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蛋白質生物合成

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蛋白質合成的過程:在細胞核內,基因被轉錄成RNA。RNA接著被後轉錄修飾及控制,形成成熟的信使RNA(mRNA),並運往細胞核外的細胞質進行轉譯。mRNA由核糖體翻譯成與mRNA的基本密碼子,通过与轉運RNA上的反密碼子形成配对进行翻譯。新合成的蛋白質會被再行修飾,并可以與效應分子結合,最终成為具有生物学活性的蛋白質。

蛋白質生物合成是指在生物細胞內製造新的蛋白質;此合成是为了平衡蛋白酶解蛋白派送英语Protein targeting所造成的細胞蛋白損耗。蛋白质的生物合成也称为轉译,它是基因表达的最后一步[1]翻译,是在核糖體組裝蛋白質,是生物合成途徑的一個重要組成部分,隨著生成的信使RNA(mRNA),轉移RNA(tRNA的)氨酰化,合作翻譯轉運,並翻譯後修飾。蛋白質的生物合成在多個步驟有嚴格的调控[2],和已建立錯誤檢查機制。它们主要是转录(从DNA模板合成RNA的现象)和翻译(从RNA中氨基酸组装的现象)。

順反子DNA被轉錄成RNA的各種中間體。經過轉錄後修飾成熟mRNA作為合成多肽鏈的模板。蛋白質通常會直接從基因通過翻譯mRNA合成。

這個名詞曾經是指蛋白質的轉譯,但現時則是指一個多重的步驟,以轉錄開始及翻譯作結。

原核生物的蛋白質生物合成雖然與真核生物的很相似,但是它们有所不同。

除了通过核糖体翻译合的成蛋白质外,亦存在非核糖体合而由NRPS酶催化合成的非核糖体肽英语nonribosomal peptide(nonribosomal peptide,NRP),常为微生物合成的毒素。

氨基酸合成

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氨基酸聚合就可以得到蛋白質。氨基酸合成是一系列的生物化學過程(代謝途徑)將從葡萄糖等建立氨基酸。並非所有氨基酸都可以生物合成,例如成人的全部20種氨基酸中,就有8種(数目有争议)氨基酸是人体无法自身合成的,需要從食物中攝取,为必需氨基酸。氨基酸會被運送至轉運RNA(tRNA)用在翻譯的過程。

轉錄

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圖中顯示轉錄過程。英文待翻譯。

轉錄是由基因組產生含有蛋白質序列的信使RNA(mRNA)模板,以進行翻譯。只需要脫氧核糖核酸(DNA)雙螺旋的其中一条链就能進行轉錄,此链稱為模板链。轉錄可以分為3個階段:起始,延伸和終止,每個階段由大量蛋白質調節,例如轉錄因子共激活因子英语Coactivator (genetics),確保正確的基因被轉錄。

  1. 核糖核酸聚合酶(RNA聚合酶)先與DNA的用作轉錄起始的特別區域結合。這個結合區域稱為啟動子。當RNA聚合酶與啟動子結合後,該DNA链會開始捲開。
  2. 第二個轉錄步驟是轉錄延伸。RNA聚合酶與未編碼的模板链一起,合成核糖核苷酸聚合物。RNA聚合酶並不會使用已編碼的链為模板,這是因為任何一股的拷貝會生產一組補充的基礎序列,所以只有未編碼链才會作為模板來複製已編碼链。
  3. 當聚合酶到達最後階段,全新轉錄的信使RNA(mRNA)需要修飾以能夠到達細胞的其他部份,包括細胞質內質網。一個5'端帽會加入並保護mRNA,免於降解。聚A尾會被加入3'端保護,並成為接下步驟的模板。在真核生物中,最重要的基因拼接步驟會於此階段出現,移除內含子及合併外顯子

轉錄的第一個產物在原核細胞中與真核細胞不同,因為在原核細胞中第一個產物是信使RNA(mRNA),其不需要轉錄後修飾,而在真核細胞中,第一個產物被稱為初級轉錄物,需要後 轉錄修飾(用7-甲基鳥苷加帽,用聚A尾加尾)得到hnRNA(異源核RNA)。 然後hnRNA通過剪接體經歷內含子(基因的非編碼部分)的剪接以產生最終信使RNA(mRNA)。

轉譯

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圖中顯示轉譯過程。英文待翻譯。
图示mRNA的翻译和核糖体合成蛋白质。

在轉譯的過程中,先前從DNA被轉錄的mRNA會被特別的細胞結構解碼以製造蛋白質,這個特別的細胞結構稱為核糖體。蛋白質生物合成會被分為起始、延伸及完成階段。

核糖體可以提供場所,讓另一種特別的RNA,稱為轉運RNA(tRNA)與mRNA結合。tRNA內有一組「反密碼子」能將相對應的序列與mRNA在核糖體內互相形成氫鍵。因此,相對應的tRNA(化學上與特定的胺基酸結合)會被導向至核糖體,加入在發展中的多肽。以下展示了兩個胺基酸聯合的化學過程:

兩個胺基酸分子結合的化學過程,生成二肽及水分子

核糖體會一個接一個的在mRNA的密碼子運行,另一個tRNA會借核糖體附著mRNA。首個tRNA會被釋放,但附著該tRNA的胺基酸會被運送至第二個tRNA,並與它的胺基酸結合。這種轉移不斷進行,直至生成一條胺基酸的長鏈。

當整個單位到達mRNA最後的密碼子時,它會離開及新形成的蛋白質會被釋放,這就是完成的階段。在這個步驟中,有很多的會用來協助整個過程。

蛋白質翻譯之後的事件

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生物合成之後的事件包括翻譯後修飾蛋白質折疊。在合成的期间和之後,多肽鏈往往折疊卷曲成所謂的原生二級結構三級結構。這就是所謂的蛋白質折疊

很多蛋白質會進行翻譯後修飾。這包括雙硫鍵的形成或附在任何生化官能團,如醋酸鹽磷酸鹽、不同的脂類糖類。有些亦會將多肽鏈前端的一個或以上的胺基酸移除,或者促进多肽链形成链内或链间二硫鍵

参考文献

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  1. ^ 杨荣武. 第三十九章. 生物化学原理 2nd. Bei jing: Gao deng jiao yu chu ban she. 2012. ISBN 978-7-04-035696-0. OCLC 910676076. 
  2. ^ Kafri M, Metzl-Raz E, Jona G, Barkai N. 2016. The Cost of Protein Production. Cell Rep 14:22–31. https://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2015.12.015页面存档备份,存于互联网档案馆

参见

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外部連結

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