植物細(xì)胞的蛋白質(zhì)分選研究

1、 植物細(xì)胞的蛋白質(zhì)分選研究 02級(jí) 生物科學(xué)班 潘俊蓮（0242043011）摘要：在生物體內(nèi)，細(xì)胞各部分都有其特定的蛋白質(zhì)組分，而由于蛋白質(zhì)的合成位點(diǎn)與其功能位點(diǎn)往往不一致，就產(chǎn)生了蛋白質(zhì)分選，轉(zhuǎn)運(yùn)的問題。一般來說，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)可分為兩大類：一，蛋白質(zhì)的合成，轉(zhuǎn)運(yùn)是同時(shí)發(fā)生的，即翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制；二，蛋白質(zhì)從核糖體上釋放后才發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)，即翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制。在植物細(xì)胞中，分泌蛋白大多以翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制運(yùn)輸，如水解酶，激素等；由細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞器的蛋白多以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制運(yùn)輸，如細(xì)胞核，葉綠體，線粒體等里面的蛋白質(zhì)；而參與生物膜形成的蛋白，則依賴于上述兩種機(jī)制嵌入膜內(nèi)，如ER，質(zhì)膜中的蛋白質(zhì)。而他們?cè)诩?xì)胞

2、中的定位和分泌依賴于特定的短肽鏈，N端的轉(zhuǎn)運(yùn)短肽提供了蛋白質(zhì)進(jìn)入ER腔，線粒體，葉綠體等細(xì)胞器的信號(hào)，然后這些轉(zhuǎn)運(yùn)肽在蛋白質(zhì)進(jìn)入特定位置后被剪切，C端的轉(zhuǎn)運(yùn)短肽引導(dǎo)一些蛋白質(zhì)進(jìn)入微粒體和液泡中。蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入核內(nèi)以及定位于膜上的信號(hào)是由殘留在成熟蛋白質(zhì)中的特殊序列提供的。關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)分選 轉(zhuǎn)運(yùn)肽 翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制 翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制一.分泌途徑的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)：翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制 生活的植物細(xì)胞在不斷的分泌各種各樣的酶和組成細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)蛋白以及細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）中的一些細(xì)胞因子（小分子蛋白質(zhì)）。整個(gè)分泌的過程就是一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過程，包括以下幾個(gè)步驟：（1）蛋白質(zhì)通過共轉(zhuǎn)運(yùn)穿越的方式跨過ER膜

3、。（2）切除信號(hào)肽和N端的一些糖基。（3）蛋白質(zhì)從高爾基復(fù)合體的cis面進(jìn)入高爾基體，然后進(jìn)行N端糖鏈的轉(zhuǎn)變和蛋白質(zhì)的O聯(lián)糖基化。（4）蛋白質(zhì)裝入小膜泡向液泡和細(xì)胞膜運(yùn)輸。（5）小膜泡膜和受體膜融合。在此，我們僅討論前兩個(gè)過程。 絕大部分被運(yùn)入ER內(nèi)腔的蛋白質(zhì)都帶有一個(gè)信號(hào)肽，該序列常位于蛋白質(zhì)的氨基末端，長度一般在1336個(gè)殘基之間，有以下特點(diǎn)：（1）一般有1015個(gè)疏水氨基酸；（2）在靠近該序列N端常有1個(gè)或數(shù)個(gè)帶正電的氨基酸；（3）在其C末端靠近蛋白酶切割位點(diǎn)處常有數(shù)個(gè)極性氨基酸，離切割位點(diǎn)最近的那個(gè)氨基酸往往帶有很短的側(cè)鏈。信號(hào)序列在核糖體上合成后便與信號(hào)識(shí)別顆粒結(jié)合，使翻譯暫停，然后

4、信號(hào)識(shí)別顆粒將引導(dǎo)這個(gè)復(fù)合物向膜上特定受體靠近，與其相互作用，產(chǎn)生通道，允許這段多肽在延長的同時(shí)穿過膜結(jié)構(gòu)。信號(hào)識(shí)別顆粒（signal recognition particle, SRP）是一種特殊的翻譯調(diào)控蛋白因子，也是一種核蛋白，在哺乳動(dòng)物中SRP復(fù)合物大小為11S，含有7S的RNA和6條肽鏈，而在酵母中的SRP大小為7S，含有4.5S的RNA。而且SRP上面6條肽鏈各自的功能也已經(jīng)區(qū)分出來了。SRP9和SRP14暫停翻譯過程，SRP54識(shí)別信號(hào)肽，是一種G蛋白，在SRP的功能中起著重要的作用。SRP19連接SRP54和7S RNA，另外的兩個(gè)肽鏈SRP68和SRP72將結(jié)合了SRP的新生

5、肽鏈拉向膜上面的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。SRP和新生肽鏈的結(jié)合依賴于SRP54的GTP結(jié)合活性，當(dāng)SRP54的G domain發(fā)生GDP/GTP交換后，SRP和新生肽鏈發(fā)生高親和結(jié)合。暫停翻譯以后，只有當(dāng)這個(gè)結(jié)合了SRP的核糖體以及新生肽鏈共同組成的巨大復(fù)合物觸發(fā)了膜上面的SRP受體后，翻譯延伸過程才能繼續(xù)。SRP和他的受體的結(jié)合導(dǎo)致構(gòu)成膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一種蛋白質(zhì)復(fù)合物ribophorin的構(gòu)象改變，同時(shí)也使得SRP從核糖體復(fù)合物上釋放，重新參與翻譯循環(huán)。SRP受體還會(huì)把核糖體壓入轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中，這個(gè)處理是具有重要的生物學(xué)意義的，因?yàn)檗D(zhuǎn)運(yùn)蛋白在關(guān)閉時(shí)孔道直徑只有0.9-1.5nm，而開放的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白孔道直徑達(dá)4nm

6、，而這個(gè)親水孔道在轉(zhuǎn)運(yùn)新生蛋白質(zhì)時(shí)對(duì)于離子來說卻是關(guān)閉的，因?yàn)樵诘鞍踪|(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中，一種分子伴侶（chaperon）BiP從里面插入轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，而剛才提到的壓入的核糖體從外面封閉轉(zhuǎn)運(yùn)孔道，這樣就使得只有被轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)能夠穿過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白而離子被阻擋，這有效地維持了ER膜兩側(cè)的離子梯度。SRP從復(fù)合物上離開后，新生肽鏈的信號(hào)肽序列也隨之被切除，這是由信號(hào)肽酶完成的，信號(hào)肽酶是一種依賴Zn離子的，由12個(gè)不同的亞基組成的異源多聚蛋白酶。但信號(hào)序列的切除并不是運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的。如果把細(xì)菌外膜脂蛋白信號(hào)序列中的甘氨酸殘基突變成天冬氨酸殘基，則可以抑制該蛋白信號(hào)肽的水解，但不能抑制其跨膜運(yùn)輸。此外，并非所有的運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白都

7、有可降解的信號(hào)肽：卵清蛋白是以翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制進(jìn)入微粒體中的，但它并沒有可降解的信號(hào)序列。圖1：蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的過程翻譯過程結(jié)束，整個(gè)蛋白跨膜進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔以后，形成高級(jí)結(jié)構(gòu)和成熟型蛋白質(zhì)，再以運(yùn)轉(zhuǎn)載體的形式被送入高爾基體或形成運(yùn)轉(zhuǎn)小泡，分別運(yùn)送到各自的亞細(xì)胞位點(diǎn)。在這個(gè)過程中，分子伴侶對(duì)蛋白質(zhì)的正確構(gòu)象起了重大作用。在肽鏈延伸過程中，他們結(jié)合在肽鏈上，使未合成完畢的蛋白質(zhì)保持在天然狀態(tài)，不進(jìn)行錯(cuò)誤折疊。此外，N連糖基也有利于蛋白質(zhì)分子的正確折疊，這是因?yàn)檫@些親水的糖基可以保護(hù)蛋白質(zhì)進(jìn)入的部分疏水殘基不會(huì)在溶液中聚集成團(tuán)。這種效果已經(jīng)通過tunicamycin的作用得到了證明，tun

8、icamycin能夠抑制催化甘露糖糖基化過程中第一步反應(yīng)的酶的活性，使用它抑制糖基化后導(dǎo)致凝聚的蛋白質(zhì)在ER腔內(nèi)聚集。不過在植物中對(duì)這樣的情況有適應(yīng)性的應(yīng)答，它們會(huì)通過大量合成協(xié)助蛋白質(zhì)折疊的分子伴侶BiP和蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶來保證生物蛋白質(zhì)合成的盡可能穩(wěn)定。蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(protein disulfide isomerase ，PDI)是一種折疊酶，它能在體外條件下催化蛋白質(zhì)分子折疊成為有利于形成天然二硫鍵所需的構(gòu)象，而不需要其它分子伴侶的幫助。實(shí)驗(yàn)證明PDI分子C末端結(jié)構(gòu)域的多肽結(jié)合位點(diǎn)負(fù)責(zé)其分子伴侶活性。 二.運(yùn)往個(gè)細(xì)胞器的蛋白質(zhì)分選：翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制1 線粒體蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)線粒體

9、作為一種半自主性細(xì)胞器（semiautonomous organelle），能夠自己合成某些蛋白，但所合成的幾十種蛋白遠(yuǎn)不能滿足其功能需要，還需要核基因?yàn)槠渚幋a許多蛋白，然后通過轉(zhuǎn)運(yùn)輸送進(jìn)線粒體中共同完成ATP合成等生物功能。據(jù)報(bào)道95的植物線粒體內(nèi)蛋白是由核編碼的，因此核編碼蛋白對(duì)于線粒體結(jié)構(gòu)維持和功能發(fā)揮起著不可忽視的作用。絕大多數(shù)植物核編碼蛋白在運(yùn)至線粒體前都是以前體蛋白的形式在細(xì)胞質(zhì)中合成的,其N末端含有一個(gè)可被剪切的前序列.就目前已知的前序列結(jié)構(gòu),它們都含有豐富的帶正電荷的堿性氨基酸,尤其是精氨酸更占到15%,這些特性對(duì)于前序列進(jìn)入帶負(fù)電荷的線粒體基質(zhì)具有重要作用.已有的研究表明植物

10、前序列長度從擬南芥交替氧化酶的13個(gè)氨基酸至甘氨酸脫羧酶亞基的85個(gè)氨基酸不等。但具有引導(dǎo)功能的前序列所需的最低長度目前仍不清楚。有趣的是，已經(jīng)知道前序列的長度有一個(gè)上限，最長的前序列含有85個(gè)氨基酸，而大部分前序列長度在20-60個(gè)氨基酸之間。這可能是由于剪切前序列的線粒體加工肽酶(mitochondrial processing peptidase , MPP)只能剪切相對(duì)分子質(zhì)量小于7000的多肽，而且只識(shí)別其二級(jí)結(jié)構(gòu)而不是氨基酸序列。而這些前序列在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中或者轉(zhuǎn)運(yùn)過程后都要被蛋白酶剪切去除。幾百種線粒體前體蛋白的前序列是由線粒體加工肽酶(MPP)一步催化反應(yīng)去除的。但在植物中，一些前

11、體蛋白的剪切需要兩步才能完成。首先由MPP加工成中等大小的產(chǎn)物，然后由位于基質(zhì)中的線粒體中間肽酶（mitochondrial intermediate peptidase, MIP）或者內(nèi)膜肽酶（inner membrane peptidase , IMP）催化產(chǎn)生成熟的蛋白。在植物中研究最為廣泛的肽酶就是MPP，是否還存在其它肽酶尚不知曉。目前已經(jīng)從菠菜、小麥等植物中分離出了MPP，金屬螯合劑EDTA完全抑制MPP對(duì)前體蛋白的加工，因此MPP是一種金屬內(nèi)切多肽酶。MPP是包含a-MPP和p-MPP兩個(gè)亞基的異二聚體，其自身也是由核編碼后在細(xì)胞質(zhì)中合成的，通過轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入線粒體，其前體蛋白的加

12、工由線粒體中已有的MPP來完成。由此看來,前序列對(duì)于線粒體蛋白的識(shí)別和跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)起著關(guān)鍵作用.但又有實(shí)驗(yàn)證明前序列不足以牽引蛋白進(jìn)入線粒體。去除馬鈴薯腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ADP/ATP translocator，ANT)前序列不會(huì)影響成熟蛋白的運(yùn)輸，說明該蛋白的引導(dǎo)信息位于成熟蛋白中。盡管ANT前序列在體內(nèi)不具有導(dǎo)向功能，但將其與玉米成熟蛋白N末端20個(gè)氨基酸連接，能體外牽引二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase ，DHFR)進(jìn)入線粒體，這表明成熟蛋白N末端對(duì)蛋白運(yùn)輸相當(dāng)重要，也說明ANT的前序列并不是沒有導(dǎo)向功能的。 由于運(yùn)入質(zhì)體的蛋白質(zhì)也具有前體形式,因此關(guān)于前體蛋

13、白在植物線粒體和質(zhì)體間的分選也爭論以久.1986年Hurt報(bào)道了衣藻屬葉綠體核酮糖二磷酸羧化-加氧酶小亞基的轉(zhuǎn)運(yùn)肽可將二氫葉酸還原酶(DHFR)牽引至酵母線粒體。而進(jìn)一步的研究表明向線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)的前體蛋白具有特異性，同樣有實(shí)驗(yàn)證明向葉綠體和質(zhì)體轉(zhuǎn)運(yùn)的前體蛋白也具有特異性。這就引出了如何在線粒體和質(zhì)體之間準(zhǔn)確分選定位的問題。另一個(gè)明顯的錯(cuò)誤定向是衣藻屬PsaF葉綠體蛋白可轉(zhuǎn)運(yùn)到分離的菠菜線粒體中去。如果PsaF前序列被剪切或缺失，其蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)效率幾乎不變，這表明成熟蛋白可能具有引導(dǎo)活性，意味著在細(xì)胞質(zhì)中還存在控制分選的其他機(jī)制。在豌豆葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中存在一種蛋白激酶，這種激酶在ATP存在的條件下

14、將前體蛋白磷酸化使之向葉綠體轉(zhuǎn)運(yùn)，如果該激酶不磷酸化則使前體蛋白向線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)。蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)也證明了前體蛋白的磷酸化促使其與葉綠體結(jié)合，說明一種蛋白激酶介入了前體蛋白向葉綠體的轉(zhuǎn)運(yùn)及在線粒體和葉綠體之間的分選。豌豆的谷胱甘肽還原酶前體蛋白既可轉(zhuǎn)運(yùn)至豌豆線粒體，又可轉(zhuǎn)運(yùn)至煙草葉綠體。表明前序列(轉(zhuǎn)運(yùn)肽)負(fù)責(zé)前體蛋白的定位，就如同移去這種前序列而代之以特異性的線粒體或葉綠體前序列一樣。那么是否這種前序列代表一種引導(dǎo)信息，牽引蛋白同時(shí)進(jìn)入兩種細(xì)胞器還有待研究。信號(hào)序列定位轉(zhuǎn)運(yùn)裝置信號(hào)序列位置位于N端，富含帶正電荷的和疏水的氨基酸，形成兩性螺旋，完成轉(zhuǎn)運(yùn)后被切除?；|(zhì)TOMTIM23不被切除，含疏水性的

15、停止轉(zhuǎn)移序列，被安插到外膜。外膜TOM被切除，含疏水性的停止轉(zhuǎn)移序列，被安插到內(nèi)膜。內(nèi)膜TOMTIM23含兩個(gè)信號(hào)序列，首先轉(zhuǎn)運(yùn)到基質(zhì)，第一個(gè)信號(hào)序列被切除，第二個(gè)信號(hào)序列引導(dǎo)蛋白進(jìn)入內(nèi)膜或膜間隙。內(nèi)膜膜間隙TOMTIM23結(jié)構(gòu)類似于N端信號(hào)序列，但位于蛋白質(zhì)內(nèi)部。內(nèi)膜TOMTIM23為線粒體代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，如腺苷轉(zhuǎn)位酶，具有多個(gè)內(nèi)部信號(hào)序列和停止轉(zhuǎn)移序列，形成多次跨膜蛋白。內(nèi)膜TOMTIM22表1 線粒體蛋白分選信號(hào)* 這個(gè)跨膜過程有以下特點(diǎn):(1)前體蛋白過膜時(shí),前體肽被水解,釋放成熟蛋白;(2)該過程是一個(gè)耗能過程;(3)蛋白質(zhì)通過膜運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),首先由外膜上的TOM受體復(fù)合蛋白識(shí)別與HSP

16、70或MSF等分子伴侶相結(jié)合的待運(yùn)轉(zhuǎn)多肽,通過TOM和TIM組成的膜通道進(jìn)入線粒體內(nèi)腔.且蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的能量來自線粒體HSP70引發(fā)的ATP水解和膜電位差.而TOM復(fù)合體是一種轉(zhuǎn)位因子,它由兩部分組成,即受體和蛋白質(zhì)通過的孔道.它負(fù)責(zé)通過外膜，進(jìn)入膜間隙，在酵母中TOM70負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)部具有信號(hào)序列的蛋白，TOM20負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)N端具有信號(hào)序列的蛋白，這兩種蛋白的功能都相當(dāng)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的SPR受體，在人類線粒體中hTom34的功能與TOM70相當(dāng)。TOM復(fù)合體的通道被稱為GIP（general import pore），就相當(dāng)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的SEC61復(fù)合體，主要由Tom40構(gòu)成， 還包括Tom22，

17、 Tom7， Tom6和Tom5；TIM復(fù)合體，其中TIM23負(fù)責(zé)將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到基質(zhì)，也可將某些蛋白質(zhì)安插在內(nèi)膜；TIM22負(fù)責(zé)將線粒體的代謝物運(yùn)輸?shù)鞍?，如ADPATP和磷酸的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白插入內(nèi)膜.圖2 蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)膜和膜間隙 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002，（A. 進(jìn)入內(nèi)膜和膜間隙的前體蛋白具有兩個(gè)信號(hào)序列，經(jīng)TOMTIM23進(jìn)入基質(zhì)后，第二個(gè)信號(hào)序列使蛋白通過OXA復(fù)合體被安插到內(nèi)膜上；B. 進(jìn)入內(nèi)膜和膜間隙的前體蛋白信號(hào)序列后具有停止轉(zhuǎn)移序列，被TIM23安插在膜上，C. 通過途徑A、B插入內(nèi)膜的蛋白，被位于內(nèi)膜的蛋白酶加工，成為膜

18、間隙的可溶性蛋白，D. 線粒體代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)器為多次跨膜蛋白，被TIM22安插到內(nèi)膜中）此外,該過程中分子伴侶也起到了重要的作用.同上,分子伴侶可穩(wěn)定末折疊或部分折疊的多肽，防止不適當(dāng)?shù)亩嚯逆渻?nèi)或鏈間的相互作用，參與前體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)、折疊和組裝過程。有些分子伴侶也可與天然構(gòu)象的蛋白相互作用以促使寡聚態(tài)蛋白發(fā)生結(jié)構(gòu)重排。前體蛋白不能以折疊構(gòu)象進(jìn)行跨膜運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榫o密折疊的結(jié)構(gòu)域在某些情況下會(huì)影響蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的效率。因此轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)前體蛋白必須在線粒體外被打開，或者保持松弛狀態(tài)且防止松弛狀態(tài)的蛋白聚集。研究表明一些胞質(zhì)分子伴侶，如Hsp70與新合成的胞質(zhì)前體相互作用，抑制前體不正常接觸、不正常折疊。在體外情況下去

19、除胞質(zhì)HSp70將導(dǎo)致線粒體F1-ATP酶p亞基前體在胞質(zhì)中聚集。除此之外，Hsp70還具有引導(dǎo)前體蛋白穿過線粒體膜進(jìn)入基質(zhì)，促進(jìn)不穩(wěn)定蛋白降解等功能網(wǎng)。而HSp60、HSp10、Cpr3家族則僅參與蛋白在基質(zhì)中的折疊。但是關(guān)于分子伴侶控制蛋白折疊的機(jī)理還沒有完全清楚。 有實(shí)驗(yàn)證明HSp70用一種類似棘輪的分子機(jī)制促進(jìn)前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)，當(dāng)前體蛋白的前序列通過蛋白質(zhì)通道(proteinaceous channel)而進(jìn)入線粒體內(nèi)腔時(shí)，基質(zhì)中的一分子HSp70立即與前體蛋白上適當(dāng)片段結(jié)合，防止其后退滑回細(xì)胞質(zhì);隨著前體蛋白向線粒體內(nèi)腔的進(jìn)一步伸入，有更多的Hsp70與之結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)前體蛋白進(jìn)入線

20、粒體。HSp70與前體蛋白的結(jié)合時(shí)功能的發(fā)揮則需要ATP，在玉米胚乳細(xì)胞質(zhì)中的HSp70就發(fā)現(xiàn)有低水平的ATPae活性。除ATP外，HSp70還可催化UTP、GTP、CTP和ITP的水解。結(jié)構(gòu)上所有HSp70家族蛋白如DnaK、DnaJ和GrpE都由一個(gè)高度保守的44X103大小的N末端ATP酶功能域和一個(gè)25X103大小的C末端區(qū)構(gòu)成，C末端區(qū)又分為一個(gè)保守的l5X1底物結(jié)合區(qū)和一個(gè)10X103的C末端區(qū)(圖3)。ATP在結(jié)合于HSp70的N末端之后，改變HSp70與底物的親和力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)HSp70與底物結(jié)合并以環(huán)狀引導(dǎo)前體蛋白進(jìn)入線粒體. 圖3 Dnak 結(jié)構(gòu)圖 (圖上文字為蛋白功能區(qū)，圖

21、下數(shù)字為各功能區(qū)氨基酸起止位置)2.葉綠體的蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)葉綠體多肽是一種在胞質(zhì)中的游離核糖體上合成后脫離核糖體并折疊成具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子,其多肽上某些特定位點(diǎn)結(jié)合于只有葉綠體膜上才有的特異受體位點(diǎn).其定位信號(hào)肽一般有兩部分,以決定其是否進(jìn)入葉綠體基質(zhì)和決定其能否進(jìn)入類囊體.葉綠體蛋白質(zhì)運(yùn)輸有以下特點(diǎn):(1)活性水解酶位于葉綠體基質(zhì)內(nèi),這是鑒別翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制的指標(biāo)之一,因?yàn)榉g-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制的活性蛋白酶位于運(yùn)轉(zhuǎn)膜上;(2)葉綠體膜能夠特異地與葉綠體前體蛋白結(jié)合;(3)葉綠體蛋白質(zhì)前體內(nèi)可降解序列因植物和蛋白質(zhì)的種類不同而表現(xiàn)明顯的差異.其N端的基質(zhì)定位信號(hào)保證蛋白質(zhì)能在葉綠體被膜的雙層膜

22、結(jié)合的部位穿過葉綠體被膜，葉綠體雙層膜的連接是通過定位在外膜和內(nèi)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)組分（TOC和TIC）的相互作用實(shí)現(xiàn)的，TIC含有4種蛋白：Tic20, Tic22, Tic110, 和Tic55。Tic20形成TIC在內(nèi)膜上的跨膜孔道，而位于葉綠體膜間隙的Tic22再轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)的過程中維持TIC和TOC的連接，Tic110在stroma一面形成一個(gè)大的連接著分子伴侶ClpC(Hsp100家族的成員)的親水區(qū)域，可以幫助蛋白質(zhì)進(jìn)入葉綠體。而亞葉綠體水平的蛋白質(zhì)定位是由進(jìn)一步的信號(hào)肽介導(dǎo)的，在類囊體膜和葉綠體被膜上的整合蛋白質(zhì)中，蛋白質(zhì)肽鏈中間的一些疏水殘基起到信號(hào)肽的作用。這些信號(hào)可以延遲蛋白

23、質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)使蛋白質(zhì)停留在膜上也可以使已經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)了的蛋白質(zhì)返回到膜上。以下介紹葉綠體上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的亞基的定位情況：葉綠體被膜的外膜蛋白（OEP7，OEP14，OEP24，Toc34和Com70）不含有可剪切的轉(zhuǎn)位肽，它們插入到膜中或者連接在膜上（Com70），這個(gè)過程不需要提供能量，也不需要其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的參與。而Toc86和Toc75含有可剪切的轉(zhuǎn)位肽。但是在Toc86的N端有一段不尋常的帶負(fù)電荷的肽鏈，這導(dǎo)致它不能通過通常的通用路徑被轉(zhuǎn)運(yùn)，因此在跨膜的時(shí)候它不會(huì)和核酮糖-1,5-二磷酸羥化/加氧酶的亞基發(fā)生競爭。Toc75（OEP75）是通過通用途徑轉(zhuǎn)運(yùn)的，不過由于它在轉(zhuǎn)位肽后面有一段疏水序列，To

24、c定位在膜上而不是進(jìn)入葉綠體中。而要定位于葉綠體膜上的蛋白質(zhì)前體有一個(gè)基質(zhì)定位的的N端序列，在磷酸鹽轉(zhuǎn)位子和Tic110中就有這樣的疏水跨膜域，保證了這些蛋白質(zhì)插入到膜內(nèi)。另外,在實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合在葉綠體外膜上的蛋白質(zhì)很容易被蛋白酶水解，這暗示它們處于個(gè)伸展的狀態(tài)。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的這種伸展的轉(zhuǎn)運(yùn)方式，這個(gè)過程涉及一些分子伴侶，包括外膜上的Com70（和TOX結(jié)合），膜間隙中的Hsp70和內(nèi)膜基質(zhì)面的ClpC。ClpC被認(rèn)為是通過水解ATP來給蛋白質(zhì)提供一個(gè)向葉綠體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力。圖4 葉綠體的蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)運(yùn) 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 20023.向

25、細(xì)胞核的蛋白質(zhì)運(yùn)輸在細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)一般通過核膜上的核孔復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核.核孔復(fù)合物是一個(gè)分子量高達(dá)125MDa的巨大多聚體，含有100多條肽鏈和孔蛋白。其結(jié)構(gòu)仿佛一個(gè)籃子，由兩個(gè)蛋白質(zhì)環(huán)和連接環(huán)的纖絲組成，核孔復(fù)合物在關(guān)閉時(shí)孔徑為10nm，而開放時(shí)達(dá)40nm，這種改變是由纖絲中孔蛋白的構(gòu)象改變引起的。不過即使在關(guān)閉時(shí)，核孔也大到可以允許40-60KDa的蛋白質(zhì)被動(dòng)的通過，只不過這種穿透非常緩慢，甚至需要數(shù)個(gè)小時(shí)才能完成.在絕大多數(shù)多細(xì)胞真核生物中,當(dāng)細(xì)胞發(fā)生分裂時(shí),核膜被破壞,等到細(xì)胞分裂完成以后,核膜重新構(gòu)建,分散在細(xì)胞內(nèi)的核蛋白必須被重新運(yùn)入核內(nèi),因此,為了核蛋白的重復(fù)定位,這些蛋白

26、中的信號(hào)肽,即核定位序列(NLS)一般都不被切除.且NLS可位于核蛋白的任何部位.蛋白質(zhì)向核內(nèi)運(yùn)輸過程需要一系列循環(huán)于核內(nèi)和細(xì)胞質(zhì)的蛋白因子,包括核運(yùn)轉(zhuǎn)因子和一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量較低的GTP酶. 而相對(duì)的核孔復(fù)合物的組成對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)倒沒有多大意義。三結(jié)束語目前在植物核編碼蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)方面報(bào)道了許多研究成果，從已有的成果可以看出，與非植物材料相比植物核編碼蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)存在許多獨(dú)特之處，但是與非植物材料的研究成果相比還顯得很不深入，許多問題仍需要繼續(xù)探索。植物細(xì)胞由于存在兩種內(nèi)共生的細(xì)胞器 線粒體和質(zhì)體(或葉綠體)，使得核編碼蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)更為復(fù)雜。在這20余年的研究過程中，植物蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的許多獨(dú)特之處

27、已經(jīng)發(fā)現(xiàn)。今后隨著技術(shù)的發(fā)展以及基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，植物蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的研究必將得到長足的發(fā)展。參考文獻(xiàn)：1EISharova Protein transport in plant cell Russial journal of plant physiology Vol 49. No2.2002 pp 2552682. Politz, J.C., Yarovoi, S., Kilroy, S.M., Gowda, K., Zwieb, C., and Pederson, T., Signal Recognition Particle Components in the Nucleolus, Proc. Natl. Acad. Sci.USA, 2000, vol. 97, pp. 5560.3. 李晨東 陳喜文 陳德富 植物核編碼線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的研究進(jìn)展 生物技術(shù)通訊 2003.4.Lorenzo Fr