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蛋白质生物合成

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蛋白质合成的过程:在细胞核内,基因被转录成RNA。RNA接着被后转录修饰及控制,形成成熟的信使RNA(mRNA),并运往细胞核外的细胞质进行翻译。mRNA由核糖体翻译成与mRNA的基本密码子,通过与转运RNA上的反密码子形成配对进行翻译。新合成的蛋白质会被再行修饰,并可以与效应分子结合,最终成为具有生物学活性的蛋白质。

蛋白质生物合成是指在生物细胞内制造新的蛋白质;此合成是为了平衡蛋白酶解蛋白派送英语Protein targeting所造成的细胞蛋白损耗。蛋白质的生物合成也称为转译,它是基因表达的最后一步[1]翻译,是在核糖体组装蛋白质,是生物合成途径的一个重要组成部分,随着生成的信使RNA(mRNA),转移RNA(tRNA的)氨酰化,合作翻译转运,并翻译后修饰。蛋白质的生物合成在多个步骤有严格的调控[2],和已建立错误检查机制。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)。

顺反子DNA被转录成RNA的各种中间体。经过转录后修饰成熟mRNA作为合成多肽链的模板。蛋白质通常会直接从基因通过翻译mRNA合成。

这个名词曾经是指蛋白质的翻译,但现时则是指一个多重的步骤,以转录开始及翻译作结。

原核生物的蛋白质生物合成虽然与真核生物的很相似,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质。氨基酸合成是一系列的生物化学过程(代谢途径)将从葡萄糖等建立氨基酸。并非所有氨基酸都可以生物合成,例如成人的全部20种氨基酸中,就有8种(数目有争议)氨基酸是人体无法自身合成的,需要从食物中摄取,为必需氨基酸。氨基酸会被运送至转运RNA(tRNA)用在翻译的过程。

转录

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图中显示转录过程。英文待翻译。

转录是由基因组产生含有蛋白质序列的信使RNA(mRNA)模板,以进行翻译。只需要脱氧核糖核酸(DNA)双螺旋的其中一条链就能进行转录,此链称为模板链。转录可以分为3个阶段:起始,延伸和终止,每个阶段由大量蛋白质调节,例如转录因子共激活因子英语Coactivator (genetics),确保正确的基因被转录。

  1. 核糖核酸聚合酶(RNA聚合酶)先与DNA的用作转录起始的特别区域结合。这个结合区域称为启动子。当RNA聚合酶与启动子结合后,该DNA链会开始卷开。
  2. 第二个转录步骤是转录延伸。RNA聚合酶与未编码的模板链一起,合成核糖核苷酸聚合物。RNA聚合酶并不会使用已编码的链为模板,这是因为任何一股的拷贝会生产一组补充的基础序列,所以只有未编码链才会作为模板来复制已编码链。
  3. 当聚合酶到达最后阶段,全新转录的信使RNA(mRNA)需要修饰以能够到达细胞的其他部分,包括细胞质内质网。一个5'端帽会加入并保护mRNA,免于降解。聚A尾会被加入3'端保护,并成为接下步骤的模板。在真核生物中,最重要的基因拼接步骤会于此阶段出现,移除内含子及合并外显子

转录的第一个产物在原核细胞中与真核细胞不同,因为在原核细胞中第一个产物是信使RNA(mRNA),其不需要转录后修饰,而在真核细胞中,第一个产物被称为初级转录物,需要后 转录修饰(用7-甲基鸟苷加帽,用聚A尾加尾)得到hnRNA(异源核RNA)。 然后hnRNA通过剪接体经历内含子(基因的非编码部分)的剪接以产生最终信使RNA(mRNA)。

翻译

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图中显示翻译过程。英文待翻译。
图示mRNA的翻译和核糖体合成蛋白质。

在翻译的过程中,先前从DNA被转录的mRNA会被特别的细胞结构解码以制造蛋白质,这个特别的细胞结构称为核糖体。蛋白质生物合成会被分为起始、延伸及完成阶段。

核糖体可以提供场所,让另一种特别的RNA,称为转运RNA(tRNA)与mRNA结合。tRNA内有一组“反密码子”能将相对应的序列与mRNA在核糖体内互相形成氢键。因此,相对应的tRNA(化学上与特定的氨基酸结合)会被导向至核糖体,加入在发展中的多肽。以下展示了两个氨基酸联合的化学过程:

两个氨基酸分子结合的化学过程,生成二肽及水分子

核糖体会一个接一个的在mRNA的密码子运行,另一个tRNA会借核糖体附着mRNA。首个tRNA会被释放,但附着该tRNA的氨基酸会被运送至第二个tRNA,并与它的氨基酸结合。这种转移不断进行,直至生成一条氨基酸的长链。

当整个单位到达mRNA最后的密码子时,它会离开及新形成的蛋白质会被释放,这就是完成的阶段。在这个步骤中,有很多的会用来协助整个过程。

蛋白质翻译之后的事件

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生物合成之后的事件包括翻译后修饰蛋白质折叠。在合成的期间和之后,多肽链往往折叠卷曲成所谓的原生二级结构三级结构。这就是所谓的蛋白质折叠

很多蛋白质会进行翻译后修饰。这包括双硫键的形成或附在任何生化官能团,如醋酸盐磷酸盐、不同的脂类糖类。有些亦会将多肽链前端的一个或以上的氨基酸移除,或者促进多肽链形成链内或链间二硫键

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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外部链接

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