蛋白质生物合成及加工

蛋白质合成是生物体内一项非常重要的生物化学过程，也被称为蛋白质生物合成。

该过程包括转录和翻译两个主要阶段，涉及到DNA、RNA和蛋白质等多种生物分子的参与。

下面我将详细介绍蛋白质合成的四个步骤，以便更好地理解这一复杂而精密的生物学过程。

步骤一：转录（Transcription）转录是蛋白质合成的第一步，它发生在细胞核内。

在这一过程中，DNA的信息将被复制到一种名为mRNA（信使RNA）的分子上。

具体来说，转录的步骤包括：1. 启动子结合：转录过程开始于启动子，启动子是DNA上的一个特定区域，其特殊序列能够与RNA聚合酶结合，从而启动转录。

2. RNA聚合酶合成mRNA：一旦启动子与RNA聚合酶结合，RNA 聚合酶将会沿着DNA模板链合成mRNA，这一过程包括RNA的合成和剪切修饰等步骤。

3. 终止：当RNA聚合酶到达终止子时，转录过程将结束，mRNA 分子从DNA模板上分离出来。

步骤二：前期mRNA处理（Pre-mRNA Processing）在转录完成后，产生的mRNA并不是立即可以被翻译成蛋白质的成熟mRNA，还需要经过一系列的前期处理。

这些处理包括：1. 剪接（Splicing）：mRNA中会存在一些被称为内含子的非编码序列，而真正编码蛋白质的序列被称为外显子。

剪接过程将内含子从mRNA中切除，将外显子连接起来，形成成熟的mRNA。

2. 5'端盖（5' Cap）的添加：在mRNA的5'端，会添加一种名为7-甲基鸟苷酸（m7G）的化合物，用于保护mRNA不受降解，同时有助于mRNA与核糖体的结合。

3. 3'端聚腺苷酸（Polyadenylation）的添加：在mRNA的3'端，会添加一系列腺苷酸，形成所谓的聚腺苷酸尾巴，同样用于保护mRNA不受降解。

步骤三：翻译（Translation）翻译是蛋白质合成的第二个主要步骤，它发生在细胞质中的核糖体内。

在翻译过程中，mRNA上携带的遗传密码将被翻译成氨基酸序列，从而合成特定的蛋白质。

细胞合成蛋白质的过程，即蛋白质生物合成或翻译（Translation），是一个复杂的多步骤过程，主要包括以下五个阶段：1. 氨基酸的活化：- 在起始阶段之前，每一个参与蛋白质合成的氨基酸都需要先与特异性的转运RNA（tRNA）结合，并被一个酶（氨酰-tRNA合成酶）催化，接受ATP提供的能量，形成活性的氨酰-tRNA。

2. 多肽链合成的起始：- mRNA首先通过转录过程生成，并从细胞核转移到细胞质中的核糖体。

在原核生物中，mRNA通常可以直接与核糖体结合，而在真核生物中，mRNA需要经过剪接和修饰后穿过核孔进入细胞质。

- 起始复合物形成，mRNA上的起始密码子（通常是AUG）与携带甲硫氨酸的Met-tRNAiMet结合，后者通过IF-2等起始因子的帮助定位在核糖体的小亚基上，随后大亚基结合形成完整的起始复合物。

3. 肽链的延长：- 进位（Elongation）阶段，下一个适当的氨酰-tRNA在其tRNA反密码子区与mRNA上的下一个密码子互补配对，进入核糖体的A位点。

- 核糖体的催化作用下，A位点的氨基酸通过肽键与延伸中的多肽链相连，然后空载的tRNA移至P位点，再接着从P位点移到E位点释放。

- GTP驱动的转位酶促使核糖体沿mRNA移动一个密码子的距离，准备接收下一个氨基酸。

4. 肽链的终止与释放：- 当mRNA上的终止密码子（UAA、UAG或UGA）进入A位点时，没有对应的氨酰-tRNA与其配对。

此时，释放因子RF识别终止密码子并结合到核糖体上，引发肽链从核糖体上脱离并水解掉tRNA与多肽链之间的酯键。

- 最终，核糖体大小亚基分离，翻译过程结束，新生的多肽链被释放出来。

5. 蛋白质合成后的加工修饰：- 新合成的多肽链往往还需要进行一系列的后翻译修饰，包括但不限于切除N端的甲硫氨酸、折叠成三维结构、磷酸化、糖基化、跨膜插入、剪接等过程，才能成为成熟的、具有生物学功能的蛋白质。

在整个过程中，核糖体、mRNA、tRNA以及众多蛋白质因子协同工作，保证了遗传信息准确无误地转化为蛋白质分子。

蛋白质的生物合成与工程蛋白质是生命中不可或缺的基本分子，它们在细胞中扮演着各种功能角色，包括结构支撑、酶催化、运输、信号传递等等。

蛋白质的生物合成是指由核糖体将氨基酸链组装成蛋白质的过程，也就是所谓的翻译（translation）过程。

这个过程是高度复杂的，需要核糖体、mRNA、tRNA、氨基酰-tRNA合成酶、GTP酶活化蛋白等多种因素协同作用。

蛋白质生物合成的主要步骤包括：（1）转录（transcription）：DNA模板被RNA聚合酶复制成mRNA分子；（2）翻译（translation）：mRNA被核糖体复制成氨基酸序列；（3）后翻译修饰（post-translational modification）：新合成的蛋白质经过各种化学修饰，包括剪切、磷酸化、甲基化、乙酰化、糖基化等等，以获得成熟的功能性蛋白质。

这个过程是高度精密和调控的，任何一步出错都会导致生命体失衡或死亡。

蛋白质的生物合成是细胞机理学研究的重点之一。

掌握它的规律和特点对生命科学和医学研究有着重要意义。

特别是在蛋白质工程与制药研发中，理解蛋白质合成的分子机制和调控策略，有助于设计和构建更加高效、稳定、安全、功能性的新型蛋白质、抗体、疫苗等生物制品。

与传统的蛋白质生产相比，蛋白质工程技术能够大规模、高效、精准地合成目标蛋白质，具有许多优点。

例如，它可以实现异物蛋白质大量表达、简化纯化、降低成本和污染等问题；同时，也可以设计和制造新型蛋白质的突变、修饰、拼接和组装等操作，以实现更加智能和灵活的应用。

近年来，蛋白质工程技术在医药、生物农业、食品、能源等领域都取得了丰硕的成果和前景。

一些常见的蛋白质工程技术包括：（1）融合蛋白质技术：将目标蛋白质与其他蛋白质或肽段融合在一起，以提高稳定性、表达量或靶向；（2）点突变或替换技术：通过人工合成或随机变异方法引入点突变或替换，以改变结构、性能或特异性；（3）抗体工程技术：将抗体序列进行人工改造，以生产更加特异的抗体、双特异性抗体、Fc修饰抗体等；（4）蛋白质递送技术：将目标蛋白质与载体融合或包裹在一起，以保护、传递、释放和放大蛋白质作用，如核酸疫苗、基因传递、药物递送等。

第十一章蛋白质的生物合成及加工修饰(The Biosynthesis and transport of protein)在不同的蛋白质分子中，氨基酸有着特定的排列顺序，这种特定的排列顺序不是随机的，而是严格按照蛋白质的编码基因中的碱基排列顺序决定的。

基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。

翻译的过程也就是蛋白质分子生物合成的过程，在此过程中需要200多种生物大分子参加，其中包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。

第一节参与蛋白质生物合成的物质一、合成原料自然界由mRNA编码的氨基酸共有20种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。

某些蛋白质分子还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸等，这些特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的。

下图给出部分特殊氨基酸分子式：二、mRNA是合成蛋白质的直接模板蛋白质是在胞质中合成的，而编码蛋白质的信息载体DNA 却在细胞核内，所以必定有一种中间物质用来传递DNA 上的信息，实验证明：mRNA 是遗传信息的传递者，是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，因此得名信使RNA。

原核细胞中每种mRNA分子常带有多个功能相关蛋白质的编码信息，以一种多顺反子的形式排列，在翻译过程中可同时合成几种蛋白质；而真核细胞中，每种mRNA一般只带有一种蛋白质编码信息，是单顺反子的形式。

mRNA以它分子中的核苷酸排列顺序携带从DNA传递来的遗传信息，作为蛋白质生物合成的直接模板，决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。

不同的蛋白质有各自不同的mRNA，mRNA除含有编码区外，两端还有非编码区。

非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5'端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位。

mRNA特点：短命原核：半衰期几秒-几分钟真核：半衰期数小时。

功能是蛋白质合成的模板，多肽链氨基酸排列顺序就取决于mRNA 的核苷酸的排列顺序。

第8章蛋白质生物合成和翻译后加工一、学习要点本章涉及的基本概念较多，如翻译、核酶、翻译的起始因子、延长因子、释放因子、三联体密码、密码的简并性、密码的摆动性、SD序列、信号肽等。

主要理解和掌握蛋白质合成的分子基础、遗传密码的基本特性、多肽链生物合成的一般过程、确保翻译准确性的机制、翻译后加工和定向运输等内容。

1、蛋白质合成的分子基础：与蛋白质合成有关的RNA有：mRNA、tRNA和rRNA。

mRNA 作为蛋白质多肽链合成的直接模板。

tRNA在蛋白质合成主要起接头作用，① tRNA的 3′端- CCA序列是氨基酸接受位点(氨基酸接受臂)；②DHU环是识别氨酰tRNA合成酶的位点；③TψC环是核糖体的识别位点；④反密码子环上的反密码子作用是mRNA的密码子。

rRNA主要是与蛋白质结合形成核糖体，作为蛋白质合成的场所。

2、遗传密码。

mRNA上决定一个特定氨基酸的三个相邻的核苷酸称为遗传密码.又叫三联体密码或密码子。

其特点主要有：1）无标点符号的；2）简并性(degeneracy)，除Met (AUG )和Trp(UGG )外，每个氨基酸都有一个以上的密码子，这种现象称为密码的简并，把编码相同氨基酸的密码子称同义密码子。

其生物学意义在于减少有害突变，对生物物种的稳定有一定作用。

3) 遗传密码具有的变偶性(摆动性)，密码子第1位、第2位碱基配对是严格的,第3位碱基可以有一定的变动，这一现象称为变偶性或摆动性(wobble)。

4）64组密码子中61组编码氨基酸，UAA、UAG和UGA为终止密码子（或无义密码子）， AUG为起始密码子。

5）遗传密码的通用性和变异性，通用性是指各种低等和高等生物,包括病毒、原核以及真核生物,基本上共用一套遗传密码，反应了生物世界的统一性；目前已知线粒DNA(mtDNA)的编码方式与通常遗传密码子有所不同。

3 多肽链合成的机理。

（1）多肽链的延伸方向。

在翻译时，核糖体沿mRNA从5’→3’方向进行翻译，多肽链延伸的方向为氨基端→羧基端（与多肽的人工合成不同，在多肽的人工合成中，肽链从羧基端→氨基端）。

蛋白质的生物合成概述蛋白质是构成生物体的基本组成部分之一，具有多种重要的功能。

蛋白质的生物合成是指从基因到蛋白质的整个过程，包括转录和翻译两个主要步骤。

在生物体内，蛋白质的合成由细胞核内的遗传物质DNA指导，通过转录将DNA的信息转录成为mRNA，然后通过翻译将mRNA的信息转化为氨基酸序列，最终形成蛋白质。

1. 转录（Transcription）：转录是指将DNA中一个基因的信息通过RNA聚合酶酶催化，生成该基因的mRNA分子。

转录的过程包括启动、延伸和终止三个阶段。

-启动阶段：在DNA的启动序列上结合转录因子，形成转录起始复合物。

随后，RNA聚合酶酶催化聚合核苷酸，从而形成mRNA链的起始部分。

-延伸阶段：RNA聚合酶继续在DNA模板上向下移动，并在不断向RNA链中添加新的核苷酸，直到遇到终止信号。

-终止阶段：当RNA聚合酶读取到终止信号时，mRNA链与DNA模板分离，转录过程结束。

2. RNA加工（RNA Processing）：转录过程产生的初级转录产物（pre-mRNA）还需要经过一系列修饰和处理步骤，形成成熟的mRNA，以便于翻译过程中正确地合成蛋白质。

- 在RNA加工过程中，先是通过剪接（splicing）去除在初级转录产物中的内含子（intron）区域，保留外显子（exon）区域。

剪接是由剪接体（spliceosome）完成的，它由snRNP（small nuclear ribonucleoprotein）复合物和其他蛋白质组成。

- 随后，在转录加工过程中，mRNA的5'端会经历甲基化修饰，而3'末端则会加上聚腺苷酸尾巴（poly(A) tail）。

这些修饰可以保护mRNA 分子免受降解，同时还有助于mRNA的定位和翻译。

3. 翻译（Translation）：翻译是指将mRNA的信息翻译成蛋白质的氨基酸序列，与转录过程不同，翻译发生在细胞的细胞质中，主要通过核糖体来完成。

蛋白质生物合成的过程蛋白质是构成生命体的重要组成部分，其生物合成过程也是生命活动的重要环节之一。

蛋白质生物合成包含了两个主要的过程：转录和翻译。

在这两个过程中，多种分子和酶的参与，共同完成了蛋白质的合成。

转录是蛋白质生物合成的第一步，它发生在细胞核内。

在这一过程中，DNA的信息被转录成RNA分子，这个过程由RNA聚合酶完成。

RNA聚合酶可以识别DNA链上的启动子区域，并沿着DNA链逐渐合成RNA分子。

RNA分子的合成是由核苷酸单元的连接而成的，这些核苷酸单元包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）。

RNA分子的合成是由DNA模板的编码信息决定的，这也就是RNA分子与DNA分子之间的信息转换。

在翻译过程中，RNA分子将信息转化为蛋白质的氨基酸序列。

这个过程发生在细胞质中，由核糖体完成。

核糖体是由RNA和蛋白质组成的复合物，其中RNA分子起到了信息传递的作用，而蛋白质则提供了支持和催化的功能。

在翻译过程中，RNA分子的信息被翻译成一系列的氨基酸，这些氨基酸按照特定的顺序连接在一起，形成了蛋白质分子。

蛋白质的生物合成过程是一个高度协调的过程，多种分子和酶在其中发挥了重要的作用。

在转录过程中，RNA聚合酶需要与其他蛋白质组成复合物，才能识别启动子区域并完成RNA分子的合成。

在翻译过程中，核糖体需要与多种因子协同作用，才能完成氨基酸的连接和蛋白质的合成。

此外，蛋白酶和蛋白质折叠酶等分子也参与了蛋白质的后续加工过程，保证了蛋白质的正确折叠和功能发挥。

总的来说，蛋白质生物合成是一个复杂而精细的过程，其中涉及到多种分子和酶的协同作用。

这个过程不仅是生命活动的基础，也具有重要的生物学意义。

通过对蛋白质生物合成过程的研究，人们可以更好地理解生命的本质和机制，同时也可以为生物医学研究和药物研发提供有力的支持。