Transcript 在蛋白質轉譯過程
蛋白質的合成 蛋白質的合成過程是有計畫的執行 負責合成蛋白質的遺傳訊息分為兩階段；首先是 DNA必須先轉錄 (transcribe) 成訊息RNA (messenger RNA, mRNA)，接下來的步驟則藉由 mRNA所攜帶的訊息以合成多胜肽(polypeptide)， 由核酸的所用語言轉換成蛋白質語言，此過程則成 為轉譯 (translation)。而此在細胞內遺傳訊息由 DNA轉換成RNA，再轉換成蛋白質的傳遞方式則 是所謂的中心準則 (central dogma)，是由Sir Francis Crick 首先提出的 2 CHAPTER 8 蛋白質的合成 蛋白質為基因的產物 基因產物 (gene product)是基因表現的最終產物， 一般為蛋白質，但細胞內各種tRNA、rRNA及 snRNA等等的非轉譯型RNA也屬於基因產物。 已知有些單一基因即可能具帶有數種蛋白質的編碼 (encode)。 3 CHAPTER 8 蛋白質的合成 4 CHAPTER 8 蛋白質的合成 在真核細胞中，單一條mRNA分子只帶有單一基因 的遺傳訊息，因此只能轉譯出單一種蛋白質。 病毒透過本身特別長的mRNA，製造出一條巨大的 「多蛋白質 (polyprotein)」。這條多蛋白質隨後被 切割成數條序列較短的蛋白質。 在很偶然的情況下，真核細胞的單一條基因可能會 因讀取框架位移 (frame shifting) 而產生兩種不同蛋 白質。 5 CHAPTER 8 蛋白質的合成 一般常將細胞內所有遺傳訊息的總和稱為基因體 (genome)。因此細胞內產生的所有蛋白總和稱為蛋 白質體 (proteome)。在細菌中，基因與蛋白質之間 幾乎都是一對一的對應關係 (one-for-one correspondence)。然而較高等生物發生選擇性的剪 接 (alternative splicing)，因此一條基因最後可能會 產生2～3種不同蛋白質，也因此可知蛋白質體的數 量遠比基因體來得大。 6 CHAPTER 8 蛋白質的合成 基因密碼的解譯 蛋白質是由20種胺基酸所合成，但攜帶遺傳訊息的 mRNA卻只由4種鹼基所組成。因此合成蛋白質時， 密碼不能僅由一個鹼基來對應一個胺基酸，在蛋白 質轉譯過程，mRNA序列是以三個鹼基為一組進行 讀取，即所謂的密碼子 (codon)，每一組密碼子則 代表一個特定的胺基酸。4個鹼基在基因密碼 (genetic code) 中能構成64種密碼子 64個密碼子中有三個密碼子稱為終止密碼子 (stop codon) ── 用以終止蛋白質合成 7 CHAPTER 8 蛋白質的合成 8 CHAPTER 8 蛋白質的合成 細胞內有一系列的連接分子可負責辨識mRNA序列 上的密碼子，分子的一端附著於特定的密碼子上， 另外一端則攜帶相對應的胺基酸。這些連接分子即 所謂的small RNA，或是轉運RNA (transfer RNA, tRNA)。tRNA一端帶有與密碼子互補的序列，稱 作反密碼子 (anticodon)，而密碼子與反密碼子彼此 辨識藉由氫鍵吸引並形成配對 9 CHAPTER 8 蛋白質的合成 10 CHAPTER 8 蛋白質的合成 tRNA 會扭轉成三葉形，並摺疊成L型 tRNA長約80個鹼基，而且有一半的鹼基會配對成 雙。一個傳統tRNA分子具有4個數個鹼基配對成的 莖 (stem) 及3個環 (loop) 構造，有如三葉草結構 (cloverleaf structure) 一般，整個tRNA分子以二維 平面構造呈現 (此構造也因此被稱為二級結構圖 (secondary structure map)。 11 CHAPTER 8 蛋白質的合成 12 CHAPTER 8 蛋白質的合成 在修飾鹼基 (modified base) 之後有兩個環區域，其 中T-環包含了一個 (讀做 “sign”── 即偽尿嘧啶 (pseudouracil)，D-環則包含了兩個二氫尿嘧啶 (dihydrouracil) (D)，這些不常見的鹼基具有幫助 tRNA褶疊成正確構型及功能的重要功能。 13 CHAPTER 8 蛋白質的合成 存在於tRNA的修飾鹼基 最早轉錄的原始RNA只帶有四種鹼基 (A、U、G及 C)，然而有些RNA分子在轉錄之後其部分鹼基還會 進行化學修飾，此種現象在tRNA尤其可見，某些 tRNA分子甚至含有多達15個修飾鹼基。 鹼基最常被修飾的形式是甲基化 (methylation)。而 甲基化的功能除了可避免RNA序列中特定的鹼基自 我配對外，也有助於RNA對核糖體蛋白的附著。特 別的是胸腺嘧啶 (thymine或是5-methyl uracil) 通常 只存在於DNA，但tRNA的T環序列中也存在胸腺 嘧啶，而胸腺嘧啶的產生是在tRNA被轉錄出之後， 尿嘧啶 (uracil) 經甲基化 (methylation) 而改變成胸 腺嘧啶。 14 CHAPTER 8 蛋白質的合成 以偽尿嘧啶 (pseudouridine) 而言，尿嘧啶本身結構 並不改變次黃嘌呤 (inosine) 或是hypoxanthine，被 稱為I鹼基，而另外兩個鹼基，queuosine及wyosine 則被稱作Q鹼基及W鹼基。 15 CHAPTER 8 蛋白質的合成 16 CHAPTER 8 蛋白質的合成 17 CHAPTER 8 蛋白質的合成 某些tRNA能識別超過一個以上的密碼子 每一個tRNA都只能攜帶一個單獨的胺基酸，這樣 20種基本胺基酸就需要至少20種tRNA負責攜帶。 扣除三個終止密碼子，剩下的61密碼子應皆有對應 的胺基酸，因此每個胺基酸並不只一個密碼子。事 實上部分的tRNA能辨識超過一個以上的密碼子， 而且不同物種之間的會有些許的差異。 密碼子與反密碼子的配對也因此稱作「配對擺動法 則 (wobble rule)」 18 CHAPTER 8 蛋白質的合成 19 CHAPTER 8 蛋白質的合成 tRNA如何進行充電 對於每一個tRNA分子都有一個特定的酵素稱之為 氨酰-tRNA合成 (aminoacyl tRNA synthetase)，能 辨識出特定tRNA及其對應的胺基酸，並將其結合 至tRNA上，此時稱為充電tRNA (charged tRNA)， 而未攜帶胺基酸的tRNA則稱為未充電tRNA (uncharged tRNA)。 20 CHAPTER 8 蛋白質的合成 21 CHAPTER 8 蛋白質的合成 22 CHAPTER 8 蛋白質的合成 23 CHAPTER 8 蛋白質的合成 核糖體：細胞的遺傳訊息解碼機 遺傳訊息的解碼是由細胞內稱為顯微生物機器 ── 核糖體 (ribosome) 結合至mRNA及充電的tRNA的 一連串反應過程。 細菌的核糖體大小為70S核糖體 (bacterial (70S) ribosome)，但其大、小次單位分別為30S核糖體次 單位 (30S (or small) subunit) 及50S核糖體次單位 (50S (or large) subunit)。真核細胞的核糖體則是 80S核糖體 (eukaryotic (80S) ribosome)，其大小次 單位分別為40S核糖體次單位 (40S subunit) 及60S 核糖體次單位 (60S subunit)。 細菌的核糖體 rRNA 分子佔整個核糖體達2/3重， 而剩下的1/3則由50種小蛋白質所組成。30S小次單 位含有16S rRNA，而50S大次單位則含有5S及23S rRNA 24 CHAPTER 8 蛋白質的合成 25 CHAPTER 8 蛋白質的合成 26 CHAPTER 8 蛋白質的合成 27 CHAPTER 8 蛋白質的合成 28 CHAPTER 8 蛋白質的合成 23S rRNA具有核糖酶 (ribozyme) 的能力，能將胺 基酸之間催化而產生肽鍵 (peptide bond)，因此稱 之為胜肽轉移酶 (peptidyl transferase)。 除了23S rRNA外，其他核糖體蛋白都無法如此靠 近催化中心 (catalytic center) 以進行反應。 29 CHAPTER 8 蛋白質的合成 三種可能的讀取框架 在mRNA 轉譯出蛋白質之前，必須先決定如何讀取 其基因密碼的讀取框架 (reading frame)，而讀取 mRNA的密碼子是以三個鹼基為一組，每一組密碼 子都可以編碼成一個對應的胺基酸。 30 CHAPTER 8 蛋白質的合成 GAAAUGUAUGCAUGCCAAAGGAGGCAUCUAAGG 如果我們由第一個鹼基開始，則我們可以得到的密碼子序例如下： GAA|AUG|UAU|GCA|UGC|CAA|AGG|AGG|CAU|CUA|AGG 密碼子序列可轉譯出下列胺基酸序列： Glu|Met|Tyr|Ala|Cys|Gln|Arg|Arg|His|Leu|Arg 如果我們由第二個鹼基開始，則我們可以得到的密碼子序例如下： G|AAA|UGU|AUG|CAU|GCC|AAA|GGA|GGC|AUC|UAA|GG 密碼子序列可轉譯出下列胺基酸序列： -|Lys|Cys|Met|His|Ala|Lys|Gly|Gly|Ile|Stop|如果我們由第三個鹼基開始，則我們可以得到的密碼子序例如下： GA|AAU|GUA|UGC|AUG|CCA|AAG|GAG|GCA|UCU|AAG|G 密碼子序列可轉譯出下列胺基酸序列： -|Asn|Val|Cys|Met|Pro|Lys|Glu|Ala|Ser|Lys|- 31 CHAPTER 8 蛋白質的合成 每一套基因密碼子都可以完整進行轉譯作用，而這 三種可能的結果則稱為三種讀取框架。由於一組密 碼子是由三個鹼基所組成，因此只有可能產生三種 可能的讀取框架。如果一次同時更動讀取框架的三 個相鄰鹼基 (或3的倍數)，則會產生與以上第一個 範例相同的序列。 mRNA的每一套密碼子都可以完全轉譯出多肽鏈， 因此由第一個密碼子讀取的鹼基順序不同，就有三 種轉譯的可能，稱之為開放讀取框架 (open reading frame, ORF)。 開放讀取框架的第一個密碼子稱之為起始密碼子 (start codon)，並且總是AUG，編碼是methionine， 這樣就可以同時定義出mRNA上的ORF及起始密碼 子的位置。 32 CHAPTER 8 蛋白質的合成 起始密碼子的選擇 一個特殊的tRNA，稱之為起始tRNA (initiator tRNA)，攜帶著甲硫胺酸 (methionine) 並結合至 mRNA序列的AUG起始密碼子上。在原核細胞中， 起始tRNA攜帶的是甲硫胺酸經過化學修飾而成的 甲醯基甲硫胺酸 (N-formyl-methionine, fMet)，而 真核細胞的起始tRNA則攜帶的是甲硫胺酸。 Formyl: 甲醯基HCO- 33 CHAPTER 8 蛋白質的合成 34 CHAPTER 8 蛋白質的合成 在原核細胞的mRNA 5’-端有一段很特別的序列， 稱為核糖體結合部位 (ribosome binding site, RBS)， 通常又稱為香德氏序列 (Shine-Dalgarno sequence) 或直接稱為S-D序列。mRNA上的S-D序列 (ShineDalgarno sequence) 與核糖體16S rRNA 3’-端附近 的反S-D序列是互補關係。可以透過互補配對將 mRNA與16S rRNA結合在一起。因此在S-D序列之 後的AUG即為起始密碼子 35 CHAPTER 8 蛋白質的合成 36 CHAPTER 8 蛋白質的合成 轉譯的起始密碼子偶爾會使GUG來取代AUG，這 樣會導致轉譯的起始作用效率不佳，大部分的例子 都是發生在只需合成非常少量的蛋白質如調控蛋白 (regulatory protein) 中的乳糖操作組 (Lac operon) 抑制物LacI 。 37 CHAPTER 8 蛋白質的合成 起始複合物在轉譯前必須先行組合 蛋白質合成前，核糖體的兩個次單位是分開狀態。 具有反S-D序列的16rRNA是位於核糖體小次單位裡， 所以mRNA是先與核糖體小次單位結合。接著帶有 f-MET的起始tRNA辨識出mRNA的起始密碼子。 形成核糖體30S轉譯起始複合物 (30S initiation complex) 需要三種蛋白質幫助 (IF1、IF2及IF3)， 這些蛋白質即所謂的轉譯起始因子 (initiation factors)，能幫助30S起始複合體完成正確的組成順 序。 38 CHAPTER 8 蛋白質的合成 IF2負責辨識f-MET-tRNA。 IF3參予起始密碼子的 辨識及起始tRNA反密碼子的配對， IF3可以避免 50S核糖體次單位在起始tRNA出現之前即與30S次 單位結合。 IF3在30S轉錄起始複合體完成組合後 離開，而由50S次單位組合，接著IF1、 IF1、IF2 離開。最後組合完整的70S起始複合物。 這些組合過程需要IF2水解GTP已產生能量。 39 CHAPTER 8 蛋白質的合成 40 CHAPTER 8 蛋白質的合成 41 CHAPTER 8 蛋白質的合成 tRNA在多鏈延長過程中在核糖體的三個結合位置 當核糖體50S次單位與30S次單位組合完成，多肽鏈 的合成便開始進行，而胺基酸間則由核糖體50S次 單位內的23S rRNA的peptidyl transferase催化形成 連結在一起。 tRNA附著至核糖體附著至核糖體， 並將新的胺基酸加入至合成中的多肽鏈。 tRNA附著至核糖體在核糖體有三個結合位置: A位 置-接受位 (acceptor site)，P位置-胜肽位 (peptide site) 及E位置-離去位 (exit site)。而同一時間只能有 兩個charge- tRNA結合至核糖體 42 CHAPTER 8 蛋白質的合成 43 CHAPTER 8 蛋白質的合成 44 CHAPTER 8 蛋白質的合成 帶有f-MET的起始tRNA自p位置開始啟動轉譯，其 他的tRNA將#2胺基酸攜帶至A位置，接著f-MET由 Trna移到#2胺基酸上。並由胜肽轉移酶連接兩個胺 基酸。而下一個步驟則是核糖體沿Mrna下一個密 碼子移動，會使原來位於A位置與P位置的兩個 tRNA 前往P位置與E位置移動。並留下空的A此現 象稱為轉位 45 CHAPTER 8 蛋白質的合成 當下一個EF-Tu攜帶第三個胺基酸並進入核糖體的A 位置,會使在E位置的tRNA自核糖體離開。 多肽鏈的延長需要兩個延長因子,而此因子多需要 水解GTP以作為能量來源。 延長因子EF-T由EF-Tu及EF-Ts所組成。ChargetRNA透過EF-Tu被送到核糖體的A位置, EF-Tu在此 步驟水解GTP而得到能量。 EF-Ts負責將付著於EFTu的GDP轉換成新的GTP.而延長因子EF-G則監控整 個延長作用的過程。 46 CHAPTER 8 蛋白質的合成 釋放因子可終止蛋白質合成 當核糖體到達mRNA攜帶的遺傳訊息終點 ── 帶有 終止訊息的密碼子UGA、UAG及UAA，沒有任何 tRNA可以讀取這三個密碼子，此時多胜肽鏈無法 再繼續延長，細胞中的釋放因子 (release factor, RF) 會讀取此終止訊息。 RF1可以辨識UAA或UAG, 而RF2辨識UAA或UGA, 此時合成完畢的多胜肽鏈會由最後一個離開 47 CHAPTER 8 蛋白質的合成 48 CHAPTER 8 蛋白質的合成 數個核糖體可以同時讀取同一條mRNA上面的遺傳訊息 當一條mRNA上附著數個核糖體所形成複合物便稱 為聚核糖體 (polyribosome)，或簡稱為聚糖體 (polysome)。 49 CHAPTER 8 蛋白質的合成 50 CHAPTER 8 蛋白質的合成 細菌的單一mRNA分子即可以編譯數種蛋白質 在細菌中，數個基因能一起轉錄成單一的mRNA。 而操作組 (operon) 是指被共同轉錄的一群基因 (cluster of genes)，使得細菌的單一mRNA分子即可 以編譯數種蛋白質。 mRNA上每個ORF的前端都擁有自己的S-D序列可 供核糖體附著及進行轉譯。能轉譯出蛋白質的轉譯 框架為一個基因，有時也稱作運作子 (cistron)，因 此帶有數個順反子的mRNA即稱為多順反子mRNA (polycistronic mRNA) 51 CHAPTER 8 蛋白質的合成 52 CHAPTER 8 蛋白質的合成 在較高等生物的細胞並不具有操作子，而且鄰近基 因的轉錄並不同時進行。每一個別基因都是被轉錄 成一條獨立的RNA分子。除了少數的例外，通常每 一條真核細胞的mRNA分子只轉譯單一的蛋白質。 真核細胞的mRNA分子不帶有香德式序列，而由5’端前端帽蓋 (cap) 取代此功能。因此真核細胞在正 常情況下，即使存在多組的開放讀取框架，也只有 第一組讀取框架會被轉譯出蛋白質 53 CHAPTER 8 蛋白質的合成 細菌內的轉錄與轉譯作用是同時進行 轉錄作用的進行是由DNA的5'-端開始產生mRNA， 而核糖體合成蛋白質也是由mRNA的5'-端開始讀取。 在原核細胞內，DNA與核糖體並沒有被區隔開，因 此當核糖體結合在mRNA上開始進行轉譯作用時， 實際上mRNA的合成並未結束。mRNA部分已合成 的片段仍然附著於細菌的DNA 核糖體已經開始利用部分合成完的mRNA片段合成 多肽鏈，這就是共轉錄-轉譯 (coupled transcription-translation) 這樣的現象在較高等的真核細胞就不可能發生，因 為DNA位於細胞核內，而核糖體卻在細胞核外 ── 即細胞質內。 54 CHAPTER 8 蛋白質的合成 55 CHAPTER 8 蛋白質的合成 56 CHAPTER 8 蛋白質的合成 轉譯過程中作用延滯的核糖體及狀況的解除 在細菌中含有一種特別的小RNA分子能解除核糖體 停滯的問題，稱為tmRNA。tmRNA同時擁有tRNA 與mRNA的特性，當偵測到停滯的核糖體時， tRNA會結合至有缺陷的mRNA 。此時又繼續蛋白 質合成， 但所用的一段很短的訊息序列其實是 tmRNA本身所提供。 利用tmRNA提供適當的終止密碼子，使得釋放因 子 (release factor) 得以將核糖體解離成次單位並結 束整個蛋白質轉譯的過程。 57 CHAPTER 8 蛋白質的合成 若合成的蛋白質是異常或有缺陷，則必須被降解。 tmRNA的mRNA部分能轉譯出含有11個重複胺基酸 的序列稱為ssrA，能附著缺陷蛋白並將其標籤化。 此ssrA標籤能被數種特殊的尾端蛋白質水解酶 (tail specific protease) 辨識並摧毀所有帶有此標籤的蛋 白質，這些酵素包括Clp及參與熱休克反應的HflB 58 CHAPTER 8 蛋白質的合成 真核細胞與原核細胞合成蛋白質的差異 在真核細胞的蛋白質合成中，位於細胞質的核糖體 會將來自細胞核的基因進行轉譯，其中的作用機制 較原核細胞更加複雜。且真核細胞也比細菌有較大 的核糖體及更多的rRNA與蛋白質。真核細胞也需 要較多的轉譯起始因子 (initiation factor) 及轉譯步 驟以進行蛋白質合成。 59 CHAPTER 8 蛋白質的合成 60 CHAPTER 8 蛋白質的合成 真核細胞的蛋白質合成比原核細胞來的簡單。因為 原核細胞的mRNA是屬於多順反子 (polycistronic)， 因此單一條mRNA即攜帶數種不同基因，並轉譯出 不同蛋白質。然而真核細胞每條mRNA分子都是屬 於單一順反子 (monocistronic)，即只攜帶單一基因， 因此轉譯出單一種蛋白質。 原核細胞的遺傳基因體 (genome) 與核糖體都位於 細胞質，但真核細胞的遺傳基因體卻是位於細胞核。 因此在真核細胞中並不會發生共轉錄-轉譯 (coupled-transcription and translation) 的現象 61 CHAPTER 8 蛋白質的合成 真核細胞如何開始進行蛋白質合成 真核細胞核糖體是藉由mRNA的5’-端帽蓋結構進行 辨識，而非透過與核糖體rRNA鹼基配對。 62 CHAPTER 8 蛋白質的合成 63 CHAPTER 8 蛋白質的合成 64 CHAPTER 8 蛋白質的合成 細胞能在當資源缺乏時暫停蛋白質的合成 在細菌處於生長平緩期 (stationary phase) 或是較慢 的生長速率，核糖體可能會完全停止運作，這是靠 一種小型的鹼性蛋白質 (small basic protein)，核糖 體調節因子 (ribosome modulation factor, RMF) 結 合至核糖體上，能使核糖體兩兩形成二聚體 (dimer) 而暫時失去活性。 65 CHAPTER 8 蛋白質的合成 66 CHAPTER 8 蛋白質的合成 所終止的對象並非核糖體，而是轉譯起始因子的活 性 67 CHAPTER 8 蛋白質的合成 被輸出至細胞外的蛋白質具有一段特殊的訊號序列 運送至細胞外的蛋白質在N端具有一段稱為「標籤」 的訊號序列 (signal sequence)，並在輸送至目的地 之後被細胞外膜上的蛋白質水解酵素所切除，因此 成熟的蛋白質並不會保留這段訊號序列。訊號序列 由大約20個胺基酸所組成的 α-螺旋二級結構。不論 輸送至何處，訊號序列都很類似 68 CHAPTER 8 蛋白質的合成 多肽鏈透過 N-端的訊號序列而被辨識並輸出。在 細菌中，訊號序列辨識蛋白質 (signal recognition protein) 簡稱 SecA能結合至訊號序列上，並引導蛋 白質移動至細胞膜上的轉位酶 (translocase) 複合體。 因此細菌的蛋白質一邊進行轉譯合成，已合成部分 的多肽鏈便透過轉位酶而通過細胞膜輸出至細胞外， 這種現象便稱為「共轉譯-輸出 (cotranslational export)」。而這段訊號序列在蛋白質通過細胞膜後 則被引導序列切除酶 (leader peptidase) 移除 69 CHAPTER 8 蛋白質的合成 70 CHAPTER 8 蛋白質的合成 伴侶素能監控蛋白質摺疊的正確性 伴侶素 (chaperone或稱作chaperonin) 是一群能監 控細胞內蛋白質摺疊是否正確的特殊蛋白質。 伴侶素主要分為兩大類：一群是防止蛋白質在成熟 前摺疊 (premature folding)，另一群則是修正錯誤 摺疊的蛋白質構型。由於伴侶素並不曉得其他蛋白 質的正確立體結構，因此伴侶素的作用機制是阻止 蛋白質錯誤的摺疊而非主動創造蛋白質的正確結構。 71 CHAPTER 8 蛋白質的合成 72 CHAPTER 8 蛋白質的合成 粒線體與葉綠體內的蛋白質合成 粒線體與葉綠體能製造部分所需的蛋白質，且具有 環狀DNA (circular DNA)，能像細菌一樣進行二分 體分裂 (binary fission) 而產生兩個大小相若的粒線 體或葉綠體。 比起真核細胞質內的核糖體，粒線體與葉綠體內部 的核糖體的大小與組成蛋白質也比較類似原核生物， 而且轉譯進行的起始因子與延長因子也與細菌無異。 73 CHAPTER 8 蛋白質的合成 74 CHAPTER 8 蛋白質的合成 轉位負責將蛋白質運送至粒線體與葉綠體內 許多構成葉綠體及粒線體的蛋白質是在細胞質合成 之後才送至細胞內。 75 CHAPTER 8 蛋白質的合成 誤譯導致蛋白質的合成錯誤 在轉譯的過程中，平均每一千個密碼子會有一個被 錯誤讀取，導致合成的胜肽鏈中嵌入了一個錯誤的 胺基酸。尤其是負責轉譯兩種胺基酸的密碼子只有 一個鹼基的差異時最容易出錯。另外其他可能的錯 誤如蛋白質讀取框架的位移稱為框架轉移 (frameshift) 造成轉譯出完全不同的蛋白質，或是 讀取到終止密碼 (stop codon) 而中斷蛋白質轉譯。 以上這些在蛋白質轉譯過程中的錯誤都稱為誤譯 (mistranslation)。 76 CHAPTER 8 蛋白質的合成 基因密碼並非總是通用 通用基因密碼 (universal genetic code) 表所列的密 碼子適用於絕大多數的生物，但要注意的是並非所 有物種的遺傳訊息都適用此基因密碼。 77 CHAPTER 8 蛋白質的合成 78 CHAPTER 8 蛋白質的合成 罕見胺基酸透過轉譯後修飾機制產生 除了硒胺酸及吡咯賴胺酸外，這些罕見的胺基酸都 是在基因密碼進行轉譯產生多肽鏈之後再進行修飾 所產生的，也就是所謂的轉譯後修飾 (posttranslational modification)。 一個在醫學研究上重要的例子就是白喉胺 (diphthamide)，是由組胺酸經由轉譯後修飾所產生 的。而白喉胺只在真核細胞及古細菌的轉譯延長因 子eEF2被發現，且白喉胺存在的多肽鏈序列都非常 相似。 79 CHAPTER 8 蛋白質的合成 80 CHAPTER 8 蛋白質的合成 硒胺酸：第21種胺基酸 在轉譯的過程中，UGA導至密碼讀取的終止，但某 些情況下會轉譯出第21個胺基酸 ── 硒胺酸。此時 核糖體究竟要選擇終止轉譯或是硒胺酸，是由基因 上一段很特別的序列稱為SECIS序列 (Selenocysteine-insertion sequence) 所決定的。 81 CHAPTER 8 蛋白質的合成 82 CHAPTER 8 蛋白質的合成 83 CHAPTER 8 蛋白質的合成 咯賴胺酸：第22個胺基酸 第22個胺基酸吡咯賴胺酸 (pyrrolysine) 是在2002年 發現，是離胺酸 (lysine) 的衍生物並帶有一個吡咯 環 (pyrroline ring)。科學家在一些古細菌 (archaebacteria) 中發現終止密碼子UAG偶然會轉 譯成蛋白質。吡咯賴胺酸最早是在能產生甲烷的古 細菌屬 (genus) Methanosarcina 的甲胺-甲基轉移 (methylamine methyl-transferases) 發現含有此種胺 基酸。 84 CHAPTER 8 蛋白質的合成 85 CHAPTER 8 蛋白質的合成 多數的抗生素的作用是透過抑制蛋白質合成 使用過高濃度的抗生素會造成真核細胞內粒線體與 葉綠體的核糖體 (與原核生物相同) 作用受到抑制。 胺基糖苷 (aminoglycoside) 抗生素透過附著於原核 核糖體的30S次單位，鏈黴素 (streptomycin) 則附 著於30S與70S次單位間附近的16S rRNA。 streptomycin會扭轉核糖體A位置，阻礙攜帶胺基 酸的tRNA 進入。而在轉譯開始所需的起始胺基酸 (initiator) Met-tRNA無法附著於核糖體上，因此阻 止了轉譯過程的啟動。某些對鏈黴素具有抗藥性的 突變菌種會藉由改變16S rRNA序列的第523個鹼基， 或是核糖體附屬蛋白S12 (RpsL) 阻止抗生素的附 著。 86 CHAPTER 8 蛋白質的合成 四環黴素 (tetracycline) 對真核與原核細胞的核糖體 都有抑制功能，主要機制是透過附著於原核16S (或 真核18S) rRNA 的部位並且阻止充電的tRNA 的附 著。 氯黴素 (chloramphenicol) 附著於原核細胞核糖體 的50S次單位，環黴素 (cycloheximide) 則附著於真 核細胞的核糖體 60S 次單位並抑制轉移酶 (peptidyl transferase) 的作用。 西地酸素 (fusidic acid) 為類固醇的衍生物，會附著 於原核生物的延長因子 (elongation factor) EF-G。 87 CHAPTER 8 蛋白質的合成 蛋白質的降解 蛋白質水解酶(protease) 是一群專門分解蛋白質的 酵素，這對細胞來說是非常危險的，因此必須受到 嚴密的控制。蛋白質水解酶在細胞內被通常隔離在 特定的胞器中以確定不會危及到細胞內其他的胞器。 另一方面，蛋白質水解酶也被設計成只接受並降解 被貼上標籤的蛋白。 蛋白質水解酶在細胞內存在於三個主要的位置。動 物能將分泌蛋白質水解 至消化道中，而動物細胞 是以不活化前驅物 (inactive precursor) 形式合成這 些酵素，只有在分泌至動物細胞外後才具有活性 88 CHAPTER 8 蛋白質的合成 89 CHAPTER 8 蛋白質的合成 溶小體 (lysosome) 是真核細胞內由膜包覆的一群胞器，內含 有各式各樣的消化性酵素，包括各種蛋白質水解酶，同時也 具有自我防衛的功能 (self-defense)。 真核細胞擁有一套類似但更為精密的結構稱為蛋白質降解 (proteasome)，這些桶狀結構 (cylindrical) 的蛋白分解體將 活化部位隱藏在其中，在桶狀結構的兩端則由一群蛋白質形 成的複合物 (complex) 覆蓋，這些蛋白質複合物能辨識並附 著在已受損或細胞不想要的蛋白質。這些蛋白質被辨識的原 因在於被泛素 (ubiquitin) 貼上了標籤。泛素是小分子的蛋 白質，能固定在錯誤摺疊或是不想要的蛋白質，甚至有些只 有在一段很短的時間被需要的蛋白質也會被泛素固定。 90 CHAPTER 8 蛋白質的合成 91 CHAPTER 8 蛋白質的合成