蛋白质的生物合成

与靶向输送
一、肽链合成后的加工
• 新生多肽链不具备蛋白质生物活性，须经过翻译后加工才 转变为天然构象的功能蛋白。 • 主要包括： ①折叠成正确的生理构象（需分子伴侣）； ②蛋白酶水解，去除某些肽段，形成活性蛋白或功能肽； ③肽链中氨基酸残基的修饰（磷酸化、糖基化、羟基化、 甲基化、乙酰化、硒化等），及二硫键的形成； ④亚基聚合开成功能性蛋白质复合物。
• 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase) • 氨基酸的α-羧基与tRNA的3´-CCA-OH以酯键相 连形成氨基酰-tRNA。
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA
氨基酰- RNA
ATP AMP＋PPi
氨基酰-tRNA表示法
• 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet • 起始肽链合成的氨基酰-tRNA： 真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet
mRNA分子上从一个起始密码子到其下游第一个终 止密码子所界定的一段序列。 一个mRNA分子中可能有多个阅读框，但只有一个 阅读框真正编码蛋白质多肽链，称为开放阅读框 （open reading frame，ORF）。
③ 遗传密码的简并性（degeneracy）
——指一种氨基酸具有2个或2个以上密码子的现象。 ——编码同一种氨基酸的不同密码子称为： 简并密码子（degenerate codon） 或同义密码子（synonymous codon）
mRNA 分子有4种核苷酸碱基：A、G、C、U，可
组合成64个密码子，其中61个分别代表20种不同氨 基酸。
UAA，UAG，UGA ：终止密码子（termination coden） 无义密码子（ nonsense code） 其他61个：有义密码子（sense coden） AUG：①甲硫氨酸；②起始密码子(initiation coden)。
遗 传 密 码 表
密码子的特点
① 阅读的方向性（5′→3′）
mRNA：5′端起始密码子AUG到3′端终止密码子 蛋白质多肽链：N端→C端。
② 阅读的连续性（commaless）
沿5′→3′方向连续阅读密码子，既无间隔也无重叠。 插入或缺失一个碱基均可致蛋白质突变：
阅读框（reading frame）
E1：泛素活化酶 E2：泛素结合酶 E3：泛素连接酶（底 物识别蛋白）
ubiquitin-proteasome system(UPS)
各种类泛素蛋白
• SUMO (small ubiquitin-related modifier)、NEDD8 (neural precursor cell-expressed developmentally downregulated 8)、Atg8(autophagy gene 8)和Atg12 等
Shine-Dalgarno序列（S-D序列 ）
——核糖体结合位点（ribosomal binding site, RBS）
原核生物翻译过程中核糖体结构模式
第二节 蛋白质生物合成的过程（原核）
“火车”——核糖体 “铁轨”——mRNA “专车”——tRNA “乘客”——氨基酸 前门进
A位：氨酰位(aminoacyl site) P位：肽酰位(peptidyl site)
③ 遗传密码的简并性（degeneracy）
④ 遗传密码的通用性(universal)
从原核生物到人类都共用同一套遗传密码的现象。
已发现的少数例外： 线粒体（动物细胞）、叶绿体（植物细胞）。
二、tRNA的作用
——tRNA是氨基酸与密码子之间的“特异接头”。
①
作为运输工具——氨基酸的负载（“活化”）
– 真核生物单顺反子mRNA（只有一个编码区）：
一、mRNA是合成蛋白质的直接模板
原核生物多顺反子mRNA：
真核生物单顺反子mRNA：
mRNA分子的编码区，从5′→3′方向，每3个相 邻的核苷酸为一组，构成一个遗传密码，称为密 码子(coden)或三联体密码(triplet coden)。
（3）SUMO化修饰相关的酶
① SUMO特异性蛋白酶（sentrin/SUMO-specific protease, SENP）：SUMO前体在该酶的作用下切除C 端数个 氨基酸，从而暴露出双甘氨酸残基， 成为成熟的 SUMO。
SUMO-GGXXXX
SENP
SUMO-GG
② E1 激活酶(SUMO-activating enzyme)：是一种异源二 聚体（人SAE1/SAE2）。成熟SUMO 的C 末端甘氨酸 通过硫脂键与E1 激活酶的半胱氨酸残基相连，此激 活过程需要ATP 的参与。
SAE1 SUMO-GG SAE2 SAE1 SUMO-GG-S-C- SAE2
（3）SUMO化修饰相关的酶
③ E2结合酶(SUMO-conjugating enzyme)：目前仅发现一 种E2 结合酶，即Ubc9。SUMO被转移到Ubc9的半胱 氨酸残基上。 Ubc9 可以直接识别底物，从而最终将 SUMO通过异肽键偶联到底物蛋白的赖氨酸残基上。
（1）SUMO的分布
• 组织分布：SUMO-1、-2 和-3 在大部分组织中表达， 而SUMO-4主要在肾脏、淋巴结和脾脏中表达。 • 细胞分布：SUMO-1 主要分布在细胞核核膜和有丝分 裂的纺锤体上，而SUMO-2/3 主要聚集在着丝粒和染 色质中。
（2）SUMO的作用方式
• SUMO-1 主要是以与底物蛋白质结合的形式存在； • SUMO-2/3 则主要是以游离的形式存在。当机体受到 外界的刺激后，游离的SUMO-2/3 便会结合到底物蛋 白上；当刺激消除后，SUMO-2/3 又会从底物蛋白上 解离下来，从而保证了机体能够对外界刺激作出快速 应答。
① 进位（或注册）：
——特定的氨基酰-tRNA进入核糖体A位。
② 成肽：
——P 位的肽酰 -tRNA （或甲酰甲硫氨酰 -tRNA ） 与A位的氨基酰-tRNA形成肽键。
③ 转位（或移位）：
——核糖体沿mRNA 5’ →3’方向移动一个密码子。
进 位
成肽 转 位
3. 翻译终止
• 当终止密码子UAA、UAG或UGA出现在核糖 体的A位时，没有相应的氨基酰-tRNA 能与之 结合，RF识别终止密码子而进入A位。 • RF的结合触发核糖体构象改，将转肽酶活性 转变为酯酶活性，水解肽酰tRNA酯键，释放 出合成的肽，促使mRNA、tRNA、RF从核糖 体脱离。
SAE1 SUMO-GG-S-C- SAE2 Ubc9 SAE1 SAE2 SUMO-GG-S-C- Ubc9
（3）SUMO化修饰相关的酶
④ 连接酶(SUMO-ligating enzyme)：主要包括三类： PIAS(protein inhibitor of activated STAT)家族成员、 RanBP2 和Pc2。 • E3 连接酶可以增强Ubc9 转移 SUMO 到底物蛋白的效 率及特异性。——可能是由于E3 连接酶能够活化 Ubc9 或拉近Ubc9 与底物蛋白的距离。
② 作为译码器——密码子与反密码子的识别 （存在摆动性）
摆动配对：
• mRNA密码子的第3个碱基与tRNA反密码子中的 第1个碱基在识别时不严格遵守A=U、G≡C配对 原则。
自由度大小由tRNA反密码子第一位碱基的种类决定： tRNA反密码子 第1位碱基 mRNA密码子 第3位碱基 I U G A C
E3（泛素连接酶，
Ubqiuitin ligase）
• E3分子量较大，约100-300 kDa。 • E3是泛素蛋白酶体途径中种类最多的一种酶，是在底物 的特异性选择降解过程中作用最为关键成员。 • 主要功能：（1）识别泛素结合酶E2；（2）识别应该被 泛素化的靶蛋白，然后使活化的泛素接近特异靶蛋白的 Lys，从而将泛素连接到靶蛋白上。
泛素广泛存在于真核生物 （目前尚未发现泛素存在于原 核生物中）的一类调节蛋白， 含有76个氨基酸残基 ，高度保 守。
泛素基因主要编码两种泛素 前体蛋白质：一种是多聚泛素, 另一种是泛素融合蛋白。
E1（泛素活化酶，
ubqiuitin-activating enzyme）
• 催化泛素与底物结合所需的第一个酶。 • 分子量110-130kDa，由1100个左右氨基酸残基组 成，对靶蛋白的识别几乎没有特异性。 • E1活性很高，低浓度即可激活泛素。
多核糖体（polysome）
• 在蛋白质生物 合成过程中， 一条mRNA同 时与多个核糖 体结合所形成 的念珠状聚合 物。
• 意义：使蛋白质合成高速、高效进行。
第五节 蛋白质的翻译后修饰
Posttranslational Modification and Targeting Transfer of Protein
1. SUMO
• SUMO是一类在物种进化过程中高度保守的小蛋白。 • 在哺乳动物中，目前已发现四种SUMO 基因，分别为 SUMO-1，-2，-3 和-4。人的SUMO-1 与泛素的氨基酸 序列只有18%的相似性（其N 端有一个21 个氨基酸的 延伸，在泛素中由不存在），但是它们的三级结构却 非常的相似。此外，SUMO 蛋白表面的电荷分布与泛 素也明显不同。
“车厢”——
E位：出口位(exit site)
后门出
整个翻译过程可分为三个阶段 ：
起始（initiation）
延伸（elongation） 终止（termination）
GDP GTP IF-2 Pi
5'
A U G
IF-3
IF-1
3'
1. 翻译起始 （翻译起始复合物形成）
2. 翻译延伸
• 在 mRNA 编码区的指导下，核糖体以 20 种氨基酸 为原料、依据密码子的顺序合成肽链（方向： N 端→C端）。 这一阶段包括三个步骤的反复循环：