蛋白质的合成、加工

综述细胞内的蛋白质合成、加工、修饰、分选与运输方式及其生物学意义。

蛋白质是生命活动的主要承担者，是构成细胞和生物体结构的重要物质，在生物体及细胞的生命活动中发挥重大作用。

1.许多蛋白质是构成细胞和生物体结构的重要物质，称为结构蛋白。

2.细胞内的化学反应离不开酶得催化，绝大多数酶都是蛋白质。

3.有些蛋白质具有运输载体的功能。（血红蛋白运输氧）

4.有些蛋白质起信息传递的作用，能够调节机体的生命活动。（如，胰岛素）

5.有些蛋白质有免疫功能，人体的抗体是蛋白质，可以帮助人体抵御病菌和病毒等抗原的侵害。

1 蛋白质的合成

蛋白质的生物合成过程实质上是基因表达的一个过程，它包括转录和翻译。即把mRNA 分子中的碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序的过程，可分为起始、延长和终止3个阶段，分别由不同的起始因子、延伸因子和终止因子（释放因子）参与。细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质之中。

2 蛋白质的加工与修饰

许多新生肽要经过一种或几种共价键修饰，这种修饰可以在正延伸着的肽链中进行。一般情况下，翻译后修饰一是为了功能上的需要，另一种情况是折叠成天然构象的需要。在粗面内质网合成并进入内质网腔的蛋白质发生的主要化学修饰作用有糖基化、羟基化、酰基化和二硫键的形成。而在细胞质基质中发生蛋白质修饰的类型主要有辅酶或辅基与酶的共价结合、磷酸化和去磷酸化、糖基化、甲基化、酰基化等。蛋白质的修饰加工主要包括：

切除加工：包括切除N-端甲硫氨酸、信号肽序列和切除部分肽段，将无活性的前体转变成活性形式。（包含信号肽的胰岛素前体称为前胰岛素原，去掉信号肽的胰岛素的前体称为胰岛素原),进一步切除称为C链的肽段后才能形成活性形式的胰岛素）

糖基化：糖基化主要发生在内质网和高尔基体中。粗面内质网上合成的大多数蛋白在都发生了糖基化。主要作用是促进蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象，增加蛋白质的稳定性，有N-连接的糖基化和O-连接的糖基化之分。

羟基化：最常见的是内质网上合成的跨膜蛋白在通过内质网和高尔基体的转运过程中发生的，它由不同的酶来催化，把软脂酸链共价地连接在某些跨膜蛋白的暴露在细胞质基质中的结构域。

磷酸化与去磷酸化：蛋白磷酸化与去磷酸化参与代谢调控和信号转导以及蛋白与蛋白之间的相互作用。（PDGF受体的酪氨酸残基经过自身磷酸化后才与细胞质定位蛋白质结合。）

亲脂修饰：最常见的亲脂修饰是酰化和异戊二烯化。蛋白质亲脂修饰后可以改变膜结合能力和特定的蛋白与蛋白之间的相互作用。N-豆蔻酰化（豆蔻酸以酰酰氨键形式共价连在肽链N 端的残基上）能增加特定G蛋白的α亚基对膜结合的β、γ亚基的亲和力。

甲基化：通过甲基转移酶进行。天冬氨酸的甲基化能促进已破坏蛋白的修复或降解，在2，3-二磷酸核酮糖羧化酶（rihilose-2,3-biosphosphate carboxylase）、钙调蛋白（calmodulin）、组氨酸（histone）、某些核糖体蛋白和细胞色素C中都有甲基化的赖氨酸残基。

二硫键形成：二硫键通常只发现于分泌蛋白（如胰岛素）和某些膜蛋白中，在细胞质中由于有各种还原性物质，所以细胞质蛋白没有二硫键。因为内质网腔是一个非还原性环境，所以粗糙内质网上的新生肽只暂时形成二硫键。当新生肽进入内质网腔时，一些肽链可能会按氨基酸次序依次暂时形成二硫键，但最终会通过交换二硫键位置的形式形成正确的结构，内质网中可能还有一种二硫键异构酶催化该过程。

3 蛋白质的分选和转运

绝大多数的蛋白都是在细胞质基质游离核糖体上或者粗面内质网膜结合核糖体上合成的。由于蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞各个膜区或组分，因此必然存在不同的机制确保蛋白质分选、转运至细胞的特定部位。通过不同的途径转运到细胞的特定部位成为蛋白质分选或定向转运。信号假说的确认为细胞内蛋白质的定向转运研究指明了方向，除了信号肽外，人们发现了一系列蛋白质分选序列，统称信号序列以及信号斑，而根据信号序列运输方向的不同分为三种类型，即入核信号、引导肽和信号肽。入核信号指导核蛋白的运输，引导肽指导线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白的运输，信号肽则指导内膜系统的蛋白质运输。蛋白质的分选大体可分为：

1 翻译后转运途径：也就是合成后转运。在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成后，其中一些蛋白质不带分选信号，就留在细胞质基质中，成为可溶性驻留蛋白和支架蛋白，构成自身的结构成分；带有分选信号的蛋白质，按期分选信号的种类被分别转运到细胞的不同部位，如细胞核、线粒体、过氧化物酶体等。

2 共翻译转运途径：也就是边合成边转运。蛋白质在细胞质基质的游离核糖体上开始合成后，由信号肽引导转移至粗面内质网，即在核糖体上多肽链开始合成不久，在N-末端形成的信号肽引导核糖体附着到内质网膜上，信号肽传入内质网腔并继续其合成，新合成的多肽链可游离于内质网腔成为可溶性蛋白，也可插入内质网膜成为跨膜蛋白。以这种方式合成的蛋白质除一部分留在内质网外，大部分经高尔基体加工包装运至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外。

根据蛋白质分选的转运方式或机制看，蛋白质分选的转运可分为蛋白质的跨膜转运、门控转运和膜泡运输以及细胞质基质中的蛋白转运等。其分选指令存在于多肽自身。

其中蛋白质在细胞质基质与细胞核之间的运输通过核孔复合体进行，属于门控运输。进入细胞核的蛋白质是细胞核包括染色质的结构基础之一，并且作为一些调控因子和酶参与细胞核内基因转录等活动。

蛋白质从细胞质基质进入内质网、线粒体和过氧化物酶体等有膜的细胞器是通过跨膜转运的方式进行的。进入内质网的蛋白质可分为（1）向细胞外分泌的蛋白质，包括胰腺细胞分泌的酶、浆细胞分泌的抗体。小肠被细胞分泌的黏蛋白。内分泌腺分泌的多肽类激素和胞外基质成分等。这类蛋白质常以分泌泡的形式通过细胞的胞吐作用运输到细胞外。（2）膜整合蛋白，构成细胞质膜上的膜蛋白及内质网、高尔基体和溶酶体膜上的膜蛋白。（3）构成内膜系统细胞其中的可溶性驻留蛋白。有些驻留蛋白需要与其他细胞组分严格隔离，如溶酶体与植物液泡中的酸性水解酶类，内质网、高尔基体和胞内体中固有的蛋白质以及其他有重要生物活性的蛋白质，在合成后进入内质网，便于与其他细胞组分进一步区分，也有利于对它们的加工与活化。进入线粒体的蛋白，作为结构蛋白参与线粒体内外膜的构成，作为各种氧化酶、代谢酶参与线粒体的各项生物功能，包括氧化代谢、呼吸链中电子的传递和质子的转移以及氧化磷酸化过程。进入外膜系统的蛋白，除了参与生物膜的基本构建以为，构成了细胞膜上的各种生物泵，参与物质运输。同时，细胞膜、核膜等受体蛋白，参与着生物的信号传导过程。

蛋白质通过不同类型的转运小泡从粗面内质网合成部位转运至高尔基体，进而分选转运到细胞的不同部位，是膜泡运输的典型代表。