蛋白质的转运加工与修饰
化学生物学中的蛋白质合成与修饰
化学生物学中的蛋白质合成与修饰蛋白质是生物体内最重要的大分子物质之一，参与了生物体内几乎所有的生命过程。
蛋白质的合成与修饰是化学生物学领域的一个重要研究课题。
本文将从蛋白质合成的基本过程入手，探讨蛋白质的合成和修饰在生物学中的重要作用。
一、蛋白质合成的基本过程蛋白质合成是指将氨基酸按照特定的序列连接起来形成多肽链的过程。
蛋白质的合成主要通过翻译过程完成，包括三个主要步骤：转录、转运和翻译。
1. 转录转录是指将DNA模板转录成RNA的过程。
在细胞质中，核糖体RNA（rRNA）和转移RNA（tRNA）起着重要的作用。
在核内，DNA的两条链解旋，其中一个链作为模板合成RNA。
通过与氨基酸配对，RNA链合成一条辅助的RNA链，称为mRNA（信使RNA）。
mRNA包含了氨基酸顺序的编码信息。
2. 转运转运是指将mRNA分子从细胞核转移到细胞质的过程。
mRNA通过核孔复合体运输到细胞质，并在细胞质中定位到核糖体上。
3. 翻译翻译是指通过核糖体将mRNA上的信息转化成氨基酸序列的过程。
翻译过程中，mRNA的信息通过转移RNA（tRNA）上的三个碱基序列（编码子）被翻译成相应的氨基酸。
tRNA携带相应的氨基酸，通过与mRNA的编码子配对，使氨基酸按照指定的顺序连接起来，最终形成多肽链或蛋白质。
二、蛋白质修饰的重要作用蛋白质合成完成后，往往还需要经过多种修饰过程才能发挥其生物学功能。
蛋白质修饰是指通过化学反应在蛋白质分子上加上一些功能团或改变其磷酸化状态、甲基化状态等方式，以改变蛋白质的物理化学性质和功能。
1. 磷酸化修饰磷酸化修饰是蛋白质最常见的一种修饰方式。
通过磷酸化修饰可以改变蛋白质的电荷性质和空间构象，进而调控蛋白质的功能。
蛋白质的磷酸化修饰通常由激酶和磷酸酶等酶催化完成。
2. 甲基化修饰甲基化修饰是指在蛋白质上加上一个甲基团，常常通过甲基转移酶催化完成。
甲基化修饰可以影响蛋白质的稳定性、DNA结合能力和互作能力，对基因表达和细胞生命活动起着重要的调节作用。
蛋白质的合成、转运、加工与修饰
沉降系数 蛋白质
原核细胞 16S-rRNA
30S 21种 5S-rRNA 23S-rRNA
50S 34种 70S
真核细胞 18S-rRNA
40S ~33种 5S-rRNA 5.8S-rRNA 28S-rRNA 60S ~49种 80S
E.coli核糖体小亚基中rRNA与r蛋白的相互关系示意图
Brenner 等 用 实 验 证 实 ： 用 噬 菌 体 T2 感 染大肠杆菌后，几乎所有在细胞内合成 的蛋白质都不再是细胞本身的蛋白质， 而是噬菌体所编码的蛋白质；大肠杆菌 内出现了少量半衰期很短的新类型RNA， 其代谢速度极快，它们的碱基组成与噬 菌体DNA是一致的。
Spiegelman用分子杂交技术证明：经噬 菌体感染后新合成的RNA可以与噬菌体 DNA相杂交。
Kozak序列：a favorable context for efficient
eukaryotic
translation
initiation
（PuNNATGPu）。（S）
典型的Poly(A)加尾信号：AATAAA。（S）
cDNA末端快速扩增法（rapid amplification of
Tu TGsTP
Ts Tu GDP
5'
AUG
3'
2. 肽链延长的第二步：成肽
在转肽酶的催化下，P位上的tRNA所携的甲酰蛋氨酰 基转移给A位上的新进入的氨酰-tRNA，形成肽链。原 在P位上的、脱去甲酰蛋氨酰基的tRNA从复合物中迅速 脱落，使P位留空。
3. 肽链延长的第三步：转位
在转位酶/延长因子G（EF-G）的催化下，在A位的二 肽连同mRNA从A位进入P位。实际是整个核糖体的相对 位置移动。第三位氨基酸按密码的指引进入A位注册，开 始下一轮循环。
蛋白质翻译后修饰与加工
VS
信号转导
在信号转导过程中，蛋白质的翻译后修饰 可以影响蛋白质与其他信号分子或受体的 结合，从而调控信号转导通路的激活或抑 制。
蛋白质构象变化
构象变化
某些蛋白质在翻译后经过特定的化学修饰， 如磷酸化、乙酰化等，这些修饰可以改变蛋 白质的构象，从而影响蛋白质的功能。
结构域运动
蛋白质的结构域之间可以发生相对运动，这 种运动可以影响蛋白质与其他分子的结合或 构象变化，从而调控蛋白质的功能。
糖基化
总结词
糖基化是一种在蛋白质翻译后发生的修饰，通过将糖链连接到蛋白质的特定氨基酸残基上，影响蛋白质的结构和 功能。
详细描述
糖基化分为两种类型：N-糖基化和O-糖基化。N-糖基化发生在新生蛋白的N-端，而O-糖基化发生在丝氨酸或苏 氨酸残基上。糖基化可以影响蛋白质的稳定性、分泌和细胞间的相互作用，参与多种生物学过程，如细胞识别、 信号转导和免疫应答等。溶酶体途径Fra bibliotek溶酶体
是一种细胞器，内部含有多种水解酶，能够分解各种生物大分子。
溶酶体途径
是指通过溶酶体降解细胞内物质的过程。
04
蛋白质定位与转运
核定位信号
01
02
03
04
核定位信号（NLS）
是一种特殊的氨基酸序列，能 够引导蛋白质进入细胞核。
核输出信号（NES）
存在于某些蛋白质中，能够将 蛋白质从细胞核输出到细胞质 。
酶的激活
某些蛋白质在翻译后经过特定的化学 修饰，如磷酸化、乙酰化或甲基化等， 这些修饰可以改变酶的构象或电荷分 布，从而激活酶的活性。
酶的失活
某些蛋白质经过特定的化学修饰后， 如泛素化或糖基化等，会导致酶的活 性降低或完全失活，从而调控蛋白质 的降解或功能。
蛋白质合成后的加工及转运
The signal-recog整n理it课io件n particle (SRP)
14
③转移通道：存在与内质网膜上的跨膜通道。
④。 SRP受体（SPR receptor），是膜的整合蛋白， 为异二聚体蛋白，存在于内质网上，可与SRP特异结合。
⑤停止转移序列（stop transfer sequence），肽链上的 一段特殊序列，与转移通道蛋白亲合力很高，能阻止肽 链继续进入内质网腔。
第五节 蛋白质合成后的加 工及转运
整理课件
1
本节内容：
一、蛋白质合成后的细胞定位；
二、蛋白质合成后的转运；
三、蛋白质合成后的加工及修饰；
整理课件
2
一、蛋白质合成后的细胞定位：
1、蛋白质是在细胞中游离的核糖体上或者是在糙面内 质网上的核糖体上合成的。
2、蛋白质合成后需要运转到特定的位点起作用：
（1）、内质网驻留蛋白、高尔基体驻留蛋白质、溶酶 体蛋白质、分泌蛋白质、膜蛋白等这些蛋白是由位于 糙面内质网上的核糖体合成的。然后进入内质网腔或 内质网膜。
输入内质网
-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-AspIle-
+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-PheLys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-LeuLeu-
-Ser-Lys-Leu-COO-
整理课件
34
（四）、叶绿体的蛋白质转运
转运到基质的前体蛋白具有典型的N端序列。转运到 叶绿体内膜和类囊体膜的前体蛋白含有两个N端信号序 列，第一个被切除后，暴露出第二个信号序列，将蛋白 导向内膜或类囊体膜。
第四章 蛋白质的转运、加工与修饰概论
第一节 蛋白质的转运、到位
一、蛋白质转运与分拣信号 二、分子伴侣 三、翻译同步转运和翻译后转运 四、小泡运输的机制 五、受体介导的胞吞作用和内化蛋白质的分拣 六、高尔基复合体内蛋白质的分拣
一、蛋白质转运与分拣信号
1. 信号序列（斑块） 2. 跨膜疏水区信号 3. 分拣信号
1. 信号序列（斑块）（signal sequece/patch）
游离核糖体
网状内皮系统
溶酶体 内体
（翻译后转运）
细胞质
跨膜转运
线粒体 过氧化体
叶绿体
通过核孔
细胞核
1.翻译同步转运（co-translational translocation）
翻译同步转运：在游离核糖体上合成蛋白质N-端信号序列,信号 序列指导核糖体与内质网膜结合，使新生肽链边合成边进入 内质网腔(ER lumen）.
信号识别颗粒受体（SRP receptor), 又称停靠蛋白（docking protein）
两个亚基组成： βsubunit为膜蛋白，含300个氨基酸残基 αsubunit是膜周边蛋白,含640个氨基酸残基，负载着GDP， 并且有GTP酶活性.
SRP receptor功能: 与SRP结合并引导肽链向内质网膜转运； 使肽链的延长继续进行.
内质网上蛋白质合成：
(1)分泌性蛋白－进入内质网腔 (2)膜蛋白－插入内质网膜
(1)分泌性蛋白－进入内质网腔
蛋白质进入内质网腔的分子调控基础： ① 信号序列 ② 信号识别颗粒和受体 ③ 易位子 ④ 能量供应
① 信号序列
16-30AA，通常位于N-端，在极性区（Polar）含1-2正电荷AA， 紧接其后是连续6-12疏水aa的疏水区；
(2)应激蛋白70家族(Stress-70 family)：一类分子量约70kD的高 度保守的ATP酶，广泛分布于原核和真核细胞中，如大肠杆菌胞浆 DnaK/DnaJ,高等生物内质网Bip,Hsc1,Hsc2,Hsc4或hsc70,胞浆 Hsp70,Hsp68和Ssal4p,线粒体中的Ssclp,Hsp70等。 (3)应激蛋白90家族(Stress-90family):分子量90kD左右,如大肠 杆菌胞浆HtpG,酵母胞浆Hsp83与Hsc83,果蝇胞浆Hsp83,及哺乳类 胞浆Hsp90与内质网Grp94（Erp90或内质网素endoplasmin）等.
蛋白翻译和后转运修饰
蛋白翻译和后转运修饰生命中的大部分关键过程都是在细胞内完成的，而受控制的蛋白质合成和后续的后转运修饰是这些过程中的核心。
蛋白翻译和后转运修饰是一项细胞生物学分支，关注的是如何让基因中的DNA信息转化为蛋白质并让这些蛋白质到达它们在细胞内的目的地。
在这篇文章中，我们将探讨蛋白翻译和后转运修饰的基本概念，重点探讨这些过程的一些关键方面，以及它们的重要性。
蛋白质的合成可以比喻成一个流水线生产过程。
它由三个基本部分组成：DNA、RNA和蛋白质。
受控制的基因转录产生mRNA （messenger RNA，信使RNA），mRNA被移动到核外并与核糖体结合，随后，核糖体根据与mRNA相对应的密码子序列将不同氨基酸的tRNA（transfer RNA，转移RNA）移动到核糖体上。
使用氨基酸，蛋白质链随着新的氨基酸的不断加入逐渐变长。
蛋白翻译可能是细胞中最重要也是最复杂的过程之一。
需要数百种蛋白质相互协作以及数万个分子相互作用来完成的任务，蛋白翻译需要完美的编程、调控和执行，以确保每个蛋白质的组装过程都可以顺利完成。
然而，即使完成了蛋白质的合成，这些新合成的蛋白质需要进行后转运修饰才能正常发挥其功能。
这些后转运修饰可以大大增加蛋白质的复杂性，并影响蛋白质的局限性、活性、稳定性和降解。
最常见的蛋白质后转运修饰是磷酸化。
主要的磷酸化是通过酶系统来完成的，它们可以感知各种信号调节，如激素和生长因子，他们的增加可以催化细胞中复合物的组装和磷酸化修饰。
这一过程在信号网络中起着至关重要的作用。
除了磷酸化之外，还有大约50多种常见的蛋白质后转运修饰，每种后转运修饰的形式都不同，但它们都可以影响蛋白质的结构和功能。
当蛋白质的后转运修饰发生变化时，这可以诱导许多疾病，例如肿瘤和神经退行性疾病。
在现代医学中，蛋白翻译和后转运修饰正在被用于提高医学治疗的效率。
例如，利用蛋白质在目的地处的控制功能，可以更好地控制信号广播的效率，这对癌症治疗尤为重要。
蛋白质转运的四种方式
蛋白质转运的四种方式
蛋白质转运是指在细胞内将蛋白质从一个位置转移到另一个位置的过程。
这一过程可以通过以下四种方式进行：
1. 核内转运：某些蛋白质需要在细胞核内进行转运，以参与DNA复制、转录和修复等核内生物学过程。
这种转运方式通常依赖于核孔复合物，它是核膜上的一组蛋白质复合物，能够选择性地将特定的蛋白质运送进入或离开细胞核。
2. 胞质转运：大多数蛋白质通过胞质转运从细胞质移动到其他细胞器中。
这种转运方式通常涉及到信号肽，即蛋白质上的一段特定序列，在蛋白质合成过程中被识别并用于定位蛋白质到特定的细胞器。
3. 高尔基体转运：高尔基体是一个细胞内的复杂细胞器，负责加工和分拣蛋白质。
在高尔基体转运中，蛋白质经过一系列加工步骤，例如糖基化和蛋白质折叠，以及与特定的转运蛋白相互作用，最终被分泌到细胞外或送往其他细胞器。
4. 内质网转运：内质网是一种包裹和运输蛋白质的细胞器，在蛋白质合成过程中起着重要的作用。
蛋白质在合成过程中与内质网上的核糖体相互作用，并随后通过蛋白质通道进入内质网腔。
在内质网中，蛋白质会经过一系列加工步骤，例如糖基化和蛋白质折叠，以确保它们的正确功能和结构。
细胞内各种蛋白质的合成和转运途径
细胞内各种蛋白质的合成和转运途径引言：细胞是生物体的基本单位，其中蛋白质是构成细胞的重要组成部分。
细胞内的蛋白质合成和转运途径是维持细胞正常功能的关键过程。
本文将介绍细胞内蛋白质合成的主要途径，包括转录、翻译和后转录修饰，以及蛋白质的转运途径，包括核糖体、内质网和高尔基体等。
一、蛋白质合成的途径1. 转录蛋白质合成的第一步是转录，即将DNA中的基因信息转录成RNA。
在细胞核中，DNA的双链解旋，RNA聚合酶结合到DNA上，根据DNA模板合成mRNA。
mRNA是一条单链RNA，它携带着从DNA中转录得到的基因信息。
2. 翻译翻译是蛋白质合成的第二步，即将mRNA上的基因信息翻译成蛋白质。
翻译发生在细胞质中的核糖体中。
核糖体由rRNA和蛋白质组成，它能够识别mRNA上的密码子，并将相应的氨基酸连接起来，形成多肽链。
翻译的过程包括起始、延伸和终止三个阶段，通过tRNA和蛋白因子的参与完成。
3. 后转录修饰蛋白质合成的最后一步是后转录修饰，即对新合成的蛋白质进行修饰和折叠。
这一过程发生在内质网和高尔基体中。
内质网是一个复杂的膜系统，它能够将新合成的蛋白质进行折叠和修饰，如糖基化、磷酸化等。
高尔基体则进一步对蛋白质进行修饰，并将其定位到细胞的不同位置。
二、蛋白质的转运途径1. 核糖体核糖体是蛋白质合成的场所，它位于细胞质中。
在核糖体中，mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子互补配对，通过蛋白因子的辅助，将氨基酸连接成多肽链。
核糖体能够识别起始密码子和终止密码子，从而控制蛋白质的合成过程。
2. 内质网内质网是一个复杂的膜系统，它位于细胞质中。
内质网上的核糖体能够合成蛋白质，并将其进行折叠和修饰。
折叠不正确的蛋白质将被内质网上的分解酶降解，而正确折叠的蛋白质则会进一步转运到高尔基体或其他细胞器。
3. 高尔基体高尔基体是一个复杂的膜系统，它位于细胞质中。
高尔基体接收来自内质网的蛋白质，并对其进行进一步修饰和定位。
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第二节、蛋白质在细胞内的分拣与运输 一、蛋白质分子中分拣信号的种类： 1. 靶向序列:targeting sequence 一小段特异的氨基酸序列，含有蛋白质运 输的信号。 2. 靶向斑块:targeting patch 是蛋白质分子中由于肽链的折叠而使互不 连续的肽段相互靠拢而构成的局部立体结构
二、蛋白质在细胞内的运输方式： 1.小泡(vesicle)介导方式的运输：( 附着在内质网 上的多核糖体中合成的蛋白质是以此方式运输) 保留在内质网： 高尔基体内体溶酶体 高尔基体分泌小泡与细胞膜融合细胞外 2.跨膜运输：( 在细胞液中游离的多核糖体中合成 的蛋白质是以此方式运输) 合成后的蛋白质经过跨膜运输到线粒体、过氧化 体、通过核膜进入细胞核。
(2): 膜蛋白:
膜蛋白的肽链中有另一段疏水氨基酸组成的肽段, 起着停止转运的作用,能形成螺旋固定在内质网 膜上,使后续肽链留在细胞液中. 1-3B. 膜蛋白的信号肽不在N-末端,而位于肽链内部,称 为内部信序列.其功能:1)引导新生肽链到达内质网 膜,2)作为起始转运的信号. I型膜蛋白: 肽链的C-末端位于细胞液. 见图1-3C II型膜蛋白:肽链的N-末端位于细胞液. 见图1-3D
考核方式
1. 学习报告、学习交流 2. 期末笔试成绩：50％ 50％
学习报告、交流
要求：选择某种酶或蛋白质： 理化性质 结构特点 功能 实际应用 分子生物学 研究进展或研究概况
50％
格式：参考《厦门大学学报》，包括：题目3#,作者5#,单位专业学号5#、中文摘要 小5#、前言、正文、总结、参考文献/注明引用编号(作者全、题目、期刊、年卷 页)、英文摘要；均为5＃，标题加黑，大约5000－6000字、A4纸，1.5 倍行距， 2.5 cm 边缘 交稿文件：（1）word全文（姓名－题目） （2） 交流汇报PPT （姓名－题目） 交稿时间： 12.1－12.8 交稿方式： (上网提交） 具体与黄乾生联系。 Email: 2193824@ （教学助理：黄乾生： 生物化学 博士生）
细胞器的膜蛋白 ；膜投送：membrane trafficking
2.可溶性蛋白质：留在内质网腔、进入溶酶体分 泌成过程中 N- 端有信号序列 ( 信号肽 ) ，它能引导分泌性蛋白质的肽链到 达并通过内质网.信号肽最终被内质网膜中的 信号肽酶切除,因此成熟的分泌性蛋白质N-末 端并没有信号肽. 三、新生肽链进入内质网膜的机制： 1. 胞膜信号识别颗粒(SRP)结构特点: 见图1-1 GDP 信号识别颗粒 (SRP) 含有 300 个核苷酸的 7s-RNA 链和6种蛋白质(p9/14, p68/72, p54).可 以结合信号肽和核糖体蛋白
三、细胞器之间的蛋白质运输
小泡介导运输方法: 一种细胞器的膜局部凸起形 成小囊,小囊与供体膜分离形成独立的小泡,装载 被运输的目的蛋白质 ( 包括膜蛋白或分泌性蛋 白)。小泡将携带的蛋白质运输到目的细胞器时, 与受体膜融合，完成蛋白质的运输。
这种运输保持细胞膜的不对称性，见图1－4 四、胞液蛋白质的运输： 1.运输到细胞核: 细胞液中游离的核糖体合成的核内蛋白质 , 经核膜上的核孔运输到细胞核内.
第一章 蛋白质的转运、加工与修饰
第一节、蛋白质的跨膜转运 一、慨述： 真核细胞蛋白质合成：首先合成N-端信
号肽序列，介导多核糖体与内质网膜结合并引导 新生的肽链进入内质网腔。 同步转运cotranslational translocation
两类蛋白质：膜蛋白质、可溶性蛋白质
1.膜蛋白质：经内膜系统的投送成为细胞膜或其它
2.转运到线粒体基质及膜间隙:线粒体结构的 4个部位(外膜、内膜、内外膜间隙和线 粒体基质)的蛋白质只有少数是在线粒体 你合成,多数是在细胞液游离的多聚核糖 体合成,然后在转运到线粒体内。 目前对胞液中的蛋白质运输到线粒体基质及 膜间隙了解较清楚。 (1) 线粒体基质蛋白的运输: N-端有15-35个氨基酸残基的信号序列,因不 同的蛋白质而异,但具有相似的二级结构:
3. 新生肽链进入内质网膜的过程: 内质网膜中SRP受体: 及两个亚基组成, 亚基为膜周边蛋白 , 负载 GDP, 并有 GTP 酶 活性; 亚基为整合型膜蛋白.见图1-2 (1)SRP结合在内质网膜中SRP受体上: (2) 核糖体和信号肽与内质网中的易位子结 合: (3)SRP 与其受体相互活化 , 使 GTP 水解 , 恢复 GDP,GDP-SRP与GDP-SRP受体分离.
2. 信号多肽的特点: N- 端信号肽 ,15~36个氨基酸 , 在中间有 7~13 个疏 水氨基酸残基区域,旁侧是亲水氨基酸残基 ,在 近N-端有一个碱性氨基酸残基. 为信号肽切 割位点 例如: 几种分泌性蛋白的信号肽:
牛生长激素: MMAAGPRTSLLLAFALLCLPWTQVVGAFP 牛白蛋白原: MKWVTFISLLLLFSSAYS RGV 人胰岛素原: MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAA FVN 人 干扰素: MKYTSYILAFQLLIYLGLSG CYS 人纤维蛋白原: MSFMRIVCLVLSVVGTAWT ADS
信号序列二级结构的特点:一侧为疏水氨基 酸、另一侧为碱性氨基酸或含羟基的亲水 氨基酸.构成两亲-螺旋或-折叠构象. 运输方式:由伴侣蛋白hsp70 帮助,进行运输 到线粒体基质.见图1-5 A..hsp70与细胞线粒体基质蛋白结合. B. hsp70蛋白将伸展的基质蛋白质递交给位 于线粒体外膜的输入受体. C.与受体结合的蛋白质迁移到线粒体的外膜 与内膜的交汇处.
4.新生肽链进入内质网膜的转运机理:
易位子: 内质网膜中易位子结构上类似于离子 通道,中央有可以开启和闭合的通道. (1):分泌性蛋白质: 当核糖体与易位子结合后,通道开放, 与SRP 分离所信号肽插入通道, 信号肽发挥起始转 运的功能,使后续肽链随着翻译的进行而延 伸展入内质网腔. 位于内质网膜上的信号肽酶在特异的位点 上切除信号肽,使分泌性的蛋白质肽链在合 成后游离于内质网腔. 见图1-3A