多肽鏈折疊與翻譯

分子生物學(xué)玉林師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院林謙2013.9.第10章 多肽鏈折疊與翻譯后加工不論是原核生物還是真核生物，在細(xì)胞中直接翻譯出來的產(chǎn)物通常是沒有功能的，必須經(jīng)歷適當(dāng)?shù)暮蠹庸げ拍茏罱K成為有特定三維結(jié)構(gòu)的功能分子。此外，不同的蛋白質(zhì)在細(xì)胞中最后的定位也不相同，需要通過共翻譯或翻譯后定向(targeting)與分揀(sorting)才能各就各位、各司其職。10.1.1

多肽鏈的剪切和修剪大多數(shù)蛋白質(zhì)必須經(jīng)過特定的修剪或剪切反應(yīng)，去除一些氨基酸序列后才能成為有功能的分子。對多肽鏈的切割由特定的蛋白酶催化，如在于分泌蛋白N-端信號序列的切除由專門的信號肽酶催化，N-端氨基酸的切除由專門的甲硫氨酸-氨肽酶催化。10.1

翻譯后加工胰島素前體為單一肽鏈——前胰島素原，需要經(jīng)

歷兩次剪切反應(yīng)，分別切去N-端信號序列和內(nèi)部的連接

肽后，最終才能成為由A鏈和B鏈組成的有活性的胰島素。腦垂體前葉分泌的促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)來自一種多聚蛋白質(zhì)前體——促阿黑皮素原(POMC)，通過不同形式的剪切可產(chǎn)生ACTH、促黑激素(MSH)、促脂解素以及阿片肽等幾種產(chǎn)物。圖10-1

前胰島素原的后加工圖10-2

POMC的剪切多肽鏈的切割可能有三個原因。引進(jìn)多樣性。一種蛋白質(zhì)的半衰期在很大程度上與其N-端氨基酸殘基有關(guān)，切割可以改變蛋白質(zhì)的半衰期。水解切割可以作為控制一種蛋白質(zhì)生物活性的重要手段。剪切參與蛋白質(zhì)的定向和分揀過程。10.1.2 N-端添加氨基酸某些翻譯好的蛋白質(zhì)在特定條件下，可在N-端添加額外的氨基酸殘基，但添加氨基酸的場所并非核糖體。N-端添加氨基酸可以改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。圖10-4

紅海束毛藻的RIR基因的表達(dá)圖10-5

集胞藻的DNA聚合酶α亞基前體的反式拼接10.1.4

個別氨基酸殘基的修飾氨基酸殘基的修飾主要發(fā)生在各種氨基酸殘基側(cè)鏈上，有時也發(fā)生在N-端的氨基或C-端的羧基上。修飾方式包括泛素化、磷酸化(如核糖體蛋白質(zhì))、糖基化

(如各種糖蛋白)、甲基化(如組蛋白、肌肉蛋白質(zhì))、乙基化(如組蛋白)、羥基化(如膠原蛋白)和羧基化等，是生物體內(nèi)最普通發(fā)生修飾作用的氨基酸殘基及其修飾產(chǎn)物。糖蛋白主要是通過蛋白質(zhì)側(cè)鏈上的天冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸殘基加上糖基形成的，膠原蛋白上的脯氨酸和賴氨酸多數(shù)是羥基化的。圖10-7

蛋白質(zhì)的磷酸化10.1.5

形成二硫鍵許多胞外蛋白質(zhì)含有二硫鍵，這種連接只有在蛋白質(zhì)折疊成正確的構(gòu)象后才建立。mRNA中沒有胱氨酸的密碼子，而不少蛋白質(zhì)都含有二硫鍵，這是蛋白質(zhì)合成后通過兩個半胱氨酸的氧化作用生成的。反應(yīng)由蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶催化。10.1.6

添加輔助因子許多蛋白質(zhì)或酶在合成后必須與相應(yīng)的輔助因子結(jié)合才有生物活性。如絕大多數(shù)羧化酶要與生物素結(jié)合，血紅素蛋白要與血紅素畏基結(jié)合，金屬蛋白要與金屬離子結(jié)合，黃素蛋白要與FAD或FMN結(jié)合。圖10-8

二硫鍵的形成10.1.7

多肽鏈的折疊任何蛋白質(zhì)的功能與其正確的三維構(gòu)象是分不開的。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定其高級結(jié)構(gòu)，即一種多肽鏈正確折疊的信息包含在其一級結(jié)構(gòu)中。蛋白質(zhì)在體內(nèi)的折疊需要一些輔助因子的幫助，即分子

伴侶(molecular

chaperon)

。分子伴侶是一類在序列上沒有相關(guān)性但有共同功能的蛋白質(zhì)，它們在細(xì)胞內(nèi)幫助其他含多肽的結(jié)構(gòu)完成正確的組裝，而且在組裝完畢后與之分離，不構(gòu)成這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)執(zhí)行功能時的組份。圖10-9

蛋白質(zhì)折疊的三條途徑10.1.8

四級結(jié)構(gòu)的形成四級結(jié)構(gòu)的形成是一種自組裝過程，通常需要分子伴侶的幫助。分子伴侶所起的作用是暫時與亞基結(jié)合，保護(hù)亞基的疏水表面，防止它們聚集，直至各亞基有機會接觸。在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)的合成位點與功能位點常常被一層或多層細(xì)胞膜所隔開，這樣就產(chǎn)生了蛋白質(zhì)運轉(zhuǎn)的問題。由于細(xì)胞各部分都有特定的蛋白質(zhì)組分，因此合成的蛋白質(zhì)必須準(zhǔn)確無誤地定向運送才能保證生命活動的正常進(jìn)行，否則會影響到細(xì)胞的正常功能，甚至導(dǎo)致死亡。目前主要用信號學(xué)說來解釋蛋白質(zhì)的定向和分揀。各種蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的最終定位由多肽鏈本身所具有的特定氨基酸序列決定，即信號序列。如果缺乏信號序列，蛋白質(zhì)則會留在細(xì)胞液中。10.2

蛋白質(zhì)翻譯后的定向與分揀圖10-15

蛋白質(zhì)的不同分揀路徑目前已發(fā)現(xiàn)至少有兩類指導(dǎo)蛋白質(zhì)分揀的信號：(1)信號肽被運入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的蛋白質(zhì)均含有一段或幾段特殊的氨基酸序列，該序列常常位于蛋白質(zhì)的氨基末端，可用于引導(dǎo)蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的特定部位，稱為信號肽。信號肽一般帶有10~15個疏水氨基酸，進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜后被信號肽酶水解。在靠近信號肽N-端外常常有1個或數(shù)個帶正電荷的氨基酸；在其C-末端靠近蛋白酶切割位點處常常帶有數(shù)個極性氨基酸，離切割位點最近的那個氨基酸往往帶有很短的側(cè)鏈(丙氨酸或甘氨酸)。信號肽沒有嚴(yán)格的專一性；可能是一種環(huán)狀結(jié)構(gòu)通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)雙層膜：N端先與脂膜相結(jié)合，隨后疏水的殘基與脂雙層以疏水作用逐漸插入形成環(huán)狀的跨膜結(jié)構(gòu)。(2)信號斑存在于已折疊的蛋白質(zhì)中，是蛋白質(zhì)完成折疊后，在其表面形成的由來自不同區(qū)域的氨基酸序列組合在一起的三維分揀信號。例如，引導(dǎo)蛋白質(zhì)定向運輸?shù)饺苊阁w的就是信號斑，它是溶酶體酸性水解酶被高爾基體選擇性糖基化的標(biāo)識。圖10-16

信號肽和信號斑10.2.1

共翻譯途徑通過此條途徑進(jìn)行定向、分揀的蛋白質(zhì)有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白、高爾基體蛋白、溶酶體蛋白、細(xì)胞膜蛋白和分泌蛋白。這些蛋白質(zhì)都是在與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合的核糖體上合成的，含有的信號序列主要是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號序列。由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號序列位于N-端，所以總是先翻譯。當(dāng)翻譯達(dá)到約80個氨基酸殘基時，信號序列便從離開通道時伸出，突出在核糖體表面，被細(xì)胞中的一種特殊成分——信號識別顆粒(SRP)識別和結(jié)合，由此啟動共翻譯分揀途徑。信號肽在合成后便與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上特定受體相互作用，產(chǎn)生通道，允許這段多肽在延長的同時穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，即：邊翻譯邊跨膜運轉(zhuǎn)。signal

recognition

particle,SRP：信號肽識別顆粒SRP

receptor/docking

protein:SRP受體，錨定蛋白，也叫船塢蛋白圖