蛋白质合成与分选-《细胞生物学》笔记.pdf

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1、1 蛋白质合成与分选-细胞生物学笔记 第一节 核糖体 一.核糖体的基本类型与化学组成 （一）定义 核糖体(ribosome)是一种核糖核蛋白颗粒(ribonuncleoprotein particle)，几乎存在于一切原核与真核细胞内(除极少数高度分化的细胞外)，是细胞内合成蛋白质的没有膜包被的细胞器，其功能是依照 mRNA上携带的遗传信息，高效精确地将氨基酸合成为蛋白质多肽链。（二）类型 1.原核细胞核糖体（70S 的核糖体）2.真核细胞核糖体（80S 的核糖体）3.真核与原核核糖体成分比较 （三）化学组成 1.大小 （1）原核生物：直径为 2025 nm。（2）真核生物：直径为 2530

2、nm。2.特征 （1）不规则颗粒状结构；（2）无膜包被；（3）由大小两个亚基(subunit)构成，但大小亚基常常游离于细胞质中，只有当以 mRNA为模板合成蛋白质时，大小亚基才结合在一起，肽链合成终止后，大小亚基解离。3.主要成分 蛋白质(r蛋白),存在于核糖体表面,约占 40%;RNA(rRNA)：存三于核糖体内部,约占 60。二.核糖体的结构 对核糖体高分辨率的 X射线衍射图谱分析表明：(1）每个核糖体含有 4 个 RNA分子的结合位点：其中 1 个 mRNA 结合位点，3 个 tRNA 结合位点（A位点（aminoacyl site)、P 位点（peptidylsite）和 E 位点（

3、exit site）)。这些位点横跨核糖体大小亚基结合面。(2)在核糖体大小亚基结合面，特别是 mRNA 和 tRNA 结合处，无蛋白质分布。这也意味着在核糖体起源之初可能仅由 RNA 组成。2 (3)催化肽键形成的活性位点由 RNA 组成。(4）大多数核糖体蛋白有一个球形结构域和伸展的尾部，球形结构域分布于核糖体表面，而其伸展的多肽链尾部则伸入核糖体内折叠的 rRNA 分子中。三.核糖体蛋白与 rRNA的功能 （一）与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点：(1)与 mRNA 的结合位点:原核生物,16S rRNA 的 3端与 mRNA 的 Shine-Dalgarno序列(SD 序列)结合；真

4、核生物,识别 mRNA 5端的甲基化帽子的翻译起始因子。(2)A 位点：与新进入的氨酰 tRNA 的结合位点-氨酰基位点。(3)P 位点：与延伸中的肽酰 tRNA 的结合位点肽酰基位点。(4)E 位点：tRNA离开核糖体前的结合位点。(5)与肽酰 tRNA 从 A 位点转移到 P 位点有关的转移酶(即延伸因子 EF-G)的结合位点。(6)与蛋白质合成有关的其他起始因子(IF)、延伸因子(EF)和终止因子(RF)的结合位点。(7)肽酰转移酶的催化位点(核糖体中最主要的活性部位；肽酰转移酶是核糖体大亚基 rRNA,活性位点位于 23S rRNA结构域的中间环)。rRNA 是起主要作用的结构成分,主

5、要功能有：具有肽酰转移酶的活性；为 tRNA 提供结合位点(A 位点、P 位点和 E位点)；为多种蛋白质合成因子提供结合位点；在蛋白质合成起始时参与同 mRNA 选择性地结合,以及在肽链的延伸中与 mRNA 结合;核糖体大小亚单位的结合、校正阅读(proof reading)、无意义链或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都与 rRNA 有关。推测 r蛋白质的主要功能有：对 rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的；在蛋白质合成中,某些 r蛋白可能对核糖体的构象起“微调”作用；在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中,核糖体蛋白与 rRNA 共同行使功能。第二节 多核糖体与蛋白质的合成 一.

6、多核糖体 1.概念 核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能,而是由多个甚至几十个核糖体串连在一条 mRNA 分子上高效地进行肽链的合成,这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与 mRNA 的聚合体称为多聚核糖体(polyribosome 或 polysome)。3 2.生物学意义 细胞内各种多肽的合成,不论其分子量的大小或是 mRNA 的长短如何,单位时间内所合肽分子数目都大体相等,以多聚核糖体的形式进行多肽合成,可大大提高多肽合成的速度。mRNA 在一定的时间和条件下将发生降解,以多聚核糖体的形式进行多肽合成,对 mRNA 的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。二.蛋白质的合成 （一）肽链的起始

7、 1.30S 小亚基与 mRNA的结合 2.第一个氨酰 tRNA进入核糖体 3.完整起始复合物的装配 （二）肽链的延伸 1.氨酰 tRNA在核糖体 A位点的入位 2.肽键的形成 3.转位 4.tRNA的释放 （三）肽链的终止 第三节 细胞内蛋白质的分选 一.蛋白质分选 protein sorting （一）定义 绝大多数蛋白质都是由核基因编码或在游离的核糖体上合成或在糙面内质网膜结合的核糖体上合成。合成完毕后，再通过不同的途径转运到细胞的特定部位，并装配成结构与功能的复合体，参与组装细胞结构，发挥其生物学功能，这一过程称为蛋白质靶向转运 protein targeting或蛋白质分选。二.信号

8、假说与蛋白质分选信号 （一）信号肽假说 1.发现 1972年，C.Milstein 等发现在骨髓瘤细胞中提取的免疫球蛋白的 N端要比分泌到细胞外的免疫球蛋白分子 N端的氨基酸序列多出若干。2.内容 分泌性蛋白 N端序列作为信号肽(signal peptide)，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过移位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。（二）蛋白质分选信号（信号肽+信号识别颗粒+受体+移位子协同完成）1.指导因子：蛋白质 N-端的信号肽(signal peptide)4 信号肽位于蛋白质 N端，一般含有 1626个氨基酸残基，包括疏水核心区

9、、信号肽的 C 端和 N端 3 部分。2.信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP)核糖核蛋白复合体 SRP 是核糖核蛋白复合体，由 6 种蛋白和 300nt 核苷酸组成，存在于细胞质基质中，可与新生肽序列和核糖体大亚基结合，又可与内质网膜上SRP 受体结合。3.信号识别颗粒的受体(SRP receptor,又称停泊蛋白 docking protein,DP)内质网整合膜蛋白 SPR 而受体是内质网膜上的整合蛋白,由 和 亚基组成。4.起始转移序列 star transfer sequence 蛋白质氨基末端的信号序列除作为信号被 SRP 识别外,还具有起始

10、穿膜转移的作用。5.停止转移序列 （1）定义：肽链中还存在某些序列与内质网膜具有很强的亲合力而结合在脂双层之中,能阻止肽链进入内质网腔,使其成为跨膜蛋白质,称为停止转移序列。（2）分类 内在停止转移锚定序列(internal stop-transfer anchor sequence,STA)内在信号锚定序列(internal signal anchor sequence,SA)6.移位子 translocon 粗面内质网膜上的核糖体结合蛋白是移位子，这类蛋白对核糖体有高度亲和力，可与核糖体大亚基结合。（三）信号肽与共翻译转运 分泌性蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运（co

11、translational translocation）。1.分泌性蛋白的共翻译转运过程 12.分泌蛋白合成起始，内质网靶向信号序列合成，并被游离的 SRP 识别；5 3.SRP 与内质网膜上的受体结合，引导核糖体-新生肽复合物附着到内质网膜上；4.核糖体/新生肽与内质网膜的移位子结合，伴随 GTP 水解，SRP 与相应受体解离，返回细胞质基质中重复使用，肽链又开始延伸，通过移位子以袢环的形式进入内质网腔；5.新生肽链的信号序列被信肽酶切除；6.新生肽链继续延伸，直至多肽链的合成结束；78.蛋白质进入腔内并折叠。2.整合膜蛋白的合成 、型均为一次跨膜 螺旋，型为多次跨膜蛋白。（起始转移序列和终

12、止转移序列的数目决定多肽跨膜次数）（1）型蛋白 含有一个被切割的 N 端内质网信号序列；通过 STA 锚定在膜上；N端亲水区位于内质网腔面，C 端亲水区位于细胞质基质面；如 LDL 受体、流感 HA、胰岛素受体、生长素受体。（2）型蛋白 不含有可切割的内质网信号序列；通过 SA 锚定在膜上；N端亲水区位于细胞质基质侧，C 端亲水区位于内质网腔面；如无唾液酸糖蛋百受体、转铁蛋白受体、高尔基半乳糖苷转移酶、高尔基唾液酸转移酶。（3）型蛋白 不含有可切割的内质网信号序列；通过 SA 锚定在膜上；6 N端亲水区位于内质网腔面，C 端亲水区位于细胞质基质面；含有一个疏水的跨膜片段，邻近 N 端亲水区；如

13、细胞色素 P450；（4）IV型蛋白 含有 2 个或多个跨膜妹段，又称多次跨膜蛋白；如 G 蛋白偶联受体、葡糖转运蛋白、电压门控 Ca 通道、ABC 小分子泵、CFTR（Cl）通道、Sec61 蛋白。三.蛋白质分选转运的基本途径与类型 （一）基本途径 1.翻译后转移途径 蛋白质在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成,并直接转移至膜围绕的细胞器或细胞质基质中的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白；2.共翻译转移途径 即蛋白质合成在游离核糖体上起始之后，由信号肽及其与之结合的SPR(信号肽-SPR)引导转移至糙面内质网，然后新生肽边合成边转入超面，内质网腔或定位在 ER 膜上。（二）类型 1.蛋白质跨膜转运(transmembrane transport)蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质通过线粒体上的转位因子(translocator)进入线粒体；2.膜泡运输(vesicular transport)被运输的物质在内质网或高尔基体中加工成衣被小泡,选择性地运输到靶细胞器；3.选择性的门控转运(selective gated transport)如在细胞质基质中合成的蛋白质通过核孔复合体在核-质间双向选择性地完成核输入和核输出；4.细胞质基质中蛋白质的转运。与细胞骨架系统密切相关。