蛋白质生物合成包括两大步骤:①氨基酸的活化与转运;②活化氨基酸在核糖体上缩合成肽,即核糖体循环。前者是准备阶段,后者是蛋白质合成的中心环节。
(一)氨基酸的活化与转运
氨基酸与tRNA结合为氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。反应由氨基酰-tRNA合成酶催化,由ATP供能。
氨基酰-tRNA可根据mRNA中密码子的顺序将活化的氨基酸转运至核糖体上参加肽链的合成。
(二)核糖体循环
核糖体循环可分为肽链合成的起始、延长和终止3个阶段。现以原核细胞为例加以说明:
1.肽链合成的起始 在Mg2+、起始因子(IF)及GTP参与下,核糖体大小亚基、mRNA和具有启动作用的甲酰甲硫氨酰-tRNA聚合,形成起始复合体(图8-4-3)。
(1)在IF-3与IF-1促进下,小亚基与mRNA的起动部位结合。
(2)在IF-2促进与IF-1辅助下,甲酰甲硫氨酰-tRNA借反密码与mRNA的起始密码结合,GTP亦结合到复合体中。
图8-4-3 肽链合成的起始
(3)GTP分解供能,大亚基与上述小亚基复合体结合,释放出起始因子,形成起始复合体。此时mRNA的起始密码和甲酰甲硫氨酰-tRNA处于大亚基的P位,mRNA的第二个密码处于A位。
2.肽链的延长 起始复合体形成后,肽链从N端向C端延长。此阶段需肽链延长因子(EF)、GTP、Mg2+和K+参加,经过进位、转肽和移位3个步骤重复进行(图8-4-4)。
图8-4-4 肽链合成的延长
(1)进位:氨基酰-tRNA在EF-1、GTP及Mg2+参与下,以其反密码识别起始复合体A位上mRNA的密码,并与之结合,于是进入A位。
(2)转肽:在转肽酶催化下,P位的甲酰甲硫氨酰基(以后继续延长时为肽酰-tRNA的肽酰基)转移,以其羧基与A位的氨基酰-tRNA中的α-氨基形成肽键。反应需Mg2+与K+。此时P位上的tRNA就从核糖体脱落。
(3)移位:EF-2催化GTP分解供能,使核糖体沿mRNA5′→3′方向移动1个密码子的距离,于是A位上的肽酰-tRNA移到P位,下一个密码进入A位。
通过进位、转肽、移位不断重复进行,肽链就按mRNA上密码顺序不断延长。从氨基酸活化算起,肽链每增加1个氨基酸残基要消耗4个高能磷酸键。
3.肽链合成的终止 当肽链合成到一定长度,核糖体受位上出现终止密码(UAA、UAG、UGA)时,各种氨基酰-tRNA都不能进位。终止因子使转肽酶变构而具备水解酶的活性,使P位上肽酰-tRNA的酯键水解,释放出合成的肽链。mRNA、tRNA及终止因子从核糖体上脱落,核糖体解离为大、小亚基,重新进入核糖体循环。
以上是单个核糖体的循环。实际上细胞内合成蛋白质时,有多个核糖体相隔一定距离结合在同一mRNA上,形成多核糖体,同时合成多条相同的多肽链,大大加快了蛋白质的合成速度。
以mRNA为模板合成的多肽链自行折叠卷曲,即成为具有一定空间结构的蛋白质分子。但很多多肽链合成后,尚需经过加工、修饰才能转变为具有生物活性的蛋白质。
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