蛋白質(zhì)的生物合成分子生物學(xué)

1、蛋白質(zhì)的生物合成氨基酸活化肽鏈的起始肽鏈的延伸肽鏈的終止新合成多肽鏈的折疊和加工1階 段1氨基酸的活化2肽鏈的起始3肽鏈的延伸4肽鏈的終止5折疊和加工必 需 組 分20種氨基酸20種氨基酰-tRNA合成酶20種或更多的tRNAATP，Mg2+mRNAN-甲酰甲硫氨酰-tRNAmRNA上的起始密碼子（AUG）核糖體小亞基核糖體大亞基GTP，Mg2+起始因子（IF-1，IF-2，IF-3）功能核糖體（起始復(fù)合物）AA-tRNA伸長(zhǎng)因子GTP，Mg2+肽基轉(zhuǎn)移酶GTPmRNA上的終止密碼子釋放因子（RF-1，RF-2，RF-3）參與起始氨基酸的切除、修飾等加工過程的酶蛋白質(zhì)合成各階段的主要成分簡(jiǎn)表2

2、Mg2+1.氨基酸的活化氨基酸必須在氨酰tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸AA-tRNA20種氨基酸20種氨酰-tRNA合成酶20種或更多的tRNAATP3*同一氨酰-tRNA合成酶具有把相同氨基酸加到兩個(gè)或更多個(gè)帶有不同反義密碼子tRNA分子上的功能。真核生物起始tRNA是Met-tRNAMet，原核生物起始tRNA是fMet-tRNAfMet 。tRNA與相應(yīng)氨基酸的結(jié)合是蛋白質(zhì)合成中的關(guān)鍵步驟，可確保多肽合成的準(zhǔn)確性。4蛋白質(zhì)合成的起始是指:在模板mRNA編碼區(qū)5端形成核糖體-mRNA-起始tRNA復(fù)合物,并將(甲酰)甲硫氨酸放入核糖體P位點(diǎn)。2. 翻譯的起始5mRNA(甲酰)甲硫氨酰

3、tRNAmRNA上的起始密碼子核糖體小亞基核糖體大亞基GTP, Mg2+起始因子翻譯的起始需要6 The ribosome must berecruited to the mRNA; A charged tRNA must beplaced into the P site ofthe ribosome; The ribosome must beprecisely positioned over thestart codon (This is critical).Three events must occur fortranslation to be successfully initiated

4、7真核生物: 40 S小亞基首先與Met-tRNAMet相結(jié)合， 再與模板mRNA結(jié)合， 最后與60S大亞基結(jié)合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始復(fù)合物。翻譯的起始原核生物: 30 S小亞基首先與mRNA模板相結(jié)合， 再與fMet-tRNAfMet結(jié)合， 最后與50 S大亞基結(jié)合生成70SmRNAfMet-tRNAMet起始復(fù)合物。8細(xì)菌的翻譯的起始30 S小亞基模板mRNAfMet-tRNAfmet3個(gè)翻譯起始因子，IF-1, IF-2, IF-3GTP50 S大亞基Mg 2+9A specialized tRNA (initiator tRNA) chargedwith a mo

5、dified methionine (f-Met) bindsdirectly to the prokaryotic small subunitN-甲酰甲硫氨酸10A special initiator tRNA starts thepolypeptide chain11A model of initiation factor binding tothe 30S ribosomal subunit IF1 防止tRNA結(jié)合到小亞基未來A位點(diǎn)的位置上。 IF2是GTP酶,它與起始過程的3個(gè)主要成分相互作用,催化fMet-tRNAifMet和小亞基的結(jié)合，并阻止其他負(fù)載tRNA與小亞基結(jié)合。 IF

6、3結(jié)合于小亞基并阻止其與大亞基結(jié)合，對(duì)新的循環(huán)至關(guān)重要。12 30S亞基具有專一性的識(shí)別和選擇mRNA起始位點(diǎn)的性質(zhì), IF3協(xié)助該亞基完成這種選擇。 幾乎所有原核生物mRNA上都有一個(gè)5-AGGAGGU-3序列 (SD序列)，這個(gè)富嘌呤區(qū)與30S亞基上16S rRNA 3末端的富嘧啶區(qū)5-GAUCACCUCCUUA-3相互補(bǔ)。The 16S rRNA interacts with the ribosomebinding site to position the AUG in the P site13細(xì)菌翻譯的起始翻譯起始復(fù)合物的形成:1. 30S小亞基與翻譯起始因子IF-1，IF-3結(jié)合，通

7、過SD序列與mRNA模板相結(jié)合。2. fMet-tRNAfMet在IF-2的協(xié)同下進(jìn)入小亞基的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對(duì)。3. 帶有tRNA、mRNA、三個(gè)翻譯起始因子的小亞基復(fù)合物與50S大亞基結(jié)合，釋放翻譯起始因子。14Met-tRNAMet不甲?；?，40S亞基對(duì)mRNA起始密碼子的識(shí)別經(jīng)過掃描(Scanning)。真核生物蛋白質(zhì)生物合成的起始真核生物蛋白質(zhì)生物合成的起始有其特點(diǎn)：核糖體較大，有較多的起始因子，mRNA具有m7GpppNp帽子結(jié)構(gòu)，mRNA分子5 端的“帽子”和3 端的多聚A都參與形成翻譯起始復(fù)合物，15The 5 end of eukaryot

8、ic mRNA is capped真核mRNA通過帽子結(jié)構(gòu)recruit核糖體(eIF-4E能專一地識(shí)別帽子結(jié)構(gòu))，起始反應(yīng).帽子在mRNA與40 S小亞基結(jié)合過程中起穩(wěn)定作用.帶帽子的mRNA 5端與18 S rRNA的3端序列之間存在不同于SD序列的堿基配對(duì)型相互作用.16真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的起始需要起始因子及一個(gè)特殊的起始tRNA解開mRNA末端的二級(jí)結(jié)構(gòu)43S起始前復(fù)合體對(duì)mRNA的識(shí)別是從對(duì)5帽結(jié)構(gòu)的識(shí)別開始的。該過程由eIF4F介導(dǎo)。eIF3與eIF4F相互作用募集43S起始前復(fù)合體到mRNA上17Kozak的“掃描模型”真核生物核糖體從mRNA的5端（帽子)向包括AUG起始密碼

9、子的核糖體結(jié)合位點(diǎn)滑動(dòng)。依賴于ATP。G(A)及AUG后面的G可十倍地影響翻譯效率18起始密碼子的識(shí)別是通過起始tRNA的反密碼子和起始密碼子之間的堿真核細(xì)胞小亞基對(duì)起始AUG的識(shí)別由eIF4F的RNA解旋酶所驅(qū)動(dòng)eIF2和eIF3的脫離使得大亞基結(jié)合到小亞基上基配對(duì)作用大亞基的結(jié)合刺激了eIF5B-GTP的水解，導(dǎo)致剩余起始因子釋放19Translation initiation factors holdeukaryotic mRNAs in circles一旦核糖體完成了通過poly-A尾而環(huán)化的mRNA的翻譯，新釋放的核糖體被理想地置于同一mRNA的起始翻譯位點(diǎn)上，提高mRNA的翻譯效率

10、。20 生成起始復(fù)合物，第一個(gè)氨基酸（fMet/Met-tRNA）與核糖體結(jié)合以后，肽鏈開始伸長(zhǎng)。 按照mRNA模板密碼子的排列，氨基酸通過新生肽鍵的方式被有序地結(jié)合上去。 肽鏈延伸中的每個(gè)循環(huán)都包括:AA-tRNA與核糖體結(jié)合;肽鍵的生成;移位。3. 肽鏈的延伸21肽鏈的延伸需要功能核糖體（起始復(fù)合物）AAtRNA伸長(zhǎng)因子GTP, Mg2+肽基轉(zhuǎn)移酶22細(xì)菌中肽鏈延伸的第一步反應(yīng)：新的氨酰-tRNA結(jié)合到A位。該 氨 酰 -tRNA 首 先 與 EF-Tu GTP形成復(fù)合物，進(jìn)入核糖體的A位，水解產(chǎn)生GDP并在EF-Ts的作用下釋放GDP并使EF-Tu結(jié)合另一分子GTP，進(jìn)入新一輪循環(huán)。1)

11、 后續(xù)AA-tRNA與核糖體結(jié)合23 由于EF-Tu只能與fMet-tRNA以外的其他AA-tRNA起反應(yīng)，所以起始tRNA不會(huì)被結(jié)合到A位上，mRNA內(nèi)部的AUG不會(huì)被起始tRNA讀出，肽鏈中間不會(huì)出現(xiàn)甲酰甲硫氨酸。242) 肽鍵的生成 在核糖體mRNAAA-tRNA復(fù)合物中，AA-tRNA占據(jù)A位，fMet-tRNAfMet占據(jù)P位。 生長(zhǎng)肽鏈的C端與P位的tRNA分離,與新的氨基酸之間形成肽鍵。 構(gòu)象的變化導(dǎo)致大亞基的移動(dòng)，使兩個(gè)tRNA的N端移到大亞基的E和P位，而在小亞基中它們?nèi)晕挥赑和A位。25多肽鏈上肽鍵的形成縮合反應(yīng)Peptide bonds areformed by tran

12、sfer ofthe growing peptide chainfrom peptidyl-tRNA toaminoacyl-tRNA.Protein is synthesized in aN- to C- terminaldirection2627核糖體是核酶RNA環(huán)繞著大亞基的肽轉(zhuǎn)移酶中心肽鍵的形成是由23S rRNA組分催化的：23S rRNA與處于A和P位點(diǎn)的tRNA的CCA末端之間的堿基配對(duì)，幫助氨基酰tRNA的氨基基團(tuán)攻擊結(jié)合于肽酰-tRNA的多肽的碳基團(tuán)。28核糖體通過EF-G介導(dǎo)的GTP水解所提供的能量向mRNA模板3末端移動(dòng)一個(gè)密碼子，使兩個(gè)tRNA完全進(jìn)入E位和P位(去氨酰

13、tRNA被擠入E位; 肽基-tRNA進(jìn)入P位)，mRNA上的第三位密碼子對(duì)應(yīng)于A位準(zhǔn)備開始新一輪肽鏈延伸。3)移位29用嘌呤霉素(AA-tRNA的結(jié)構(gòu)類似物)作為抑制劑做實(shí)驗(yàn)表明,核糖體沿mRNA移動(dòng)與肽基-tRNA的移位這兩個(gè)過程是耦聯(lián)的。肽鏈延伸是由許多個(gè)這樣的反應(yīng)組成的：原核生物中每次反應(yīng)共需3個(gè)延伸因子，EF-Tu、EF-Ts及EF-G，真核生物細(xì)胞需EF-1及EF-2，消耗2個(gè)GTP，向生長(zhǎng)中的肽鏈加上一個(gè)氨基酸。304. 肽鏈的終止需要 GTP mRNA上的終止密碼子 釋放因子31 當(dāng)終止密碼子UAA、UAG或UGA出現(xiàn)在核糖體的A位時(shí)，沒有相應(yīng)的AA-tRNA能與之結(jié)合. 釋放因

14、子能識(shí)別這些密碼子并與之結(jié)合，水解P位上多肽鏈與tRNA之間的二酯鍵，釋放新生的肽鏈和tRNA. 核糖體大、小亞基解體，蛋白質(zhì)合成結(jié)束。 釋放因子RF具有GTP酶活性，它催化GTP水解，使肽鏈與核糖體解離。4. 肽鏈的終止32I類釋放因子： 識(shí)別終止密碼子， 能催化新合成的多肽鏈從P位點(diǎn)的tRNA中水解釋放出來；II類釋放因子： 在多肽鏈釋放后刺激I類釋放因子從核糖體中解離出來。釋放因子(終止因子)33細(xì)菌細(xì)胞: RF1 (I類) 能識(shí)別UAG和UAA， RF2 (I類)識(shí)別UGA和UAA。一旦RF與終止密碼相結(jié)合，它們就能誘導(dǎo)肽基轉(zhuǎn)移酶把一個(gè)水分子而不是氨基酸加到延伸中的肽鏈上。 RF3 (

15、II類)與核糖體的解體有關(guān)。真核細(xì)胞： eRF1 (I類) 能識(shí)別三個(gè)終止密碼子， eRF3 (II類)34TerminationElongationOverview of the events of translationInitiation35Differences between bacteria and eukaryotesEukaryotes Ribosome: 40S+60S- 80S Many initiation factors eIF1, eIF1A, eIF2, eIF2B, eIF3,eIF4A, eIF4B, eIF4E, eIF4F,eIF4G, eIF4H, eIF

16、5, eIF5B, eIF6 Elongation factors eEF1, eEF2 Release factors eRF1, eRF3 Most mRNA is capped at 5 end andpolyadenylated at 3 end 40S particle is recruited to 5 capstructure or poly(A) tail or aninternal ribosome entry site (IRES) Translation is always (?) incytoplasm apart from transcription Bacteria

17、 Ribosome: 30S+50S - 70S Few initiation factors: IF-1(eIF1A), IF-2(eIF5B), IF-3 (?)Elongation factors EF1A (EF-Tu), EF1B (EF-Ts),EF2 (EF-G)Release factors RF-1, RF2, RF3mRNA is not cappedDirect binding of 30S particlenext to initiation codon (AUG)at Shine-Dalgarno sequence,5-AGGAGGU-3Translation cou

18、pled totranscription36新生的多肽鏈大多數(shù)沒有功能，必須經(jīng)過加工修飾才能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚缘鞍踪|(zhì)。蛋白質(zhì)前體的加工蛋白質(zhì) 的 前 體 加 工 包 括： N端fMet或Met的切除 二硫鍵的形成 特定氨基酸的修飾 切除新生肽鏈中的非功能片段37左:新生蛋白質(zhì)在去掉N端一部分殘基后變成有功能的蛋白質(zhì)右:某些病毒或細(xì)菌可合成無活性的多聚蛋白質(zhì)，經(jīng)蛋白酶切割后成為有功能成熟蛋白。新生蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶切割后變成有功能的成熟蛋白質(zhì)381、N端fMet或Met的切除無論原核生物還是真核生物，N端的甲硫氨酸往往在多肽鏈合成完畢前就被一種氨肽酶切除。蛋白質(zhì)前體的加工392、二硫鍵的形成 蛋白質(zhì)的二硫鍵

19、是蛋白質(zhì)合成后通過兩個(gè)半胱氨酸的氧化作用生成的。 二硫鍵的正確形成對(duì)穩(wěn)定蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象具有重要的作用。蛋白質(zhì)前體的加工40氨基酸側(cè)鏈的修飾作用包括：磷酸化（如核糖體蛋白質(zhì)）糖基化（如各種糖蛋白）甲基化（如組蛋白）乙?；ㄈ缃M蛋白）泛素化羥基化（如膠原蛋白）羧基化等蛋白質(zhì)前體的加工3、特定氨基酸的修飾41磷酸化(Phosphorylation)主要由多種蛋白激酶催化，發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸等三種氨基酸的側(cè)鏈。PKs (protein kinases) and PPs (proteinphosphatases) mediate phosphorylation anddephosphoryl

20、ation of proteins respectively.42糖基化 糖蛋白主要是蛋白質(zhì)側(cè)鏈上的天冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸殘基加上糖基形成的； 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可能是蛋白質(zhì)N-糖基化的主要場(chǎng)所。 所有的分泌蛋白和膜蛋白幾乎都是糖基化蛋白質(zhì)。43前胰島素原蛋白翻譯后成熟過程4、切除新生肽鏈中非功能片段44蛋白質(zhì)的折疊 蛋白質(zhì)折疊是翻譯后形成功能蛋白質(zhì)的必經(jīng)階段 。 是一個(gè)復(fù)雜的過程:首先折疊成二級(jí)結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)一步折疊盤繞成三級(jí)結(jié)構(gòu)。對(duì)于單鏈多肽蛋白質(zhì)，三級(jí)結(jié)構(gòu)就已具有蛋白質(zhì)的功能；對(duì)于寡聚蛋白質(zhì)，仍需進(jìn)一步組裝成更為復(fù)雜的四級(jí)結(jié)構(gòu)，才能表現(xiàn)出天然蛋白的活性或功能。45分子伴侶（molecular ch

21、aperone）分子伴侶是一類序列上沒有相關(guān)性但有共同功能的保守性蛋白質(zhì)，它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)能幫助其它多肽進(jìn)行正確的折疊、組裝、運(yùn)轉(zhuǎn)和降解。46蛋白質(zhì)暴露的疏水區(qū)域能相互作用分子伴侶控制蛋白質(zhì)折疊時(shí)的相互作用47伴侶蛋白在其內(nèi)部對(duì)底物蛋白質(zhì)進(jìn)行折疊48分子伴侶的分類(1) 熱休克蛋白（heat shock protein）它是一類應(yīng)激反應(yīng)性蛋白，包括HSP70、HSP40和GrpE三族，廣泛存在于原核及真核細(xì)胞中。三者協(xié)同作用，促使某些能自發(fā)折疊的蛋白質(zhì)正確折疊形成天然空間構(gòu)象。(2) 伴侶素（chaperonin）包括HSP60和HSP10（原核細(xì)胞中的同源物分別為GroEL和GroES），它主要

22、是為非自發(fā)性折疊蛋白提供能折疊形成天然結(jié)構(gòu)的微環(huán)境。49分子伴侶的作用伴侶分子在新生肽鏈折疊中的作用： 防止或消除肽鏈的錯(cuò)誤折疊， 增加功能性蛋白質(zhì)折疊產(chǎn)率來發(fā)揮作用，而非加快折疊反應(yīng)速度， 分子伴侶本身并不參與最終產(chǎn)物的形成。50蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑主要是一些抗生素，如嘌呤霉素、鏈霉素、四環(huán)素、氯霉素、紅霉素等。此外，5-甲基色氨酸、環(huán)已亞胺、白喉毒素、蓖麻蛋白和其他核糖體滅活蛋白都能抑制蛋白質(zhì)的合成。蛋白質(zhì)合成 抑 制 劑51蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑的作用原理 阻止mRNA與核糖體的結(jié)合； 阻止AA-tRNA與核糖體的結(jié)合； 干擾AA-tRNA與核糖體結(jié)合而產(chǎn)生錯(cuò)讀； 作為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑抑制

23、蛋白質(zhì)的合成.52鏈霉素是一種堿性三糖,可以多種方式抑制原核生物核糖體 ： 能干擾fMet-tRNA與核糖體的結(jié)合，從而阻止蛋白質(zhì)合成的正確起始， 也會(huì)導(dǎo)致mRNA的錯(cuò)讀。若以多聚(U)作模板，則除苯丙氨酸（UUU）外，異亮氨酸（AUU）也會(huì)被摻入。 鏈霉素的作用位點(diǎn)在30 S亞基上。53通過提前釋放肽鏈來抑制蛋白質(zhì)合成的 不需要延伸因子就可以結(jié)合在核糖體的A位上，抑制AA-tRNA的進(jìn)入。 它所帶的氨基也能與生長(zhǎng)中的肽鏈上的羧基反應(yīng)生成肽鍵，反應(yīng)的產(chǎn)物是一條3羧基端掛了一個(gè)嘌呤霉素殘基的小肽,肽酰嘌呤霉素隨后從核糖體上解離出來。嘌呤霉素是AA-tRNA的結(jié)構(gòu)類似物54 氯霉素阻止mRNA與核

24、糖體的結(jié)合； 四環(huán)素類阻止AA-tRNA與核糖體的結(jié)合； 鏈霉素、新霉素、卡那霉素干擾AA-tRNA與核糖體結(jié)合而產(chǎn)生錯(cuò)讀。5556青霉素、四環(huán)素和紅霉素只與原核細(xì)胞核糖體發(fā)生作用，從而阻遏原核生物蛋白質(zhì)的合成，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。氯霉素和嘌呤霉素既能與原核細(xì)胞核糖體結(jié)合，又能與真核生物核糖體結(jié)合，妨礙細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成，影響細(xì)胞生長(zhǎng)。干擾素是真核細(xì)胞感染病毒后產(chǎn)生的一類有抗病毒作用的蛋白質(zhì)。它可抑制病毒繁殖，保護(hù)宿主。57由于細(xì)胞各部分都有特定的蛋白質(zhì)組分，因此合成的蛋白質(zhì)必須準(zhǔn)確無誤地定向運(yùn)送才能保證生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制58蛋白質(zhì)在兩種場(chǎng)所內(nèi)合成 大部分蛋白質(zhì)是由細(xì)胞質(zhì)中的核糖體合成

25、的 小部分蛋白質(zhì)是由某些器官，如線粒體、葉綠體中的核糖體合成的在細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)根據(jù)其位置又分為：1、與膜結(jié)合的；2、不與膜結(jié)合的。59 蛋白質(zhì)怎樣從合成的部位運(yùn)送至功能部位的？ 它們又是如何跨膜運(yùn)送的？ 跨膜之后又是依靠什么信息到達(dá)各自“崗位”？60兩種運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī) 制 ： 翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制(co-translational)某個(gè)蛋白質(zhì)的合成和運(yùn)轉(zhuǎn)是同時(shí)發(fā)生的 翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制(post-translational)蛋白質(zhì)從核糖體上釋放后才發(fā)生的運(yùn)轉(zhuǎn)這兩種運(yùn)轉(zhuǎn)方式都涉及到蛋白質(zhì)分子內(nèi)特定區(qū)域與細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系。61蛋白質(zhì)合成和運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖進(jìn)行翻譯時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的蛋白質(zhì):在合成過程中與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合，核糖

26、體是“膜結(jié)合”的。合成后，蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，經(jīng)高爾基體后穿出細(xì)胞質(zhì)膜。如果這些蛋白質(zhì)具有某種信號(hào)，則可能駐留在運(yùn)輸途徑中的某一環(huán)節(jié)，也可直接定位于其它細(xì)胞器(溶酶體等)。進(jìn)行翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)的蛋白質(zhì):在細(xì)胞質(zhì)中游離核糖體上合成之后釋放入細(xì)胞質(zhì)，其中一些具有線粒體定位信號(hào)或核定位信號(hào)。62幾類主要蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白性質(zhì)運(yùn) 轉(zhuǎn) 機(jī) 制主 要 類 型分泌蛋白質(zhì)在結(jié)合核糖體上合成，以翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制運(yùn)輸細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等細(xì)胞器發(fā)育膜的形成蛋白質(zhì)在游離核糖體上合成，以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制運(yùn)輸兩種機(jī)制兼有核、葉綠體、線粒體、乙醛酸循環(huán)體、過氧化物酶體等細(xì)胞器中的蛋白質(zhì)質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

27、、類囊體中的蛋白質(zhì)63翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制蛋白質(zhì)定位信息存在于自身結(jié)構(gòu)中，并通過與膜上特殊受體的相互作用得以表達(dá), 即蛋白質(zhì)通過其信號(hào)序列與膜或其它任何結(jié)構(gòu)結(jié)合-信號(hào)肽假說的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)也是由mRNA編碼的。64信號(hào)序列：在起始密碼子后，有一段編碼疏水性氨基酸序列的RNA區(qū)域，這個(gè)氨基酸序列就被稱為信號(hào)序列。信號(hào)序列在結(jié)合核糖體上合成后便與膜上特定受體相互作用，產(chǎn)生通道，允許這段多肽在延長(zhǎng)的同時(shí)穿過膜結(jié)構(gòu)。信號(hào)序列啟動(dòng)蛋白的運(yùn)轉(zhuǎn)邊翻譯邊跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)65蛋白質(zhì)通過其N-端的信號(hào)肽在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)到不同的細(xì)胞器絕大部分被運(yùn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的蛋白質(zhì)都帶有一個(gè)信號(hào)肽(signalpeptide)，位于

28、蛋白質(zhì)的氨基末端（13-36個(gè)殘基）：（1）一般帶有10-15個(gè)疏水氨基酸；（2）在靠近該序列N-端常常有1個(gè)或數(shù)個(gè)帶正電荷的氨基酸；（3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位點(diǎn)處常常帶有數(shù)個(gè)極性氨基酸，離切割位點(diǎn)最近的那個(gè)氨基酸往往帶有很短的側(cè)鏈（丙氨酸或甘氨酸）。66 信號(hào)肽能夠形成包括兩個(gè)-螺旋的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。 這一結(jié)構(gòu)在信號(hào)識(shí)別顆粒(signalrecognition particle ,簡(jiǎn)稱SRP)的幫助下插入到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜中。67signal recognition particle ( SRP) SRP是一個(gè)小的RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體,由約300個(gè)核苷酸的7S RNA和6種緊密結(jié)合的蛋白質(zhì)(

29、分子量從972KDa)所組成。 在翻譯過程中它能夠識(shí)別信號(hào)序列，指導(dǎo)核糖體到轉(zhuǎn)運(yùn)通道。68SRP可以分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：（）信號(hào)識(shí)別結(jié)構(gòu)域:由7S RNA的大約第100至第25個(gè)核苷酸部分與19KDa、54KDa、68KDa和72KDa蛋白質(zhì)所構(gòu)成。（）延伸作用制動(dòng)結(jié)構(gòu)域: 7S RNA的其余部分(相當(dāng)于Alu序列)與9KDa和14KDa蛋白質(zhì)所構(gòu)成,其功能是使肽鏈的延伸暫停。69SRP（信號(hào)識(shí)別蛋白）能同時(shí)識(shí)別需要通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的新生肽和自由核糖體，并導(dǎo)致該多肽合成的暫時(shí)終止（此時(shí)新生肽一般長(zhǎng)約70個(gè)殘基左右）。SRP-信號(hào)肽-多核糖體復(fù)合物即被引向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜并與SRP的受體Docking

30、Protein（?？康鞍祝址QSRP受體蛋白）相結(jié)合。SRP和DP蛋白介導(dǎo)了蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)過程70 只有當(dāng)SRP與DP相結(jié)合時(shí)，多肽合成才恢復(fù)進(jìn)行，信號(hào)肽部分通過膜上的核糖體受體及蛋白運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)合物跨膜進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔，新生肽鏈重新開始延伸。 SRP與DP的結(jié)合很可能導(dǎo)致受體聚集而形成膜孔道，使信號(hào)肽及與其相連的新生肽得以通過。SRP和DP蛋白介導(dǎo)了蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)過程71蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)肽假說及其運(yùn)輸過程72信號(hào)肽在蛋白質(zhì)運(yùn)輸過程中的作用 完整的信號(hào)肽是保證蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。 僅有信號(hào)肽還不足以保證蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)生。還要求運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)在信號(hào)序列以外的部分有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化。 信號(hào)序列的切除并

31、不是運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的。 并非所有的運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)都有可降解的信號(hào)肽?！靶盘?hào)肽”：能啟動(dòng)蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的任何一段多肽73新生蛋白質(zhì)通過同步轉(zhuǎn)運(yùn)途徑進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的主要過程。74翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制1、線粒體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)2、前導(dǎo)肽的作用和性質(zhì)3、葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)75線粒體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)被運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)大多數(shù)以前體形式存在：由成熟蛋白質(zhì)和位于N端的前導(dǎo)肽（leader peptide）組成是一種需能過程；來自線粒體Hsp70引發(fā)的ATP水解和膜電位差運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，首先由外膜上的Tom受體復(fù)合蛋白識(shí)別與Hsp70或MSF等分子伴侶相結(jié)合為待運(yùn)轉(zhuǎn)多肽，通過Tom和Tim組成的膜通道進(jìn)入線粒體內(nèi)腔。76帶正電荷的堿性氨基酸

32、（特別是精氨酸）含量較為豐富，分散于不帶電荷的氨基酸序列之間；缺少帶負(fù)電荷的酸性氨基酸；羥基氨基酸(Ser等)含量較高；有形成兩親(既有親水又有疏水部分)-螺旋結(jié)構(gòu)的能力。前導(dǎo)肽的作用與性質(zhì)77前導(dǎo)肽的不同區(qū)域可能在蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)過程中起不同的作用“止運(yùn)入”肽段78葉綠體多肽在胞質(zhì)中的游離核糖體上合成后脫離核糖體并折疊成具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子，多肽上某些特定位點(diǎn)結(jié)合于只有葉綠體膜上才有的特異受體位點(diǎn)。葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)79葉綠體定位信號(hào)肽一般有兩個(gè)部分： 第一部分決定該蛋白質(zhì)能否進(jìn)入葉綠體基質(zhì)， 第二部分決定該蛋白能否進(jìn)入類囊體。80葉綠體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)可溶性的活性蛋白水解酶位于葉綠體基

33、質(zhì)內(nèi)，這是鑒別翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)的指標(biāo)之一。葉綠體膜上有識(shí)別葉綠體蛋白的特異性受體，能夠特異地與葉綠體蛋白的前體結(jié)合。葉綠體蛋白質(zhì)前體內(nèi)可降解序列因植物和蛋白質(zhì)種類不同而表現(xiàn)出差異。81核定位蛋白的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制在細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)核孔細(xì)胞核82Nuclear pores are used for import and export83Nuclear pores are large symmetrical structuresNuclear pores appear as annular structures (環(huán)狀八重對(duì)稱結(jié)構(gòu)84A carrier proteinbinds to asubstrate,

34、 moveswith it through thenuclear pore, isreleased on theother side, andmust be returnedfor reuse.Transportreceptors carrycargo proteinsthrough the pore85SHRIKESH SACHDEV, et al., MOLECULARAND CELLULAR BIOLOGY, 1998, 2524-2534.NES：疏水性氨基酸尤其是亮氨酸和異亮氨酸富集區(qū)域CRM1依賴型：被CRM1 (chromosome region maintenance-1)識(shí)別

35、并結(jié)合，從而攜帶蛋白出核。此種出核能被Leptomycine-B（LMB）抑制。出核信號(hào)序列NES(nuclear export sequences)86為了核蛋白的重復(fù)定位，這些蛋白質(zhì)中的信號(hào)肽被稱為核定位序列 (NLS)一般都不被切除。NLS可以位于核蛋白的任何部位。蛋白質(zhì)向核內(nèi)運(yùn)輸過程需要核運(yùn)轉(zhuǎn)因子（Importin）、和一個(gè)低分子量GTP酶（Ran）參與。核定位序列(NLS-Nuclear Localization Sequence)87經(jīng)典NLS單分型：由48個(gè)aa組成的富含堿性氨基酸的短肽，K(K/R)X(K/R)，被入核因子識(shí)別并攜帶入核。如SV40-NLS(126PKKKRKV

36、132) 。雙分型：由兩簇堿性氨基酸組成，兩簇序列之間被1012個(gè)非保守氨基酸殘基間隔，R/K(X)10-12RRKK。如Nucleoplasmin: KR-10aa-KKKL171，P53: KR-12aa-KKK321。 非經(jīng)典NLS1：如IB，包含于第二錨蛋白重復(fù)序列上，疏水性氨基酸。核定位信號(hào)序列NLS88核定位蛋白跨細(xì)胞核膜運(yùn)轉(zhuǎn)過程示意圖和組成的異源二聚體是核定位蛋白的可溶性受體，與核定位序列相結(jié)合的是亞基。這些蛋白組成的復(fù)合物?？吭诤丝滋?，依靠Ran GTP酶水解GTP提供的能量進(jìn)入細(xì)胞核。和亞基解離，核蛋白與亞基解離，和分別通過核孔復(fù)合體回到細(xì)胞質(zhì)中，起始新一輪蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)。89B

37、acterial proteins may be exported either post-translationally or co-translationally, and may be locatedwithin either membrane or the periplasmic space, or may besecreted.Bacteria use both co-translationaland post-translational translocation90細(xì)菌中蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)細(xì)胞膜運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)合物SecA-SecYEG分子伴侶9192蛋白質(zhì)的降解蛋白質(zhì)降解是一個(gè)有序的過程。

38、2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：阿龍切哈諾夫（以色列）阿夫拉姆赫爾什科（以色列)歐文羅斯（美）找到了人體細(xì)胞控制和調(diào)節(jié)某種人體蛋白質(zhì)數(shù)量多少的方法。他們發(fā)現(xiàn)，人體細(xì)胞通過給無用蛋白質(zhì)“貼標(biāo)簽”的方法，幫助人體將那些被貼上標(biāo)記的蛋白質(zhì)進(jìn)行“廢物處理”， 使它們自行破裂、自動(dòng)消亡。泛素調(diào)控的蛋白質(zhì)降解具有重要的生理意義,它不僅能夠清除錯(cuò)誤蛋白質(zhì),對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)周期、DNA復(fù)制以及染色體結(jié)構(gòu)都有重要的調(diào)控作用，而且對(duì)于理解細(xì)胞的許多生理過程和新藥的開發(fā)具有重要的意義。93 在大腸桿菌中，許多蛋白質(zhì)的降解是通過一個(gè)依賴于ATP的蛋白酶(稱為L(zhǎng)on)來實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)細(xì)胞中存在有錯(cuò)誤或半衰期很短的蛋白質(zhì)時(shí)，該蛋白酶就被

39、激活。 每切除一個(gè)肽鍵要消耗兩個(gè)分子ATP。949596 真核蛋白的降解依賴于一個(gè)只有76個(gè)氨基酸殘基、其序列高度保守的泛素(Ubiquitin)。 細(xì)胞內(nèi)即將被降解的蛋白首先在ATP的作用下與泛素相連（需要E1(連接泛素), E2(負(fù)責(zé)將泛素從E1轉(zhuǎn)移到底物), E3(結(jié)合底物蛋白)三個(gè)降解因子的參與），并將該復(fù)合體運(yùn)送到特定的蛋白降解體系(蛋白酶體)中直到完全降解。97 成熟蛋白N-端的第一個(gè)氨基酸（除已被切除的N端甲硫氨酸之外，但包括翻譯后修飾產(chǎn)物）在蛋白的降解中有著舉足輕重的影響。 當(dāng)某個(gè)蛋白質(zhì)的N端是甲硫氨酸、苷氨酸、丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和纈氨酸時(shí)，表現(xiàn)穩(wěn)定。 其N端為賴氨酸、精氨

40、酸時(shí)，表現(xiàn)最不穩(wěn)定，平均2-3分鐘就被降解了。98蛋白質(zhì)的半衰期與N-端氨基酸殘基的關(guān)系N-端殘基穩(wěn)定型殘基甲硫氨酸、苷氨酸、丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、纈氨酸不穩(wěn)定型殘基異亮氨酸、谷氨酰胺酪氨酸、谷氨酸脯氨酸亮氨酸、苯丙氨酸、天門冬酰胺、賴氨酸精氨酸半衰期20h30min10min7min3min2min99從DNA到蛋白質(zhì)100泛素化Ubiquitylation Ubiquitylation is the covalent attachment ofubiquitin to the -amino group of lysines viaisopeptide bonds(異肽鍵). Polyme

41、ric ubiquitin chains usually target proteinsfor proteasomal degradation, whereasmonoubiquitylation can control various functions. A hierarchical cascade connecting an activatingenzyme (E1) with several conjugating enzymes (E2)and protein ligases (E3) mediates ubiquitintransfer to a protein.101Enzyme

42、s and reactions of theubiquitin/proteasome system.The E1 catalyzes the formation of a ubiquitin thiol ester in an ATP-dependent reaction.The thiol-linked ubiquitin can then be transferred to an E2 in theconjugation reaction.The ligation reaction is promoted by ubiquitin ligases, or E3 proteins.Ubiqu

43、itination may be reversed by de-ubiquitinases (DUBs).102The crystal structures of E3 ligase and thecomplex of E3 ligase with its substrateDDB1CUL4AROC1泛素連接酶與猴病毒5的V蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu).Angers, et al., Nature, 2006, 443:590.SCFSkp2E2復(fù)合物的結(jié)構(gòu).Zheng, et al., Nature, 2002,416:708.)103A Diverse Array of Ubiquitin Cha

44、in Linkages CanLead to Different Outcomes for the SubstrateProtein and Result in Different Cellular Responses104The regulation of p53 by the ubiquitin system illustrates thecomplex interplay between DUBs and E3 ligasesBy regulating p53 levels through their deubiquitinating activities, USP7 and USP2a

45、may contribute to cancer pathogenesis. Therapeutic strategies that target thesep53-specific DUBs are becoming important as cancer treatments.105TNF-receptor-1and TLR4IL-1-receptor-inducedsignaling pathwaystowards NF-kBactivation106小泛素相關(guān)修飾物修飾（Sumoylation） SUMO (small ubiquitin-like modifier) modifica

46、tion is the covalentattachment of SUMO to lysine residues usually located within ornear the consensus sequence -K-x-E (where , hydrophobic; x,any amino acid residue; K, lysine; E, glutamic acid). Although analogous to ubiquitin in biochemistry, the molecularrole of SUMO conjugation is usually not th

47、e induction of proteindegradation. Sumoylation rather alters protein interactions, proteinlocalization and transport. Four different SUMO proteins have been discovered to datewhich are referred to as SUMO14. A hierarchical cascadeconnects the E1 activating enzyme AOS1-UBA2 with the E2SUMO conjugase Ubc