高级生物化学PPT课件-蛋白质加工与输送.ppt
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1、1,蛋白质合成后加工与输送,第2章,2,3,翻译后加工(Posttranslational processing),肽链从核蛋白体释放后,经过细胞内各种修饰处理,成为有活性的具有天然构象的成熟蛋白质的过程。,4,包括:,折叠;一级结构的修饰;空间结构的修饰等;靶向输送到特定细胞,5,一、多肽链折叠为天然构象的蛋白质 多肽链合成后需要逐步折叠(folding)成天然空间构象(native conformation)才成为有功能的蛋白质。一些疾病是单纯由错误折叠的蛋白质引发的 蛋白质构象病。时间:新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成,新生肽链N端在核蛋白体上一出现,肽链的折 叠即开始。,6,An
2、finsen经典实验(20世纪60年代),牛胰核糖核酸酶含有124个氨基酸残基,由8个巯基配对组成4对二硫键。可以计算出酶分子中8个巯基组成4对二硫键的可能方式有105种,在温和的碱性条件下,8摩尔的浓脲和大量巯基乙醇能使四对二硫键完全还原,整个分子变为无规则卷曲状,酶分子变性。透析去除脲,在氧的存在下,二硫键重新形成,酶分子完全复性,二硫键中成对的巯基都与天然一样,复性分子可以结晶且具有与天然酶晶体相同的X射线衍射花样,从而证实,酶分子在复性过程中,不仅能自发地重新折叠,而且只选择了105种二硫键可能配对方式中的一种。,7,Anfinsen经典实验Anfinsen基于还原变性的牛胰RNase
3、在不需其他任何物质帮助下,仅通过去除变性剂和还原剂就使其恢复天然结构的实验结果,提出了“多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构象所必需的全部信息”的“自组装学说”。这一学说表明:蛋白质折叠的必需信息都储存在一级结构中。即“序列决定构象”。随着对蛋白质折叠研究的广泛开展,人们对蛋白质折叠理论有了进一步的补充和扩展。Anfinsen的“自组装热力学假说”得到了许多体外实验的证明,的确有许多蛋白在体外可进行可逆的变性和复性,尤其是一些小分子量的蛋白。但是并非所有的蛋白都如此。,8,有些蛋白质移除前导序列会伴随着之后的蛋白质重折叠的缺失。相反的,全长酶原解折叠后可以重新产生一个折叠的酶。这
4、个结果表明前导序列参与了折叠反应,这说明并不是“最终的”序列编码了折叠信息。,9,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、蛋白质辅助.所有细胞中发现的伴侣蛋白都是聚体体系,它阻止了不正确的蛋白质的折叠,以7个、8个或9个亚基的超环形结构为基础。超环形结构被任意端盖住,形成一个通过疏水表面结合解折叠多肽的空穴,通过ATP驱动的构象变化促使肽折叠为天然构象。不正确的折叠导致活性失活,这是许多疾病的分子基础。,10,(一)肽链折叠的模型,框架模型(Framework Model)假设蛋白质的局部构象依赖于局部的氨基酸序列。在多肽链折叠过程的起始阶段,先迅速形成不稳定的二级结构单元;称
5、为“flickering cluster”,随后这些二级结构靠近接触,从而形成稳定的二级结构框架;最后,二级结构框架相互拼接,肽链逐渐紧缩,形成了蛋白质的三级结构。这个模型认为即使是一个小分子的蛋白也可以一部分一部分的进行折叠,其间形成的亚结构域是折叠中间体的重要结构,11,2.疏水塌缩模型(Hydrophobic Collapse Model)疏水作用力被认为是在蛋白质折叠过程中起决定性作用的力的因素。在形成任何二级结构和三级结构之前首先发生很快的非特异性的疏水塌缩。,12,3.扩散-碰撞-粘合机制(Diffusion-Collision-Adhesion Model)该模型认为蛋白质的折叠
6、起始于伸展肽链上的几个位点,在这些位点上生成不稳定的二级结构单元或者疏水簇,主要依靠局部序列的进程或中程(3-4个残基)相互作用来维系。它们以非特异性布朗运动的方式扩散、碰撞、相互黏附,导致大的结构生成并因此而增加了稳定性。进一步的碰撞形成具有疏水核心和二级结构的类熔球态中间体的球状结构。球形中间体调整为致密的、无活性的类似天然结构的高度有序熔球态结构。最后无活性的高度有序熔球态转变为完整的有活力的天然态。,13,4.成核-凝聚-生长模型(Nuclear-Condensation-Growth Model)根据这种模型,肽链中的某一区域可以形成“折叠晶核”,以它们为核心,整个肽链继续折叠进而获
7、得天然构象。所谓“晶核”实际上是由一些特殊的氨基酸残基形成的类似于天然态相互作用的网络结构,这些残基间不是以非特异的疏水作用维系的,而是由特异的相互作用使这些残基形成了紧密堆积。晶核的形成是折叠起始阶段限速步骤。,14,(二)折叠过程中的辅助蛋白质:分子伴侣(molecular chaperon)蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)肽酰基-脯氨酰顺反异构酶(peptidyl prolyl cis-trans isomerase,PPI),15,1分子伴侣*(molecular chaperon)是细胞中一大类保守蛋白质,可识别肽链的非天然构象(不稳
8、定构象),促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠(稳定构象)。普遍特点-只与Pr分子的非天然构象结合,而不与已经折叠 成天然构象的Pr分子结合,16,(1)功能 帮助肽链折叠;辅助新生肽链的转运与转位,帮助“次品蛋白质”的降解。一些细胞质中的可溶性分子伴侣还可以通过与辅助分子伴侣 的相互作用,行使更多的功能:网格蛋白的去组装;参与突触小泡融合后的内吞;帮助蛋白质/新生肽链靶向,如进入线粒体;以及一些复合物的组装,如肌球蛋白复合物和核孔等;分子伴侣还参与信号转导。另外,引发因子(TF)除了能帮助新生肽链折叠外,还兼有PPI酶的活性。,17,(2)折叠作用:蛋白质肽链的折叠可以简单看作是一些疏水基团被
9、包埋到分子内部的过程,因此,帮助新生肽链折叠的分子伴侣一定是具有与疏水基团结合能力的蛋白质。以最常见的hsp70为例,它们都具有一个肽结合部位,由疏水氨基酸残基构成。分子伴侣总的作用是与暴露的疏水区域稳定结合。结果:降低了局部未折叠蛋白质的浓度并防止其非特异性的不可逆的聚合和错误折叠,同时保存了多肽链折叠的能力,当折叠不成功时,可以重新进行折叠。,18,(3)分布:广泛分布于原核和真核细胞中。在真核细胞中目前发现它们存在于:细胞液、内质网、线粒体、叶绿体以及细胞核中。(存在胞内pr折叠、组装的各部位),19,(4)典型分子伴侣细胞至少有两种分子伴侣家族热休克蛋白伴侣素,20,(1)热休克蛋白(
10、heat shock protein,HSP):属于应激反应性蛋白,高温应激可诱导该蛋白合成增加。包括HSP70,HSP40和GrpE三族HSP促进蛋白质折叠的基本作用:结合保护待折叠多肽片段,再释放该片段进行折叠,形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。,21,HSP70:一类约70kD的高度保守的ATP酶,广泛存在原、真核细胞中。由两个功能不同的结构域组成:N端的ATP酶结构域和C端的多肽链结合结构域。ATP酶结构域:能结合和水解ATP.多肽链结合结构域:可识别由4-5个疏水AA残基为核心组成的7肽片段。,22,-ATP,Hsp40,ADP,CrpE,23,机制:结合待折叠多肽片段,
11、产生HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物,避免错误折叠释出多肽片段,进行正确折叠。,24,(2)伴侣素(chaperonins):是分子伴侣的另一家族 如E.coli的GroEL和GroES 真核细胞中同源物为HSP60和HSP10 等家族。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。,25,26,27,伴侣素GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程,28,2蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要部位:主要在细胞内质网进行。原因:多肽链的几
12、个半胱氨酸间可能出现错配二硫键,影响蛋白质正确折叠。解决: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。,29,PDI是一种含有巯基的酶,能随机切断及催化蛋白质中的二硫键,使之正确重排,形成热力学上最稳定的构象。PDI通过催化巯基与二硫键的交换反应,从而催化蛋白质二硫键的形成、还原(断裂)或重排(异构化)。,30,并不是所有的蛋白质都含有二硫键,特别是在细胞内的多数蛋白质是不含有二硫键的,因为细胞内的环境是个还原性的环境。近年来的研究表明,蛋白二硫键异构酶也参与了对蛋白质功能的调节。,31,3.肽酰基一脯氨酰顺反异构酶,(peptidyl prolyl cis-
13、trans isomerase,PPI)脯氨酸为亚氨基酸,多肽链中肽酰一脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体,空间构象差别明显。PPI可促进上述顺反两种异构体之间的转换。天然蛋白肽链中肽酰一脯氨酸间肽键绝大部分是反式构型,仅6为顺式构型。在肽链合成需形成顺式构型时,PPI可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。,32,二、一级结构的修饰,场所:内质网、高尔基复合体的管腔中(外分泌蛋白前体的活化)(一)去除N-甲酰基或N-甲硫氨酸酶:脱甲酰基酶,氨基肽酶 结果:切除N-甲酰基 切除N-末端Met或N-末端一段AA,33,蜂毒毒蛋白的加工成熟 蜂毒蛋白只有经蛋白酶水解切除N端的22个氨基酸以后才有生物
14、活性。,34,(二)个别氨基酸的修饰 1.氨基末端乙酰化 2.甲基化 3.氧化(-SH-S-S-)4.羧基末端的酰胺化 5.谷氨酸残基的羧基修饰 6.Pro,Lys OH 7.Ser,Thr,Tyr 磷酸化,35,1.氨基末端乙酰化十分普遍,估计体内50%的蛋白质有氨基乙酰化。在N-乙酰转移酶的催化下将多肽链的氨基末端(或氨基酸残基侧链氨基)乙酰化。有两组乙酰转移酶:分泌蛋白乙酰转移酶和非分泌蛋白乙酰转移酶,都以乙酰CoA为底物。近年发现组蛋白的乙酰化在活化染色质,使它作为转录及复制的模板中起重要作用。,36,核小体中四种组蛋白各两分子构成的八聚体即核心组蛋白。(多富含Lys残基)它们的侧链氨
15、基是乙酰化的位点。,37,2.甲基化酶:甲基转移酶.存在:胞液(主要);细胞核(少量)底物:S-腺苷蛋氨酸(SAM,是Met活化产物),SAM的甲基被高度活化,称为活性蛋氨酸,是体内最重要的甲基直接供给体甲基化位点:Lys,Arg,His的侧链;Gln的N-甲基化和Glu,Asp的O-甲基化.,38,39,3.氧化蛋白质多肽链中进行氧化修饰最普遍现象是-二硫键的生成。酶:二硫键异构酶作用:肽链内或链间的Cys巯基氧化成二硫巯基。,40,4.羧基末端的酰胺化肽链羧基末端的AA可出现酰胺化,如C端是Gly的蛋白质常被酰胺化,保护它免受羧肽酶的降解。酰胺化分两步:1)Gly羟基化;2)脱去一分子乙醛
16、酸并产生新的酰胺化的羧端。结果:缺失了原来作为羧基端的Gly.,41,5.谷氨酸残基的羧基修饰凝血酶原及其他涉及与钙离子相互作用的凝血因子如,和中均发现有羧基化修饰的羧化谷氨酸残基(Glu残基)。部位:内质网过程:在Glu残基的碳原子上添加羧基结果:Glu的碳原子上有两个羧基作用:能螯合钙离子,在凝血过程中起重要作用。,羧化酶,42,6.脯氨酸和赖氨酸的羟基化修饰前胶原是成纤维细胞分泌的pr,在生物合成过程中新生的肽链进入内质网腔后,内质网中的脯氨酰-4-羟化酶和赖氨酰羟化酶能分别识别肽链中的GlyXPro和GlyXLys序列,羟化Pro及Lys残基。产物:4-羟基脯氨酸(Hyp)及 羟基赖氨
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