第六章 蛋白质的生物合成2(第四版)(1)

肠 激 酶
胰蛋白酶原
六肽
活性中心 胰蛋白酶
胰蛋白酶原的激活示意图
•
许多蛋白质前体并无活性或活性很低。 在一定条件下，才能转变为有特定构象的 蛋白质而表现其活性。 • 如胰岛素前体---胰岛素原，经水解酶 切，除去部分氨基酸（C肽，31个氨基酸） 并在A链（21个氨基酸）和B链（30个氨 基酸）两条肽链之间形成两对二硫键，在 A肽链上形成另一对链内二硫键，使胰岛 素分子具有特定的空间结构，从而表现其 完整的生物活性。详见下页的两张图：
• N-连接糖链 • O-连接糖链
• ③ 磷酸化：酶、受体、介体(mediator)、 调节因子等蛋白质的可逆磷酸化是普遍存 在的蛋白质细胞生长和代谢调节中有重要 功能。磷酸化发生在翻译后，由各种蛋白 质激酶催化，将磷酸基团连接于丝氨酸、 苏氨酸和酪氨酸的羟基上。在磷酸酯酶的 作用则发生脱磷酸作用。
鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰
信号肽 N
KR
KR
PMOC
C
N-POMC
促肾上腺皮质 激素ACTH 促黑素-MSH -MSH
促脂解释放激素-LT
内啡呔 Endophin
3 剪接
• 指蛋白质前体可以通过多肽的剪辑，剪除 某些氨基酸片段，然后在以一定的顺序结 合起来，最终形成成熟的、有活性的蛋白 质的现象。 • 内含肽,外显肽
一. 蛋白质合成后的正确折叠是其行使功能的基础 • 蛋白质的功能与空间构象有紧密的关系 • 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白 质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。 • 新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成， 新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折 叠即开始。可随着序列的不断延伸肽链逐步折 叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形 成完整的空间构象。
欢 迎
欢 迎
第三节
蛋白质合成后的折叠与修饰加工
基因经转录、翻译形成蛋白质，一般而言，新形 成的蛋白质不具备生物活性。必须折叠成正确的 空间构象，然后在经过一系列的成熟后加工，才 能成为真正有活性的蛋白质。加工过程包括前体 加工（切除信号肽）、蛋白质的化学修饰（磷酸 化、糖基化） 和蛋白质的剪接等。
• ⑤ 羧化作用：一些蛋白质的谷氨酸和天冬 氨酸可发生羧化作用。例如，血液凝固蛋 白酶原(prothrombin)的谷氨酸在翻译后羧 化成γ-羧基谷氨酸，后者可以与Ca2+螯合。 这依赖于维生素K 的羧化酶的催化作用。
• ⑥ 甲基化：在一些蛋白质中赖氨酸被甲基 化。如肌肉蛋白和细胞色素c 中含有一甲二 甲基赖氨酸。大多数生物的钙调蛋白含有 三甲基赖氨酸。有些蛋白质中的一些谷氨 酸链羧基也发生甲基化。
4 化学编辑
• （1）一级结构的修饰 个别氨基酸的修饰，包括羟基化、糖基化、 磷酸化、酰基化、羧化作用、甲基化。
• ① 羟基化：肽链中某些氨基酸的侧链被修 饰(modification)，这都是在翻译后的加工 过程中被专一的酶催化而形成的。例如脯 氨酸被羟基化生成羟脯氨酸，胶原蛋白在 合成后，其中的某些脯氨酸和赖氨酸残基 发生羟化。在X-Pro-Gly(X 代表除Gly 外的 任何氨基酸)序列中的脯氨酸羟化为4-羟脯 氨酸，也可生成3-羟脯氨酸，但较少。脯氨 酸的羟化有助于胶原蛋白螺旋的稳定。
• 分子伴侣 hsp70家族 (热休克蛋白 hot shock protein)
伴侣蛋白 chaperonin
伴侣蛋白
伴侣蛋白
蛋白质二硫键异构酶(PDI)
• 肽链内或两条肽链间的二硫键是在肽链形成后SH 基被氧化而形成的。二硫键在形成蛋白质的 空间结构中起着重要作用。 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase) 在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中 催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最
高级结构的修饰
• ① 亚基之间、亚基与辅基之间的聚合：具 有四级结构的蛋白质由几个亚基组成，因 此必须经过亚基之间的聚合过程才能形成 具有特定构象和生物功能的蛋白质。对于 结合蛋白来说，含有辅基成分，所以也要 与辅基部分结合后才能具有生物功能。
（2）高级结构的修饰
• ②.有些蛋白质还要与辅基(prosthetic groups)相结合： Cytochrome C只有与血红素（heme） 相结合才有功能。此外，Acetyl-CoA羧化 酶常与Biotin分子相结合。有些蛋白质必须 经蛋白酶切割后才有功能。有些蛋白质只 有在形成二硫键之后才有功能。
第三节蛋白质合成后的转运
• 在核糖体上新合成的多肽被送往细胞的 各个部分，以行使各自的生物功能，大 肠杆菌新合成的多肽，一部分仍停留在 胞浆之中，一部分则被送到质膜、外膜 或质膜与外膜之间的空隙，有的也可分 泌到胞外。真核细胞中新合成的多肽被 送往溶酶体、线粒体、叶绿体胞核等细 胞器。所以新合成的多肽的输送是有目 的、定向地进行的。(蛋白质的分拣和靶 向)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
蛋白质合成后的正确折叠是其行使功能的基础 “蛋白质折叠异常与疾病”已成为一个专门的研究领域 .
举例----镰刀状红细胞性贫血:β 亚基N 端的第6号氨基酸残基发生了变异， Glu→Val,这种变异来源于基因上遗传 信息的突变。 分子病 （Pauling）： 蛋白质分子 发生变异所 导致的疾病
正常 DNA
(一) 信号肽理论
• 定义:所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号， 主要为Ｎ末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转 移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列 （signal sequence）。 • 作用:使核蛋白体与内质网上的受体结合;肽链进 入内质网后经其运至靶器官,后经信号肽酶切除. • 结构:由13—35个氨基酸组成,分为三个区: N端为亲水区,含有碱性氨基酸,提供正电荷. 中间为疏水区,为中性或疏水性氨基酸(10—15个 ). C端 小分子氨基酸（信号肽酶裂解部位）
内质网
1.分布：动、植物细胞 2.种类：粗面内质网 3.功能：核糖体的支架 滑面内质网 蛋白质的运输通道
膜蛋白和分泌蛋白
胞内蛋白
• 蛋白质的转运可分为两大类: • 共翻译机制:蛋白质的合成和转运是同时 发生的------信号肽理论 • 翻译后机制:蛋白质从核糖体上释放后才 发生转运--------导肽理论
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很多迹象表明AD 是由一种分子的沉积 物引发的，称为淀粉 体β-肽（Aβ）。最 初它是淀粉前体蛋白 （APP）的一部份， APP可跨越神经细胞 的细胞膜。Aβ多肽 是由APP分子释放出 来的
这2种多肽存在的可溶形式，主 要由α-螺旋组成，但是，Aβ42具 有重新折叠的趋势，使它的结构含 有相当多的β-折叠片层。只有 Aβ42分子形式具有致病的潜力， 因为它趋向于自我联合并且形成不 溶的纤维状沉淀，导致神经细胞的 死亡。
终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。
肽-脯氨酸顺反异构酶(PPI)
• 脯氨酸为亚氨基酸，多肽链中的肽酰-脯氨 酸间的肽键绝大部分为反式构型。肽-脯氨 酸顺反异构酶可促进顺反两种异构体之间 的转换。
蛋白质翻译后的加工修饰方式
• (一) 一级结构的修饰 • (二) 空间结构的修饰
1. N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除 • N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸残基，必须在多肽链 折迭成一定的空间结构之前被切除。
ATP
ADP
Thr Ser -OH
蛋白激酶
Thr Ser -O-PO32-
Tyr
磷蛋白磷酸酶 酶蛋白
Pi H2O
Tyr
酶蛋白
酶的磷酸化与脱磷酸化
• ④ 酰基化：蛋白质的乙酰化普遍存在于原 核生物和真核生物中。乙酰化有两个类型： 一类是由结合于核糖体的乙酰基转移酶将 乙酰-CoA 的乙酰基转移至正在合成的多肽 链上，当将N-端的甲硫氨酸除去后，便乙 酰化，例如卵清蛋白的乙酰化便是如此； 另一类型是在翻译后由细胞质的酶催化发 生乙酰化，例如肌动蛋白和猫的珠蛋白。 此外，细胞核内的组蛋白的内部赖氨酸也 可以乙酰化。
信号肽的一般结构
起始位点 + M M A A G P R T S L L L A F A L L C L P W T Q V V G A L P V C 极性 氨基酸 疏水核心 剪切位点 成熟蛋白
图 15-37 信号肽的结构(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .10.14)
① 去甲酰化： 甲酰蛋氨酸-肽 ② 去蛋氨酰基： 蛋氨酰-肽 蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酸 + 肽 甲酰化酶 甲酸 + 蛋氨酸-肽
2. 前体蛋白的加工
• 有些新合成的多肽链要在专一性的蛋白酶 的作用下切除部分肽段才能具有活性。例 如 • (1). 酶原要切除部分肽段才能形成有活性的 酶。 • (2). 信号肽的切除。 • (3).胰岛素原切除C肽。
• 学名：克罗伊茨费尔德—雅各布氏症 简称克雅氏症
• 俗名：疯牛病 • 临床症状 ：出现痴呆或神经错乱，视觉模糊， 平衡障碍，肌肉收缩等。 • 神经病理检查 ：病人的脑神经发生海绵状变 性
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朊病毒（Prion):不含核酸，完全由蛋
白质构成的病毒。 最初推测朊病毒是像普通病毒一样的微 粒，只是缺乏核酸。但是实际与预期的相反， 朊病毒很快被证明可由细胞自身染色体的基 因编码。这个基因称为PRNP，它可以表达正 常的脑组织并且编码一种命名为PrPc的蛋白 质，存在于神经细胞的表面。PrPc精确的功 能到现在仍未发现。但是这种蛋白质的新的 形式目前在人脑中发现，这就是CJD。
PrPc与 PrPSc的比较
PrPc 分子状态
溶解性 对蛋白酶抗性
PrPSc 集合成纤维状态
不溶 很强
单体分子
可溶 弱，极易被破坏
蛋白质稳定性
蛋白质三级结构 致病性
稳定
不稳定
几乎全部由α-螺 大约45%为β-折 旋组成 叠片层 正常 致病
Alzheimer’s disease
(AD)
• 学名：阿尔茨海默氏病 • 临床症状：以遗忘为最早期、最突出的 症状。继而出现反应迟钝、判断力和理 解力下降，重复语言和无意义的重复动 作等。随着疾病进展，最终严重痴呆， 卧床不起，出现并发症。
细胞内蛋白质正确折叠的保障机制
分子伴侣（molecular chaperon）；是细胞 内一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构 象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。 分子伴侣在帮助蛋白质折叠后,自身并不作为 最终结构的一部分.
• 1. 封闭暴露出来的疏水区段,为蛋白质的折叠 创造一个无干扰的隔离环境. • 2. 防止新生肽链在未完成折叠之前相互聚合, 帮助蛋白质获得最初的正确结构. • 3. 识别错误折叠的蛋白质,帮助其复性或降解.
……TGT GGG CTT CTT TTT
mRNA ……ACA CCC GAA GAA AAA HbA 异常 DNA N端 苏 脯 谷 谷 赖
……TGT GGG CAT CTT TTT
mRNA ……ACA CCC GUA GAA AAA
Hbs
苏
脯
缬
谷
赖
镰刀型红细胞贫血
CJD: Creutzfeld-Jakob disease
信号肽的特征
• 信号肽序列通常在被转运多肽链的N端，这些序列 在10～40个氨基酸残基范围，氨基端至少含有一 个带正电荷的氨基酸，在中部有一段长度为10～ 15个氨基酸残基的由高度疏水性的氨基酸组成的 肽链，常见的为丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮 氨酸和苯丙氨酸。这个疏水区极重要，其中某一 个氨基酸被非极性氨基酸置换时，信号肽即失去 功能。在信号肽的C端有一个可被信号肽酶识别的 位点，此位点上游常有一段疏水性较强的5肽，信 号肽酶切点上游的第一个(－1)及第三个(－3)氨 基酸常为具有一个小侧链的氨基酸(如丙氨酸)。
• ② 糖基化：在多肽链合成过程中或在合成 之后常以共价键与单糖或寡糖侧链连接， 生成糖蛋白。这些糖可连接在天冬酰胺的 酰胺上(N-连接寡糖)或连接在丝氨酸、苏氨 酸或羟赖氨酸的羟基上(O-连接寡糖)，糖基 化是多种多样的，可以在同一条肽链上的 同一位点连接上不同的寡糖，也可以在不 同位点上连接上寡糖。糖基化是在酶催化 反应下进行的。糖蛋白是一类重要的蛋白， 许多膜蛋白和分泌蛋白均是糖蛋白。
不同类型的核糖体合成不同的蛋白
• 真核细胞中有两种类型的核糖体,分别为膜 结合核糖体和游离核糖体.这两种核糖体在 化学组成上并无差异,但在合成蛋白质的种 类上却有分工. • 游离核糖体合成的蛋白质一般属于胞浆蛋 白,或进入各种细胞器.而膜结合核糖体合 成的蛋白质则属于膜蛋白或分泌蛋白.蛋白 需要靶向输送.