肽链合成后加工与运输

1、第第1010章章 肽链合成后的加工和运输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：质生物活性，必需经过： 1 1）翻译后一系列加工修饰过程才转变为天然）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。基酸残基的修饰、二硫键的形成等。 2 2）靶向运输）靶向运输 许多蛋白合成后经靶向运送到其相应功能部许多蛋白合成后经靶向运送到其相应功能部 位，才能发挥作用位，才能发挥作用, ,称为蛋白质的靶向运输称为蛋白质的靶向运输

2、 ( (targeted transport)targeted transport)或蛋白分送或蛋白分送( (protein protein sorting)sorting)。 新生的多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工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。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，解，不管是原核生物还是真核生物，N N端的甲硫氨端的甲硫氨 酸往往在多肽链合成完毕之前就被切除。酸往往在多肽链合成完毕之前就被切除。50%50%的真的真 核

3、蛋白中，成熟蛋白核蛋白中，成熟蛋白N N端残基会被端残基会被N-N-乙基化。乙基化。 1） N N端端fMetfMet或或MetMet的切除的切除 一一. . 肽链合成后的加工肽链合成后的加工 1.1. 肽链的剪接肽链的剪接 2 2） 信号序列的切除信号序列的切除 需要靶项运输到各细胞器及细胞外的蛋白需要靶项运输到各细胞器及细胞外的蛋白 质质N-N-端一般有一段信号序列，用于指导蛋白质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。的蛋白水解酶切除。 3 3）切除新生肽链中非功能片段）切除新生肽链中非功能

4、片段 如新合成的胰岛素前体是前胰岛素原，必须先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，再切去切去信号肽变成胰岛素原，再切去C-C-肽，才变成有肽，才变成有 活性的胰岛素。活性的胰岛素。 有些动物病毒如脊髓灰质炎病毒的有些动物病毒如脊髓灰质炎病毒的mRNAmRNA可翻译成可翻译成 很长的多肽链，含多种病毒蛋白，经蛋白酶在特定很长的多肽链，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。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

5、原经过加为活性分子，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、胰工切去部分肽段才能成为有活性的血纤维蛋白、胰 蛋白酶。蛋白酶。 前胰岛素原蛋前胰岛素原蛋 白翻译后成熟白翻译后成熟 过程示意图。过程示意图。 4 4） 蛋白质的剪接蛋白质的剪接 蛋白质剪接是蛋白质内含肽介导的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一种在蛋白质水平上翻译 后的加工过程后的加工过程, ,它由一系列分子内的剪切它由一系列分子内的剪切连接反应组成。连接反应组成。 内含肽（内含肽（inteinintein）是位于宿主蛋白质中的一段插入序列，前是位于宿主蛋白质中的一段插入序

6、列，前 缀缀inin一取自一取自inventing, inventing, 后缀后缀teintein一取自一取自proteinprotein。与内含肽。与内含肽 相对应的另一专用术语是相对应的另一专用术语是外显肽（外显肽（extein)extein)。 内含肽基因与外显肽基因存在于同一开放阅读框架内含肽基因与外显肽基因存在于同一开放阅读框架(open (open reading framereading frame，ORF)ORF)内，并与外先肽基因进行同步转录和翻内，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，译，当翻译形成蛋白质前体后，内含肽具有自我

7、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。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在实践中也有广泛的应用前景. . 2 2二硫键的形成二硫键的形成 mRNAmRNA中没有胱氨酸的密码子，而不少蛋白质都含有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。作用生成的。 3 3特定氨基酸的修饰特定氨基酸的修饰 氨基酸侧链的修饰作用包

8、括泛素化、磷酸化（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）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、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残基加上糖基形成的，

9、胶原蛋白上的脯氨酸和赖 氨酸多数是羟基化的。实验证明，内质网可能是蛋白氨酸多数是羟基化的。实验证明，内质网可能是蛋白 质质N-N-糖基化的主要场所。糖基化的主要场所。 1 1）泛素化）泛素化泛素降解泛素降解 ATP- ATP-依赖的蛋白质水解体系，依赖的蛋白质水解体系，在胞质中进行，主要降解在胞质中进行，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。尤为重要。 泛素由泛素由7676个个AAAA组成，高度保组成，高度保 守，普遍存在于真核细胞中守，普遍存在于真核细胞中 ，故称泛素（，故称泛素（ubiquitin)ubiq

10、uitin) E1：泛素激活酶：泛素激活酶E2：泛素结合酶：泛素结合酶E3：泛素：泛素-蛋白质连接酶蛋白质连接酶 泛素降解蛋白质途径泛素降解蛋白质途径 2 2）磷酸化）磷酸化 磷酸化是在蛋白激酶的催化作用下，将磷酸化是在蛋白激酶的催化作用下，将ATPATP的的r-r-磷酸磷酸 基转移到蛋白特定位点上的过程，磷酸化的作用位点基转移到蛋白特定位点上的过程，磷酸化的作用位点 为蛋白上的为蛋白上的SerSer、ThrThr、 Tyr Tyr。 3）糖基化）糖基化 v蛋白质的特定氨基蛋白质的特定氨基 酸残基酸残基( (天冬氨酸、天冬氨酸、 丝氨酸、苏氨酸残丝氨酸、苏氨酸残 基基) )加入糖基复合物加入糖

11、基复合物 (2-60 (2-60 单糖单糖) ) v通常为跨膜蛋白通常为跨膜蛋白 v重要的识别标志重要的识别标志 两种类型两种类型 N-linkedO-linked N-N-乙酰葡萄糖氨连接乙酰葡萄糖氨连接 到天冬胺酸残基上到天冬胺酸残基上 N-N-乙酰葡萄糖氨连乙酰葡萄糖氨连 接到丝胺酸残基上接到丝胺酸残基上 3. 3. 多肽链的折叠多肽链的折叠 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，同时获得生链叠集等行为形成蛋白质的天然构象，同时获得生 物活性。物活性。 蛋白质折叠的机制蛋白质折叠的机制成核（成核（nuc

12、leation)nucleation)理论理论 A. A. 成核成核：最先形成螺旋及折叠片断，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.B.结构充实结构充实：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 1）概念）概念 C.C.最后重排最后重排： US I1 IN N 完全松散肽链完全松散肽链 具二级结构的局部鉴定状态具二级结构的局部鉴定状态 中间态（熔球态）中间态（熔球态） 天然态天然态 1010毫秒毫秒 1 13 3秒秒 目前还无法了解蛋白质在体内折叠的具体过程，目前还无法了

13、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只是已了解到蛋白质的体内折叠遵守一些基本准 则：则：P P：261261 体内大部分蛋白质的折叠需要在折叠酶（二硫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。侣的帮助下完成。 2 2）分子伴侣（）分子伴侣（molecularmolecular chaperon/chaperon/chaperoninechaperonine) ) 是一类能帮助其他蛋白质进行正确组装、折叠、转是一类能帮助其他蛋白质进行正确组装、折叠、转 运、介导

14、错误折叠的蛋白质进行降解的蛋白质。运、介导错误折叠的蛋白质进行降解的蛋白质。 1 1、协助新生肽链在细胞浆中的折叠：、协助新生肽链在细胞浆中的折叠： 2 2、蛋白质的转运与折叠：、蛋白质的转运与折叠： 3 3、在防御中的作用：增强生物或细胞的热耐受能力、在防御中的作用：增强生物或细胞的热耐受能力 4 4、其它功能：有多方面，如抑制细胞凋亡、其它功能：有多方面，如抑制细胞凋亡、 调控细胞周调控细胞周 期、抑制衰老等期、抑制衰老等 GroEL GroES 热休克蛋白热休克蛋白 Heat Shock Proteins (HSPs),Heat Shock Proteins (HSPs), 是在从细菌到

15、哺乳动物中广泛存在一类热应急蛋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，分别为休克蛋白共分为五类，分别为HSP100HSP100，HSP90HSP90， HSP70HSP70，HSP60 HSP60 以及小分子热休克蛋白以及小分子热休克蛋白 small small Heat Shock Proteins (sHSPs)

16、Heat Shock Proteins (sHSPs) 热休克蛋白热休克蛋白9090存在于所有的原核与真核细胞中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，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，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构象成熟和功能稳定的调控, ,而这些信号蛋白的而这些信号蛋白的 过度表达或突变能促进肿瘤细胞的增殖及存活；过度表达或突变能促进肿瘤细胞的增殖及存活； HSP70HSP70可与高度去折叠或错误折叠的多肽结合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

17、叠，在蛋白质重组及降，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；解过程中有作用，还帮助蛋白质跨膜运转； Hsp60Hsp60存在于真核生物的线粒体与叶绿体中，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。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，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。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，因此合成的蛋白质分，因此合成的蛋白质必须准确无

18、误必须准确无误地定地定 向运送才能保证生命活动的正常进行。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：一般说来，蛋白质运转可分为两大类： v翻译运转同步机制翻译运转同步机制: :蛋白质的合成和运转同时发生的蛋白质的合成和运转同时发生的 v翻译后运转机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生运转。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 蛋白性质蛋白性质 运运 转转 机机 制制主主 要要 类类 型型 分泌分泌 蛋白质在结合核糖体上蛋白质在结合核糖体上 合

19、成，合成， 并以翻译运转同步并以翻译运转同步 机制运输机制运输 免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激 素等素等 细胞器发细胞器发 育育 蛋白质在游离核糖体上合蛋白质在游离核糖体上合 成，以翻译后运转机制运成，以翻译后运转机制运 输输 核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环核、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体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白 质质 膜的形成膜的形成 两种机制兼有两种机制兼有质膜、内质网、类囊体中的蛋白质质膜、内质网、类囊体中的蛋白质 1 1 翻译翻译- -运转同步机制（分泌蛋白）运转同步机制（分泌蛋白） 信号肽假说信号肽假说： 蛋白质跨

20、膜运转信号是由蛋白质跨膜运转信号是由mRNAmRNA编码的。编码的。 在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序 列的列的RNARNA区域，称为信号序列，编码出的蛋白叫信区域，称为信号序列，编码出的蛋白叫信 号肽。号肽。 信号肽在合成后便与内质网膜上特定受体相互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。过内质网膜，即：边翻译边跨膜运转。 信号肽：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被运入内质网内腔的蛋白质均含有一

21、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，称为进入细胞的特定部位，称为信号肽信号肽。 信号肽一般带有信号肽一般带有10-1510-15个疏水氨基酸，进入内质网膜后被信个疏水氨基酸，进入内质网膜后被信 号肽酶水解。在靠近信号肽号肽酶水解。在靠近信号肽N-N-端外常常有端外常常有1 1个或数个带正电荷个或数个带正电荷 的氨基酸；在其的氨基酸；在其C-C-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极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性氨基

22、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）。（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：双层膜：N N端先与脂膜相结合，随后疏水的残基与脂双层以疏端先与脂膜相结合，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。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：信号肽识别颗粒 SRPreceptor/dockingprotein:SRP受体，锚定蛋白，也叫船坞蛋白受体，锚定蛋白，也叫船坞蛋白 SRP =

23、 signal recognition particle vSRPSRP能识别信号肽，与正在合成需要通过内质网膜进行能识别信号肽，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运转的新生肽和结合核糖体形成“SRP-SRP-信号肽信号肽- -核糖体核糖体 复合物复合物”，该复合物被引向内质网膜并与，该复合物被引向内质网膜并与SRPSRP的受体的受体 DPDP（锚定蛋白，船坞蛋白，停泊蛋白）相结合。只有（锚定蛋白，船坞蛋白，停泊蛋白）相结合。只有 当当SRPSRP与与DPDP相结合时，多肽合成才恢复进行，信号肽部相结合时，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

24、复合物跨膜进入内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。质网内腔，新生肽链重新开始延伸。 vSRPSRP与与DPDP的结合很可能导致受体聚集而形成膜孔道，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，运送到蛋白质，被送入高尔基体或形成运转小泡，运送到 细胞膜。细胞膜。 正确的折叠正确的折叠不正确的折叠不正确的折叠 降解降解 通过分泌小泡输送到目

25、的地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：内质网腔：1 1）新生肽链折叠；二硫键的修饰；添加核心寡糖）新生肽链折叠；二硫键的修饰；添加核心寡糖/ / 糖基化；糖基化；2 2）蛋白质从内质网通过分泌泡转移到高尔基复合）蛋白质从内质网通过分泌泡转移到高尔基复合 体；体；3 3）在高尔基体以出芽小泡的方式运转到膜上）在高尔基体以出芽小泡的方式运转到膜上 2 2 翻译后运转机制（细胞器蛋白）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质提供的，其

26、中绝大多数以翻译后运转机制进入细胞器 内。内。 Tom=transportacrossoutermembraneTim=transportacrossinnermembrane v1 1）线粒体蛋白质跨膜运转）线粒体蛋白质跨膜运转 v 线粒体蛋白质跨膜运转过程有如下特征：线粒体蛋白质跨膜运转过程有如下特征： v通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以前体形前体形 式式存在，它由成熟蛋白质和存在，它由成熟蛋白质和N N端延伸出的一段端延伸出的一段20-8020-80个个 氨基酸的氨基酸的导肽（导肽（leader peptideleader peptide）共同

27、组成。共同组成。 v蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种需能过程需能过程； v蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上的蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上的TomTom 受体复合蛋白识别，再与受体复合蛋白识别，再与Hsp70Hsp70或或MSFMSF等分子伴侣相结等分子伴侣相结 合，通过合，通过TomTom和和TimTim组成的膜通道进入线粒体内腔。组成的膜通道进入线粒体内腔。 导肽的特点：导肽的特点： 1，带，带正电的碱性氨基酸正电的碱性氨基酸含量较为丰富，含量较为丰富， 分散于不带电荷的氨基酸序列间（起重分散于不带电荷的氨基酸序列间（起重 要作用）要作用） 2，缺少带负电的酸性氨基酸，缺少带负电的酸性氨基酸 3，丝氨基酸含量较高，丝氨基酸含量较高 4，有形成，有形成螺旋结构的能力螺旋结构的能力 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（过外膜转运蛋白（TOCTOC）和内膜转运蛋白（）和内膜转运蛋白（TICTIC） 协同作用完成蛋白质向