肽链合成后的加工和运输

第10章肽链合成后的加工和运输从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过：1）翻译后一系列加工修饰过程才转变为天然构象的功能蛋白。如：高级结构的形成、氨基酸残基的修饰、二硫键的形成等。2）靶向运输许多蛋白合成后经靶向运送到其相应功能部位，才能发挥作用,称为蛋白质的靶向运输(targetedtransport)或蛋白分送(proteinsorting)。新生的多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。细菌蛋白质氨基端的甲酰基能被脱甲酰化酶水解，不管是原核生物还是真核生物，N端的甲硫氨酸往往在多肽链合成完毕之前就被切除。50%的真核蛋白中，成熟蛋白N端残基会被N-乙基化。1）N端fMet或Met的切除一.肽链合成后的加工1.肽链的剪接2）信号序列的切除需要靶项运输到各细胞器及细胞外的蛋白质N-端一般有一段信号序列，用于指导蛋白质的运输，这一信号序列会在完成任务后被相应的蛋白水解酶切除。3）切除新生肽链中非功能片段如新合成的胰岛素前体是前胰岛素原，必须先切去信号肽变成胰岛素原，再切去C-肽，才变成有活性的胰岛素。有些动物病毒如脊髓灰质炎病毒的mRNA可翻译成很长的多肽链，含多种病毒蛋白，经蛋白酶在特定位置上水解后得到几个有功能的蛋白质分子。不少多肽类激素和酶的前体也要经过加工才能变为活性分子，如血纤维蛋白原、胰蛋白酶原经过加工切去部分肽段才能成为有活性的血纤维蛋白、胰蛋白酶。前胰岛素原蛋白翻译后成熟过程示意图。4）蛋白质的剪接蛋白质剪接是蛋白质内含肽介导的,一种在蛋白质水平上翻译后的加工过程,它由一系列分子内的剪切—连接反应组成。内含肽（intein）是位于宿主蛋白质中的一段插入序列，前缀in一取自inventing,后缀tein一取自protein。与内含肽相对应的另一专用术语是外显肽（extein)。内含肽基因与外显肽基因存在于同一开放阅读框架(openreadingframe，ORF)内，并与外先肽基因进行同步转录和翻译，当翻译形成蛋白质前体后，内含肽具有自我催化功能，可从蛋白质中自体切除，形成成熟的具有活性的蛋白。蛋白质内含肽的发现,不仅丰富了遗传信息翻译后加工的理论,在实践中也有广泛的应用前景.2．二硫键的形成mRNA中没有胱氨酸的密码子，而不少蛋白质都含有二硫键，这是蛋白质合成后通过两个半胱氨酸的氧化作用生成的。3．特定氨基酸的修饰氨基酸侧链的修饰作用包括泛素化、磷酸化（如核糖体蛋白质）、糖基化（如各种糖蛋白）、甲基化（如组蛋白、肌肉蛋白质）、乙基化（如组蛋白）、羟基化（如胶原蛋白）和羧基化等，是生物体内最普通发生修饰作用的氨基酸残基及其修饰产物。糖蛋白主要是通过蛋白质侧链上的天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基加上糖基形成的，胶原蛋白上的脯氨酸和赖氨酸多数是羟基化的。实验证明，内质网可能是蛋白质N-糖基化的主要场所。1）泛素化—泛素降解ATP-依赖的蛋白质水解体系，在胞质中进行，主要降解异常蛋白和短寿命蛋白，此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。泛素由76个AA组成，高度保守，普遍存在于真核细胞中，故称泛素（ubiquitin)E1：泛素激活酶E2：泛素结合酶E3：泛素-蛋白质连接酶泛素降解蛋白质途径2）磷酸化磷酸化是在蛋白激酶的催化作用下，将ATP的r-磷酸基转移到蛋白特定位点上的过程，磷酸化的作用位点为蛋白上的Ser、Thr、Tyr。3）糖基化•蛋白质的特定氨基酸残基(天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基)加入糖基复合物(2-60单糖)•通常为跨膜蛋白•重要的识别标志两种类型N-linkedO-linkedN-乙酰葡萄糖氨连接到天冬胺酸残基上N-乙酰葡萄糖氨连接到丝胺酸残基上3.多肽链的折叠蛋白质的折叠指肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧链叠集等行为形成蛋白质的天然构象，同时获得生物活性。蛋白质折叠的机制—成核（nucleation)理论A.成核：最先形成α螺旋及β折叠片断，使变性蛋白质从伸展，无活性状态（US）转变成部分折叠，产生一些二级结构但仍无活性的状态（I1）B.结构充实：蛋白质从I1状态进一步折叠，近于完全，但仍存在着储如脯氨酸残基的不正确异构体等的状态（IN)1）概念C.最后重排：USI1INN完全松散肽链具二级结构的局部鉴定状态中间态（熔球态）天然态10毫秒1－3秒目前还无法了解蛋白质在体内折叠的具体过程，只是已了解到蛋白质的体内折叠遵守一些基本准则：P：261体内大部分蛋白质的折叠需要在折叠酶（二硫键异构酶和肽酰脯氨酰顺反异构酶）和分子伴侣的帮助下完成。2）分子伴侣（molecularchaperon/chaperonine)是一类能帮助其他蛋白质进行正确组装、折叠、转运、介导错误折叠的蛋白质进行降解的蛋白质。1、协助新生肽链在细胞浆中的折叠：2、蛋白质的转运与折叠：3、在防御中的作用：增强生物或细胞的热耐受能力4、其它功能：有多方面，如抑制细胞凋亡、调控细胞周期、抑制衰老等GroELGroES热休克蛋白HeatShockProteins(HSPs),是在从细菌到哺乳动物中广泛存在一类热应急蛋白质。当有机体暴露于高温的时候，就会由热激发合成此种蛋白，来保护有机体自身。许多热休克蛋白具有分子伴侣活性。按照蛋白的大小，热休克蛋白共分为五类，分别为HSP100，HSP90，HSP70，HSP60以及小分子热休克蛋白smallHeatShockProteins(sHSPs)热休克蛋白90存在于所有的原核与真核细胞中，参与新生肽链的折叠，防止折叠过程蛋白聚合，主要作为分子伴侣参与细胞中众多信号蛋白的构象成熟和功能稳定的调控,而这些信号蛋白的过度表达或突变能促进肿瘤细胞的增殖及存活；HSP70可与高度去折叠或错误折叠的多肽结合，阻止聚沉并帮助重新折叠，在蛋白质重组及降解过程中有作用，还帮助蛋白质跨膜运转；Hsp60存在于真核生物的线粒体与叶绿体中，参与蛋白质折叠、运输等。在生物体内，蛋白质的合成位点与功能位点常常被一层或多层细胞膜所隔开，这样就产生了蛋白质运转的问题。由于细胞各部分都有特定的蛋白质组分，因此合成的蛋白质必须准确无误地定向运送才能保证生命活动的正常进行。二、肽链合成后的定向运输一般说来，蛋白质运转可分为两大类：•１．翻译运转同步机制:蛋白质的合成和运转同时发生的•２．翻译后运转机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生运转。下表列举了跨膜运输和镶入膜内的几种主要蛋白质蛋白性质运转机制主要类型分泌蛋白质在结合核糖体上合成，并以翻译运转同步机制运输免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等细胞器发育蛋白质在游离核糖体上合成，以翻译后运转机制运输核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白质膜的形成两种机制兼有质膜、内质网、类囊体中的蛋白质1翻译-运转同步机制（分泌蛋白）信号肽假说：蛋白质跨膜运转信号是由mRNA编码的。在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，称为信号序列，编码出的蛋白叫信号肽。信号肽在合成后便与内质网膜上特定受体相互作用，产生通道，允许这段多肽在延长的同时穿过内质网膜，即：边翻译边跨膜运转。信号肽：被运入内质网内腔的蛋白质均含有一段或几段特殊的氨基酸序列，该序列常常位于蛋白质的氨基末端，可用于引导蛋白质进入细胞的特定部位，称为信号肽。信号肽一般带有10-15个疏水氨基酸，进入内质网膜后被信号肽酶水解。在靠近信号肽N-端外常常有1个或数个带正电荷的氨基酸；在其C-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（丙氨酸或甘氨酸）。信号肽没有严格的专一性；可能是一种环状结构通过内质网双层膜：N端先与脂膜相结合，随后疏水的残基与脂双层以疏水作用逐渐插入形成环状的跨膜结构。signalrecognitionparticle,SRP：信号肽识别颗粒SRPreceptor/dockingprotein:SRP受体，锚定蛋白，也叫船坞蛋白SRP=signalrecognitionparticle•SRP能识别信号肽，与正在合成需要通过内质网膜进行运转的新生肽和结合核糖体形成“SRP-信号肽-核糖体复合物”，该复合物被引向内质网膜并与SRP的受体—DP（锚定蛋白，船坞蛋白，停泊蛋白）相结合。只有当SRP与DP相结合时，多肽合成才恢复进行，信号肽部分通过膜上的核糖体受体及蛋白运转复合物跨膜进入内质网内腔，新生肽链重新开始延伸。•SRP与DP的结合很可能导致受体聚集而形成膜孔道，使信号肽及与其相连的新生肽得以通过。整个蛋白跨膜以后，信号肽被水解，形成高级结构和成熟型蛋白质，被送入高尔基体或形成运转小泡，运送到细胞膜。正确的折叠不正确的折叠降解通过分泌小泡输送到目的地膜蛋白和分泌蛋白模式图内质网腔：1）新生肽链折叠；二硫键的修饰；添加核心寡糖/糖基化；2）蛋白质从内质网通过分泌泡转移到高尔基复合体；3）在高尔基体以出芽小泡的方式运转到膜上2翻译后运转机制（细胞器蛋白）研究发现，叶绿体和线粒体中有许多蛋白质和酶是由细胞质提供的，其中绝大多数以翻译后运转机制进入细胞器内。Tom=transportacrossoutermembraneTim=transportacrossinnermembrane•1）线粒体蛋白质跨膜运转•线粒体蛋白质跨膜运转过程有如下特征：•①通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以前体形式存在，它由成熟蛋白质和N端延伸出的一段20-80个氨基酸的导肽（leaderpeptide）共同组成。•②蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种需能过程；•③蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上的Tom受体复合蛋白识别，再与Hsp70或MSF等分子伴侣相结合，通过Tom和Tim组成的膜通道进入线粒体内腔。导肽的特点：1，带正电的碱性氨基酸含量较为丰富，分散于不带电荷的氨基酸序列间（起重要作用）2，缺少带负电的酸性氨基酸3，丝氨基酸含量较高4，有形成α－螺旋结构的能力叶绿体膜能够特异地与叶绿体蛋白的前体结合。通过外膜转运蛋白（TOC）和内膜转运蛋白（TIC）协同作用完成蛋白质向基质的运输；叶绿体蛋白质前体内可降解序列因植物和蛋白质种类不同而表现出明显的差异。一般N端含有定向叶绿体基质的序列，C端具有可引导蛋白向类囊体膜运输的序列。2）叶绿体蛋白质的跨膜运转在细胞质中合成的叶绿体前体蛋白在N-末端有转运肽（transitpeptides)的信号序列，它是叶绿体蛋白输送的必要成分，在蛋白质的输送过程中需分子伴侣参与。3）核定位蛋白的运转机制在细胞质中合成的蛋白质一般通过核孔进入细胞核。所有核糖体蛋白都首先在细胞质中被合成，运转到细胞核内，在核仁中被装配成40S和60S核糖体亚基，然后运转回到细胞质中行使作为蛋白质合成机器的功能RNA、DNA聚合酶、组蛋白、拓朴异构酶及大量转录、复制调控因子都必须从细胞质进入细胞核才能正常发挥功能。核孔复合物(Nuclearporecomplex,NPC)核孔复合物，NPC，是一个多蛋白复合体，由胞质环、核质环、转运环、轮辐等组成一个120nm的篮网装结构，其中心为亲水通道。NPC具有分子筛功能，可以允许小分子自由通过，大分子在运转蛋白介导下，以主动运输的方式进入细胞核。NLS=nuclearlocalizationsignal核膜重建的过程中，分散在细胞内的核蛋白须重新运入核内，因此为核蛋白定位的信号肽一般都不被切除因子：GTP酶（Ran）,核运转因子α，β，其中α与核定位信号相结合