第八章 蛋白质定位

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1、 1 第八章第八章 蛋白质定位蛋白质定位 根据蛋白质的定位可以将其大致分为两类：膜结合型和非膜结合型蛋白质。每一类都 能继续划分，这取决于蛋白质是否与细胞中特定的结构或特定类型的膜结合。图 8.1 将一 个新合成的蛋白质的可能去向及转运系统在细胞中绘出： 胞质(或可溶的)蛋白质不定位在特定的细胞器中。它们在胞质中合成，并留在原处以独立 的活性中心形式作用于胞质中的代谢物。 大分子的结构可能定位在胞质中的特定位点；例如，中心粒结合的部位最终成为有丝分 裂纺锤体的极。 核蛋白必须由合成位点穿过核膜转运到核内。 胞质细胞器含有在胞质中合成并专一转运到(和穿过)细胞器膜的蛋白质，例如，到线粒体 或(在

2、植物细胞中)到叶绿体(一些线粒体和叶绿体蛋白质在细胞器内合成)。 胞质中含有一系列的膜结构，包括内质网，高尔基体，内吞体和溶酶体。这就是 “网状 内皮系统(Reticuloendothelial system)” 。定位在这些部位的蛋白质插入到 ER 膜上，然后被 高尔基体中的转运系统转运到它们特定的位点。 细胞分泌的蛋白质转运到质膜再穿过它到达外部胞间。它们合成起始与结合在网状内皮 系统的蛋白质相同，但穿过了整个系统而不是停在系统中的特定位点。 图 8.1 蛋白质在细胞中的定位总览： 1. 翻译后转运的蛋白质在核糖体上合成后被释放到胞质中去，具有信号序列的被定位到各个细胞器(如细胞核、线粒体

3、等)中。 2. 翻译和转运同时进行的蛋白(共转运蛋白)在合成过程中与内质网相连，其核糖体是“膜结合型”的。膜结合型蛋白穿过内质网，经过高尔基体，接着跨过细胞膜。如果这些蛋白有驻留信号，则会在此旁路的各个环节中停留，或被定位于各种细胞器(如溶酶体、核内体等)。 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http:/2 非膜结合型蛋白质在核糖体中合成后被释放到胞质中。一些蛋白质以准可溶的形式游 离于胞质中；另一些蛋白质与胞质中的大分子结构结合，例如微丝(Filament)、微管 (Microtubule)和中心粒(Centrio

4、le)等。这种类型也包括核蛋白(通过核孔进入核内)，合成这 种蛋白质的核糖体有时被称为“游离(Free)核糖体” ，因为它们与膜分离。有些蛋白质从核 糖体上释放后停留在胞质中；为了转运到其专一的位点，还需要一个适当的信号，可以使 其组装为大分子结构或被转运系统识别。图 8.2 总结了一些在胞质核糖体上释放蛋白质使 用的信号。 将蛋白质转运到核内也需要蛋白质中的一段短序列。 这些 “核定位信号(Nuclear localization signal)” 使蛋白质能穿过核孔(见后)。 一种决定转运到过氧化物酶体的信号是一 段很短的 C 端序列。 图 8.2 在胞质的游离核糖体上合成的蛋白质被 释放

5、后， 在短的信号序列的指导下被送到指定部 位(SKL:丝-赖-亮)。 图 8.3 “膜结合型”的核糖体上合成的蛋白的 N 端具有在合成的过程中能够进入内质网的氨基 酸序列。这些蛋白或跨细胞膜而出，或定位于 其他部位(KDEL：赖-天冬-谷-亮)。 将蛋白质插入或使其穿过一个膜的过程叫做蛋白质转运(Protein translocation)。蛋白质 与膜结合可以有两种途径。 线粒体和叶绿体蛋白质在游离核糖体上合成；释放到胞质后它们在 N 端的长25 个氨 基酸的序列被细胞器膜上的受体(Receptor)识别， 使其结合在膜上。由于这一过程发生在蛋 白质合成之后所以称为翻译后转运(Post-tr

6、anslational translocation)或简称后转运。 网状内皮系统的蛋白质在合成时进入内质网。这个过程叫做共翻译转运(Co- translational translocation)或简称共转运。由于在这些蛋白质的合成过程中核糖体是与内质PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http:/3 网结合的，在细胞的膜片段上可以找到，所以有时将它们称为“膜结合型” 。 使用 N 末端序列共转运到 ER 或后转运到线粒体或叶绿体的蛋白质具有共同的特点。 N 末端序列在转运过程中被切除。在 N 末端序列中含有一个前导序

7、列(Leader)，在成熟的 蛋白质中不存在。含有前导序列的蛋白质称为前体蛋白质(Preprotein)，是成熟蛋白质的前 体。 通过 N 末端前导序列与膜结合的蛋白质需要一系列信号作用才能到达最终的目的地。 以网状内皮系统为例，蛋白质的最终定位取决于它在内质网和高尔基体中是如何被引导 的。前导序列本身可将蛋白质定位到膜上；这种相互作用使蛋白质穿过膜进入内部。对于 一个膜上的蛋白质来说，还需要另一个信号使其停留在膜内。进入特定的目的地还需要其 它的信号。通过在连续的膜系统中转运寻找其最终目的地的过程称为蛋白质的分选或蛋白 质的运输(Protein sorting or trafficking)

8、，我们将在第 25 章中讨论。 图 8.3 中总结了一些蛋白质的最终定位和信号。有一些信号是定位在膜系统任何部分 都需要的。 这些信号一般都采取短的氨基酸序列的形式， 但也有其它形式的信号。 遵守 “默 认途径(Default pathway)”途径的蛋白质经过 ER 进入高尔基体，再到达质膜。定位在 ER 上的蛋白质在 C 末端具有四聚体肽(KDEL 提供使其从高尔基体回到 ER 的信号)。使蛋白 质进入溶酶体的信号是一种共价修饰：增加特定的糖残基。我们在第 25 章中讨论在这些 位点上的定位。 8.1 有些蛋白的折叠需要分子伴侣有些蛋白的折叠需要分子伴侣 蛋白质的折叠是通过反应表面的相互作

9、用来实现的。这些表面一般包括暴露的疏水侧 链。它们的相互作用形成一个疏水内核。这些表面固有的反应活性说明这个过程一定处于 某种作用的控制之下，否则会发生不正确的相互作用。 一些蛋白质能自发的获得其成熟的构型。将一种蛋白质变性，根据它是否能复性为活 性形式可检验这种蛋白质是否具有这种能力。这种能力被称为自我装配(Self-assemby)。一 种具有自我装配能力的蛋白质能从其它的构型包括在合成起始的条件下折叠或重新折叠 为活性形式。这表明内部的相互作用与正确的构型密切相关。 在另一些情况下，蛋白质可能会采取一种与最终构型不同的稳定构型。这种蛋白质不 能进行自我装配。它们形成正确的结构需要分子伴侣

10、(Chaperone)协助。 分子伴侣是一种能介导蛋白质进行正确地折叠的蛋白质，它能使蛋白质获得正确的构 型。这种过程是通过结合在靶蛋白质在装配过程中暴露的反应表面，并阻止这些反应表面 与其它区域作用产生不正确的构型来完成的。分子伴侣的作用与其说是通过帮助蛋白质正 确折叠完成，还不如说是通过防止蛋白质错误折叠完成的。 我们不清楚哪些特点使蛋白质不需要分子伴侣的协助就能进行自我装配(能在体外进 行自我装配的蛋白质在体内并不一定能进行自我装配，因为在这两种条件下可能会有速率 上的差别，而且在体内还涉及到分子伴侣。但能进行自我装配的蛋白质和必须靠分子伴侣 协助获得正确结构的蛋白质还需要划分)。 分子

11、伴侣能识别不正确蛋白质结构的能力使它在蛋白质结构中行使两种相关的功能： PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http:/4 当蛋白质刚开始合成时，即离开核糖体进入胞质时，它以未折叠的形式存在。当产生的 序列与已合成蛋白质中的区域相互作用时会发生自发的折叠。分子伴侣通过控制活性表面 的可接近性(Accessibility)来影响折叠的过程。这一过程与最初正确的构型的获得有关。 当蛋白质变性时，新的区域会被暴露并获得相互作用的能力。这些相互作用与蛋白质起 始合成时发生错误折叠时的相互作用相同。分子伴侣会识别这些错误折叠的蛋

12、白质。识别 变性的蛋白质，并且帮助其复性或介导其降解都涉及到这一过程。 分子伴侣对寡聚结构的形成和蛋白质跨膜转运可能都有作用。 对蛋白质折叠的控制(或 延迟)是跨膜运输的重要特点。 图 8.4 表明了在进入膜之前蛋白质保持未折叠状态可能是必 要的，这可能是由于跨膜的几何特点决定的：成熟的蛋白质对于进入通道来说太大。分子 伴侣可能会阻止形成不利于跨膜运输的构型；从这种能力来说，它的作用主要是保持蛋白 质未折叠的柔性结构。一旦蛋白质通过了膜，它就需要另一种分子伴侣协助其形成成熟的 构型，这与胞质蛋白质刚从核糖体上合成时需要分子伴侣的帮助相同。蛋白质到达膜上时 采取的形式可能与在核糖体上时采取的形式

13、相同。 图 8.4 蛋白跨膜时紧缩成很窄的一段。 图 8.5 分子伴侣家族有真核和原核两组成员 (Hsp70， Heat shock protein70 系统只在新蛋白质 合成、跨膜和胁迫变性时存在)。 在图 8.5 中总结了两种主要的分子伴侣的特点： Hsp70 系统包括 Hsp70、Hsp40 和 GrpE。它们能作用于新合成的蛋白质、跨膜运输的蛋 白质和在胁迫下变性的蛋白质。 这个系统的名字反应了 Hsp70 蛋白质最初是通过热激(Heat shock)作用的诱导发现的。Hsp70 和 Hsp40 蛋白质都能独立地与其结合底物。 分子伴侣系统由一个很大的寡聚复合体组成。这种寡聚复合体形成

14、的结构可使未折叠的PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http:/5 蛋白质插入(温度升高会使热激蛋白质的产生增加， 这些蛋白质的作用是减小蛋白质在热变 性中被破坏的程度；很多热激蛋白质都是分子伴侣)。 Hsp70 蛋白质家族是普遍存在的。在细菌、真核生物胞质中，内质网、叶绿体中和线 粒体中都有发现。Hsp70 同另两种成分结合行使其功能，在细菌中称为 DnaJ 和 GrpE。图 8.6 说明 Hsp40(DnaJ)首先与核糖体上的新生蛋白质结合。Hsp40 包括一个 J 结构域(根据 DnaJ 命名)，这一结构域与

15、Hsp70 相互作用。Hsp70(DnaK)既与 Hsp40 结合又与未折叠的 蛋白质结合。事实上，有两种相互作用的分子伴侣与蛋白质结合。J 结构域决定相互作用 的专一性并使一种特定的 Hsp40 蛋白质在 Hsp70 家族中挑选出对应分子。 图 8.6 细菌中 DnaJ 帮助 DnaK(Hsp70)结合到肽链上，后者又帮助新生肽链正确折叠，ATP 的水解驱动着构象的变化。GrpE(核苷酸交换因子)后又取代了 ADP，这导致分子伴侣被释放出来。结合与解离在蛋白质折叠过程中周而复始的进行。 Hsp70(DnaK)与 Hsp40(DnaJ)之间的相互作用激活了 Hsp70 的 ATPase 活性。

16、与 ADP 结合的复合物与蛋白质底物结合，并且一直持续到到 GrpE 将 ADP 替换。这种替换造成复 合物的解体，可能是一系列的事件引起，包括 Hsp40(DnaJ)解离，ATP 与 Hsp70(DnaK)结 合，然后 Hsp70 解离。 蛋白质的折叠是经过几轮的结合与解离完成的。当蛋白质的链延长时，Hsp70(DnaK) 可能从一个结合位点上解离接着又重新结合到其它位点，使底物蛋白质的一部分有序地正 确折叠。最后，整个蛋白质从核糖体上释放，并折叠为成熟的构型。 Hsp70 中的不同成员对不同的靶蛋白质起作用。 胞质蛋白质(上皮 Hsp70 和一种相关的 蛋白质叫做 Hsc70)作用于核糖体上的新生蛋白质。ER 中的变种(在高等真核生物中称为 Bip 或 Grp78，在酿酒酵母中称为 Kar2)或在线粒体、叶绿体中都以相同的方式作用，即在 跨膜运输过程中当蛋