细胞内蛋白质的合成以及分选
贵州瓮安二中 张泰军 邹光萍 550400
摘要：蛋白质是生命活动的承担者，生物体绝大部分的生理功能的实现都依赖于蛋白质，蛋白质是生物功能的载体，具有催化、调节、转运、贮存、运动、结构成分、支架作用、防御与进攻等多种功能。因此蛋白质在细胞内的合成成为高中教学的重点内容，在北师大版的高中课程标准实验教科书必修一——分子与细胞中增加了细胞内物质的合成与转运两节的内容，重点讲述了分泌蛋白的形成，实际在生物体中，细胞内合成的蛋白质是多种多样的，为了丰富教学的内容和学生的课外知识，培养学生的逻辑思维和对生物学的兴趣，特把蛋白质的在细胞内的合成作了如下整理。
关键字：蛋白质；合成；加工；分选 前言
核糖体是蛋白质合成的机器，但核糖体在细胞内并不是单独地执行功能，而是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高效的进行肽链的合成。这种具有特殊功能的与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体，在细胞的超薄切片中，不论是附着的核糖体还是游离的核糖体，经常可以看到排列成簇状、环状、串珠状，甚至雪花状等，每种多聚核糖体所包含的核糖体数量是由mRNA的长度决定的，也就是说，mRNA越长，合成的多肽分子量越大，核糖体的数目越多。
图1 多聚核糖体现象
1在粗面内质网上合成加工的蛋白质 1.1 蛋白质的合成
以这种方式合成的蛋白质主要包括
（1）向细胞外分泌的蛋白质：如胰腺细胞分泌的酶、浆细胞分泌的抗体、小肠杯状细胞
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分泌的粘蛋白、内分泌腺分泌的多肽类激素以及胞外基质成分等。
（2）膜的整合蛋白：如细胞膜上的膜蛋白以及内质网、高尔基体和溶酶体上的膜蛋白等。. （3）构成细胞器中的可溶性驻留蛋白：如溶酶体与植物液泡中的酸性水解酶类；内质网、高尔基体中的固有蛋白等。
蛋白质首先在细胞质基质游离的核糖体上合成，指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成的决定因素是蛋白质N端的信号肽，信号肽位于蛋白质的N端，一般有16~26个氨基酸残基，其中包括疏水核心区、信号肽的C端和N端等三个部分。在细胞质中存在一种核糖核酸复合体——信号识别颗粒，当多肽链延伸至80个氨基酸左右，N端的信号肽就与信号识别颗粒结合使肽链的延伸暂时停止，并防止新生肽N端损伤和成熟前的折叠，直至信号识别颗粒与内质网膜上的停泊蛋白（信号识别颗粒受体）结合，核糖体与内质网膜结合。此后，信号识别颗粒脱离信号肽和核糖体，返回细胞质中重复使用，这时一边重新开始延伸一边在信号肽的引导下穿过内质网膜进入内质网腔中肽链开始重新延伸，这是一个耗能的过程。 1.2 蛋白质的修饰与加工
进入内质网的发生的主要化学修饰作用有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。多数寡糖基转移到天冬酰胺残基上的称为N-连接的糖基化，少数的糖基化发生在丝氨酸或苏氨酸残疾上称为o-连接的糖基化。酰基化通常是软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨基残基上，类似的酰基化也发生在高尔基体甚至膜蛋白向细胞转移的过程中。
图2 内质网中发生的N—连接的糖基化修饰
1.3 新生肽的折叠与装配，运输
经过修饰和加工的多肽还需在内质网中进行正确的折叠与装配。内质网中有一种蛋白二硫键异构酶，可以切断二硫键，形成自由能最低的蛋白质构想，以帮助新合成的蛋白质重新
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形成二硫键并处于正确折叠的状态，这种酶的存在大大加快了蛋白质正确折叠的进程。内质网中含有一种结合蛋白（Bip），可以识别不正确折叠的蛋白质或未装配好的蛋白质，并促进它们重新折叠与装配。一旦这些蛋白质形成正确的构想以及装配完成，便于结合蛋白脱离，通过COPⅡ有被小泡的运输，进入高尔基体。
1. 4 高尔基体对蛋白质进行加工、分类、包装与转运
溶酶体中水解酶类、多数细胞膜上的膜蛋白和分泌蛋白都是多糖修饰的糖蛋白，在粗面内质网中主要发生N-连接糖基化，在高尔基体中主要发生O-连接糖基化，在不同的糖基转移酶的催化下，每次加一个单糖。同复杂的N-糖基化连接化一样，最后一步加上唾液酸残基，至此完成全部糖基的修饰与加工。细胞中还有一类重要的糖蛋白，即蛋白聚糖，多为胞外基质的成分，也是在高尔基体中装配完成，它是有一个或多个糖胺聚糖结合到核心蛋白的丝氨酸残基上。高尔基体通过形成网格蛋白有被小泡将加工完成的蛋白质进行包装，向细胞膜、溶酶体和植物液泡运输。
图3 哺乳动物高尔基体进行N—连接的糖基过程
2. 在细胞质基质中合成的蛋白质
N端含有信号序列的蛋白质合成起始后很快就转移到内质网上，在内质网上合成后通过膜泡向高尔基体运输。其他蛋白质的合成均在细胞质基质中完成，并根据自身所携带的信号，分别转运到线粒体、叶绿体、以及细胞核中，也有些蛋白质驻留在细胞质基质中，构成本身的结构成分。
2.1 蛋白质的修饰
在细胞质基质中发生蛋白质修饰的类型主要有： （1）辅基或辅酶与酶的共价结合。
（2）磷酸化或去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性。
（3）糖基化。在细胞质基质中发生的糖基化主要是指在哺乳动物的细胞中把N-乙酰葡萄糖
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胺分子加到蛋白质的丝氨酸残基上。
（4）对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰。这种修饰的蛋白质，如很多细胞骨架蛋白和组蛋白等，不易被细胞内的蛋白水解酶水解，从而使蛋白质在细胞中维持较长的寿命。 （5）酰基化。最常见的一类酰基化的修饰时内质网上合成的跨膜蛋白的通过内质网和高尔基体的转运过程中发生的，把软脂酸共价连接在某些跨膜蛋白暴露在细胞质基质的结构域中；另一类酰基化是将脂肪酸链共价结合在蛋白质的特定位点上，如酪氨酸蛋白激酶。
蛋白质在细胞内的合成过程是复杂的，由于目前对细胞质基质以及高尔基体的研究尚有有一些不明确的地方，因此对于蛋白质在合成与转运的过程中信息的传递不明确，细胞作为生物体结构和功能的基本单位，新陈代谢在这样这一个小巧而精制的机器进行，使得生物完成一项又一项生命活动。
相关习题
1、 已知分泌蛋白的新生肽链上有一段可以引导其进入内质网的特殊序列（图中P肽段 若P肽段功能缺失，则该蛋白 A、无法继续合成 B、可以进入高尔基体 C、可以被加工成熟 D、无法被分泌到细胞外
答案选D
【解析】P肽段的作用是引导在核糖体上合成的多肽链进入内质网，并在内质网中进行初步加工，P肽段位于新生肽链的首端，若P肽段缺失，则在核糖体上合成的肽链不能进入内质网，但并不影响多肽的继续合成，因为多肽的合成是在核糖体上完成的。由于合成的多肽不进入内质网中进行初加工，也就不能以囊泡运输到高尔基体进行再加工，因此也不能以囊泡运输到细胞膜分泌到细胞外。 2、下列有关高尔基体的叙述，错误的是 A、高尔基体膜具有流动性
B、抗体从合成到分泌不经过高尔基体 C、高尔基体膜由磷脂和蛋白质构成 D、高尔基体具有对蛋白质进行加工的功能 答案选B
3、从某腺体的细胞中,提取出附着有核糖体的内质网,放入含有放射性标记的氨基酸的培
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养液中，培养液中含有核糖体和内质网完成其功能所需的物质和条件。很快连续取样,并分离核糖体和内质网。测定标记的氨基酸出现在核糖体和内质网中的情况,结果如图所示。 请分析回答:
(1)放射性氨基酸首先在核糖体上大量累积,最可能的解释是_________________________ (2)放射性氨基酸继在核糖体上积累之后,在内质网中也出现,且数量不断增多,最可能的解释是
___________________________________________________ (3)实验中,培养液相当于细胞中的______________________________ 答案：
(1)氨基酸首先在核糖体上被消耗，即用于合成蛋白质。 (2)蛋白质不断地转运到内质网。内质网是蛋白质的转运通道。 (3)培养液相当于细胞质基质。
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