蛋白质合成后加工

1、第二章 蛋白质翻译后的加工、定位以及翻译的调节 不论是原核还是真核生物，在细胞浆内合成的蛋白质需定位于细胞特定的区域，有些蛋白质合成后要分泌到细胞外，这些蛋白质叫做分泌蛋白。 在细菌细胞内起作用的蛋白质一般因靠扩散作用而分布到它们的目的地。如内膜含有参与能量代谢和营养物质转运的蛋白质；外膜含有促进离子和营养物质进入细胞的蛋白质；在内膜与外膜之间的间隙称为周质，其中含有各种水解酶以及营养物质结合蛋白。 真核生物细胞结构更为复杂，而且有多种不同的细胞器，它们又具有各不相同的膜结构，因此合成好的蛋白质还要面临跨越不同的膜而到达细胞器，有些蛋白质在翻译完成后还要经过多种共价修饰，这个过程叫做翻译后处理

2、。第一节第一节 蛋白质的分泌和加工修饰蛋白质的分泌和加工修饰 一、蛋白质的分泌1.1.细菌中蛋白质的越膜细菌中蛋白质的越膜 细胞的细胞的内膜蛋白，外膜蛋白和周质蛋白内膜蛋白，外膜蛋白和周质蛋白是怎样越过内膜而到是怎样越过内膜而到其目的地的呢？绝大多数越膜蛋白的其目的地的呢？绝大多数越膜蛋白的N N端都具有大约端都具有大约15-3015-30个以疏个以疏水氨基酸为主的水氨基酸为主的N N端信号序列或称信号肽。端信号序列或称信号肽。信号肽的信号肽的疏水段疏水段能形能形成一段成一段螺旋结构螺旋结构。在信号序列之后的一段氨基酸残基也能。在信号序列之后的一段氨基酸残基也能形成形成一段一段螺旋螺旋，两段，

3、两段螺旋以反平行方式组成一个发夹结构，很容螺旋以反平行方式组成一个发夹结构，很容易进入内膜的易进入内膜的脂双层结构脂双层结构，一旦分泌蛋白质的，一旦分泌蛋白质的N N端锚在膜内，后端锚在膜内，后续合成的其它肽段部分将顺利通过膜。续合成的其它肽段部分将顺利通过膜。疏水性信号肽疏水性信号肽对于新生肽对于新生肽链跨膜及把它固定的膜上起一个链跨膜及把它固定的膜上起一个拐棍作用拐棍作用。之后位于内膜外表面。之后位于内膜外表面的的信号肽酶信号肽酶将信号肽序列切除。当蛋白质全部翻译出来后，羧端将信号肽序列切除。当蛋白质全部翻译出来后，羧端穿过内膜，在周质中折叠成蛋白质的最终构象（见下图）。穿过内膜，在周质中

4、折叠成蛋白质的最终构象（见下图）。2.2.真核生物蛋白质分泌 真核生物不但有细胞核、细胞质和细胞膜，而且还有许多膜性结构的细胞器，在细胞须内合成的蛋白质怎样的到达细胞的不同部位呢？了解比较清楚的是分泌性蛋白质的转运。 像原核细胞一要，真核细胞合成的蛋白质N N端也有信号肽也能形成两个-螺旋的发夹结构，这个结构可插入到内质网的膜中，将正在合成中的多肽链带进内质网内腔。 8080年代中期在胞浆中发现一种由小分子RNARNA和蛋白质共同组成的复合物，它能特异地与信号肽识别而命名为信号肽识别颗粒。它的作用是识别信号肽与核糖体结合并暂时阻断多肽链合成。内质网外膜上有SRPSRP受体，当SRPSRP与受体

5、结合后，信号肽就可插入内质网内腔，被内质网内膜上的信号肽酶水解除去SRPSRP与受体结合后，信号肽就可插入内质网进入内腔，被内质网内腔上的信号肽酶水解除去，而信号肽后序肽段也进入内质网内腔，并开始继续合成多肽链，SRPSRP对翻译阶段作用的重要生理意义在于：分泌蛋白及早进入细胞的膜性细胞，能正确折叠、进行必要的后加工与修饰并顺利分泌出细胞（见下图）。 现以哺乳动物的胰岛素为例说明这种分泌过程。胰岛素由5151个氨基酸残基组成，但胰岛素mRNAmRNA的翻译产和在兔网织红细胞无细胞翻译体系中为8686个氨基酸残基，称为胰岛素原，在麦胚无细胞翻译系统中为110110个氨基酸残基组成的前胰岛素原，后

6、来证明，在前胰岛素原的N N末端有一段富含疏水氨基酸的肽段做为信号肽，使前胰岛素原能穿越内质网膜进入内质网内腔，在内腔壁上信号肽被水解。所以在哺乳动物细胞内，当多肽链合成完成时，前胰岛素原已成为胰岛素原。然后胰岛素原被运到高尔基复合体，切去C C肽成为成熟的胰岛素，最终排出胞外。像真核细胞的前清蛋白，免疫球白轻链，催乳素等都有相似的分必方式 。 从核糖体上释放出来的多肽链，按照一级结构中氨基酸侧链的性质，自行卷曲，形成一定空间结构，过去一直认为，蛋白质空间结构的形成是靠其一级结构决定，不需要另外的信息。近些年来发现许多细胞内蛋白质正确装配都需要一类称做“分了伴侣”的蛋白质帮助才能完成，这一概念

7、的提出并未否定“氨基酸顺序决定蛋白空间结构”这一原则。 而是对这一理论的补充，分子伴侣这一类蛋白质能介导其它蛋白质正确装配成有功能活性的空间结构，而它本身并不参与最终装配产物的组成。目前认为“分子伴侣”蛋白有两类，第一类是一些酶，例如蛋白质二硫键异构酶可以识别和水解非正确配对的二硫键，使它们在正确的半胱氨酸残基位置上重新形成二硫键，第二类是一些蛋白质分子，它们可以和部分折叠或没有折叠的蛋白质分子结合，稳定它们的构象，免遭其它酶的水解或都促进蛋白质折叠成正确的空间结构。 二、蛋白质合成后的加工修饰二、蛋白质合成后的加工修饰 前体蛋白是没有活性的，常常要进行一系列翻译后加工，才前体蛋白是没有活性的

8、，常常要进行一系列翻译后加工，才能成为有功能的成熟蛋白。能成为有功能的成熟蛋白。而而“分子伴侣分子伴侣”蛋白质合成后折叠成蛋白质合成后折叠成正确空间结构中起重要作用，对于大多数蛋白质来说多肽链翻译正确空间结构中起重要作用，对于大多数蛋白质来说多肽链翻译后还要进行下列不同方式的加工修饰才具有生理功能。后还要进行下列不同方式的加工修饰才具有生理功能。 1.氨基端和羧基端的修饰及信号肽去除氨基端和羧基端的修饰及信号肽去除 在原核生物中几乎所有蛋白都是从在原核生物中几乎所有蛋白都是从N-甲酰蛋氨酸开始，真核甲酰蛋氨酸开始，真核生物从蛋氨酸开始。甲酰基经酶水解而除去，蛋氨酸或者氨基端生物从蛋氨酸开始。甲

9、酰基经酶水解而除去，蛋氨酸或者氨基端的一些氨基酸残基常由氨肽酶催化而水解除去。因此，成熟的蛋的一些氨基酸残基常由氨肽酶催化而水解除去。因此，成熟的蛋白质分子的白质分子的N-端没有甲酰基，或没有蛋氨酸。同时，某些蛋白质端没有甲酰基，或没有蛋氨酸。同时，某些蛋白质分子氨基端要进行分子氨基端要进行乙酰化乙酰化，在羧基端也要进行修饰。，在羧基端也要进行修饰。 某些蛋白氨基端有一段某些蛋白氨基端有一段15153030个氨基酸残基的顺序，这段顺个氨基酸残基的顺序，这段顺序称序称信号肽信号肽，与蛋白质传送到特定的细胞器、膜，或分泌出细胞，与蛋白质传送到特定的细胞器、膜，或分泌出细胞外有关。信号肽在运送过程中

10、通常由专一的酶催化而水解除去。外有关。信号肽在运送过程中通常由专一的酶催化而水解除去。2.氨基酸残基的修饰(1)甲基化修饰 某些蛋白质中的赖氨酸残基需要甲基化，某些谷氨酸残基的羧基也要甲基化，以除去负电荷。(2)羧化修饰 某些蛋白质，如凝血酶等凝血因子，含有多个r羧基Glu，这一羧基是由需Vit K的酶催化下进行的。(3)加辅基 蛋白质与辅基的结合也是在翻译之后进行的，如乙酰CoA羟化酶的辅基，生物素和细胞色素C的血红素。3.3.共价修饰 许多的蛋白质可以进行不同的类型化学基团的共价修饰，修饰后可以表现为激活状态，也可以表现为失活状态。 （1 1）磷酸化 磷酸化多发生在多肽链丝氨酸、苏氨酸的羟

11、基上，偶尔也发生在酪氨酸残基上（磷酸化分子式如下图），这种磷酸化的过程受细胞内一种蛋白激酶催化，磷酸化后的蛋白质可以增加或降低它们的活性，例如：促进糖原分解的磷酸化酶，无活性的磷酸化酶b b经磷酸化以后，变居有活性的磷酸化酶a a。而有活性的糖原合成酶I I经磷酸化以后变成无活性的糖原合成酶D D，共同调节糖元的合成与分介。（2 2）糖基化 糖蛋白的糖链是蛋白质合成之后，在通过高尔基体时，经过糖化而形成的。质膜蛋白质和许多分泌性蛋白质都具有糖链，这些寡糖链结合在丝氨酸或苏氨酸的羟基上，例如红细胞膜上的ABOABO血型决定簇。也可以与天门冬酰胺连接。这些寡糖链是在内质网或高尔基氏体中加入的（见下

12、图）。 （3 3）羟基化 胶原蛋白前链上的脯氨酸和赖氨酸残基在内质网中受羟化酶、分子氧和维生素C C作用产生羟脯氨酸和羟赖氨酸，如果此过程受障碍胶原纤维不能进行交联，极大地降低了它的张力强度。（4 4）二硫键的形成 真核细胞合成的某些蛋白质，往往能自发地折叠形成其天然构像，分子内的半胱氨酸的巯基之间形成共价键二硫键。 二硫键在稳定蛋白质空间构型中起着重要作用。例如胰岛素分子的成熟是借核糖体上释放的前胰岛素原经自发折叠、形成二硫键，然后再切除C C肽而形成的。4.4.亚基的聚合 有许多蛋白质是由二个以上亚基构成的，这就需这些多肽链通过非共价键聚合成多聚体才能表现生物活性。例如成人血红蛋白由两条链

13、，两条链及四分子血红素所组成，大致过程如下：链在多聚核糖体合成后自行释下，并与尚未从多聚核糖体上释下的链相连，然后一并从多聚核糖体上脱下来，变成二聚体。此二聚体再与线粒体内生成的两个血红素结合，最后形成一个由四条肽链和四个血红素构成的有功能的血红蛋白分子。 5.5.水解断链 一般真核细胞中一个基因对应一个mRNAmRNA，一个mRNAmRNA对应一条多肽链，但也有少数的情况，即一种三思而行翻译后的多肽链经水解后产生几种不同的蛋白质或多肽。例如哺乳动物的鸦片样促黑皮激素原初翻译产物为265265个氨基酸，它在脑下垂体前叶细胞中，POMCPOMC初切割成为N-N-端片断和C C端片段的-促脂解激素

14、。然后N N端片段又被切割成较小的N N端片断和工9 9肽的促肾上腺皮质激素。而在脑下垂体中叶细胞中，-促脂解激素再次被切割产生-内啡肽；ACTHACTH也被切割产生1313肽的促黑激素（-melanotropin-melanotropin）。 6.6.蛋白质自我剪接 19901990年，HirataHirata等首次报道一种新的蛋白质加工方式蛋白质自我剪接。他们发现，酿酒酵母基因TFP1TFP1表达成两种蛋白，较大的（696910103 3）是液泡H HATPaseATPase的催化亚基，它来自TFP1TFP1基因55编码区和33编码区，较小的（505010103 3）是由该基因中央区编码。

15、 他们证明，这两种蛋白是同一条多肽链经过自我剪接产生的，较小的蛋白是被切割下来的部分，较大的蛋白由切除较小蛋白后再连接而成（见图2-12-1）。图2-1 2-1 蛋白质自我剪接切除连接 1994 1994年，PerlerPerler等将蛋白质自我剪接中被切除的肽段命名为蛋白内含肽（inteinintein），也称蛋白内含子或内蛋白子，将位于蛋白内含肽两侧、切除部位再连接形成的产生蛋白称为蛋白外显肽（esteinestein），又称蛋白外显子或外蛋白子。 蛋白内含肽的基因不是单独的开放阅读框，它插入在蛋白外显肽的基因中，和内含子的区别在于它可以和蛋白外显肽的基因一起表达，而不是在mRNAmRNA

16、阶段被切除。 蛋白质自我剪接在原核生物和单细胞真核生物中均已发现。迄今已在2020多种生物的近3030种蛋白质分子中发现蛋白内含肽，这些蛋白质大约一半参与核酸代谢。 蛋白内含肽常具有一定的生物活性，如核酸内切酶的活性。此外，许多蛋白内含肽插入至蛋白质高度保守区（如活性中心附近），其作用是一方面迫使蛋白质前体必须经过剪接才能成熟，另一方面也有利于蛋白内含肽自我保护。第二节第二节 新合成蛋白的定位及折叠新合成蛋白的定位及折叠 细胞内合成的蛋白质，有些被简单地传送到细胞质，有细胞内合成的蛋白质，有些被简单地传送到细胞质，有些被转运到各种细胞器，有些被分泌到细胞外，有些是要插些被转运到各种细胞器，有些

17、被分泌到细胞外，有些是要插入到细胞膜或其它生物膜。入到细胞膜或其它生物膜。 那么，在核糖体上新合成的蛋白质是如何识别并达到它特那么，在核糖体上新合成的蛋白质是如何识别并达到它特定的部位呢？定的部位呢？一、一、新合成蛋白的定位新合成蛋白的定位1.1.分泌蛋白质分泌蛋白质 核糖体上合成的分泌蛋白位于真核细胞的粗面内质网膜上核糖体上合成的分泌蛋白位于真核细胞的粗面内质网膜上或在原核细胞的细胞内膜上。或在原核细胞的细胞内膜上。 真核细胞合成的分泌蛋白最终将被转移至分泌小泡中。这真核细胞合成的分泌蛋白最终将被转移至分泌小泡中。这些分泌过程的化学基础是分泌蛋白的前体大都有些分泌过程的化学基础是分泌蛋白的前

18、体大都有“信号肽信号肽”。 信号肽位于成熟蛋白的氨基端，约信号肽位于成熟蛋白的氨基端，约15153030个氨基酸残基，个氨基酸残基，多数具有疏水侧链。多数具有疏水侧链。 内质网表面的核糖体受体能识别80S80S核糖体，使80S80S核糖体结合于内质网上。内质网表面的信号肽受体识别信号肽，因而正在生长着的肽链就凭借信号肽的疏水性穿透膜，进入内质网。 这样，肽链就在内质网内不断地延长，并且信号肽将被肽酶水解除去。然后，多肽链被传递至高尔基体，生成分泌泡，再分泌出细胞外。 还有一种分泌蛋白，合成后先到溶酶体，然后再分泌出去发挥作用，这类蛋白也需要信号肽。2.2.膜蛋白膜蛋白 膜蛋白也是由附着在粗面内

19、质网上的核糖体合成的。膜蛋白也是由附着在粗面内质网上的核糖体合成的。膜蛋白的信号肽起着引导作用，其羧基端的疏水顺序使它膜蛋白的信号肽起着引导作用，其羧基端的疏水顺序使它能附着于膜质结构的双脂层。能附着于膜质结构的双脂层。3.3.细胞器蛋白细胞器蛋白 在胞浆中合成的线粒体蛋白，要运输到线粒体的各个在胞浆中合成的线粒体蛋白，要运输到线粒体的各个部位，如外膜、膜间隙、内膜及基质。部位，如外膜、膜间隙、内膜及基质。 这类蛋白质需要氨基端的延伸肽（这类蛋白质需要氨基端的延伸肽（extension extension peptidepeptide），延伸肽是疏水性的，线粒体上存在着识别它的），延伸肽是疏水

20、性的，线粒体上存在着识别它的受体，可帮助线粒体蛋白的正确定位。受体，可帮助线粒体蛋白的正确定位。二、蛋白质的折叠1.新生肽段折叠研究中的新观点 长期以来关于蛋白质折叠，形成了自组装的主导学说，因此，在研究新生肽段折叠时，就很自然的把在体外蛋白质折叠研究中得到的规律推广到体内，用变性蛋白的复性作为新生肽段折叠的模型，并认为细胞中新合成的多肽链，不需要别的分子帮助，不需要额外能量的补充，就应该能自发的折叠而形成它的功能状态。 19881988年，邹承鲁指出新生肽段折叠在合成早期已开始，而不是合成完后才开始，随着肽段的延伸同时折叠，又不断进行构象调整，先形成的结构会作用于后合成肽段的折叠，而后合成的

21、结构又会影响前面已形成的结构调整。因此，在肽段延伸过程中形成的结构往往不一定是最终功能蛋白中的结构。这样，三维结构的形成是一个同时进行着的，协调的动态过程。九十年代一类具有新生物功能的蛋白，分子伴侣的发现，以及更广泛意义上说帮助蛋白质折叠的辅助蛋白的提出，说明细胞内新生肽段折叠一般说需要帮助，而不是自发进行。 2.分子伴侣在蛋白折叠中的作用 蛋白质分子的三维结构，除了共价的肽键和二硫键，还靠大量极其复杂的弱次级键共同作用。因此新生肽段在一边合成一边折叠过程中有可能暂时形成在最终成熟蛋白中不存在不该有的结构，他们常常是一些疏水表面，它们之间很可能发生本不应该有的错误的相互作用而形成的非功能的分子

22、，甚至造成分子的聚集和沉淀。按照自组装学说，每一步折叠都是正确、充分、必要的。 实际上折叠过程是一个正确途径和错误途径相互竞争的过程，为了提高蛋白质生物合成的效率的，应该有帮助正确途径的竞争机制，分子伴侣就是这样通过进化应运而生的。它们的功能是识别新生肽段折叠过程中暂时暴露的错误结构的，与之结合，生成复和物，从而防止这些表面之间过早的相互作用，阻止不正确的非功能的折叠途径，抑制不可逆聚合物产生，这样必然促进折叠向正确方向进行。 分子伴侣的两个主要的特点： Hsp70Hsp70 系统包括Hsp70Hsp70、Hsp40Hsp40 和GrpEGrpE。它们能作用于新合成的蛋白质、跨膜运输的蛋白质和

23、在胁迫下变性的蛋白质。这个系统的名字反应了Hsp70Hsp70蛋白质最初是通过热激(Heatshock)(Heatshock)作用的诱导发现的。Hsp70Hsp70 和Hsp40Hsp40 蛋白质都能独立地与其结合底物。 分子伴侣系统由一个很大的寡聚复合体组成。这种寡聚复合体形成的结构可使未折叠的蛋白质插入( (温度升高会使热激蛋白质的产生增加，这些蛋白质的作用是减小蛋白质在热变性中被破坏的程度；很多热激蛋白质都是分子伴侣) )。 3.3.分子伴侣的作用机制 实际上就是它如何与靶蛋白识别，结合，又解离的机制。有的分子伴侣 具高度专一性，如一些分子内分子伴侣，还有细菌Pseudomonas ce

24、paciaPseudomonas cepacia的酯酶，有它自己的“私有分子伴侣”。它是由基因limAlimA编码的，与酯酶的基因LipALipA只隔3 3个碱基，可能是进化过程中发生的基因分裂造成的。而一般分子伴侣识别特异性不高，它是怎样识别需要它帮助的对象的呢？现在只能说分子伴侣识别非天然构象，而不去理会天然的构象。 由于在天然分子中，疏水残基多半位于分子的内部而形成疏水核，去折叠后就可能暴露出来，或者在新生肽段的折叠过程中，会暂时形成在天然构象中本应该存在于分子内部的疏水表面，因此认为分子伴侣最有可能是与疏水表面相结合，如硫氰酸酶（RhodaneseRhodanese）分子-helix-

25、helix的疏水侧面。但是只有-sheetsheet结构的蛋白质才可为分子伴侣识别。 最近关于识别机制有较大的进展。BipBip是内质网管腔内的分子伴侣，用一种affinity panningaffinity panning的方法检查BipBip与有随机序列的十二肽结合的特异性，结果发现，Hy-(W/X)-Hy-Hy-(W/X)-Hy-X-Hy-X-Hy motifX-Hy-X-Hy motif与Bip jBip j结合最强，HyHy最多的是TrpTrp、LeuLeu、PhePhe，即较大的疏水残基。一般来说，2-42-4个疏水残基就足够进行结合。还有一种较普遍的说法是分子伴侣识别所谓熔球体结

26、构（moltenglobulemoltenglobule）。另一方面，分子伴侣本身与肽结合部位的结构分析最近也有些进展。譬如，PapDPapD的晶体结构表明，多肽结合在它的 -sheet-sheet区。GroELGroEL中，约40kD40kD的153-531153-531结构域是核苷酸的结合区。 分子伴侣作用的第二步是与靶蛋白形成复合物。非常盛行的一种模型认为分子伴侣常常以多聚体形式而形成中心空洞的结构，用电子显微镜已经观察到由二圈层圆面包圈形组成的十四体GroELGroEL分子和一个一层圆面包圈的七体GroESGroES分子协同作用形成中空的非对称笼状结构，推测靶蛋白可以在与周围环境隔离的

27、中间空腔内不受干扰的进一步折叠。但是不久前一个日本实验室发现GroELGroEL的一个亚基，甚至其N N端去除7878个氨基酸残基的50kD50kD片段，已经不能再组装成十四体结构，都有确定的分子伴侣功能。 由此，也许环状分子伴侣并非每个部位都是有效的结合部位，也就是说，该二层圆面包圈组成的十四体GroELGroEL分子只有一个或若干个部位能够与疏水残基或所谓的熔球体结构结合，而其余部位起识别作用，就像一个探测器一样，整个十四体GroELGroEL分子以圈层或笼状结构”包裹”在多肽链的主链上，以旋进方式再多肽链的链体上运动，一旦环状多聚体的某一识别部位发现疏水结构或所谓的熔球体结构等新生肽链折

28、叠过程中暂时暴露的错误结构，经信号转导，多聚体的结合部位便与之结合，生成复合物，抑制不正确的折叠 以上谈的都是蛋白质的分子伴侣。不久前又出现了一个新名词“DNA chaperones”DNA chaperones”，DNADNA分子伴侣，这种分子伴侣是与DNADNA相结合并帮助DNADNA折叠的。在这种复合物中，DNADNA分子包围在蛋白质分子的表面，既是高度有序的，又是在一定程度上结构已有所改变的。DNADNA与蛋白的这种相互作用对DNADNA的转录，复制以及重组都十分重要; ;或如在核小体中，对DNADNA的包装是必须的。DNADNA在溶液中的结构有相当的刚性，必须克服一个能障才能转变成它

29、的蛋白复合物中的结构，分子伴侣的作用就是帮助DNADNA分子进行折叠和扭曲，从而把DNADNA稳定在一个适合于和蛋白结构的特定构型中。这种结合是协同的，可逆的在形成复合物之后便解离下来。因此，不论是DNADNA分子伴侣还是蛋白分子伴侣，都与DNADNA和蛋白的相互作用有关，与基因调控有关，看来，分子伴侣确实与最终阐明中心法则当前主要问题有密切关系。4.4.分子伴侣和酶的区别 与分子伴侣不同，以确定为帮助蛋白质折叠的酶目前只有两个，一个是蛋白质二硫键异构酶(PDI);(PDI); 另一个是肽基脯氨酸顺反异构酶(PPI)(PPI)。以PDIPDI为例，众所周知，蛋白质分子中的二硫键与新生肽段的折叠

30、密切相关，对维系蛋白质分子的结构稳定性和功能发挥也有重要作用。PDIPDI定位在内质网管腔内，含量丰富，催化蛋白质分子内巯基与二硫键之间的交换反应。同时，它是目前发现的最为突出的多功能蛋白，除了二硫键的异构酶的基本功能外，它还是脯氨酸-4-4-羟化酶的亚基; ;又是微粒体内甘油三酯转移蛋白复合物的小亚基，还是一种糖基化位点结合蛋白等。其中，最引人注目的还是它有与多肽结合的能力，可以结合具有不同序列，长度和电荷分布的肽，特异性较低，主要是与肽的主链相作用，但对巯基尚有一些偏爱。按照分子伴侣的定义，一般认为PDIPDI和分子伴侣是两类不同的帮助蛋白，但是我国上海生物物理研究所最近提出不同的看法，认

31、为蛋白质二硫键异构酶也具有分子伴侣的功能。 蛋白质分子中天然二硫键的形成要求这些在肽链上往往处于不相邻位置的巯基，首先通过肽链一定程度的折叠，才能相互接近到可以正确形成二硫键的位置。肽链的自身折叠是一个慢过程，而蛋白质二硫键异构酶催化蛋白质天然二硫键的形成却是一个快过程。另一方面，蛋白质二硫键异构酶具有低特异性的与各种不同肽链相结合的能力，在内质网中以极高的浓度存在，又是是一个钙结合蛋白，是一个能被磷酸化的蛋白，这些都已经符合了分子伴侣的条件。因此他们推测蛋白质二硫键异构酶很可能首先通过它与伸展的，或部分折叠的肽段的结合，阻止错误的折叠途径，促进正确的中间物生成，帮助肽链折叠是相应的巯基配对，

32、从而是正确的二硫键得以形成;然后催化巯基的氧化或二硫键的异构而形成天然二硫键。他们认为蛋白质二硫键异构酶的酶活性与它的分子伴侣功能不是相互排斥，而是密切相关，协调统一的。 分子伴侣与帮助新生肽链折叠的酶之间，大概不应该、也不能够划一条绝对的分界线。酶最主要特性就是催化生化反应，分子伴侣的主要作用是与新生肽段的错误构象结合，从而阻止肽链不正确的非功能的折叠途径，促使其向正确的折叠方向反应，这可理解成间接的催化肽链的折叠。从表观上看，抑制不正确的折叠途径等于加快了正确反应的速度。 最近的试验已经为这一假说提供了很好的证据。PDIPDI明显抑制变性的甘油醛-3-3-磷酸脱氢酶在复性股过程中的严重聚合

33、，有效的提高它的复性效率，与典型的分子伴侣GroEGroE系统对甘油醛3-3-磷酸脱氢酶复性的效应极其相似。 三、组蛋白密码 遗传特异性由基因组碱基序列决定，序列变化导致细胞行为改变。但是科学发展到今天，这已不是问题的全部。有人提出 表观遗传学 概念，表观遗传学的一个典型例子就是抑瘤基因异常甲基化与肿瘤相关。随着转录调控研究的深入，一种新的调节机制 -组蛋白密码 日益被科研工作者重视，组蛋白密码信息存在于转录后组蛋白修饰等过程中。 在真核细胞的细胞核中，核小体是染色质的主要结构元件。核小体主要由四种组蛋白（H2A,H2B,H3H2A,H2B,H3和H4H4）构成。这四种组蛋白和缠绕于组蛋白的D

34、NADNA共同组成了核小体。每个组蛋白都有进化上保守的N N端拖尾伸出核小体外。这些拖尾是许多信号传导通路的靶位点，从而导致转录后修饰。该类修饰包括组蛋白磷酸化、乙酰化、甲基化、ADP-ADP-核糖基化等过程。尤其是组蛋白乙酰化、甲基化修饰能为相关调控蛋白提供其在组蛋白上的附着位点，改变染色质结构和活性。 一般来说，组蛋白乙酰化能选择性的使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，开放某些基因的转录，增强其表达水平。而组蛋白甲基化既可抑制也可增强基因表达。乙酰化修饰和甲基化修饰往往是相互排斥的。在细胞有丝分裂和凋亡过程中， 细胞对外在刺激作出的每一个反应几乎都会涉及到染色质活性的改变，这一改变就是通

35、过修饰组蛋白，变换组蛋白密码实现的。既然几乎每一种生物学过程都有特定的组蛋白修饰标记，那么特定的组蛋白修饰标记就能反应相应的特定生物学过程。因此通过组蛋白修饰系列抗体特异性地识别靶蛋白修饰形式，就能简化对组蛋白修饰的研究。 染色质的转录活性与组蛋白修饰相伴（见下表）。总体上来说，组蛋白乙酰化水平增加与转录活性增强有关，而组蛋白甲基化修饰的结果则相对复杂，它可以是转录增强或转录抑制。组蛋白修饰与转录状态表转录激活 转录抑制 乙酰化 增加 降低 赖氨酸甲基化 组蛋白H3 K4 组蛋白H3 K9，K27,K79 精氨酸甲基化 组蛋白H3 R2,R17,R26 降低 组蛋白H3 R4 有丝分裂过程也与

36、特异性组蛋白修饰有显著的相关性。在有丝分裂过程中，有数个组蛋白磷酸化反应，其中大多数由Aurora B激酶催化。特异性组蛋白修饰可在有丝分裂的不同阶段检测到，在细胞核分裂中发挥多种功能（见表2）。 组蛋白修饰于有丝分裂表 分裂间期 G2/M 分裂早期 分裂晚期 H3 S10 Phos +/- + + + H3 S28 + + + + CENP-A Ser 7 Phos - - + + H4 K20 Me + + + + 组蛋白修饰还参与DNADNA损伤和凋亡。在凋亡的级联反应中，激酶（包括CHK1CHK1和CHK2CHK2）的主要底物之一是组蛋白衍生物H2A.X H2A.X ，H2A.XH2A

37、.X的磷酸化是凋亡早期最早标志之一。在凋亡后期，CaspaseCaspase激活蛋白激酶Mst1, Mst1Mst1, Mst1使组蛋白H2BH2B的1414位丝氨酸磷酸化。这一修饰在染色质浓缩步骤中可检测到，是凋亡途径良好的标记物。也有报道称在凋亡过程中发现组蛋白H2BH2B的3232位丝氨酸磷酸化。 随着组蛋白密码学说的进一步完善，研究者将能: : 1.1.更好地开发新药。研究组蛋白密码对药物开发具有战略意义，多种组蛋白修饰酶已成为相关疾病治疗的靶目标。比如，组蛋白去乙酰酶（HDACsHDACs）抑制剂已应用于临床治疗多种肿瘤；2 2. .深入探讨遗传调控和表观遗传调控相互作用的网络与不同

38、生物学表型之间的关系；3 3. .在控制真核基因选择性表达的网络体系内进一步深入理解染色质结构、调控序列以及调控蛋白之间交互作用的内在机制；4.4.建立基因表达的调控网络数据库及其分析系统。总之，随着越来越多组蛋白核心结构区域和修饰方式的确定，组蛋白密码在基因调控过程中的作用会越来越明确。 第三节第三节 其它蛋白质合成系统其它蛋白质合成系统1. 原细菌原细菌 以上讨论了真核生物及一般原核生物（真细菌）的蛋以上讨论了真核生物及一般原核生物（真细菌）的蛋白质生物合成过程，事实上还有少数生物的蛋白质合成过程白质生物合成过程，事实上还有少数生物的蛋白质合成过程与上述的不完全相同。原核生物有两类：真细菌

39、（与上述的不完全相同。原核生物有两类：真细菌（eub-eub-bacteriabacteria）及原细菌（）及原细菌（archaebacteriaarchaebacteria）。）。 原细菌的蛋白合成过程与真细菌及真核细胞的蛋白合成原细菌的蛋白合成过程与真细菌及真核细胞的蛋白合成过程均存在一些相同之处，但也有其独特的方面。主要区别过程均存在一些相同之处，但也有其独特的方面。主要区别在于参与的大分子、合成过程都不同。在于参与的大分子、合成过程都不同。2.2.线粒体 线粒体的大多数蛋白质是由核染色体转录的mRNAmRNA在细胞浆中翻译的，并且被转运至特定部位。然而，线粒体本身也有其独立的基因组，它

40、编码线粒体的rRNArRNA和tRNAtRNA及电子传递氧化磷酸化的某些蛋白质。 线粒体有它们自己特有的蛋白合成装置, ,而且以细菌合成蛋白质的相似方式生产蛋白质。在线粒体中存在特异的fMet-fMet-tRNAtRNA用于蛋白质合成起始。起始因子( (IFs)IFs)也和细菌中的十分相似。在很多的情况下线粒体蛋白质合成体系的成分和细菌的相关成分在体外可以互换。例如链孢霉的核糖体能识别、结合和翻译E.coliE.coli的AUGAUG，而且E.coliE.coli的 IFsIFs来催化蛋白合成的起始。 线粒体蛋白合成系统最引人注目的是其密码的独特性。例如，AUAAUA是MetMet的而不是Il

41、eIle的密码子；UGAUGA不是终止密码，而成为TrpTrp密码子；AGAAGA和AGGAGG不是ArgArg的密码，而变成终止密码。起始密码除AUGAUG外，尚可兼用AUAAUA以及AUUAUU。3.3.叶绿体 叶绿体的蛋白质合成系统与细菌相近。叶绿体基因组除编码其蛋白合成系统的蛋白外，还编码光合作用及能量转移作用的蛋白质。 19621962年从叶绿体中成功分离出核糖体，当时发现植物细胞中有两类核糖体：70S70S与80S80S。70S70S核糖体位于叶绿体中；80S80S核糖体位于细胞质中。在碱基成份方面，叶绿体核糖体RNARNA与细胞质核糖体RNARNA也不同。对于抗生素的作用，两种核

42、糖体也表现出特异的反应。例如，氯霉素可抑止70S70S核糖体中蛋白质的合成却无碍于80S80S核糖体。相反，环己胺抑止80S80S核糖体蛋白质的合成却无妨于70S70S核糖体。 叶绿体核糖体RNARNA是由叶绿体DNADNA编码的；同一细胞的细胞质核糖体RNARNA，则是由核DNADNA编码的。除rRNArRNA以外，叶绿体也具有自己的mRNAmRNA及tRNAtRNA，且各自具有转录、翻译功能。叶绿体mRNAmRNA的功能可以通过离体叶绿体合成蛋白质来鉴定，已经证明，豌豆的离体叶绿体能将S35S35标记的放射性甲硫氨酸掺入到五个不同的与膜结合的蛋白质中；菠菜离体叶绿体至少有九种与膜结合的蛋白

43、质被体外标记。 有充分的证据表明：叶绿体DNADNA是在叶绿体中翻译，而核DNADNA则是在细胞质中翻译。叶绿体中含有tRNAtRNA，同细胞质中所含的不同。除相应于普通氨基酸的tRNAtRNA分子外，已经在叶绿体中发现有不同的、可以接受同一氨基酸的tRNA(tRNA(称为同功tRNA)tRNA)以及叶绿体特异的氨酰-tRNA-tRNA合成酶。 叶绿体编码的蛋白质，文献中报道的涉及若干种。但是，比较肯定的只有两种：组分蛋白质大亚基及光系统叶绿素蛋白质。 组分蛋白质又称双磷酸核酮糖羧化酶( (简写作RuBPCRuBPC酶) )最近几年利用烟草属的不同种进行了许多研究，采用等电聚焦电泳可以把这种酶

44、的大、小亚基分离：大亚基被分为分子量相同等电点不同的三种多肽，小亚基被分为两种多肽。由于大亚基多肽是叶绿体DNADNA编码的，小亚基是由核DNADNA编码的，种间杂交的杂种F1F1永远具有母本种的大亚基并兼有父母本的小亚基。根据这一原理，就可将任何叶绿体DNADNA控制的性状，通过杂交再用F1F1同亲本之一回交的方法，重新创造出大亚基相同小亚基不同或小亚基相同而大亚基不同的组分蛋白质，并通过等电聚焦技术对所得结果进行鉴定比较。 光系统叶绿素蛋白质，又称P700-P700-叶绿素a a蛋白质。它是研究质体基因突变的一个最常用的指标，是一种重要的色素- -蛋白质复合体。任何色素的突变，均常常在这里

45、反应出来。 第四节第四节 蛋白质合成的抑制剂蛋白质合成的抑制剂1.1.抗生素对蛋白质合成的抑制抗生素对蛋白质合成的抑制 嘌呤霉素嘌呤霉素能有效能抑制各种细胞的生长，因为它的结构很能有效能抑制各种细胞的生长，因为它的结构很象象氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA，故能进入核糖体的，故能进入核糖体的A A位点，竞争性地抑制正常位点，竞争性地抑制正常氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA进入进入A A位点。位点。 如果转肽酶将肽链转移到嘌呤霉素上，由于嘌呤霉素与如果转肽酶将肽链转移到嘌呤霉素上，由于嘌呤霉素与A A位位点结合力很弱，嘌呤霉素结尾的肽链从核糖体上脱落下来，肽点结合力很弱，嘌呤霉素结尾的肽链从核糖

46、体上脱落下来，肽链就不能完全合成（见图链就不能完全合成（见图2-22-2）。）。图2-2 2-2 嘌呤霉素的结构与氨酰基tRNAtRNA结构相似 稀疏霉素和林可霉素可特异地结合到50S50S亚基，抑制转肽酶。 呼霉素抑制EF-GEF-G的转位作用，链霉素则能结合30S30S亚基，强烈地抑制肽链合成的起始（见表2-12-1）。表2-1 2-1 抗生素对蛋白质合成的抑制作用2.2.干扰素对病毒蛋白合成的干扰 干扰素能增强哺乳动物细胞抵抗许多病毒侵扰。 在细胞感染病毒后，感染病毒的细胞合成和分泌一类称之为干扰素的小分子蛋白质，双链RNARNA（dsRNAdsRNA）能促进干扰素的生成。 干扰素结合到

47、未感染病毒的细胞膜上，诱导这些细胞变成抗病毒状态，从而获得了抗各种病毒感染的能力。 干扰素的作用很强，10-11mol/L10-11mol/L就有显著的抗病毒作用。 干扰素抗病毒作用的机制是促进寡核苷酸合成酶、核酸内切酶和蛋白激酶的合成。未被感染时，细胞不合成这三种酶；一旦细胞被病毒感染，在干扰素或dsRNAdsRNA存在的条件下，这些酶就被合成和激活，并以两种不同方式阻断病毒蛋白质的合成。 干扰素和dsRNAdsRNA激活蛋白激酶，蛋白激酶使蛋白质合成的起始因子磷酸化，使之失活；另一种抗病毒的方式是促进mRNAmRNA的降解：干扰素和dsRNAdsRNA激活2,5A2,5A寡核苷酸合成酶的合

48、成，后者激活核酸酶，核酸酶水解mRNAmRNA（见图2-32-3） 。图2-3 2-3 干扰素的dsRNAdsRNA促进mRNAmRNA的降解和抑制蛋白质合成的起始第五节第五节 蛋白质合成的调节蛋白质合成的调节 在高度进化的哺乳动物中，每一种类型的细胞中都合成在高度进化的哺乳动物中，每一种类型的细胞中都合成一些特异的蛋白质，各种蛋白质合成的速率受多种因素的调一些特异的蛋白质，各种蛋白质合成的速率受多种因素的调节，在不同环境条件下其蛋白质合成速率是不一样的。节，在不同环境条件下其蛋白质合成速率是不一样的。 原核生物蛋白质合成的调节，主要是原核生物蛋白质合成的调节，主要是转录的调节转录的调节。真核

49、。真核生物的转录位于细胞核，而翻译在胞浆，其转录生成的各种生物的转录位于细胞核，而翻译在胞浆，其转录生成的各种RNARNA前体，特别是前体，特别是mRNAmRNA的前体要经过十分复杂的加工修饰才的前体要经过十分复杂的加工修饰才能成熟，故能成熟，故转录及转录后的修饰加工转录及转录后的修饰加工是真核基因表达的重要是真核基因表达的重要环节。环节。一、原核生物翻译水平的调节1.1.重叠核苷酸 在原核生物中常出现操纵子中相邻的基因有少量的DNADNA序列发生重叠，这种重叠有时可以起到调控的作用。 如在色氨酸操纵子的5 5个基因中，E E和D D之间，B B和A A之间，存在着翻译偶联效应，即trpEtr

50、pE的终止密码子和trpDtrpD的起始密码子相互重叠，trpBtrpB的终止密码子和trpAtrpA的起始密码子相互重叠。 当trpEtrpE或trpBtrpB翻译终止时，核糖体尚未解离就已处在trpDtrpD或trpAtrpA的起始密码子上，使翻译偶联起来。 两个基因表达的彼此协调，使得蛋白的产量保持一致。trpE-Thr-Phe-trpE-Thr-Phe-终止密码 trpB-Glu-Ile-trpB-Glu-Ile-终止密码 ACU UUC UGACU UUC UGAUGAUG GCU GAA AUC UG GCU GAA AUC UGAUGAUG GAA GAA Met MetAlaA

51、la trpD MettrpD MetGluGlutrpA trpA 2.2.阻遏蛋白 某些操纵子编码的蛋白质与蛋白质生物合成有关，其特征是利用阻遏蛋白在翻译水平上进行调节。阻遏蛋白结合于mRNAmRNA的特定位点，阻止核糖体识别翻译起始区。 如RNARNA噬菌体R17R17的外壳蛋白兼任阻遏蛋白，能特异地结合于噬菌体mRNAmRNA的发夹结构，其中包括核糖体结合位点。3.mRNA3.mRNA的二级结构 mRNAmRNA的二级结构可以调节翻译能力。例如，某些RNARNA噬菌体的顺反子总是按顺序翻译，因为只有第一个顺反子的翻译起始位点可以利用，第二个顺反子的翻译起始区由于和另一区域形成碱基配对而

52、被封闭。 然而，第一个顺反子的翻译破坏了mRNAmRNA原来的二级结构，使核糖体能够结合于第二个顺反子翻译的起始位点。4.4.自我调节 在同一个操纵子内，一个基因表达产物（蛋白）的积累，能够抑制另一个基因（或其本身）的进一步表达。这种翻译水平上负的自我调节，经常出现于多顺反子mRNAmRNA的翻译过程。 strstr、spcspc、S10S10、rifrif和L11L11操纵子都能编码核糖体蛋白，它们的调节蛋白也都是核糖体蛋白，后者能结合于编码自己的mRNAmRNA，其结合位点或与翻译起始区重叠，或者通过诱导构象改变而影响核糖体接近翻译起始位点。这种调节方式可以达到两个目的：（1 1）核糖体蛋

53、白的表达水平和细胞生长条件相适应；（2 2）这些操纵子编码的其它蛋白质均以自己的速率合成，不受核糖体蛋白翻译的任何影响。 5.5.核糖体蛋白合成的自动调节核糖体蛋白合成的自动调节 各种核糖体蛋白的合成彼此协调，它们和各种核糖体蛋白的合成彼此协调，它们和rRNArRNA之间也相之间也相互协调，这种调节发生在翻译水平，涉及蛋白质和互协调，这种调节发生在翻译水平，涉及蛋白质和mRNAmRNA间的间的相互作用，也可能与相互作用，也可能与mRNAmRNA的二级结构有关。的二级结构有关。 例如，若不供给细菌（如大肠杆菌）生长必需的氨基酸，例如，若不供给细菌（如大肠杆菌）生长必需的氨基酸，则该细菌的蛋白质合

54、成减少，则该细菌的蛋白质合成减少，RNARNA的合成也减少，这种现象称的合成也减少，这种现象称为为“紧急反应紧急反应（stringent responsestringent response）”。 在紧急反应时，RNARNA合成的减少是有选择性的，只有rRNArRNA和tRNAtRNA合成被抑制，而mRNAmRNA的合成一部分受抑制，另一部分则反而增加。 该现象表明在“紧急反应”时，为节省宝贵的氨基酸原料，细胞减少合成核糖体。 同样，为保证合成必需的蛋白质，也减少了其它蛋白质的合成。 Cashel Cashel和GallantGallant观察到，不供给氨基酸时，细菌会产生三种异常的核苷酸，即

55、ppGppppGpp、pppGpppppGpp及ppGpppGp，这些核苷酸（尤其是ppGppppGpp）的出现正好与RNARNA合成的抑制相关，因此认为这些核苷酸在紧急反应中起着关键的作用。 氨酰基tRNAtRNA合成酶的缺乏可以引起紧急反应，因为去酰化的tRNAtRNA是紧急反应的诱导物。 编码核糖体蛋白的5252个基因，分别处于2525个转录单位（或称操纵子）。一些转录单位中含有好几种核糖体蛋白基因，而另一些仅含一种核糖体蛋白基因。 最初的体内实验证明了这些转录单位的翻译受到反馈调节，用专门的转导噬菌体将一些转录单位引进大肠杆菌，使一些核糖体蛋白基因有多个拷贝，结果发现虽有相应的mRNA

56、mRNA增加，但无相应的蛋白增加。后来有人用重组DNADNA技术表达多个的核糖体蛋白基因，证明了在每个转录单位中只有一种蛋白能阻遏其它蛋白的合成。 必须指出的是，包含EF-TuEF-Tu和RNARNA聚合酶及的转录单位不受此反馈调节。 这类反馈调节的机制是蛋白质和mRNAmRNA相互作用。负责反馈调节的蛋白质能和rRNArRNA结合，以组装成核糖体大分子。 这些蛋白也能识别那些多顺反子mRNAmRNA中的位点，这些位点和rRNArRNA相似。蛋白质和mRNAmRNA结合后导致翻译的阻断。 当然，蛋白质和mRNAmRNA的亲和力要比蛋白质和rRNArRNA的亲和力弱，这样就不会影响核糖体的组装。

57、 6.6.密码子的利用与翻译调节 密码子有兼并性，但氨基酸的多种密码（即同义密码）使用的频率并不一样。 大肠杆菌的一些高度表达基因中很少出现的密码子，在另一些弱表达的基因中出现的频率却很高，提示了密码的使用与翻译的调控有一定的关系。 解释密码子调控蛋白质翻译的作用有两种模式。 一是同义密码子被翻译的速度与相应的同工tRNAtRNA的富有程度相关； 二是针对那些可被同一tRNAtRNA识别的同义密码子，这类同义密码的前两个碱基相同，只是第三个碱基不一样。由于tRNAtRNA中反密码子的碱基摇摆性，所以它们仍然能被相同的tRNAtRNA识别。在高度表达的基因中，很少出现密码子反密码子相互作用的高能

58、密码子（如CGCCGC）和能量最低的密码子（如AUUAUU），而更多是呈中间能量的密码子（如CGU,AUCCGU,AUC）。 二. .真核生物翻译水平的调节1.mRNA1.mRNA运输控制 运输控制是对转录过程中从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。mRNAmRNA都要通过核孔进行转运，因此真核生物的核膜是基因表达的一个控制点。关于mRNAmRNA运输控制的机制，有人提出了剪接体滞留模型：剪接体的装配与mRNAmRNA的输出相竞争，当前体mRNAmRNA在剪接体加工的过程中，RNARNA滞留在核中，不能与核孔相互作用。 当加工完成后，内含子被切除了，mRNAmRNA从剪接体上解离下来，通过核孔

59、进入细胞质。 2.mRNA2.mRNA的降解 mRNAmRNA的降解是翻译水平的一个重要控制点。通常核糖体内rRNArRNA和tRNAtRNA是很稳定的，mRNAmRNA的稳定性则差别很大，有的mRNAmRNA的寿命可延续好几个月，有的只有几分钟。 mRNAmRNA降解的速率与其结构特点有关，特别是mRNAmRNA的选择性降解在很大程度上是由于核酸酶和mRNAmRNA内部结构相互作用的结果。 例如很多短寿命的mRNA 3mRNA 3端非翻译区中的一组富含AUAU的序列（UUAAUUUAUUUAAUUUAU）是和它们的不稳定性有关系的，可能和去除poly(A)poly(A)有关，也可能与80S8

60、0S复合物形成过程中某种因子的结合有关。3.mRNA3.mRNA的结构 mRNA 5mRNA 5端帽子结构是否存在和是否易于接近eIF-4FeIF-4F对翻译有着明显的影响。 起始密码子AUGAUG的位置和其侧翼的序列对翻译的效率也有影响，这些因素主要是通过与调控蛋白、核糖体、RNARNA等的亲和性改变影响到起始复合物的形成，并影响到翻译的效率。翻译的效率还与55端非翻译区的长度有关，当此区的长度在171780nt80nt时，翻译的效率与长度成正比。此区的高级结构和高G-CG-C含量对翻译的起始有妨碍。 33端poly(A)poly(A)的有无及长度对mRNAmRNA的稳定性和翻译效率也有影响