三、核糖体与肽链装配
1. 核糖体是合成蛋白质的部位（或称蛋白质合成的分子工厂）
1950年P.Zamecnik将放射性同位素标记的氨基酸注射到小鼠体内，经短时间后，取出肝脏，制成匀浆，离心，分成核、线粒体、微粒体及上清液组分，发现微粒体中的放射性强度最高，再处理微粒体，将核糖体从内质网中分离出，发现核糖体的放射强度比微粒体高7倍。
2. 核糖体的组成和结构
有70S和80S两种，均由大小不同的两个亚基组成。70S核糖体存在于原核细胞和真核细胞的线粒体和叶绿体中，其30S小亚基含有一个16S rRNA和21种不同的蛋白质（称S蛋白），50S大亚基含有一个23S rRNA、5S rRNA和34种蛋白质（L蛋白）。80S核糖体存在于真核细胞，其40S小亚基含有一个18S rRNA和34种S蛋白，60S大亚基含有28S rRNA、5S rRNA、5.8S rRNA各一分子和49种L蛋白。在通常情况下，核糖体的大小亚基游离于细胞质基质中，只有当小亚基与mRNA结合后，大亚基才与小亚基结合形成完整的核糖体。
核糖体上有两个tRNA结合的位点：A位点是氨酰tRNA结合位，P位点是肽酰tRNA结合位。50S亚基上有一个GTP水解位点，为氨酰-tRNA移位提供能量；两亚基接触面空隙有结合mRNA的位点，还有与起始因子、延伸因子、释放因子及各种酶相结合的位点，mRNA和合成的新生多肽链通过外出孔进入膜腔。
四、有关的酶和蛋白因子                                 
除了以上提到的氨酰-tRNA合成酶和L蛋白、S蛋白外，重要的酶还有转肽酶、转位酶等；在肽链合成的起始、延伸和终止过程有许多蛋白因子参与。起始因子（initiation factors，IF），包括IF1、IF2、IF3；延伸因子（elongation factors，EF），有EF-T，EF-G；释放因子（release factors，RF），包括RF1、RF2。

第二节    蛋白质生物合成的分子机制
蛋白质的生物合成要比DNA复制和转录复杂的多，有约300种生物大分子协同作用，全过程大致有5个阶段：氨基酸的活化、翻译起始、肽链延长、肽链合成的终止和释放、翻译后加工。真核生物与原核生物蛋白质合成非常相似，但有差异。
一、氨基酸的激活
1. 每一种氨基酸由专一的氨酰-tRNA合成酶激活。
氨酰-tRNA合成酶能识别并使氨基酸的羧基与tRNA3′端腺苷酸核糖基上3′- O H缩水形成二酯键。反应分两步进行。
氨基酸+tRNA+ATP → 氨酰-tRNA+AMP+PPi
tRNA与相应的AA结合是蛋白质合成的关键，tRNA携带正确的AA，多肽合成准确性才有保障。氨酰-tRNA合成酶有氨基酰化部位和水解活性部位，能纠正酰化的错误（如异亮氨酸与缬氨酸只一个甲基的差异，Ile-tRNA合成酶能在酰化部位区分它们，即使Val取代Ile错误掺入生成的Val-tRNA，也会通过Ile-tRNA合成酶将其水解。经过酰化部位和校正部位的共同作用，可使翻译的错误频率小于万分之一）。
2. 原核生物起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸（fMet），起始tRNA是 tRNAfMet。甲酰基转移酶催化fMet-tRNAfMet的形成。
Met + tRNAfMet →  Met-tRNAfMet
Met-tRNAfMet+N10-CHOFH4 → fMet-tRNAfMet+ FH4
真核生物起始氨基酸是甲硫氨酸，有两种tRNAMet，只有tRNAiMet才能与小亚基结合，起始肽链合成，普通tRNAMet携带Met只能被渗入正在延伸的肽链中。
二、在核糖体上合成多肽
此过程分为翻译起始、肽链延长、肽链的终止三个阶段。            
1. 翻译起始 
原核细胞肽链合成的起始需要7种成分：30S小亚基、mRNA、fMet-tRNAfMet、起始因子、GTP、50S大亚基、Mg2+。起始分成3步。
①  30S小亚基和起始因子结合，通过SD序列与mRNA结合。
②  fMet-tRNAfMet进入小亚基P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码配对。
③带有tRNA、mRNA和IF的小亚基复合物与50S大亚基结合，形成起始复合物。GTP水解，释放IF。
原核mRNA是多顺反子，有多个起始密码AUG位点，核糖体是如何识别合适位置的AUG？
1970年Shine和Dalgarno发现细菌的mRNA通常含有一段富含嘌呤碱基的序列（SD序），它们在起始AUG上游10个碱基左右的位置，能与16S rRNA3′端的7个嘧啶碱基互补识别，以帮助从起始AUG处开始翻译。
IF3的功能是协助30S小亚基选择mRNA起始位点；IF2具有GTP酶的活性，起始过程需要一分子GTP水解成GDP及磷酸以提供能量，它对30S起始复合物与50S亚基的结合是必需的；IF1则在70S起始复合物生成后促进IF2释放，从而完成起始过程。
2. 肽链的延长
当与起始密码子紧邻的密码子被其氨酰-tRNA上的反密码子识别并结合后，延长反应也就开始。一个氨基酸的掺入是由进位—成肽—转位3个重复的反应完成的。其中肽键的形成靠核糖体自身催化，其它两个反应需要延长因子（elongation factor，EF）的参与。
① 第二个aa-tRNA在 EF-Tu及GTP作用下，生成复合物，并结合到核糖体的A位。 EF-Tu结合GDP离开核糖体。
②肽酰转移酶（转肽酶）催化P位fMet-tRNA携带的fMet转向A位与进入的aa-tRNA形成第一个肽键，催化的实质是使一个酯键转变成肽键。
③移位（translocation），移位因子EF-G催化，GTP和EF-Ts、EF-Tu参与，P位的tRNA脱落，核糖体沿mRNA移动，原A位带有肽链的tRNA转到P位，下一个密码子进入A位，以供继续翻译。
3. 翻译的终止
终止反应由释放因子RF识别进入核糖体A位的终止密码UAA、UAG、UGA开始，大亚基上肽酰转移酶变构，表现水解酶的活性，使P位上tRNA所携带的多肽链与tRNA之间的酯键水解。RR因子使tRNA从P位脱落，70S核糖体随即也从mRNA上脱落，解离为30S和50S亚基，投入下一轮核糖体循环，合成另一新的蛋白质分子。
通常，多个核糖体同时翻译一个mRNA分子，形成多核糖体（polysome），加快蛋白质合成的速度，亦使mRNA得到充分利用。
蛋白质合成消耗的大量能量用于保证mRNA的遗传信息翻译成蛋白质氨基酸序列的准确性。每一aa-tRNA形成需要 1分子ATP（2个高能键）。延长一个氨基酸消耗2分子GTP。因此每形成1个肽键消耗能量7.3×4=29.2kcal/mol（122kj/mol）。
三、翻译后加工
很多蛋白质在肽链合成后要经过一定的加工或修饰，才转变为有生物学活性的蛋白质。举例说明：
1.一级结构的修饰
①去除N-fMet
细菌蛋白质的合成以fMet-tRNA作为第一个进位的起始物，所以N端是fMet，脱甲酰基酶水解除去N端的甲酰基，然后氨基肽酶再切除一个或多个N端氨基酸。
②靶向运输
新合成的多肽的输送是有目的、定向地进行的，通过信号肽引导到目的地。通常在被转运多肽链的N端，一段10~40个氨基酸残基组成的序列，含高度疏水性的氨基酸，最后信号肽被信号肽酶切除。如胰岛素原是由84个氨基酸组成的一条无活性的肽链，其前面的23个氨基酸残基的信号肽在转运至高尔基体的过程中被切除。最后形成由A链、B链，3个二硫键组成的有活性的胰岛素。许多蛋白激素是以前体蛋白形式合成，经加工后，再分泌出细胞。
③个别氨基酸的修饰
胶原中羟脯氨酸和羟赖氨酸是脯氨酸和赖氨酸经羟化反应形成；许多酶的活性中心的磷酸丝氨酸也是丝氨酸羟基磷酸化而成。
2. 高级结构的修饰
蛋白质的一级结构决定其高级结构，这一原则只给出蛋白质折叠的热力学上的可能性。多肽链准确折叠和组装过程需要某些辅助蛋白质——分子伴侣（chaperon）的参与，通过提供一个保护环境加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣广泛存在从细菌到人的生物体中，其中有很大一部分被称之为热休克蛋白。
3. 活性肽合成                                               
人体内活性肽多数是从非活性的蛋白质前体经特殊的酶系加工而成。包括多肽链裂解、酰化、乙酰化、糖基化和硫酯化等。
四、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异
1. 起始因子种类多。已知有9种，称为eIFs。起始氨基酸是Met，起始tRNA称Met-tRNA1。有帽子结合蛋白。
2. 起始复合物形成的次序有差异。
有43S起始复合物形成，48S起始复合物形成和80S起始复合物形成三步。小亚基40S核糖体结合到mRNA的帽子上，沿着mRNA运动，直到遇到第一个AUG密码子，才开始翻译（没有富含嘌呤的序列确定起始位点）。   
3. 肽链延长和终止
目前所知，除因子的种类和名称与原核生物蛋白质合成不同外，其过程非常相似。延长因子是eEF1α和eEF1βγ。终止由单一的释放因子eRF催化。


第十二章 物质代谢的相互联系与调控

教学目标：
1.熟悉物质代谢的特点和相互间的联系，掌握交叉点。
2.了解代谢调节的方式和水平。
3.熟悉酶水平调节的方式、原理（酶活性、酶量、酶的区域化分布）。
4.了解激素和神经水平调节的特点。
导入：动物在生命活动过程中，除摄入氧气排出二氧化碳外，还要不断地摄取食物排出代谢废物。机体这种和环境间不断进行的物质交换，即物质代谢。物质代谢是生命本质特征，是生命活动的物质基础。其特点是什么？

第一节 物质代谢的相互联系
一、物质代谢的特点
1.整体性
各类物质的代谢在相互联系、相互制约下进行，形成一个完整统一的过程（网络）。如在能量供应上，糖、脂、蛋白质可以相互替代，相互制约。一般情况下，糖是主要供能物质（50%~70%），脂主要是储能（供能只占10%~40% ），蛋白质几乎不是供能形式；饥饿或某些病理状态时，糖供能减少，脂和蛋白质分解供能增加。
物质代谢在个体和种属之间都具互补性，这是生态平衡的基础。
2.代谢调节
正常情况下，机体各种物质代谢能适应内外环境变化，有序地进行。这是由于机体存在精细的调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度以适应内外环境变化。代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。
3.生命物质的降解和合成有共同点
生命物质的降解是一个分子由大到小，生成其单体的过程。降解的方式有水解、磷酸解、焦磷酸解、硫解。降解后的单体进入中间代谢进一步分解。分解的作用一是获得能量，二是获得重要的中间物。ATP是生物体能量利用的共同形式，是机体最主要的能量载体和各种生命活动能量的直接供体。分解的最终产物是CO2、H2O、NH3、H3PO4、SO2等无机物，因种属差异，各类物质分解的最终产物有所不同。
生命物质的合成是一个由小到大，由简单到复杂的过程。分为半合成和从头合成。蛋白质、核酸、多糖和脂类的聚合是一种半合成。自养生物可直接将无机物转化为有机物，氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸和胆固醇的合成是从无到有，即从头合成。NADPH是合成代谢所需的还原当量。
物质代谢具共同的代谢池，处于动态平衡中。
4.各组织、器官物质代谢各具特色
动物、植物和微生物的物质代谢以及动物各组织、器官的物质代谢途径有所不同，各具特色。肝脏是物质代谢的中心。
每种物质代谢的活化方式不同（如糖的降解是磷酸化己糖，而糖的聚合是UDPG、ADPG；甘油三酯的合成是甘油-α-磷酸和脂酰辅酶A；氨基酸的活化以氨酰腺苷酸方式进行）。
二、物质代谢的相互联系
物质代谢通过各代谢途径的共同中间产物相互联系，但在相互转变的程度上差异很大，有些代谢反应是不可逆的。乙酰CoA是糖、脂、氨基酸代谢共有的重要中间代谢物，三羧酸循环是三大营养物最终代谢途径，是转化的枢纽。
1. 糖代谢与脂肪代谢的关系
糖可以转变成脂肪、磷脂和胆固醇。二羟丙酮磷酸经甘油磷酸脱氢酶催化变成甘油-α-磷酸；丙酮酸氧化脱羧变成乙酰辅酶A，再合成双数碳原子的脂肪酸。
在动物和人，脂肪转变成糖惟量很少。甘油可经糖异生变成糖原，但脂肪酸代谢的乙酰辅酶A不能转变成丙酮酸，不能异生成糖。虽然甘油、丙酮和丙酰CoA可以转变成糖，其量微不足道。