蛋白质的合成、转运、修饰
蛋白质的合成
蛋白质的种类是由基因决定的,也就是说人类基因组有多少个基因,人体就有多少种蛋白质,只是蛋白质表达的时期和部位不同.根据人类基因组计划分析得知：全部人类基因组约有2.91Gbp,约有39000多个基因；也就是说人体蛋白质的种类有39000多种
蛋白质生物合成可分为五个阶段，氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰
一．氨基酸的活化
分散在胞液中的各种氨基酸需经特异的氨基酰-tRNA合成酶催化，ATP供能，并需Mg2＋或Mn2＋参与在氨基酸的羧基上进行活化，生成中间复合物
（）后者再与相应的tRNA作用，将氨基酰转移到tRNA分子
的氨基酸臂上，即3′末端腺苷酸中核糖的3′（或2′）羟基以酯键相结合形成氨基酰-tRNA
【氨基酰tRNA的生成】
tRNA
各种tRNA的一级结构互不相同，但它们的二级结构都呈三叶草形
三叶草形结构的主要特征是:含有四个螺旋区、三个环和一个附加叉
四个螺旋区构成四个臂，其中含有3′末端的螺旋区称为氨基酸臂，因为此臂的3′-末端都是C-C-A-OH序列，可与氨基酸连接三个环分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示
环Ⅰ含有5，6二氢尿嘧啶，称为二氢尿嘧啶环（DHU环）
环Ⅱ顶端含有由三个碱基组成的反密码子，称为反密码子环；反密码子可识别mRNA分子上的密码子，在蛋白质生物合成中起重要的翻译作用
环Ⅲ含有胸苷（T）、假尿苷（ψ）、胞苷（C），称为假尿嘧啶环（TψC环）；此环可能与结合核糖体有关tRNA在二级结构的基础上进一步折叠成为倒“L”字母形的三级结构
起始因子
原核起始因子只有三种（IF1、IF2、IF3）
真核起始因子(简称为eIF)种类多且复杂，已鉴定的真核起始因子共有12种
延长因子
原核生物（简称EF）由三部分组成：EF-Tu，EF-Ts，和EF-G
EF-Tu它介导氨酰-tRNA进入核糖体的空位
EF-Ts充当EF-Tu亚基的鸟嘌呤核苷酸交换因子,催化EF-Tu释放GDP
EF-G催化tRNA的移位和多肽延伸的每个循环后期mRNA从核糖体上掉下来
真核生物（简称eEF）
真核生物中分为：eEF-1和eEF-2
eEF-1有两个亚基，α和βγα相当于原核生物中的EF-Tu亚基，它介导氨酰-tRNA进入核糖体的空位Βγ相当于原核生物中EF-Ts，核苷酸交换因子α,催化GDP从α上释放eEF-2相当于原核生物的EF-G，催化tRNA的移位和多肽延伸的每个循环后期mRNA从核糖体上掉下来
终止因子(释放因子)
原核生物细胞的释放因子（简称RF）：识别终止密码子引起完整的肽链和核糖体从mRNA 上释放的蛋白质
释放因子1（RF1）：能识别终止密码子UAA和UAG而终止蛋白质合成的细菌释放因子
释放因子2（RF2）：能识别终止密码子UAA和UGA而终止蛋白质合成的细菌释放因子
释放因子3（RF3)：与延长因子EF-G有关的细菌蛋白质合成终止因子当它终止蛋白质合成时，它使得因子RF1和RF2从核糖体上释放
真核生物细胞只有一种终止因子（称为eRF）
能识别所有的终止密码子因为它没有与GTP结合的位点，所以它不能帮助完成合成的多肽从P位点的tRNA的释放在真核生物内可能还存在能与eRF合作、帮组多肽从核糖体释放的蛋白质
核糖体的活性部位
单个核糖体上存在四个活性部位，在蛋白质合成中各有专一的识别作用
1．A部位：氨基酸部位或受位：主要在大亚基上，是接受氨酰基-tRNA的部位
2．P部位：肽基部位或供位：主要在小亚基上，是释放tRNA的部位
3．肽基转移酶部位（肽合成酶），简称T因子：位于大亚基上，催化氨基酸间形成肽键，使肽链延长
4．GTP酶部位：即转位酶（EF-G），简称G因子，对GTP具有活性，催化肽键从供体部位→受体部位
核糖体上还有许多与起始因子、延长因子、释放因子以及各种酶相结合的位点核糖体的大小是以沉降系数S来表示，S数值越大、颗粒越大、分子量越大原核细胞与真核细胞核糖体的大小亚基是不同的
二．核糖体循环（肽链合成）
1.肽链启动阶段
在蛋白质生物合成的启动阶段,核蛋白体的大、小亚基,mRNA与一种具有启动作用的氨基酸tRNA共同构成启动复合体。这一过程需要一些称为启动因子的蛋白质以及GTP与镁离子的参与
原核生物中的启动因子有3种,辅助因子IF1另外两种启动因子IF2、IF3起作用.
启动阶段的具体步骤如下：
（1）30S亚基在IF3与IF1的促进下与mRNA的启动部位结合成三元复合体30S亚基在IF2的促进与IF1辅助下与甲酰蛋氨酰tRNA以及GTP结合成三元复合物
共同形成30S启动复合体
30S启动复合体由30S亚基、mRNA、fMet-tRNA（甲酰蛋氨酰tRNA）fMet及IF1、
IF2、IF3与GTP共同构成
（2）30S启动复合体一经形成,IF3即行脱落
50S亚基随之与其结合,形成了大、小亚基,mRNA,fMet－tRNA fMet及IF1、IF2与GTP共同构成的70S启动前复合体
（3）70S启动前复合体的GTP水解释出GDP与无机磷酸的同时,IF2和IF1随之脱落,形成了启动复合体.至此,已为肽链延长作好了准备
启动复合体由大、小亚基,mRNA与fMet－tRNA fMet共同构成
真核生物中的启动因子有3种,辅助因子IF1另外两种启动因子IF2、IF3起作用启动阶段的具体步骤如下：
（1）eIF3、mRNA和核糖体小亚基（40S亚基）结合成一个三元复合物
eIF2、起始甲硫氨酰-tRNA和GTP结合成另一个三元复合物
两种复合物在eIF1参与下，形成40S起始复合体
（2）在eIF4和eIF5的作用下与大亚基（60S亚基）结合形成80S起始复合体（3）在这过程中消耗GTP，并释出eIF1、eIF2和eIF3形成了启动复合体.至此,已为肽链延长作好了准备.
80S复合体形成后，mRNA上的起始密码子位于核糖体的P位处，甲硫氨酰tRNA也正在这一位置上，而mRNA的第二组密码子则位于A位处，准备接受下一个氨基酰-tRNA这就为肽链延长作好了准备
在上述基础上，在肽链延长因子eEF1和eEF2、GTP、Mg2+及K+的促进下，肽链逐步延长
此阶段由进位、转肽和移位三个步骤反复进行而完成
（1）进位：按mRNA的密码子与氨基酰-tRNA反密码子配对原则，氨基酰-tRNA 进行“对号入座”，此步骤称为进位进位必须有EF1及GTP等参与
（2）转肽：P位上的甲硫氨酰-tRNA在核糖体大亚基转肽酶（这一反应是由肽酰转移酶催化的，该酶是核糖体大亚基的组成成份多年来一直认为肽酰转移酶是组成50S亚
基的一种蛋白，现在已经清楚，它是构成核糖体的RNA，是核酶）的催化，Mg2+和K+参与下，将甲硫氨酰基转移到受位上新进入的氨基酰-tRNA的α-氨基形成肽键，而P 位上已转出氨基酰的tRNA也就从核糖体上脱落（原核是tRNA转移到E位）
（3）移位：在Mg2+、EF
和GTP水解释放能量转变为机械能的共同参与下，核
2
糖体沿mRNA从5'→3'方向移动一个密码子距离（大约1nm）于是A位上二肽酰-tRNA 连同它所咬合的密码子一起被移到P位上这时空出来的A位处又显示出下一个密码子，以便另一个氨基酰-tRNA进位
【肽链延伸过程示意图】
由上述可见，每进行一次进位、转肽和移位，可形成一个肽键，肽链中就增加一个氨基酸残基如此反复进行，肽链就会按密码顺序不断延长
在肽链延长过程中，除第一个肽键形成时，核糖体P位上是甲硫氨酰-tRNA 外．以后在转肽时，P位上总是肽酰-tRNA，而A位上总是氨基酰-tRNA这就是P 位和A位名称的由来又由于转肽时总由P位给出肽酰基，而A位接受肽酰基，故又分别称为给位和受位
当肽链延长到mRNA分子上出现终止密码子时，各种氨基酰-tRNA就不能进位，只有终止因子eRF可识别和结合到核糖体的A位上eRF的结合诱导转肽酶构象发生改变，从而发挥酯酶活性将P位上的tRNA所携带的多肽链水解释放出来接着由GTP提供能量，tRNA从P 位上脱落，eRF脱落下来，核糖体与mRNA分离，在eIF的作用下核糖体大、小两个亚基分离在需要时又可再次结合，重新进入核糖体循环
【肽链合成的终止示意图】
以上所述为单个核糖体循环实际上在细胞内合成蛋白质时，常是多个核糖体聚合在同一mRNA分子上，同时进行肽链合成当第一个核糖体离起始密码子已有一段距离（一般超过80个核苷酸）之后，另一个核糖体的大、小亚基就可与mRNA 聚合，合成新的起始复合体，开始另一条多肽链的合成一条mRNA上同时结合的核糖体个数；可以从几个到几十个
【蛋白质生物合成总结示意图】
每一个核糖体一秒钟可翻译40个密码子形成40个氨基酸肽键，其合成肽链效率极高
核糖体分为两种
1.游离核糖体合成胞内蛋白
如：（呼吸酶、血红蛋白）此类蛋白质只需要有核糖体合成即可,不需要经过内质网和高尔上基体的加工
2.固着核糖体合成分泌蛋白及膜上蛋白：
如：（抗体、蛋白类的激素、胰岛素、生长激素等、消化酶）核糖体（附着在内质网上）合成多肽链后,，由内质网折叠和组装形成初级蛋白，再形成小泡转移到高尔基体，经过复杂的加工，成为成熟的蛋白质，再形成小泡来到细胞膜，与膜融合，便成了分泌/膜上的蛋白
胞内蛋白：在游离核糖体
分泌蛋白/膜上蛋白：核糖体（附着在内质网上）合成多肽链后,，由内质网折叠和组装形成初级蛋白，再形成小泡转移到高尔基体，经过复杂的加工，成为成熟的蛋白质，再形成小泡来到细胞膜，与膜融合，便成了分泌/膜上的蛋白
蛋白质分选途径
1.蛋白质的跨膜转运：主要是指在细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质粒（包括叶绿体）和过氧化物酶体等细胞器，但进入内质网与线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的机制又有所不同与分泌蛋白N端信号肽引导序列定位于内质网不同，进入线粒体、叶绿体和过氧化氢酶体等细胞器的蛋白质分选是一个多步过程，需要多个不同的寻靶序列定位到叶绿体的前体蛋白N端具有40~50个氨基酸组成的转运肽，用以指引多肽定位到叶绿体并进一步穿透叶绿体膜进入基质中转运到线粒体和过氧化物酶体的蛋白与此类似，但靠的是不同的引导序列，线粒体蛋白N端的导肽或过氧化物酶体蛋白C端的内在引导信号至于这些细胞器蛋白最终是定位在不同的膜上还是不同的基质空间，除与N端不同转运肽相关外，还需要其他空间定位信号序列参与决定此外，通过翻译后转运途径进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的蛋白质，也必须在分子伴侣的帮助下解折叠或维持非折叠状态，这有利于通过膜上的输入装置蛋白质输入这些细胞器通常是需要能量的过程
2、膜泡运输：蛋白质通过不同类型的转运小泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体，进而分选转运至细胞的不同部位，其中涉及各种不同的运输小泡的定向转运，以及膜泡出芽与融合的过程
3、选择性的门控转运：在细胞质基质中合成的蛋白质通过核孔复合体选择性地完成核输入或丛细胞核返回细胞质（核输出），参见核孔复合体的选择性运输
4、细胞质基质中的蛋白质转运：上述几种分选类型也涉及蛋白质在细胞基质中的转运，这一过程显然与细胞骨架系统密切相关，但由于细胞质基质的结构并不清楚，因此对其中的蛋白质转运特别是伴随信号转导途径中的蛋白质分子的转运方式了解很少
1.蛋白质的跨膜转运
内质网（ER）——信号肽
蛋白质转入内质网合成至少涉及5种成分
①信号肽：是引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于新合成肽链的N端，一般16~30个氨基酸残基，含有6-15个带正电荷的非极性氨基酸，由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列
②信号识别颗粒(SRP)：由6种结构不同的多肽组成，结合一个7S RNA，分子量325KD，属于一种核糖核蛋白SRP与信号序列结合，导致蛋白质合成暂停
③SRP受体（停靠蛋白DP）：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
④停止转移序列：肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质
⑤转位因子：由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似炸面圈的结构，每个Sec61蛋白由三条肽链组成
蛋白质转入内质网合成的过程
1.新生分泌性蛋白质多肽链在胞质中的游离核糖体上起始合成当新生肽链N端的信号肽被翻译1后，可立即被细胞质基质中的信号识别颗粒（SRP）识别、结合与信号肽识别结合的SRP2，识别结合内质网膜上的SRP受体3，SPR受体介导核糖体锚泊附着于内质网膜的通道蛋白移位子上4而SRP则从信号肽—核糖体复合体上解离，返回细胞质基质中重复上
述过程在信号肽的引导下，合成中的肽链，通过由核糖体大亚基的中央管和移位子蛋白共同形成的通道，穿膜进入内质网网腔,SRP受体蛋白除了同SRP结合将核糖体引导到内质网，同时它的α亚基与SRP一起催化GTP水解释放能量，帮助信号肽转位随之，信号肽序列被
内质网膜戗面的信号肽酶切除5，新生肽链继续延伸6，直至完成而终止最后完成肽链合成的核糖体大、小亚基解聚7，并从内质网上解离
信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔→信号肽切除→肽链延伸至终止→翻译体系解散这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为co-translation
信号肽是位于蛋白质的N端，引导新和成的肽链转移到内质网上，由氨基酸残基组成决定新生肽链在细胞中的定位或决定某些氨基酸残基修饰的一些肽段，信号斑是存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号是蛋白质的分拣信号，可引导蛋白质抵达细胞特定部位
线粒体——导肽
线粒体由外至内可划分为线粒体外膜（OMM）、线粒体膜间隙、线粒体内膜（IMM）和线粒体基质四个功能区内含1000-1500种蛋白质，基质中有495种蛋白
线粒体具有四个功能区隔，即外膜、内膜、膜间隙、基质。进入不同部位的蛋白具有不同的转运途径。线粒体膜上存在前体蛋白转运子，外膜上的TOM、SAM，内膜上TIM23、TIM22、OXA转运子
线粒体蛋白质转运途径概览
1：导肽运输途径
2：转运体运输途径
3：停止-转移运输途径
4：保守型运输途径
5：线粒体DNA编码蛋白质向内膜的运输
6：二元导肽运输途径
7：折叠诱捕运输途径
8：亲和结合运输途径
9：β桶状蛋白运输途径
10：α螺旋蛋白运输途径
一、线粒体前体蛋白向线粒体外膜的转运
线粒体外膜主要有两类蛋白质：β桶状蛋白质和α螺旋蛋白质所有的外膜蛋白都在细胞基质中被合成并转运至线粒体上，β桶状蛋白质通过多次跨膜β折叠片锚定于脂质相中，α螺旋蛋白质通过一个或多个疏水α螺旋片段插入膜中
TOM复合物
定位于线粒体外膜，是线粒体的门户，几乎所有被转运至线粒体各部位的前体蛋白都必须先通过TOM复合物。TOM复合物的主要组成亚基有Tom20、Tom70、Tom22、Tom40、Tom5、Tom6和Tom7。Tom20和Tom70为TOM复合物的起始受体，分别识别带有不同信号的前体蛋白，Tom20识别含有前导序列的前体蛋白，Tom70识别含有整合定位信号的前体蛋白，两者之间的功能也存在一定的重叠。Tom22为跨膜蛋白，其N末端为非常保守的带负电荷的残基，暴露于外膜胞质侧，其有一段小的C末端结构域伸至膜间隙；Tom22可接受来自Tom20和Tom70的前体蛋白，并将前体蛋白转移至Tom40形成的跨膜通道中；除此之外，Tom22在TOM复合物的组装过程中也起着重要的作用。Tom40为β桶状蛋白质，整合于外膜中，形成TOM复合物的跨膜通道。Tom40与Tom22和Tom5、Tom6、Tom7形成稳定的通用输入孔道。Tom20通过Tom22与通用输入通道连接，而Tom70与通用输入孔道之间只存在瞬间相互作用。Tom5协助Tom22将前体蛋白转移至Tom40形成的跨膜通道，并与Tom6和Tom7共同维持TOM复合物的动态平衡。Tom6负责TOM复合物的组装，而Tom7的功能与Tom6正好相反，它调节TOM复合物的去组装
β桶状蛋白质运输途径
SAM复合物主要含有三个亚基：Sam50、Sam35和Sam37。Sam50形成SAM复合物的跨膜通道并具有识别β桶状前体蛋白质整合定位信号β信号的作用。Sam35以受体样方式结合信号序列，与Sam50共同对β信号进行特异应答。Sam37则参与前体蛋白从SAM复合物的释放SAM复合物不仅对β桶状蛋白质的转运至关重要，也是一些α螺旋蛋白质转运所必需的
β桶状蛋白质向线粒体外膜分选的具体过程
β桶状蛋白质前体首先与外膜TOM复合受体———主要为Tom20结合，并穿过TOM复
合物通道进入膜间隙在膜间隙，分子伴侣Tim9-Tim10和/或Tim8-Tim13异源六聚体复合物与前体蛋白结合并引导其定位至SAM复合物上β桶状蛋白质进入SAM复合物的亲水性跨膜通道并被释放至外膜被释放的β桶状蛋白质在Mdm10的帮助下，组装形成具有功能的状态另有其它的蛋白参与β桶状蛋白质的分选和组装过程，但缺乏充分的实验证据
α螺旋蛋白质运输途径
目前研究表明，α螺旋蛋白质整合进入外膜的机制非常多样化，但目前对其研究并不透彻
Mim1促进所谓的信号锚定蛋白在外膜上的整合这类信号锚定蛋白的N末端含有一段单次跨膜序列，同时作为分选信号和膜锚定序列在大部分情况下，信号锚定蛋白向外膜的整合不需要TOM复合物的参与
有一种末端锚定蛋白，在其C末端含有同时作为分选信号和膜锚定序列的一段跨膜α螺旋片段，其整合至外膜中的机制目前尚不清楚
TOM复合物的中心受体Tom22向外膜的整合既需要TOM复合物，又需要SAM复合物的参与Tom22蛋白的中部具有疏水性片段和亲水性元件，这些多重整合信号对蛋白向外膜的整合是必要的TOM受体Tom20/Tom70冤对Tom22前体蛋白的识别是必须的，而SAM复合物可促进Tom22向线粒体外膜的整合
还有一类外膜蛋白具有多次跨膜α螺旋片段，其前体蛋白仅需要Tom70而不是整个TOM 复合物冤并通过与分子伴侣结合向外膜转运，此外，该类蛋白向外膜的整合还需要膜间隙因子的参与
二、线粒体前体蛋白向膜间隙的转运
线粒体膜间隙蛋白的转运主要有三种途径：
二元导肽运输途径
二元导肽运输途径所转运的蛋白与通过保守型转运途径所转运的蛋白具有相似的定位分选信号：N末端具有导肽序列，其后紧随一段疏水分选信号，只是这段疏水分选信号会被肽酶所剪切首先，前体蛋白通过停止-转移的运输方式被转运定位至线粒体内膜然后二元导肽序列被蛋白酶水解，前体蛋白成熟并被释放至膜间隙该转运过程由TOM复合物、TIM23复合物和PAM复合物介导，需要内膜膜电位和ATP提供能量
二元导肽序列的剪切有多种加工肽酶参与，并存在多种剪切形式
线粒体凋亡相关蛋白Smac/Diablo转运至内膜后被IMP复合物识别，在前体蛋白的C末端成熟部分与跨膜片段之间进行剪切，前体蛋白成熟并被释放至膜间隙当细胞色素b2整合至线粒体内膜后首先由MPP切掉前导序列，然后IMP水解疏水分选信号，前体蛋白成熟并被释放至膜间隙
细胞色素c过氧化物酶CCPO的N末端导肽序列后紧随两段疏水序列该蛋白整合至内膜后，其N末端第一段疏水序列首先被m-AAA蛋白酶———一种依赖ATP水解的金属蛋白酶所剪切，然后CCPO剪切中间物再进一步被运输，由第二段疏水序列锚定于内膜，接着扁菱形蛋白酶Pcp1对第二个疏水序列进行酶切，从而前体蛋白成熟并被释放至膜间隙
折叠诱捕运输途径
线粒体膜间隙中有一些蛋白质非常小，它们的折叠是通过与辅因子结合或形成分子内二硫键来启动的根据折叠诱捕运输假说，蛋白质的折叠态可阻止反向运输和促进蛋白的单向输入
二硫键传递系统对膜间隙前体蛋白的折叠诱捕
膜间隙有一类以形成二硫键为共有特征的蛋白质，包括含有二重CX3C基序的小Tim蛋白家族，含有二重CX9C基序的蛋白和其它含有二硫键的蛋白二硫键的形成是该类蛋白正确折叠和定位膜间隙所必需的线粒体膜间隙含有一种主要由Mia40和Erv1构成的二硫键传递系统来介导二硫键的形成
在胞质中，前体蛋白以易被转运的去折叠还原状态存在当前体蛋白穿过TOM复合物出现在膜间隙侧时，Mia40通过其表面的疏水和还原性基序CPC渊半胱-脯-半胱冤与前体蛋白的半胱氨酸残基形成分子间二硫键，并引导前体蛋白转运至膜间隙接着，Mia40与前体蛋白之间的二硫键发生异构化，使前体蛋白形成分子内二硫键并继续进行折叠折叠成熟的蛋白不能穿过TOM复合物，从而被诱捕至膜间隙被还原的Mia40在Erv1的作用下重新被氧化结合FAD的Erv1，通过线粒体呼吸链复合物Ⅲ和Ⅳ将电子传递给最终的电子受体O2Erv1也可以直接将电子传递给O2从而生成H2O2，H2O2被细胞色素c过氧化物酶分解在另外一种模型中，Mia40、Erv1和前体蛋白可能形成三元复合物以完成电子从Erv1通过Mia40向前体蛋白的传递，而不需要在前体蛋白和Mia40，以及Mia40和Erv1之间的顺序递呈另一组分Hot13可能参与二硫键传递系统的功能，但其具体功能和作用机制尚不明确
细胞色素c的折叠诱捕
细胞色素c转运通过TOM复合物进入线粒体膜间隙后，与血红素裂合酶结合并被催化插入血红素，形成的成熟蛋白以可溶形式释放至膜间隙血红素裂合酶催化细胞色素c正确折叠保证了其在膜间隙的稳定存在
亲和结合运输途径
有些前体蛋白与膜间隙中某种组分具有特异的亲和相互作用，通过这种亲和相互作用来介导蛋白质向膜间隙的运输，如细胞色素c血红素裂合酶
线粒体前体蛋白质向膜间隙的转运线粒体前体蛋白质向膜间隙转运主要有三种不同的转运途径(从左至右)：
二元导肽运输途径
亲和结合运输途径
折叠诱捕运输途径
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
蛋白质合成、加工和转运的过程
一、蛋白质的合成 1、核糖体是合成蛋白质的机器，其功能是按照mRNA的指令由氨基酸合成蛋白质。 2、游离核糖体游离于胞质中，合成细胞内的基础蛋白质；附着核糖体，附着在内质网表面，构 成粗面内质网的核糖体，合成分泌蛋白和膜蛋白。 3、蛋白质合成的一般过程： 1）氨基酸的活化。氨基酸和tRNA在氨酰一tRNA合成酶作用下合成活化的氨酰一 tRNA。2）起始、延伸和终止。3）蛋白质合成后的加工。肽链N端Met的去除； 氨基酸残基的化学修饰，乙酰化、甲基化、磷酸化等；肽链的折叠；二硫键的形成。 二、蛋白质的分泌合成、加工修饰和转运 1、信号肽介导分泌性蛋白在粗面内质网的合成。 1）信号肽是蛋白质合成中最先被翻译出来的一段氨基酸序列，通常由18-30个疏水氨基酸组成，能指引核糖体与内质网结合，并引导合成的多肽链进入内质网 腔。 2）新生分泌性蛋白质多肽链在胞质中的游离核糖体上起始合成。当新生肽链N端的信号肽被翻译后，可立即被细胞质基质中的信号识别颗粒（SRP）识别、结 合。 3）与信号肽识别结合的SRP,识别结合内质网膜上的SRP-R,并介导核糖体锚泊附着于内质网膜的通道蛋白移位子上。而SRP则从信号肽一核糖体复合体上解离， 返回细胞质基质中重复上述过程。 4）在信号肽的引导下，合成中的肽链，通过由核糖体大亚基的中央管和移位子蛋白共同形成的通道，穿膜进入内质网网腔。随之，信号肽序列被内质网膜俄面的信号肽酶且除， 新生肽链继续延伸，直至完成而终止。最后完成肽链合成的核糖体大、小亚基解聚，并 从内质网上解离。 2、跨膜驻留蛋白的插入和转移决定了蛋白质的两种去处：1）穿过膜进腔，为可溶性蛋 白质，包括分泌蛋白和内质网驻留蛋白。2）嵌入内质网膜中，形成膜蛋白。 3、粗面内质网与外输性蛋白质的分泌合成、加工修饰和转运过程密切相关。 1）新生多肽链的折叠与装配，与合成同时发生。内质网为新生多肽链正确的折叠和装配提供了有利的环境。分子伴侣通过对多肽链的识别结合来协助它们的折叠组装和转运。 2）蛋白质的糖基化。在粗面内质网网膜腔面的糖基转移酶作用下发生N一连接糖基化。 三、蛋白质的加工、分选和定向运输 1、蛋白质在高尔基体内加工等。 1）糖蛋白的加工合成。糖基化修饰加工合成的糖蛋白，主要包括N一连接糖蛋白和O一连接糖蛋白两种类型。前者，糖链合成与糖基化修饰始于内质网，完成 于高尔基复合体；后者，则主要或完全是在高尔基复合体中进行和完成的。 2）蛋白质糖链的加工有严格的区域性和顺序性：甘露糖去除发生在中间扁囊高尔基复合体靠近顺面的部位；N一乙酰葡萄糖胺加入在中间部；半乳糖加入在中 间扁囊区靠近反面的部位。 3）蛋白质的水解加工。 2、分选蛋白质：高尔基体通过对蛋白质的修饰、加工，使其带上能被高尔基复合体网膜上专一 受体识别的分选信号，进而选择、浓缩，形成不同靶向的分泌泡。 四、蛋白质合成的质量监控 1、内质网至高尔基体的蛋白质必须是正确折叠和组装的。分子伴侣可特异性的识别错
蛋白质入核转运机制
蛋白质的入核转运机制 哺乳动物细胞中的蛋白质，绝大部分是在细胞质的核糖体上合成的（线粒体合成极少），由于各个部位所需蛋白质分子在结构和功能方面各不相同，在进化过程中每种蛋白质都形成一个独特的地址签，蛋白质合成后，细胞通过对蛋白质地址签的识别将其运输到相应的部位，完成蛋白质的分选。 具有分选信号的蛋白质虽然可以被准确地分选出来，但如何到达细胞内的特定部位呢，这就是蛋白质的运输。运输方式目前认为有三种：1.门孔运输：定位在细胞核内的蛋白质通过核膜上的核孔复合体进入细胞核2.跨膜运输：定位在线粒体、过氧化物酶体、内质网的蛋白质通过这些细胞器膜上的蛋白质传导通道进入细胞器3.囊泡运输：定位在高尔基复合体、溶酶体、膜蛋白和分泌蛋白是通过这种方式进行转运的。 进入细胞核的蛋白质还必须带有核定位信号（NLS），NLS 是富含碱性氨基酸的短肽可定位在蛋白质的任何部位。NLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列（T抗原），也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基（核质蛋白）NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除。 哪些蛋白质需要进入细胞核呢？需要转运入核的蛋白质主要是参与基因的复制、转录的蛋白因子和各种酶，如RNA、DNA 聚合酶、组蛋白、拓朴异构酶及大量转录、复制调控因子都必须
从细胞质进入细胞核才能正常发挥功能。还有一些需要转运入核才能发挥作用的外源性大分子像基因治疗外源重组DNA、病毒基因等。 有NLS的蛋白质通过核膜上的核孔复合体进入细胞核。核通过一个有双层膜的外被与胞质分隔。内膜与核纤层接触，为核提供了一个表面的膜。外膜与胞质中的内质网连接。这双层膜在被称为核孔复合物的开口处接触。核孔复合物有四部分组成，朝向胞质面与外核膜相连的胞质环，其上对称分布8条纤维；朝向核基质与内核膜相连的核质环，其上亦对称分布8条纤维，末端交汇成篮网样结构；把胞质环、核质环、中央栓连接到一起的辐条；核孔中央跨膜糖蛋白组成的中央栓。 核孔复合体具有双功能性运输通道，被动运输和主动运输，需要进入细胞核的带有NLS的蛋白质主动运输进入细胞核，过程如下 ①具有NLS的转运蛋白与输入蛋白α/β异二聚体结合，形成NLS-输入蛋白α/β三聚体; ②形成的NLS-输入蛋白α/β三聚体与核孔复合体的胞质丝结合; ③通过胞质丝的弯曲把三聚体依次呈递至核孔复合体中央栓蛋白，再与核质丝结合、解离、平衡，三聚体转运至细胞核; ④该复合体通过核孔复合体中央栓时，与Ran-GTP相互作用，同时激活输入蛋白β，至使输入蛋白β与NLS分别从复合体上
第十二章蛋白质的生物合成及转运
第十二章蛋白质的生物合成及转运 蛋白质的生物合成在细胞代谢中占有十分重要的地位。目前已经完全清楚，贮存遗传信息的DNA并不是蛋白质合成的直接模板，DNA上的遗传信息需要通过转录传递给mRNA。mRNA才是蛋白质合成的直接模板。mRNA是由4种核苷酸构成的多核苷酸，而蛋白质是由20种左右的氨基酸构成的多肽，它们之间遗传信息的传递与从一种语言翻译成另一种语言时的情形相似。所以人们称以mRNA为模板合成蛋白质的过程为翻译或转译(translation)。 翻译的过程十分复杂，几乎涉及到细胞内所有种类的RNA和几十种蛋白质因子。蛋白质合成的场所是核糖体，合成的原料是氨基酸，反应所需能量由A TP和GTP提供。蛋白质合成的早期研究工作都是用大肠杆菌的无细胞体系进行的，所以对大肠杆菌的蛋白质合成机理了解最多。真核细胞蛋白质合成的机理与大肠杆菌的有许多相似之处。 第一节遗传密码 任何一种天然多肽都有其特定的严格的氨基酸序列。有机界拥有1010～1011种不同的蛋白质，构成数目这么庞大的不同的多肽的单体却只有20种氨基酸。氨基酸在多肽中的不同排列次序是蛋白质多样性的基础。目前已经清楚，多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核苷酸的排列次序决定的，而直接决定多肽上氨基酸次序的却是mRNA。不论是DNA还是mRNA，基本上都由4种核苷酸构成。这4种核苷酸如何编制成遗传密码，遗传密码又如何被翻译成20种氨基酸组成的多肽，这就是蛋白质生物合成中的遗传密码的翻译问题。 一、密码单位 用数学方法推算，如果mRNA分子中的一种碱基编码一种氨基酸，那么4种碱基只能决定4种氨基酸，而蛋白质分子中的氨基酸有20种，所以显然是不行的。如果由mRNA 分子中每2个相邻的碱基编码一种氨基酸，也只能编码42=16种氨基酸，仍然不够。如果采用每3个相邻的碱基为一个氨基酸编码，则43=64，可以满足20种氨基酸编码的需要。所以这种编码方式的可能性最大。应用生物化学和遗传学的研究技术，已经充分证明了是 293
蛋白质-运输功能
通道蛋白是一类横跨质膜,能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的自由扩散运动, 从质膜的一侧转运到另一侧。通道蛋白可以是单体蛋白,也可以是多亚基组成的蛋白,它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排,形成水性通道。通道蛋白的运输作用具有选择性,所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输,在运输过程中并不与被运输的分子结合,也不会移动,并且是从高浓度向低浓度运输,所以运输时不消耗能量。 血红蛋白是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质(缩写为HB或HGB)。是使血液呈红色的蛋白。血红蛋白由四条链组成，两条α链和两条β链，每一条链有一个包含一个铁原子的环状血红素。氧气结合在铁原子上，被血液运输。血红蛋白的特性是:在氧含量高的地方，容易与氧结合;在氧含量低的地方，又容易与氧分离。血红蛋白的这一特性，使红细胞具有运输氧的功能。 转运蛋白是膜蛋白的一大类，介导生物膜内外的化学物质以及信号交换。脂质双分子层在细胞或细胞器周围形成了一道疏水屏障，将其与周围环境隔绝起来。尽管有一些小分子可以直接渗透通过膜，但是大部分的亲水性化合物，如糖，氨基酸，离子，药物等等，都需要特异的转运蛋白的帮助来通过疏水屏障。 锚蛋白属于联结蛋白家族,广泛存在于各种组织细胞中。锚蛋白连接整合膜蛋白到细胞骨架蛋白网络,在多种细胞功能活动中起关键作用,参与细胞内蛋白转运。对锚蛋白功能的研究将有助于阐明与其异常相关疾病的发病机制,为基因诊断和治疗提供理论基础。 水孔蛋白的其中一种AQP1，是由四个相同的亚基构成,每个亚基的相对分子质量为28kDa,每个亚基有六个跨膜结构域,在跨膜结构域2与3、5与6之间有一个环状结构,是水通过的通道。每个单体蛋白的中空部分都形成具有高度选择性的通道，只允许水分子跨膜运输而不允许带电质子或其他离子通过，在功能上都可以作为一个独立的运输水通道。
蛋白质的合成、转运、修饰
蛋白质的合成 蛋白质的种类是由基因决定的,也就是说人类基因组有多少个基因,人体就有多少种蛋白质,只是蛋白质表达的时期和部位不同.根据人类基因组计划分析得知：全部人类基因组约有2.91Gbp,约有39000多个基因；也就是说人体蛋白质的种类有39000多种 蛋白质生物合成可分为五个阶段，氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰 一．氨基酸的活化 分散在胞液中的各种氨基酸需经特异的氨基酰-tRNA合成酶催化，ATP供能，并需Mg2＋或Mn2＋参与在氨基酸的羧基上进行活化，生成中间复合物 （）后者再与相应的tRNA作用，将氨基酰转移到tRNA分子 的氨基酸臂上，即3′末端腺苷酸中核糖的3′（或2′）羟基以酯键相结合形成氨基酰-tRNA 【氨基酰tRNA的生成】
tRNA 各种tRNA的一级结构互不相同，但它们的二级结构都呈三叶草形 三叶草形结构的主要特征是:含有四个螺旋区、三个环和一个附加叉 四个螺旋区构成四个臂，其中含有3′末端的螺旋区称为氨基酸臂，因为此臂的3′-末端都是C-C-A-OH序列，可与氨基酸连接三个环分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示 环Ⅰ含有5，6二氢尿嘧啶，称为二氢尿嘧啶环（DHU环） 环Ⅱ顶端含有由三个碱基组成的反密码子，称为反密码子环；反密码子可识别mRNA分子上的密码子，在蛋白质生物合成中起重要的翻译作用 环Ⅲ含有胸苷（T）、假尿苷（ψ）、胞苷（C），称为假尿嘧啶环（TψC环）；此环可能与结合核糖体有关tRNA在二级结构的基础上进一步折叠成为倒“L”字母形的三级结构
起始因子 原核起始因子只有三种（IF1、IF2、IF3） 真核起始因子(简称为eIF)种类多且复杂，已鉴定的真核起始因子共有12种 延长因子 原核生物（简称EF）由三部分组成：EF-Tu，EF-Ts，和EF-G EF-Tu它介导氨酰-tRNA进入核糖体的空位 EF-Ts充当EF-Tu亚基的鸟嘌呤核苷酸交换因子,催化EF-Tu释放GDP EF-G催化tRNA的移位和多肽延伸的每个循环后期mRNA从核糖体上掉下来 真核生物（简称eEF） 真核生物中分为：eEF-1和eEF-2 eEF-1有两个亚基，α和βγα相当于原核生物中的EF-Tu亚基，它介导氨酰-tRNA进入核糖体的空位Βγ相当于原核生物中EF-Ts，核苷酸交换因子α,催化GDP从α上释放eEF-2相当于原核生物的EF-G，催化tRNA的移位和多肽延伸的每个循环后期mRNA从核糖体上掉下来
第十八节：蛋白质的合成及转运 考研生物化学精编辅导讲义
第十八节：蛋白质的合成及转运 ?翻译以mRNA为直接模板，tRNA为氨基酸运载体，核蛋白体为装配场所，共同协调完成蛋白质生物合成的过程。也就是把mRNA的碱基排列顺序转译成多肽链中氨基酸的排列顺序。 ?三大进展使蛋白质合成的主要过程得到认识 ①蛋白质合成的部位－核糖体；②氨基酸被氨酰tRNA激活；③遗传密码子。 1．遗传密码 ?密码子是指编码一个特定氨基酸的三联体核苷酸。 ?编码连续氨基酸的密码子中没有标点。 起始密码子：AUG（Met）, (少数情况下GUG(Val)) ? ?终止密码子：UAA，UAG，UGA（无义密码子并非总是无义的，是稀有氨基酸如磷酸丝氨酸、硒半胱氨酸（UGA）掺入肽链的正常途径） ? ?遗传密码的特性 ①连续性；②读码不重叠性；③通用性；④简并性；⑤摆动性（变偶性）。 ?简并性：每一个氨基酸可能有一个以上的密码子；（甲硫氨酸AUG和色氨酸只有一个密码子）?摆动性：大多数密码子的第三个碱基与其反密码子的相应配对比较松，使一些tRNA能识别多个密码子 ?意义：密码子和反密码子相互作用平衡了准确性和速度的需要。 ?密码子的特性 ①无标点符号；②读码不重复；③一定的防突变功能。 ?碱基丢失――后续氨基酸全改变 ?一个碱基突变――一个氨基酸改变 ?密码子第三个碱基改变――氨基酸可能不变（简并性，摆动性） ?阅读框移动和RNA编辑――――― 一些mRNA在翻译前就被编辑。 ?在一些病毒DNA中发现不同阅读框中的重复基因 (密码子结构与氨基酸侧链极性之间有一定关系. 1)氨基酸侧链极性性质在多数情况下由密码子的第二个碱基决定。第二个碱基为嘧啶(Y)时，氨基酸侧链为非极性，第二个碱基为嘌呤(P)时，氨基酸侧链侧有极性. 2)当第一个碱基为U或A，第二个碱基为C，第三个碱基无特异性时，所决定的氨基酸侧链为极性不带电; 3)当第一个碱基不是U，第二个碱基是G时，氨基酸侧链则带电。在此前提下，若第一个是C或A时，表示带正电