生物信息的传递(下).ppt

第四章 生物信息的传递(下),翻译（从mRNA-蛋白质）,4.5 蛋白质运转机制,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。,一般说来，蛋白质运转可分为两大类： 翻译转运同步机制:蛋白质的合成和转运同时发生的 翻译后转运机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生转运。 下表列举了跨膜运输和镶入膜内的几种主要蛋白质。,4. 5. 1 翻译-运转同步机制,蛋白质定位信息存在于自身结构中，并通过与膜上特殊受体的相互作用得以表达。信号序列在结合核糖体上合成后便与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膜结构。因此，这种方式是边翻译边跨膜运转。,信号肽（signal peptide）：,在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，被称为信号肽序列，它负责把蛋白质引导到细胞内不同膜结构的亚细胞器内。,绝大部分被运入内质网内腔的蛋白质都带有一个信号肽，该序列常常位于蛋白质的氨基末端，长度一般在13-36个残基之间，有如下三个特点： （1）一般带有10-15个疏水氨基酸； （2）在靠近该序列N-端常常有1个或数个带正电荷的氨基酸； （3）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）。,根据信号肽假说，同细胞质中其他蛋白质的合成一样，分泌蛋白的生物合成开始于结合核糖体，当翻译进行到大约5070个氨基酸残基之后，信号肽开始从核糖体的大亚基露出，被粗糙内质网膜上的受体识别，并与之相结合。信号肽过膜后被内质网腔的信号肽酶水解，正在合成的新生肽随之通过蛋白孔道穿越疏水的双层磷脂。一旦核糖体移到mRNA的“终止”密码子，蛋白质合成即告完成，翻译体系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖体重新处于自由状态。,图 430 蛋白 质跨 膜转 运的 信号 肽假 说及 其运 输过 程,SRP能同时识别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，它与这类核糖体上新生蛋白的信号肽结合是多肽正确运转的前提，但同时也导致了该多肽合成的暂时终止（此时新生肽一般长约70个残基左右）。SRP-信号肽-核糖体复合物即被引向内质网膜并与SRP的受体DP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。,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，并被运送到相应细胞器。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。此时，SRP与DP相分离并恢复游离状态。待翻译过程结束后，核糖体的大、小亚基解离，受体解聚，通道消失，内质网膜也恢复完整的脂双层结构。进入内质网内腔后，蛋白质常以运转载体的形式被送入高尔基体或形成运转小泡，分别运送到各自的亚细胞位点。,SRP = signal recognition particle,信号肽在蛋白质运输过程中如何起作用？ 半乳糖酶定位于胞质 麦芽糖结合蛋白定位于胞外 麦芽糖运转蛋白位于外膜内腔 把半乳糖酶羧基端基因片段与麦芽糖转运蛋白和麦芽糖结合蛋白的氨基端基因片段相连，并以此模板指导合成杂种蛋白质，就可以通过测定半乳糖酶的活性确定蛋白的位置,完整的信号多肽是保证蛋白质运转的必要条件。 仅有信号肽还不足以保证蛋白质运转的发生。 信号序列的切除并不是运转所必需的。 并非所有的运转蛋白质都有可降解的信号肽。 据此，“信号肽”应当定义为：能启动蛋白质运转的任何一段多肽。,4.5.2 翻译后运转机制,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 = transport across outer membrane Tim = transport across inner membrane,4.5.2.1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： 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端延伸出的一段前导肽（leader peptide）共同组成。 蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种需能过程； 蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上的Tom受体复合蛋白识别与Hsp70或MSF等分子伴侣相结合的待运转多肽，通过Tom和Tim组成的膜通道进入线粒体内腔。,MSF = mitochondrial import stimulation factor Some proteins contain stop transfer signal and are inserted into mitochondrial membrane.,4.5.2.2前导肽的作用和性质 前导肽的特点： 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，羟基氨基酸含量较高 4，有形成双亲螺旋结构的能力,前导肽对线粒体蛋白质的识别和跨膜转运起着关键作用 前导肽跨膜运转时首先与线粒体外膜上的受体相结合。Tom受体可能是线粒体蛋白质跨膜运转时最主要的受体蛋白。有些前导肽含有“止运入”肽段，当该肽段被跨膜通道中的受体蛋白识别时，所运输的多肽将被定位在膜上（图4-33）。,图4-32 前导肽的不同区域可能在蛋白质跨膜运转过程中起不同的作用。,叶绿体蛋白质运转过程有如下特点： 活性蛋白水解酶位于叶绿体基质内，这是鉴别翻译后运转的指标之一。 叶绿体膜能够特异地与叶绿体蛋白的前体结合。 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。,4.5.2.3叶绿体蛋白质的跨膜运转,图4-33 叶绿体蛋白质跨膜运转。,叶绿体多肽在胞质中的游离核糖体上合成后脱离核糖体并折叠成具有三级结构的蛋白质分子，多肽上某些特定位点结合于只有叶绿体膜上才有的特异受体位点。 叶绿体定位信号肽一般有两个部分，第一部分决定该蛋白质能否进入叶绿体基质，第二部分决定该蛋白能否进入类囊体,4.5.3 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。,核定位序列（NLS = nuclear localization signal）： 蛋白质中的一种常见的结构域，通常为一短的氨基酸序列，它能与入核载体相互作用，将蛋白质运进细胞核内。 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核定位序列一般都不被切除 参与的因子：低分子量GTP酶（Ran）,核运转因子，其中与核定位信号相结合,和组成的异源二聚体是核定位蛋白的可溶性受体，与核定位序列相结合的是亚基。这些蛋白组成的复合物停靠在核孔处，依靠Ran GTP酶水解GTP提供的能量进入细胞核，和亚基解离，核蛋白与亚基解离，和分别通过核孔复合体回到细胞质中，起始新一轮蛋白质运转。,4.5.4 蛋白质的降解,蛋白质是包括人类在内各种生物体的重要组成成分。对于生物体而言，蛋白质的生老病死至关重要。然而，科学家关于蛋白质如何“诞生”的研究成果很多，迄今至少有次诺贝尔奖授予了从事这方面研究的科学家，但关于蛋白质如何“死亡”的研究却相对较少 瑞典皇家科学院将年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙切哈诺沃、阿夫拉姆赫什科和美国科学家欧文罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解。其实他们的成果就是发现了一种蛋白质“死亡”的重要机理。 原来，生物体内存在着两类蛋白质降解过程，一种是不需要能量的，比如发生在消化道中的降解，这一过程只需要蛋白质降解酶参与；另一种则需要能量，它是一种高效率、指向性很强的降解过程。这如同拆楼一样，如果大楼自然倒塌，并不需要能量，但如果要定时、定点、定向地拆除一幢大楼，则需要炸药进行爆破。,大肠杆菌中蛋白质的降解： 所需的酶：Lon（依赖于ATP的蛋白酶） 条件：出现错误的蛋白质或者半衰期很短的蛋白质 能量：每切除一个肽键需要消耗2分子的ATP,真核蛋白的降解依赖于一个只有76个氨基酸残基、其序列高度保守的泛蛋白（Ubiquitin）。细胞内即将被降解的蛋白首先在ATP的作用下与泛蛋白相连，并将该复合体运送到特定的蛋白降解体系中直到完全降解。,图4-38 泛蛋白（泛素）在E1、E2和E3的作用下与被降解蛋白相连接的过程。,成熟蛋白N-端的第一个氨基酸（除已被切除的N端甲硫氨酸之外，但包括翻译后修饰产物）在蛋白的降解中有着举足轻重的影响（表4-15）。当某个蛋白质的N端是甲硫氨酸、苷氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸和缬氨酸时，表现稳定。其N端为赖氨酸、精氨酸时，表现最不稳定，平均2-3分钟就被降解了。,本 章 总 结： 一、遗传密码：三联子密码的证实及破译；遗传密码的特点 二、 tRNA：1. tRNA的二级结构及五臂四环的特征和功能； 2. tRNA的高级结构，L结构域的功能； 3. tRNA的种类及aa-tRNA的合 成过程； 三、核糖体：1. 原核和真核生物核糖体区别； 2. 核糖体上的活性位点。 四、蛋白质的生物合成：(1)蛋白质的起始: (2)蛋白质的延伸和终止:1. 蛋白质生物合成的延伸过程，需要哪些主要的蛋白因子参与；2. 蛋白质生物合成的终止过程，原核与真核生物需要哪些释放因子的参与； (3) 蛋白质前体的加工：有几种方式； (4)蛋白质合成抑制剂： 五、蛋白质运转机制：(1)翻译-运转同步机制; （2）翻译后运转机制;,MS2噬菌体含有一单链的RNA,既是染色体又作为信使。下面是 编码蛋白质外壳基因开始的一段序列及蛋白质外壳相应的N 端 氨基酸序列： 密码 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 核苷酸 AUG GCU UCU AAC UUU ACU CAG UUC GUU CUC 氨基酸 ALA Ser Asn Phe Thr G