中國海洋大學細胞生物學課件基因表達與蛋白質的生物合成

一種基因調節(jié)蛋白可協調幾個不同基因的表達幾個基因各有不同的基因調節(jié)蛋白結合到基因調節(jié)區(qū)上，然而這些結合蛋白本身只有再結合另外的基因調節(jié)蛋白才能激活轉錄?；蛘{節(jié)蛋白3基因調節(jié)蛋白1基因調節(jié)蛋白2DNA結合區(qū)(同源性很高)激素結合區(qū)(同源性稍差)本文檔共98頁；當前第1頁；編輯于星期一\12點8分所有水溶性激素，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)相結合，形成激素—受體復合物，激活位于細胞膜上與受體相連接的效應器，通過對DNA的調控最終影響蛋白質合成，產生一定的生理和生化反應。水溶性的激素本文檔共98頁；當前第2頁；編輯于星期一\12點8分GTP激活的腺苷酸環(huán)化酶G蛋白關聯受體胰高血糖素激活的G蛋白亞基亞基胞外區(qū)細胞質溶質（cAMP依賴性蛋白質激酶）糖原葡萄糖1-磷酸無活性磷酸化酶激酶激活的磷酸化酶激酶ATPADPcAMPATP胰高血糖素激活糖原分解的反應過程圖解ATPADP無活性糖原磷酸化酶激活的糖原磷酸化酶無活性的A激酶激活的A激酶糖原分解本文檔共98頁；當前第3頁；編輯于星期一\12點8分真核生物中蛋白質合成的調控小結1、基因轉錄與核小體結構(一)染色質結構與基因表達調控2、組蛋白和非組蛋白對轉錄的調節(jié)(二)真核基因轉錄水平的調節(jié)1、順式作用元件的調控2、反式作用因子的調控——轉錄起始復合物——遠距離的調控轉錄3、調控蛋白質與DNA的相互作用對基因轉錄調控(1)調控因子與DNA的相互作用(2)轉錄調控因子的結構特征DNA結合功能域轉錄激活功能域結合其它因子的功能域通用轉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本文檔共98頁；當前第4頁；編輯于星期一\12點8分(六)真核基因表達的激素調節(jié)(四)蛋白質合成的翻譯水平的調節(jié)mRNA的穩(wěn)定性mRNA非翻譯區(qū)的結構與翻譯調控1、甾類激素胞質受體核內受體2、水溶性的激素表面受體(三)蛋白質合成的轉錄后水平的調節(jié)RNA剪接5末端加上m7G帽3末端加上polyA尾RNA編輯(五)蛋白質合成的翻譯后水平的調節(jié)信號肽的切除化學修飾加工、切割蛋白質的壽命控制本文檔共98頁；當前第5頁；編輯于星期一\12點8分一、蛋白質合成后的去向和命運第六節(jié)蛋白質的細胞定位二、蛋白質運輸的信號理論三、分子伴侶在蛋白質折疊和運轉中的作用四、內質網途徑的蛋白質合成及其命運五、游離核糖體上合成的蛋白質的歸宿六、蛋白質的降解本文檔共98頁；當前第6頁；編輯于星期一\12點8分一、蛋白質合成后的去向和命運（一）蛋白質合成的定位一類是由細胞質溶質內游離核糖體合成的蛋白質：第六節(jié)蛋白質的細胞定位另一類是由附著在內質網上的核糖體合成的蛋白質：其合成與轉運同時進行，此運轉方式稱為共翻譯轉移

!其從核糖體上合成后釋放出來再行轉運，為翻譯后轉移!本文檔共98頁；當前第7頁；編輯于星期一\12點8分真核細胞內蛋白質的合成部位內質網合成內質網蛋白的mRNA與核糖體結合到RER膜上細胞質溶質中的游離多核糖體第六節(jié)蛋白質的細胞定位蛋白質合成結束后，核糖體亞基解離，返回細胞質溶質中的核糖體亞基公用庫信號肽信號肽細胞質溶質中的核糖體亞基公用庫RER膜上的結合多核糖體合成細胞質溶質蛋白的mRNA與核糖體仍留在細胞質溶質中本文檔共98頁；當前第8頁；編輯于星期一\12點8分游離核糖體上合成蛋白質的最后定位(1)非定位性的細胞質溶質蛋白：駐留在細胞質溶質中；(2)定位性的細胞質溶質蛋白：定位于細胞質的特定位置，如中心粒和中心粒周物質；(3)核定位蛋白；(4)半自主性細胞器組成蛋白。1.游離核糖體上合成的蛋白質：（二）蛋白質合成后的去向及其命運第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第9頁；編輯于星期一\12點8分(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腔中的網質蛋白;(3)插入到內質網膜中，并隨膜流進入內膜系統各區(qū)和質膜，形成它們的結構成分。2.糙面內質網上核糖體所合成的蛋白質：RER核糖體上的蛋白質合成分泌蛋白溶酶體第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第10頁；編輯于星期一\12點8分一般，核糖體上所合成蛋白質的氨基酸序列中均含有分揀信號(sortingsignal)——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的去向和最終定位的分揀機制稱為蛋白質分揀(proteinsorting)。具有專一分揀信號的蛋白質可以被運送到細胞內的各個不同部位；而缺乏分揀信號的蛋白質則一直保留在細胞質溶質中。（三）蛋白質運送的幾種機制第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第11頁；編輯于星期一\12點8分1.

孔門運輸(gatedtransport)：細胞核、質間的蛋白質運輸。2.跨膜運輸：是通過結合在膜上的蛋白質轉運子(proteintransportor)直接穿膜把蛋白質從細胞質溶質運送到細胞內的不同部位。必須先去折疊(unfolding)。3.膜泡運輸：經過運輸膜泡的過渡，把蛋白質從一個區(qū)間運送到另一個區(qū)間。具有分揀信號的蛋白質在細胞內區(qū)間的運送大體有3種不同的基本途徑：第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第12頁；編輯于星期一\12點8分1.孔門運輸(gatedtransport)：第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第13頁；編輯于星期一\12點8分2.跨膜運輸：第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第14頁；編輯于星期一\12點8分3.膜泡運輸：第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第15頁；編輯于星期一\12點8分二、蛋白質運輸的信號理論（一）信號學說第六節(jié)蛋白質的細胞定位細胞質中共同的核糖體庫亞基(60S,40S)游離在細胞質溶質中附著在RER和核膜外表面（以60S亞基附著在內質網的外表面上）在進行翻譯時臨時裝配而成?本文檔共98頁；當前第16頁；編輯于星期一\12點8分1971年,

G.Blobel和D.Sabatini首先對此提出了有關分泌蛋白合成機制的信號假說(signalhypothesis)。1975年，Blobel成功地破譯了第一個信號肽序列，同時還提出在內質網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都將經過通道進入內質網腔。1980s初，又發(fā)現了信號識別顆粒及其受體。第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第17頁；編輯于星期一\12點8分信號假說的要點：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物是信號肽(signalpeptide)，長度為10~30個氨基酸不等。第六節(jié)蛋白質的細胞定位2、在糙面內質網膜中存在著一種蛋白質翻譯耦聯易位系統，它與合成分泌蛋白的核糖體結合到糙面內質網膜上密切相關。本文檔共98頁；當前第18頁；編輯于星期一\12點8分已發(fā)現在這個系統中有兩種成分：信號識別顆粒(signalrecognitionparticle,SRP)和信號識別顆粒受體(SRPreceptor)。SRP是11S的核糖核蛋白復合物，由6條不同分子量的多肽鏈和1條7SscRNA組成。7S第六節(jié)蛋白質的細胞定位核糖體Asite結合部位本文檔共98頁；當前第19頁；編輯于星期一\12點8分SRP存在于細胞質中，它的一端分別有與多肽鏈上信號肽結合的部位以及與SRP受體結合的部位；另一端則可與核糖體(Asite)結合。當信號序列一從核糖體上伸出，SRP就結合上去，翻譯活動暫停。信號肽SRP大亞單位新生多肽鏈小亞單位mRNA第六節(jié)蛋白質的細胞定位信號肽結合部位SRP受體結合部位核糖體A位結合部位本文檔共98頁；當前第20頁；編輯于星期一\12點8分SRP受體實際上是插在糙面內質網膜上的一種停泊蛋白(dockingprotein,DP)，由嵌入膜內的疏水部分和暴露于細胞質的親水部分兩部分組成。SRP受體(停泊蛋白)核糖體受體核糖體受體SRP受體SRP受體對7SRNA有識別能力第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第21頁；編輯于星期一\12點8分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合而結合到RER膜上。核糖體與核糖體受體結合后，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，介導新生肽鏈沿蛋白質轉運體穿膜進入RER腔內。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，肽鏈合成結束。第六節(jié)蛋白質的細胞定位核糖體-mRNA-信號識別顆粒復合體結合到內質網膜之后，大多數位于可溶性蛋白氨基末端的信號肽序列還附帶有開啟轉移通道的功能，而且在合成的多肽鏈完全穿過膜之前，信號肽序列一直結合在通道上信號肽序列信號肽酶信號肽牽引肽鏈完全進入ER腔的模式圖解本文檔共98頁；當前第22頁；編輯于星期一\12點8分信號肽信號識別顆粒(SRP)核糖體信號識別顆粒受體核糖體受體蛋白易位體SRP與信號肽及核糖體結合引起蛋白質合成停止結合SRP的核糖體選擇性與SRP受體結合翻譯繼續(xù)易位開始SRP離開再循環(huán)第六節(jié)蛋白質的細胞定位5、ER膜內表面的信號肽酶將信號肽切除，使整個肽鏈游離于RER腔中。本文檔共98頁；當前第23頁；編輯于星期一\12點8分20世紀90年代初，Blobel又以確鑿的實驗證據進一步證明，在RER膜上存在允許多肽鏈穿過的蛋白質通道通道的直徑只有2nm左右，所以蛋白質跨膜時必須去折疊以線性方式通過膜。第六節(jié)蛋白質的細胞定位通道關閉通道開放通道關閉G.Blobel因此項創(chuàng)見而榮獲1999年諾貝爾獎！信號假說(signalhypothesis)信號學說

(signaltheory)當帶有新生多肽鏈的核糖體結合到內質網膜時，膜上的蛋白質通道開放，信號肽引導新生肽鏈穿過這一通道；蛋白質轉移完成，核糖體從膜上移走之后，通道關閉。本文檔共98頁；當前第24頁；編輯于星期一\12點8分信號學說(signaltheory)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、蛋白質轉運通道/信號肽引導新生肽鏈穿過通道5、信號肽酶（合成結束后切除信號肽）第六節(jié)蛋白質的細胞定位EnglishChinese本文檔共98頁；當前第25頁；編輯于星期一\12點8分被運輸的蛋白質一般都帶有分揀信號(sortingsignal)，它可被細胞器上的受體蛋白所識別。分揀信號是一段連續(xù)的氨基酸序列，長達15-60個氨基酸。蛋白質運送到目的后，分揀信號的任務即完成，信號序列就被相應的蛋白酶切去。這樣的分揀信號通常也叫做信號序列或引導序列(signalseguence或leadersequence)。不同類型的信號序列可引導蛋白質在細胞內達到不同的目的地。（二）指導蛋白質定位運轉的信號序列第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第26頁；編輯于星期一\12點8分幾種典型的分揀信號序列(前導序列)第六節(jié)蛋白質的細胞定位——核輸入信號——核輸出信號——線粒體輸入信號——質體輸入信號——微體輸入信號——內質網駐留信號——信號肽本文檔共98頁；當前第27頁；編輯于星期一\12點8分信號序列具有指導一種蛋白質定位到細胞內特定部位所需要的全部信息。如把進入RER的N-端信號肽連接到細胞質溶質蛋白的起始端，就會使該蛋白質改變輸方向，轉運而進入內質網。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，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)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第28頁；編輯于星期一\12點8分1987年R.JEllis便把凡是能夠促進其它蛋白質正確折疊和組裝的一類蛋白質分子統稱為分子伴侶(molecularchaperone)。三、分子伴侶在蛋白質折疊和運轉中的作用第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第29頁；編輯于星期一\12點8分Definition:Alargegroupofunrelatedproteinfamilieswhoseroleistostabilizeunfoldedproteins,unfoldthemfortranslocationacrossmembranesorfordegradation,and/ortoassistintheircorrectfoldingandassembly.MOLECULARCHAPERONESMainrole:

Theypreventinappropriateassociationoraggregation

ofexposedhydrophobicsurfacesanddirecttheirsubstratesintoproductivefolding,

transportordegradationpathways.分子伴侶定義：在蛋白質折疊和組裝過程中，能夠防止多肽鏈鏈內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構并幫助其正確折疊，但其自身并不參加最終產物的組成的一類蛋白質分子。本文檔共98頁；當前第30頁；編輯于星期一\12點8分Molecularchaperonesinteractwithunfoldedorpartiallyfoldedproteinsubunits,e.g.nascentchainsemergingfromtheribosome,orextendedchainsbeingtranslocatedacrosssubcellularmembranes.Theystabilizenon-nativeconformationandfacilitatecorrectfoldingofproteinsubunits.Theydonotinteractwithnativeproteins,nordotheyformpartofthefinalfoldedstructures.Somechaperonesare

non-specific,andinteractwithawidevarietyofpolypeptidechains,butothersarerestrictedtospecifictargets.TheyoftencoupleATPbinding/hydrolysistothefoldingprocess.Essentialforviability,theirexpressionisoftenincreasedbycellularstress.Properties本文檔共98頁；當前第31頁；編輯于星期一\12點8分分子伴侶是進化上相當保守的一類蛋白質家族，目前已被確認的有熱休克蛋白Hsp60、Hsp70和Hsp90等。它們廣泛分布于原核細胞和真核細胞的細胞質、線粒體和內質網中。（一）分子伴侶的類別第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第32頁；編輯于星期一\12點8分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。本文檔共98頁；當前第33頁；編輯于星期一\12點8分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)蛋白質的細胞定位分子伴侶原核生物真核生物

大腸桿菌酵母果蠅哺乳動物植物胞質內質網線粒體胞質胞質內質網線粒體內質網線粒體HSP-60(chaperonin-60)GroELHsp60(Mif4p)Hsp60(Hsp58)RuSBPHSP-70(Stress-70)DnakSsal-4pKar2p(Bip)Ssc1pHsp68,Hsp70Hsc1,Hsc2,Hsc4Hsp70(p73)Hsc70(P72,Prp73,CUATPase)Bip(Grp78)Hsp70(Grp75)B70(Bip)Hsp-90(Stress-90)HepG(C62.5)Hsp83,Hsc83Hsp83Hsp90Grp94(Hsp83,Hsp87)(Erp99,endolasmin)本文檔共98頁；當前第34頁；編輯于星期一\12點8分Hsp70是進化上最保守的蛋白質之一。Dnak是Hsp70家族中首先被確定的成員，它分子量為70kDa，由兩個結構域組成：一個是N端分子量為44kDa高度保守的ATPase結合功能域，另一個是25kDa的C端區(qū)域。（二）分子伴侶的基本結構和作用機理1、Hsp70分子伴侶系統第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第35頁；編輯于星期一\12點8分Hsp70家族中3個成員的功能域結構示意圖殘基數表示各功能域的邊界。Dnak中的第386-392殘基組成ATPase功能域和底物結合功能域之間的連接。GrpE中第86-88殘基是長的N-端α螺旋斷裂，此處可與Dnak相互作用DnakGrpEDnaJ功能未知α-螺旋Β片域二聚化Dnak結合1348688138197ATPase域連接區(qū)底物結合域功能未知區(qū)1537386393638連接區(qū)底物結合域C末端域鋅指G/F結構域J域Dnak相互作用178108143200376本文檔共98頁；當前第36頁；編輯于星期一\12點8分Hsp70的主要功能是防止蛋白質聚集和協助折疊錯誤的蛋白質重新折疊。此外它還有另外一些作用：①協助某些新翻譯出的蛋白質折疊；②引導蛋白質穿過細胞器膜轉運；③使寡聚蛋白質解裝配；④促進不穩(wěn)定蛋白質降解；⑤調控折疊了的調節(jié)蛋白(包括轉錄因子)的生物活性。第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第37頁；編輯于星期一\12點8分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溶質中的稱為TCP-1，而在細菌中的則稱為GroEL。2、Hsp60伴侶蛋白系統第六節(jié)蛋白質的細胞定位Hsp60樣分子伴侶結構電鏡圖左為經負染的HSP60顆粒群；右為根據電解圖象用計算機描繪的單個Hsp60顆粒三維復型模型

本文檔共98頁；當前第38頁；編輯于星期一\12點8分根據X-射線衍射對結構進行測定，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，構成具有中央空腔的筒狀結構(腔直徑約4.5nm)。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)背靠背地構成一個中空的圓筒，下圖為筒的頂面觀

本文檔共98頁；當前第39頁；編輯于星期一\12點8分本文檔共98頁；當前第40頁；編輯于星期一\12點8分在大腸桿菌的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周期性地結合與釋放。在每次結合期間，底物蛋白發(fā)生折疊，直到底物蛋白獲得其天然構象后，GroES才與GroEL解離，底物蛋白被釋放(依賴于ATP水解)。體外和體內研究均證實：GroEL和GroES在蛋白質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蛋白質底物結合到遠環(huán)的腔中發(fā)生折疊本文檔共98頁；當前第41頁；編輯于星期一\12點8分至于輔伴侶蛋白GroES的作用，除可以提高GroEL結合和催化ATP水解的協同性外，它與GroEL的結合還有促進底物蛋白釋放的作用。第六節(jié)蛋白質的細胞定位ATPADP+Pi真核生物中的Hsp60與原核生物中GroEL的結構和功能基本類似。本文檔共98頁；當前第42頁；編輯于星期一\12點8分Hsp70對新生蛋白質表面的小識別斑有識別能力，它先與蛋白質作用。隨后Hsp70對尚未正確折疊的蛋白質再進一步加工折疊，使其成為具有正確折疊的蛋白質。在這些作用過程中Hsp蛋白通過水解ATP變化，發(fā)生與蛋白質結合和分離的周期變化。Hsp70和Hsp60相互配合對新生蛋白質正確加工折疊的示意圖本文檔共98頁；當前第43頁；編輯于星期一\12點8分Hsp70在蛋白質向線粒體中輸入的作用示意圖信號肽插入后，肽鏈隨之通道穿過雙層膜伸入基質，Hsp70將肽鏈拽入基質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構并具有生物功能的蛋白質分子！本文檔共98頁；當前第44頁；編輯于星期一\12點8分在細胞質溶質中游離核糖體上合成的蛋白質，除有些貯留在細胞質溶質中外，其它均需運送到細胞內的各種細胞器中。（三）分子伴侶在蛋白質定位和跨膜運轉中的作用第六節(jié)蛋白質的細胞定位前體蛋白在運送時必須保持其伸展構象，并不得聚集變性和降解，以便向細胞器中運輸。這些轉運到線粒體、質體、內質網等固定空間的蛋白質，都是以未折疊或部分折疊的構象穿過膜到達其行使功能的部位。本文檔共98頁；當前第45頁；編輯于星期一\12點8分分子伴侶不僅能防止新生蛋白的折疊，還能參與蛋白質的轉移過程，并幫助線粒體和內質網中新輸入的蛋白質正確折疊成一定構象。第六節(jié)蛋白質的細胞定位Hsp70mHsp70mHsp60本文檔共98頁；當前第46頁；編輯于星期一\12點8分四、內質網途徑的蛋白質合成及其命運(一)內質網膜上核糖體合成的蛋白質及其特點第六節(jié)蛋白質的細胞定位細胞質溶質內游離核糖體細胞質溶質蛋白核蛋白線粒體蛋白葉綠體蛋白微體蛋白RER外膜上核糖體很大部分細胞內特定部位分泌到細胞外分泌蛋白蛋白質的起始合成本文檔共98頁；當前第47頁；編輯于星期一\12點8分在RER膜上核糖體合成的蛋白質有兩種類型：即跨膜蛋白(transmembraneprotein)和水溶性蛋白。第六節(jié)蛋白質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，多數隨膜流轉變成質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質網腔中，這些不同的新生蛋白質除一小部分存留于內質網腔中外，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。本文檔共98頁；當前第48頁；編輯于星期一\12點8分盡管RER核糖體所合成蛋白質的命運有所不同，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，能指導它們同RER膜結合，并穿過RER膜進入RER腔；這些蛋白質的穿膜過程和多肽的延伸相結合，翻譯與轉移同步進行，是以共翻譯轉移(co-translationaltranslocation)的形式完成蛋白質的合成過程。第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第49頁；編輯于星期一\12點8分（二）可溶性蛋白質的合成和轉移第六節(jié)蛋白質的細胞定位信號學說(signaltheory)分泌蛋白的生物最初也是在游離核糖體上開始合成的本文檔共98頁；當前第50頁；編輯于星期一\12點8分進入RER的蛋白質除釋放到RER腔內的以外，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。本文檔共98頁；當前第51頁；編輯于星期一\12點8分像可溶性蛋白一樣，跨膜蛋白的開始轉移也為信號肽序列所起動。但這一轉移過程可被肽鏈中的第二個疏水氨基酸序列—停止-轉移序列(stop-transfersequence)所阻斷，使肽鏈不能再繼續(xù)進入膜中。在進入轉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，把蛋白質鎖定在膜內。同時，N-端信號肽也從通道釋放到脂雙層內并被切除。轉移的蛋白質便被作為一個跨膜蛋白定向插入膜中，氨基端朝向脂雙層的腔內側，而羧基端則朝向胞質側。第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第52頁；編輯于星期一\12點8分跨膜蛋白整合到內質網膜中的變化機制示意圖CytosolRERLumen本文檔共98頁；當前第53頁；編輯于星期一\12點8分有些跨膜蛋白的轉移起動，是靠一個內部信號序列而不是氨基末端的信號序列，但這些內部信號序列并不被切除。內部信號序列第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第54頁；編輯于星期一\12點8分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穿過脂雙層。這種情況下，一個內部信號序列用來起始轉運，另一個是停止轉運序列。具有內部信號的肽鏈整合到內質網膜中的兩次穿膜蛋白起始轉移序列停止轉運序列第六節(jié)蛋白質的細胞定位起始轉移序列與蛋白質轉運體結合后，一直等到一個停止轉移序列進入轉運體時，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。本文檔共98頁；當前第55頁；編輯于星期一\12點8分多次穿膜蛋白視紫紅質(rhodopsin)嵌入RER膜示意圖第六節(jié)蛋白質的細胞定位StopTransferSignalStartTransferSignal本文檔共98頁；當前第56頁；編輯于星期一\12點8分已轉移到內質網腔內的多肽鏈經進一步折疊、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）進入內質網腔內的蛋白質的命運第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第57頁；編輯于星期一\12點8分駐留在內質網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.內質網駐留蛋白(ERresidentprotein)第六節(jié)蛋白質的細胞定位內質網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，以胞內膜泡形式沿微管運往Golgi復合體進行加工修飾，爾后再反運回RER。本文檔共98頁；當前第58頁；編輯于星期一\12點8分進入糙面內質網腔中的許多蛋白質，大都要進行修飾加工，如分泌蛋白的糖基化等。2.新生肽鏈在糙面內質網腔中的修飾加工在內質網上合成的蛋白質，大部分為糖蛋白，而在細胞質溶質中合成的可溶性蛋白質則不加接糖基。糖基化作用對于指導大分子運送到細胞內的其它部位也有重要意義。第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第59頁；編輯于星期一\12點8分在細胞質溶質核糖體上合成的多肽，除部分貯留在細胞質中外，多數最終要被運送到靶細胞器中，它們在很大的程度上決定了細胞器的結構與功能。由于細胞器種類不同，相應蛋白質到靶細胞器的定位過程也不盡相同。但它們的轉運機理與內質網膜上合成的蛋白質的轉運基本相同，都須要有肽鏈信號序列的引導。五、游離核糖體上合成的蛋白質的歸宿第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第60頁；編輯于星期一\12點8分胞質中合成的一些多肽經核孔復合體進入細胞核要依賴于蛋白質本身所攜帶的核輸入信號(nuclearimportsignal)，此信號是蛋白質入核所必需的關鍵序列。（一）核定位蛋白的入核轉運核輸入信號是由4~8個氨基酸構成的一個短肽，富含Lys、Arg和Pro等帶正電的氨基酸。第六節(jié)蛋白質的細胞定位它與信號肽不同的是：①可以定位在親核蛋白的不同部位，不僅僅位于N-末端；②進入核后也不被切除（成為蛋白質的永久構成部分）。本文檔共98頁；當前第61頁；編輯于星期一\12點8分核定位蛋白的核輸入機制在細胞質中，游離輸入蛋白與運載蛋白的NLS結合，形成運載復合物。在FG核孔蛋白作用下，將核蛋白運入核內。輸入蛋白－Ran·GTP經核孔通道返回細胞質本文檔共98頁；當前第62頁；編輯于星期一\12點8分（二）線粒體蛋白質的跨膜運送這些蛋白質的合成和輸入細胞器大體上要涉及到4個步驟：(1)在細胞質溶質中合成多肽前體物；(2)前體物和細胞器表面的受體結合；(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)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第63頁；編輯于星期一\12點8分由胞質溶質運送到線粒體或葉綠體的蛋白質，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(signalsequence)。各種信號序列的長短不等，約為20-80個氨基酸殘基，在線粒體蛋白質的跨膜轉運中起著關鍵作用。1.線粒體蛋白的跨膜運動（1）線粒體蛋白的前導序列及其受體第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第64頁；編輯于星期一\12點8分①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，對牽引蛋白質跨膜具有重要作用；②不含或基本不含帶負電荷的酸性氨基酸；③

序列中羥基氨基酸(尤其是絲氨酸)的含量較高；④整個前導序列可形成既具親水性又具疏水性的兩性(amphipathic)-螺旋，這樣，可憑藉外正內負的膜電位，使前導肽及其所牽引的蛋白質得以順利過膜。線粒體前導序列的特點是：第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第65頁；編輯于星期一\12點8分線粒體蛋白質特有的導肽序列(a)導肽的線性序列；(b)導肽的折疊后的氨基酸殘基的分布圖第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第66頁；編輯于星期一\12點8分內、外膜接觸點線粒體外膜線粒體內膜受體蛋白成熟線粒體蛋白線粒體蛋白質前導序列跨膜運送時，首先被其外膜上的受體蛋白識別并相互結合，在電化學梯度勢能的驅動下跨過內、外膜的接觸點(membranecontactsite)，爾后靠ATP水解能進一步進入線粒體基質。第六節(jié)蛋白質的細胞定位蛋白質輸入線粒體基質示意圖本文檔共98頁；當前第67頁；編輯于星期一\12點8分跨越線粒體雙層膜的蛋白質還需進一步分別定位于內膜、外膜和膜間隙。線粒體前導序列的不同部位在蛋白質的跨膜運輸過程中發(fā)揮著不同的作用。也就是說前導肽不僅能引導其所在蛋白質進入線粒體，而且還含有指導蛋白質到達細胞器中一些的空間結構部位的不同導向信息。（2）線粒體跨膜蛋白的分揀定位第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第68頁；編輯于星期一\12點8分輸入蛋白在輸入之前，首先要與伴侶蛋白Hsc70結合，而去折疊。線粒體外膜中有輸入受體蛋白(如TOM20和TOM22)，可識別基質定位序列，并與之結合，將前體蛋白送入外膜通道(由TOM40構成)。1、線粒體基質蛋白的輸入定位于基質中的蛋白質還要再通過內膜通道(由TIM23和TIM17)進入基質，在此部位外膜和內膜緊貼在一起。transloconoftheoutermembrane,TOMtransloconoftheinnermembrane,TIMimportreceptor定位序列在基質中被蛋白酶切除。在內膜轉移通道處有基質Hsc70陪伴蛋白，該蛋白與TIM44接觸水解ATP，驅動基質前體蛋白轉運到基質中。多肽鏈在伴侶蛋白作用下折疊和裝配成三維和四維結構。TOM20/22線粒體內、外膜接觸部位電鏡圖本文檔共98頁；當前第69頁；編輯于星期一\12點8分①一次性穿膜蛋白②二次穿膜蛋白③多次穿膜蛋白2、線粒體內膜蛋白的輸入①一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膜的TIM23/17轉移復合物輸入到基質中。輸入過程中，基質定位序列被切除。CoxVa含有一個疏水性停止轉移序列(stop-transfersequence)，當蛋白質穿過TIM23/17通道時，停止轉移序列阻止C-端穿過內膜，然后肽鏈轉移到脂雙層中。②二次穿膜蛋白肽鏈含有基質定位序列和2段內部疏水區(qū)(Oxl1定位序列)，肽鏈進入基質后，基質定位區(qū)被切除。Oxl1疏水區(qū)被內膜中的Oxa1蛋白所識別，并將蛋白質插入脂雙層中。③多次穿膜蛋白

這類蛋白質N末端沒有基質定位序列，而肽鏈內部含有多個定位序列。如ADP/ATP對向轉運體(antiporter)，此蛋白含有6個穿膜區(qū)為定位序列，外膜中的TOM70可識別內部定位序列。通過外膜的通用運輸孔穿過外膜，在膜間隙中的TIM9/10的協助下，蛋白質被移送到內膜中的轉移復合體(由TIM22/54組成)，負責將輸入蛋白的疏水性定位序列移入內膜脂雙層中。本文檔共98頁；當前第70頁；編輯于星期一\12點8分此類蛋白質前體中在N末端基質定位序列之后，接著為一段長的疏水性氨基酸片段(一個停止轉移信號)，可阻止蛋白質進入基質，同時可使蛋白質結合到外膜中，成為外膜整合蛋白。此途徑中，蛋白質輸入后，其基質定位序列和內部疏水性序列均不切除。3、外膜蛋白質的輸入本文檔共98頁；當前第71頁；編輯于星期一\12點8分4、膜間隙蛋白質的輸入①主要途徑②穿外膜直接途徑②穿外膜直接途徑

輸入蛋白質通過外膜的TOM40通用輸入孔，直接將蛋白質釋放到膜間隙中，不涉及到內膜，與內膜轉移因子無關。例如細胞色素c血紅素裂合酶(負責血紅素與細胞色素c共價結合)，是一種線粒體膜間隙蛋白。①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，進入基質后，N末端第一個序列被基質中的蛋白酶切除。第二個序列阻止肽鏈完全穿過內膜，前體物變成內膜TIM23/17通道中的中間物。中間物側向擴散，離開TIM23/17通道。內膜中的蛋白酶切除穿膜的疏水性片段，將成熟的蛋白質以可溶性形式釋放到膜間隙中。本文檔共98頁；當前第72頁；編輯于星期一\12點8分線粒體輸入蛋白定位序列的排列形式大多數線粒體蛋白含有N末端基質定位序列，但各種蛋白質的不相同。本文檔共98頁；當前第73頁；編輯于星期一\12點8分在細胞質溶質中合成的線粒體蛋白質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就有時就無前導序列，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膜外側。第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第74頁；編輯于星期一\12點8分線粒體蛋白質的跨膜運送是一個多步驟的耗能過程，有多種蛋白質參與。除前導序列可驅動蛋白質前體跨越內外膜并定位于各最終場所外，分子伴侶對于蛋白質跨膜前的解折疊和跨膜后的重新折疊發(fā)揮了關鏈作用。第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第75頁；編輯于星期一\12點8分葉綠體蛋白質的跨膜運送也與線粒體蛋白類似。二者都是翻譯后轉移，跨膜轉運過程都需要能量驅動，都具有兩性氨基末端的前導序列，而且在蛋白質進入目的地的過程中被分次切除。葉綠體蛋白質跨膜運送的特點：第六節(jié)蛋白質的細胞定位（三）葉綠體蛋白質的跨膜運送本文檔共98頁；當前第76頁；編輯于星期一\12點8分葉綠體間質(stroma)中與卡爾文循環(huán)有關的酶，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、在細胞質溶質中合成，然后輸入進葉綠體間質中。1、葉綠體間質蛋白的輸入本文檔共98頁；當前第77頁；編輯于星期一\12點8分這些蛋白質都含有間質輸入序列(stromal-importsequence)，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腔，與間質Hsc70分子伴侶暫時結合，N末端輸入序列被切除。本文檔共98頁；當前第78頁；編輯于星期一\12點8分質體藍素和其他一些類囊體腔蛋白質，肽鏈中含有兩個連續(xù)的攝取－定位序列(uptake-targetingsequence)。第1個是N末端間質輸入序列，引導蛋白質前體進入間質。第2個是類囊體定位序列(thylakoid-targetingsequence)，引導蛋白質進入類囊體腔。2、類囊體腔蛋白的輸入本文檔共98頁；當前第79頁；編輯于星期一\12點8分類囊體腔蛋白的輸入途徑有4條：②利用與細菌SecA相關蛋白質的途徑①SRP依賴途徑③依賴于與線粒體Oxa1相關蛋白質的途徑④ΔpH途徑這4條途徑均與細菌中的蛋白輸入途徑類似本文檔共98頁；當前第80頁；編輯于星期一\12點8分蛋白質前體進入間質后，輸入序列被切除，在葉綠體信號識別顆粒(SRP)結合，類囊體膜上有SRP受體，SRP與SRP受體結合，經Sec轉運體(Sectranslocon)進入類囊體腔，類囊體定位序列在腔內被切除.①SRP依賴途徑：Sec轉運體本文檔共98頁；當前第81頁；編輯于星期一\12點8分②類囊體腔蛋白質輸入的第2條途徑是利用與細菌SecA相關的蛋白質，其機制與革氏陽性菌蛋白質穿過內膜的類似。革氏陽性菌蛋白質翻譯后的穿內膜轉移細菌內膜上有由3個亞基組成的轉移體通道.

本文檔共98頁；當前第82頁；編輯于星期一\12點8分蛋白質定位于類囊體膜，此途徑依賴于與線粒體Oxa

1相關的蛋白質。③第三條途徑：本文檔共98頁；當前第83頁；編輯于星期一\12點8分結合金屬的類囊體腔蛋白質的輸入途徑。這些去折疊的蛋白質前體物首先進入間質，在間質中N末端的間質輸入序列被切除，隨之蛋白質發(fā)生折疊，結合上輔因子。一套類囊體膜蛋白和結合的輔因子將折疊蛋白質輸入到腔內，這一轉移的驅動力來自于pH梯度。④ΔpH途徑：本文檔共98頁；當前第84頁；編輯于星期一\12點8分過氧化物酶體中，無論是膜上還是腔中的蛋白質都是在細胞質溶質中合成后輸入的。絕大多數過氧化物酶體基質蛋白的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-targetingsequence,PTS1)。當把這一短的信號序列連接到細胞質中的任何蛋白質上，都可使該蛋白質被輸入過氧化物酶體中。(四)過氧化物酶體中的蛋白質輸入第六節(jié)蛋白質的細胞定位本文檔共98頁；當前第85頁；編輯于星期一\12點8分第六節(jié)蛋白質的細胞定位在細胞質溶質中，PTS1與可溶性和膜結合的受體蛋白Pex14結合，在功能上與SRP和SRP受體使定位于ER腔的蛋白質輸入機制類似。輸入蛋白結合著Pex5通過多體轉移通道。在進入基質過程中或進入基質之后，Pex5與過氧化物酶體蛋白質解離，返回細胞質。但PTS1序列不切除。蛋白質輸入過程需要水解ATP。本文檔共98頁；當前第86頁；編輯于星期一\12點8分過氧化物酶體基質蛋白由PTS1定位序列引導輸入第1步：過氧化氫酶和其他大多數基質蛋白C末端均含有PTS1攝?。ㄎ恍蛄校诵蛄信c細胞質溶質受體Pex5結合。第2步：結合了基質蛋白的Pex5與過氧化物酶體膜上的Pex14相互作用。第3步:基質蛋白-Pex5復合物被轉移到一組膜蛋白(Pex10/Pex12/Pex2)上，基質蛋白被輸入到過氧化物酶體基質中。第