高级生物化学chapter 03 Protein targeting(in Chinese)

1、 第三章 蛋白质寻靶 主要内容：本章主要讨论蛋白质是如何主要内容：本章主要讨论蛋白质是如何从细胞浆转运到各种各样的膜隔室从细胞浆转运到各种各样的膜隔室, 如如ER、高尔基体、溶酶体、线粒体、叶绿体、过高尔基体、溶酶体、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核氧化物酶体、细胞核, 以及是如何跨质膜的。以及是如何跨质膜的。3.1 附着在内质网上的核糖体形成分泌蛋白和膜蛋白附着在内质网上的核糖体形成分泌蛋白和膜蛋白 膜结合的核糖体和游膜结合的核糖体和游离核糖体实质上是相同的离核糖体实质上是相同的, 一个特定的核糖体是游离一个特定的核糖体是游离还是与糙面内质网结合仅还是与糙面内质网结合仅仅依赖于它所制造的

2、蛋白仅依赖于它所制造的蛋白质的类型质的类型 膜结合的核糖体合成三膜结合的核糖体合成三种主要类型的蛋白质种主要类型的蛋白质: 分分泌型蛋白、溶酶体蛋白和泌型蛋白、溶酶体蛋白和跨膜蛋白跨膜蛋白 信号序列是蛋白质跨内质网膜转运的标记信号序列是蛋白质跨内质网膜转运的标记 n信号序列共同特征信号序列共同特征: : (1)它们长度的范围在1336个残基之间;(2)信号的氨基末端部分至少含有一个带正电荷的残基; (3)通常有1015个残基长的一个高度疏水区形成信号序列的中心, Ala, Leu, Val, Ile和Phe经常出现在这个区域。在此疏水核心区, 用一个非极性的氨基酸残基取代一个带正电的残基通,

3、通常会破坏信号序列的引导活性; (4)信号序列切割位点的氨基末端残基通常有一个小的, 中性侧链, 最常见的是丙氨酸(Ala)。 并不是所有的分泌型蛋白和质膜蛋白都含有跨内质网并不是所有的分泌型蛋白和质膜蛋白都含有跨内质网膜转运后被切割掉的氨基末端信号序列。膜转运后被切割掉的氨基末端信号序列。 有些蛋白含有有些蛋白含有一个内部信号序列而起同样的作用。一个内部信号序列而起同样的作用。 胞浆蛋白通过在其氨基末端加信号序列可胞浆蛋白通过在其氨基末端加信号序列可重新引导到内质网重新引导到内质网信号识别颗粒信号识别颗粒(SRP)检测信号序列并使核检测信号序列并使核糖体附着在糖体附着在ER膜上膜上35SRP

4、循环循环mRNA内质网膜内质网膜内质网腔内质网腔信号肽酶信号肽酶信号肽信号肽GTP-GDPGTP-GDP循环使信号序列从循环使信号序列从SRPSRP上释放上释放, SRP, SRP与其受体分离与其受体分离 受体的受体的GTPGTP结合形式结合形式与与SRPSRP结合更牢固结合更牢固, , 从而从而释放出信号肽释放出信号肽, , 释放出释放出的信号肽迅速与转运机的信号肽迅速与转运机器结合。器结合。 信号肽打开蛋白质转运通道信号肽打开蛋白质转运通道 转运是通过信号序列和中止转移序列引导转运是通过信号序列和中止转移序列引导 转运和延伸在机制上是两个不同的过程,未折叠的多肽链是跨内质网膜转运的最适底物

5、,新生的多肽链就跨内质网膜转运, 直到遇到终止转运序列为止。多种信号序列和终止转运序列使蛋白质在双分子层膜上往复缠绕,转运后大多数信号序列被切除。ATPATP驱动的热休克蛋白作为分子伴侣结合新驱动的热休克蛋白作为分子伴侣结合新生蛋白并帮助其折叠生蛋白并帮助其折叠 内质网内腔的新生多肽链并不立即折叠内质网内腔的新生多肽链并不立即折叠, , 而是与分子伴侣而是与分子伴侣蛋白结合蛋白结合, , 保持数分钟的非折叠状态。新生蛋白质的氨基末保持数分钟的非折叠状态。新生蛋白质的氨基末端从内质网上出现比其羧基末端早许多秒甚至数分钟端从内质网上出现比其羧基末端早许多秒甚至数分钟; ; 内质内质网内腔蛋白质浓度

6、非常高网内腔蛋白质浓度非常高, , 可以达到可以达到200mg/ml, 200mg/ml, 这比体外重这比体外重折叠的最适浓度折叠的最适浓度(1mg/ml)(1mg/ml)大得多。因此大得多。因此, , 新生肽链有产生许新生肽链有产生许多机会发生杂乱的偏差性的互作。在没有分子伴侣的存在下多机会发生杂乱的偏差性的互作。在没有分子伴侣的存在下, , 众多的新生肽链将变成复杂的缠绕状态。分子伴侣通过阻止众多的新生肽链将变成复杂的缠绕状态。分子伴侣通过阻止不正常的分子间互作来协助折叠。在合成完成之前不正常的分子间互作来协助折叠。在合成完成之前, , 分子伴分子伴侣忠实地保护着新生出的肽链部分。侣忠实地

7、保护着新生出的肽链部分。 内质网内腔中的主要分子伴侣是BiP即结合蛋白(Binding protein)。它是热休克蛋白家族(HSP)中的一个78kd的组成的成员。 3.2 糖蛋白从内质网上的多萜醇糖蛋白从内质网上的多萜醇 供体上获得核心糖结构供体上获得核心糖结构 许多分泌蛋白和膜蛋白都含有共价连接的碳水化合物组分，糖蛋白中寡糖单位的生物合成是在一个活化载体上, 构建一个稍微较大的通用寡糖模块, 然后这个活化载体将此通用寡糖模块从内质网膜内腔侧转移到一个正在合成的多肽链上。这个载体就是磷酸多萜醇。 葡萄糖的缺乏是糖蛋白已完全折叠正准备葡萄糖的缺乏是糖蛋白已完全折叠正准备转运到高尔基体的信号转运

8、到高尔基体的信号 糖蛋白上的3个葡萄糖残基和其中的1个甘露糖迅速从N-糖苷键连接的寡糖上切除,如果蛋白质未折叠或折叠错误, 葡萄糖又将回加到N-糖苷键连接的寡糖上去。此反应循环在决定一个糖蛋白是否正确折叠, 从而为转运到高尔基体作好准备 葡萄糖糖基化和切除的多次循环, 以及只有葡萄糖糖基化了的糖蛋白才能与钙联蛋白结合, 在控制从ER输出蛋白的质量方面起着关键作用 转运囊泡携带蛋白质从内质网到高尔基体转运囊泡携带蛋白质从内质网到高尔基体进一步发生糖基化和分选进一步发生糖基化和分选n高尔基体有两个主高尔基体有两个主要作用：要作用：1.1.糖蛋白的碳水化合物糖蛋白的碳水化合物单位在高尔基体中发单位在

9、高尔基体中发生改变和精细化生改变和精细化2.2.高尔基体是细胞主要高尔基体是细胞主要的分选中心的分选中心 转运囊泡出芽和融合的过程中转运囊泡出芽和融合的过程中 保留了膜的不对称性保留了膜的不对称性 在囊泡转运中, 膜的不对称性得到保留 转运囊泡和高尔基体的管腔侧对应于内质网的管腔侧 内质网和其它细胞胞器膜的内腔侧对应于质膜的外表面 一旦一个蛋白进入内质网, 它将再也不能回到细胞浆 小的小的GTPGTP结合蛋白、有被蛋白、结合蛋白、有被蛋白、SNAPsSNAPs和和 SNAREsSNAREs在囊泡转运中起重要作用在囊泡转运中起重要作用 当分离出来的高尔基体叠积体与细胞浆和ATP培养, 其膜囊上出

10、芽产生了许多约75nm直径的囊泡。这些囊泡最初覆盖有一组有被蛋白，它们在膜上形成一个包被体外壳。一种称为ADP-核糖基化因子的较小的GTP结合蛋白, 也是需要的。供体膜节段上包被的形成增加了其曲度, 使其可以成型为一囊泡。当此包被了的囊泡遇到其靶膜时, 与ARF结合的GTP水解为GDP。这个包被就从囊泡上释放出来, 这是囊泡准备与靶膜融合的关键步骤。 囊泡通过互补受体的配对来找到特异的靶, 来自转运囊泡的vSNARE(Vesicle-SNARE)和来自靶隔室的tSNARE(Target-SNARE) (图3-13)。认为互补性的v和tSNARES在融合颗粒中结合, 融合颗粒含有其它的识别和调节

11、组分, 如钙传感器。带有带有KDELKDEL序列羧基末端的蛋白回到内质网序列羧基末端的蛋白回到内质网 nERER管腔中的驻留蛋白携管腔中的驻留蛋白携带有驻留信号都有一个带有驻留信号都有一个Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)的的C-C-末端序列末端序列nKDELKDEL序列实际上不能阻序列实际上不能阻碍一个蛋白质离开内质碍一个蛋白质离开内质网。相反网。相反, , 它作为一个它作为一个检回标签而起作用检回标签而起作用 6-6-磷酸甘露糖将溶酶体酶寻靶到其目的地磷酸甘露糖将溶酶体酶寻靶到其目的地 高尔基体膜含有一种能特异识别6-P-甘露糖单位, 并与

12、有此标记的蛋白质结合的受体。含有此蛋白-受体复合物的囊泡, 在高尔基体反式面边缘出芽。然后, 这些转运体与比高尔基体更酸的溶酶体前体囊泡(Prelysosomal vesiclePrelysosomal vesicle)融合。pH的降低引起有标记的糖蛋白与其受体分离。此时, 受体返回高尔基体, 溶酶体前体通过与溶酶体融合, 得到其中的酶变成成熟的溶酶体。 3.3 3.3 细菌也运用信号序列进行蛋白质寻靶细菌也运用信号序列进行蛋白质寻靶 细菌也将其蛋白质寻靶到其序列编码的目的地去。一种革兰氏阴性微生物如大肠杆菌, 它能够将细胞浆中核糖体合成的新生蛋白质转运到细胞膜(也称质膜或内膜)、外膜、周质或

13、膜外基质 转运到胞浆外的原核蛋白是由附着在质膜上转运到胞浆外的原核蛋白是由附着在质膜上的核糖体合成的。的核糖体合成的。其新生肽链上的信号肽将核糖体引导至质膜, 使得蛋白质能够转运出去。与真核生物中一样, 其转运机制与肽链延伸无偶联 一条多肽链跨大肠杆菌细胞膜的转运, 是通过一种可溶性的分子伴侣和一种膜结合的、多亚基的转位酶催化的。 SecB蛋白, 是蛋白输出的一种主要分子伴侣, 它使新生肽链保持在非折叠或部分折叠状态, 以便其能够跨越膜。 3.4 3.4 大多数线粒体蛋白在胞浆中合成并转大多数线粒体蛋白在胞浆中合成并转运到该细胞器运到该细胞器 线粒体中大多数蛋白是核DNA编码的, 并且是在胞浆

14、中游离核糖体上合成的。 真核细胞中大约有10%的蛋白质运输进线粒体。蛋白质通过其氨基末端序列寻靶到线粒体基质。寻靶到基质的序列, 也称前导肽序列,通常有15-35残基长。它们有丰富的带正电荷残基, 以及Ser和Thr残基。 带有导肽的线粒体蛋白质带有导肽的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图前体跨膜运送过程示意图3.5 3.5 叶绿体也通过前导序列输入并分选其叶绿体也通过前导序列输入并分选其大多数蛋白质大多数蛋白质 如同在线粒体中一样, 叶绿体蛋白的寻靶也大都是由氨基末端前导序列实现的。叶绿体前导序列, 也称为转运序列, 与线粒体的前导序列类似, 都带正电、富含Ser和Thr残基。 氨基末端信号

15、引导前体蛋白进入叶绿体基质。前导序列的这一段在基质中或在到达基质的路途中被切除。从而暴露了第二个信号, 后者引导修饰了的前体蛋白跨类囊体膜转运。寻靶到叶绿体基质的蛋白质缺乏此第二个信号, 它含有类似细菌和内质网信号序列的疏水核心。有人发现正常情况下处于类囊体管腔中的质蓝素,当其前导序列被基质蛋白铁氧还蛋白的前导序列置换后, 又重新被引导到基质。 3.6 3.6 胞浆蛋白通过羧基末端的胞浆蛋白通过羧基末端的SKFSKF序列寻靶序列寻靶到过氧化物酶体到过氧化物酶体 许多过氧化物酶体基质蛋白的寻靶信号仅仅是其羧基末端的一个Ser-Lys-Phe(SKF)三肽序列。胞浆中前体蛋白SKF序列的突变, 阻

16、碍其进入过氧化物酶体。另外, 正常情况下驻留在胞浆中的蛋白, 仅仅通过在其羧基末端加上一个SKF序列, 就可被重新引导到过氧化物酶体。此寻靶信号与线粒体和叶绿体的输入信号不同, 它并不被切除。其它的两点不同是它的序列短和羧基末端的位置。3.73.7核定位信号核定位信号(NLS)(NLS)能使蛋白质迅速通过能使蛋白质迅速通过核孔进入细胞核核孔进入细胞核 细胞核中的所有蛋白质都是在细胞浆中的游离核糖体合成的。一些小的蛋白(15kd)如组蛋白很容易通过核孔进入细胞核, 而大的蛋白(90kd) 转运到细胞核, 依赖于含有5个连续带正电荷残基的核定位序列(Nuclear localization seq

17、uence, Nuclear localization sequence, NLSNLS): -Pro-Lys-128Lys-Lys-Arg-LysLys-128Lys-Lys-Arg-Lys-Val-。其中一个氨基残基的改变都会使这个序列失去活性。 3.83.8许多膜结合蛋白含有共价结合的脂酰或许多膜结合蛋白含有共价结合的脂酰或异戊二烯基单位异戊二烯基单位 一个可溶性的胞浆蛋白通过共价连接的一个脂酰或异戊二烯基基团, 可给其一个膜锚而成为膜蛋白。通常采用了4种类型的修饰: N-末端的豆蔻酰化末端的豆蔻酰化 半胱氨酸残基的软脂酰化半胱氨酸残基的软脂酰化 羧基末端的法尼基酰化羧基末端的法尼基酰化

18、 羧基末端的双牻牛基化羧基末端的双牻牛基化3.9 3.9 糖基化磷脂酰肌醇单位作为许多细胞糖基化磷脂酰肌醇单位作为许多细胞表面蛋白的膜锚表面蛋白的膜锚n糖基化磷脂酰肌醇(Glycosyl phosphatidyl inositol, GPI)与蛋白质的羧基末端相连, 作为灵活的链索能够与细胞外分子发生自由作用。除了这个糖脂锚, 整个蛋白都位于细胞外空间。许多细胞表面水解酶和粘附素(Adhesin)都是通过一个GPI单位栓系在细胞上的。n GPI锚定的蛋白质起初含有使新生肽链寻靶到内质网的N-末端信号序列和一个C末端疏水性的20到30个残基长的序列。这个疏水性的C末端区域暂时把蛋白质栓在内质网膜

19、上。一个事先形成的GPI单位上的乙醇胺末端, 进攻此C-末端系索的管腔端的一个肽键。C-末端的肽就释放出来, 从而产生GPI-锚蛋白。然后这个蛋白质从内质网到高尔基体, 最后到达其默认目的地质膜。3.10 特异蛋白通过受体介导的内吞作用特异蛋白通过受体介导的内吞作用进入细胞进入细胞 特异蛋白质通过与质膜上受体的结合, 形成包涵囊泡而进入细胞。此种受体介导的内吞作用有着广泛的生物学意义。 n1.这是一种将必需中间代谢产物转运到细胞中的方式将必需中间代谢产物转运到细胞中的方式。 n2.内吞作用调控了许多蛋白类激素和生长因子的反应内吞作用调控了许多蛋白类激素和生长因子的反应。 n3.寻靶至降解的蛋白质被吸收、传送到到溶酶体进行寻靶至降解的蛋白质被吸收、传送到到溶酶体进行消化消化。 n4.许多病毒和毒素利用受体介导的内吞作用进入细胞许多病毒和毒素利用受体介导的内吞作用进入细胞。n5.受体介导的吸收的打乱能导致疾病受体介导的吸收的打乱能导致疾病 n网格蛋白通过在有被小窝周围形成多面网格蛋白通过在有被小窝周围形成多面网格而参与内吞作用网格而参与内吞作用 n内吞蛋白和受体