《蛋白质合成后加工》PPT课件

5.水解断链
一般真核细胞中一个基因对应一个mRNA，一个mRNA 对应一条多肽链，但也有少数的情况，即一种三思而行 翻译后的多肽链经水解后产生几种不同的蛋白质或多肽。 例如哺乳动物的鸦片样促黑皮激素原初翻译产物为265 个氨基酸，它在脑下垂体前叶细胞中，POMC初切割成为 N-端片断和C端片段的β-促脂解激素。然后N端片段又 被切割成较小的N端片断和工9肽的促肾上腺皮质激素。 而在脑下垂体中叶细胞中，β-促脂解激素再次被切割 产生β-内啡肽；ACTH也被切割产生13肽的促黑激素 （α-melanotropin）。
切除 连接
图2-1 蛋白质自我剪接
1994年，Perler等将蛋白质自我剪接中被切除的肽段命名 为蛋白内含肽（intein），也称蛋白内含子或内蛋白子，将位 于蛋白内含肽两侧、切除部位再连接形成的产生蛋白称为蛋白 外显肽（e含肽的基因不是单独的开放阅读框，它插入在蛋白 外显肽的基因中，和内含子的区别在于它可以和蛋白外显肽的 基因一起表达，而不是在mRNA阶段被切除。
从核糖体上释放出来的多肽链，按照一级结构中氨基酸 侧链的性质，自行卷曲，形成一定空间结构，过去一直认为， 蛋白质空间结构的形成是靠其一级结构决定，不需要另外的 信息。近些年来发现许多细胞内蛋白质正确装配都需要一类 称做“分了伴侣”的蛋白质帮助才能完成，这一概念的提出 并未否定“氨基酸顺序决定蛋白空间结构”这一原则。
第二节 新合成蛋白的定位及折叠
细胞内合成的蛋白质，有些被简单地传送到细胞质，有 些被转运到各种细胞器，有些被分泌到细胞外，有些是要插 入到细胞膜或其它生物膜。
那么，在核糖体上新合成的蛋白质是如何识别并达到它特 定的部位呢？
一、新合成蛋白的定位
1.分泌蛋白质 核糖体上合成的分泌蛋白位于真核细胞的粗面内质网膜上
磷酸化多发生在多肽链丝氨酸、苏氨酸的羟基上，偶尔也 发生在酪氨酸残基上（磷酸化分子式如下图），这种磷酸化的 过程受细胞内一种蛋白激酶催化，磷酸化后的蛋白质可以增加 或降低它们的活性，例如：促进糖原分解的磷酸化酶，无活性 的磷酸化酶b经磷酸化以后，变居有活性的磷酸化酶a。而有活 性的糖原合成酶I经磷酸化以后变成无活性的糖原合成酶D，共 同调节糖元的合成与分介。
这样，肽链就在内质网内不断地延长，并且信号肽将被 肽酶水解除去。然后，多肽链被传递至高尔基体，生成分泌 泡，再分泌出细胞外。
还有一种分泌蛋白，合成后先到溶酶体，然后再分泌出 去发挥作用，这类蛋白也需要信号肽。
2.膜蛋白 膜蛋白也是由附着在粗面内质网上的核糖体合成的。
膜蛋白的信号肽起着引导作用，其羧基端的疏水顺序使它 能附着于膜质结构的双脂层。 3.细胞器蛋白
4.亚基的聚合
有许多蛋白质是由二个以上亚基构成的，这就需这些 多肽链通过非共价键聚合成多聚体才能表现生物活性。例 如成人血红蛋白由两条α链，两条β链及四分子血红素所 组成，大致过程如下：α链在多聚核糖体合成后自行释下， 并与尚未从多聚核糖体上释下的β链相连，然后一并从多 聚核糖体上脱下来，变成αβ二聚体。此二聚体再与线粒 体内生成的两个血红素结合，最后形成一个由四条肽链和 四个血红素构成的有功能的血红蛋白分子。
在胞浆中合成的线粒体蛋白，要运输到线粒体的各个 部位，如外膜、膜间隙、内膜及基质。
这类蛋白质需要氨基端的延伸肽（extension peptide），延伸肽是疏水性的，线粒体上存在着识别它的 受体，可帮助线粒体蛋白的正确定位。
二、蛋白质的折叠
1.新生肽段折叠研究中的新观点 长期以来关于蛋白质折叠，形成了自组装的主导学说，因
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不论是原核还是真核生物，在细胞浆内合成的蛋白质需 定位于细胞特定的区域，有些蛋白质合成后要分泌到细胞外， 这些蛋白质叫做分泌蛋白。
在细菌细胞内起作用的蛋白质一般因靠扩散作用而分布 到它们的目的地。如内膜含有参与能量代谢和营养物质转运 的蛋白质；外膜含有促进离子和营养物质进入细胞的蛋白质； 在内膜与外膜之间的间隙称为周质，其中含有各种水解酶以 及营养物质结合蛋白。
6.蛋白质自我剪接 1990年，Hirata等首次报道一种新的蛋白质加工方式－蛋
白质自我剪接。他们发现，酿酒酵母基因TFP1表达成两种蛋白， 较大的（69×103）是液泡H＋－ATPase的催化亚基，它来自 TFP1基因5`编码区和3`编码区，较小的（50×103）是由该基 因中央区编码。
他们证明，这两种蛋白是同一条多肽链经过自我剪接产生 的，较小的蛋白是被切割下来的部分，较大的蛋白由切除较小 蛋白后再连接而成（见图2-1）。
（2）糖基化 糖蛋白的糖链是蛋白质合成之后，在通过高尔基体时，经
过糖化而形成的。质膜蛋白质和许多分泌性蛋白质都具有糖链， 这些寡糖链结合在丝氨酸或苏氨酸的羟基上，例如红细胞膜上 的ABO血型决定簇。也可以与天门冬酰胺连接。这些寡糖链是在 内质网或高尔基氏体中加入的（见下图）。
（3）羟基化 胶原蛋白前α链上的脯氨酸和赖氨酸残基在内质网中受羟
某些蛋白氨基端有一段15～30个氨基酸残基的顺序，这段顺 序称信号肽，与蛋白质传送到特定的细胞器、膜，或分泌出细胞 外有关。信号肽在运送过程中通常由专一的酶催化而水解除去。
2.氨基酸残基的修饰 (1)甲基化修饰
某些蛋白质中的赖氨酸残基需要甲基化，某些谷氨酸残基 的羧基也要甲基化，以除去负电荷。 (2)羧化修饰
80年代中期在胞浆中发现一种由小分子RNA和蛋白质共同组 成的复合物，它能特异地与信号肽识别而命名为信号肽识别颗粒。 它的作用是识别信号肽与核糖体结合并暂时阻断多肽链合成。内 质网外膜上有SRP受体，当SRP与受体结合后，信号肽就可插入内 质网内腔，被内质网内膜上的信号肽酶水解除去SRP与受体结合 后，信号肽就可插入内质网进入内腔，被内质网内腔上的信号肽 酶水解除去，而信号肽后序肽段也进入内质网内腔，并开始继续 合成多肽链，SRP对翻译阶段作用的重要生理意义在于：分泌蛋 白及早进入细胞的膜性细胞，能正确折叠、进行必要的后加工与 修饰并顺利分泌出细胞（见下图）。
化酶、分子氧和维生素C作用产生羟脯氨酸和羟赖氨酸，如果 此过程受障碍胶原纤维不能进行交联，极大地降低了它的张 力强度。 （4）二硫键的形成
真核细胞合成的某些蛋白质，往往能自发地折叠形成其 天然构像，分子内的半胱氨酸的巯基之间形成共价键－二硫 键。
二硫键在稳定蛋白质空间构型中起着重要作用。例如胰 岛素分子的成熟是借核糖体上释放的前胰岛素原经自发折叠、 形成二硫键，然后再切除C肽而形成的。
而是对这一理论的补充，分子伴侣这一类蛋白质能介导 其它蛋白质正确装配成有功能活性的空间结构，而它本身并 不参与最终装配产物的组成。目前认为“分子伴侣”蛋白有 两类，第一类是一些酶，例如蛋白质二硫键异构酶可以识别 和水解非正确配对的二硫键，使它们在正确的半胱氨酸残基 位置上重新形成二硫键，第二类是一些蛋白质分子，它们可 以和部分折叠或没有折叠的蛋白质分子结合，稳定它们的构 象，免遭其它酶的水解或都促进蛋白质折叠成正确的空间结 构。
真核生物细胞结构更为复杂，而且有多种不同的细胞器， 它们又具有各不相同的膜结构，因此合成好的蛋白质还要面 临跨越不同的膜而到达细胞器，有些蛋白质在翻译完成后还 要经过多种共价修饰，这个过程叫做翻译后处理。
第一节 蛋白质的分泌和加工修饰
一、蛋白质的分泌
1.细菌中蛋白质的越膜 细胞的内膜蛋白，外膜蛋白和周质蛋白是怎样越过内膜而到
或在原核细胞的细胞内膜上。 真核细胞合成的分泌蛋白最终将被转移至分泌小泡中。这
些分泌过程的化学基础是分泌蛋白的前体大都有“信号肽”。 信号肽位于成熟蛋白的氨基端，约15～30个氨基酸残基，
多数具有疏水侧链。
内质网表面的核糖体受体能识别80S核糖体，使80S核糖 体结合于内质网上。内质网表面的信号肽受体识别信号肽， 因而正在生长着的肽链就凭借信号肽的疏水性穿透膜，进入 内质网。
现以哺乳动物的胰岛素为例说明这种分泌过程。胰岛素由 51个氨基酸残基组成，但胰岛素mRNA的翻译产和在兔网织红细 胞无细胞翻译体系中为86个氨基酸残基，称为胰岛素原，在麦 胚无细胞翻译系统中为110个氨基酸残基组成的前胰岛素原， 后来证明，在前胰岛素原的N末端有一段富含疏水氨基酸的肽 段做为信号肽，使前胰岛素原能穿越内质网膜进入内质网内腔， 在内腔壁上信号肽被水解。所以在哺乳动物细胞内，当多肽链 合成完成时，前胰岛素原已成为胰岛素原。然后胰岛素原被运 到高尔基复合体，切去C肽成为成熟的胰岛素，最终排出胞外。 像真核细胞的前清蛋白，免疫球白轻链，催乳素等都有相似的 分必方式 。
其目的地的呢？绝大多数越膜蛋白的N端都具有大约15-30个以疏 水氨基酸为主的N端信号序列或称信号肽。信号肽的疏水段能形 成一段α螺旋结构。在信号序列之后的一段氨基酸残基也能形成 一段α螺旋，两段α螺旋以反平行方式组成一个发夹结构，很容 易进入内膜的脂双层结构，一旦分泌蛋白质的N端锚在膜内，后 续合成的其它肽段部分将顺利通过膜。疏水性信号肽对于新生肽 链跨膜及把它固定的膜上起一个拐棍作用。之后位于内膜外表面 的信号肽酶将信号肽序列切除。当蛋白质全部翻译出来后，羧端 穿过内膜，在周质中折叠成蛋白质的最终构象（见下图）。
二、蛋白质合成后的加工修饰
前体蛋白是没有活性的，常常要进行一系列翻译后加工，才 能成为有功能的成熟蛋白。而“分子伴侣”蛋白质合成后折叠成 正确空间结构中起重要作用，对于大多数蛋白质来说多肽链翻译 后还要进行下列不同方式的加工修饰才具有生理功能。 1.氨基端和羧基端的修饰及信号肽去除
在原核生物中几乎所有蛋白都是从N-甲酰蛋氨酸开始，真核 生物从蛋氨酸开始。甲酰基经酶水解而除去，蛋氨酸或者氨基端 的一些氨基酸残基常由氨肽酶催化而水解除去。因此，成熟的蛋 白质分子的N-端没有甲酰基，或没有蛋氨酸。同时，某些蛋白质 分子氨基端要进行乙酰化，在羧基端也要进行修饰。
2.真核生物蛋白质分泌
真核生物不但有细胞核、细胞质和细胞膜，而且还有许多膜 性结构的细胞器，在细胞须内合成的蛋白质怎样的到达细胞的不 同部位呢？了解比较清楚的是分泌性蛋白质的转运。
像原核细胞一要，真核细胞合成的蛋白质N端也有信号肽也 能形成两个α-螺旋的发夹结构，这个结构可插入到内质网的膜 中，将正在合成中的多肽链带进内质网内腔。
蛋白质自我剪接在原核生物和单细胞真核生物中均已发 现。迄今已在20多种生物的近30种蛋白质分子中发现蛋白内 含肽，这些蛋白质大约一半参与核酸代谢。
蛋白内含肽常具有一定的生物活性，如核酸内切酶的活 性。此外，许多蛋白内含肽插入至蛋白质高度保守区（如活 性中心附近），其作用是一方面迫使蛋白质前体必须经过剪 接才能成熟，另一方面也有利于蛋白内含肽自我保护。
此，在研究新生肽段折叠时，就很自然的把在体外蛋白质折叠 研究中得到的规律推广到体内，用变性蛋白的复性作为新生肽 段折叠的模型，并认为细胞中新合成的多肽链，不需要别的分 子帮助，不需要额外能量的补充，就应该能自发的折叠而形成 它的功能状态。
1988年，邹承鲁指出新生肽段折叠在合成早期已开始，而
不是合成完后才开始，随着肽段的延伸同时折叠，又不断进行 构象调整，先形成的结构会作用于后合成肽段的折叠，而后合 成的结构又会影响前面已形成的结构调整。因此，在肽段延伸 过程中形成的结构往往不一定是最终功能蛋白中的结构。这样， 三维结构的形成是一个同时进行着的，协调的动态过程。九十 年代一类具有新生物功能的蛋白，分子伴侣的发现，以及更广 泛意义上说帮助蛋白质折叠的辅助蛋白的提出，说明细胞内新 生肽段折叠一般说需要帮助，而不是自发进行。
某些蛋白质，如凝血酶等凝血因子，含有多个r－羧基Glu， 这一羧基是由需Vit K的酶催化下进行的。 (3)加辅基
蛋白质与辅基的结合也是在翻译之后进行的，如乙酰CoA 羟化酶的辅基，生物素和细胞色素C的血红素。
3.共价修饰
许多的蛋白质可以进行不同的类型化学基团的共价修饰， 修饰后可以表现为激活状态，也可以表现为失活状态。 （1）磷酸化