第十二章蛋白质代谢 第一节氨基酸的生物合成 氨基酸是生物体合成蛋白质的原料,同时也是高等动物中许多重要生物分子的前体。例如:激素 嘌呤、嘧啶、卟啉和某些维生素等。不同机体利用氮源合成氨基酸的能力大不相同。脊椎动物不能合成 全部氨基酸。高等动物能利用铵离子作为合成氨基酸的氮源,但不能利用亚硝酸、硝酸和大气氮。高等 植物能合成全部氨基酸,而且能利用氨、亚硝酸作为氮源。微生物合成氨基酸的能力差异很大。例如溶 血链球菌需要17种氨基酸,而大肠杆菌能由氨合成全部氨基酸,许多细菌和真菌还能利用硝酸和亚硝 酸。固氮菌能利用大气氮源合成氨及氨基酸。 生物体合成氨基酸的主要途径有还原性氨基化作用、转氨作用及氨基酸间的相互转化作用等。 (一)还原性氨基化作用 在多数机体中,NH3同化主要是经谷氨酸和谷氨酰胺合成途径完成的 谷氨酸合成的主要途径是由L-谷氨酸脱氢酶催化的α-酮戊二酸氨基化途径,该酶在动物体内需要 NADH或 NADPH作为辅酶,在植物体内只能利用 NADPH为辅酶,催化的反应如下 NH3+a-酮戊二酸+ NADOP)H+—L-谷氨酸+NAD(P)+H2O 谷氨酸脱氢酶存在于线粒体中,是一个调节酶。随着NAD浓度的改变,ADP可起激活和抑制两种作 用。而GTP是强的抑制剂。 由脱氢酶催化的谷氨酸合成途径在自然界并不普遍。只有少数生物当环境中的NH4浓度很高时,才 以此途径形成谷氨酸。由谷氨酸合成酶催化的谷氨酸合成反应才是最普遍和主要的NH3同化途径。谷氨 酰胺合成酶和谷氨酸合成酶联合作用,将游离氨转变为谷氨酸的a氨基。反应如下 谷氨酸+ATP+NH2谷氨酰胺合成酶,谷氨酰氨+ADP+P1 谷氨酰氨+a酮戊二酸+ NAD(P)E+H氨酸合说2谷氨酸+NADP) 在微生物中,还有一条由天冬氨酸合成酶催化的NH3同化途径 天冬氨酸+ATP+NH 天冬氨酸合成酶 天冬酰氨+AMP+PPi 由于自由能变化大,该反应比谷氨酰胺的合成反应在菌体内更易于进行。 (二)氨基转移作用 氨基转移作用是由一种氨基酸把它的分子上的氨基转移至其它a-酮酸上。以形成另一种氨基酸。这 个反应的通式是 转氨酶 R-CHCOOH+R,-C-COOH COOH+R-CHCOOH NH, NH2 这个反应是在转氨酶的催化作用下进行的。转氨酶以磷酸吡哆醛为辅酶。有许多种氨基酸均可作为 氨基的供体。其中最主要的是谷氨酸和天冬氨酸。苏氨酸和赖氨酸不参加转氨作用 在细胞内,转氨酶分布在细胞质、线粒体、叶绿体中。人体的转氨作用主要在肝脏中进行,心肌中 的转氨作用也很强,转氨酶的活力可作为检查肝功能的指标 (三)氨基酸的相互转化作用 在有些情况下,氨基酸间也可以相互转化。如由苏氨酸或丝氨酸可生成甘氨酸,由色氨酸或胱氨酸 可生成丙氨酸。由谷氨酸可生成脯氨酸,由苯丙氨酸可生成酪氨酸,由蛋氨酸可生成半胱氨酸 必需氨基酸人体及动物生长发育必需而在机体中又不能合成,必须从食物中摄取的氨基酸称必需 氨基酸。动物不能合成的氨基酸有赖氨酸、色氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸 蛋氨酸、缬氨酸和精氨酸(人体能合成部分组氨酸和精氨酸) 第二节蛋白质的生物合成 在生物体内,蛋白质是在不断变换更新的。生物细胞中的DNA是遗产信息的携带者,以DNA为模 板,转录为mRNA;mRNA又作为蛋白质合成的模板,由mRNA经翻译而合成相应的蛋白质。所谓翻 译,是指mRNA中由四种不同碱基“字母”构成的“语言”(由mRNA的碱基顺序组成的密码)被“解读”而成 245
第十二章 蛋白质代谢 第一节 氨基酸的生物合成 氨基酸是生物体合成蛋白质的原料，同时也是高等动物中许多重要生物分子的前体。例如：激素、 嘌呤、嘧啶、卟啉和某些维生素等。不同机体利用氮源合成氨基酸的能力大不相同。脊椎动物不能合成 全部氨基酸。高等动物能利用铵离子作为合成氨基酸的氮源，但不能利用亚硝酸、硝酸和大气氮。高等 植物能合成全部氨基酸，而且能利用氨、亚硝酸作为氮源。微生物合成氨基酸的能力差异很大。例如溶 血链球菌需要 17 种氨基酸，而大肠杆菌能由氨合成全部氨基酸，许多细菌和真菌还能利用硝酸和亚硝 酸。固氮菌能利用大气氮源合成氨及氨基酸。 生物体合成氨基酸的主要途径有还原性氨基化作用、转氨作用及氨基酸间的相互转化作用等。 (一)还原性氨基化作用 在多数机体中，NH3同化主要是经谷氨酸和谷氨酰胺合成途径完成的。 谷氨酸合成的主要途径是由 L-谷氨酸脱氢酶催化的 α-酮戊二酸氨基化途径，该酶在动物体内需要 NADH 或 NADPH 作为辅酶，在植物体内只能利用 NADPH 为辅酶，催化的反应如下： NH3 + -酮戊二酸 NAD(P)H +H + + + L-谷氨酸 NAD(P) + α +H2O 谷氨酸脱氢酶存在于线粒体中，是一个调节酶。随着NAD+ 浓度的改变，ADP可起激活和抑制两种作 用。而GTP是强的抑制剂。 由脱氢酶催化的谷氨酸合成途径在自然界并不普遍。只有少数生物当环境中的 浓度很高时，才 以此途径形成谷氨酸。由谷氨酸合成酶催化的谷氨酸合成反应才是最普遍和主要的NH + NH4 3同化途径。谷氨 酰胺合成酶和谷氨酸合成酶联合作用，将游离氨转变为谷氨酸的α-氨基。反应如下： 谷氨酸+ATP+NH + + 3 谷氨酰氨 ADP Pi 谷氨酰胺合成酶 谷氨酰氨 + + -酮戊二酸 +NAD(P)H H+ 谷氨酸合成酶 2谷氨酸 NAD(P) + α + 在微生物中，还有一条由天冬氨酸合成酶催化的NH3同化途径： ATP NH3 AMP PPi Mg2+ + + + + 天冬氨酸合成酶 天冬氨酸 天冬酰氨 由于自由能变化大，该反应比谷氨酰胺的合成反应在菌体内更易于进行。 (二)氨基转移作用 氨基转移作用是由一种氨基酸把它的分子上的氨基转移至其它 α-酮酸上。以形成另一种氨基酸。这 个反应的通式是： R1 CH COOH R2 C NH2 O + COOH + 转氨酶 C O R1 COOH CH COOH NH2 R2 这个反应是在转氨酶的催化作用下进行的。转氨酶以磷酸吡哆醛为辅酶。有许多种氨基酸均可作为 氨基的供体。其中最主要的是谷氨酸和天冬氨酸。苏氨酸和赖氨酸不参加转氨作用。 在细胞内，转氨酶分布在细胞质、线粒体、叶绿体中。人体的转氨作用主要在肝脏中进行，心肌中 的转氨作用也很强，转氨酶的活力可作为检查肝功能的指标。 (三)氨基酸的相互转化作用 在有些情况下，氨基酸间也可以相互转化。如由苏氨酸或丝氨酸可生成甘氨酸，由色氨酸或胱氨酸 可生成丙氨酸。由谷氨酸可生成脯氨酸，由苯丙氨酸可生成酪氨酸，由蛋氨酸可生成半胱氨酸。 必需氨基酸 人体及动物生长发育必需而在机体中又不能合成，必须从食物中摄取的氨基酸称必需 氨基酸。动物不能合成的氨基酸有赖氨酸、色氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、 蛋氨酸、缬氨酸和精氨酸(人体能合成部分组氨酸和精氨酸)。 第二节 蛋白质的生物合成 在生物体内，蛋白质是在不断变换更新的。生物细胞中的 DNA 是遗产信息的携带者，以 DNA 为模 板，转录为 mRNA；mRNA 又作为蛋白质合成的模板，由 mRNA 经翻译而合成相应的蛋白质。所谓翻 译，是指 mRNA 中由四种不同碱基“字母”构成的“语言”(由 mRNA 的碱基顺序组成的密码)被“解读”而成 245
为以20种不同氨基酸构成的蛋白质。蛋白质合成是一个十分复杂的过程。其中包括有上百种大分子的共 同协作,才能完成由简单的L氨基酸合成为构造复杂的蛋白质分子的过程。蛋白质的合成过程,也就是 将一种氨基酸的氨基连接于另一种氨基酸(或多肽链)的羧基端以形成肽链的过程。 蛋白质合成体系的组成 为了便于阐述,先扼要介绍蛋白质合成体系的一些重要组分的性质与作用原理。 1、mRNA蛋白质合成体系中一个重要组分是信使RNA(mRNA),它携带着DNA的遗传信息。在 原核细胞内,mRNA极不稳定,它的半衰期只有几秒至约2分钟。但在真核细胞内则比较稳定,在哺乳 动物内的mRNA半衰期可达几小时至24小时多。由于细菌对不断变化的环境具有较高的适应性,它们 能在很短的时间内转录出新的mRNA,合成新的酶,以适应变化着的环境。 在真核细胞内,先在核质内在DNA指导的RNA聚合酶的催化下合成mRNA的前体,即核不均一 RNA( hnRNA)。以后, hnRNA在细胞核的核酸酶作用下降解成mRNA,然后转移至细胞质。 在mRNA链中含有4种不同的碱基,其链上的相邻三个碱基作为一组,称为密码子或三联体密码, 起着编码一种氨基酸的作用。在由4种不同碱基组成的总共4=64个碱基三联体密码子中,有61个是作 为氨基酸的密码子。其余的三个密码子是作为终止密码子。这些遗传密码如表12-1所示。 表12-1遗传密码 第二位 (5端) U 苯丙氨酸Phe)丝氨酸(Ser)酪氨酸(Tyn)半胱氨酸Cys)U 苯丙氨酸(Phe)丝氨酸(Ser)酪氨酸(Tyr)半胱氨酸(Cys) 亮氨酸(Leu)丝氨酸(Ser)终止密码子终止密码子 亮氨酸Lcu)丝氨酸Se)终止密码子色氨酸(Tp) G 亮氨酸(Leu)脯氨酸(Po)组氨酸(H)精氨酸(Arg) C/是氨酸(Leu)|脯氨酸Po)组氨酸(Hs)精氨酸Ag) 亮氨酸Leu)脯氨酸Po)谷氨酰胺(Gin)精氨酸(Arg) 亮氨酸(Leu)脯氨酸(Po)谷氨酰胺(Gi)精氨酸Arg)G 异亮氨酸(le)苏氨酸(Thm)天冬酰胺(Asn)丝氨酸(Ser) U 异亮氨酸e)苏氨酸(Thr)天冬酰胺(Asn)丝氨酸(Ser) C 异亮氨酸(l)苏氨酸(hr)赖氨酸(Lys)精氨酸(Arg)A 甲硫氨酸*Met)苏氨酸(Th)赖氨酸⊥ys)精氨酸(Arg) 缬氨酸(va)丙氨酸(Ala)天冬氨酸Asp)甘氨酸(Gy) 缬氨酸(a)丙氨酸Aa)天冬氨酸(Asp)甘氨酸(Gy) C 缬氨酸(va)丙氨酸(Ala)谷氨酸(Gu)甘氨酸(Gy)A 缬氨酸(Va)丙氨酸(Ala)谷氨酸(Gu)甘氨酸(Gl AUG也作为起始密码子;**密码子的阅读方向为5→3,如UA= UpUpAoH=亮氨酸 表12-1所列出的遗传密码有下列特点 (1)密码的近于完全通用性。各种高等和低等生物(包括病毒、细菌及真核生物等)均通用同一套密 码。目前仅发现线粒体及原生动物纤毛虫DNA的编码情形有别。如人线粒体中UGA编码色氨酸而不是 终止密码;AUA编码甲硫氨酸,不是异亮氨酸;AGA和AGG是终止密码,不是精氨酸,其余密码则相 因此,遗传密码并非绝对通用,而是近于完全通用的。 (2)密码有简并性。由于密码子有61个,而氨基酸只有20种,所以是“简并密码”,就是说,1个氨 基酸有多个密码子,可以减少有害的突变。密码的简并性多只涉及第三位碱基 (3)密码连续无间隔性。各个密码子互相连接,一个接着一个而不互相重叠,各密码子之间也没有 隔,即没有中断。因此,在相同的碱基顺序上,从不同的碱基开始,可以解读出不同的密码。 (4)密码的特殊功能性。密码子UAG、UAA、UGA不编码任何氨基酸,而是多肽合成终止密码。密 码子AUG既是甲硫氨酸的密码子,又是多肽合成起始密码子。 2、tRNA在蛋白质合成中,tRNA起着运输氨基酸的作用,称转运RNA,即将氨基酸按mRNA链 上的密码所决定的氨基酸顺序转移入蛋白质合成的场所——核糖体。每一种氨基酸都有其特定的tRNA。 在细菌细胞内约有60种不同的tRNA,而在真核细胞内则多达100~120种。这样,每一种氨基酸便可以
246 为以 20 种不同氨基酸构成的蛋白质。蛋白质合成是一个十分复杂的过程。其中包括有上百种大分子的共 同协作，才能完成由简单的 L-氨基酸合成为构造复杂的蛋白质分子的过程。蛋白质的合成过程，也就是 将一种氨基酸的氨基连接于另一种氨基酸(或多肽链)的羧基端以形成肽链的过程。 一、蛋白质合成体系的组成 为了便于阐述，先扼要介绍蛋白质合成体系的一些重要组分的性质与作用原理。 1、mRNA 蛋白质合成体系中一个重要组分是信使 RNA(mRNA)，它携带着 DNA 的遗传信息。在 原核细胞内，mRNA 极不稳定，它的半衰期只有几秒至约 2 分钟。但在真核细胞内则比较稳定，在哺乳 动物内的 mRNA 半衰期可达几小时至 24 小时多。由于细菌对不断变化的环境具有较高的适应性，它们 能在很短的时间内转录出新的 mRNA，合成新的酶，以适应变化着的环境。 在真核细胞内，先在核质内在 DNA 指导的 RNA 聚合酶的催化下合成 mRNA 的前体，即核不均一 RNA(hnRNA)。以后，hnRNA 在细胞核的核酸酶作用下降解成 mRNA，然后转移至细胞质。 在mRNA链中含有 4 种不同的碱基，其链上的相邻三个碱基作为一组，称为密码子或三联体密码， 起着编码一种氨基酸的作用。在由 4 种不同碱基组成的总共 43 =64 个碱基三联体密码子中，有 61 个是作 为氨基酸的密码子。其余的三个密码子是作为终止密码子。这些遗传密码如表 12-1 所示。 表 12-1 遗传密码** 第一位 第二位 第三位 (5´端) U C A G (3´端) 苯丙氨酸(Phe) 丝氨酸(Ser) 酪氨酸(Tyr) 半胱氨酸(Cys) U 苯丙氨酸(Phe) 丝氨酸(Ser) 酪氨酸(Tyr) 半胱氨酸(Cys) C 亮氨酸(Leu) 丝氨酸(Ser) 终止密码子 终止密码子 A U 亮氨酸(Leu) 丝氨酸(Ser) 终止密码子 色氨酸(Trp) G 亮氨酸(Leu) 脯氨酸(Pro) 组氨酸(His) 精氨酸(Arg) U 亮氨酸(Leu) 脯氨酸(Pro) 组氨酸(His) 精氨酸(Arg) C 亮氨酸(Leu) 脯氨酸(Pro) 谷氨酰胺(Gln) 精氨酸(Arg) A C 亮氨酸(Leu) 脯氨酸(Pro) 谷氨酰胺(Gln) 精氨酸(Arg) G 异亮氨酸(Ile) 苏氨酸(Thr) 天冬酰胺(Asn) 丝氨酸(Ser) U 异亮氨酸(Ile) 苏氨酸(Thr) 天冬酰胺(Asn) 丝氨酸(Ser) C 异亮氨酸(Ile) 苏氨酸(Thr) 赖氨酸(Lys) 精氨酸(Arg) A A 甲硫氨酸*(Met) 苏氨酸(Thr) 赖氨酸(Lys) 精氨酸(Arg) G 缬氨酸(Val) 丙氨酸(Ala) 天冬氨酸(Asp) 甘氨酸(Gly) U 缬氨酸(Val) 丙氨酸(Ala) 天冬氨酸(Asp) 甘氨酸(Gly) C 缬氨酸(Val) 丙氨酸(Ala) 谷氨酸(Glu) 甘氨酸(Gly) A G 缬氨酸(Val) 丙氨酸(Ala) 谷氨酸(Glu) 甘氨酸(Gly) G * AUG也作为起始密码子；* * 密码子的阅读方向为 5´→3´，如UUA= pUpUpAOH =亮氨酸。 表 12-1 所列出的遗传密码有下列特点： (1)密码的近于完全通用性。各种高等和低等生物(包括病毒、细菌及真核生物等)均通用同一套密 码。目前仅发现线粒体及原生动物纤毛虫 DNA 的编码情形有别。如人线粒体中 UGA 编码色氨酸而不是 终止密码；AUA 编码甲硫氨酸，不是异亮氨酸；AGA 和 AGG 是终止密码，不是精氨酸，其余密码则相 同。因此，遗传密码并非绝对通用，而是近于完全通用的。 (2) 密码有简并性。由于密码子有 61 个，而氨基酸只有 20 种，所以是“简并密码”，就是说，1 个氨 基酸有多个密码子，可以减少有害的突变。密码的简并性多只涉及第三位碱基。 (3) 密码连续无间隔性。各个密码子互相连接，一个接着一个而不互相重叠，各密码子之间也没有 间隔，即没有中断。因此，在相同的碱基顺序上，从不同的碱基开始，可以解读出不同的密码。 (4) 密码的特殊功能性。密码子 UAG、UAA、UGA 不编码任何氨基酸，而是多肽合成终止密码。密 码子 AUG 既是甲硫氨酸的密码子，又是多肽合成起始密码子。 2、tRNA 在蛋白质合成中，tRNA 起着运输氨基酸的作用,称转运 RNA，即将氨基酸按 mRNA 链 上的密码所决定的氨基酸顺序转移入蛋白质合成的场所——核糖体。每一种氨基酸都有其特定的 tRNA。 在细菌细胞内约有 60 种不同的 tRNA，而在真核细胞内则多达 100～120 种。这样，每一种氨基酸便可以
有一个或数个特定的tRNA,tRNA链上的反密码子按碱基配对原则识别mRNA链上的密码子。这样便可 以保证不同的氨基酸按照mRNA密码子所决定的次序进入多肽链中。tRNA也起着使正在合成的肽链与 核糖体联结的作用。 3、rRNA及核糖体核糖体是合成蛋白质的场所含有核糖体RNA(简称rRNA)。它由大小两个亚基 组成。这里的亚基和我们以前所说的酶的亚基的概念是不同的;酶的亚基通常由一条多肽链组成,但核 糖体的亚基则除含RNA外,还含有二、三十个或更多的蛋白质。核糖体蛋白质中有许多是碱性很强的蛋 白质。 核糖体中含三种rRNA,在大亚基中的为23S(或28S,S为沉降系数)和5 S TRNA,在小亚基中为 l6S(或l8SRNA。此外,在动物和植物核糖体还发现有58SτRNA,链长约130~160个核苷酸。核糖 体中的rRNA有很多双螺旋区。16 SrrNA在识别mRNA上的多肽合成起始位点中起重要作用 核糖体的大小亚基具有不同的特性和功能。大肠杆菌的核糖体小亚基不需要大亚基存在也与mRNA 结合,结合的部位可在mRNA链的各部分而无专一性,因此在合成过程中可以沿mRNA链移动。核糖 体的大亚基在无小亚基存在时则不参与mRNA结合,但能与tRNA特异性结合。核糖体的活性中心含有 两个相邻的部位:A位(氨酰基部位)为氨酰RNA进入的部位:P位(肽基部位)为与正在延长的多肽基 tRNA结合的部位。这两个部位有一部分在小亚基内,一部分在大亚基内;tRNA的携带氨基酸部分与大 亚基相结合,其反密码子区段则与小亚基结合,并与mRNA接触。催化形成肽键的肽基转移酶分布在小 亚基中,可能在P位附近。在大亚基中还具有一个水解GTP的部位。核糖体上还有与起始因子、延伸因 子、释放因子及与各种酶相结合的位点, 4、辅助因子在蛋白质合成体系中,除了上述的蛋白质因子外,蛋白质的生物合成还需要ATP、 GTP、Mg2等参与 蛋白质的合成过程 蛋白质的合成过程可以分为四个步骤:①氨基酸的活化:②肽链合成的起始:③肽链延长;④终 1、氨基酸的活化一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间不能直接形成肽链。氨基酸必须先 行活化,即将氨基酸的羧基以酯键连接于tRNA的3'端羟基上,形成氨酰-tRNA。这一反应在可溶性细 胞质内进行 催化氨基酸活化的酶称为氨酰-tRNA合成酶,亦称氨基酸活化酶。在它的催化作用下,先将氨基酸和 ATP与酶三者结合,生成氨酰-AMP酶复合物,这个反应要求Mg ATP+氨基酸+酶 氨酰-AMP-酶复合物+PPi 然后,氨酰基便从这个中间复合物转移到tRNA 氨酰-AMP-酶复合物+tRNA=二氨酰RNA+AMP+酶 上面两个反应均由氨酰-RNA合成酶催化。这合成酶具有高度特异性,它们既能识别特异的氨基 酸,又能识别携带该氨基酸的特异tRNA。所以每一种氨基酸便至少有一个氨酰RNA合成酶。这些酶分 子的大小、亚基多少、氨基酸成分均不相同。 2、起始蛋白质合成的起始是相当复杂的。首先必须辩认出mRNA上的起始点。mRNA链上的起 始密码子是AUG。这个密码子同时也是多肽链内部的甲硫氨酸的密码子。在原核细胞内,在蛋白质合成 时,多肽链的起始氨基酸均是甲酰甲硫氨酸,但在真核细胞内的起始氨基酸则是甲硫氨酸。 CH3-S-CH2-CH2-CH--COOH CH3S-CH2-CH2-CH--COOH NH2 HN一CHO 甲硫氨酸(Met) N-甲酰甲硫氨酸(fMet) 由起始氨酰- tRNAf、mRNA、核糖体及起始因子等经多个步骤组装成一个“起始复合物”,然后即可 进行蛋白质的合成。“起始复合物”的形成还需ATP和Mg2的参与 3、肽链延长一旦 fMet-tRNAf(N-甲酰甲硫氨酰-tRNA,为原核细胞的起始氨酰-tRNA)进入核糖体 的P位,肽链便可以开始延长,新的携带着特异氨基酸的tRNA便按照mRNA上密码子所决定的顺序 “对号入座”,顺次进入,形成多肽链。与此同时,核糖体也不断沿mRNA的5端向3端移动,每移动 个密码子距离,便形成一个新的肽键,使多肽链延长一个氨基酸单位。肽链移位作用需要新生肽上一段 称终止转移肽或膜固定肽的多肽系列参入。 4、终止当核糖体移动至终止密码子UAA、UGA时,肽链延长便终止。这是因为在细胞内没有可 以和这些终止密码子配对的tRNA。这些终止密码子是由一些称为终止因子或释放因子识别的。在细菌内 247
有一个或数个特定的 tRNA，tRNA 链上的反密码子按碱基配对原则识别 mRNA 链上的密码子。这样便可 以保证不同的氨基酸按照 mRNA 密码子所决定的次序进入多肽链中。tRNA 也起着使正在合成的肽链与 核糖体联结的作用。 3、rRNA 及核糖体 核糖体是合成蛋白质的场所,含有核糖体 RNA(简称 rRNA)。它由大小两个亚基 组成。这里的亚基和我们以前所说的酶的亚基的概念是不同的；酶的亚基通常由一条多肽链组成，但核 糖体的亚基则除含 RNA 外，还含有二、三十个或更多的蛋白质。核糖体蛋白质中有许多是碱性很强的蛋 白质。 核糖体中含三种 rRNA，在大亚基中的为 23S(或 28S,S 为沉降系数)和 5S rRNA，在小亚基中为 16S(或 18S)rRNA。此外，在动物和植物核糖体还发现有 5.8S rRNA，链长约 130～160 个核苷酸。核糖 体中的 rRNA 有很多双螺旋区。16S rRNA 在识别 mRNA 上的多肽合成起始位点中起重要作用。 核糖体的大小亚基具有不同的特性和功能。大肠杆菌的核糖体小亚基不需要大亚基存在也与 mRNA 结合，结合的部位可在 mRNA 链的各部分而无专一性，因此在合成过程中可以沿 mRNA 链移动。核糖 体的大亚基在无小亚基存在时则不参与 mRNA 结合，但能与 tRNA 特异性结合。核糖体的活性中心含有 两个相邻的部位：A 位(氨酰基部位)为氨酰-tRNA 进入的部位；P 位(肽基部位)为与正在延长的多肽基- tRNA 结合的部位。这两个部位有一部分在小亚基内，一部分在大亚基内；tRNA 的携带氨基酸部分与大 亚基相结合，其反密码子区段则与小亚基结合，并与 mRNA 接触。催化形成肽键的肽基转移酶分布在小 亚基中，可能在 P 位附近。在大亚基中还具有一个水解 GTP 的部位。核糖体上还有与起始因子、延伸因 子、释放因子及与各种酶相结合的位点。 4、辅助因子 在蛋白质合成体系中，除了上述的蛋白质因子外，蛋白质的生物合成还需要ATP、 GTP、Mg2+等参与。 二、蛋白质的合成过程 蛋白质的合成过程可以分为四个步骤：①氨基酸的活化；②肽链合成的起始；③肽链延长；④终 止。 1、氨基酸的活化 一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间不能直接形成肽链。氨基酸必须先 行活化，即将氨基酸的羧基以酯键连接于 tRNA 的 3´端羟基上，形成氨酰-tRNA。这一反应在可溶性细 胞质内进行。 催化氨基酸活化的酶称为氨酰-tRNA合成酶，亦称氨基酸活化酶。在它的催化作用下，先将氨基酸和 ATP与酶三者结合，生成氨酰-AMP-酶复合物，这个反应要求Mg2+： ATP Mg2+ + 氨基酸+ 酶 氨酰-AMP-酶复合物 + PPi 然后，氨酰基便从这个中间复合物转移到 tRNA 氨酰-AMP-酶复合物 + tRNA 氨酰-tRNA +AMP +酶 上面两个反应均由氨酰-tRNA 合成酶催化。这合成酶具有高度特异性，它们既能识别特异的氨基 酸，又能识别携带该氨基酸的特异 tRNA。所以每一种氨基酸便至少有一个氨酰-tRNA 合成酶。这些酶分 子的大小、亚基多少、氨基酸成分均不相同。 2、起始 蛋白质合成的起始是相当复杂的。首先必须辩认出 mRNA 上的起始点。mRNA 链上的起 始密码子是 AUG。这个密码子同时也是多肽链内部的甲硫氨酸的密码子。在原核细胞内，在蛋白质合成 时，多肽链的起始氨基酸均是甲酰甲硫氨酸，但在真核细胞内的起始氨基酸则是甲硫氨酸。 CH3 S CH2 CH2 CH COOH NH2 HN CHO 1-甲硫氨酸(Met) N-甲酰甲硫氨酸(fMet) CH3 S CH2 CH2 CH COOH 由起始氨酰-tRNAf 、mRNA 、核糖体及起始因子等经多个步骤组装成一个“起始复合物”，然后即可 进行蛋白质的合成。“起始复合物”的形成还需ATP和Mg2+的参与。 3、肽链延长 一旦 fMet-tRNAf (N-甲酰甲硫氨酰-tRNA，为原核细胞的起始氨酰-tRNA)进入核糖体 的 P 位，肽链便可以开始延长，新的携带着特异氨基酸的 tRNA 便按照 mRNA 上密码子所决定的顺序 “对号入座”，顺次进入，形成多肽链。与此同时，核糖体也不断沿 mRNA 的 5´端向 3´端移动，每移动一 个密码子距离，便形成一个新的肽键，使多肽链延长一个氨基酸单位。肽链移位作用需要新生肽上一段 称终止转移肽或膜固定肽的多肽系列参入。 4、终止 当核糖体移动至终止密码子 UAA、UGA 时，肽链延长便终止。这是因为在细胞内没有可 以和这些终止密码子配对的 tRNA。这些终止密码子是由一些称为终止因子或释放因子识别的。在细菌内 247
已知道有三种终止因子,分别用RF-1、RF2、RF-3表示;在真核细胞内的终止因子称为RF。这些终止 因子均是蛋白质。RF-1的作用是识别密码子UAA、UAG。RF-2帮助识别UAA、UGA。RF-3不识别任 何终止密码子,但能协助肽链释放。 肽链合成的终止包括下列步骤: (1)终止因子进入A位,识别终止密码子 (2)终止因子使肽基转移酶的催化作用转变为水解作用,使肽链从tRNA上分离出来。生成一条多肽 链,即新合成的蛋白质分子。 以后,RNA也离开核糖体;核糖体的两个亚基分离开,分离开的小亚基(30S)与起始因子IF3结 这可以防止它和大亚基(50S)重新组合,同时也准备开始下一个合成过程 综上所述,在蛋白质合成过程中,每形成一个肽键要消耗3个ATP。其中一个是用于氨基酸的活 化;在肽链延长时,每形成一个肽键要分解2个GTP。此外,在合成起始时,还要多消耗1个GTP。所 以,蛋白质合成消耗能量是很大的 5、多核糖体在一条mRNA链上,可以有多个核糖体同时进行翻译。当在mRNA5‘端的核糖体向 前移动使肽链延长时,暴露出的起始密码子又可以和另一核糖体结合,开始另一条多肽链的合成。这 样,在一条mRNA上便可以与多个核糖体结合,构成多核糖体( polysome)。在多核糖体上的每一个核糖 体均附着一条正在延长的多肽链:越靠近mRNA的3端核糖体上的多肽链越长。这可以提高mRNA的 翻译效率。 三、蛋白质合成后的定向输送与修饰 、信号肽及其识别体在新生肽的N-端(有时位于肽链中部,如卵清蛋白),常有一小段与蛋白质定 向输送有关并在输送途中被切除的肽段,称为信号肽。其长度为13~26个氨基酸残基,氨基端至少含有 个带正电荷的氨基酸,在中部有一段为10~15个高度疏水性的氨基酸残基组成的非极性区;在C-端 有一个可被信号肽酶识别的位点 识别信号肽的是一种核蛋白质体,称为信号识别体( signal recognition particle,SRP)。由一分子7SL RNA(长300个核苷酸)和6个不同的多肽分子组成。7 SL RNA上有两段称为Au序列的核苷酸序列。 SRP有两个功能域( domain),一个识别信号肽,一个干扰进入的氨酰RNA和肽酰移位酶的反应,以终止 多肽链的延伸作用。新生肽链上的信号肽段一经合成,则与SRP结合并形成SRP核糖体复合体,肽链的 延伸作用暂时终止,或延伸速度减低,此复合体移动到内质网上并与那里的SRP受体停泊蛋白结合后, 蛋白质合成的延伸作用又重新开始。然后,带有新生肽链的核糖体被送入多肽移位装置,同时,SRP又 被释放到胞浆中,新生肽继续延长。 在蛋白质合成过程中,一部分核糖体以游离状态停留在胞浆中,它们只合成线粒体及叶绿体的膜蛋 。另一部分核糖体受新生肽上信号肽控制而进入内质网,使表面平滑的内质网变成有局部凸起的粗糙 内质网。与内质网相结合的核糖体合成三类主要的蛋白质:溶酶体蛋白、胞外蛋白和膜蛋白 新生肽在信号肽的导引下定向送往细胞的各个部分,以行使各自的生物功能,在这种定向输送过程 中,信号肽被信号肽酶水解。 2、蛋白质合成后的修饰多肽经移位后,在内质网的小腔中被修饰。这些修饰作用包括N-端信号 肽的切除,二硫键形成,使线形多肽呈现一定空间结构及糖基化作用等。然后,高尔基体对糖蛋白上的 寡聚糖链作进一步的修饰与调整,并将各种多肽进行分类,送往溶酶体、分泌粒和质膜等部位。蛋白质 本身的空间结构决定蛋白质的运送目的地。 第三节蛋白质的生物降解 蛋白酶类 生物体内的蛋白质经常处在合成和分解的动态变化中。分解蛋白质的酶有多种,其专一性不明显 般可分为肽酶和蛋白酶两类。肽酶作用于肽链的羧基末端(羧肽酶)或氨基末端(氨肽酶),每次分解出 个氨基酸或二肽;蛋白酶则作用于肽链的内部,生成长度较短的含氨基酸分子数较少的多肽链。在生物 体内,蛋白质在蛋白酶作用下分解为许多小的片段,暴露出许多末端,然后在肽酶作用下进一步分解为 氨基酸 1、肽酶肽酶又称肽链端解酶,它们只作用于多肽链的末端,将氨基酸一个一个地或两个两个地从 多肽链上分解出来。肽酶又可分六类,列于表12-2
248 已知道有三种终止因子，分别用 RF-1、RF-2、RF-3 表示；在真核细胞内的终止因子称为 RF。这些终止 因子均是蛋白质。RF-1 的作用是识别密码子 UAA、UAG。RF-2 帮助识别 UAA、UGA。RF-3 不识别任 何终止密码子，但能协助肽链释放。 肽链合成的终止包括下列步骤： (1)终止因子进入 A 位，识别终止密码子。 (2)终止因子使肽基转移酶的催化作用转变为水解作用，使肽链从 tRNA 上分离出来。生成一条多肽 链，即新合成的蛋白质分子。 以后，tRNA 也离开核糖体；核糖体的两个亚基分离开，分离开的小亚基(30S)与起始因子 IF3 结 合，这可以防止它和大亚基(50S)重新组合，同时也准备开始下一个合成过程。 综上所述，在蛋白质合成过程中，每形成一个肽键要消耗 3 个 ATP。其中一个是用于氨基酸的活 化；在肽链延长时，每形成一个肽键要分解 2 个 GTP。此外，在合成起始时，还要多消耗 1 个 GTP。所 以，蛋白质合成消耗能量是很大的。 5、多核糖体 在一条 mRNA 链上，可以有多个核糖体同时进行翻译。当在 mRNA 5´端的核糖体向 前移动使肽链延长时，暴露出的起始密码子又可以和另一核糖体结合，开始另一条多肽链的合成。这 样，在一条 mRNA 上便可以与多个核糖体结合，构成多核糖体(polysome)。在多核糖体上的每一个核糖 体均附着一条正在延长的多肽链；越靠近 mRNA 的 3´端核糖体上的多肽链越长。这可以提高 mRNA 的 翻译效率。 三、蛋白质合成后的定向输送与修饰 1、信号肽及其识别体 在新生肽的 N-端(有时位于肽链中部，如卵清蛋白)，常有一小段与蛋白质定 向输送有关并在输送途中被切除的肽段，称为信号肽。其长度为 13～26 个氨基酸残基，氨基端至少含有 一个带正电荷的氨基酸，在中部有一段为 10～15 个高度疏水性的氨基酸残基组成的非极性区；在 C-端 有一个可被信号肽酶识别的位点。 识别信号肽的是一种核蛋白质体，称为信号识别体(signal recognition particle,SRP)。由一分子 7SL RNA(长 300 个核苷酸)和 6 个不同的多肽分子组成。7SL RNA 上有两段称为 Alu 序列的核苷酸序列。 SRP 有两个功能域(domain)，一个识别信号肽，一个干扰进入的氨酰-tRNA 和肽酰移位酶的反应，以终止 多肽链的延伸作用。新生肽链上的信号肽段一经合成，则与 SRP 结合并形成 SRP-核糖体复合体，肽链的 延伸作用暂时终止，或延伸速度减低，此复合体移动到内质网上并与那里的 SRP 受体停泊蛋白结合后， 蛋白质合成的延伸作用又重新开始。然后，带有新生肽链的核糖体被送入多肽移位装置，同时，SRP 又 被释放到胞浆中，新生肽继续延长。 在蛋白质合成过程中，一部分核糖体以游离状态停留在胞浆中，它们只合成线粒体及叶绿体的膜蛋 白。另一部分核糖体受新生肽上信号肽控制而进入内质网，使表面平滑的内质网变成有局部凸起的粗糙 内质网。与内质网相结合的核糖体合成三类主要的蛋白质：溶酶体蛋白、胞外蛋白和膜蛋白。 新生肽在信号肽的导引下定向送往细胞的各个部分，以行使各自的生物功能，在这种定向输送过程 中，信号肽被信号肽酶水解。 2、蛋白质合成后的修饰 多肽经移位后，在内质网的小腔中被修饰。这些修饰作用包括 N-端信号 肽的切除，二硫键形成，使线形多肽呈现一定空间结构及糖基化作用等。然后，高尔基体对糖蛋白上的 寡聚糖链作进一步的修饰与调整，并将各种多肽进行分类，送往溶酶体、分泌粒和质膜等部位。蛋白质 本身的空间结构决定蛋白质的运送目的地。 第三节 蛋白质的生物降解 一、蛋白酶类 生物体内的蛋白质经常处在合成和分解的动态变化中。分解蛋白质的酶有多种，其专一性不明显， 一般可分为肽酶和蛋白酶两类。肽酶作用于肽链的羧基末端(羧肽酶)或氨基末端(氨肽酶)，每次分解出一 个氨基酸或二肽；蛋白酶则作用于肽链的内部，生成长度较短的含氨基酸分子数较少的多肽链。在生物 体内，蛋白质在蛋白酶作用下分解为许多小的片段，暴露出许多末端，然后在肽酶作用下进一步分解为 氨基酸。 1、肽酶 肽酶又称肽链端解酶，它们只作用于多肽链的末端，将氨基酸一个一个地或两个两个地从 多肽链上分解出来。肽酶又可分六类，列于表 12-2
2、蛋白酶又称肽链内切酶,作用于肽链内部。蛋白酶按其催化机理又可分为四类(表12-3)。 表122肽醇的种类 名称 作用特征 3、4、11a-氨酰肽水解酶作用于多肽链的氨基末端氨酰肽+H2O→氨基酸+肽 (N-末端),生成氨基酸 13二肽水解酶类水解二肽 肽+H2O→2氨基酸 3、4、14二肽基肽水解酶作用于多肽链的氨基端 肽基多肽+H2O→二肽+多肽 生成二肽 3、4、15肽基二肽水解酶作用于多肽链的羧基末端|多肽基二肽十HO→多肽 (C-末端),生成二肽 肽 3、4、16丝氨酸羧肽酶类作用于多肽链的羧基末端肽基-L-氨基酸+HQ→肽+L 生成氨基酸,在催化部位氨基酸 含有对有机氟、有机磷敏 感的丝氨酸残基 3、4、17金属羧肽酶类作用于多肽链的羧基末端肽基L-氨基酸+H2O→肽+L 生成氨基酸,其活性要求氨基酸 价阳离子 表12-3蛋白藤的种类 名称 作用特征 例子 3、4、21丝氨酸蛋白酶类在活性中心含丝氨酸 胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、凝血 3、4、22硫醇蛋白酶类 在活性中心含半胱氨酸木瓜蛋白酶、无花果蛋白酶、菠 萝蛋白酶 3、4、23羧基(酸性)蛋白酶最适pH值在5以下 胃蛋白酶、凝乳酶 3、4、24金属蛋白酶类 含有催化活性所必需的金枯草杆菌中性蛋白酶、动物胶原 酶 在表12-3列出的蛋白酶中,有几种是某些植物含有的特殊蛋白酶。例如木瓜果实及叶片乳汁中含有 木瓜蛋白酶。它的相对分子质量是23000,由212个氨基酸组成。木瓜蛋白酶的活性要求有一个游离的 SH基,故能还原二硫化合物的还原剂如HCN、H2S、半胱氨酸、还原型谷胱甘肽等均可使之活化,而 能氧化一SH基的氧化剂则使之钝化。重金属离子能与一SH结合、故有抑制作用。木瓜蛋白酶在医药及工 业上均有用途,在医药上用以治疗消化不良,在工业上则用于啤酒的澄清。在木瓜乳汁中还含有木瓜凝 乳蛋白酶,其性质与木瓜蛋白酶相似。 在菠萝叶和果实中含有菠萝蛋白酶,和木瓜蛋白酶一样,菠萝蛋白酶也可以被半胱氨酸、HCN、 H2S活化而被H2O2、KMnO4、铁氰化物抑制。重金属离子如Ag、Hg2亦有抑制作用。菠萝蛋白酶制剂 亦用于啤酒的澄清,在制面包时加入菠萝蛋白酶可改善面筋的弹性而增加面包的体积 在无花果的乳汁中含有无花果蛋白酶,其性质也和木瓜蛋白酶相似,可被半胱氨酸、HCN等活化而 被I2、H2O2抑制。 蛋白质的消化吸收 消化 蛋白质的消化开始于胃,胃中的主要蛋白质水解酶是胃蛋白酶(相对分子质量33000),是由胃粘膜 的主细胞以胃蛋白酶原(相对分子质量40000)的形式分泌的。胃蛋白酶原由胃蛋白酶自身激活转变为活 性胃蛋白酶。它的激活是在酸性pH条件下,从它的多肽链的N末端以六个肽段形式水解下42个氨基酸 残基。胃蛋白酶作用的特异性是比较广的,但是优先作用于含有芳香族氨基和蛋氨酸、亮氨酸残基组成 的肽键。水解后的产物除少数氨基酸外主要是肽类 由胰脏分泌的胰液,含有糜蛋白酶原和胰蛋白酶原,羧肽酶原A和B以及弹性蛋白酶原等。糜蛋白酶 原(相对分子质量24000借助于游离胰蛋白酶和糜蛋白酶的作用,将其酶原中含有的四个二硫键水解断 开二个,并脱去分子中的两个二肽转变为糜蛋白酶。糜蛋白酶水解由芳香氨基酸羧基组成的肽键。胰蛋
249 2、蛋白酶 又称肽链内切酶，作用于肽链内部。蛋白酶按其催化机理又可分为四类(表 12-3)。 表 12-2 肽酶的种类 编 号 名 称 作 用 特 征 反 应 3、4、11 α-氨酰肽水解酶 类 作用于多肽链的氨基末端 (N-末端)，生成氨基酸 氨酰肽＋H2O→氨基酸＋肽 3、4、13 二肽水解酶类 水解二肽 二肽＋H2O→2 氨基酸 3、4、14 二肽基肽水解酶 类 作用于多肽链的氨基端， 生成二肽 二肽基多肽＋H2O→二肽+多肽 3、4、15 肽基二肽水解酶 类 作用于多肽链的羧基末端 (C-末端)，生成二肽 多肽基二肽＋H2O→多肽＋二 肽 3、4、16 丝氨酸羧肽酶类 作用于多肽链的羧基末端 生成氨基酸，在催化部位 含有对有机氟、有机磷敏 感的丝氨酸残基 肽基-L-氨基酸＋H2O→肽＋L- 氨基酸 3、4、17 金属羧肽酶类 作用于多肽链的羧基末端 生成氨基酸，其活性要求 二价阳离子 肽基-L-氨基酸＋H2O→肽＋L- 氨基酸 表 12-3 蛋白酶的种类 编 号 名 称 作 用 特 征 例 子 3、4、21 丝氨酸蛋白酶类 在活性中心含丝氨酸 胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、凝血 酶 3、4、22 硫醇蛋白酶类 在活性中心含半胱氨酸 木瓜蛋白酶、无花果蛋白酶、菠 萝蛋白酶 3、4、23 羧基(酸性)蛋白酶 类 最适 pH 值在 5 以下 胃蛋白酶、凝乳酶 3、4、24 金属蛋白酶类 含有催化活性所必需的金 属 枯草杆菌中性蛋白酶、动物胶原 酶 在表 12-3 列出的蛋白酶中，有几种是某些植物含有的特殊蛋白酶。例如木瓜果实及叶片乳汁中含有 木瓜蛋白酶。它的相对分子质量是 23000，由 212 个氨基酸组成。木瓜蛋白酶的活性要求有一个游离的 －SH基，故能还原二硫化合物的还原剂如HCN、H2S、半胱氨酸、还原型谷胱甘肽等均可使之活化，而 能氧化－SH基的氧化剂则使之钝化。重金属离子能与－SH结合、故有抑制作用。木瓜蛋白酶在医药及工 业上均有用途，在医药上用以治疗消化不良，在工业上则用于啤酒的澄清。在木瓜乳汁中还含有木瓜凝 乳蛋白酶，其性质与木瓜蛋白酶相似。 在菠萝叶和果实中含有菠萝蛋白酶，和木瓜蛋白酶一样，菠萝蛋白酶也可以被半胱氨酸、HCN、 H2S活化而被H2O2、KMnO4、铁氰化物抑制。重金属离子如 Ag+ 、Hg2+亦有抑制作用。菠萝蛋白酶制剂 亦用于啤酒的澄清，在制面包时加入菠萝蛋白酶可改善面筋的弹性而增加面包的体积。 在无花果的乳汁中含有无花果蛋白酶，其性质也和木瓜蛋白酶相似，可被半胱氨酸、HCN等活化而 被I2、H2O2抑制。 二、蛋白质的消化吸收 (一)消化 蛋白质的消化开始于胃，胃中的主要蛋白质水解酶是胃蛋白酶(相对分子质量 33 000)，是由胃粘膜 的主细胞以胃蛋白酶原(相对分子质量 40 000)的形式分泌的。胃蛋白酶原由胃蛋白酶自身激活转变为活 性胃蛋白酶。它的激活是在酸性 pH 条件下，从它的多肽链的 N-末端以六个肽段形式水解下 42 个氨基酸 残基。胃蛋白酶作用的特异性是比较广的，但是优先作用于含有芳香族氨基和蛋氨酸、亮氨酸残基组成 的肽键。水解后的产物除少数氨基酸外主要是肽类。 由胰脏分泌的胰液，含有糜蛋白酶原和胰蛋白酶原，羧肽酶原A和B以及弹性蛋白酶原等。糜蛋白酶 原(相对分子质量 24 000)借助于游离胰蛋白酶和糜蛋白酶的作用，将其酶原中含有的四个二硫键水解断 开二个，并脱去分子中的两个二肽转变为糜蛋白酶。糜蛋白酶水解由芳香氨基酸羧基组成的肽键。胰蛋