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[百度文库]细胞内蛋白质的合成与运输  

2013-11-13 10:09:43|  分类: 分子与细胞 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:蛋白质生物的合成亦称为翻译(Translation),即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为多肽链中的氨基酸排列顺序过程。不同的组织细胞具有不同的生理功能,是因为它们表达不同的基因,产生具有特殊功能的蛋白质,参与蛋白质生物合成的成份至少有200种,其主要由mRNA、tRNA、核糖核蛋白体以及有关的酶和蛋白质因子共同组成。原核生物与真核生物的蛋白质合成过程中有很多的区别,真核生物此过程更复杂,原核生物蛋白质合成的过程可分为五个阶段,氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。细胞内蛋白质有多种运输途径,一般可分为三种类型:翻译后转运的蛋白质运输途径;共翻译转运的蛋白质运输途径;蛋白质的胞吞途径。主要三种运输方式:门控运输、穿膜运输和小泡运输。
        关键字:多肽链、蛋白质、翻译、核糖体、运输途径、运输方式

前言:随着人类基因组计划的实施和推进,生命科学研究已进入了后基因组时代。在这个时代,生命科学的主要研究对象是功能基因组学,包括结构基因组研究和蛋白质组研究等。尽管现在已有多个物种的基因组被测序,但在这些基因组中通常有一半以上基因的功能是未知的。目前功能基因组中所采用的策略,如基因芯片、基因表达序列分析等,都是从细胞中mRNA的角度来考虑的,其前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平。但事实并不完全如此,从DNA mRNA 蛋白质,存在三个层次的调控,即转录水平调控,翻译水平调控,翻译后水平调控。从mRNA角度考虑,实际上仅包括了转录水平调控,并不能全面代表蛋白质表达水平。毋庸置疑,蛋白质是生理功能的执行者,是生命现象的直接体现者,虽然蛋白质的可变性和多样性等特殊性质导致了蛋白质研究技术远远比核酸技术要复杂和困难得多,但正是这些特性参与和影响着整个生命过程。

一、蛋白质生物合成过程

合成过程可分为起始、延长、终止三个阶段,蛋白质合成在核蛋白体上进行称为核蛋白体循环(广义)。肽链的合成是从N端到C端。

1.翻译起始 (原核生物)

生成由起始氨基酰-tRNA、mRNA和核蛋白体组成的70S起始复合物,原核生物的起始因子(IF)有三种。其过程在原核生物和真核大同小异。(1)核蛋白体大、小亚基分离。 (2)mRNA结合小亚基 mRNA起始密码上游为S-D序列,可与小亚基16S rRNA 3'端互补。紧接S-D序列的短核苷酸序列可被小亚基蛋白识别结合,两方面作用促使mRNA在小亚基上定位。(3)fmet-tRNAifmet结合于mRNA-小亚基复合体的AUG上,形成30S起始复合体。(4)大亚基加入30S起始复合体,形成70S起始复合体。

 真核生物翻译起始的特点是:真核生物核蛋白体为80S(60S + 40S)。10种起始因子(eIF), 生成起始复合物步骤 IF eIF 亚基分离起始tRNA就位mRNA就位大亚基结合 IF-3、IF-1IF-2、IF-1核酸-核酸、核酸-蛋白质之间的辨认结合各种IF脱落,GTP水解 eIF-3、eIF-3A、eIF-4CeIF-2、eIF2B、eIF- 3、eIF-4CeIF-4、eIF-4A、eIF-4B、eIF-4E 、eIF-4F 。(1)真核起始甲硫氨酸不需甲酰化。(2)真核mRNA没有S-D序列,但5'端帽子结构与其在核蛋白体就位相关。帽结合蛋白(CBP)可与mRNA帽子结合,促进mRNA与小亚基结合。

2.肽链的延长

延长阶段为不断循环进行的过程,也称核蛋白体循环。分为进位、成肽和转位三个步骤。真核及原核生物的延长,主要是延长因子体系的不同。EFTuEFTsEFG 协助氨基酰-tRNA进入A位,结合GTP从EFTu中置换GDP转位酶,促助肽酰-tRNA由A位进至P位,协助tRNA的释放 EF1αEF1β、EF1γEF2 。

(1)进位:根据A位上密码引导,相应的氨基酰-tRNA进入A位,称为进位(注册)。EF-T由EF-Tu和EF-Ts两个亚基组成, EF-Tu-GTP与氨基酰-tRNA形成 氨基酰-tRNA-Tu-GTP三元复合物并进入A位,消耗GTP完成进位,释出EF-Tu-GDP,EF-Ts促进EF-Tu 释出GDP,并重新形成EF-T,再次被利用。

(2)成肽:转肽酶催化催化P位上甲酰甲硫氨酰基或肽酰基转移给A位上进入的氨基酰-tRNA,形成肽键连接,生成的二肽酰-tRNA占据A位,P位连有空载 tRNA,将迅速从核蛋白体脱落。

(3)转位:EFG有转位酶活性,催化A位二肽酰tRNA进入P位,同时核蛋白体沿mRNA移动一个密码子,A位再次空缺,开第3个氨基酰-tRNA进位。重复上述循环,肽链在N端加入一个氨基酸。使P位依次出现3肽、4肽等。

3、肽链合成终止(原核)

终止需要释放因子RF、RR。真核生物仅需一种释放因子,有GTP酶活性。1、任何氨基酰-tRNA不辨认终止密码,由 RF-1辨认终止密码UAA、UAG;RF-2辨认UAA、UGA。 2、RF-3可使转肽酶的构象改变,发挥酯酶活性水解多肽、脱离tRNA。3、在RR作用下,tRNA、mRNA、RF与核蛋白体分离。大、小亚基分开,重新参与蛋白质合成过程。

二、合成后加工

高级结构修饰是由多条肽链构成的蛋白质,各亚基合成后,需聚合成四级结构。细胞内多种结合蛋白如脂蛋白、色蛋白、核蛋白、糖蛋白等,合成后需和相应辅基结合;一级结构的修饰 :(1)去除起始甲硫氨酸:多肽链延长到一定程度,脱甲酰基酶或氨基肽酶切去起始N-甲酰基或N端甲硫氨酸。(2)个别氨基酸的修饰:如肽链内或肽链间两个半胱氨酸形成二硫键。脯氨酸、赖氨酸羟基化生成羟脯氨酸和羟赖氨酸。某些蛋白质的丝、苏、酪氨酸可被磷酸化等。(3)水解修饰:胰岛素、甲状旁腺素、生长素等激素初合成时是无活性的前体,经水解剪去部分肽段而成熟,如鸦片促黑皮素原经剪切可生成几种肽类激素。

三、细胞内蛋白质运输的途径

细胞内蛋白质有多种运输途径,一般可分为三种类型:

1、翻译后转运的蛋白质运输途径:蛋白质在核糖体上合成后释放到细胞质基质中,其中一些蛋白质不带分选信号,就留在细胞质基质中;而大多数蛋白质带有分选信号,将按其分选信号种类分别转运到细胞的不同部位。由于这种转运是在蛋白质分子完全合成后进行的,因此称为翻译后转运。属于这种蛋白质运输途径的主要有:(1)蛋白质从细胞质基质通过核孔复合体到细胞核的运输;(2)蛋白质从细胞质基质到线粒体的运输;(3)蛋白质从细胞质基质到过氧化物酶体的运输。

2、共翻译转运的蛋白质运输途径:蛋白质在核糖体上合成过程中转移到内质网,即在核糖体上多肽链开始合成不久,在N-末端形成的信号肽引导核糖体附着到内质网膜上,信号肽穿入内质网腔并继续其合成过程,新合成的多肽链可游离于内质网腔内成为可溶性蛋白,也可插入内质网膜成为跨膜蛋白。以这种方式合成的蛋白质除一部分留在内质网外,大部分将运送到高尔基体,在那里作进一步分选和运输。由于这种转运是在蛋白质合成过程中进行的,因此称为共翻译转运。属于这种蛋白质运输途径的主要有:(1)蛋白质从内质网经高尔基体到细胞外的运输,称为生物合成-分泌途径;(2)蛋白质从内质网经高尔基体到溶酶体的运输。

3、蛋白质的胞吞途径:细胞通过胞吞作用摄取细胞外蛋白质和其他大分子,进入胞吞小泡,并进一步经内体运送到溶酶体,在那里大分子被降解,降解产物进入细胞质基质为细胞利用,这种蛋白质运输途径称胞吞途径。

蛋白质在细胞质基质与细胞器或细胞核之间、细胞器与细胞器之间以及细胞内与细胞外之间的运输有三种不同的方式,即门控运输、穿膜运输和小泡运输。

(一)门控运输:蛋白质在细胞质基质与细胞核之间的运输通过核孔复合体进行,核孔复合体象一扇能选择性开放的门,对核质之间的物质交换进行调控,因此把这种蛋白质运输方式称为门控运输。门控运输既具有选择性,又具有双向性。小分子物质可以自由地通过核孔复合体,在核质之间是一种被动运输;而大分子物质通过核孔复合体则是一种耗能的主动运输过程。

(二)穿膜运输:穿膜运输主要发生在细胞质基质与细胞器之间,蛋白质穿过细胞器的膜从细胞质基质进入细胞器内。蛋白质穿膜运输的靶细胞器界膜中存在一种特殊的蛋白质转运子,其功能是识别蛋白质的分选信号并邦助其穿膜。一般情况下,要穿膜的蛋白质必须呈非折叠状态才能完成穿膜运输,但也有一些蛋白质可以在折叠状态下穿膜。蛋白质从细胞质基质进入内质网、线粒体和过氧化物酶体都采用穿膜运输方式。

(三)小泡运输:细胞器之间通过运输小泡进行的蛋白质运输称为小泡运输。从内质网到高尔基体、从高尔基体一个膜囊到另一个膜囊、从高尔基体到晚期内体和细胞表面以及从细胞表面到溶酶体的蛋白质运输都是通过小泡运输方式来实现的。运输小泡直径为50-100nm,它从一个细胞器以芽生方式形成,小泡内装着运输的蛋白质,小泡膜内装着膜蛋白,当它到达靶细胞器时即与其融合,将蛋白质从一个细胞器运送到另一个细胞器。

蛋白质在细胞内的运输方式是由蛋白质分子上的分选信号决定的。在门控运输时,蛋白质分子上的分选信号与位于核孔复合体部位的相应受体特异结合才能介导主动运输;在穿膜运输时,蛋白质分子上的分选信号必须被靶膜中相应的蛋白质转运子所识别,否则不能穿膜;在小泡运输中,蛋白质分子上的分选信号与运输小泡膜上特殊受体相结合,然后作定向运输。

在科学技术飞速发展的今天,我们可以期待蛋白质组学会有更好的明天。在基础研究方面,近两年来蛋白质组研究技术已被应用到各种生命科学领域。在应用研究方面,蛋白质组学将成为寻找疾病分子标记和药物靶标最有效的方法之一。在技术发展方面,蛋白质组学的研究方法将出现多种技术并存,各有优势和局限的特点,而难以象基因组研究一样形成比较一致的方法。除了发展新方法外,更强调各种方法间的整合和互补,以适应不同蛋白质的不同特征。另外,蛋白质组学与其它学科的交叉也将日益显著和重要,这种交叉是新技术新方法的活水之源,它将成为未来生命科学最令人激动的新前沿。
参考文献:
[1]吴晓滨,彭俊生,李初俊等. 蛋白质组学检测结直肠腺瘤及早期恶变患者血清的差异蛋白质变化及意义[J]. 中国病理生理杂志,2009,25(6):1098-1103;
[2]翟中和,王喜忠,丁明孝主编.---3版.北京:高等教育出版社,2007.8.细胞生物学
[3]夏其昌,曾嵘. 蛋白质化学与蛋白质组学. 科学出版社, 2004,4.
[4]贺福初,蛋白质组研究——后基因组时代的生力军,科学通报,1999, 4.
[5]王大桂,蛋白质工程,化学工业出版社,2002,9
略。。。

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