第八章 蛋白质定位

第八章蛋白质定位

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)。

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(Centriole)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-translational 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

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)，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

蛋白质的折叠是通过反应表面的相互作用来实现的。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(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：