分子与合成生物学

天津大学化工学院

Different levels of protein production regulation

分子与合成生物学论文

专业：制药工程

班级：一班

学号：3010207307

姓名：申海蛟

2012/11/7

题目：Different levels of protein production regulation 一、引言

一切生命活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命活动的承担者。

蛋白质的作用主要有以下几点：

1、结构蛋白：是构成细胞和生物体结构的重要物质，如肌肉、头发等的成分；

2、催化作用：绝大多数酶的本质是蛋白质；

3、运输作用：具有运输载体的功能，如血红蛋白能运输氧；

4、信息传递作用：调节机体的生命活动，如胰岛素等激素；

5、免疫功能：如人体内的抗体。

不同的蛋白质有不同的作用，蛋白质如此繁多的功能让人体内的蛋白质数以十万计，而构成蛋白质的氨基酸只有20种，那么如此之多的蛋白质究竟是怎么来的，这就是本文主要讨论的内容。

二、正文

右图为中心法则的解析图，清楚地表

现了DNA、RNA和蛋白质三者之间的联

系。由图可知，蛋白质的合成受RNA控

制，RNA的数量决定了蛋白质的数量，而

RNA则是由DNA转录而来，所以说，基

因的多样性决定了蛋白质的多样性，但同

时，蛋白质又对基因的表达有调控作用，

从而形成一个相互制约的系统维持人体

的平衡。

上图是由DNA到有活性的蛋白质的具体流程图，需要表达的基因在调控子的作用下转录出相关mRNA在核糖体内合成多肽链，多肽链需要经过修饰才能具有活性，以下将详细

讲述蛋白质修饰的相关内容。

1、蛋白质的折叠

蛋白质的基本单位为氨基酸，而蛋白质的一级结构指的就是其氨基酸序列，蛋白质会由所含氨基酸残基的亲水性、疏水性、带正电、带负电等等特性通过残基间的相互作用而折叠成一立体的三级结构。虽然蛋白质可在短时间中从一级结构折叠至立体结构，研究者却无法在短时间中从氨基酸序列计算出蛋白质结构，甚至无法得到准确的三维结构。因此，研究蛋白质折叠的过程，可以说是破译“第二遗传密码”——折叠密码（folding code）的过程。

蛋白质折叠机制的理论模型

框架模型

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。

疏水塌缩模型

在疏水塌缩模型中，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。

扩散-碰撞-粘合机制

该模型认为蛋白质的折叠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。

成核-凝聚-生长模型

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。

拼版模型

此模型的中心思想就是多肽链可以沿多条不同的途径进行折叠，在沿每条途径折叠的过程中都是天然结构越来越多，最终都能形成天然构象，而且沿每条途径的折叠速度都较快，与单一途径折叠方式相比，多肽链速度较快，另一方面，外界生理生化环境的微小变化或突变等因素可能会给单一折叠途径造成较大的影响，而对具有多条途径的折叠方式而言，这些变化可能给某条折叠途径带来影响，但不会影响另外的折叠途径，因而不会从总体上干扰多

肽链的折叠，除非这些因素造成的变化太大以至于从根本上影响多肽链的折叠。

格点模型

格点模型（也简称HP模型），最早是由Dill等人1989年提出的。格点模型可分为二维模型和三维模型两类。二维格点模型就是在平面空间中产生正交的单位长度的网格，每个氨基酸分子按在序列中排序的先后顺序依次放置到这些网格交叉点上，在序列中相邻的氨基酸分子放置在格点中时也必须相邻，即相邻氨基酸分子在格点模型中的距离为1。但是需要注意的是，网格中的每个交叉点最多只能放置一个氨基酸分子，如果序列中的某个氨基酸分子已经放置在此位置上，则后序的氨基酸分子就不可以再放置在这个格点上。如果在放置氨基酸分子的过程中出现当前所要放置的氨基酸分子没有位置可以放置了，那就说明该构型是不合理的，需要重新放置。三维格点模型和二维格点模型相似，它是在三维空间中产生的单位长度的立体网格。格点中放置氨基酸分子的方法和二维的相同，但在二维格点模型中放置氨基酸分子时除了序列前两个氨基酸分子外最多只有三个方向可以选择，而在三维格点模型中复杂度提高了很多，放置氨基酸分子最多可以有五个方向可选。

多肽链的折叠除了直接折叠外，还有的会有分子伴侣参与作用。

1987 年Lasky首先提出了分子伴侣的概念。他将细胞核内能与组蛋白结合并能介导核小体有序组装的核质素称为分子伴侣。根据Ellis 的定义，这一概念延伸为“一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份”。热休克蛋白就是一大类分子伴侣。

分子伴侣是细胞中一大类蛋白质，是由不相关的蛋白质组成的一个家系，它们介导其它蛋白质的正确装配，但自己不成为最后功能结构中的组分。

分子伴侣的概念有三个特点：

具有这种功能的蛋白，都称为分子伴侣，尽管是完全不同的蛋白质；

作用机理是不清楚的，故用了“介导”二字，以含糊其辞，“帮助”二字可理解为：通过催化的或非催化的方式，加速或减缓组装的过程，传递组装所需要的空间信息，也可能抑制组装过程中不正确的副反应。

分子伴侣一定不是最终组装完成的结构的组成部分，但不一定是一个分离的实体。如一些蛋白水解酶的前序列，以及一些核糖核蛋白体的加工前的部分，若具分子伴侣的作用，也称为分子伴侣。组装的涵义比较广，主要指：帮助新生肽的折叠、帮助新生肽成熟为活性蛋白、帮助蛋白质跨膜定位、亚基组装等。

蛋白质在折叠过程中同样也会出一些小的错误，那么折叠错误怎么办呢？错误的蛋白质就要被降解掉，不然就会影响人的正常生理功能了。真核细胞内蛋白质的降解主要有溶酶体途径、特殊细胞器的水解系统、细胞膜表面水解系统、Caspase蛋白酶系统和高度保守的泛素一蛋白酶体途径(ubiquitin-proteasome pathway，UPP)。UPP是细胞质和细胞核内依赖于ATP、非溶酶体途径的蛋白质降解通路，高效并高度选择性地降解细胞在应激和非应激条件下产生的蛋白质，尤其是半衰期短的功能蛋白、癌基因产物和变性、变构蛋白等，应急状态下也降解细胞内的结构蛋白。该蛋白水解通路的发现被认为是细胞周期、细胞恶性转化研究的转折点，是十分重要的细胞功能调解因素。

以下以UPP为例讲述蛋白质的降解

U即由泛素、泛素活化酶、泛素结合酶、泛素蛋白连接酶及蛋白酶体组成。泛素是一种高度保守的、由76个氨基酸组成的小分子蛋白质，分子量8.45ku。从胞核到胞质，从生殖细胞到各种体细胞都有广泛的分布，在增殖活跃的肿瘤细胞和胚胎细胞中高表达。泛素C

端甘氨酸梭基在泛素连接酶协助下可与靶蛋白赖氨酸α或ε氨基结合并形成多泛素链，以便于靶蛋白被蛋白水解酶复合体识别和水解。泛素活化酶(EI)催化泛素与蛋白底物结合。当泛素途径被启动后，在ATP参与下，泛素甘氨酸残基的C端与EZ酶的活化位点半胱氨酸间通过硫醋键连接，继而使泛素被活化。泛素结合酶(EZ)在泛素被活化后，活化的泛素转移到泛素结合酶的活化位点半胧氨酸残基上。泛素蛋白连接酶(E3)在决定泛素介导的底物蛋白降解的选择性方面具有重要作用。E3对酶底物具有亲和力并需要与EZ连接将泛素从EZ转移到靶蛋白。在泛素与酶底物结合后，通常都会形成一个多聚泛素链。在该链中，每个泛素单体的C端都与前面泛素的特定赖氨酸残基连接起来。蛋白酶体(Ubp)是催化泛素与底物蛋白藕联体降解的关键酶，包括20 S蛋白酶体和26 S蛋白酶体。20S的α亚基主要用于底物识别而β亚基主要进行底物降解。26S蛋白酶体的作用可能与产生游离肽、游离泛素或可重复利用的泛素有关侧。可见，泛素——蛋白酶体系统的作用由连续的两步组成:①泛素分子与靶蛋白的共价结合;②多聚泛素化的蛋白被26 S蛋白水解酶复合体(proteasome)降解，同时泛素被重新活化。此过程需要El、EZ和E33种酶的协助才能实现，它贯穿于整个细胞的质膜系统，包括细胞膜、内质网到核膜等。

泛素一蛋白酶体途径是真核细胞内重要的蛋白质调控系统，参与调节细胞周期进程、细胞增生与分化，以及信号传导等多种细胞生理过程，因此，细胞内蛋白泛素化降解是蛋白质重要的转录后修饰方式。

2、蛋白质与DNA的结合

蛋白质可以通过与DNA的结合来调控基因的表达。

蛋白质识别有特定序列结构的DNA片段，是基因表达调控机构中最根本的分子事件，也是细胞一些重要的酶对DNA特定部位进行催化加工的专一性的基础。蛋白质利用所谓“识别螺旋”结合到B-DNA的深沟可能有相当的普遍性。“识别螺旋”上的氨基酸侧链与深沟内特定序列的碱基对的外侧面之间的相互作用在极大的程度上决定厂识别过程的专一性。如果用遗传学方法在两个蛋白质之间交换“识别螺旋”，则蛋白质的识别专一性也随之交换。作为一个立体化学规律，如果蛋白质利用“识别螺旋”去结合DNA，那么B型DNA的深沟是最佳的结合部位。

蛋白质与DNA的结合作用可以通过电泳的方法可以验证，由于蛋白质的结合使得DNA 的分子量增大，电泳速度减慢。

3、转录调控因子

生物的遗传信息编写在DNA分子上。在进行基因表达时，基因首先被转录成mRNA，然后翻译成蛋白质。这是生物学中最基本的规律。正是在这个规律基础上，把从微生物到人的各类生物统一成为一个大的生物系统。这种转录和翻译是忠实的.，从而决定了生物的遗传特性。但是基因表达的程序、时间和位置是受不同层次的调控元件所控制的。这种控制机制不仅决定了基因表达的数量，而且决定了基因表达的时、空秩序性。生物的正常生长、发育和分化都是由于基因受控表达的结果。一旦这些调控机制出现差错，就会导致各种病变，甚至产生肿瘤。原核生物基因表达的控制机制研究得比较清楚。真核基因表达的调节控制比原核远为复杂。真核基因表达，在多层次，受多种因子协同调节控制，调控的主要部位在基因的转录水平。关于真核基因转录调控的研究正集中在顺式作用元件和反式作用因子，以及它们的相互作用等方面。

下面用酵母转录调控因子PHO81为例子简单说一下。

PHO81蛋白上的碱性区（88-160）和酸性区（771-810）附近的微小变化可导致rAPase 的表达向组成型转化，且这两个区域是协同作用的，而酸性区的净负电荷的降低能使rAPase

的活力降低。PHO81蛋白中含有6个锚蛋白重复单位。是PHO81蛋白与PHO80-PHO85蛋白复合物的结合区。对锚蛋白重复序列的突变表明锚蛋白重复序列1,2,3,4,5，6对PHO81是十分关键的，而锚蛋白重复序列3的Pro509，Lou510的缺失并不影响PHO81的功能。在PHO81蛋白的701-719位氨基酸残基有一段类似核定位序列的的肽段，相应片段的缺失导致PHO81完全失活。但将该可能的核定位序列的最保守的碱性氨基酸Arg701、Lys702同时变为中性氨基酸（Ser、Gln）导致rAPase的表达大大提高，而将核定位序列中Lys717变为Asn，或将Arg719变为Ser。都不影响PHO81的功能。

另外在蛋白质结合DNA调控中还有一种重要的结构——锌指结构。

锌指是最大的DNA结合蛋白家族,是识别DNA最有效、最成功的一种结构元件。其模块性结构特点及与核酸作用的相对简单性,使其成为研究蛋白-核酸相互作用的理想材料,以及人为设计筛选新的核酸结合蛋白的最佳元件。

锌指是指一套相当广泛的蛋白结构元件,其共同的结构特性是通过结合Zn2+来稳定一

种很短的可以自我折叠的蛋白结构,最初是指在非洲爪蟾转录因子TFIIIA中发现的一段长约30个氨基酸的重复序列。这段序列由保守的半胱氨酸、组氨酸和疏水氨基酸组成,其排列方式为:5OXOCysOX2-5OCys-X3O5OX2OHisOX2-5OHis,其中X为任意氨基酸;5为疏水氨基酸。由于Cys、His是与Zn2+形成配位键的理想配体,他们推测这段30个氨基酸长的序列围绕处于中心的Zn2+以及顺序出现的两个Cys、His进行折叠,形成一种稳定的“指头”型球状结构,而TFIIIA正是利用这些“指头”样结构来“指向”5S RNA基因内部的调节区DNA(此即所谓C2H2型“锌指”)。后来的金属结合光谱实验证实了上述观点,并且在许多其它参与基因调节的蛋白中也发现了类似的、可以结合Zn2+的结构。

三、结语

以上从蛋白质折叠、蛋白质与DNA 结合调控以及转录调控因子三方面简单叙述了一下蛋白质合成调控相关知识，在查阅资料过程中发现很多内容不是可以很透彻的理解，加之时间有限，而且查阅文献年代比较久远，个人总结可能存在诸多错误，以后还要加强相关知识的理解，多关注最新的科技进展。

参考文献：

1、蛋白质折叠和分子伴侣（王志珍）

2、真核基因转录调控因子的研究（敖世洲）

3、酵母转录调控因子PHO81的结构与功能（吴建生徐立敖世洲）

4、锌指结构:最普遍的核酸识别元件（赵志虎马清钧）

5、B-DNA的深沟是蛋白质“识别螺旋”的最佳结合部位（王家槐）

6、泛素-蛋白酶体途径与EBV潜伏蛋白（伍勇综述曹亚审阅）

另外还参考了网上相关的百度、维基百科相关介绍