cau10ProteinProcessingandTranslocation

1、第十章第十章 蛋白质翻译后的加工与转运蛋白质翻译后的加工与转运Chapter 10 The Post-translation Processing and Translocation本章的主要内容本章的主要内容:1. 蛋白质翻译后的加工方式蛋白质翻译后的加工方式;2. 蛋白质翻译后的转运与定位。蛋白质翻译后的转运与定位。什么是蛋白质？什么是蛋白质？ 第一节第一节 蛋白质翻译后的加工蛋白质翻译后的加工 由一定数量和种类的氨基酸，按照特由一定数量和种类的氨基酸，按照特定的排列顺序，通过羧基与氨基缩合形成定的排列顺序，通过羧基与氨基缩合形成的肽键连接在一起，形成多肽链。由一条的肽键连接在一起，形成多

2、肽链。由一条或几条多肽链经进一步折叠、盘曲、缠绕或几条多肽链经进一步折叠、盘曲、缠绕而形成的具有一定空间结构和生物功能的而形成的具有一定空间结构和生物功能的生物大分子。生物大分子。蛋白质的结构层次：蛋白质的结构层次：一级一级 二级二级 三级三级 四级结构四级结构超二级结构超二级结构结构域结构域3D Structure 蛋白质一级结构是指多肽链中的氨基酸蛋白质一级结构是指多肽链中的氨基酸的排列顺序。一级结构是蛋白质结构层次体的排列顺序。一级结构是蛋白质结构层次体系的基础，它是决定更高层次结构的主要因系的基础，它是决定更高层次结构的主要因素，也就是一级结构决定高级结构。这是蛋素，也就是一级结构决定

3、高级结构。这是蛋白质结构组织的基本原理。白质结构组织的基本原理。 蛋白质结构组织的基本原理：蛋白质结构组织的基本原理： 体外蛋白质变性：体外蛋白质变性： 天然态（折叠态）天然态（折叠态） 变性态（伸展态）变性态（伸展态） 体外蛋白质的复性体外蛋白质的复性: U I N变性因素变性因素 快快 慢慢一、蛋白质的折叠一、蛋白质的折叠 （一）体外蛋白质折叠的机制（一）体外蛋白质折叠的机制 体外蛋白质的折叠可能是始于体外蛋白质的折叠可能是始于疏水坍塌（疏水坍塌（hydrophobic collapse），或始于，或始于转角（转角（turn），或始于，或始于共价键相互作用共价键相互作用（如二硫键的形成）。

4、（如二硫键的形成）。 在折叠早期，可能这三种方式联合起作用。之后，可能沿在折叠早期，可能这三种方式联合起作用。之后，可能沿着有限的多途径形成中间态（熔球态）。这个过程是快速的。着有限的多途径形成中间态（熔球态）。这个过程是快速的。最后再由中间态进入天然态，此过程比较慢，是折叠反应的限最后再由中间态进入天然态，此过程比较慢，是折叠反应的限速步骤。速步骤。溶剂中的水分子对蛋白质空间结构的作用：溶剂中的水分子对蛋白质空间结构的作用： 1）结合在蛋白质分子表面的水分子，具有稳定）结合在蛋白质分子表面的水分子，具有稳定表面侧链的构象和表面二级结构片段的作用；表面侧链的构象和表面二级结构片段的作用； 2）

5、结合在蛋白质分子内部的少量水分子，不仅）结合在蛋白质分子内部的少量水分子，不仅有助于局部结构的稳定，还可直接参与蛋白质的功能有助于局部结构的稳定，还可直接参与蛋白质的功能作用；作用； 3）环境中的水有助于蛋白质的折叠和三维结构）环境中的水有助于蛋白质的折叠和三维结构的形成。的形成。（二）体内蛋白质的折叠（二）体内蛋白质的折叠 体内环境复杂；需要体内环境复杂；需要助折叠蛋白助折叠蛋白（folding helper）的参与，从而降低）的参与，从而降低了折叠的错误，提高了效率了折叠的错误，提高了效率(95%)；在翻译结束之前即开始（在翻译结束之前即开始（邹氏学说邹氏学说）。）。助折叠蛋白：助折叠蛋白

6、： 1. 酶酶 ：蛋白质二硫键异构酶；肽酰脯氨酰顺反异构酶。蛋白质二硫键异构酶；肽酰脯氨酰顺反异构酶。与新生肽链的折叠密切相关，加速蛋白质折叠过程。与新生肽链的折叠密切相关，加速蛋白质折叠过程。 2. 分子伴侣：分子伴侣：细胞内帮助新生肽链正确组装，成为成熟细胞内帮助新生肽链正确组装，成为成熟蛋白质，而本身却不是最终功能蛋白质分子的组成成分的分蛋白质，而本身却不是最终功能蛋白质分子的组成成分的分子，都称为分子伴侣子，都称为分子伴侣（molecular chaperone）。）。 Figure 8.5 Chaperone families have eukaryotic and bacteria

7、l counterparts (named in parentheses)胁迫胁迫-70（stress-70）家族：）家族： 分子伴侣蛋白：分子伴侣蛋白：胁迫胁迫 70（stress 70 ）家族；分子伴侣）家族；分子伴侣（chaperonin）家族。广泛存在于原核和真核生物细胞中。）家族。广泛存在于原核和真核生物细胞中。Figure 8.6 DnaJ assists the binding of DnaK (Hsp70), which assists the folding of nascent proteins. ATP hydrolysis drives conformational c

8、hange. GrpE displaces the ADP; this causes the chaperones to be released. Multiple cycles of association and dissociation may occur during the folding of a substrate protein。分子伴侣分子伴侣（chaperonin）家族：）家族：Figure 8.8 GroEL forms an oligomer of two rings, each comprising a hollow cylinder made of 7 subuni

9、ts.Figure 8.9 Two rings of GroEL associate back to back to form a hollow cylinder. GroES forms a dome that covers the central cavity on one side. Protein substrates bind to the cavity in the distal ring.二、蛋白质的修饰二、蛋白质的修饰 （一）末端氨基的脱甲酰化和（一）末端氨基的脱甲酰化和N N端蛋氨酸的切除端蛋氨酸的切除 对起始氨基酸的修饰。对起始氨基酸的修饰。 （二）多肽链的水解断裂（二）多

10、肽链的水解断裂: : 胰岛素的修饰过程。胰岛素的修饰过程。PreproPrepro-insulin -insulin Pro-insulinPro-insulin insulin insulin Pre-peptide(24AA)C-peptide图图5. 人胰岛素原的分子结构模式图人胰岛素原的分子结构模式图Fig.5 Sketch of the Structure of Human Proinsulin图图6. 由胰岛素原转变为胰岛素的产物由胰岛素原转变为胰岛素的产物Fig.6 Proinsulin Changing into Insulin胰蛋白酶原的激活胰蛋白酶原的激活 （三）氨基酸侧链

11、的修饰（三）氨基酸侧链的修饰 二硫键的形成；羟化作用；氨基酸残基的交联；羧化作用；二硫键的形成；羟化作用；氨基酸残基的交联；羧化作用；甲基化等。详细内容参见下甲基化等。详细内容参见下表表。 （四）糖基化（四）糖基化 生成糖蛋白，膜蛋白和分泌蛋白多为糖蛋白。生成糖蛋白，膜蛋白和分泌蛋白多为糖蛋白。 （五）脂类对蛋白质的共价修饰（五）脂类对蛋白质的共价修饰 (1)(1)在翻译中，连接肉豆寇酸于在翻译中，连接肉豆寇酸于N-N-端甘氨酸；端甘氨酸； (2)(2)在翻译后，以脂酰在翻译后，以脂酰-CoA-CoA为供体为供体, ,脂肪酸与半胱氨酸、丝脂肪酸与半胱氨酸、丝氨酸或苏氨酸侧链酯化；氨酸或苏氨酸侧

12、链酯化； (3)(3)在翻译后，通过乙醇胺将糖基在翻译后，通过乙醇胺将糖基- -磷脂酰基肌醇（磷脂酰基肌醇（GPIGPI）连）连接于多肽前体的接近接于多肽前体的接近C C端的氨基酸残基上，生成与膜结合的端的氨基酸残基上，生成与膜结合的GPI-GPI-锚定蛋白（锚定蛋白（GPI-anchored proteinGPI-anchored protein）。）。 表表. 蛋白质生物合成中氨基酸残基的修饰蛋白质生物合成中氨基酸残基的修饰氨基酸氨基酸 修饰方式修饰方式精氨酸精氨酸 ADP 核糖基化；氨基未端甲基化核糖基化；氨基未端甲基化天冬酰胺天冬酰胺 ADP 核糖基化；核糖基化；糖基化糖基化；氨基未端

13、甲基化；氨基未端甲基化； 羟化作用羟化作用天冬氨酸天冬氨酸 在在GPI 锚锭蛋白中以酰胺连接于乙醇胺；锚锭蛋白中以酰胺连接于乙醇胺； 羟化作用羟化作用半胱氨酸半胱氨酸 二硫键形成；脂肪酰化作用二硫键形成；脂肪酰化作用谷氨酸谷氨酸 羟基化作用；甲基化作用羟基化作用；甲基化作用谷氨酰胺谷氨酰胺 赖氨酸氨基交联；氨基末端甲基化；内部环化成氨基末端焦谷氨酸赖氨酸氨基交联；氨基末端甲基化；内部环化成氨基末端焦谷氨酸甘氨酸甘氨酸 转变成羟基未端酰胺；氨基未端的肉豆寇酰化转变成羟基未端酰胺；氨基未端的肉豆寇酰化组氨酸组氨酸 形成白喉酰胺（形成白喉酰胺（dipbthamide），），ADP 核糖基化；氨基末端

14、甲基化核糖基化；氨基末端甲基化赖氨酸赖氨酸 羟化作用后羟化作用后5 羟赖氨酸糖基化；交联形成；乙酰化作用羟赖氨酸糖基化；交联形成；乙酰化作用甲硫氨酸甲硫氨酸 氨基未端甲酰基团脱甲酰化作用；氨基未端甲基化氨基未端甲酰基团脱甲酰化作用；氨基未端甲基化苯丙氨酸苯丙氨酸 氨基未端甲基化氨基未端甲基化脯氨酸脯氨酸 羟化作用形成羟化作用形成3 或或4 羟脯氨酸；氨基未端甲基化羟脯氨酸；氨基未端甲基化丝氨酸丝氨酸 磷酸化磷酸化；糖基化糖基化；脂肪酰化；在；脂肪酰化；在tRNA水平上硒代半胱氨酸的形成水平上硒代半胱氨酸的形成苏氨酸苏氨酸 磷酸化磷酸化；糖基化糖基化；脂肪酰化作用；脂肪酰化作用酪氨酸酪氨酸 磷酸

15、化磷酸化；哺乳动物；哺乳动物 微管蛋白中羟基未端残基的交换微管蛋白中羟基未端残基的交换 （六）（六） ADP ADP核糖基化：核糖基化：细胞核内组蛋白。细胞核内组蛋白。 （七）乙酰化（七）乙酰化 乙酰化普遍存在于原核和真核生物中乙酰化普遍存在于原核和真核生物中。有。有二种二种: :(1)(1)由结合于核糖体的乙酰基转移酶催化，将乙酰由结合于核糖体的乙酰基转移酶催化，将乙酰CoACoA的乙酰基转移至正在合成的多肽链上；（的乙酰基转移至正在合成的多肽链上；（2 2）翻译后由细胞质）翻译后由细胞质的酶催化发生乙酰化。的酶催化发生乙酰化。 （八）磷酸化（八）磷酸化 酶、受体、介质及调节因子等蛋白质的普

16、酶、受体、介质及调节因子等蛋白质的普遍修饰方式。在细胞生长和代谢调节中有重要功能。发生在翻遍修饰方式。在细胞生长和代谢调节中有重要功能。发生在翻译后，由各种蛋白激酶催化进行。译后，由各种蛋白激酶催化进行。 （九）（九）C C 端酰胺基的引入端酰胺基的引入 （十）酪氨基的硫酸化（十）酪氨基的硫酸化 真核生物蛋白质的酪氨酸硫酸化。真核生物蛋白质的酪氨酸硫酸化。 Protein translocation describes the movement of a protein across a membrane. This occurs across the membranes of organel

17、les in eukaryotes, or across the plasma membrane in bacteria. Each membrane across which proteins are translocated has a channel specialized for the purpose. Two types of Ribosome in cells：Free ribosome and membrannous ribosome. The leader of a protein is a short N-terminal sequence responsible for

18、initiating passage into or through a membrane. Signal sequences are most often leaders that are located at the N-terminus. N-terminal signal sequences are usually cleaved off the protein during the insertion process. 第二节第二节 蛋白质的跨膜运输与定位蛋白质的跨膜运输与定位 Figure 8.1 Proteins that are localized post-translati

19、onally are released into the cytosol after synthesis on free ribosomes. Proteins that are localized cotranslationally associate with the ER membrane during synthesis. 一、蛋白质转位的途径一、蛋白质转位的途径1. 共翻译转位共翻译转位（co-translational translocation） Proteins that are localized cotranslationally associate with the ER

20、 membrane during synthesis, so their ribosomes are membrane-bound. The proteins pass into the endoplasmic reticulum, along to the Golgi, and then through the plasma membrane, unless they have signals that cause retention at one of the steps on the pathway. They may also be directed to other organell

21、es, such as endosomes or lysosomes. 2. 翻译后转位（翻译后转位（post-translational translocation ） Proteins that are localized post-translationally are released into the cytosol after synthesis on free ribosomes. Some have signals for targeting to organelles such as the nucleus or mitochondria. Figure 8.3 Membra

22、ne-bound ribosomes have proteins with N-terminal sequences that enter the ER during synthesis. The proteins may flow through to the plasma membrane or may be diverted to other destinations by specific signals.（一）（一）Co-translational translocation1. 进入内质网进入内质网The signal recognition particle (SRP) is a

23、 ribonucleo-protein complex that recognizes and binds to signal sequences during translation and guides the ribosome to the translocation channel. SRPs from different organisms may have different compositions, but all contain related proteins and RNAs. Function: It can bind to the signal sequence of

24、 a nascent secretory protein. And it can bind to a protein (the SRP receptor) located in the membrane. Signal-SRP binding causes protein synthesis to pause. But protein synthesis resumes when the SRP binds to the SRP receptor in the membrane. Signal peptidase is an enzyme within the membrane of the

25、ER that specifically removes the signal sequences from proteins as they are translocated. Analogous activities are present in bacteria, archae-bacteria, and in each organelle in a eukaryotic cell into which proteins are targeted and translocated by means of removable targeting sequences. Signal pept

26、idase is one component of a larger protein complex. Function: The signal sequence is cleaved from the translocating protein by the signal peptidase located on the inside face of the membrane. 2. 蛋白质在内质网内的滞留蛋白质在内质网内的滞留 进入内质网腔的蛋白质一部分滞留在内质网内，但大多进入内质网腔的蛋白质一部分滞留在内质网内，但大多数蛋白质则在内质网腔内被加工，然后转入高尔基体，最终数蛋白质则在内质

27、网腔内被加工，然后转入高尔基体，最终转送到细胞的其它位置，或是由胞泌作用被排出细胞外。转送到细胞的其它位置，或是由胞泌作用被排出细胞外。 如果某些分泌蛋白不具有正确的空间构象，肽链不能通如果某些分泌蛋白不具有正确的空间构象，肽链不能通过内质网，被滞留后通过反向转运进入细胞质被降解。过内质网，被滞留后通过反向转运进入细胞质被降解。 在内质网内的蛋白质有一部分插入到膜内，成为膜的整在内质网内的蛋白质有一部分插入到膜内，成为膜的整合蛋白（合蛋白（integralmembrane protein）。这些肽链有一段锚定）。这些肽链有一段锚定（anchor）序列，作为终止转移信号（）序列，作为终止转移信号

28、（stop-transfer signal）。）。它由一些疏水性氨基酸组成。它的作用是使肽链插在膜上，它由一些疏水性氨基酸组成。它的作用是使肽链插在膜上，而不会整条越过去。而不会整条越过去。 膜上的蛋白有膜上的蛋白有2个类型：个类型：I型是型是N端在内侧，端在内侧，C端在外侧端在外侧（细胞质一侧）；（细胞质一侧）；型则相反，型则相反，C端在内侧，端在内侧，N端在外侧。大端在外侧。大部分膜蛋白属于部分膜蛋白属于型，只有少数属于型，只有少数属于型。型。3. 蛋白质在内质网内的加工蛋白质在内质网内的加工 在内质网内的蛋白质发生两种重要变化：折叠和糖基化修在内质网内的蛋白质发生两种重要变化：折叠和糖基

29、化修饰；修饰与折叠是相联系的。重链结合蛋白饰；修饰与折叠是相联系的。重链结合蛋白Bip参与了折叠过参与了折叠过程。程。 蛋白质的糖基化是在内质网和高尔基体内进行的。糖基化蛋白质的糖基化是在内质网和高尔基体内进行的。糖基化包括下列步骤：包括下列步骤： （1）在内质网的膜上有一种高度疏水性的脂质长萜醇）在内质网的膜上有一种高度疏水性的脂质长萜醇（lipid dolichol），它以焦磷酸基连接），它以焦磷酸基连接2个个N 乙酰葡萄糖胺，乙酰葡萄糖胺，9个甘露糖和个甘露糖和3个葡萄糖残基。个葡萄糖残基。 （2）在内质网膜上的糖基转移酶催化下，将上述糖基转移）在内质网膜上的糖基转移酶催化下，将上述糖基

30、转移至膜上的多肽链中的至膜上的多肽链中的天冬酰胺残基天冬酰胺残基上，形成上，形成N 糖苷键连接的糖苷键连接的糖蛋白，其糖基暴露于内质网腔。糖蛋白，其糖基暴露于内质网腔。 （3）在内质网内的糖苷酶作用下，依次切除）在内质网内的糖苷酶作用下，依次切除3个葡萄糖残个葡萄糖残基和基和14个甘露糖残基。个甘露糖残基。 （4）以后将生成的糖蛋白转移至高尔基体，并在其中由甘）以后将生成的糖蛋白转移至高尔基体，并在其中由甘露糖苷酶再切除几个甘露糖残基，连接上露糖苷酶再切除几个甘露糖残基，连接上N 乙酰葡萄糖胺、乙酰葡萄糖胺、半乳糖、唾液酸等，完成糖基化，生成复合糖蛋白。半乳糖、唾液酸等，完成糖基化，生成复合糖

31、蛋白。4蛋白质的定位和分泌蛋白质的定位和分泌 蛋白质进入高尔基体后，便分别被运送至不同的目的地，蛋白质进入高尔基体后，便分别被运送至不同的目的地，如溶酶体、质膜或分泌出细胞外。如溶酶体、质膜或分泌出细胞外。 蛋白质通过膜小泡（蛋白质通过膜小泡（vesicle）的作用，在其中被运送的。）的作用，在其中被运送的。共有两类：共有两类： （1）小泡由一种未知的蛋白做外壳，负责由内质网）小泡由一种未知的蛋白做外壳，负责由内质网高高尔基体尔基体质膜的运送，称为质膜的运送，称为组成分泌组成分泌（constitutive secretion） （2）外壳蛋白是网格蛋白（）外壳蛋白是网格蛋白（clathrin）

32、，称为），称为分泌小泡分泌小泡（secretory vesicles），由高尔基体的反式侧将蛋白质通过），由高尔基体的反式侧将蛋白质通过胞吐作用（胞吐作用（endocytosis）分泌出去。）分泌出去。 Figure 25.8 Proteins are transported in coated vesicles. Constitutive (bulk flow) transport from ER through the Golgi takes place by COP-coated vesicles. Clathrin-coated vesicles are used for both r

33、egulated exocytosis and endocytosis.（二）蛋白质的翻译后转位（二）蛋白质的翻译后转位 1蛋白质进入线粒体蛋白质进入线粒体Figure 8.13 TOM proteins form receptor complex(es) that are needed for translocation across the mitochondrial outer membrane.Figure 8.14 Tim proteins form the complex for translocation across the mitochondrial inner membraneFigure 8.16 A translocating protein may be transferred directly from TOM to Tim22-54.2蛋白质进入细胞核蛋白质进入细胞核There are 3000 pore complexes on the nuclear envelope of an animal cell.Fig. Nuclear pores appear as annular structures by electron m