Transcript 蛋白质翻译后修饰和靶向输送

蛋白质翻译后修饰和靶向输送
Posttranslational Modification and
Protein Targeting
• 新生多肽链不具备蛋白质的生物学活性，必须
经过复杂的加工过程才能转变为具有天然构象
的功能蛋白质，这一加工过程称为翻译后修饰
(posttranslational modification)。
• 翻译后修饰包括多肽链折叠为天然的三维构象
及对肽链一级结构的修饰、空间结构的修饰等。
翻译后修饰使得蛋白质组成更加多样化，从而
使蛋白质结构上呈现更大的复杂性。
• 蛋白质合成后被定向输送到其发挥作用的靶位
点 的 过 程 称 为 蛋 白 质 的 靶 向 输 送 (protein
targeting)。
一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质
• 新生肽链N-端在核糖体上一出现，肽链的折叠
即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折
叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形
成完整空间构象。
• 一般认为，多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白
质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。
• 细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，
而需要其他酶和蛋白质辅助。
几种有促进蛋白质折叠功能的大分子:
1. 分子伴侣 (molecular chaperon)
2. 蛋白质二硫键异构酶 (protein disulfide
isomerase, PDI)
3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl-cistrans isomerase, PPI)
1. 分子伴侣:
分子伴侣是细胞内一类可识别肽链的非天
然构象、促进各功能域和整体蛋白质的正确折
叠的保守蛋白质。
分子伴侣有以下功能：
①封闭待折叠蛋白质的暴露的疏水区段；
②创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠
互不干扰；
③促进蛋白质折叠和去聚集；
④遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。
分子伴侣主要有：
(1) 热休克蛋白(heat shock protein, HSP)
(2) 伴侣蛋白(chaperonin)
(1) 热休克蛋白(heat shock protein, HSP)
 热休克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激
可诱导该蛋白质合成。热休克蛋白可促进需要
折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。
 热休克蛋白包括HSP70、HSP40和GrpE三族。
(2) 伴侣蛋白(chaperonin)
 伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠
杆菌的Gro EL和Gro ES（真核细胞中同源
物为HSP60和HSP10）等家族。
 其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供
能折叠形成天然空间构象的微环境。
2. 蛋白质二硫键异构酶
 多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定
分泌型蛋白质、膜蛋白质等的天然构象十分重
要，这一过程主要在细胞内质网进行。
 二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大
区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二
硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的
天然构象。
3. 肽基脯氨酰顺反异构酶
 多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种
异构体，空间构象有明显差别。
 肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异
构体之间的转换。
 肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成
的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可
使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。
二、蛋白质一级结构修饰主要是
肽键水解和化学修饰
（一）肽链末端的修饰
（二）个别氨基酸的共价修饰
1．糖基化
2．羟基化
3．甲基化
4．磷酸化
5．二硫键形成
6．亲脂性修饰
（三）多肽链的水解修饰
三、空间结构的修饰
（一）通过非共价键亚基聚合形成具有四级
结构的蛋白质
具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链
通过非共价键聚合，形成寡聚体(oligomer)。
（二）辅基连接后形成完整的结合蛋白质
结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，
才能成为具有功能活性的天然蛋白质。
四、合成后蛋白质可被靶向输送至
细胞特定部位
蛋白质在核蛋白体上合成后，必须分选出来，
定向输送到一个合适的部位才能行使各自的生物
学功能。蛋白质的靶向输送与翻译后修饰过程同
步进行。
（一）靶向输送的蛋白质N-端存在信号序列
 所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，
主要是N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质
转移到细胞的适当靶部位，这类序列称为信号
序列(signal sequence)。
 信号序列是决定蛋白质靶向输送特性的最重要
元件，提示指导蛋白质靶向输送的信息存在于
蛋白质自身的一级结构中。

信号肽有以下共性：
① N-端含1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，
如赖氨酸、精氨酸；
② 中段为疏水核心区，主要含疏水的中性氨基酸，
如亮氨酸、异亮氨酸等；
③ C-端加工区由一些极性相对较大、侧链较短的
氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸）组成，
紧接着是被信号肽酶(signal peptidase)裂解的
位点 。

核定位序列
 靶向输送到细胞核的蛋白质其多肽链内含有特异
信号序列，称为核定位序列(nuclear localization
sequence, NLS) 。
 NLS为含4～8个氨基酸残基的短序列，富含带正
电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，可位于肽链的
不同部位，而不只在N末端。
 不同的NLS间未发现共有序列； 在蛋白质进核定
位后，NLS不被切除。
（二）分泌型蛋白质由分泌小泡靶向输送至胞外
• 真核细胞分泌型蛋白质的靶向输送过程为：核蛋
白体上合成的肽链先由信号肽引导进入内质网腔
并被折叠成为具有一定功能构象的蛋白质，在高
尔基复合体中被包装进分泌小泡，转移至细胞膜，
再分泌到细胞外。
 信号序列引导蛋白质进入内质网
（三）蛋白质6-磷酸甘露糖基化是靶向输送至
溶酶体的信号
（四）靶向输送至内质网的蛋白质C-端含有
滞留信号序列
• 与分泌型蛋白质一样，内质网中的驻留蛋白质先
经粗面内质网上的附着核蛋白体合成并进入内质
网腔，然后随囊泡输送到高尔基复合体。但是，
内质网蛋白质多肽链的C-端含有滞留信号序列，
可与相应受体结合。在高尔基复合体上，内质网
蛋白质通过其滞留信号序列与受体结合后，随囊
泡输送回内质网。
（五）质膜蛋白质的靶向输送由囊泡转移到
细胞膜
• 质膜蛋白质合成时在粗面内质网上的跨膜机
制与分泌型蛋白质的跨膜机制相似，但是，
质膜蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，
而是锚定在内质网膜上。
• 不同类型的跨膜蛋白质以不同的形式锚定于
膜上。
（六）线粒体蛋白质以其前体形式在胞液合
成后靶向输入线粒体
• 绝大部分线粒体蛋白质是由核基因组编码、
在胞液中的游离核蛋白体上合成后释放、
靶向输送到线粒体中的。
真核细胞线粒体蛋白质的靶向输送
蛋白质生物合成的干扰和抑制
Interference and Inhibition of
Protein Biosynthesis
一、许多抗生素通过抑制蛋白质
生物合成发挥作用
抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、细菌等微
生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他
微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和
治疗人、动物和植物的感染性疾病。
干扰进位的抗生素
引起读码错误的抗生素
影响肽键形成的抗生素
影响转位的抗生素
常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用
抗生素
作用位点
作用原理
应用
伊短菌素
原核、真核核蛋白
体小亚基
阻碍翻译起始复合物的形 抗肿瘤药
成
四环素、土霉
素
原核核蛋白体小亚
基
抑制氨基酰-tRNA与小亚
基结合
链霉素、新霉
素、巴龙霉素
原核核蛋白体小亚
基
改变构象引起读码错误、 抗菌药
抑制起始
氯霉素、林可
霉素、红霉素
原核核蛋白体大亚
基
抑制转肽酶、阻断肽链延 抗菌药
长
嘌呤霉素
原核、真核核蛋白
体
使肽酰基转移到它的氨基 抗肿瘤药
上后脱落
放线菌酮
真核核蛋白体大亚
基
抑制转肽酶、阻断肽链延 医学研究
长
夫西地酸、细
球菌素
EF-G
抑制EF-G、阻止转位
抗菌药
壮观霉素
原核核蛋白体小亚
基
阻止转位
抗菌药
抗菌药
嘌
呤
霉
素
作
用
示
意
图
放线菌酮
氯霉素
嘌呤霉素
链霉素和卡那霉素
四
环
素
族
二、其他干扰蛋白质生物合成的物质
（一）毒素
1．白喉毒素(diphtheria toxin)
• 某些毒素能在肽链延长阶段阻断蛋白质合成
而呈现毒性，如白喉毒素是真核细胞蛋白质
合成的抑制剂，它作为一种修饰酶，可使
eEF-2发生ADP糖基化共价修饰，生成eEF-2腺
苷二磷酸核糖衍生物，使eEF-2失活。
2．蓖麻蛋白(ricin)
• 蓖麻蛋白是蓖麻籽中所含的植物糖蛋白，
由A、B两条多肽链组成。
• A链是一种蛋白酶，可作用于真核生物
核蛋白体大亚基的28S rRNA，催化其中
特异腺苷酸发生脱嘌呤基反应，使28S
rRNA降解，使核蛋白体大亚基失活；
• B链对A链发挥毒性具有重要的促进作用，
且B链上的半乳糖结合位点也是毒素发
挥毒性作用的活性部位。
（二）干扰素
• 干扰素(interferon, IFN)是真核细胞被
病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的
蛋白质，可抑制病毒的繁殖。
• 干扰素分为α-（白细胞）型、β-（成纤
维细胞）型和γ-（淋巴细胞）型三大类，
每类各有亚型，分别具有其特异作用。