基因表达与蛋白质的生物合成专业课件

一种基因调节蛋白可协调几个不同基因的表达几个基因各有不同的基因调节蛋白结合到基因调节区上，然而这些结合蛋白本身只有再结合另外的基因调节蛋白才能激活转录。基因调节蛋白3基因调节蛋白1基因调节蛋白2DNA结合区(同源性很高)激素结合区(同源性稍差)1所有水溶性激素，如多肽激素等，先与细胞表面的专一受体(对各自特定的激素具有高度的特异识别能力和亲和力)相结合，形成激素—受体复合物，激活位于细胞膜上与受体相连接的效应器，通过对DNA的调控最终影响蛋白质合成，产生一定的生理和生化反应。水溶性的激素2GTP激活的腺苷酸环化酶G蛋白关联受体胰高血糖素激活的G蛋白亚基亚基

胞外区

细胞质溶质（cAMP依赖性蛋白质激酶）糖原葡萄糖1-磷酸无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应过程图解ATPADP无活性糖原磷酸化酶激活的糖原磷酸化酶无活性的A激酶激活的A激酶糖原分解3真核生物中蛋白质合成的调控小结1、基因转录与核小体结构(一)染色质结构与基因表达调控2、组蛋白和非组蛋白对转录的调节(二)真核基因转录水平的调节1、顺式作用元件的调控2、反式作用因子的调控——

转录起始复合物——远距离的调控转录3、调控蛋白质与DNA的相互作用对基因转录调控(1)调控因子与DNA的相互作用(2)转录调控因子的结构特征DNA结合功能域转录激活功能域结合其它因子的功能域通用转录因子基因激活蛋白基因抑制蛋白启动子CAAT框等增强子沉默子——直接或间接作用于DNA4(六)真核基因表达的激素调节(四)蛋白质合成的翻译水平的调节mRNA的稳定性mRNA非翻译区的结构与翻译调控1、甾类激素胞质受体核内受体2、水溶性的激素表面受体(三)蛋白质合成的转录后水平的调节RNA剪接5末端加上m7G帽3末端加上polyA尾RNA编辑(五)蛋白质合成的翻译后水平的调节信号肽的切除化学修饰加工、切割蛋白质的寿命控制5一、蛋白质合成后的去向和命运第六节蛋白质的细胞定位二、蛋白质运输的信号理论三、分子伴侣在蛋白质折叠和运转中的作用四、内质网途径的蛋白质合成及其命运五、游离核糖体上合成的蛋白质的归宿六、蛋白质的降解6一、蛋白质合成后的去向和命运（一）蛋白质合成的定位一类是由细胞质溶质内游离核糖体合成的蛋白质：第六节蛋白质的细胞定位另一类是由附着在内质网上的核糖体合成的蛋白质：其合成与转运同时进行，此运转方式称为共翻译转移

!其从核糖体上合成后释放出来再行转运，为翻译后转移

!7真核细胞内蛋白质的合成部位内质网合成内质网蛋白的mRNA与核糖体结合到RER膜上细胞质溶质中的游离多核糖体第六节蛋白质的细胞定位蛋白质合成结束后，核糖体亚基解离，返回细胞质溶质中的核糖体亚基公用库信号肽信号肽细胞质溶质中的核糖体亚基公用库RER膜上的结合多核糖体合成细胞质溶质蛋白的mRNA与核糖体仍留在细胞质溶质中8游离核糖体上合成蛋白质的最后定位(1)非定位性的细胞质溶质蛋白：驻留在细胞质溶质中；(2)定位性的细胞质溶质蛋白：定位于细胞质的特定位置，如中心粒和中心粒周物质；(3)核定位蛋白；(4)半自主性细胞器组成蛋白。1.游离核糖体上合成的蛋白质：（二）蛋白质合成后的去向及其命运第六节蛋白质的细胞定位9(1)运往细胞外的分泌蛋白；(2)进入溶酶体腔形成溶酶体酶等；(3)留在或运回RER腔中的网质蛋白;(3)插入到内质网膜中，并随膜流进入内膜系统各区和质膜，形成它们的结构成分。2.糙面内质网上核糖体所合成的蛋白质：RER核糖体上的蛋白质合成分泌蛋白溶酶体第六节蛋白质的细胞定位109、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低头要有勇气，抬头要有低气。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:34:37PM11、人总是珍惜为得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人乱于心，不宽余请。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/2/32023/2/303February202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3一般，核糖体上所合成蛋白质的氨基酸序列中均含有分拣信号(sortingsignal)——决定它们的去向和最终定位这种依靠氨基酸序列中的分拣信号决定蛋白质的去向和最终定位的分拣机制称为蛋白质分拣(proteinsorting)。具有专一分拣信号的蛋白质可以被运送到细胞内的各个不同部位；而缺乏分拣信号的蛋白质则一直保留在细胞质溶质中。（三）蛋白质运送的几种机制第六节蛋白质的细胞定位129、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低头要有勇气，抬头要有低气。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:34:37PM11、人总是珍惜为得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人乱于心，不宽余请。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/2/32023/2/303February202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/31.

孔门运输(gatedtransport)：细胞核、质间的蛋白质运输。2.跨膜运输：是通过结合在膜上的蛋白质转运子(proteintransportor)直接穿膜把蛋白质从细胞质溶质运送到细胞内的不同部位。必须先去折叠(unfolding)。3.膜泡运输：经过运输膜泡的过渡，把蛋白质从一个区间运送到另一个区间。具有分拣信号的蛋白质在细胞内区间的运送大体有3种不同的基本途径：第六节蛋白质的细胞定位141.孔门运输(gatedtransport)：第六节蛋白质的细胞定位152.跨膜运输：第六节蛋白质的细胞定位163.膜泡运输：第六节蛋白质的细胞定位17二、蛋白质运输的信号理论（一）信号学说第六节蛋白质的细胞定位细胞质中共同的核糖体库亚基(60S,40S)游离在细胞质溶质中附着在RER和核膜外表面（以60S亚基附着在内质网的外表面上）在进行翻译时临时装配而成?181971年,

G.Blobel和D.Sabatini首先对此提出了有关分泌蛋白合成机制的信号假说(signalhypothesis)。1975年，Blobel成功地破译了第一个信号肽序列，同时还提出在内质网膜上存在允许多肽链通过的通道，证实了那些被分泌到细胞外的蛋白质都将经过通道进入内质网腔。1980s初，又发现了信号识别颗粒及其受体。第六节蛋白质的细胞定位19信号假说的要点：1、分泌蛋白的编码mRNA普遍带有信号序列，即在紧接起始密码子之后有一段编码疏水性氨基酸的序列，称为信号密码子。信号密码子序列的翻译产物是信号肽(signalpeptide)，长度为10~30个氨基酸不等。第六节蛋白质的细胞定位2、在糙面内质网膜中存在着一种蛋白质翻译耦联易位系统，它与合成分泌蛋白的核糖体结合到糙面内质网膜上密切相关。20已发现在这个系统中有两种成分：信号识别颗粒(signalrecognitionparticle,SRP)和信号识别颗粒受体(SRPreceptor)。SRP是11S的核糖核蛋白复合物，由6条不同分子量的多肽链和1条7SscRNA组成。7S第六节蛋白质的细胞定位核糖体Asite结合部位21SRP存在于细胞质中，它的一端分别有与多肽链上信号肽结合的部位以及与SRP受体结合的部位；另一端则可与核糖体(Asite)结合。当信号序列一从核糖体上伸出，SRP就结合上去，翻译活动暂停。信号肽SRP大亚单位新生多肽链小亚单位mRNA第六节蛋白质的细胞定位信号肽结合部位SRP受体结合部位核糖体A位结合部位22SRP受体实际上是插在糙面内质网膜上的一种停泊蛋白(dockingprotein,DP)，由嵌入膜内的疏水部分和暴露于细胞质的亲水部分两部分组成。SRP受体(停泊蛋白)核糖体受体核糖体受体SRP受体SRP受体对7SRNA有识别能力第六节蛋白质的细胞定位233、在RER膜上还存在有核糖体受体，为插在RER膜上的一种整合蛋白。核糖体通过与核糖体受体结合而结合到RER膜上。核糖体与核糖体受体结合后，SRP与SRP受体脱离，SRP参与再循环。肽链合成又可继续进行。4、信号肽穿膜并整合到RER膜上，介导新生肽链沿蛋白质转运体穿膜进入RER腔内。遇到终止密码子后，核糖体大小亚单位解离，并从RER膜中的核糖体受体上及mRNA上脱离下来，肽链合成结束。第六节蛋白质的细胞定位核糖体-mRNA-信号识别颗粒复合体结合到内质网膜之后，大多数位于可溶性蛋白氨基末端的信号肽序列还附带有开启转移通道的功能，而且在合成的多肽链完全穿过膜之前，信号肽序列一直结合在通道上信号肽序列信号肽酶信号肽牵引肽链完全进入ER腔的模式图解24信号肽信号识别颗粒(SRP)核糖体信号识别颗粒受体核糖体受体蛋白易位体SRP与信号肽及核糖体结合引起蛋白质合成停止结合SRP的核糖体选择性与SRP受体结合翻译继续易位开始SRP离开再循环第六节蛋白质的细胞定位5、ER膜内表面的信号肽酶将信号肽切除，使整个肽链游离于RER腔中。2520世纪90年代初，Blobel又以确凿的实验证据进一步证明，在RER膜上存在允许多肽链穿过的蛋白质通道通道的直径只有2nm左右，所以蛋白质跨膜时必须去折叠以线性方式通过膜。第六节蛋白质的细胞定位通道关闭通道开放通道关闭G.Blobel因此项创见而荣获1999年诺贝尔奖！信号假说

(signalhypothesis)信号学说

(signaltheory)当带有新生多肽链的核糖体结合到内质网膜时，膜上的蛋白质通道开放，信号肽引导新生肽链穿过这一通道；蛋白质转移完成，核糖体从膜上移走之后，通道关闭。26信号学说(signaltheory)要点1、信号肽（由信号密码子编码）2、信号识别颗粒/信号识别颗粒受体3、核糖体受体（核糖体亲和蛋白）4、蛋白质转运通道/信号肽引导新生肽链穿过通道5、信号肽酶（合成结束后切除信号肽）第六节蛋白质的细胞定位EnglishChinese27被运输的蛋白质一般都带有分拣信号(sortingsignal)，它可被细胞器上的受体蛋白所识别。分拣信号是一段连续的氨基酸序列，长达15-60个氨基酸。蛋白质运送到目的后，分拣信号的任务即完成，信号序列就被相应的蛋白酶切去。这样的分拣信号通常也叫做信号序列或引导序列(signalseguence或leadersequence)。不同类型的信号序列可引导蛋白质在细胞内达到不同的目的地。（二）指导蛋白质定位运转的信号序列第六节蛋白质的细胞定位28几种典型的分拣信号序列(前导序列)第六节蛋白质的细胞定位——核输入信号——核输出信号——线粒体输入信号——质体输入信号——微体输入信号——内质网驻留信号——信号肽29信号序列具有指导一种蛋白质定位到细胞内特定部位所需要的全部信息。如把进入RER的N-端信号肽连接到细胞质溶质蛋白的起始端，就会使该蛋白质改变输方向，转运而进入内质网。通常，专一定位于相同目的地的一些信号序列，即使在组成上有所不同，但却可具有相同的功能。这是因为，信号序列的一些物理性质，如疏水性、带电荷氨基酸所在的位置等状况，要比氨基酸序列的精确性更重要。第六节蛋白质的细胞定位301987年R.JEllis便把凡是能够促进其它蛋白质正确折叠和组装的一类蛋白质分子统称为分子伴侣(molecularchaperone)。三、分子伴侣在蛋白质折叠和运转中的作用第六节蛋白质的细胞定位31Definition:Alargegroupofunrelatedproteinfamilieswhoseroleistostabilizeunfoldedproteins,unfoldthemfortranslocationacrossmembranesorfordegradation,and/ortoassistintheircorrectfoldingandassembly.MOLECULARCHAPERONESMainrole:

Theypreventinappropriateassociationoraggregation

ofexposedhydrophobicsurfacesanddirecttheirsubstratesintoproductivefolding,

transportordegradationpathways.分子伴侣定义：在蛋白质折叠和组装过程中，能够防止多肽链链内和链间的错误折叠或聚集作用，且还可以破坏多钛链中已形成的错误结构并帮助其正确折叠，但其自身并不参加最终产物的组成的一类蛋白质分子。32Molecularchaperonesinteractwithunfoldedorpartiallyfoldedproteinsubunits,e.g.nascentchainsemergingfromtheribosome,orextendedchainsbeingtranslocatedacrosssubcellularmembranes.Theystabilizenon-nativeconformationandfacilitatecorrectfoldingofproteinsubunits.Theydonotinteractwithnativeproteins,nordotheyformpartofthefinalfoldedstructures.Somechaperonesare

non-specific,andinteractwithawidevarietyofpolypeptidechains,butothersarerestrictedtospecifictargets.TheyoftencoupleATPbinding/hydrolysistothefoldingprocess.Essentialforviability,theirexpressionisoftenincreasedbycellularstress.Properties33分子伴侣是进化上相当保守的一类蛋白质家族，目前已被确认的有热休克蛋白Hsp60、Hsp70和Hsp90等。它们广泛分布于原核细胞和真核细胞的细胞质、线粒体和内质网中。（一）分子伴侣的类别第六节蛋白质的细胞定位34热休克蛋白家族的这几种成员都是恒定型表达的蛋白，为细胞正常生长和增殖所必需。它们不仅在热激反应中表达，而且在其它多种非生理条件的环境中也可合成。甚至在非热休克细胞中也存在着由热休克基因shp编码的类似蛋白质。35几种主要的分子伴侣家族及在不同类型细胞中的分布第六节蛋白质的细胞定位分子伴侣原核生物真核生物

大肠杆菌酵母果蝇哺乳动物植物胞质内质网线粒体胞质胞质内质网线粒体内质网线粒体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)36Hsp70是进化上最保守的蛋白质之一。Dnak是Hsp70家族中首先被确定的成员，它分子量为70kDa，由两个结构域组成：一个是N端分子量为44kDa高度保守的ATPase结合功能域，另一个是25kDa的C端区域。（二）分子伴侣的基本结构和作用机理1、Hsp70分子伴侣系统第六节蛋白质的细胞定位37Hsp70家族中3个成员的功能域结构示意图残基数表示各功能域的边界。Dnak中的第386-392残基组成ATPase功能域和底物结合功能域之间的连接。GrpE中第86-88残基是长的N-端α螺旋断裂，此处可与Dnak相互作用DnakGrpEDnaJ功能未知α-螺旋Β片域二聚化Dnak结合1348688138197ATPase域连接区底物结合域功能未知区1537386393638连接区底物结合域C末端域锌指G/F结构域J域Dnak相互作用17810814320037638Hsp70的主要功能是防止蛋白质聚集和协助折叠错误的蛋白质重新折叠。此外它还有另外一些作用：①协助某些新翻译出的蛋白质折叠；②引导蛋白质穿过细胞器膜转运；③使寡聚蛋白质解装配；④促进不稳定蛋白质降解；⑤调控折叠了的调节蛋白(包括转录因子)的生物活性。第六节蛋白质的细胞定位39Hsp60在不同的生物中有不同的名称，在线粒体中称为Hsp60；在脊椎动物的细胞质溶质中的称为TCP-1，而在细菌中的则称为GroEL。2、Hsp60伴侣蛋白系统第六节蛋白质的细胞定位Hsp60样分子伴侣结构电镜图左为经负染的HSP60颗粒群；右为根据电解图象用计算机描绘的单个Hsp60颗粒三维复型模型

40根据X-射线衍射对结构进行测定，GroEL是由14个亚基组成的寡聚体(EM下呈球形颗粒状)，这些亚基排列成方向相反的两个环(每个环由7个亚基组成)。两个环彼此背靠背相接，构成具有中央空腔的筒状结构(腔直径约4.5nm)。GroEL形成一双环寡聚体，每一环是由7个亚基围成两个环背靠背地构成一个中空的圆筒，下图为筒的顶面观

4142在大肠杆菌的GroEL(伴侣蛋白,chaperonin)和GroES

(辅伴侣蛋白,co-chaperonin)相互作用中，底物蛋白与GroEL周期性地结合与释放。在每次结合期间，底物蛋白发生折叠，直到底物蛋白获得其天然构象后，GroES

才与GroEL解离，底物蛋白被释放(依赖于ATP水解)。体外和体内研究均证实：GroEL和GroES在蛋白质折叠过程中可以防止形成聚集物，提高底物蛋白的正确折叠率。GroEL双环背靠背地组合成一中空圆筒，GroES形成一圆帽盖在筒的一端蛋白质底物结合到远环的腔中发生折叠43至于辅伴侣蛋白GroES的作用，除可以提高GroEL结合和催化ATP水解的协同性外，它与GroEL的结合还有促进底物蛋白释放的作用。第六节蛋白质的细胞定位ATPADP+Pi真核生物中的Hsp60与原核生物中GroEL的结构和功能基本类似。44Hsp70对新生蛋白质表面的小识别斑有识别能力，它先与蛋白质作用。随后Hsp70对尚未正确折叠的蛋白质再进一步加工折叠，使其成为具有正确折叠的蛋白质。在这些作用过程中Hsp蛋白通过水解ATP变化，发生与蛋白质结合和分离的周期变化。Hsp70和Hsp60相互配合对新生蛋白质正确加工折叠的示意图45Hsp70在蛋白质向线粒体中输入的作用示意图信号肽插入后，肽链随之通道穿过双层膜伸入基质，Hsp70将肽链拽入基质一个新生多肽链要依赖于一个或多个分子伴侣的依次作用，最后才能折叠成有特定三维结构并具有生物功能的蛋白质分子！46在细胞质溶质中游离核糖体上合成的蛋白质，除有些贮留在细胞质溶质中外，其它均需运送到细胞内的各种细胞器中。（三）分子伴侣在蛋白质定位和跨膜运转中的作用第六节蛋白质的细胞定位前体蛋白在运送时必须保持其伸展构象，并不得聚集变性和降解，以便向细胞器中运输。这些转运到线粒体、质体、内质网等固定空间的蛋白质，都是以未折叠或部分折叠的构象穿过膜到达其行使功能的部位。47分子伴侣不仅能防止新生蛋白的折叠，还能参与蛋白质的转移过程，并帮助线粒体和内质网中新输入的蛋白质正确折叠成一定构象。第六节蛋白质的细胞定位Hsp70mHsp70mHsp6048四、内质网途径的蛋白质合成及其命运(一)内质网膜上核糖体合成的蛋白质及其特点第六节蛋白质的细胞定位细胞质溶质内游离核糖体细胞质溶质蛋白核蛋白线粒体蛋白叶绿体蛋白微体蛋白RER外膜上核糖体很大部分细胞内特定部位分泌到细胞外分泌蛋白蛋白质的起始合成49在RER膜上核糖体合成的蛋白质有两种类型：即跨膜蛋白(transmembraneprotein)和水溶性蛋白。第六节蛋白质的细胞定位跨膜蛋白通常只是部分穿膜，插入膜中成为膜蛋白，多数随膜流转变成质膜或其它细胞器的膜成分。水溶性蛋白则完全穿过释放到内质网腔中，这些不同的新生蛋白质除一小部分存留于内质网腔中外，大部分都要通过膜腔外运，进入其它细胞器腔或排到细胞外。如血浆蛋白和一些蛋白酶原等。50尽管RER核糖体所合成蛋白质的命运有所不同，但它们在合成和运送中都具有某些共同的特点：它们都具有相同类型的信号肽，能指导它们同RER膜结合，并穿过RER膜进入RER腔；这些蛋白质的穿膜过程和多肽的延伸相结合，翻译与转移同步进行，是以共翻译转移(co-translationaltranslocation)的形式完成蛋白质的合成过程。第六节蛋白质的细胞定位51（二）可溶性蛋白质的合成和转移第六节蛋白质的细胞定位信号学说(signaltheory)分泌蛋白的生物最初也是在游离核糖体上开始合成的52进入RER的蛋白质除释放到RER腔内的以外，还有些是嵌入到膜中的跨膜蛋白：（三）膜整合蛋白的定位机制第六节蛋白质的细胞定位其肽链中一些片段必须穿过脂双层；而另外的一些片段则保留在膜中。53像可溶性蛋白一样，跨膜蛋白的开始转移也为信号肽序列所起动。但这一转移过程可被肽链中的第二个疏水氨基酸序列—停止-转移序列(stop-transfersequence)所阻断，使肽链不能再继续进入膜中。在进入转移通道后便横移到脂双层中，并形成一个-螺旋状的跨膜片段，把蛋白质锁定在膜内。同时，N-端信号肽也从通道释放到脂双层内并被切除。转移的蛋白质便被作为一个跨膜蛋白定向插入膜中，氨基端朝向脂双层的腔内侧，而羧基端则朝向胞质侧。第六节蛋白质的细胞定位54跨膜蛋白整合到内质网膜中的变化机制示意图CytosolRERLumen55有些跨膜蛋白的转移起动，是靠一个内部信号序列而不是氨基末端的信号序列，但这些内部信号序列并不被切除。内部信号序列第六节蛋白质的细胞定位56有些跨膜蛋白中的疏水信号序列成对行动的组成形式可使肽链来回反复穿过脂双层。这种情况下，一个内部信号序列用来起始转运，另一个是停止转运序列。具有内部信号的肽链整合到内质网膜中的两次穿膜蛋白起始转移序列停止转运序列第六节蛋白质的细胞定位起始转移序列与蛋白质转运体结合后，一直等到一个停止转移序列进入转运体时，这两个-螺旋的疏水序列才被释放到脂双层中，形成2次穿膜的跨膜蛋白。57多次穿膜蛋白视紫红质(rhodopsin)嵌入RER膜示意图第六节蛋白质的细胞定位StopTransferSignalStartTransferSignal58已转移到内质网腔内的多肽链经进一步折叠、组装和修饰后，它们的最终命运不同，这既取决于多肽链中氨基酸序列中所包含的定位信息，也取决于多肽链的修饰状态。（四）进入内质网腔内的蛋白质的命运第六节蛋白质的细胞定位59驻留在内质网中的蛋白在其羧基末端常有一个由4个氨基酸组成的驻留信号序列：动物中多为Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)；酵母中则为His-Asp-Glu-Leu(HDEL)；植物中序列不固定。1.

内质网驻留蛋白(ERresidentprotein)第六节蛋白质的细胞定位内质网膜上存在有驻留信号序列(KDEL)的受体，可特异性识别KDEL，将其浓缩后出芽，以胞内膜泡形式沿微管运往Golgi复合体进行加工修饰，尔后再反运回RER。60进入糙面内质网腔中的许多蛋白质，大都要进行修饰加工，如分泌蛋白的糖基化等。2.新生肽链在糙面内质网腔中的修饰加工在内质网上合成的蛋白质，大部分为糖蛋白，而在细胞质溶质中合成的可溶性蛋白质则不加接糖基。糖基化作用对于指导大分子运送到细胞内的其它部位也有重要意义。第六节蛋白质的细胞定位61在细胞质溶质核糖体上合成的多肽，除部分贮留在细胞质中外，多数最终要被运送到靶细胞器中，它们在很大的程度上决定了细胞器的结构与功能。由于细胞器种类不同，相应蛋白质到靶细胞器的定位过程也不尽相同。但它们的转运机理与内质网膜上合成的蛋白质的转运基本相同，都须要有肽链信号序列的引导。五、游离核糖体上合成的蛋白质的归宿第六节蛋白质的细胞定位62胞质中合成的一些多肽经核孔复合体进入细胞核要依赖于蛋白质本身所携带的核输入信号(nuclearimportsignal)，此信号是蛋白质入核所必需的关键序列。（一）核定位蛋白的入核转运核输入信号是由4~8个氨基酸构成的一个短肽，富含Lys、Arg和Pro等带正电的氨基酸。第六节蛋白质的细胞定位它与信号肽不同的是：①可以定位在亲核蛋白的不同部位，不仅仅位于N-末端；②进入核后也不被切除（成为蛋白质的永久构成部分）。63核定位蛋白的核输入机制在细胞质中，游离输入蛋白与运载蛋白的NLS结合，形成运载复合物。在FG核孔蛋白作用下，将核蛋白运入核内。输入蛋白－Ran·GTP经核孔通道返回细胞质64（二）线粒体蛋白质的跨膜运送这些蛋白质的合成和输入细胞器大体上要涉及到4个步骤：(1)在细胞质溶质中合成多肽前体物；(2)前体物和细胞器表面的受体结合；(3)穿过并移进细胞器膜；(4)前体物被加工成成熟多肽。有些蛋白质进入细胞器的跨膜运动也是利用信号机制。第六节蛋白质的细胞定位65由胞质溶质运送到线粒体或叶绿体的蛋白质，输入前是以前体蛋白的形式存在。前体蛋白在氨基端有一段信号序列(signalsequence)。各种信号序列的长短不等，约为20-80个氨基酸残基，在线粒体蛋白质的跨膜转运中起着关键作用。1.线粒体蛋白的跨膜运动（1）线粒体蛋白的前导序列及其受体第六节蛋白质的细胞定位66①

含有较为丰富的带正电荷的碱性氨基酸(特别是精氨酸)，穿插在不带电荷的氨基酸序列之间，对牵引蛋白质跨膜具有重要作用；②不含或基本不含带负电荷的酸性氨基酸；③

序列中羟基氨基酸(尤其是丝氨酸)的含量较高；④整个前导序列可形成既具亲水性又具疏水性的两性(amphipathic)-螺旋，这样，可凭藉外正内负的膜电位，使前导肽及其所牵引的蛋白质得以顺利过膜。线粒体前导序列的特点是：第六节蛋白质的细胞定位67线粒体蛋白质特有的导肽序列(a)导肽的线性序列；(b)导肽的折叠后的氨基酸残基的分布图第六节蛋白质的细胞定位68内、外膜接触点线粒体外膜线粒体内膜

受体蛋白成熟线粒体蛋白线粒体蛋白质前导序列跨膜运送时，首先被其外膜上的受体蛋白识别并相互结合，在电化学梯度势能的驱动下跨过内、外膜的接触点(membranecontactsite)，尔后靠ATP水解能进一步进入线粒体基质。第六节蛋白质的细胞定位蛋白质输入线粒体基质示意图69跨越线粒体双层膜的蛋白质还需进一步分别定位于内膜、外膜和膜间隙。线粒体前导序列的不同部位在蛋白质的跨膜运输过程中发挥着不同的作用。也就是说前导肽不仅能引导其所在蛋白质进入线粒体，而且还含有指导蛋白质到达细胞器中一些的空间结构部位的不同导向信息。（2）线粒体跨膜蛋白的分拣定位第六节蛋白质的细胞定位70

输入蛋白在输入之前，首先要与伴侣蛋白Hsc70结合，而去折叠。线粒体外膜中有输入受体蛋白(如TOM20和TOM22)，可识别基质定位序列，并与之结合，将前体蛋白送入外膜通道(由TOM40构成)。1、线粒体基质蛋白的输入定位于基质中的蛋白质还要再通过内膜通道(由TIM23和TIM17)进入基质，在此部位外膜和内膜紧贴在一起。transloconoftheoutermembrane,TOMtransloconoftheinnermembrane,TIMimportreceptor定位序列在基质中被蛋白酶切除。在内膜转移通道处有基质Hsc70陪伴蛋白，该蛋白与TIM44接触水解ATP，驱动基质前体蛋白转运到基质中。多肽链在伴侣蛋白作用下折叠和装配成三维和四维结构。TOM20/22线粒体内、外膜接触部位电镜图71①一次性穿膜蛋白②二次穿膜蛋白③多次穿膜蛋白2、线粒体内膜蛋白的输入①一次性穿膜蛋白如细胞色素氧化酶的CoxVa亚基，其前体蛋白的N末端含有基质定位序列，此序列可被TOM20/22输入受体识别，通过外膜的通用输入孔和内膜的TIM23/17转移复合物输入到基质中。输入过程中，基质定位序列被切除。CoxVa含有一个疏水性停止转移序列(stop-transfersequence)，当蛋白质穿过TIM23/17通道时，停止转移序列阻止C-端穿过内膜，然后肽链转移到脂双层中。②二次穿膜蛋白肽链含有基质定位序列和2段内部疏水区(Oxl1定位序列)，肽链进入基质后，基质定位区被切除。Oxl1疏水区被内膜中的Oxa1蛋白所识别，并将蛋白质插入脂双层中。③多次穿膜蛋白

这类蛋白质N末端没有基质定位序列，而肽链内部含有多个定位序列。如ADP/ATP对向转运体(antiporter)，此蛋白含有6个穿膜区为定位序列，外膜中的TOM70可识别内部定位序列。通过外膜的通用运输孔穿过外膜，在膜间隙中的TIM9/10的协助下，蛋白质被移送到内膜中的转移复合体(由TIM22/54组成)，负责将输入蛋白的疏水性定位序列移入内膜脂双层中。72此类蛋白质前体中在N末端基质定位序列之后，接着为一段长的疏水性氨基酸片段(一个停止转移信号)，可阻止蛋白质进入基质，同时可使蛋白质结合到外膜中，成为外膜整合蛋白。此途径中，蛋白质输入后，其基质定位序列和内部疏水性序列均不切除。3、外膜蛋白质的输入734、膜间隙蛋白质的输入①主要途径②穿外膜直接途径②穿外膜直接途径

输入蛋白质通过外膜的TOM40通用输入孔，直接将蛋白质释放到膜间隙中，不涉及到内膜，与内膜转移因子无关。例如细胞色素c血红素裂合酶(负责血红素与细胞色素c共价结合)，是一种线粒体膜间隙蛋白。①主要途径前体物肽链中含有两个不同的N末端定位序列。例如细胞色素b2，进入基质后，N末端第一个序列被基质中的蛋白酶切除。第二个序列阻止肽链完全穿过内膜，前体物变成内膜TIM23/17通道中的中间物。中间物侧向扩散，离开TIM23/17通道。内膜中的蛋白酶切除穿膜的疏水性片段，将成熟的蛋白质以可溶性形式释放到膜间隙中。74线粒体输入蛋白定位序列的排列形式大多数线粒体蛋白含有N末端基质定位序列，但各种蛋白质的不相同。75在细胞质溶质中合成的线粒体蛋白质并不都是通过前述途径来运送的。定位于线粒体外膜的蛋白质就有时就无前导序列，它不以前体形式运送插入。而细胞色素c可能是直接扩散通过外膜而进入线粒体，再在细胞色素c-血红素裂合酶催化下，加上血红素后成为成熟型并定位于内膜外侧。第六节蛋白质的细胞定位76线粒体蛋白质的跨膜运送是一个多步骤的耗能过程，有多种蛋白质参与。除前导序列可驱动蛋白质前体跨越内外膜并定位于各最终场所外，分子伴侣对于蛋白质跨膜前的解折叠和跨膜后的重新折叠发挥了关链作用。第六节蛋白质的细胞定位77叶绿体蛋白质的跨膜运送也与线粒体蛋白类似。二者都是翻译后转移，跨膜转运过程都需要能量驱动，都具有两性氨基末端的前导序列，而且在蛋白质进入目的地的过程中被分次切除。叶绿体蛋白质跨膜运送的特点：第六节蛋白质的细胞定位（三）叶绿体蛋白质的跨膜运送78叶绿体间质(stroma)中与卡尔文循环有关的酶，除了核酮糖1,5二磷酸羧化酶(rubisco)的大亚基是由叶绿体DNA编码、间质核糖体合成外，其小亚基和所有参与卡尔文循环的酶均由核基因编码、在细胞质溶质中合成，然后输入进叶绿体间质中。1、叶绿体间质蛋白的输入79这些蛋白质都含有间质输入序列(stromal-importsequence)，此序列富含丝氨酸、苏氨酸和疏水性残基，少谷氨酸和天冬氨酸。核酮糖1,5二磷酸羧化酶小(S)亚基去折叠后进入间质腔，与间质Hsc70分子伴侣暂时结合，N末端输入序列被切除。80质体蓝素和其他一些类囊体腔蛋白质，肽链中含有两个连续的摄取－定位序列(uptake-targetingsequence)。第1个是N末端间质输入序列，引导蛋白质前体进入间质。第2个是类囊体定位序列(thylakoid-targetingsequence)，引导蛋白质进入类囊体腔。2、类囊体腔蛋白的输入81类囊体腔蛋白的输入途径有4条：②利用与细菌SecA相关蛋白质的途径①SRP依赖途径③依赖于与线粒体Oxa1相关蛋白质的途径④ΔpH途径这4条途径均与细菌中的蛋白输入途径类似82蛋白质前体进入间质后，输入序列被切除，在叶绿体信号识别颗粒(SRP)结合，类囊体膜上有SRP受体，SRP与SRP受体结合，经Sec转运体(Sectranslocon)进入类囊体腔，类囊体定位序列在腔内被切除.①SRP依赖途径：Sec转运体83②类囊体腔蛋白质输入的第2条途径是利用与细菌SecA相关的蛋白质，其机制与革氏阳性菌蛋白质穿过内膜的类似。革氏阳性菌蛋白质翻译后的穿内膜转移细菌内膜上有由3个亚基组成的转移体通道.

84蛋白质定位于类囊体膜，此途径依赖于与线粒体Oxa

1相关的蛋白质。③第三条途径：85结合金属的类囊体腔蛋白质的输入途径。这些去折叠的蛋白质前体物首先进入间质，在间质中N末端的间质输入序列被切除，随之蛋白质发生折叠，结合上辅因子。一套类囊体膜蛋白和结合的辅因子将折叠蛋白质输入到腔内，这一转移的驱动力来自于pH梯度。④ΔpH途径：86过氧化物酶体中，无论是膜上还是腔中的蛋白质都是在细胞质溶质中合成后输入的。绝大多数过氧化物酶体基质蛋白的C末端含有SKL(Ser-Lys-Leu)序列，此序列称为过氧化物酶体定位序列(peroxisomal-targetingsequence,PTS1)。当把这一短的信号序列连接到细胞质中的任何蛋白质上，都可使该蛋白质被输入过氧化物酶体中。(四)过氧化物酶体中的蛋白质输入第六节蛋白质的细胞定位87第六节蛋白质的细胞定位在细胞质溶质中，PTS1与可溶性和膜结合的受体蛋白Pex14结合，在功能上与SRP和SRP受体使定位于ER腔的蛋白质输入机制类似。输入蛋白结合着Pex5通过多体转移通道。在进入基质过程中或进入基质之后，Pex5与过氧化物酶体蛋白质解离，返回细胞质。但PTS1序列不切除。蛋白质输入过程需要水解ATP。88过氧化物酶体基质蛋白由PTS1定位序列引导输入第1步：过氧化氢酶和其他大多数基质蛋白C末端均含有PTS1摄取－定位序列，此序列与细胞质溶质受体Pex5结合。第2步：结合了基质蛋白的Pex5与过氧化物酶体膜上的Pex14相互作用。第3步:基质蛋白-Pex5复合物被转移到一组膜蛋白(Pex10/Pex12/Pex2)上，基质蛋白被输入到过氧化物酶体基质中。第4步：在基质蛋白转移过程中或在腔内，Pex5与基质蛋白解离，返回细胞质溶质中，返回过程中还要涉及到Pex10/Pex12/Pex2复合物和另外一些膜蛋白及细胞质溶质蛋白质。输入蛋白质可以折叠状态进入过氧化物酶体，输入后定位序列不切除.89第六节蛋白质的细胞定位输入过氧化物酶体的蛋白质是以折叠状态穿膜，在穿膜之前即以折叠构象结合血红素。根据推测，装配的转移通道孔径可大小不同，以准确适合不同大小的PTS1携带的分子穿膜。人类Zellweger综合征(Zellwegersyndrome)即是由于过氧化物酶体中缺乏输入蛋白，导致该细胞器产生缺陷。病人细胞内含有“空的”过氧化物酶体，脑、肝、肾严重异常，出生后很快死亡。90小结蛋白质信号肽核输入信号线粒体定位信号微体定位信号微体叶绿体线粒体溶酶体Golgi复合体内质网细胞核细胞质溶质蛋白中心体KDELM6P细胞质溶质中的游离核糖体库动物细胞内所合成蛋白质的定位叶绿体定位信号细胞质溶质途径糙面内质网途径91分泌蛋白膜蛋白细胞质溶质蛋白核蛋白线粒体蛋白叶绿体蛋白微体蛋白中心体蛋白RER外膜上核糖体很大部分蛋白质的起始合成(非定位性)(定位性)细胞质溶质内游离核糖体Golgi复合体ER蛋白可溶性蛋白Golgi体蛋白溶酶体蛋白细胞内特定部位分泌到胞外细胞内所合成蛋白质的定位信号肽92细胞中的蛋白质也有一定的寿命，一些受损伤、衰老失效和折叠错误的蛋白质要被降解。因而细胞中特定蛋白质的合成与降解，保持了蛋