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1、高级生物化学2011 第5章蛋白质的共价修饰主讲王保莉 第5章蛋白质的共价修饰ProteinCovalentModification 5 1蛋白质的共价修饰5 2蛋白质的可逆磷酸化作用5 3蛋白激酶5 4蛋白磷酸酶5 5蛋白质可逆磷酸化的生物学意义 高级生物化学2011 蛋白质的翻译后修饰 通常是蛋白质在核糖体由RNA翻译出来之后 受到特定的信号的刺激才发生 共价修饰分为两大类 一类是将小分子 或者小的蛋白质通过共价键与蛋白质特定的氨基酸残基结合 另一类是蛋白质主链可以被特定的酶在特定的位置切断 比如MHC复合物识别的短肽段 就需要先利用蛋白酶体将外源的蛋白质切成短肽 蛋白质的共价修饰已经发了
2、四个诺贝尔奖 第一个是1992年发给磷酸化的发现 第二个是2001年CDK Cyclin介导的磷酸化在细胞周期的功能 第三个是泛素化调控蛋白质降解 化学奖 第四个是2002年Caspase介导的蛋白质切割和细胞凋亡 引言 新生多肽链离开核糖体很少是有功能的 多数都必须经过翻译后修饰才会转变为成熟的蛋白质 原核细胞和真核细胞的蛋白质合成分别以甲酰蛋氨酸 fMet 和甲硫氨酸 Met 起始 而成熟蛋白质N 端没有fMet 很少为Met 因为在肽链合成尚未完成时N 端已被去甲酰基酶和氨肽酶修饰过 分泌蛋白和膜蛋白以及线粒体和叶绿体蛋白均以前体形式合成 N 端的信号序列在分拣运输中已被切除 许多蛋白质
3、要分别经过甲基化 羟基化 糖基化 羧基化 磷酸化 乙酰化 脂酰化和异戊烯基化等共价修饰 本章将重点介绍蛋白质可逆磷酸化作用 新合成多肽链加工 原核生物和真核生物的一些新生蛋白质都需要经过翻译后修饰的一次或多次加工反应才最终获得具有生物活性的构象 包括 氨基末端和羧基末端的修饰信号序列的切除个别氨基酸的修饰糖类侧链的连接异戊二烯基团的添加辅基的加入蛋白酶的加工二硫键的形成 个别氨基酸的修饰 羧基谷氨酸三甲基赖氨酸甲基谷氨酸 糖蛋白中常见的糖 肽连接键 以GalNAc和GlcNAc为例GalNAc 乙酰氨基半乳糖GlcNAc 乙酰氨基葡萄糖 辅基的加入 共价连接的辅基是许多原核和真核蛋白质发挥活性
4、所必需的 乙酰CoA羧化酶的生物素和细胞色素c中的血红素基团 乙酰辅酶A羧化酶 acetyl CoAcatboxylase 催化 乙酰CoA ATP HCO3 丙二酰CoA ADP Pi生物素酶 FIGURETheacetyl CoAcarboxylasereaction Acetyl CoAcarboxylasehasthreefunctionalregions biotincarrierprotein gray biotincarboxylase whichactivatesCO2byattachingittoanitrogeninthebiotinringinanATP dependen
5、treaction andtranscarboxylase whichtransfersactivatedCO2 shadedgreen frombiotintoacetyl CoA producingmalonyl CoA Thelong flexiblebiotinarmcarriestheactivatedCO2fromthebiotincarboxylaseregiontothetranscarboxylaseactivesite asshowninthediagramsbelowthereactionarrows Theactiveenzymeineachstepisshadedbl
6、ue 蛋白酶的加工 许多蛋白质的初始合成产物很大 这种无活性的蛋白质前体经蛋白酶的作用 产生较小的有活性的蛋白质 例如 胰岛素 一些病毒蛋白质 胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶 蛋白酶切的酶原激活 胰凝乳蛋白酶原 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 肠肽酶 5 1蛋白质的共价修饰 5 1 1蛋白质前体的加工性部分水解5 1 2氨基酸残基的修饰5 1 3蛋白质与脂类共价结合5 1 4泛素化及泛素样修饰5 1 5组蛋白的共价修饰 5 1 1蛋白质前体的加工性部分水解 酶原的激活 前体在分拣运输中发生裂解切去N 端的信号序列 动物细胞内有多种加工性蛋白酶 如弗林蛋白酶 furin 和前激素转换酶PC1 PC2 PC3 能识
7、别前体分子中的双碱性序列 RR KR KK 等 从其羧基一侧切断肽链 furin负责细胞中组成型表达的蛋白前体加工PC1 PC2 PC3负责受调控的激素前体的切割加工 前体蛋白转化酶 proproteinconvertases PC 切割前体蛋白 促进前体蛋白获得生物活性的一类同源蛋白 1 Furin蛋白酶 结构特点和特性 1989年发现 由794个氨基酸组成的I型跨膜蛋白 一种广泛存在的类似枯草杆菌蛋白酶的蛋白质前体转化酶 分泌途径的主要加工酶 定位于高尔基体反面的网状结构部位 底物包括 凝血因子 血清蛋白和生长因子受体 如 IGF受体 最短的切割识别位点 Arg X X Arg 倾向作用于
8、Arg X Lys Arg Arg位点 Furin活性受EGTA 1 抗胰蛋白酶硅酸盐和聚精氨酸化合物抑制 I型跨膜蛋白 一次跨膜 多肽链的N端在胞膜外 C端在胞内 2 胰岛素 insulin 胰岛素在 细胞中以前胰岛素原的形式合成 进入ER Golgi系统中先切去N 端的信号肽 重排二硫键 形成正确折叠的胰岛素原 在分泌小泡中由PC2和PC3切去中间的C肽 产生的A链与B链由两个二硫键相连 再切去B链C 端两个精氨酸 成为成熟的胰岛素 C肽含有指导胰岛素原正确折叠的信息PC2和PC3的加工可能与调控胰岛素分泌有关 Inbetacells insulinissynthesizedfromthe
9、proinsulinprecursormoleculebytheactionofproteolyticenzymes knownasprohormoneconvertases PC1andPC2 aswellastheexoproteasecarboxypeptidaseE Thesemodificationsofproinsulinremovethecenterportionofthemolecule ie C peptide fromtheC andN terminalendsofproinsulin Theremainingpolypeptides 51aminoacidsintotal
10、 theB andA chains areboundtogetherbydisulfidebonds disulphidebonds Insulin Synthesisandpost translationalmodification Effectofinsulinonglucoseuptakeandmetabolism Insulinbindstoitsreceptor 1 whichinturnstartsmanyproteinactivationcascades 2 Theseinclude translocationofGlut 4transportertotheplasmamembr
11、aneandinfluxofglucose 3 glycogensynthesis 4 glycolysis 5 andfattyacidsynthesis 6 脑垂体细胞合成的前阿片促黑皮质素 POMC 在垂体前叶中被加工成 促脂解素 LPH 和促肾上腺皮质激素 ACTH 在垂体中间叶则被加工成 促黑素 MSH LPH 内啡肽和中间叶促皮质样肽 CLIP 通过组织专一的加工 一个基因编码的前体在不同组织中按严格的比例产生多种不同的生理活性产物 具有重要的生理意义 Pro opiomelanocortin前阿黑皮素LPH 脂肪酸释放激素 lipotropichormone lipotropin
12、 CLIP Corticotropin likeintermediatepeptideACTH AdrenocorticotropichormoneMSH Melanocyte stimulatinghormoneEndorphin 内啡肽 3 多蛋白前体的水解裂解 垂体前叶 垂体中间叶 在垂体前叶 促黑素 MSH 促脂解素 LPH和促肾上腺皮质激素ACTH 在垂体中间叶 促黑素 MSH 中间叶促皮质样肽CLIP 促脂解素 LPH和 内啡肽 4 蛋白质剪接 proteinsplicing 外显肽 exteins 和内含肽 inteins 蛋白质剪接是蛋白质内含肽介导的 一种在蛋白质水平上翻译后
13、的加工过程 它由一系列分子内的剪切 连接反应组成 蛋白质内含肽是一个蛋白质前体中的多肽序列 可以催化自身从蛋白质前体中断裂 使两侧的蛋白质外显肽连接成成熟的蛋白质 Seriesofreactionscatalyzedbyinteinstosplicethemselvesoutofapolypeptidechain 1 AttackbytheN terminalinteinresidue Ser Thr orCys showninFig asSer onitsprecedingcarbonylgroup yieldingalinear thio esterintermediate 线性酯中间物2
14、 Atransesterification酯交换reactioninwhichthe OHor SHgroupontheC extein sN terminalresidue showninFig asSer attackstheabove thio esterlinkage therebyyieldingabranchedintermediateinwhichtheN exteinhasbeentransferredtotheC extein 分支中间物 3 CleavageoftheamidelinkageconnectingtheinteintotheC exteinbycyclizat
15、ionoftheintein sC terminalAsnorGln showninFig asAsn 通过内含肽C 端AsnorGln的环化打开连接外显肽的酰胺键4 Spontaneous自发rearrangementofthe thio esterlinkagebetweentheligatedexteinstoyieldthemorestablepeptidebond 5 1 2氨基酸残基的修饰 1 乙酰化2 甲基化3 酰胺化4 羧基化 1 乙酰化 人体内约50 左右的蛋白质末端氨基被乙酰化 以延长其在细胞内的半寿期 是细胞内蛋白质翻译后修饰的一种重要形式 蛋白质乙酰化修饰类型 N端氨基
16、酸修饰 N末端 乙酰化通常是翻译中同时发生的 一般发生在新生肽链大约40个残基长的时候 由NAT N 乙酰转移酶 催化 赖氨酸 氨基乙酰化修饰组蛋白乙酰化修饰位点其他氨基酸的乙酰化修饰丝氨酸和苏氨酸侧链的羟基可以被乙酰化修饰 AcetylCH3 C O 在甲基转移酶催化下 在赖氨酸或精氨酸侧链氨基上进行的甲基化 甲基化增加了立体阻力 并且取代了氨基的氢 影响了氢键的形成 甲基化可以调控分子间和分子与目标蛋白的相互作用 肌动蛋白 钙调素 细胞色素c等少数几个蛋白中发现组氨酸的N 3和赖氨酸 氨基可被甲基化 甲基由S 腺苷基蛋氨酸转移至组织蛋白是由组织蛋白甲基转移酶所催化 蛋白质甲基化是其中一种后翻译修饰 2 甲基化 3 酰胺化 有些蛋白质的羧基端的甘氨酸被酰胺化 以免被羧肽酶降解 反应分为两步 先是甘氨酸羟基化 然后脱去1分子乙醛酸 并产生新的酰胺化羧基端 有些蛋白质N 端谷氨酸残基的氨基可与其 羧基脱水形成焦谷氨酸 以消除N 端氨基 NH2 CH R1 CO NH CH2 COOHNH2 CH R1 CO NH CH OH COOH甘氨酸羟基化NH2 CH R1 CO NH2 CHO
