蛋白質的合成與定位

1、蛋白質的合成與定位摘 要:生物體的一切生命活動幾乎都離不開蛋白質，生物體內(nèi)的蛋白 質從開始合成到最終形成大概可以分為三個階段:起動階段，肽鏈的延 長，肽鏈合成的終止.合成以后的蛋白質根據(jù)自己不同的作用，通過不 同的途徑被輸送到細胞的各個位置.關鍵詞:合成起動 延長 終止轉運 定向蛋白質是細胞的工作分子，它們催化大量的化學反應，提供各種結構的支架， 參與細胞運動，控制膜的通透性，調節(jié)代謝物質的濃度，識別其他生物分子及控 制基因的工作等等.可以說細胞所進行的一切功能活動，都離不開蛋白質的參與， 同時蛋白質也遍布細胞的每一個角落，每一個細胞器.這里我就簡單得介紹一下 蛋白質在細胞內(nèi)的合成與如何到達它

2、應到的位置，即蛋白質的定位.一、蛋白質的生物合成過程蛋白質的合成過程可以人為的分為三個階段:起動階段，肽鏈的延長，肽鏈合 成的終止.下面我就簡單的介紹一下這三個階段.起動階段-起始復合物的生成翻譯起始點即把帶有甲硫氨酸的起始tRNA連同mRNA結合到核糖體上，生成翻 譯起始復合物(translational initiation complex).此過程需要各種起始因 子參加，原核生物與真核生物所需要的起始因子不相同，但卻需要包括核糖體與 mRNA及起動tRNA的結合，都需要三磷酸核苷酸供給能量，大致上是一樣的.起始復合物的合成(以原核生物為例)(1)核糖體亞基的拆離：翻譯過程是在核糖體上連續(xù)

3、進行的.翻譯進行中，核 糖體的大小亞基是連結成整體的.翻譯終止的最后一步，實際上也是下一輪起始 的第一步,核糖體大小亞基必須先分開，以利于mRNA和fmet-tRNA先結合到小亞基上.mRNA在核糖體小亞基上就位：研究發(fā)現(xiàn)多種原核生物mRNA的堿基序列， 在翻譯起始密碼子AUG的上游，相距約813個核苷酸組成的富含嘌吟的序列 以AGGA.為核心，稱為S-D序列.后來又發(fā)現(xiàn)，原核細胞核糖體小亞基上的 16S-rRNA，在其近3末端處，有一段短序列是與S-D序列互補區(qū).mRNA上的S-D序 列又稱為核糖體結合位點(ribosomal binding site, RBS).緊接AGGA的小段核 苷酸

4、，又可以被核糖體小亞基蛋白(rps-1 )辨認結合.原核細胞就是靠這種核酸 -核酸、核酸-蛋白質之間的辨認結和，而把mRNA連結到核糖體小亞基上的.fmet-tRNA的結合：此過程與mRNA在核糖體小亞基就位的同時發(fā)生， fmet-tRNA只能辨認和結合于mRNA的起始密碼子AUG上，推動了 mRNA的前移， 保證了 mRNA就位的準確性.核糖體大亞基的結合:最后，在已有的mRNA和fmet-tRNA的小亞基上，加 入核糖體的大亞基，成為一個已經(jīng)準備好的翻譯系統(tǒng)整體,即翻譯起始復合物.此 時，核糖體的p位已被fmet-tRNA上的AUG所占據(jù)，但A位是空的，而且mRNA上 僅次于AUG的第二個

5、三聯(lián)體已相應于A位上,所對應的氨酰-tRNA即可加入A位 而進入延長階段.二、肽鏈的延長每次核糖體循環(huán)又可分為三個步驟，進位(entrance)又稱注冊(registration)、成 肽(peptide board formation)和轉位(translocation).循環(huán)一次,肽鏈延長一個 氨基酸，如此不斷重復，直至肽鏈合成終止.進位與起始合成復合物受位上的mRNA密碼相對應的氨酰-tRNA進入受位,形成復 合物，此步驟需要GTP、Mg2+和EFT成肽大亞基的給位上有轉肽酶(transpeptidase)存在,可催化肽鍵的形成.在轉肽酶 的催化下,給位上的他RNA所攜帶的甲硫氨?；螂?/p>

6、鏈轉移給給位上新進入 的氨酰-tRNA,形成肽鏈，此步驟需Mg2+及K+的存在.原在給位上的、脫去甲硫氨酰 基的tRNA,從復合物中迅速脫落，使P位留空.轉位在A位的二肽連同mRNA從A位進入P位，實際上是整個核糖體的相對位置 移動.催化轉位作用的是轉氨酶(translocase).現(xiàn)在證明:轉位酶的活性存在于延長 因子G(EFG),由于肽-tRNA-mRNA與核糖體位置的相對變更,此時肽-tRNA占據(jù)了 P 位,A位是留空的,并對應著mRNA鏈上第三號三聯(lián)體密碼，于是，第三氨基酸就按密 碼的指引進入A位注冊,從而開始下一循環(huán).肽鏈上每增加一個氨基酸殘基，就按進位、成肽、和轉位這三個步驟一遍一

7、遍 地重復，直至肽鏈增加到應有的長度.肽鏈合成到一定長度的同時,在甲硫氨基肽 酶的作用下，氨基端的甲硫氨酸殘基從肽鏈上被水解脫落.(三)肽鏈合成的終止肽鏈合成的終止包括:終止密碼子的辨認.肽鏈從肽酰-tRNA水解出來,mRNA 從核糖體中分離及大小基的拆開.終止過程需要蛋白質因子,被稱為釋放因子 (RF,RR).RF的作用是辨認終止密碼子和促進肽鏈C端與tRNA 3、-OH脂鍵的水解, 事肽鏈從翻譯中的核糖體上釋放下來.RR的作用是把mRNA從核糖體釋放,RF現(xiàn)至 少發(fā)現(xiàn)有三種:RF-1和RF-2都能辨認BAA終止密碼子,而RF-1也能辨認UGA,RF-2 也辨認UGA.RF-3是酯酶的激活物

8、，酯酶水解肽-tRNA之間的脂鍵.當翻譯至A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子時，因無AAcyl-tRNA與之對應，即 A位不能接納AAcyl-tRNA.RF-1或RF-2能識別終止密碼子，進入A位.RF-3激活核糖體上的轉肽酶.轉肽酶受RF-3作用后發(fā)生變構，表現(xiàn)出酯酶 的水解活性,從而使P位上的肽與tRNA分離.在RF的作用下,tRNA、mRNA及RF均從核糖體上脫落,然后在IF的作用 下,核糖體的大小亞基分離，大小亞基可再進入翻譯過程，循環(huán)利用.二、蛋白質合成后的定向運輸我們知道蛋白質的合成是在核糖體上進行的，但是合成后的蛋白質是需要送 到細胞的各個地方發(fā)揮自己的作用，合成后的蛋白質主要三個去向

9、：保留細胞質; 進入細胞核、線粒體或其他細胞器;分泌到體液中，然后輸送至該蛋白質應起作用 的靶細胞或靶器官.下面具體介紹幾種輸送方式.(一)分泌蛋白和膜蛋白的轉運進入RER中的蛋白質往往進行修飾與加工，如糖基化、羥基化、?；约?二硫鍵的形成，在RER腔中新合成的多肽還要進行正確的折疊與組裝.然后RER 以出芽形成小泡的形式，將蛋白質轉入高爾基體，在高爾基體中進行一系列的修 飾與加工（修飾糖鏈，加脂肪酸或磷酸化）.并經(jīng)濃縮，分類包裝，以分泌泡的形 式運走.其中質膜蛋白嵌插在轉運小泡的膜上，當小泡與質膜融合后，該膜蛋白 嵌插在轉運小泡的膜上，當小泡與質膜融合后，該小泡膜及其上的質膜蛋白就成 了

10、質膜的一部分.攜帶有分泌蛋白的小泡經(jīng)胞吐作用，可將分泌蛋白排出細胞.（二）溶酶體蛋白的轉運過程有關溶酶體蛋白的分揀與轉運，現(xiàn)在已經(jīng)知道的比較清楚.溶酶體中含有幾 十種酸性水解酶類，它們在RER上合成后進八高爾基體，在RER上合成時發(fā)生7N 一連接的糖基化修飾，即把一個寡糖基共價結合到溶酶體酶的天冬酰胺殘基上. 在高爾基體的順面的膜囊中存在N 一乙酰萄葡糖胺磷酸轉移酶和N一乙酰萄葡胺 磷酸糖苷酶，在這兩種酶的催化作用下，寡糖鏈中的甘露糖殘基磷酸化產(chǎn)生6P 甘露糖（M6P）.這種特異的反應，只發(fā)生在溶酶體的酶上，而不發(fā)生在其它的糖 蛋白上，估計溶酶體酶本身的構象含有某種磷酸化的信號，如改變其構象則

11、不能 被識別，也就不能形成M一6P .在高爾基體反面的膜囊上結合著M一6P的受體，由 于溶酶體酶的許多位點上都可形成M一6P，從而大大增加了與受體的親和力，這 種特異的親和力使溶酶體酶與其它蛋白質分離并起到局部濃縮的作用.在高爾基 體反面，M6P-M6P受體復合體包八轉運小泡，這一過程有衣被蛋白的參與.轉運小 泡與胞質中的內(nèi)體融合，內(nèi)體是一種膜包小泡，其膜上含有質子泵（H 一ATP酶）， 該泵可往泡內(nèi)轉運H，致使pH降低.溶酶體酶進入內(nèi)體后，在低pH條件下，磷酸 化的溶酶體酶與它結合的M6P受體分離，受體通過“出芽”成小泡再被轉運回高 爾基體膜.其中的溶酶體酶脫去甘露糖上的磷酸根，溶酶體形成.

12、（三）細胞質基質中合成的蛋白質及其轉運1.過氧物酶體蛋白的轉運過氧物酶體中所有的酶，以及所有的膜蛋白。都由細胞核基因編碼，并在細 胞質基質中合成，然后轉運到過氧化物酶體中的.對這一過程了解較多的是過氧 化氫酶，它是一個含血紅索的四聚體蛋白，其單體在細胞質基質中合成，在某種 信號序列（導肽）的指導下進入過氧物酶體，這一信號序列并不被切除.目前發(fā)現(xiàn)至少部分信號序列與過氧物酶單體分子C 端的3個氨基酸序列有關.推測在過氧物酶體膜上存在識別信號序列的受體，在 過氡物酶體腔中單體與血紅索結合并形成四聚體.親核蛋白的轉運在細胞基質中合成的蛋白質，有些經(jīng)過核孔復合體被轉運進入了細胞核內(nèi)， 如DNA聚合酶、R

13、NA聚合酶、組蛋白、核糖體蛋白等.這一運輸過程是通過核孔 復合體的選擇性主動運輸完成的.核孔復合體的親水通道，其功能直徑僅為9nm， 長約15rim.一般大于60KD的球蛋白不能進入核內(nèi)，但親核蛋白（指在細胞質內(nèi)合 成，然后輸入到核內(nèi)發(fā)揮功能作用的一類蛋白）.即使分子量大于60KD，也能通過 核孔復合體進入核內(nèi).通過分析，發(fā)現(xiàn)親核蛋白一般都含有特殊的氨基酸信號序 列，正是這些信號序列起到一個“定向”、“定位”的作用，從而可保證整個蛋 白通過核孔復合體向核內(nèi)輸入.將這一特殊的氨基酸序列命名為核定位信號 （nutear localization signal， NLS）.第一個被確定NLS序列的蛋

14、白質是sv40的T抗 原（MW =92KD），它在胞質中合成后很快積累在核中，是病毒DNA在核內(nèi)復制所 必須的蛋白質.其野生型NLS氨基酸序列為Pro一Lys一Lys一Lys一Arg一Lys一 Vat. 即使單個氨基酸突變所產(chǎn)生的突變形NLs（Pr0 一 Lys一Thr一Lys一Arg一Lys一vat） 也能阻止這種蛋白質向核內(nèi)輸入.如果將野生型的這種信號序列短肽連接到非核 蛋白隨機選擇的Lys側鏈上，則非親核蛋白也具有核輸入的功能.此后，叉陸續(xù)鑒 定出一些其它親核蛋白的NLS序列，發(fā)現(xiàn)典型的NLS是一個短肽，由48個氨 基酸殘基組成。富含帶正電荷的Lys和Arg，通常還有Pro.在不同的NL

15、S之間尚 未發(fā)現(xiàn)共有的特征序列.而且與蛋白跨膜運輸?shù)男盘栯牟煌?，NLS序列可定位在 親棱蛋白的不同部位，并且指導親核蛋白完成核輸入后不被切除.線粒體蛋白的轉運60年代，發(fā)現(xiàn)了葉綠體和線粒體中含有DNA，后來又進一步發(fā)現(xiàn)它們中還 有RNA（mRNA，tRNA，rRNA）、核糖體、氨基酸活化酶，說明這兩種細胞器具有 獨立進行轉錄和轉譯的功能.但迄今為止,已知線粒體僅能編碼13種多肽并在線 粒體核糖體上合成，葉綠體僅有60多 種蛋白是自身合成的.這兩種細胞器的絕大多數(shù)蛋白是由核基因編碼，在細胞質 核糖體上合成，經(jīng)由特定的機制轉運全細胞器的.線粒體蛋白的跨膜運送與分泌蛋白不同，除個別的蛋白可能是轉錄與

16、轉譯同 時進行外，其余大多數(shù)的蛋白都是在細胞質中首先合成后再運送到細胞器的，稱 為后轉移(postzansloeation).這些蛋白前體的N 一末端含有一前導序列稱為導肽 或弓|肽(leader soquences，targetting sequences，preseqnences).現(xiàn)已有 40 多種 線粒體蛋白導肽的一級結構已闡明.它們含有20-80個氨基酸殘基。導肽的結構有 以下特征：(1)含有豐富的帶正電荷的堿性氨基酸，特別是Arg，帶正電荷的氨基 酸殘基有助于導肽序列進入帶負電荷的基質中；羥基氨基酸如Ser含量也較高; 幾乎不含帶負電荷的酸性氨基酸；(4)可形成既具有親水性叉具有疏

17、水性的a 一螺旋結構，這種結構特征有利于穿越線粒體的雙層膜.含導肽的前體蛋白在跨膜運送時，首先被線粒體表面的受體識別，同時還需 要位于外膜上的GIP蛋白(general insertion protein)的參與，它能促進線粒體蛋 白前體從內(nèi)外膜的接觸面插入.在跨膜運送之前前體蛋白需要解折疊為松散的結 構，以利運送.前體蛋白通過內(nèi)膜之后，其導肽即被線粒體基質中的導肽水解酶 與導肽水解激活酶水解，并同時重新卷曲折疊為成熟的蛋白分子。跨膜運送的蛋 白在解折疊與重折疊的過程中需要有一類被稱為“分子伴娘”的分子參與.現(xiàn)已 證明，細胞中的某些蛋白分子可以識別正在合成的多肽或部分折疊的多肽并與多 肽的某些部位相結合.從而幫助這些多肽轉運，折疊或裝配，這一類分子并不參 與最終產(chǎn)物的形成，因此稱為分子伴娘(molecular chaperones).前面提到的信號識 別顆粒就是一種分子伴娘.它可與信號肽結合，幫助多肽轉運。在線粒體蛋白跨 膜轉運過程中發(fā)揮作用的分子伴娘是熱休克蛋白中Hsp70和Hs 口 6O蛋白.基因融合實驗證明