生物學(xué)課件15基因表達與蛋白質(zhì)的生物合成02

1、一種基因調(diào)節(jié)蛋白可協(xié)調(diào)幾個不同基因的表達 幾個基因各有不同的基因調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合到基因調(diào)節(jié)區(qū)上，然而這些結(jié)合蛋白本身只有再結(jié)合另外的基因調(diào)節(jié)蛋白才能激活轉(zhuǎn)錄。,所有水溶性激素，如多肽激素等，先與細胞表面的專一受體(對各自特定的激素具有高度的特異識別能力和親和力)相結(jié)合，形成激素受體復(fù)合物，激活位于細胞膜上與受體相連接的效應(yīng)器，通過對DNA的調(diào)控最終影響蛋白質(zhì)合成，產(chǎn)生一定的生理和生化反應(yīng)。,水溶性的激素,（cAMP依賴性蛋白質(zhì)激酶）,胰高血糖素激活糖原分解的反應(yīng)過程圖解,糖原分解,真核生物中蛋白質(zhì)合成的調(diào)控 小 結(jié),1、基因轉(zhuǎn)錄與核小體結(jié)構(gòu),(一)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達調(diào)控,2、組蛋白和非組蛋白對轉(zhuǎn)

2、錄的調(diào)節(jié),(二) 真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié),1、順式作用元件的調(diào)控,2、反式作用因子的調(diào)控, 轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物,遠距離的調(diào)控轉(zhuǎn)錄,3、調(diào)控蛋白質(zhì)與DNA的相互作用對基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控,(1) 調(diào)控因子與DNA的相互作用,(2) 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的結(jié)構(gòu)特征,DNA結(jié)合功能域 轉(zhuǎn)錄激活功能域 結(jié)合其它因子的功能域,通用轉(zhuǎn)錄因子 基因激活蛋白 基因抑制蛋白,啟動子 CAAT框等 增強子 沉默子,直接或間接作用于DNA,(六) 真核基因表達的激素調(diào)節(jié),(四) 蛋白質(zhì)合成的翻譯水平的調(diào)節(jié),mRNA的穩(wěn)定性 mRNA非翻譯區(qū)的結(jié)構(gòu)與翻譯調(diào)控,1、甾類激素,胞質(zhì)受體 核內(nèi)受體,2、水溶性的激素,表面受體,(三) 蛋白質(zhì)合

3、成的轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié),RNA剪接 5末端加上m7G帽 3末端加上polyA尾 RNA編輯,(五) 蛋白質(zhì)合成的翻譯后水平的調(diào)節(jié),信號肽的切除 化學(xué)修飾 加工、切割 蛋白質(zhì)的壽命控制,一、蛋白質(zhì)合成后的去向和命運,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,二、蛋白質(zhì)運輸?shù)男盘柪碚?三、分子伴侶在蛋白質(zhì)折疊和運轉(zhuǎn)中的作用,四、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑的蛋白質(zhì)合成及其命運,五、游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)的歸宿,六、蛋白質(zhì)的降解,一、蛋白質(zhì)合成后的去向和命運,（一）蛋白質(zhì)合成的定位,一類是由細胞質(zhì)溶質(zhì)內(nèi)游離核糖體合成的蛋白質(zhì)：,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,另一類是由附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體合成的蛋白質(zhì)：,其合成與轉(zhuǎn)運同時進行，此運轉(zhuǎn)方式

4、稱為共翻譯轉(zhuǎn)移 !,其從核糖體上合成后釋放出來再行轉(zhuǎn)運，為翻譯后轉(zhuǎn)移 !,真核細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成部位,內(nèi)質(zhì)網(wǎng),合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白的mRNA與核糖體結(jié)合到RER膜上,細胞質(zhì)溶質(zhì)中的 游離多核糖體,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,蛋白質(zhì)合成結(jié)束后，核糖體亞基解離，返回細胞質(zhì)溶質(zhì)中的核糖體亞基公用庫,細胞質(zhì)溶質(zhì)中的 核糖體亞基公用庫,RER膜上的 結(jié)合多核糖體,合成細胞質(zhì)溶質(zhì)蛋白的mRNA與核糖體仍留在細胞質(zhì)溶質(zhì)中,(1) 非定位性的細胞質(zhì)溶質(zhì)蛋白：駐留在細胞質(zhì)溶質(zhì)中； (2) 定位性的細胞質(zhì)溶質(zhì)蛋白：定位于細胞質(zhì)的特定位置，如中心粒和中心粒周物質(zhì)； (3) 核定位蛋白； (4) 半自主性細胞器組成蛋白。,1

5、. 游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)：,（二）蛋白質(zhì)合成后的去向及其命運,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,(1) 運往細胞外的分泌蛋白； (2) 進入溶酶體腔形成溶酶體酶等； (3) 留在或運回RER腔中的網(wǎng)質(zhì)蛋白; (3) 插入到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中，并隨膜流進入內(nèi)膜系統(tǒng)各區(qū)和質(zhì)膜，形成它們的結(jié)構(gòu)成分。,2. 糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上核糖體所合成的蛋白質(zhì)：,RER核糖體上的蛋白質(zhì)合成,分泌蛋白,溶酶體,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,一般，核糖體上所合成蛋白質(zhì)的氨基酸序列中均含有分揀信號(sorting signal)決定它們的去向和最終定位 這種依靠氨基酸序列中的分揀信號決定蛋白質(zhì)的去向和最終定位的分揀機制稱為蛋白質(zhì)分揀(prot

6、ein sorting)。 具有專一分揀信號的蛋白質(zhì)可以被運送到細胞內(nèi)的各個不同部位；而缺乏分揀信號的蛋白質(zhì)則一直保留在細胞質(zhì)溶質(zhì)中。,（三）蛋白質(zhì)運送的幾種機制,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,1. 孔門運輸(gated transport)：細胞核、質(zhì)間的蛋白質(zhì)運輸。 2.跨膜運輸：是通過結(jié)合在膜上的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運子(protein transportor)直接穿膜把蛋白質(zhì)從細胞質(zhì)溶質(zhì)運送到細胞內(nèi)的不同部位。必須先去折疊(unfolding)。 3.膜泡運輸：經(jīng)過運輸膜泡的過渡，把蛋白質(zhì)從一個區(qū)間運送到另一個區(qū)間。,具有分揀信號的蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)區(qū)間的運送大體有3種不同的基本途徑：,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細

7、胞定位,1. 孔門運輸(gated transport)：,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,2. 跨膜運輸：,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,3. 膜泡運輸：,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,二、蛋白質(zhì)運輸?shù)男盘柪碚?（一） 信號學(xué)說,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,細胞質(zhì)中共同的 核糖體庫亞基 (60S, 40S),游離在細胞質(zhì)溶質(zhì)中,附著在RER和核膜外表面,（以60S亞基附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的外表面上）,在進行翻譯時 臨時裝配而成,?,1971年, G. Blobel和D.Sabatini首先對此提出了有關(guān)分泌蛋白合成機制的信號假說(signal hypothesis)。,1975年，Blobel成功地破譯了第一個信號

8、肽序列，同時還提出在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上存在允許多肽鏈通過的通道，證實了那些被分泌到細胞外的蛋白質(zhì)都將經(jīng)過通道進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。 1980s初，又發(fā)現(xiàn)了信號識別顆粒及其受體。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,信號假說的要點：,1、分泌蛋白的編碼mRNA普遍帶有信號序列，即在緊接起始密碼子之后有一段編碼疏水性氨基酸的序列，稱為信號密碼子。信號密碼子序列的翻譯產(chǎn)物是信號肽(signal peptide)，長度為1030個氨基酸不等。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,2、在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中存在著一種蛋白質(zhì)翻譯耦聯(lián)易位系統(tǒng)，它與合成分泌蛋白的核糖體結(jié)合到糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上密切相關(guān)。,已發(fā)現(xiàn)在這個系統(tǒng)中有兩種成分：信號識別顆粒 (si

9、gnal recognition particle, SRP)和信號識別顆粒受體(SRP receptor)。,SRP是11S的核糖核蛋白復(fù)合物，由6條不同分子量的多肽鏈和1條7S scRNA組成。,7S,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,核糖體A site 結(jié)合部位,SRP存在于細胞質(zhì)中，它的一端分別有與多肽鏈上信號肽結(jié)合的部位以及與SRP受體結(jié)合的部位；另一端則可與核糖體(A site)結(jié)合。,當(dāng)信號序列一從核糖體上伸出，SRP就結(jié)合上去，翻譯活動暫停。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,信號肽 結(jié)合部位,SRP受體結(jié)合部位,核糖體A位結(jié)合部位,SRP受體實際上是插在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的一種停泊蛋白(dock

10、ing protein, DP)，由嵌入膜內(nèi)的疏水部分和暴露于細胞質(zhì)的親水部分兩部分組成。,SRP受體對7S RNA有識別能力,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,3、在RER膜上還存在有核糖體受體，為插在RER膜上的一種整合蛋白。核糖體通過與核糖體受體結(jié)合而結(jié)合到RER膜上。 核糖體與核糖體受體結(jié)合后，SRP與SRP受體脫離， SRP參與再循環(huán)。肽鏈合成又可繼續(xù)進行。,4、信號肽穿膜并整合到RER膜上，介導(dǎo)新生肽鏈沿蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運體穿膜進入RER腔內(nèi)。,遇到終止密碼子后，核糖體大小亞單位解離，并從RER膜中的核糖體受體上及mRNA上脫離下來，肽鏈合成結(jié)束。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,核糖體-mRNA-信號

11、識別顆粒復(fù)合體結(jié)合到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜之后，大多數(shù)位于可溶性蛋白氨基末端的信號肽序列還附帶有開啟轉(zhuǎn)移通道的功能，而且在合成的多肽鏈完全穿過膜之前，信號肽序列一直結(jié)合在通道上,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,5、ER膜內(nèi)表面的信號肽酶將信號肽切除，使整個肽鏈游離于RER腔中。,20世紀90年代初，Blobel又以確鑿的實驗證據(jù)進一步證明，在RER膜上存在允許多肽鏈穿過的蛋白質(zhì)通道,通道的直徑只有2nm左右，所以蛋白質(zhì)跨膜時必須去折疊以線性方式通過膜。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,通道關(guān)閉,通道開放,通道關(guān)閉,G. Blobel因此項創(chuàng)見而榮獲1999年諾貝爾獎！,信號假說 (signal hypothesis),

12、信號學(xué)說 (signal theory),當(dāng)帶有新生多肽鏈的核糖體結(jié)合到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜時，膜上的蛋白質(zhì)通道開放，信號肽引導(dǎo)新生肽鏈穿過這一通道；蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移完成，核糖體從膜上移走之后，通道關(guān)閉。,信號學(xué)說 (signal theory)要點,1、信號肽（由信號密碼子編碼） 2、信號識別顆粒 / 信號識別顆粒受體 3、核糖體受體（核糖體親和蛋白） 4、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運通道 / 信號肽引導(dǎo)新生肽鏈穿過通道 5、信號肽酶（合成結(jié)束后切除信號肽）,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,English,Chinese,被運輸?shù)牡鞍踪|(zhì)一般都帶有分揀信號(sorting signal)，它可被細胞器上的受體蛋白所識別。 分揀信號是一

13、段連續(xù)的氨基酸序列，長達15-60個氨基酸。蛋白質(zhì)運送到目的后，分揀信號的任務(wù)即完成，信號序列就被相應(yīng)的蛋白酶切去。這樣的分揀信號通常也叫做信號序列或引導(dǎo)序列(signal seguence或leader sequence)。 不同類型的信號序列可引導(dǎo)蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)達到不同的目的地。,（二）指導(dǎo)蛋白質(zhì)定位運轉(zhuǎn)的信號序列,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,幾種典型的分揀信號序列(前導(dǎo)序列),第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,核輸入信號,核輸出信號,線粒體輸入信號,質(zhì)體輸入信號,微體輸入信號,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留信號,信號肽,信號序列具有指導(dǎo)一種蛋白質(zhì)定位到細胞內(nèi)特定部位所需要的全部信息。如把進入RER的N-端信號肽連接到

14、細胞質(zhì)溶質(zhì)蛋白的起始端，就會使該蛋白質(zhì)改變輸方向，轉(zhuǎn)運而進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。,通常，專一定位于相同目的地的一些信號序列，即使在組成上有所不同，但卻可具有相同的功能。這是因為，信號序列的一些物理性質(zhì)，如疏水性、帶電荷氨基酸所在的位置等狀況，要比氨基酸序列的精確性更重要。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,1987年R. J Ellis便把凡是能夠促進其它蛋白質(zhì)正確折疊和組裝的一類蛋白質(zhì)分子統(tǒng)稱為分子伴侶(molecular chaperone)。,三、分子伴侶在蛋白質(zhì)折疊和運轉(zhuǎn)中的作用,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,Definition: A large group of unrelated protein fam

15、ilies whose role is to stabilize unfolded proteins, unfold them for translocation across membranes or for degradation, and/or to assist in their correct folding and assembly.,MOLECULAR CHAPERONES,Main role: They prevent inappropriate association or aggregation of exposed hydrophobic surfaces and dir

16、ect their substrates into productive folding, transport or degradation pathways.,分子伴侶定義：在蛋白質(zhì)折疊和組裝過程中，能夠防止 多肽鏈鏈內(nèi)和鏈間的錯誤折疊或聚集作用，且還可以破 壞多鈦鏈中已形成的錯誤結(jié)構(gòu)并幫助其正確折疊，但其 自身并不參加最終產(chǎn)物的組成的一類蛋白質(zhì)分子。,Molecular chaperones interact with unfolded or partially folded protein subunits, e.g. nascent chains emerging from the r

17、ibosome, or extended chains being translocated across subcellular membranes. They stabilize non-native conformation and facilitate correct folding of protein subunits. They do not interact with native proteins, nor do they form part of the final folded structures. Some chaperones are non-specific, a

18、nd interact with a wide variety of polypeptide chains, but others are restricted to specific targets. They often couple ATP binding/hydrolysis to the folding process. Essential for viability, their expression is often increased by cellular stress.,Properties,分子伴侶是進化上相當(dāng)保守的一類蛋白質(zhì)家族，目前已被確認的有熱休克蛋白Hsp60、H

19、sp70和Hsp90等。它們廣泛分布于原核細胞和真核細胞的細胞質(zhì)、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。,（一）分子伴侶的類別,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,熱休克蛋白家族的這幾種成員都是恒定型表達的蛋白，為細胞正常生長和增殖所必需。它們不僅在熱激反應(yīng)中表達，而且在其它多種非生理條件的環(huán)境中也可合成。,甚至在非熱休克細胞中也存在著由熱休克基因shp編碼的類似蛋白質(zhì)。,幾種主要的分子伴侶家族及在不同類型細胞中的分布,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,Hsp70是進化上最保守的蛋白質(zhì)之一。Dnak是Hsp70家族中首先被確定的成員，它分子量為70 kDa，由兩個結(jié)構(gòu)域組成：一個是N端分子量為44kDa高度保守的ATPase結(jié)合功

20、能域，另一個是25 kDa的C端區(qū)域。,（二） 分子伴侶的基本結(jié)構(gòu)和作用機理,1、Hsp70分子伴侶系統(tǒng),第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,Hsp70家族中3個成員的功能域結(jié)構(gòu)示意圖 殘基數(shù)表示各功能域的邊界。Dnak中的第386-392殘基組成ATPase功能域和底物結(jié)合功能域之間的連接。GrpE中第86-88殘基是長的N-端螺旋斷裂，此處可與Dnak相互作用,Dnak,GrpE,DnaJ,Hsp70的主要功能是防止蛋白質(zhì)聚集和協(xié)助折疊錯誤的蛋白質(zhì)重新折疊。此外它還有另外一些作用：,協(xié)助某些新翻譯出的蛋白質(zhì)折疊； 引導(dǎo)蛋白質(zhì)穿過細胞器膜轉(zhuǎn)運； 使寡聚蛋白質(zhì)解裝配； 促進不穩(wěn)定蛋白質(zhì)降解； 調(diào)控折疊了

21、的調(diào)節(jié)蛋白(包括轉(zhuǎn)錄因子)的生物活性。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,Hsp60在不同的生物中有不同的名稱，在線粒體中稱為Hsp60；在脊椎動物的細胞質(zhì)溶質(zhì)中的稱為TCP-1，而在細菌中的則稱為Gro EL 。,2、Hsp60伴侶蛋白系統(tǒng),第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,Hsp60樣分子伴侶結(jié)構(gòu)電鏡圖 左為經(jīng)負染的HSP60顆粒群；右為根據(jù)電解圖象用計算機描繪的單個Hsp60 顆粒三維復(fù)型模型,根據(jù)X-射線衍射對結(jié)構(gòu)進行測定，GroEL是由14個亞基組成的寡聚體(EM下呈球形顆粒狀)，這些亞基排列成方向相反的兩個環(huán)(每個環(huán)由7個亞基組成)。兩個環(huán)彼此背靠背相接，構(gòu)成具有中央空腔的筒狀結(jié)構(gòu)(腔直徑約4.5

22、nm)。,GroEL形成一雙環(huán)寡聚體，每一環(huán)是由7個亞基圍成 兩個環(huán)背靠背地構(gòu)成一個中空的圓筒，下圖為筒的頂面觀,在大腸桿菌的GroEL(伴侶蛋白, chaperonin)和GroES (輔伴侶蛋白, co-chaperonin)相互作用中，底物蛋白與GroEL周期性地結(jié)合與釋放。在每次結(jié)合期間，底物蛋白發(fā)生折疊，直到底物蛋白獲得其天然構(gòu)象后，GroES 才與GroEL解離，底物蛋白被釋放(依賴于ATP水解)。,體外和體內(nèi)研究均證實：GroEL和GroES在蛋白質(zhì)折疊過程中可以防止形成聚集物，提高底物蛋白的正確折疊率。,GroEL雙環(huán)背靠背地組合成一中空圓筒，GroES形成一圓帽蓋在筒的一端

23、蛋白質(zhì)底物結(jié)合到遠環(huán)的腔中發(fā)生折疊,至于輔伴侶蛋白GroES的作用，除可以提高GroEL結(jié)合和催化ATP水解的協(xié)同性外，它與GroEL的結(jié)合還有促進底物蛋白釋放的作用。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,真核生物中的Hsp60與原核生物中GroEL的結(jié)構(gòu)和功能基本類似。,Hsp70對新生蛋白質(zhì)表面的小識別斑有識別能力，它先與蛋白質(zhì)作用。隨后Hsp70對尚未正確折疊的蛋白質(zhì)再進一步加工折疊，使其成為具有正確折疊的蛋白質(zhì)。在這些作用過程中Hsp蛋白通過水解ATP變化，發(fā)生與蛋白質(zhì)結(jié)合和分離的周期變化。,Hsp70和Hsp60相互配合對新生蛋白質(zhì)正確加工折疊的示意圖,Hsp70在 蛋白質(zhì)向線粒體中輸入的作用

24、示意圖 信號肽插入后，肽鏈隨之通道穿過雙層膜伸入基質(zhì)，Hsp70將肽鏈拽入基質(zhì),一個新生多肽鏈要依賴于一個或多個分子伴侶的依次作用，最后才能折疊成有特定三維結(jié)構(gòu)并具有生物功能的蛋白質(zhì)分子 ！,在細胞質(zhì)溶質(zhì)中游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)，除有些貯留在細胞質(zhì)溶質(zhì)中外，其它均需運送到細胞內(nèi)的各種細胞器中。,（三）分子伴侶在蛋白質(zhì)定位和跨膜運轉(zhuǎn)中的作用,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,前體蛋白在運送時必須保持其伸展構(gòu)象，并不得聚集變性和降解，以便向細胞器中運輸。,這些轉(zhuǎn)運到線粒體、質(zhì)體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等固定空間的蛋白質(zhì)，都是以未折疊或部分折疊的構(gòu)象穿過膜到達其行使功能的部位。,分子伴侶不僅能防止新生蛋白的折疊，還能參與

25、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)移過程，并幫助線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中新輸入的蛋白質(zhì)正確折疊成一定構(gòu)象。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,四、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑的蛋白質(zhì)合成及其命運,(一)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上核糖體合成的蛋白質(zhì)及其特點,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,細胞質(zhì)溶質(zhì)內(nèi) 游離核糖體,RER外膜上 核糖體,細胞內(nèi)特定部位,分泌到細胞外,分泌蛋白,蛋白質(zhì)的 起始合成,在RER膜上核糖體合成的蛋白質(zhì)有兩種類型：即跨膜蛋白(transmembrane protein)和水溶性蛋白。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,跨膜蛋白通常只是部分穿膜，插入膜中成為膜蛋白，多數(shù)隨膜流轉(zhuǎn)變成質(zhì)膜或其它細胞器的膜成分。 水溶性蛋白則完全穿過釋放到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中， 這些不同的新生

26、蛋白質(zhì)除一小部分存留于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中外，大部分都要通過膜腔外運，進入其它細胞器腔或排到細胞外。如血漿蛋白和一些蛋白酶原等。,盡管RER核糖體所合成蛋白質(zhì)的命運有所不同，但它們在合成和運送中都具有某些共同的特點：,它們都具有相同類型的信號肽，能指導(dǎo)它們同RER膜結(jié)合，并穿過RER膜進入RER腔； 這些蛋白質(zhì)的穿膜過程和多肽的延伸相結(jié)合，翻譯與轉(zhuǎn)移同步進行，是以共翻譯轉(zhuǎn)移(co-translational translocation)的形式完成蛋白質(zhì)的合成過程。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,（二） 可溶性蛋白質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)移,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,信號學(xué)說 (signal theory),分泌蛋白的生

27、物最初也是在游離核糖體上開始合成的,進入RER的蛋白質(zhì)除釋放到RER腔內(nèi)的以外，還有些是嵌入到膜中的跨膜蛋白：,（三）膜整合蛋白的定位機制,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,其肽鏈中一些片段必須穿過脂雙層； 而另外的一些片段則保留在膜中。,像可溶性蛋白一樣，跨膜蛋白的開始轉(zhuǎn)移也為信號肽序列所起動。,但這一轉(zhuǎn)移過程可被肽鏈中的第二個疏水氨基酸序列停止-轉(zhuǎn)移序列(stop-transfer sequence)所阻斷，使肽鏈不能再繼續(xù)進入膜中。在進入轉(zhuǎn)移通道后便橫移到脂雙層中，并形成一個-螺旋狀的跨膜片段，把蛋白質(zhì)鎖定在膜內(nèi)。,同時，N-端信號肽也從通道釋放到脂雙層內(nèi)并被切除。,轉(zhuǎn)移的蛋白質(zhì)便被作為一個跨膜

28、蛋白定向插入膜中，氨基端朝向脂雙層的腔內(nèi)側(cè)，而羧基端則朝向胞質(zhì)側(cè)。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,跨膜蛋白整合到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中的變化機制示意圖,Cytosol,RER Lumen,有些跨膜蛋白的轉(zhuǎn)移起動，是靠一個內(nèi)部信號序列而不是氨基末端的信號序列，但這些內(nèi)部信號序列并不被切除。,內(nèi)部信號序列,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,有些跨膜蛋白中的疏水信號序列成對行動的組成形式可使肽鏈來回反復(fù)穿過脂雙層。這種情況下，一個內(nèi)部信號序列用來起始轉(zhuǎn)運，另一個是停止轉(zhuǎn)運序列。,具有內(nèi)部信號的肽鏈整合到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中的兩次穿膜蛋白,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,起始轉(zhuǎn)移序列與蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運體結(jié)合后，一直等到一個停止轉(zhuǎn)移序列進入轉(zhuǎn)運體時

29、，這兩個-螺旋的疏水序列才被釋放到脂雙層中，形成2次穿膜的跨膜蛋白。,多次穿膜蛋白視紫紅質(zhì)(rhodopsin)嵌入RER膜示意圖,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,已轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的多肽鏈經(jīng)進一步折疊、組裝和修飾后，它們的最終命運不同，這既取決于多肽鏈中氨基酸序列中所包含的定位信息，也取決于多肽鏈的修飾狀態(tài)。,（四）進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的蛋白質(zhì)的命運,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,駐留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白在其羧基末端常有一個由4個氨基酸組成的駐留信號序列： 動物中多為Lys-Asp-Glu-Leu (KDEL)； 酵母中則為His-Asp-Glu-Leu (HDEL)； 植物中序列不固定。,1. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白

30、(ER resident protein),第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上存在有駐留信號序列(KDEL)的受體，可特異性識別KDEL，將其濃縮后出芽，以胞內(nèi)膜泡形式沿微管運往Golgi復(fù)合體進行加工修飾，爾后再反運回RER。,進入糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的許多蛋白質(zhì)，大都要進行修飾加工，如分泌蛋白的糖基化等。,2. 新生肽鏈在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的修飾加工,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)，大部分為糖蛋白，而在細胞質(zhì)溶質(zhì)中合成的可溶性蛋白質(zhì)則不加接糖基。 糖基化作用對于指導(dǎo)大分子運送到細胞內(nèi)的其它部位也有重要意義。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,在細胞質(zhì)溶質(zhì)核糖體上合成的多肽，除部分貯留在細胞質(zhì)中外，多數(shù)最終要被運送

31、到靶細胞器中，它們在很大的程度上決定了細胞器的結(jié)構(gòu)與功能。 由于細胞器種類不同，相應(yīng)蛋白質(zhì)到靶細胞器的定位過程也不盡相同。但它們的轉(zhuǎn)運機理與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運基本相同，都須要有肽鏈信號序列的引導(dǎo)。,五、游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)的歸宿,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,胞質(zhì)中合成的一些多肽經(jīng)核孔復(fù)合體進入細胞核要依賴于蛋白質(zhì)本身所攜帶的核輸入信號(nuclear import signal)，此信號是蛋白質(zhì)入核所必需的關(guān)鍵序列。,（一）核定位蛋白的入核轉(zhuǎn)運,核輸入信號是由48個氨基酸構(gòu)成的一個短肽，富含Lys、Arg和Pro等帶正電的氨基酸。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,它與信號肽不同的是： 可

32、以定位在親核蛋白的不同部位，不僅僅位于N-末端； 進入核后也不被切除（成為蛋白質(zhì)的永久構(gòu)成部分）。,核定位蛋白的核輸入機制 在細胞質(zhì)中，游離輸入蛋白與運載蛋白的NLS結(jié)合，形成運載復(fù)合物。在FG核孔蛋白作用下，將核蛋白運入核內(nèi)。輸入蛋白RanGTP經(jīng)核孔通道返回細胞質(zhì),（二）線粒體蛋白質(zhì)的跨膜運送,這些蛋白質(zhì)的合成和輸入細胞器大體上要涉及到4個步驟：,(1)在細胞質(zhì)溶質(zhì)中合成多肽前體物； (2)前體物和細胞器表面的受體結(jié)合； (3)穿過并移進細胞器膜； (4)前體物被加工成成熟多肽。,有些蛋白質(zhì)進入細胞器的跨膜運動也是利用信號機制。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,由胞質(zhì)溶質(zhì)運送到線粒體或葉綠體的蛋

33、白質(zhì)，輸入前是以前體蛋白的形式存在。 前體蛋白在氨基端有一段信號序列(signal sequence)。各種信號序列的長短不等，約為20-80個氨基酸殘基，在線粒體蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運中起著關(guān)鍵作用。,1. 線粒體蛋白的跨膜運動,（1）線粒體蛋白的前導(dǎo)序列及其受體,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位, 含有較為豐富的帶正電荷的堿性氨基酸(特別是精氨酸)，穿插在不帶電荷的氨基酸序列之間，對牽引蛋白質(zhì)跨膜具有重要作用 ； 不含或基本不含帶負電荷的酸性氨基酸； 序列中羥基氨基酸(尤其是絲氨酸)的含量較高； 整個前導(dǎo)序列可形成既具親水性又具疏水性的兩性(amphipathic)-螺旋，這樣，可憑藉外正內(nèi)負的膜電位，

34、使前導(dǎo)肽及其所牽引的蛋白質(zhì)得以順利過膜。,線粒體前導(dǎo)序列的特點是：,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,線粒體蛋白質(zhì)特有的導(dǎo)肽序列 (a) 導(dǎo)肽的線性序列；(b) 導(dǎo)肽的折疊后的氨基酸殘基的分布圖,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,線粒體蛋白質(zhì)前導(dǎo)序列跨膜運送時，首先被其外膜上的受體蛋白識別并相互結(jié)合，在電化學(xué)梯度勢能的驅(qū)動下跨過內(nèi)、外膜的接觸點(membrane contact site)，爾后靠ATP水解能進一步進入線粒體基質(zhì)。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,蛋白質(zhì)輸入線粒體基質(zhì)示意圖,跨越線粒體雙層膜的蛋白質(zhì)還需進一步分別定位于內(nèi)膜、外膜和膜間隙。 線粒體前導(dǎo)序列的不同部位在蛋白質(zhì)的跨膜運輸過程中發(fā)揮著不同的

35、作用。 也就是說前導(dǎo)肽不僅能引導(dǎo)其所在蛋白質(zhì)進入線粒體，而且還含有指導(dǎo)蛋白質(zhì)到達細胞器中一些的空間結(jié)構(gòu)部位的不同導(dǎo)向信息。,（2）線粒體跨膜蛋白的分揀定位,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,輸入蛋白在輸入之前，首先要與伴侶蛋白Hsc70結(jié)合，而去折疊。線粒體外膜中有輸入受體蛋白(如TOM20和TOM22)，可識別基質(zhì)定位序列，并與之結(jié)合，將前體蛋白送入外膜通道(由TOM40構(gòu)成)。,1、線粒體基質(zhì)蛋白的輸入,定位于基質(zhì)中的蛋白質(zhì)還要再通過內(nèi)膜通道(由TIM23和TIM17)進入基質(zhì)，在此部位外膜和內(nèi)膜緊貼在一起。,translocon of the outer membrane, TOM,transl

36、ocon of the inner membrane, TIM,import receptor,定位序列在基質(zhì)中被蛋白酶切除。在內(nèi)膜轉(zhuǎn)移通道處有基質(zhì)Hsc70陪伴蛋白，該蛋白與TIM44接觸水解ATP，驅(qū)動基質(zhì)前體蛋白轉(zhuǎn)運到基質(zhì)中。多肽鏈在伴侶蛋白作用下折疊和裝配成三維和四維結(jié)構(gòu)。,TOM20/22,線粒體內(nèi)、外膜接觸部位電鏡圖,一次性穿膜蛋白 二次穿膜蛋白 多次穿膜蛋白,2、線粒體內(nèi)膜蛋白的輸入,一次性穿膜蛋白 如細胞色素氧化酶的CoxVa亞基，其前體蛋白的N末端含有基質(zhì)定位序列，此序列可被TOM20/22輸入受體識別，通過外膜的通用輸入孔和內(nèi)膜的TIM23/17轉(zhuǎn)移復(fù)合物輸入到基質(zhì)中。輸入

37、過程中，基質(zhì)定位序列被切除。CoxVa含有一個疏水性停止轉(zhuǎn)移序列(stop-transfer sequence)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)穿過TIM23/17通道時，停止轉(zhuǎn)移序列阻止C-端穿過內(nèi)膜，然后肽鏈轉(zhuǎn)移到脂雙層中。,二次穿膜蛋白 肽鏈含有基質(zhì)定位序列和2段內(nèi)部疏水區(qū)(Oxl 1定位序列)，肽鏈進入基質(zhì)后，基質(zhì)定位區(qū)被切除。Oxl 1疏水區(qū)被內(nèi)膜中的Oxa 1蛋白所識別，并將蛋白質(zhì)插入脂雙層中。,多次穿膜蛋白 這類蛋白質(zhì)N末端沒有基質(zhì)定位序列，而肽鏈內(nèi)部含有多個定位序列。如ADP/ATP對向轉(zhuǎn)運體(antiporter)，此蛋白含有6個穿膜區(qū)為定位序列，外膜中的TOM70可識別內(nèi)部定位序列。通過外膜的通

38、用運輸孔穿過外膜，在膜間隙中的TIM9/10的協(xié)助下，蛋白質(zhì)被移送到內(nèi)膜中的轉(zhuǎn)移復(fù)合體(由TIM22/54組成)，負責(zé)將輸入蛋白的疏水性定位序列移入內(nèi)膜脂雙層中。,此類蛋白質(zhì)前體中在N末端基質(zhì)定位序列之后，接著為一段長的疏水性氨基酸片段(一個停止轉(zhuǎn)移信號)，可阻止蛋白質(zhì)進入基質(zhì)，同時可使蛋白質(zhì)結(jié)合到外膜中，成為外膜整合蛋白。此途徑中，蛋白質(zhì)輸入后，其基質(zhì)定位序列和內(nèi)部疏水性序列均不切除。,3、外膜蛋白質(zhì)的輸入,4、膜間隙蛋白質(zhì)的輸入, 主要途徑, 穿外膜直接途徑,穿外膜直接途徑 輸入蛋白質(zhì)通過外膜的TOM40通用輸入孔，直接將蛋白質(zhì)釋放到膜間隙中，不涉及到內(nèi)膜，與內(nèi)膜轉(zhuǎn)移因子無關(guān)。例如細胞色素

39、c血紅素裂合酶(負責(zé)血紅素與細胞色素c共價結(jié)合)，是一種線粒體膜間隙蛋白。,主要途徑 前體物肽鏈中含有兩個不同的N末端定位序列。例如細胞色素 b2，進入基質(zhì)后，N末端第一個序列被基質(zhì)中的蛋白酶切除。第二個序列阻止肽鏈完全穿過內(nèi)膜，前體物變成內(nèi)膜TIM23/17通道中的中間物。中間物側(cè)向擴散，離開TIM23/17通道。內(nèi)膜中的蛋白酶切除穿膜的疏水性片段，將成熟的蛋白質(zhì)以可溶性形式釋放到膜間隙中。,線粒體輸入蛋白定位序列的排列形式 大多數(shù)線粒體蛋白含有N末端基質(zhì)定位序列，但各種蛋白質(zhì)的不相同。,在細胞質(zhì)溶質(zhì)中合成的線粒體蛋白質(zhì)并不都是通過前述途徑來運送的。,定位于線粒體外膜的蛋白質(zhì)就有時就無前導(dǎo)序

40、列，它不以前體形式運送插入。 而細胞色素c可能是直接擴散通過外膜而進入線粒體，再在細胞色素c-血紅素裂合酶催化下，加上血紅素后成為成熟型并定位于內(nèi)膜外側(cè)。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,線粒體蛋白質(zhì)的跨膜運送是一個多步驟的耗能過程，有多種蛋白質(zhì)參與。,除前導(dǎo)序列可驅(qū)動蛋白質(zhì)前體跨越內(nèi)外膜并定位于各最終場所外，分子伴侶對于蛋白質(zhì)跨膜前的解折疊和跨膜后的重新折疊發(fā)揮了關(guān)鏈作用。,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運送也與線粒體蛋白類似。二者都是翻譯后轉(zhuǎn)移，跨膜轉(zhuǎn)運過程都需要能量驅(qū)動，都具有兩性氨基末端的前導(dǎo)序列，而且在蛋白質(zhì)進入目的地的過程中被分次切除。,葉綠體蛋白質(zhì)跨膜運送的特點：,第六節(jié)

41、 蛋白質(zhì)的細胞定位,（三）葉綠體蛋白質(zhì)的跨膜運送,葉綠體間質(zhì)(stroma)中與卡爾文循環(huán)有關(guān)的酶，除了核酮糖1,5二磷酸羧化酶(rubisco)的大亞基是由葉綠體DNA編碼、間質(zhì)核糖體合成外，其小亞基和所有參與卡爾文循環(huán)的酶均由核基因編碼、在細胞質(zhì)溶質(zhì)中合成，然后輸入進葉綠體間質(zhì)中。,1、葉綠體間質(zhì)蛋白的輸入,這些蛋白質(zhì)都含有間質(zhì)輸入序列(stromal-import sequence)，此序列富含絲氨酸、蘇氨酸和疏水性殘基，少谷氨酸和天冬氨酸。,核酮糖1,5二磷酸羧化酶小(S)亞基去折疊后進入間質(zhì)腔，與間質(zhì)Hsc70分子伴侶暫時結(jié)合，N末端輸入序列被切除。,質(zhì)體藍素和其他一些類囊體腔蛋白質(zhì)

42、，肽鏈中含有兩個連續(xù)的攝取定位序列(uptake-targeting sequence)。第1個是N末端間質(zhì)輸入序列，引導(dǎo)蛋白質(zhì)前體進入間質(zhì)。第2個是類囊體定位序列(thylakoid-targeting sequence)，引導(dǎo)蛋白質(zhì)進入類囊體腔。,2、類囊體腔蛋白的輸入,類囊體腔蛋白的輸入途徑有4條：, 利用與細菌SecA相關(guān)蛋白質(zhì)的途徑, SRP依賴途徑, 依賴于與線粒體Oxa 1相關(guān)蛋白質(zhì)的途徑, pH 途徑,這4條途徑均與細菌中的蛋白輸入途徑類似,蛋白質(zhì)前體進入間質(zhì)后，輸入序列被切除，在葉綠體信號識別顆粒(SRP)結(jié)合，類囊體膜上有SRP受體，SRP與SRP受體結(jié)合，經(jīng)Sec轉(zhuǎn)運體(

43、Sec translocon)進入類囊體腔，類囊體定位序列在腔內(nèi)被切除., SRP依賴途徑：,Sec轉(zhuǎn)運體,類囊體腔蛋白質(zhì)輸入的第2條途徑是利用與細菌SecA相關(guān)的蛋白質(zhì)，其機制與革氏陽性菌蛋白質(zhì)穿過內(nèi)膜的類似。,革氏陽性菌蛋白質(zhì)翻譯后的穿內(nèi)膜轉(zhuǎn)移 細菌內(nèi)膜上有由3個亞基組成的轉(zhuǎn)移體通道.,蛋白質(zhì)定位于類囊體膜，此途徑依賴于與線粒體Oxa 1相關(guān)的蛋白質(zhì)。, 第三條途徑：,結(jié)合金屬的類囊體腔蛋白質(zhì)的輸入途徑。這些去折疊的蛋白質(zhì)前體物首先進入間質(zhì)，在間質(zhì)中N末端的間質(zhì)輸入序列被切除，隨之蛋白質(zhì)發(fā)生折疊，結(jié)合上輔因子。一套類囊體膜蛋白和結(jié)合的輔因子將折疊蛋白質(zhì)輸入到腔內(nèi)，這一轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力來自于pH

44、梯度。, pH 途徑：,過氧化物酶體中，無論是膜上還是腔中的蛋白質(zhì)都是在細胞質(zhì)溶質(zhì)中合成后輸入的。 絕大多數(shù)過氧化物酶體基質(zhì)蛋白的C末端含有SKL(Ser-Lys-Leu)序列，此序列稱為過氧化物酶體定位序列(peroxisomal-targeting sequence, PTS 1)。 當(dāng)把這一短的信號序列連接到細胞質(zhì)中的任何蛋白質(zhì)上，都可使該蛋白質(zhì)被輸入過氧化物酶體中。,(四) 過氧化物酶體中的蛋白質(zhì)輸入,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,第六節(jié) 蛋白質(zhì)的細胞定位,在細胞質(zhì)溶質(zhì)中，PTS 1與可溶性和膜結(jié)合的受體蛋白Pex14結(jié)合，在功能上與SRP和SRP受體使定位于ER腔的蛋白質(zhì)輸入機制類似。

45、輸入蛋白結(jié)合著Pex5通過多體轉(zhuǎn)移通道。在進入基質(zhì)過程中或進入基質(zhì)之后，Pex5與過氧化物酶體蛋白質(zhì)解離，返回細胞質(zhì)。但PTS1序列不切除。蛋白質(zhì)輸入過程需要水解ATP。,過氧化物酶體基質(zhì)蛋白由PTS1定位序列引導(dǎo)輸入,第1步：過氧化氫酶和其他大多數(shù)基質(zhì)蛋白C末端均含有PTS1攝取定位序列，此序列與細胞質(zhì)溶質(zhì)受體Pex5結(jié)合。,第2步：結(jié)合了基質(zhì)蛋白的Pex5與過氧化物酶體膜上的Pex14相互作用。,第3步: 基質(zhì)蛋白-Pex5復(fù)合物被轉(zhuǎn)移到一組膜蛋白(Pex10/Pex12/Pex2)上，基質(zhì)蛋白被輸入到過氧化物酶體基質(zhì)中。,第4步：在基質(zhì)蛋白轉(zhuǎn)移過程中或在腔內(nèi)，Pex5與基質(zhì)蛋白解離，返回細胞質(zhì)溶質(zhì)中，返回過程中還要涉及到Pex