第六章蛋白质的生物合成

1、欢 迎欢 迎 第三节第三节 蛋白质合成后的折叠与修饰加工蛋白质合成后的折叠与修饰加工基因经转录、翻译形成蛋白质，一般而言，新形基因经转录、翻译形成蛋白质，一般而言，新形成的蛋白质不具备生物活性。必须折叠成正确的成的蛋白质不具备生物活性。必须折叠成正确的空间构象，然后在经过一系列的成熟后加工，才空间构象，然后在经过一系列的成熟后加工，才能成为真正有活性的蛋白质。加工过程包括前体能成为真正有活性的蛋白质。加工过程包括前体加工（切除信号肽）、蛋白质的化学修饰（磷酸加工（切除信号肽）、蛋白质的化学修饰（磷酸化、糖基化）化、糖基化） 和蛋白质的剪接等。 蛋白质的功能与空间构象有紧密的关系蛋白质的功能与空

2、间构象有紧密的关系 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。 新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可随着序列的不断延伸肽链逐步折叠即开始。可随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整的空间构象。成完整的空间构象。 举例举例-镰刀状红细胞性贫血镰刀状红细胞性贫血: :亚基亚

3、基N N端的第端的第6 6号氨基酸残基发生了变异，号氨基酸残基发生了变异，GluVal,GluVal,这种变异来源于基因上遗传这种变异来源于基因上遗传信息的突变。信息的突变。正常正常 DNA TGT GGG CTT CTT TTT mRNA ACA CCC GAA GAA AAA HbA N端端 苏苏 脯脯 谷谷 谷谷 赖赖异常异常 DNA TGT GGG CAT CTT TTT mRNA ACA CCC GUA GAA AAA Hbs 苏苏 脯脯 缬缬 谷谷 赖赖 分子病分子病（PaulingPauling）：）：蛋白质分子蛋白质分子发生变异所发生变异所导致的疾病导致的疾病镰刀型红细胞贫血镰

4、刀型红细胞贫血 学名学名：克罗伊茨费尔德雅各布氏症 简称克雅氏症 俗名俗名：疯牛病 临床症状临床症状 ：出现痴呆或神经错乱，视觉模糊，平衡障碍，肌肉收缩等。 神经病理检查神经病理检查 ：病人的脑神经发生海绵状变性 返回返回 朊病毒（Prion):不含核酸，完全由蛋白质构成的病毒。 最初推测朊病毒是像普通病毒一样的微粒，只是缺乏核酸。但是实际与预期的相反，朊病毒很快被证明可由细胞自身染色体的基因编码。这个基因称为PRNP，它可以表达正常的脑组织并且编码一种命名为PrPc c的蛋白质，存在于神经细胞的表面。PrPc c精确的功能到现在仍未发现。但是这种蛋白质的新的形式目前在人脑中发现，这就是PrP

5、sc c 。PrPcPrPSc分子状态单体分子集合成纤维状态溶解性可溶不溶对蛋白酶抗性弱，极易被破坏很强蛋白质稳定性稳定不稳定蛋白质三级结构几乎全部由-螺旋组成 大约45%为-折叠片层致病性正常致病 学名：学名：阿尔茨海默氏病 临床症状：临床症状：以遗忘为最早期、最突出的症状。继而出现反应迟钝、判断力和理解力下降，重复语言和无意义的重复动作等。随着疾病进展，最终严重痴呆，卧床不起，出现并发症。 返回返回 很多迹象表明AD是由一种分子的沉积物引发的，称为淀粉体-肽（A）。最初它是淀粉前体蛋白（APP）的一部份，APP可跨越神经细胞的细胞膜。A多肽是由APP分子释放出来的 这2种多肽存在的可溶形式

6、，主要由-螺旋组成，但是，A42具有重新折叠的趋势，使它的结构含有相当多的-折叠片层。只有A42分子形式具有致病的潜力，因为它趋向于自我联合并且形成不溶的纤维状沉淀，导致神经细胞的死亡。 分子伴侣（分子伴侣（molecular chaperon）；是细胞）；是细胞内一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构内一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。分子伴侣在帮助蛋白质折叠后分子伴侣在帮助蛋白质折叠后,自身并不作为自身并不作为最终结构的一部分最终结构的一部分. 1. 封闭暴露出来的疏水区段封闭暴露出来的疏水区段,为蛋白质的

7、折叠为蛋白质的折叠创造一个无干扰的隔离环境创造一个无干扰的隔离环境. 2. 防止新生肽链在未完成折叠之前相互聚合防止新生肽链在未完成折叠之前相互聚合,帮助蛋白质获得最初的正确结构帮助蛋白质获得最初的正确结构. 3. 识别错误折叠的蛋白质识别错误折叠的蛋白质,帮助其复性或降解帮助其复性或降解. 分子伴侣 hsp70家族 (热休克蛋白 hot shock protein) 伴侣蛋白 chaperonin伴侣蛋白伴侣蛋白 肽链内或两条肽链间的二硫键是在肽链形成后-SH 基被氧化而形成的。二硫键在形成蛋白质的空间结构中起着重要作用。 蛋白二硫键异构酶蛋白二硫键异构酶 (protein disulfid

8、e isomerase) 在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。 脯氨酸为亚氨基酸，多肽链中的肽酰-脯氨酸间的肽键绝大部分为反式构型。肽-脯氨酸顺反异构酶可促进顺反两种异构体之间的转换。 (一) 一级结构的修饰 (二) 空间结构的修饰 N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多肽链端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。折迭成一定的空间结构之前被切除。 去甲酰化：去甲酰化：甲

9、酰化酶甲酰化酶甲酰蛋氨酸甲酰蛋氨酸-肽肽甲酸甲酸 + 蛋氨酸蛋氨酸-肽肽 去蛋氨酰基：去蛋氨酰基：蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酰蛋氨酰-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 有些新合成的多肽链要在专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). 信号肽的切除。 (3).胰岛素原切除C肽。胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶六肽六肽肠肠激激酶酶活性中心活性中心 许多蛋白质前体并无活性或活性很低。在一定条件下，才能转变为有特定构象的蛋白质而表现其活性。 如胰岛素前体-胰岛

10、素原，经水解酶切，除去部分氨基酸（C肽，31个氨基酸）并在A链（21个氨基酸）和B链（30个氨基酸）两条肽链之间形成两对二硫键，在A肽链上形成另一对链内二硫键，使胰岛素分子具有特定的空间结构，从而表现其完整的生物活性。详见下页的两张图：NC信号肽信号肽PMOCKRKRN-POMC促肾上腺皮质促肾上腺皮质激素激素ACTH促脂解释放激素促脂解释放激素 -LT促黑素促黑素 -MSH -MSH内啡呔内啡呔Endophin 指蛋白质前体可以通过多肽的剪辑，剪除某些氨基酸片段，然后在以一定的顺序结合起来，最终形成成熟的、有活性的蛋白质的现象。 内含肽,外显肽 （1）一级结构的修饰 个别氨基酸的修饰，包括羟

11、基化、糖基化、磷酸化、酰基化、羧化作用、甲基化。 羟基化：肽链中某些氨基酸的侧链被修饰(modification)，这都是在翻译后的加工过程中被专一的酶催化而形成的。例如脯氨酸被羟基化生成羟脯氨酸，胶原蛋白在合成后，其中的某些脯氨酸和赖氨酸残基发生羟化。在X-Pro-Gly(X 代表除Gly 外的任何氨基酸)序列中的脯氨酸羟化为4-羟脯氨酸，也可生成3-羟脯氨酸，但较少。脯氨酸的羟化有助于胶原蛋白螺旋的稳定。 糖基化：在多肽链合成过程中或在合成之后常以共价键与单糖或寡糖侧链连接，生成糖蛋白。这些糖可连接在天冬酰胺的酰胺上(N-连接寡糖)或连接在丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上(O-连接寡糖)，

12、糖基化是多种多样的，可以在同一条肽链上的同一位点连接上不同的寡糖，也可以在不同位点上连接上寡糖。糖基化是在酶催化反应下进行的。糖蛋白是一类重要的蛋白，许多膜蛋白和分泌蛋白均是糖蛋白。 N-连接糖链 O-连接糖链 磷酸化：酶、受体、介体(mediator)、调节因子等蛋白质的可逆磷酸化是普遍存在的蛋白质细胞生长和代谢调节中有重要功能。磷酸化发生在翻译后，由各种蛋白质激酶催化，将磷酸基团连接于丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的羟基上。在磷酸酯酶的作用则发生脱磷酸作用。 酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化 -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 酰基化：蛋白质的乙酰化普遍存在于原核生物和真核生物中。乙酰化有两个类型：一类是由结合于核糖体的乙酰基转移酶将乙酰-CoA 的乙酰基转移至正在合成的多肽链上，当将N-端的甲硫氨酸除去后，便乙酰化，例如卵清蛋白的乙酰化便是如此；另一类型是在翻译后由细胞质的酶催化发生乙酰化，例如肌动蛋白和猫的珠蛋白。此外，细胞核内的组蛋白的内部赖氨酸也可以乙酰化。 羧化作用：一些蛋白质的谷氨酸和天冬氨酸可发生羧化作用。例如，血液凝固蛋白酶原(prothrombin)的谷氨酸在翻译后羧化成-羧基谷氨酸，后者可以与Ca2+螯合。这依赖于维生素K 的羧化酶的催化作用。 甲

14、基化：在一些蛋白质中赖氨酸被甲基化。如肌肉蛋白和细胞色素c 中含有一甲二甲基赖氨酸。大多数生物的钙调蛋白含有三甲基赖氨酸。有些蛋白质中的一些谷氨酸链羧基也发生甲基化。 亚基之间、亚基与辅基之间的聚合亚基之间、亚基与辅基之间的聚合：具有四级结构的蛋白质由几个亚基组成，因此必须经过亚基之间的聚合过程才能形成具有特定构象和生物功能的蛋白质。对于结合蛋白来说，含有辅基成分，所以也要与辅基部分结合后才能具有生物功能。 .有些蛋白质还要与辅基(prosthetic groups)相结合： Cytochrome C只有与血红素（heme）相结合才有功能。此外，Acetyl-CoA羧化酶常与Biotin分子相

15、结合。有些蛋白质必须经蛋白酶切割后才有功能。有些蛋白质只有在形成二硫键之后才有功能。 在核糖体上新合成的多肽被送往细胞的各个部分，以行使各自的生物功能，大肠杆菌新合成的多肽，一部分仍停留在胞浆之中，一部分则被送到质膜、外膜或质膜与外膜之间的空隙，有的也可分泌到胞外。真核细胞中新合成的多肽被送往溶酶体、线粒体、叶绿体胞核等细胞器。所以新合成的多肽的输送是有目的、定向地进行的。(蛋白质的分拣和靶向)第三节第三节蛋白质合成后的转运 真核细胞中有两种类型的核糖体真核细胞中有两种类型的核糖体, ,分别为膜分别为膜结合核糖体和游离核糖体结合核糖体和游离核糖体. .这两种核糖体在这两种核糖体在化学组成上并无

16、差异化学组成上并无差异, ,但在合成蛋白质的种但在合成蛋白质的种类上却有分工类上却有分工. . 游离核糖体合成的蛋白质一般属于胞浆蛋游离核糖体合成的蛋白质一般属于胞浆蛋白白, ,或进入各种细胞器或进入各种细胞器. .而膜结合核糖体合而膜结合核糖体合成的蛋白质则属于膜蛋白或分泌蛋白成的蛋白质则属于膜蛋白或分泌蛋白. .蛋白蛋白需要靶向输送需要靶向输送. .内质网1.分布：动、植物细胞3.功能：核糖体的支架 蛋白质的运输通道2.种类：粗面内质网 滑面内质网膜蛋白和分泌蛋白膜蛋白和分泌蛋白胞内蛋白胞内蛋白 蛋白质的转运可分为两大类蛋白质的转运可分为两大类: 共翻译机制共翻译机制:蛋白质的合成和转运是

17、同时蛋白质的合成和转运是同时发生的发生的-信号肽理论信号肽理论 翻译后机制翻译后机制:蛋白质从核糖体上释放后才蛋白质从核糖体上释放后才发生转运发生转运-导肽理论导肽理论 定义定义: :所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转主要为末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列信号序列（signal sequencesignal sequence）。）。 作用作用: :使核蛋白体与内质网上的受体结合使核蛋白体与内质网上的受体结合; ;肽链进肽链进入内质网

18、后经其运至靶器官入内质网后经其运至靶器官, ,后经信号肽酶切除后经信号肽酶切除. . 结构结构: :由由13351335个氨基酸组成个氨基酸组成, ,分为三个区分为三个区: : N N端为亲水区端为亲水区, ,含有碱性氨基酸含有碱性氨基酸, ,提供正电荷提供正电荷. . 中间为疏水区中间为疏水区, ,为中性或疏水性氨基酸为中性或疏水性氨基酸(1015(1015个个).). C端端 小分子氨基酸（信号肽酶裂解部位）小分子氨基酸（信号肽酶裂解部位） 起始位点 + 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 极性 疏水核

19、心 剪切位点 氨基酸 成熟蛋白 图15-37 信号肽的结构(仿B.Lewin:GENES,1997, Fig .10.14) 信号肽序列通常在被转运多肽链的信号肽序列通常在被转运多肽链的N N端，这些序列端，这些序列在在10104040个氨基酸残基范围，氨基端至少含有一个氨基酸残基范围，氨基端至少含有一个带正电荷的氨基酸，在中部有一段长度为个带正电荷的氨基酸，在中部有一段长度为10101515个氨基酸残基的由高度疏水性的氨基酸组成的个氨基酸残基的由高度疏水性的氨基酸组成的肽链，常见的为丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮肽链，常见的为丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸。氨酸和苯丙氨酸。这个疏水

20、区极重要，其中某一这个疏水区极重要，其中某一个氨基酸被极性氨基酸置换时，信号肽即失去功个氨基酸被极性氨基酸置换时，信号肽即失去功能能。在信号肽的。在信号肽的C C端有一个可被信号肽酶识别的位端有一个可被信号肽酶识别的位点，此位点上游常有一段疏水性较强的点，此位点上游常有一段疏水性较强的5 5肽，信号肽，信号肽酶切点上游的第一个肽酶切点上游的第一个( (1)1)及第三个及第三个( (3)3)氨基氨基酸常为具有一个小侧链的氨基酸酸常为具有一个小侧链的氨基酸( (如丙氨酸如丙氨酸) )。 分泌性蛋白质进入内质网需多种蛋白分泌性蛋白质进入内质网需多种蛋白成分的协助：成分的协助：1 1、信号肽识别颗粒（

21、信号肽识别颗粒（SRPSRP）：）： 结合信号肽、核蛋白体结合信号肽、核蛋白体2 2、SRPSRP受体（受体（ SRPSRP对接蛋白对接蛋白 DPDP ）：）： 可与可与 SRPSRP结合结合3 3、核蛋白体受体：核蛋白体受体：与核蛋白体大与核蛋白体大 亚基结合使其与亚基结合使其与ERER膜稳定结合膜稳定结合4 4、肽转位复合物：肽转位复合物：形成新生肽链跨形成新生肽链跨 ERER膜蛋白通道膜蛋白通道信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网 共翻译运输共翻译运输CytoplasmNucleusEndoplasmic ReticulumRibosomesSmoothRou

22、ghGogi Complex高尔基体膜的高尔基体膜的厚度和化学成分介厚度和化学成分介于内质网膜与细胞于内质网膜与细胞膜之间。在活细胞膜之间。在活细胞中，这三种膜可以中，这三种膜可以互相转变。互相转变。3 3分钟后标记的氨分钟后标记的氨基酸出现在附有核糖体基酸出现在附有核糖体的内质网中。的内质网中。科学家用科学家用标记标记亮氨酸供给豚鼠的胰腺亮氨酸供给豚鼠的胰腺细胞以合成蛋白质。细胞以合成蛋白质。1717分钟后，标记的分钟后，标记的氨基酸出现在高尔基体氨基酸出现在高尔基体中。中。117117分钟后，标记分钟后，标记的氨基酸出现在细胞膜的氨基酸出现在细胞膜内运输蛋白质的小泡及内运输蛋白质的小泡及细

23、胞外的分泌物中。细胞外的分泌物中。蛋白质的分泌运输直接联系直接联系细胞膜细胞膜核膜核膜线粒体膜线粒体膜间接联系间接联系高尔基体高尔基体小泡小泡突起突起小泡小泡核糖体翻译的蛋白质核糖体翻译的蛋白质折叠、组装、加上一些糖基团进一步加工细胞膜细胞内的动力站细胞内的动力站线粒体线粒体比较成熟的蛋白质比较成熟的蛋白质高尔基体高尔基体内内 质质 网网 腔腔核糖体核糖体内质网内质网高尔基体高尔基体细胞膜细胞膜合成肽链合成肽链折叠、组装折叠、组装糖基化糖基化运输运输浓缩浓缩加工加工运输运输外排外排线粒体供能线粒体供能 除了分泌蛋白外除了分泌蛋白外,体内还存在一种跨膜蛋白体内还存在一种跨膜蛋白质质,如线粒体如线粒体,叶绿体等细胞器膜蛋白叶绿体等细胞