蛋白质的合成与定位

1、蛋白质的合成与定位摘 要:生物体的一切生命活动几乎都离不开蛋白质，生物体内的蛋白 质从开始合成到最终形成大概可以分为三个阶段:起动阶段，肽链的延 长，肽链合成的终止.合成以后的蛋白质根据自己不同的作用，通过不 同的途径被输送到细胞的各个位置.关键词:合成起动 延长 终止转运 定向蛋白质是细胞的工作分子，它们催化大量的化学反应，提供各种结构的支架， 参与细胞运动，控制膜的通透性，调节代谢物质的浓度，识别其他生物分子及控 制基因的工作等等.可以说细胞所进行的一切功能活动，都离不开蛋白质的参与， 同时蛋白质也遍布细胞的每一个角落，每一个细胞器.这里我就简单得介绍一下 蛋白质在细胞内的合成与如何到达它

2、应到的位置，即蛋白质的定位.一、蛋白质的生物合成过程蛋白质的合成过程可以人为的分为三个阶段:起动阶段，肽链的延长，肽链合 成的终止.下面我就简单的介绍一下这三个阶段.起动阶段-起始复合物的生成翻译起始点即把带有甲硫氨酸的起始tRNA连同mRNA结合到核糖体上，生成翻 译起始复合物(translational initiation complex).此过程需要各种起始因 子参加，原核生物与真核生物所需要的起始因子不相同，但却需要包括核糖体与 mRNA及起动tRNA的结合，都需要三磷酸核苷酸供给能量，大致上是一样的.起始复合物的合成(以原核生物为例)(1)核糖体亚基的拆离：翻译过程是在核糖体上连续

3、进行的.翻译进行中，核 糖体的大小亚基是连结成整体的.翻译终止的最后一步，实际上也是下一轮起始 的第一步,核糖体大小亚基必须先分开，以利于mRNA和fmet-tRNA先结合到小亚基上.mRNA在核糖体小亚基上就位：研究发现多种原核生物mRNA的碱基序列， 在翻译起始密码子AUG的上游，相距约813个核苷酸组成的富含嘌吟的序列 以AGGA.为核心，称为S-D序列.后来又发现，原核细胞核糖体小亚基上的 16S-rRNA，在其近3末端处，有一段短序列是与S-D序列互补区.mRNA上的S-D序 列又称为核糖体结合位点(ribosomal binding site, RBS).紧接AGGA的小段核 苷酸

4、，又可以被核糖体小亚基蛋白(rps-1 )辨认结合.原核细胞就是靠这种核酸 -核酸、核酸-蛋白质之间的辨认结和，而把mRNA连结到核糖体小亚基上的.fmet-tRNA的结合：此过程与mRNA在核糖体小亚基就位的同时发生， fmet-tRNA只能辨认和结合于mRNA的起始密码子AUG上，推动了 mRNA的前移， 保证了 mRNA就位的准确性.核糖体大亚基的结合:最后，在已有的mRNA和fmet-tRNA的小亚基上，加 入核糖体的大亚基，成为一个已经准备好的翻译系统整体,即翻译起始复合物.此 时，核糖体的p位已被fmet-tRNA上的AUG所占据，但A位是空的，而且mRNA上 仅次于AUG的第二个

5、三联体已相应于A位上,所对应的氨酰-tRNA即可加入A位 而进入延长阶段.二、肽链的延长每次核糖体循环又可分为三个步骤，进位(entrance)又称注册(registration)、成 肽(peptide board formation)和转位(translocation).循环一次,肽链延长一个 氨基酸，如此不断重复，直至肽链合成终止.进位与起始合成复合物受位上的mRNA密码相对应的氨酰-tRNA进入受位,形成复 合物，此步骤需要GTP、Mg2+和EFT成肽大亚基的给位上有转肽酶(transpeptidase)存在,可催化肽键的形成.在转肽酶 的催化下,给位上的他RNA所携带的甲硫氨酰基或肽

6、链转移给给位上新进入 的氨酰-tRNA,形成肽链，此步骤需Mg2+及K+的存在.原在给位上的、脱去甲硫氨酰 基的tRNA,从复合物中迅速脱落，使P位留空.转位在A位的二肽连同mRNA从A位进入P位，实际上是整个核糖体的相对位置 移动.催化转位作用的是转氨酶(translocase).现在证明:转位酶的活性存在于延长 因子G(EFG),由于肽-tRNA-mRNA与核糖体位置的相对变更,此时肽-tRNA占据了 P 位,A位是留空的,并对应着mRNA链上第三号三联体密码，于是，第三氨基酸就按密 码的指引进入A位注册,从而开始下一循环.肽链上每增加一个氨基酸残基，就按进位、成肽、和转位这三个步骤一遍一

7、遍 地重复，直至肽链增加到应有的长度.肽链合成到一定长度的同时,在甲硫氨基肽 酶的作用下，氨基端的甲硫氨酸残基从肽链上被水解脱落.(三)肽链合成的终止肽链合成的终止包括:终止密码子的辨认.肽链从肽酰-tRNA水解出来,mRNA 从核糖体中分离及大小基的拆开.终止过程需要蛋白质因子,被称为释放因子 (RF,RR).RF的作用是辨认终止密码子和促进肽链C端与tRNA 3、-OH脂键的水解, 事肽链从翻译中的核糖体上释放下来.RR的作用是把mRNA从核糖体释放,RF现至 少发现有三种:RF-1和RF-2都能辨认BAA终止密码子,而RF-1也能辨认UGA,RF-2 也辨认UGA.RF-3是酯酶的激活物

8、，酯酶水解肽-tRNA之间的脂键.当翻译至A位出现mRNA的终止密码子时，因无AAcyl-tRNA与之对应，即 A位不能接纳AAcyl-tRNA.RF-1或RF-2能识别终止密码子，进入A位.RF-3激活核糖体上的转肽酶.转肽酶受RF-3作用后发生变构，表现出酯酶 的水解活性,从而使P位上的肽与tRNA分离.在RF的作用下,tRNA、mRNA及RF均从核糖体上脱落,然后在IF的作用 下,核糖体的大小亚基分离，大小亚基可再进入翻译过程，循环利用.二、蛋白质合成后的定向运输我们知道蛋白质的合成是在核糖体上进行的，但是合成后的蛋白质是需要送 到细胞的各个地方发挥自己的作用，合成后的蛋白质主要三个去向

9、：保留细胞质; 进入细胞核、线粒体或其他细胞器;分泌到体液中，然后输送至该蛋白质应起作用 的靶细胞或靶器官.下面具体介绍几种输送方式.(一)分泌蛋白和膜蛋白的转运进入RER中的蛋白质往往进行修饰与加工，如糖基化、羟基化、酰基化以及 二硫键的形成，在RER腔中新合成的多肽还要进行正确的折叠与组装.然后RER 以出芽形成小泡的形式，将蛋白质转入高尔基体，在高尔基体中进行一系列的修 饰与加工（修饰糖链，加脂肪酸或磷酸化）.并经浓缩，分类包装，以分泌泡的形 式运走.其中质膜蛋白嵌插在转运小泡的膜上，当小泡与质膜融合后，该膜蛋白 嵌插在转运小泡的膜上，当小泡与质膜融合后，该小泡膜及其上的质膜蛋白就成 了

10、质膜的一部分.携带有分泌蛋白的小泡经胞吐作用，可将分泌蛋白排出细胞.（二）溶酶体蛋白的转运过程有关溶酶体蛋白的分拣与转运，现在已经知道的比较清楚.溶酶体中含有几 十种酸性水解酶类，它们在RER上合成后进八高尔基体，在RER上合成时发生7N 一连接的糖基化修饰，即把一个寡糖基共价结合到溶酶体酶的天冬酰胺残基上. 在高尔基体的顺面的膜囊中存在N 一乙酰萄葡糖胺磷酸转移酶和N一乙酰萄葡胺 磷酸糖苷酶，在这两种酶的催化作用下，寡糖链中的甘露糖残基磷酸化产生6P 甘露糖（M6P）.这种特异的反应，只发生在溶酶体的酶上，而不发生在其它的糖 蛋白上，估计溶酶体酶本身的构象含有某种磷酸化的信号，如改变其构象则

11、不能 被识别，也就不能形成M一6P .在高尔基体反面的膜囊上结合着M一6P的受体，由 于溶酶体酶的许多位点上都可形成M一6P，从而大大增加了与受体的亲和力，这 种特异的亲和力使溶酶体酶与其它蛋白质分离并起到局部浓缩的作用.在高尔基 体反面，M6P-M6P受体复合体包八转运小泡，这一过程有衣被蛋白的参与.转运小 泡与胞质中的内体融合，内体是一种膜包小泡，其膜上含有质子泵（H 一ATP酶）， 该泵可往泡内转运H，致使pH降低.溶酶体酶进入内体后，在低pH条件下，磷酸 化的溶酶体酶与它结合的M6P受体分离，受体通过“出芽”成小泡再被转运回高 尔基体膜.其中的溶酶体酶脱去甘露糖上的磷酸根，溶酶体形成.

12、（三）细胞质基质中合成的蛋白质及其转运1.过氧物酶体蛋白的转运过氧物酶体中所有的酶，以及所有的膜蛋白。都由细胞核基因编码，并在细 胞质基质中合成，然后转运到过氧化物酶体中的.对这一过程了解较多的是过氧 化氢酶，它是一个含血红索的四聚体蛋白，其单体在细胞质基质中合成，在某种 信号序列（导肽）的指导下进入过氧物酶体，这一信号序列并不被切除.目前发现至少部分信号序列与过氧物酶单体分子C 端的3个氨基酸序列有关.推测在过氧物酶体膜上存在识别信号序列的受体，在 过氡物酶体腔中单体与血红索结合并形成四聚体.亲核蛋白的转运在细胞基质中合成的蛋白质，有些经过核孔复合体被转运进入了细胞核内， 如DNA聚合酶、R

13、NA聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等.这一运输过程是通过核孔 复合体的选择性主动运输完成的.核孔复合体的亲水通道，其功能直径仅为9nm， 长约15rim.一般大于60KD的球蛋白不能进入核内，但亲核蛋白（指在细胞质内合 成，然后输入到核内发挥功能作用的一类蛋白）.即使分子量大于60KD，也能通过 核孔复合体进入核内.通过分析，发现亲核蛋白一般都含有特殊的氨基酸信号序 列，正是这些信号序列起到一个“定向”、“定位”的作用，从而可保证整个蛋 白通过核孔复合体向核内输入.将这一特殊的氨基酸序列命名为核定位信号 （nutear localization signal， NLS）.第一个被确定NLS序列的蛋

14、白质是sv40的T抗 原（MW =92KD），它在胞质中合成后很快积累在核中，是病毒DNA在核内复制所 必须的蛋白质.其野生型NLS氨基酸序列为Pro一Lys一Lys一Lys一Arg一Lys一 Vat. 即使单个氨基酸突变所产生的突变形NLs（Pr0 一 Lys一Thr一Lys一Arg一Lys一vat） 也能阻止这种蛋白质向核内输入.如果将野生型的这种信号序列短肽连接到非核 蛋白随机选择的Lys侧链上，则非亲核蛋白也具有核输入的功能.此后，叉陆续鉴 定出一些其它亲核蛋白的NLS序列，发现典型的NLS是一个短肽，由48个氨 基酸残基组成。富含带正电荷的Lys和Arg，通常还有Pro.在不同的NL

15、S之间尚 未发现共有的特征序列.而且与蛋白跨膜运输的信号肽不同，NLS序列可定位在 亲棱蛋白的不同部位，并且指导亲核蛋白完成核输入后不被切除.线粒体蛋白的转运60年代，发现了叶绿体和线粒体中含有DNA，后来又进一步发现它们中还 有RNA（mRNA，tRNA，rRNA）、核糖体、氨基酸活化酶，说明这两种细胞器具有 独立进行转录和转译的功能.但迄今为止,已知线粒体仅能编码13种多肽并在线 粒体核糖体上合成，叶绿体仅有60多 种蛋白是自身合成的.这两种细胞器的绝大多数蛋白是由核基因编码，在细胞质 核糖体上合成，经由特定的机制转运全细胞器的.线粒体蛋白的跨膜运送与分泌蛋白不同，除个别的蛋白可能是转录与

16、转译同 时进行外，其余大多数的蛋白都是在细胞质中首先合成后再运送到细胞器的，称 为后转移(postzansloeation).这些蛋白前体的N 一末端含有一前导序列称为导肽 或弓|肽(leader soquences，targetting sequences，preseqnences).现已有 40 多种 线粒体蛋白导肽的一级结构已阐明.它们含有20-80个氨基酸残基。导肽的结构有 以下特征：(1)含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸，特别是Arg，带正电荷的氨基 酸残基有助于导肽序列进入带负电荷的基质中；羟基氨基酸如Ser含量也较高; 几乎不含带负电荷的酸性氨基酸；(4)可形成既具有亲水性叉具有疏

17、水性的a 一螺旋结构，这种结构特征有利于穿越线粒体的双层膜.含导肽的前体蛋白在跨膜运送时，首先被线粒体表面的受体识别，同时还需 要位于外膜上的GIP蛋白(general insertion protein)的参与，它能促进线粒体蛋 白前体从内外膜的接触面插入.在跨膜运送之前前体蛋白需要解折叠为松散的结 构，以利运送.前体蛋白通过内膜之后，其导肽即被线粒体基质中的导肽水解酶 与导肽水解激活酶水解，并同时重新卷曲折叠为成熟的蛋白分子。跨膜运送的蛋 白在解折叠与重折叠的过程中需要有一类被称为“分子伴娘”的分子参与.现已 证明，细胞中的某些蛋白分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多 肽的某些部位相结合.从而帮助这些多肽转运，折叠或装配，这一类分子并不参 与最终产物的形成，因此称为分子伴娘(molecular chaperones).前面提到的信号识 别颗粒就是一种分子伴娘.它可与信号肽结合，帮助多肽转运。在线粒体蛋白跨 膜转运过程中发挥作用的分子伴娘是热休克蛋白中Hsp70和Hs 口 6O蛋白.基因融合实验证明