第六章蛋白質的生物合成

1、歡 迎歡 迎 第三節(jié)第三節(jié) 蛋白質合成后的折疊與修飾加工蛋白質合成后的折疊與修飾加工基因經(jīng)轉錄、翻譯形成蛋白質，一般而言，新形基因經(jīng)轉錄、翻譯形成蛋白質，一般而言，新形成的蛋白質不具備生物活性。必須折疊成正確的成的蛋白質不具備生物活性。必須折疊成正確的空間構象，然后在經(jīng)過一系列的成熟后加工，才空間構象，然后在經(jīng)過一系列的成熟后加工，才能成為真正有活性的蛋白質。加工過程包括前體能成為真正有活性的蛋白質。加工過程包括前體加工（切除信號肽）、蛋白質的化學修飾（磷酸加工（切除信號肽）、蛋白質的化學修飾（磷酸化、糖基化）化、糖基化） 和蛋白質的剪接等。 蛋白質的功能與空間構象有緊密的關系蛋白質的功能與空

2、間構象有緊密的關系 一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。 新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈新生肽鏈N端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始?？呻S著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊即開始?？呻S著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產生正確的二級結構、模序、結構域到形疊，產生正確的二級結構、模序、結構域到形成完整的空間構象。成完整的空間構象。 舉例舉例-鐮刀狀紅細胞性貧血鐮刀狀紅細胞性貧血: :亞基亞

3、基N N端的第端的第6 6號氨基酸殘基發(fā)生了變異，號氨基酸殘基發(fā)生了變異，GluVal,GluVal,這種變異來源于基因上遺傳這種變異來源于基因上遺傳信息的突變。信息的突變。正常正常 DNA TGT GGG CTT CTT TTT mRNA ACA CCC GAA GAA AAA HbA N端端 蘇蘇 脯脯 谷谷 谷谷 賴賴異常異常 DNA TGT GGG CAT CTT TTT mRNA ACA CCC GUA GAA AAA Hbs 蘇蘇 脯脯 纈纈 谷谷 賴賴 分子病分子?。≒aulingPauling）：）：蛋白質分子蛋白質分子發(fā)生變異所發(fā)生變異所導致的疾病導致的疾病鐮刀型紅細胞貧血鐮

4、刀型紅細胞貧血 學名學名：克羅伊茨費爾德雅各布氏癥 簡稱克雅氏癥 俗名俗名：瘋牛病 臨床癥狀臨床癥狀 ：出現(xiàn)癡呆或神經(jīng)錯亂，視覺模糊，平衡障礙，肌肉收縮等。 神經(jīng)病理檢查神經(jīng)病理檢查 ：病人的腦神經(jīng)發(fā)生海綿狀變性 返回返回 朊病毒（Prion):不含核酸，完全由蛋白質構成的病毒。 最初推測朊病毒是像普通病毒一樣的微粒，只是缺乏核酸。但是實際與預期的相反，朊病毒很快被證明可由細胞自身染色體的基因編碼。這個基因稱為PRNP，它可以表達正常的腦組織并且編碼一種命名為PrPc c的蛋白質，存在于神經(jīng)細胞的表面。PrPc c精確的功能到現(xiàn)在仍未發(fā)現(xiàn)。但是這種蛋白質的新的形式目前在人腦中發(fā)現(xiàn)，這就是PrP

5、sc c 。PrPcPrPSc分子狀態(tài)單體分子集合成纖維狀態(tài)溶解性可溶不溶對蛋白酶抗性弱，極易被破壞很強蛋白質穩(wěn)定性穩(wěn)定不穩(wěn)定蛋白質三級結構幾乎全部由-螺旋組成 大約45%為-折疊片層致病性正常致病 學名：學名：阿爾茨海默氏病 臨床癥狀：臨床癥狀：以遺忘為最早期、最突出的癥狀。繼而出現(xiàn)反應遲鈍、判斷力和理解力下降，重復語言和無意義的重復動作等。隨著疾病進展，最終嚴重癡呆，臥床不起，出現(xiàn)并發(fā)癥。 返回返回 很多跡象表明AD是由一種分子的沉積物引發(fā)的，稱為淀粉體-肽（A）。最初它是淀粉前體蛋白（APP）的一部份，APP可跨越神經(jīng)細胞的細胞膜。A多肽是由APP分子釋放出來的 這2種多肽存在的可溶形式

6、，主要由-螺旋組成，但是，A42具有重新折疊的趨勢，使它的結構含有相當多的-折疊片層。只有A42分子形式具有致病的潛力，因為它趨向于自我聯(lián)合并且形成不溶的纖維狀沉淀，導致神經(jīng)細胞的死亡。 分子伴侶（分子伴侶（molecular chaperon）；是細胞）；是細胞內一類保守蛋白質，可識別多肽鏈的非天然構內一類保守蛋白質，可識別多肽鏈的非天然構象，促進各功能域和整體蛋白質的正確折疊。象，促進各功能域和整體蛋白質的正確折疊。分子伴侶在幫助蛋白質折疊后分子伴侶在幫助蛋白質折疊后,自身并不作為自身并不作為最終結構的一部分最終結構的一部分. 1. 封閉暴露出來的疏水區(qū)段封閉暴露出來的疏水區(qū)段,為蛋白質的

7、折疊為蛋白質的折疊創(chuàng)造一個無干擾的隔離環(huán)境創(chuàng)造一個無干擾的隔離環(huán)境. 2. 防止新生肽鏈在未完成折疊之前相互聚合防止新生肽鏈在未完成折疊之前相互聚合,幫助蛋白質獲得最初的正確結構幫助蛋白質獲得最初的正確結構. 3. 識別錯誤折疊的蛋白質識別錯誤折疊的蛋白質,幫助其復性或降解幫助其復性或降解. 分子伴侶 hsp70家族 (熱休克蛋白 hot shock protein) 伴侶蛋白 chaperonin伴侶蛋白伴侶蛋白 肽鏈內或兩條肽鏈間的二硫鍵是在肽鏈形成后-SH 基被氧化而形成的。二硫鍵在形成蛋白質的空間結構中起著重要作用。 蛋白二硫鍵異構酶蛋白二硫鍵異構酶 (protein disulfid

8、e isomerase) 在內質網(wǎng)腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中在內質網(wǎng)腔活性很高，可在較大區(qū)段肽鏈中催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象。終使蛋白質形成熱力學最穩(wěn)定的天然構象。 脯氨酸為亞氨基酸，多肽鏈中的肽酰-脯氨酸間的肽鍵絕大部分為反式構型。肽-脯氨酸順反異構酶可促進順反兩種異構體之間的轉換。 (一) 一級結構的修飾 (二) 空間結構的修飾 N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸殘基，必須在多肽鏈端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸殘基，必須在多肽鏈折迭成一定的空間結構之前被切除。折迭成一定的空間結構之前被切除。 去甲?；喝ゼ柞；杭?/p>

9、?；讣柞；讣柞５鞍彼峒柞５鞍彼?肽肽甲酸甲酸 + 蛋氨酸蛋氨酸-肽肽 去蛋氨?；喝サ鞍滨；旱鞍彼岚被拿傅鞍彼岚被拿傅鞍滨５鞍滨?肽肽蛋氨酸蛋氨酸 + 肽肽 1. N1. N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除 有些新合成的多肽鏈要在專一性的蛋白酶的作用下切除部分肽段才能具有活性。例如 (1). 酶原要切除部分肽段才能形成有活性的酶。 (2). 信號肽的切除。 (3).胰島素原切除C肽。胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶六肽六肽腸腸激激酶酶活性中心活性中心 許多蛋白質前體并無活性或活性很低。在一定條件下，才能轉變?yōu)橛刑囟嬒蟮牡鞍踪|而表現(xiàn)其活性。 如胰島素前體-胰島

10、素原，經(jīng)水解酶切，除去部分氨基酸（C肽，31個氨基酸）并在A鏈（21個氨基酸）和B鏈（30個氨基酸）兩條肽鏈之間形成兩對二硫鍵，在A肽鏈上形成另一對鏈內二硫鍵，使胰島素分子具有特定的空間結構，從而表現(xiàn)其完整的生物活性。詳見下頁的兩張圖：NC信號肽信號肽PMOCKRKRN-POMC促腎上腺皮質促腎上腺皮質激素激素ACTH促脂解釋放激素促脂解釋放激素 -LT促黑素促黑素 -MSH -MSH內啡呔內啡呔Endophin 指蛋白質前體可以通過多肽的剪輯，剪除某些氨基酸片段，然后在以一定的順序結合起來，最終形成成熟的、有活性的蛋白質的現(xiàn)象。 內含肽,外顯肽 （1）一級結構的修飾 個別氨基酸的修飾，包括羥

11、基化、糖基化、磷酸化、?；?、羧化作用、甲基化。 羥基化：肽鏈中某些氨基酸的側鏈被修飾(modification)，這都是在翻譯后的加工過程中被專一的酶催化而形成的。例如脯氨酸被羥基化生成羥脯氨酸，膠原蛋白在合成后，其中的某些脯氨酸和賴氨酸殘基發(fā)生羥化。在X-Pro-Gly(X 代表除Gly 外的任何氨基酸)序列中的脯氨酸羥化為4-羥脯氨酸，也可生成3-羥脯氨酸，但較少。脯氨酸的羥化有助于膠原蛋白螺旋的穩(wěn)定。 糖基化：在多肽鏈合成過程中或在合成之后常以共價鍵與單糖或寡糖側鏈連接，生成糖蛋白。這些糖可連接在天冬酰胺的酰胺上(N-連接寡糖)或連接在絲氨酸、蘇氨酸或羥賴氨酸的羥基上(O-連接寡糖)，

12、糖基化是多種多樣的，可以在同一條肽鏈上的同一位點連接上不同的寡糖，也可以在不同位點上連接上寡糖。糖基化是在酶催化反應下進行的。糖蛋白是一類重要的蛋白，許多膜蛋白和分泌蛋白均是糖蛋白。 N-連接糖鏈 O-連接糖鏈 磷酸化：酶、受體、介體(mediator)、調節(jié)因子等蛋白質的可逆磷酸化是普遍存在的蛋白質細胞生長和代謝調節(jié)中有重要功能。磷酸化發(fā)生在翻譯后，由各種蛋白質激酶催化，將磷酸基團連接于絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸的羥基上。在磷酸酯酶的作用則發(fā)生脫磷酸作用。 酶的磷酸化與脫磷酸化酶的磷酸化與脫磷酸化 -OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激

13、酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白酶蛋白 ?；旱鞍踪|的乙酰化普遍存在于原核生物和真核生物中。乙酰化有兩個類型：一類是由結合于核糖體的乙?；D移酶將乙酰-CoA 的乙酰基轉移至正在合成的多肽鏈上，當將N-端的甲硫氨酸除去后，便乙?；缏亚宓鞍椎囊阴；闶侨绱?；另一類型是在翻譯后由細胞質的酶催化發(fā)生乙?；缂拥鞍缀拓埖闹榈鞍?。此外，細胞核內的組蛋白的內部賴氨酸也可以乙?；?羧化作用：一些蛋白質的谷氨酸和天冬氨酸可發(fā)生羧化作用。例如，血液凝固蛋白酶原(prothrombin)的谷氨酸在翻譯后羧化成-羧基谷氨酸，后者可以與Ca2+螯合。這依賴于維生素K 的羧化酶的催化作用。 甲

14、基化：在一些蛋白質中賴氨酸被甲基化。如肌肉蛋白和細胞色素c 中含有一甲二甲基賴氨酸。大多數(shù)生物的鈣調蛋白含有三甲基賴氨酸。有些蛋白質中的一些谷氨酸鏈羧基也發(fā)生甲基化。 亞基之間、亞基與輔基之間的聚合亞基之間、亞基與輔基之間的聚合：具有四級結構的蛋白質由幾個亞基組成，因此必須經(jīng)過亞基之間的聚合過程才能形成具有特定構象和生物功能的蛋白質。對于結合蛋白來說，含有輔基成分，所以也要與輔基部分結合后才能具有生物功能。 .有些蛋白質還要與輔基(prosthetic groups)相結合： Cytochrome C只有與血紅素（heme）相結合才有功能。此外，Acetyl-CoA羧化酶常與Biotin分子相

15、結合。有些蛋白質必須經(jīng)蛋白酶切割后才有功能。有些蛋白質只有在形成二硫鍵之后才有功能。 在核糖體上新合成的多肽被送往細胞的各個部分，以行使各自的生物功能，大腸桿菌新合成的多肽，一部分仍停留在胞漿之中，一部分則被送到質膜、外膜或質膜與外膜之間的空隙，有的也可分泌到胞外。真核細胞中新合成的多肽被送往溶酶體、線粒體、葉綠體胞核等細胞器。所以新合成的多肽的輸送是有目的、定向地進行的。(蛋白質的分揀和靶向)第三節(jié)第三節(jié)蛋白質合成后的轉運 真核細胞中有兩種類型的核糖體真核細胞中有兩種類型的核糖體, ,分別為膜分別為膜結合核糖體和游離核糖體結合核糖體和游離核糖體. .這兩種核糖體在這兩種核糖體在化學組成上并無

16、差異化學組成上并無差異, ,但在合成蛋白質的種但在合成蛋白質的種類上卻有分工類上卻有分工. . 游離核糖體合成的蛋白質一般屬于胞漿蛋游離核糖體合成的蛋白質一般屬于胞漿蛋白白, ,或進入各種細胞器或進入各種細胞器. .而膜結合核糖體合而膜結合核糖體合成的蛋白質則屬于膜蛋白或分泌蛋白成的蛋白質則屬于膜蛋白或分泌蛋白. .蛋白蛋白需要靶向輸送需要靶向輸送. .內質網(wǎng)1.分布：動、植物細胞3.功能：核糖體的支架 蛋白質的運輸通道2.種類：粗面內質網(wǎng) 滑面內質網(wǎng)膜蛋白和分泌蛋白膜蛋白和分泌蛋白胞內蛋白胞內蛋白 蛋白質的轉運可分為兩大類蛋白質的轉運可分為兩大類: 共翻譯機制共翻譯機制:蛋白質的合成和轉運是

17、同時蛋白質的合成和轉運是同時發(fā)生的發(fā)生的-信號肽理論信號肽理論 翻譯后機制翻譯后機制:蛋白質從核糖體上釋放后才蛋白質從核糖體上釋放后才發(fā)生轉運發(fā)生轉運-導肽理論導肽理論 定義定義: :所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，主要為末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉主要為末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列信號序列（signal sequencesignal sequence）。）。 作用作用: :使核蛋白體與內質網(wǎng)上的受體結合使核蛋白體與內質網(wǎng)上的受體結合; ;肽鏈進肽鏈進入內質網(wǎng)

18、后經(jīng)其運至靶器官入內質網(wǎng)后經(jīng)其運至靶器官, ,后經(jīng)信號肽酶切除后經(jīng)信號肽酶切除. . 結構結構: :由由13351335個氨基酸組成個氨基酸組成, ,分為三個區(qū)分為三個區(qū): : N N端為親水區(qū)端為親水區(qū), ,含有堿性氨基酸含有堿性氨基酸, ,提供正電荷提供正電荷. . 中間為疏水區(qū)中間為疏水區(qū), ,為中性或疏水性氨基酸為中性或疏水性氨基酸(1015(1015個個).). C端端 小分子氨基酸（信號肽酶裂解部位）小分子氨基酸（信號肽酶裂解部位） 起始位點 + M M A A G P R T S L L L A F A L L C L P W T Q V V G A L P V C 極性 疏水核

19、心 剪切位點 氨基酸 成熟蛋白 圖15-37 信號肽的結構(仿B.Lewin:GENES,1997, Fig .10.14) 信號肽序列通常在被轉運多肽鏈的信號肽序列通常在被轉運多肽鏈的N N端，這些序列端，這些序列在在10104040個氨基酸殘基范圍，氨基端至少含有一個氨基酸殘基范圍，氨基端至少含有一個帶正電荷的氨基酸，在中部有一段長度為個帶正電荷的氨基酸，在中部有一段長度為10101515個氨基酸殘基的由高度疏水性的氨基酸組成的個氨基酸殘基的由高度疏水性的氨基酸組成的肽鏈，常見的為丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、異亮肽鏈，常見的為丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、異亮氨酸和苯丙氨酸。氨酸和苯丙氨酸。這個疏水

20、區(qū)極重要，其中某一這個疏水區(qū)極重要，其中某一個氨基酸被極性氨基酸置換時，信號肽即失去功個氨基酸被極性氨基酸置換時，信號肽即失去功能能。在信號肽的。在信號肽的C C端有一個可被信號肽酶識別的位端有一個可被信號肽酶識別的位點，此位點上游常有一段疏水性較強的點，此位點上游常有一段疏水性較強的5 5肽，信號肽，信號肽酶切點上游的第一個肽酶切點上游的第一個( (1)1)及第三個及第三個( (3)3)氨基氨基酸常為具有一個小側鏈的氨基酸酸常為具有一個小側鏈的氨基酸( (如丙氨酸如丙氨酸) )。 分泌性蛋白質進入內質網(wǎng)需多種蛋白分泌性蛋白質進入內質網(wǎng)需多種蛋白成分的協(xié)助：成分的協(xié)助：1 1、信號肽識別顆粒（

21、信號肽識別顆粒（SRPSRP）：）： 結合信號肽、核蛋白體結合信號肽、核蛋白體2 2、SRPSRP受體（受體（ SRPSRP對接蛋白對接蛋白 DPDP ）：）： 可與可與 SRPSRP結合結合3 3、核蛋白體受體：核蛋白體受體：與核蛋白體大與核蛋白體大 亞基結合使其與亞基結合使其與ERER膜穩(wěn)定結合膜穩(wěn)定結合4 4、肽轉位復合物：肽轉位復合物：形成新生肽鏈跨形成新生肽鏈跨 ERER膜蛋白通道膜蛋白通道信號肽引導真核分泌蛋白進入內質網(wǎng)信號肽引導真核分泌蛋白進入內質網(wǎng) 共翻譯運輸共翻譯運輸CytoplasmNucleusEndoplasmic ReticulumRibosomesSmoothRou

22、ghGogi Complex高爾基體膜的高爾基體膜的厚度和化學成分介厚度和化學成分介于內質網(wǎng)膜與細胞于內質網(wǎng)膜與細胞膜之間。在活細胞膜之間。在活細胞中，這三種膜可以中，這三種膜可以互相轉變。互相轉變。3 3分鐘后標記的氨分鐘后標記的氨基酸出現(xiàn)在附有核糖體基酸出現(xiàn)在附有核糖體的內質網(wǎng)中。的內質網(wǎng)中?？茖W家用科學家用標記標記亮氨酸供給豚鼠的胰腺亮氨酸供給豚鼠的胰腺細胞以合成蛋白質。細胞以合成蛋白質。1717分鐘后，標記的分鐘后，標記的氨基酸出現(xiàn)在高爾基體氨基酸出現(xiàn)在高爾基體中。中。117117分鐘后，標記分鐘后，標記的氨基酸出現(xiàn)在細胞膜的氨基酸出現(xiàn)在細胞膜內運輸?shù)鞍踪|的小泡及內運輸?shù)鞍踪|的小泡及細

23、胞外的分泌物中。細胞外的分泌物中。蛋白質的分泌運輸直接聯(lián)系直接聯(lián)系細胞膜細胞膜核膜核膜線粒體膜線粒體膜間接聯(lián)系間接聯(lián)系高爾基體高爾基體小泡小泡突起突起小泡小泡核糖體翻譯的蛋白質核糖體翻譯的蛋白質折疊、組裝、加上一些糖基團進一步加工細胞膜細胞內的動力站細胞內的動力站線粒體線粒體比較成熟的蛋白質比較成熟的蛋白質高爾基體高爾基體內內 質質 網(wǎng)網(wǎng) 腔腔核糖體核糖體內質網(wǎng)內質網(wǎng)高爾基體高爾基體細胞膜細胞膜合成肽鏈合成肽鏈折疊、組裝折疊、組裝糖基化糖基化運輸運輸濃縮濃縮加工加工運輸運輸外排外排線粒體供能線粒體供能 除了分泌蛋白外除了分泌蛋白外,體內還存在一種跨膜蛋白體內還存在一種跨膜蛋白質質,如線粒體如線粒體,葉綠體等細胞器膜蛋白葉綠體等細胞