用外，EF-G 与核糖体循环因子协同工作，以 GTP 依赖的方式促进核糖体循环。


图： 由核糖体 (2)（显示为小（蓝色）和大（红色）亚基）翻译 mRNA (1) 成多肽链(3)。核糖体从 mRNA 的起始密码子 (AUG) 开始，并在终止密码子 (UAG).

终止

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当三个终止密码子之一移动到 A 位点时，终止发生。这些密码子不被任何 tRNA 识别。相反，它们被称为释放因子的蛋白质识别，即 RF1（识别 UAA 和 UAG 终止密码子）或 RF2（识别 UAA 和 UGA 终止密码子）。这些因子触发肽酰-tRNA 中酯键的水解以及新合成蛋白质从核糖体中的释放。第三个释放因子 RF-3 在终止过程结束时催化 RF-1 和 RF-2 的释放[23]

循环

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由终止步骤结束形成的终止后复合物由具有 A 位点终止密码子的 mRNA、P 位点的未带电 tRNA 和完整的 70S 核糖体组成。核糖体循环步骤负责分解终止后核糖体复合物。[24] 一旦新生蛋白质在终止中释放，核糖体循环因子 和延伸因子 G (EF-G) 功能是释放 mRNA 和 tRNA 从核糖体中，并将 70S 核糖体解离为 30S 和 50S 亚基。然后 IF3 取代脱酰基 tRNA，释放 mRNA。所有翻译成分现在都可用于额外的翻译轮次[25]

多聚核糖体

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翻译由多个核糖体同时进行。由于核糖体尺寸相对较大，它们只能附着在 mRNA 上相距 35 个核苷酸的位点。一个 mRNA 和多个核糖体的复合体称为多聚核糖体或多核糖体[26]

抑制蛋白质合成的药物

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一般来说，蛋白质合成抑制剂在原核 mRNA 翻译成蛋白质的不同阶段起作用，例如起始、延伸（包括氨酰 tRNA 进入、校对、肽酰转移和核糖体转运）和终止。

早期阶段

利福平通过抑制与 DNA 依赖性 RNA 聚合酶的 β 亚基结合来抑制原核 DNA 转录成 mRNA。

*起始* *斜体文本*利奈唑胺在起始阶段起作用，可能是通过阻止起始复合物的形成，尽管机制尚不清楚。

氨酰 tRNA 进入

四环素类和替加环素（一种与四环素类相关的甘氨酰环素）阻断核糖体上的 A 位点，阻止氨酰 tRNA 的结合。


校对

氨基糖苷类，除其他潜在的作用机制外，还会干扰校对过程，导致合成错误率增加，出现过早终止。

肽酰转移

氯霉素阻断细菌和线粒体中 50S 核糖体亚基上延伸的肽酰转移步骤。大环内酯类（以及抑制核糖体转运和其他潜在机制）与 50s 核糖体亚基结合，抑制肽酰转移。奎努普利斯汀/达福普利斯汀协同作用，达福普利斯汀增强奎努普利斯汀的结合，以及抑制肽酰转移。奎努普利斯汀与 50S 核糖体亚基上的附近位点结合，阻止多肽的延伸，以及导致不完全链释放。

核糖体转运

克林霉素，除其他潜在机制外。氨基糖苷类和大环内酯类，除其他潜在的作用机制外，都有抑制核糖体转运的证据。夫西地酸阻止延伸因子 G (EF-G) 从核糖体中周转。

终止

嘌呤霉素的结构类似于酪氨酰氨酰-tRNA。因此，它与核糖体 A 位点结合并参与肽键形成，产生肽酰-嘌呤霉素。然而，它不参与转运，并且很快从核糖体中分离，导致多肽合成的过早终止。大环内酯类和克林霉素（两者也具有其他潜在机制）导致肽酰-tRNA 从核糖体中过早分离。链霉素类也会导致肽链过早释放。

未指定机制的蛋白质合成抑制剂

瑞他普林

结合位点

以下抗生素与核糖体的 30S 亚基结合

氨基糖苷类

四环素类

以下抗生素与 50S 核糖体亚基结合

氯霉素

红霉素

克林霉素

利奈唑胺

替利霉素

链霉素类

瑞他普林

蛋白质的翻译后修饰 (PTM)

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涉及添加功能基团的 PTM

体内由酶催化的添加修饰 酰化，例如 O-酰化（酯类）、N-酰化（酰胺）、S-酰化（硫酯） 乙酰化，添加一个乙酰基，可以是在蛋白质的 N 端[2]，也可以是在赖氨酸残基上。另见组蛋白乙酰化。相反的过程称为脱乙酰化。 甲酰化 脂酰化，添加一个脂酰基 (C8) 功能基团 肉豆蔻酰化，添加肉豆蔻酸，一种 C14 饱和脂肪酸 棕榈酰化，添加棕榈酸，一种 C16 饱和脂肪酸 烷基化，添加一个烷基，例如甲基、乙基 甲基化，添加一个甲基，通常在赖氨酸或精氨酸残基上。相反的过程称为脱甲基化。 异戊烯化或预烯化，添加一个异戊二烯基 (例如法尼醇和香叶基香叶醇) 法尼基化 香叶基香叶基化 C 端氨基酸添加 酰胺化 精氨酰化，一种 tRNA 介导的添加 多聚谷氨酰化，谷氨酸残基与微管蛋白和其他一些蛋白质的共价连接。[6] (见微管蛋白多聚谷氨酰化酶) 多聚甘氨酰化，一个到超过 40 个甘氨酸残基与微管蛋白 C 端尾部的共价连接 二氢蝶酰胺形成 γ-羧化，依赖维生素 K 糖基化，将一个糖基添加到天冬酰胺、羟赖氨酸、丝氨酸或苏氨酸上，形成糖蛋白。与糖基化不同，糖基化被认为是非酶促的糖类附着。 多聚唾液酸化，添加多聚唾液酸 (PSA) 到 NCAM 上 糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 锚形成 血红素部分可以共价连接 羟基化 羟脯氨酸形成 (在 [EIF5A] 和 aIF5a 的保守赖氨酸上) 碘化 (例如甲状腺激素) 核苷酸或其衍生物可以共价连接 腺苷酸化 ADP-核糖基化 黄素连接 亚硝基化 S-谷胱甘肽化 氧化 磷酸泛酰巯基乙胺化，添加来自辅酶 A 的一个 4'-磷酸泛酰巯基乙胺基团，如脂肪酸、聚酮类、非核糖体肽和亮氨酸生物合成 磷酸化，添加一个磷酸基团，通常到丝氨酸、酪氨酸、苏氨酸或组氨酸上 焦谷氨酸形成 硫酸化，添加一个硫酸基团到酪氨酸上。 硒代化 (在硒蛋白中硒的共翻译掺入)

体内非酶促添加修饰 糖基化，在没有酶控制的情况下，将一个糖分子添加到蛋白质上。

体外非酶促添加修饰 生物素化，用生物素附着物对保守的赖氨酸残基进行酰化 聚乙二醇化

涉及添加其他蛋白质或肽的修饰

ISG15 化，与 ISG15 蛋白 (干扰素刺激基因 15) 的共价连接 SUMO 化，与 SUMO 蛋白 (小泛素相关修饰物) 的共价连接 泛素化，与泛素蛋白的共价连接。 遍在蛋白化，与 Nedd 的共价连接

涉及改变氨基酸化学性质的修饰

瓜氨酸化，或脱氨基化，将精氨酸转化为瓜氨酸 脱酰胺化，将谷氨酰胺转化为谷氨酸或天冬酰胺转化为天冬氨酸 消除反应，通过磷酸苏氨酸和磷酸丝氨酸的 β-消除或苏氨酸和丝氨酸的脱水以及半胱氨酸的脱羧来转化为烯烃。 氨基甲酰化，将赖氨酸转化为高瓜氨酸

涉及结构改变的修饰

二硫键，两个半胱氨酸氨基酸的共价连接 蛋白水解切割，在肽键处切割蛋白质 脯氨酰异构酶对脯氨酸的消旋[27]

参考文献

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  1. ↑ 蛋白质生物合成
  2. ↑ 蛋白质
  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. ↑ 转运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
  11. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_initiation_factor&oldid=420870296
  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
  14. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_translation&oldid=420870435
  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
  17. ↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eukaryotic_translation&oldid=420870435
  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. ↑ 大肠杆菌蛋白质传导通道结合到翻译核糖体上的结构，K. Mitra 等人。自然 (2005)，卷 438，页 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) "核糖体再循环步骤：共识还是争议？". 生物化学趋势，第 31 卷（3 期），第 143-149 页。
  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
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