第4章蛋白质的翻译-转运降解
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现代分子生物学课件-第四章
tRNA上所运载的氨基酸必须靠近 位于核糖体大亚基上的多肽合成位 点，而tRNA上的反密码子必须与小 亚基上的mRNA相配对，所以分子中 两个不同的功能基团是最大限度分 离的。
4. 2. 2 tRNA的功能
转录过程是信息从一种核酸分子 （DNA）转移到另一种结构上极为相 似的核酸分子（RNA）的过程，信息 转移靠的是碱基配对。
C
酸
（Thr，T （Asn，N （Ser，
（Ile，I
）
）
S）
）
异亮氨
苏氨酸
赖氨酸
精氨酸
A
酸
（Thr，T （Lys，K （Arg，
（Ile，I
）
）
R）
）
甲硫氨
苏氨酸
赖氨酸
精氨酸
G
酸
（Thr，T （Lys，K （Arg，
（Met，
）
）
R）
M）
缬氨酸
丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸
U
（Val， （Ala，A （Asn，N （Gly，
亮氨酸
脯氨酸
谷氨酰胺 精氨酸
A
（Leu， （Pro，P （Gln，Q （Arg，
L）
）
）
R）
亮氨酸
脯氨酸
谷氨酰胺 精氨酸
G
（Leu， （Pro，P （Gln，Q （Arg，
L）
）
）
R）
异亮氨
苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸
U
酸
（Thr，T （Asn，N （Ser，
（Ile，I
）
）
S）
）
A
异亮氨
苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸
V）
）
）
G）
《蛋白质的翻译》PPT课件
胰蛋白酶原 胰蛋白酶
胰蛋白酶原的激活示意图
信号肽
能引导蛋白质靶向运输的特殊信号序列，即多肽链分子N端 的一段被细胞转运系统识别的保守性氨基酸序列，称为“信号 肽”。
序列组成： 16 ～30氨基酸残基 N端含1到几个碱性氨基酸残基 中部4 ～15疏水性中性氨基酸（Leu、Ile） C端含极性、小侧链的Gly、Ala、Ser 紧接信号肽酶裂解位点
大肠杆菌的分子伴侣
胰岛素原的加工
间插序列（C肽区）
HS SH
HS SH HS
C A链区
B链区
SH
核糖体上合成出无规 则卷曲的前胰岛素原
切除信号肽后
折叠成稳定构
信号肽
象的胰岛素原
N
N
S－S C
S
S
S
S
胰岛素原
切除C肽后，形成 成熟的胰岛素分子
N
S S N
A链 C
S
C B链
S
胰岛素
六肽
肠 激 酶
活性中心
这就是翻译！
一、模板与遗传密码
（一） 遗传密码
遗传密码的几个重要特性
连续性 简并性 通用性 摆动性
摆 动 理 论
（二）开放阅读框（ORF)
真核细胞几乎只有一个ORF，原核细胞经常有2个或多个 ORF
臂
氨基酸受体臂
D臂 反密码子臂
tRNA的L形三级结构 反映了其生物学功能，因为它上所运载的氨
4. 氨酰-tRNA合成酶将氨基酸连到tRNA上 tRNA的氨酰化（负载）由氨酰-tRNA合成酶的一组酶
催化完成。生物体有20种氨酰-tRNA合成酶，每个对应 一种氨基酸，这意味着一组同工tRNA被一个酶酰氨化。
分子生物学-第四章蛋白质的翻译
教案首页课程名称分子生物学任课教师李市场第四章蛋白质翻译计划学时9教学目的和要求：掌握遗传密码的构成及特点。
遗传密码的破译；密码的简并性与变偶假说；密码子的使用频率；起始密码子与终止密码子；遗传密码的突变；重叠密码。
掌握原核生物和真核生物RNA的翻译过程。
核糖体及RNA的结构；氨基酸的激活与氨酰-tRNA的合成；原核生物的蛋白质的生物合成；GTP在蛋白质合成中的作用；真核生物的蛋白质的生物合成；蛋白质折叠与蛋白质生物合成中多肽链的修饰；蛋白质的易位与分泌。
重点：密码的简并性与变偶假说；密码子的使用频率；起始密码子与终止密码子；重叠密码。
核糖体及RNA的结构；氨基酸的激活与氨酰-tRNA的合成；原核生物的蛋白质的生物合成；GTP在蛋白质合成中的作用；真核生物的蛋白质的生物合成；蛋白质折叠与蛋白质生物合成中多肽链的修饰；蛋白质的易位与分泌难点：核糖体及RNA的结构；氨基酸的激活与氨酰-tRNA的合成；原核生物的蛋白质的生物合成；GTP在蛋白质合成中的作用；真核生物的蛋白质的生物合成；蛋白质折叠与蛋白质生物合成中多肽链的修饰；蛋白质的易位与分泌。
思考题：1、以Prok.为例，说明蛋白质翻译终止的机制。
2、简要说明真核生物蛋白质的不同转运机制。
3、说明Prok.和Euk.体内蛋白质的越膜机制。
4、简要说明Prok.与Euk.的翻译起始过程的差别。
第四章蛋白质翻译（Protein Translation）概述：蛋白质翻译是基因表达的第二步，tRNA在翻译过程中起“译员”的作用，参与翻译的RNA 除tRNA外，还有rRNA 和mRNA；tRNA既是密码子的受体,也是氨基酸的受体，tRNA 接受AA要通过氨酰tRNA合成酶及其自身的paracodon的作用才能实现，tRNA通过其自身的anticodon而识别codon，密码子有自身的特性，三联体前两个重要通用性摇摆性，有一定的使用效率；多种翻译因子组成翻译起始复合物，完成翻译的起始、延伸和终止，并且保证其准确性。
生物化学：第四章 蛋白质合成的调控(讲义)
2020/10/31
微生物与生化药学 杜军
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第四章第四节 蛋白质合成调控
Poly(A)对翻译的促进作用是需要PABP（poly(A) 结合蛋白）的存在，PAPB结合poly(A)最短的长 度为12 nt，当poly(A)缺乏PAPB的结合时， mRNA 3′端的裸露易招致降解。
AAAAAAAAAAAA PABP
2020/10/31
微生物与生化药学 杜军
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第四章第四节 蛋白质合成调控
（二）mRNA的稳定性对翻译水平的影响
在细胞质中所有的RNA都要受到降解控制 （degradation control）在控制中RNA降解的速率 （也称为RNA的转换率)是受到调节的；
mRNA分子的稳定性很不一致，有的mRNA的寿 命可延续好几个月，有的只有几分钟；
Lin-4调控翻译机制的模式图
3′非翻译区
2020/10/31
微生物与生化药学 杜军
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第四章第四节 蛋白质合成调控
Lin-4调控Lin-14mRNA翻译作用的示意图
2020/10/31
微生物与生化药学 杜军
24
第四章第四节 蛋白质合成调控
引发基因沉默的microRNA (miRNA)
microRNA (miRNA) 是一类长度约为2024个核苷酸长度的具有调控基因表达功 能的非编码RNA。
• 由此可见，eIF4E、eIF2-GTP在转录起始过程中起到了关键 作用。
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微生物与生化药学 杜军
7
第四章第四节 蛋白质合成调控
① eIF-4E
真核生物翻译起始的限速步骤
eIF-4E结合蛋白4E-BP抑制4E 与Cap结合，从而抑制翻译的 起始；
第四章蛋白质的翻译
色氨酸-tRNA的分离
用20种AA-tRNA做20组同样的实验， 每组都含20种AA-tRNA和各种三核苷 酸，但只有一种氨基酸用14C标记，看 哪一种AA-tRNA被留在滤膜上，进一 步分析这一组的模板是哪个三核苷酸， 从模板三核苷酸与氨基酸的关系可测 知该氨基酸的密码子。例如，模板是 UUU时，Phe-tRNA结合于核糖体上， 可知UUU是Phe的密码子。
摆动假说:
在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三 对碱基有一定的自由度，可以“摆动”，因而使某些tRNA可以识别1个 以上的密码子;
如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的 密码子都对应于各自独立的tRNA。原核有30-45种tRNA，真核有50种 tRNA。 I： Inosine is formed by deamination of adenosine after tRNA synthesis
4.2 tRNA
tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三 联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将 所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体，所以，它又 被称为第二遗传密码。
tRNA参与多种反应，并与多种蛋白质和核酸相互识 别 ，这就决定了它们在结构上存在大量的共性。
4.2.1 tRNA的结构 1、tRNA的二级结构
1954年科学家对破译密码首先提出了设想： A. 若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生4种氨基酸; B. 若2个碱基编码一种氨基酸的话，4种碱基共有42=16种不同的排列
组合; C. 3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生43=64种不同形式; D. 若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。
贮 存 在 DNA 上 的 遗 传 信 息 通 过 mRNA 传 递 到 蛋 白 质 上 ， mRNA与蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。 mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸， 这3个核苷酸就称为密码，也叫三联子密码。
新教材 人教版 高中生物必修二 《遗传与进化》 知识点第4章 基因的表达-知识点总结
第4章基因的表达第1节基因指导蛋白质的合成一、RNA的结构与种类1．RNA的结构（与DNA的比较）2．RNA的种类及其作用注：RNA是DNA转录的产物。
(1)(2)(3)二、遗传信息的转录1．概念2.过程DNA的结构①磷酸②碱基：A、T、G、C③脱氧核糖规则的双螺旋结构五碳糖不同碱基不同3．如图为一段DNA分子，如果以β链为模板进行转录；DNAα链……A T G A T A G G G A A A C……β链……T A C T A T C C C T T T G……mRNA ……A U G A U A G G G A A A C……该mRNA与β链的碱基序列互补配对。
4.该mRNA与α链的碱基序列有哪些异同？提示：二者的碱基序列基本相同，不同的是α链中碱基T的位置，在mRNA中是碱基U。
[师说重难]1.比较DNA的复制和转录2．转录有关问题分析(1)转录不是转录整个DNA，而是转录其中的基因。
不同种类的细胞，由于基因的选择性表达，mRNA的种类和数量不同，但tRNA和rRNA的种类没有差异。
(2)细胞核中转录形成的RNA通过核孔进入细胞质，穿过0层膜，需要能量。
(3)完成正常使命的mRNA易迅速降解，保证生命活动的有序进行。
(4)质基因(线粒体和叶绿体中的基因)控制蛋白质合成过程时也进行转录。
(5)mRNA与DNA模板链碱基互补，但与非模板链碱基序列基本相同，只是用U代替T。
(6)转录时，边解旋边转录，单链转录。
三、遗传信息的翻译 1．密码子(1)概念：mRNA 上决定1个氨基酸的3个相邻的碱基。
(2) 种类(共64种)⎩⎪⎨⎪⎧起始密码子：AUG (甲硫氨酸)、GUG (缬氨酸、甲硫氨酸)终止密码子：UAA 、UAG 、UGA其他密码子2．tRNA ：RNA 链经过折叠，看上去像三叶草的叶形，其一端是携带氨基酸的部位，另一端有3个相邻的碱基可以与mRNA 上的密码子互补配对，叫作反密码子。
3．翻译(1)概念 (2)过程1．翻译能够准确进行的原因是什么？提示：mRNA 为翻译提供了精确的模板；mRNA 与tRNA 之间通过碱基配对原则保证了翻译能够准确地进行。
第四章 从mRNA到蛋白质
核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽 然在不同生物内其大小有别，但组织结构基 本相同，而且执行的功能也完全相同。
核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解 离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质 量较大的rRNA和许多不同的蛋白质分子。
原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质 组成。
编码蛋白质氨基酸序列的各个三 联体密码连续阅读，密码间既无间隔 也无重叠。
从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止 密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续 排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
➢ 简并性与兼职性 简并性：
许多氨基酸对应的密码子不止一种。 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一 个密码子外，其余氨基酸有2~4个或多至6 个密码子为之编码。
Tyr-tRNA 阅读 UAG 密码子
AUG UUG UAA AAC
AUG UAG UAA
释放因子
AUG UAG UAA
UAC
AUC
AUG
抑制突变
Leu
Tyr
Tyr
图 14－17 带有突变反密码子的 tRNA 可抑制无义突变
基因
SupD(su1) SupE(su2) SupF(su3) SupC(su4) SupG(su5) SupU(su7)
TψC常由5bp的茎和7Nt和环组成。 此臂负责和核糖体上的rRNA 识别结合；
三叶草二级结构具有四个臂
L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直
3’
5’
氨基酸茎
D环
TψC 环
可变环
TψC 环 D环
氨基酸茎 3’
5’
可变环
反密码子环
核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解 离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质 量较大的rRNA和许多不同的蛋白质分子。
原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质 组成。
编码蛋白质氨基酸序列的各个三 联体密码连续阅读，密码间既无间隔 也无重叠。
从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止 密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续 排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
➢ 简并性与兼职性 简并性：
许多氨基酸对应的密码子不止一种。 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一 个密码子外，其余氨基酸有2~4个或多至6 个密码子为之编码。
Tyr-tRNA 阅读 UAG 密码子
AUG UUG UAA AAC
AUG UAG UAA
释放因子
AUG UAG UAA
UAC
AUC
AUG
抑制突变
Leu
Tyr
Tyr
图 14－17 带有突变反密码子的 tRNA 可抑制无义突变
基因
SupD(su1) SupE(su2) SupF(su3) SupC(su4) SupG(su5) SupU(su7)
TψC常由5bp的茎和7Nt和环组成。 此臂负责和核糖体上的rRNA 识别结合；
三叶草二级结构具有四个臂
L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直
3’
5’
氨基酸茎
D环
TψC 环
可变环
TψC 环 D环
氨基酸茎 3’
5’
可变环
反密码子环
(精选)蛋白质的翻译-转运降解
1
第五节 蛋白质转运机制
1、翻译－转运同步机制：分泌蛋白 ➢ 信号肽假说简图 ➢ 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 2、翻译后转运机制：线粒体与叶绿体蛋白 ➢ 蛋白质向线粒体的定位机制 ➢ 蛋白质向叶绿体的定位机制 3、核定位蛋白质的转运机制
2
蛋白质N端信号肽的特点
1.完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件；
E1-SH ATP
PPi
21
泛肽化酶(ubiquitination enzyme）
—蛋白酶体（proteasome）结构示意图
19S Regulatiry Subunit
UbqConjugate
148Å
113Å
20S Proteasome
Unfolding Cleavage
26S proteasome
第五节 蛋白质转运机制
几类主要蛋白质的运转机制
蛋白质性质 分泌蛋白
细胞器发育
膜的形成
运转机制 蛋白质在结合核糖体上合成， 以翻译－运转同步机制运输 蛋白质在游离核糖体上合成， 以翻译后运转机制运输 以上两种机制兼有
主要类别 免疫球蛋白、激素、水 解酶 核、叶绿体、线粒体等 细胞器中的蛋白质 质膜、内质网、类囊体 中的蛋白质
泛肽由多基因族编码， 不同生物Ub基因的数目和 种类有较大差异。
Gly76 Gly75 Arg74
Lys29
Lys49 Tyr49
Met1 Lys63
20
与泛肽活化有关的酶
泛肽活化酶(E1)：催化Ub
C-Amino Hydrolase
Target Protein
的C-末端与酶分子中巯基 结合
泛肽载体蛋白(E2)：作泛 肽的中间载体
2.细胞膜表面水解酶系统； 3. Caspase蛋白酶家族； 4.高度保守的泛素-蛋白水解酶复合体通路（ubiquitinproteasome pathway,UPP） ； 5.特殊细胞器的水解系统，如线粒体内La蛋白酶、高尔基体内 Keｘ2水解酶、叶绿体内ClpAP等.
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能启动蛋白质运转的任何一段多肽——信号肽
2020/3/12
信号肽假说简图
5ˊ
核糖体受体
SRP 循环
GTP
GDP+Pi
SRP受体 内质网膜
多肽运转复合物 内质网腔
信号肽 信号肽酶
3ˊ
mRNA
2020/3/12
分泌蛋白质的合成和胞吐作用
芽泡
泡融入 质膜
泡
泡
核糖体
内质网
高尔基体
2020/3/12
线粒体外膜 线粒体内膜
1. 溶酶体途径，主要降解入胞蛋白（如受体介导的蛋白质胞 饮），应急状态下降解细胞内蛋白，尤其是结构蛋白；
2.细胞膜表面水解酶系统； 3. Caspase蛋白酶家族； 4.高度保守的泛素-蛋白水解酶复合体通路（ubiquitinproteasome pathway,UPP） ； 5.特殊细胞器的水解系统，如线粒体内La蛋白酶、高尔基体内 Keｘ2水解酶、叶绿体内ClpAP等.
2020/3/12
2019年诺贝尔化学奖
化学奖授予两位以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿弗拉姆·赫尔 什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质 降解，也就是说他们发现了一种蛋白质死亡的重要机理。
阿龙·切哈诺沃 国籍：以色列 出生：1947年 学位：以色列工学院医学博士 现任职地点：以色列工学院
2020/3/12
3.蛋白质降解的泛肽途径
蛋白质降解的泛肽途径是通过对不需要的蛋白质贴上标签(泛蛋白化 作用)来调节特定蛋白质的存在，这种分子标签是由一种名为泛素的多 肽组成。蛋白质被贴上标签的过程被称为“死亡之吻”，因为贴上标签 的蛋白质很快被送往细胞中名为蛋白质酶体的“垃圾桶”中，并在那里 被切碎、分解。
E1 -SH
E2-SH E1-SH
E2-S-
E3 E2-SH
去泛肽化酶
19S调节亚基
ATP
20S蛋白酶体
2020/3/12
ATP
26S蛋白酶体
多泛肽化 蛋白
去折叠 水解
泛肽（ubiquitin）
泛肽是一种保守的蛋白 质，含76个氨基酸，所有 泛肽均有相同的三维结构， 主要定位于细胞溶胶和细 胞核，因其广泛存在于各 类细胞而命名为泛肽。
到蛋白或多泛肽链上 2020/3/12
AMP
E1--SAHMP-
E1-SH ATP
PPi
泛肽化酶(ubiquitination enzyme）
—蛋白酶体（proteasome）结构示意图
19S Regulatiry Subunit
UbqConjugate
148Å
113Å
20S Proteasome
2020/3/12
Unfolding Cleavage
26S proteasome
去泛肽化酶(deubiquitination enzyme，DUBs）
在泛肽途径中靶蛋白被26S蛋白酶体降解时，泛肽只 是降解信号，并未被降解，而是经去泛肽化酶(DUBs)再生 之后重新利用。去泛肽化酶是半胱氨酸蛋白酶，具有裂解 酯键、硫酯键以及泛肽C-端与Lys侧链-NH2形成的异肽键 的活力，亦被称为异肽酶。已在不同物种的许多组织中鉴 定出多种DUBs， DUBs由两个基因家族编码，一是泛肽C端水解酶（Ub carboxyl-terminal hydrolases,UCH）基 因家族，另一个是泛肽专一的加工蛋白酶（Ub specific processing proteases,UBP）基因家族。
2020/3/12
阿弗拉姆·赫尔什科 国籍：以色列 出生：1937年 学位：希伯来大学医学博士 现任职地点：以色列工学院
欧文.罗斯 国籍：美国 出生：1926年 学位：芝加哥大学博士 现任职地点：加州大学
在正常代谢条件下,细胞内合成和降解蛋白质必须有 精确的时空调节和选择,如果蛋白质降解速率和位点出现 异常，就会出现病态。目前已发现多种蛋白质降解途径:
细胞质
叶绿体外膜
信号肽 C
可溶性蛋白水解酶切 除第一部分信号肽
N 跨类囊体膜运转
叶绿体内膜
信号肽
切除第二部分信号肽
折叠
类囊体
成熟类囊体蛋白
类囊体膜
2020/3/12
叶绿体蛋白质跨膜转运
2020/3/12
叶绿体的蛋白质定向转运
2020/3/12
核定位蛋白跨细胞核膜 转运过程示意图
定位于不同亚细胞结构的细菌蛋白质信号肽序列
C-Amino Hydrolase
E2-SH E3 E2-S
Target Protein Ubiquitin
26S Proteasome
❖ ATP
Amino acid
C-Amino Hydrolase
直接或间接地与特定的靶 E1-SH
蛋白结合，直接或间接地
E1-S
将泛肽从硫酯中间物转移
E2-SH
2020/3/12
导肽
带有导肽的线粒体蛋白质前体 跨膜转运过程示意图
hsp70
Tom
内外膜接触位点的 蛋白质通道
Tom受体复合物
Tim 线粒体hsp70
ATP ADT+Pi
折叠
蛋白酶切 除导肽
线粒体的蛋白质转运装置 2020/3/1T2 OM和TIM复合体
线粒体内外膜的接触点
C 类囊体蛋白前体
N 跨叶绿体膜运转
2020/3/12
去泛肽化酶的结构
HAUSP(一种典型的UBP) 催化中心区域结构图
UCH-13催化中心立体结构图 2020/3/12
去泛肽化酶的主要功能
(1)裂解多泛肽内与靶蛋白之间的异肽链，保持细胞内游 离泛肽的浓度，以便对其进行再利用；
(2)具有编辑功能，使错误泛肽化的蛋白质去泛肽化，以 免被26S蛋白酶体降解，
➢细胞内蛋白质水解是高度选择性的，不同蛋白质的半衰期从数分 钟到数周，决定其半衰期的信号常常是小的、保守的结构模体，该 过程不仅是复杂的基因功能调控级联的最后步骤，而且是氨基酸再 循环系统的组成部分。
2020/3/12
2.细胞内蛋白质降解的特点
➢在大肠杆菌中，许多蛋白质的降解是通过一个依赖于ATP 的蛋白酶（称为Lon）来实现的。当细胞中存在有错误或半 衰期很短的蛋白质时，该蛋白酶就被激活。每切除一个肽 键要消耗两分子ATP。 ➢在真核生物中，蛋白质的降解需要泛素(Ubiquitin)，一个 有76个氨基酸残基组成极为保守的蛋白参与。与泛素相连 的蛋白将被送到一个依赖于ATP的蛋白酶体(Proteasome)。
泛蛋白化作用是一个活跃的可逆过程，泛蛋白化和去泛蛋白化相互 平衡，对细胞进行着调控作用，包括蛋白质的降解、细胞周期控制、胁 迫反应、DNA修复、基因的转录、免疫反应、信号转导、翻译调控和胞 吞作用。
2020/3/12
蛋白质降解的泛肽途径示意图
ATP AMP+PPi E1-S-
（ubiquitin）
2020/3/12
2.细胞内蛋白质降解的特点
➢细胞内蛋白质降解包括依赖能量的步骤，而且具有调控作用；
➢很难探测到胞内蛋白质降解的中间产物，这表明蛋白水解装置一 旦遇到合适目标，立即将其彻底消化，避免降解中间产物干扰正常 的生理活动；
➢蛋白酶的专一性较低，为了避免对细胞蛋白质造成随机破坏，必 须对它们进行严格控制和区域化；
2020/3/12
SecB
Байду номын сангаас
SecA
SecB
细胞质
SecYEG
周质空间
2020/3/12
细菌中蛋白质的跨膜转运
第六节 蛋白质的更替
1.细胞内蛋白质降解的生物学意义
1、维持细胞内氨基酸代谢库的动态平衡 2、参与细胞程序性死亡和储藏蛋白质的动员； 3、按化学计量累计寡聚蛋白的亚基或脱辅基蛋白/辅助因 子比率； 4、蛋白质前体分子的水解裂解加工； 5、清除反常蛋白以免积累到对细胞有害的水平； 6、控制细胞内关键蛋白的浓度； 7、参与细胞防御机制。
泛肽由多基因族编码， 不同生物Ub基因的数目和 种类有较大差异。
Gly76 Gly75 Arg74
Lys29
Lys49 Tyr49
2020/3/12
Met1 Lys63
与泛肽活化有关的酶
泛肽活化酶(E1)：催化Ub 的C-末端与酶分子中巯基 结合
泛肽载体蛋白(E2)：作泛 肽的中间载体
泛肽-蛋白连接酶(E3)：
(3)对不规范的多泛肽链进行修剪，使之更好地被26S蛋白 酶体识别与结合。
(4)裂解泛肽Gly76的羧基与-NH2间的肽键，用于泛肽前体 的加工。
（5）有些UDB实际上是26S蛋白酶中19S调节复合物的组分。
2020/3/12
成熟多肽N-端第一个残基影响对蛋白质的稳定性
2020/3/12
2020/3/12
第五节 蛋白质转运机制
1、翻译－转运同步机制：分泌蛋白 ➢ 信号肽假说简图 ➢ 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 2、翻译后转运机制：线粒体与叶绿体蛋白 ➢ 蛋白质向线粒体的定位机制 ➢ 蛋白质向叶绿体的定位机制 3、核定位蛋白质的转运机制
2020/3/12
蛋白质N端信号肽的特点
1.完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件； 2.仅有信号肽不足以保证蛋白质运转的发生； 3.信号序列的切除并不是运转所必须的； 4.并非所有的运转蛋白质都有可降解的信号肽。
2020/3/12
信号肽假说简图
5ˊ
核糖体受体
SRP 循环
GTP
GDP+Pi
SRP受体 内质网膜
多肽运转复合物 内质网腔
信号肽 信号肽酶
3ˊ
mRNA
2020/3/12
分泌蛋白质的合成和胞吐作用
芽泡
泡融入 质膜
泡
泡
核糖体
内质网
高尔基体
2020/3/12
线粒体外膜 线粒体内膜
1. 溶酶体途径，主要降解入胞蛋白（如受体介导的蛋白质胞 饮），应急状态下降解细胞内蛋白，尤其是结构蛋白；
2.细胞膜表面水解酶系统； 3. Caspase蛋白酶家族； 4.高度保守的泛素-蛋白水解酶复合体通路（ubiquitinproteasome pathway,UPP） ； 5.特殊细胞器的水解系统，如线粒体内La蛋白酶、高尔基体内 Keｘ2水解酶、叶绿体内ClpAP等.
2020/3/12
2019年诺贝尔化学奖
化学奖授予两位以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿弗拉姆·赫尔 什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质 降解，也就是说他们发现了一种蛋白质死亡的重要机理。
阿龙·切哈诺沃 国籍：以色列 出生：1947年 学位：以色列工学院医学博士 现任职地点：以色列工学院
2020/3/12
3.蛋白质降解的泛肽途径
蛋白质降解的泛肽途径是通过对不需要的蛋白质贴上标签(泛蛋白化 作用)来调节特定蛋白质的存在，这种分子标签是由一种名为泛素的多 肽组成。蛋白质被贴上标签的过程被称为“死亡之吻”，因为贴上标签 的蛋白质很快被送往细胞中名为蛋白质酶体的“垃圾桶”中，并在那里 被切碎、分解。
E1 -SH
E2-SH E1-SH
E2-S-
E3 E2-SH
去泛肽化酶
19S调节亚基
ATP
20S蛋白酶体
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ATP
26S蛋白酶体
多泛肽化 蛋白
去折叠 水解
泛肽（ubiquitin）
泛肽是一种保守的蛋白 质，含76个氨基酸，所有 泛肽均有相同的三维结构， 主要定位于细胞溶胶和细 胞核，因其广泛存在于各 类细胞而命名为泛肽。
到蛋白或多泛肽链上 2020/3/12
AMP
E1--SAHMP-
E1-SH ATP
PPi
泛肽化酶(ubiquitination enzyme）
—蛋白酶体（proteasome）结构示意图
19S Regulatiry Subunit
UbqConjugate
148Å
113Å
20S Proteasome
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Unfolding Cleavage
26S proteasome
去泛肽化酶(deubiquitination enzyme，DUBs）
在泛肽途径中靶蛋白被26S蛋白酶体降解时，泛肽只 是降解信号，并未被降解，而是经去泛肽化酶(DUBs)再生 之后重新利用。去泛肽化酶是半胱氨酸蛋白酶，具有裂解 酯键、硫酯键以及泛肽C-端与Lys侧链-NH2形成的异肽键 的活力，亦被称为异肽酶。已在不同物种的许多组织中鉴 定出多种DUBs， DUBs由两个基因家族编码，一是泛肽C端水解酶（Ub carboxyl-terminal hydrolases,UCH）基 因家族，另一个是泛肽专一的加工蛋白酶（Ub specific processing proteases,UBP）基因家族。
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阿弗拉姆·赫尔什科 国籍：以色列 出生：1937年 学位：希伯来大学医学博士 现任职地点：以色列工学院
欧文.罗斯 国籍：美国 出生：1926年 学位：芝加哥大学博士 现任职地点：加州大学
在正常代谢条件下,细胞内合成和降解蛋白质必须有 精确的时空调节和选择,如果蛋白质降解速率和位点出现 异常，就会出现病态。目前已发现多种蛋白质降解途径:
细胞质
叶绿体外膜
信号肽 C
可溶性蛋白水解酶切 除第一部分信号肽
N 跨类囊体膜运转
叶绿体内膜
信号肽
切除第二部分信号肽
折叠
类囊体
成熟类囊体蛋白
类囊体膜
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叶绿体蛋白质跨膜转运
2020/3/12
叶绿体的蛋白质定向转运
2020/3/12
核定位蛋白跨细胞核膜 转运过程示意图
定位于不同亚细胞结构的细菌蛋白质信号肽序列
C-Amino Hydrolase
E2-SH E3 E2-S
Target Protein Ubiquitin
26S Proteasome
❖ ATP
Amino acid
C-Amino Hydrolase
直接或间接地与特定的靶 E1-SH
蛋白结合，直接或间接地
E1-S
将泛肽从硫酯中间物转移
E2-SH
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导肽
带有导肽的线粒体蛋白质前体 跨膜转运过程示意图
hsp70
Tom
内外膜接触位点的 蛋白质通道
Tom受体复合物
Tim 线粒体hsp70
ATP ADT+Pi
折叠
蛋白酶切 除导肽
线粒体的蛋白质转运装置 2020/3/1T2 OM和TIM复合体
线粒体内外膜的接触点
C 类囊体蛋白前体
N 跨叶绿体膜运转
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去泛肽化酶的结构
HAUSP(一种典型的UBP) 催化中心区域结构图
UCH-13催化中心立体结构图 2020/3/12
去泛肽化酶的主要功能
(1)裂解多泛肽内与靶蛋白之间的异肽链，保持细胞内游 离泛肽的浓度，以便对其进行再利用；
(2)具有编辑功能，使错误泛肽化的蛋白质去泛肽化，以 免被26S蛋白酶体降解，
➢细胞内蛋白质水解是高度选择性的，不同蛋白质的半衰期从数分 钟到数周，决定其半衰期的信号常常是小的、保守的结构模体，该 过程不仅是复杂的基因功能调控级联的最后步骤，而且是氨基酸再 循环系统的组成部分。
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2.细胞内蛋白质降解的特点
➢在大肠杆菌中，许多蛋白质的降解是通过一个依赖于ATP 的蛋白酶（称为Lon）来实现的。当细胞中存在有错误或半 衰期很短的蛋白质时，该蛋白酶就被激活。每切除一个肽 键要消耗两分子ATP。 ➢在真核生物中，蛋白质的降解需要泛素(Ubiquitin)，一个 有76个氨基酸残基组成极为保守的蛋白参与。与泛素相连 的蛋白将被送到一个依赖于ATP的蛋白酶体(Proteasome)。
泛蛋白化作用是一个活跃的可逆过程，泛蛋白化和去泛蛋白化相互 平衡，对细胞进行着调控作用，包括蛋白质的降解、细胞周期控制、胁 迫反应、DNA修复、基因的转录、免疫反应、信号转导、翻译调控和胞 吞作用。
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蛋白质降解的泛肽途径示意图
ATP AMP+PPi E1-S-
（ubiquitin）
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2.细胞内蛋白质降解的特点
➢细胞内蛋白质降解包括依赖能量的步骤，而且具有调控作用；
➢很难探测到胞内蛋白质降解的中间产物，这表明蛋白水解装置一 旦遇到合适目标，立即将其彻底消化，避免降解中间产物干扰正常 的生理活动；
➢蛋白酶的专一性较低，为了避免对细胞蛋白质造成随机破坏，必 须对它们进行严格控制和区域化；
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SecB
Байду номын сангаас
SecA
SecB
细胞质
SecYEG
周质空间
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细菌中蛋白质的跨膜转运
第六节 蛋白质的更替
1.细胞内蛋白质降解的生物学意义
1、维持细胞内氨基酸代谢库的动态平衡 2、参与细胞程序性死亡和储藏蛋白质的动员； 3、按化学计量累计寡聚蛋白的亚基或脱辅基蛋白/辅助因 子比率； 4、蛋白质前体分子的水解裂解加工； 5、清除反常蛋白以免积累到对细胞有害的水平； 6、控制细胞内关键蛋白的浓度； 7、参与细胞防御机制。
泛肽由多基因族编码， 不同生物Ub基因的数目和 种类有较大差异。
Gly76 Gly75 Arg74
Lys29
Lys49 Tyr49
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Met1 Lys63
与泛肽活化有关的酶
泛肽活化酶(E1)：催化Ub 的C-末端与酶分子中巯基 结合
泛肽载体蛋白(E2)：作泛 肽的中间载体
泛肽-蛋白连接酶(E3)：
(3)对不规范的多泛肽链进行修剪，使之更好地被26S蛋白 酶体识别与结合。
(4)裂解泛肽Gly76的羧基与-NH2间的肽键，用于泛肽前体 的加工。
（5）有些UDB实际上是26S蛋白酶中19S调节复合物的组分。
2020/3/12
成熟多肽N-端第一个残基影响对蛋白质的稳定性
2020/3/12
2020/3/12
第五节 蛋白质转运机制
1、翻译－转运同步机制：分泌蛋白 ➢ 信号肽假说简图 ➢ 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 2、翻译后转运机制：线粒体与叶绿体蛋白 ➢ 蛋白质向线粒体的定位机制 ➢ 蛋白质向叶绿体的定位机制 3、核定位蛋白质的转运机制
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蛋白质N端信号肽的特点
1.完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件； 2.仅有信号肽不足以保证蛋白质运转的发生； 3.信号序列的切除并不是运转所必须的； 4.并非所有的运转蛋白质都有可降解的信号肽。