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2.分子生物学蛋白质研究


2.寡聚蛋白的组装程 : (1)蛋白质绝大多数都以寡聚或多聚体形式存在 (一般来说,具有生物学功能的蛋白质都是以同源 (由相同亚基组成)或异源(由不同的亚基组成) 寡聚体/多聚体的形式出现)。
(2)寡聚体的组装过程是一个分子特异识别的过程: “结构域对换模型(domain swapping model)”:寡聚 体的组装是一个亚基的一个“结构域”被另一相同亚 基的相同结构域置换的结果。
③在哺乳动物细胞中,二级去稳定残基包括天冬氨酸 (Asp)、 谷氨酸(Glu)和半胱氨酸(Cys),;三级去稳定残基是指天冬 酰胺(Asn)和谷氨酰胺(Gln)。
位于N-末端的Asp, Glu和Cys能被一种ArgtRNA-蛋白转移酶(R-transferase)识别,然后在 N-末端加上一个精氨酸残基(为一级去稳定残 基)。而三级不稳定残基先要被一种N末端酰胺 水解酶(N-terminal amidohydrolase)作用而变成 Asp和Glu,之后再被Arg-tRNA-蛋白转移酶作用 而加上一级不稳定残基精氨酸。
(3)分子伴侣蛋白:只与蛋白质分子的非天然构象结合, 而不与已经折叠成天然构象的蛋白分子结合。
(4)蛋白质折叠的质量控制:质量控制的蛋白分子包括 两大类:第一类是分子伴侣蛋白,包括BiP (GRP78), Calnexin, Calreticulin, PDI (Protein disulfide isomerase), PPI (Peptidyl prolyl cis/trans isomerase等等;第二类是糖 基修饰蛋白,包括具有蛋白折叠感受器功能的尿苷二磷酸 -葡萄糖:糖蛋白糖基转移酶(UDP-glucose:glycoprotein glucosyltransferase, UGGT)和糖苷酶II (glucosidase II)等。
异结合,并使之脱离运载复合物,同时使运载的核蛋白也与 输入因子α分离。
在该模型中,帮助运输的蛋白分子需要不断重复地发
挥其作用:Ran-GTP/输入因子β复合物,以及输入因子α 都将被转运回到细胞质中,然后在Ran GTP 激活蛋白 (Ran GTP activating protein, RanGAP)的作用下GTP 被水解成GDP;细胞质中形成的Ran-GDP,在与输入因 子β脱离后,可能通过某种机制再被运回到细胞核中,然 后在一种叫做Ran核苷酸交换因子(Ran nucleotideexchange factor, 又被称为RCC1)的作用下转变成RanGTP形式。这样,输入因子β和Ran-GTP都可以分别在细 胞质中和细胞核中进入另一论的核蛋白转运循环。
这两类蛋白在细胞液中似乎是由不同蛋白因子识别 (分别被称为PTS1R和 PTS2R),到过氧化物酶体膜上
后却利用同一个运输通道,这类信号肽在蛋白进入后将被 切除掉。
(6)蛋白定位出错引起的疾病 Zellweger综合症的病人被发现是因为PTS1R
缺陷引起的。这类病人的过氧化物酶体是空的, 不含基质蛋白,但它们的膜蛋白是完整的(说明 膜蛋白是通过一条不同的途径定位的)。
第二类为由3条肽链形成的“三链螺旋(triple helix)”,如胶 原蛋白等;
(1)线粒体蛋白的定位 : “基质导入序列”(matrix-targeting sequence):
富含带正电荷的氨基酸(主要是精氨酸和赖氨酸),常
含有丝氨酸和苏氨酸,不含酸性氨基酸(如天门冬氨酸
和谷氨酸)。进入线粒体基质和插入线粒体内膜的蛋白 (如柠檬酸合酶和细胞色素c氧化酶等)只含有上述信号 肽。而进入膜间质的蛋白前体(如细胞色素c)上除了含 有上述信号肽之外还含有一段紧接在后面的所谓“膜间 质导入序列 (intermembrane-space-targeting sequence) ”。 在将插入到外膜的前体蛋白(如外膜孔道蛋白,porin) 的上述共同信号肽之后紧接有一段所谓的“停止转运和 外膜定位序列 (stop-transfer and outer-membrane localization sequence) ”。
(4)膜蛋白的插入和定位: 拓扑序列 (topogenic sequences)(25个氨基酸残
基):内质网跨膜信号序列(ER cross-membrane signal sequences),可以位于肽链的N末端或是内部); 停止转运序列(stop-transfer sequences);膜锚定序列 (membrane-anchor sequences)。有时候两个、甚至三 个这样的拓扑序列合而为一,比如在细胞色素P450
一、蛋白分子的折叠、组装、细胞内定位及降解
1.蛋白质的折叠: (1)热力学角度:微量热(microcalorimetry)技术(通 过测定所产生的微小热量来估算一个蛋白溶液在热变性过 程中的焓变(enthalpy))。
(2)动力学角度:巨大数目的原子的参与而导致的复杂 性和原子之间相互作用的协同性(cooperativity) 而导致的 快速性(一般在毫秒,甚至更短的时间范围内发生)。
(2)蛋白质的结构特征: ①纤维状蛋白:
一类为由2或3股α-螺旋相互缠绕而成的超螺旋性质的所谓 盘绕圈(coilded coils)结构,在氨基酸序列上表现为由7个残基组 成的周期性重复,其中的第一和第四个残基一般为疏水性残基 (如Leu, Ala等),如纤维蛋白原、肌球蛋白、血影蛋白、角 蛋白、神经丝等;
二、蛋白质的结构与功能
1.蛋白质结构: (1)根据结构进行的蛋白质归类: ①纤维状蛋白(fibrous proteins),如胶原蛋白、蛛丝蛋白、 蚕丝蛋白等,完成功能时相对比较被动,由较为单一的重 复性二级结构单位组合而成; ②球形蛋白(globular proteins),如酶、运输蛋白、防御蛋 白等等,完成功能时相对比较主动(在发挥生物学功能的 时候进行分子识别),经常由结构和功能都具有一定独立 性的结构域(domains)组成,含有混合的二级结构成分(α 螺旋和β片层)和随机绕曲。
并在信号肽被切除后,在分子伴侣的作用下折叠成其天然 构象(如果是寡聚体蛋白,在还需要进行组装)。
信号肽决定去向:1). 通过高尔基体和运输小泡而被调 节性地(如胰岛 细胞中的胰岛素、胰岛 细胞中的胰高 血糖素、胰岛腺泡细胞中的各种蛋白酶原、乳腺细胞中的 酪蛋白和乳白蛋白等等)或非调节性地(如肝细胞中的白 蛋白和转铁蛋白、淋巴细胞中的免疫球蛋白、成纤维细胞 中的胶原蛋白和粘连蛋白等等)运送到细胞外面去;2). 通 过运输小泡被运送到溶酶体中(各种酸性水解酶);3). 先 输送到高尔基体,然后再通过运输小泡送回到内质网腔中。
(3)分泌蛋白的定位: 信号序列:长度一般为16-30个残基;含1或多个碱性
残基;随后接着是6-12个疏水性残基。 当合成的肽链长度为大约70个氨基酸残基时,最先被
翻译出来的N-末端序列作为“信号序列 (signal sequence)” 伸出了核糖体,并被存在于细胞液中的所谓“信号识别颗 粒 (signal recognition particle, SRP)”所特异结合,同时新生 肽链的合成也暂时停止。然后所形成的复合体再与内质网 膜上的所谓SRP受体特意识别和结合。之后,信号识别颗粒 及其受体将脱离核糖体,同时,新生肽链进入存在于内质 网膜上的转位子 (translocon)打开的通道中。这时,新生 肽链的合成重新启动,合成的新剩肽链假如内质网腔中,
步骤:1).前体蛋白在细胞液中的自由核糖体上被合成, 并释放到细胞液中。2).细胞液中的分子伴侣蛋白,线粒体 输入刺激蛋白(mitochondrial import stimulating factor, MSF)或Hsp70(为细菌中DnaK的同源蛋白),与还未完
全折叠好的前体蛋白分子结合,以维持这种非天然构象, 并阻止它们之间的聚集。3). 前体蛋白上的信号序列与线粒 体外膜上的特异受体/外膜转运酶复合体(Translocase of outer membrane, TOM complex)识别、并被转运跨过外膜。 4). 前体蛋白在膜间质中与位于内膜上的“内膜转运蛋白复 合体(translocase of inner membrane, TIM complex)”接 触并被转运进入线粒体基质。5). 前体蛋白上的基质导入序
列被线粒体基质中的特异蛋白水解酶切除,然后蛋白分子 自发地或在分子伴侣蛋白帮助下折叠形成其天然结构。
(2)细胞核蛋白的定位: “核定位信号(nuclear localization signal, NLS)”。而且都
是通过体积巨大的细胞核孔复合体(大约是核糖体的30倍) 进入细胞核的。
步骤:1). 在细胞质中,核蛋白被合成、并折叠成特定 的三维空间结构,然后暴露在表面的核定位信号(NLS)与 存在于细胞质中的“输入因子α(importin α)”结合,同时, 输入因子α又与另一存在于细胞质中的输入因子β (importin β) 结合。2). 载运蛋白/输入因子α/输入因子β复合物通过输入因 子β与核孔复合体识别,并被转运进入细胞核中(需要消耗 ATP)。在细胞核中,一个叫做Ran的蛋白的GTP结合形式 (Ran-GTP)与进入细胞核中的运载复合物上的输入因子β特
4.蛋白降解: (1)末端规则: ①N-末端为精氨酸、赖氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、 异亮氨酸、酪氨酸、或色氨酸等“一级去稳定残基
(primary destabilizing residues)”的话,蛋白质分子的寿命 不会长于3分钟; ②当N末端为半胱氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、甘氨酸、 缬氨酸、或蛋氨酸等“稳定残基 (stabilizing residues)”的时 候,蛋白分子在细胞内可以存在30个小时以上而不被蛋白 酶水解。
3.蛋白定位: 蛋白分子在细胞内的定位决定于其自身的结构 。
定位于细胞不同部位的蛋白分子携带有不同的结构 信号。
20世纪70年代,德国出生的美国科学家Blobel就 提出“信号假说”:每一种蛋白质在真核细胞器中 的定位是通过新生肽链中短暂存在的“信号”序列 协助完成的。1999年,Blobel“因发现蛋白质具有内 在的、支配它们在细胞内的转运和定位的信号”而 获得了诺贝尔生理学和医学奖。
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