蛋白质合成

氨基酸作为蛋白质构建分子主要用于合成各种功能蛋白质分子,肝脏和肌肉等组织细胞每天进行着蛋白质合成。骨骼肌组织作为机体蛋白质库,每天进行相对稳定的蛋白质合成和降解。蛋白质的合成过程又称翻译。该过程需要20种编码氨基酸作为原料,同时也需要3种RNA(mRNA、rRNA 和tRNA),以及在数十种酶和蛋白因子的共同作用下才能完成。蛋白质合成过程:蛋白质的生物合成分为氨基酸的活化、肽链合成起始、延长、终止以及折叠和翻译后加工5个阶段。在翻译过程中,核糖体从开放阅读框架的5′-AUG向3′阅读,mRNA上的三联体遗传密码指导蛋白质从N端向C端合成,直至终止密码。起始因子参与起始复合物的形成。真核生物的起始因子(eukaryotic initiation factor,eIF)包括eIF-1、eIF-2、eIF-3、eIF-4、eIF-5和eIF-6。翻译的起始过程是形成翻译起始复合物的阶段,即在起始因子的作用下,将起始-tRNA和mRNA结合到核糖体上的步骤。肽链延长是在核糖体上连续地、循环地进行。核糖体循环可分3个阶段:进位、成肽和转位。循环一次,肽链延长一个氨基酸残基,直至肽链合成终止。核糖体对肽链延长过程有校读功能。肽链合成的终止包括终止密码的识别、从肽酰-tRNA水解出肽链、从核糖体分离出mRNA和大、小亚基拆开。终止过程需要释放因子。从核糖体释放的多肽链不一定是具备生物活性的成熟蛋白质,在细胞内新生肽链只有经过各种修饰处理才能成为有活性的成熟蛋白,该过程包括蛋白质折叠、翻译后加工和聚合。

蛋白质合成的调控主要阶段是蛋白质翻译的起始阶段,该阶段有两个主要调控点(图3-4-2):其一,起始蛋氨酰tRNA(met-tRNAimet)与40S核糖体小亚基结合,过程主要受eIF-2调控并依赖GTP结合。GTP替换 GDP与eIF-2结合后,eIF-2-GTP-met-tRNA三元复合物就与eIF-3一起与40S核糖体结合形成43S前起始复合物。识别起始密码子后,GTP被水解为GDP,为了重新形成GTP结合形式需要鸟苷酸交换因子eIF-2B来催化完成。eIF-2的α亚基磷酸化可以抑制eIF-2B催化GTP替换GDP循环,从而抑制翻译起始。哺乳动物细胞有四种eIF-2α激酶:依赖双链RNA的蛋白激酶(double-stranded RNA-dependent protein kinase,PKR)、血红素调节抑制因子激酶 (heme-regulated inhibitor kinase,HRI)、磷酸化细胞外信号调节激酶(phosphorilated extracellular signal-regulated kinase,PERK)和酵母GCN2。这些激酶应答不同应激反应而影响转录和蛋白合成。第二个翻译起始控制点是eIF-4F复合物(eIF-4E、eIF-4G、eIF-4A),eIF-4F复合物通过识别mRNA 5′帽子结构(m7GpppX)招募40S核糖体与mRNA结合。其中,eIF-4E与5′-mRNA结合,eIF-4A是依赖ATP的RNA解旋酶,eIF-4G是一种支架蛋白,用于组装eIF-4E和4A 形成eIF-4F复合物。eIF-4E是主要翻译起始调节因子之一,正常细胞内含量很低的。eIF-4E含量结合蛋白质(4E-BP1)调节。高磷酸化修饰的4EBP1 可以与eIF-4G 竞争结合eIF-4E 从而阻断eIF-4F复合物组装。4E-BP1磷酸化修饰受PI3-K和mTOR调节,mTOR信号通路还可以调节70kD核糖体蛋白S6激酶(70kD ribosomal protein S6 kinase,p70S6k)。

蛋白质翻译起始的调控

图3-4-2 蛋白质翻译起始的调控

支链氨基酸(branched-chain amino acid,BCAA)除了作为蛋白质合成底物外,BCAA通过影响翻译起始的信号转导通路增强蛋白质合成。研究发现其中的亮氨酸作用最强,亮氨酸能明显减轻荷瘤小鼠体重下降,同时通过增加蛋白质合成和减少蛋白质降解而增加肌肉质量。其作用机制是诱导蛋白磷酸酶1(protein phosphatase1,PP1)表达,而PP1可催化PKR去磷酸化(图3-4-2),低磷酸化的PKR导致eIF-2α磷酸化下降,转而eIF-2-GDP转化为eIF-2-GTP。亮氨酸还可以增加mTOR和 p70S6k磷酸化,以及4E-BP1高磷酸化,后者使eIF-4E 从无活性4E-BP1.eIF-4E 复合物释出,游离的eIF-4E 与eIF-4G结合形成活性的eIF-4F复合物(图3-4-2)。同时亮氨酸通过激活mTOR通路而引起eEF2磷酸化下降。这些研究提示添加亮氨酸营养制剂用于治疗癌症恶液质患者肌萎缩是有较可靠依据的。

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