第四章 生物信息的传递(下)翻译（从mRNA-蛋白质）4.5 蛋白质运转机制在生物体内，蛋白质的合在生物体内，蛋白质的合 成位点与功能位点常常被一成位点与功能位点常常被一 层或多层细胞膜所隔开，这层或多层细胞膜所隔开，这 样就产生了蛋白质运转的问样就产生了蛋白质运转的问 题。题。由于细胞各部分都有特定由于细胞各部分都有特定 的蛋白质组分，因此合成的的蛋白质组分，因此合成的 蛋白质必须准确无误地定向蛋白质必须准确无误地定向 运送才能保证生命活动的正运送才能保证生命活动的正 常进行。常进行。一般说来，蛋白质运转可分为两大类：一般说来，蛋白质运转可分为两大类： 翻译转运同步机制翻译转运同步机制: :蛋白质的合成和转运同时发生的蛋白质的合成和转运同时发生的 翻译后转运机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生转运。翻译后转运机制：蛋白质从核糖体上释放后才发生转运。下表列举了跨膜运输和镶入膜内的几种主要蛋白质。下表列举了跨膜运输和镶入膜内的几种主要蛋白质。蛋白性质蛋白性质 运运 转转 机机 制制主主 要要 类类 型型分泌分泌 蛋白质在结合核糖体上蛋白质在结合核糖体上 合成，合成， 并以翻译转运同并以翻译转运同 步机制运输步机制运输免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素 等等细胞器发细胞器发 育育蛋白质在游离核糖体上合蛋白质在游离核糖体上合 成，以翻译后运转机制运输成，以翻译后运转机制运输核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环 体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白 质质膜的形成膜的形成 两种机制兼有两种机制兼有质膜、内质网、类囊体中的蛋白质质膜、内质网、类囊体中的蛋白质4. 5. 1 翻译-运转同步机制 蛋白质定位信息存在于自身结构中，并蛋白质定位信息存在于自身结构中，并通过与膜上特殊受体的相互作用得以表通过与膜上特殊受体的相互作用得以表达。信号序列在结合核糖体上合成后便达。信号序列在结合核糖体上合成后便与膜上特定受体相互作用，产生通道，与膜上特定受体相互作用，产生通道，允许这段多肽在延长的同时穿过膜结构允许这段多肽在延长的同时穿过膜结构。因此，这种方式是边翻译边跨膜运转。因此，这种方式是边翻译边跨膜运转。信号肽（signal peptide）： 在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的酸序列的RNARNA区域，被称为信号肽序列，区域，被称为信号肽序列，它负责把蛋白质引导到细胞内不同膜结构它负责把蛋白质引导到细胞内不同膜结构的亚细胞器内。的亚细胞器内。绝大部分被运入内质网内腔的蛋白质都带有一个信号肽，绝大部分被运入内质网内腔的蛋白质都带有一个信号肽， 该序列常常位于蛋白质的氨基末端，长度一般在该序列常常位于蛋白质的氨基末端，长度一般在13-3613-36个残基之个残基之 间，有如下三个特点：间，有如下三个特点： （1 1）一般带有）一般带有10-1510-15个疏水氨基酸；个疏水氨基酸； （2 2）在靠近该序列）在靠近该序列N-N-端常常有端常常有1 1个或数个带正电荷的氨基酸；个或数个带正电荷的氨基酸； （3 3）在其）在其C-C-末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸末端靠近蛋白酶切割位点处常常带有数个极性氨基酸 ，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（丙氨酸，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链（丙氨酸 或甘氨酸）。或甘氨酸）。根据信号肽假说，同细胞质中其他蛋白质的合成一样，分泌蛋白的 生物合成开始于结合核糖体，当翻译进行到大约5070个氨基酸残基 之后，信号肽开始从核糖体的大亚基露出，被粗糙内质网膜上的受体 识别，并与之相结合。信号肽过膜后被内质网腔的信号肽酶水解，正 在合成的新生肽随之通过蛋白孔道穿越疏水的双层磷脂。一旦核糖体 移到mRNA的“终止”密码子，蛋白质合成即告完成，翻译体系解散， 膜上的蛋白孔道消失，核糖体重新处于自由状态。图430蛋白质跨膜转运的信号肽假说及其运输过程 SRPSRP能同时识别正在合成需要通过内质网膜进行运转的新生能同时识别正在合成需要通过内质网膜进行运转的新生 肽和结合核糖体，它与这类核糖体上新生蛋白的信号肽结肽和结合核糖体，它与这类核糖体上新生蛋白的信号肽结 合是多肽正确运转的前提，但同时也导致了该多肽合成的合是多肽正确运转的前提，但同时也导致了该多肽合成的 暂时终止（此时新生肽一般长约暂时终止（此时新生肽一般长约7070个残基左右）。个残基左右）。SRP-SRP-信信 号肽号肽- -核糖体复合物即被引向内质网膜并与核糖体复合物即被引向内质网膜并与SRPSRP的受体的受体 DPDP相结合。只有当相结合。只有当SRPSRP与与DPDP相结合时，多肽合成才恢复进行相结合时，多肽合成才恢复进行 ，信号肽部分通过膜上的核糖体受体及蛋白运转复合物跨，信号肽部分通过膜上的核糖体受体及蛋白运转复合物跨 膜进入内质网内腔，新生肽链重新开始延伸。膜进入内质网内腔，新生肽链重新开始延伸。 整个蛋白跨膜以后，信号肽被水解，形成高级结构和成熟型整个蛋白跨膜以后，信号肽被水解，形成高级结构和成熟型 蛋白质，并被运送到相应细胞器。蛋白质，并被运送到相应细胞器。SRPSRP与与DPDP的结合很可能导致的结合很可能导致 受体聚集而形成膜孔道，使信号肽及与其相连的新生肽得以受体聚集而形成膜孔道，使信号肽及与其相连的新生肽得以 通过。此时，通过。此时，SRPSRP与与DPDP相分离并恢复游离状态。待翻译过程结相分离并恢复游离状态。待翻译过程结 束后，核糖体的大、小亚基解离，受体解聚，通道消失，内束后，核糖体的大、小亚基解离，受体解聚，通道消失，内 质网膜也恢复完整的脂双层结构。进入内质网内腔后，蛋白质网膜也恢复完整的脂双层结构。进入内质网内腔后，蛋白 质常以运转载体的形式被送入高尔基体或形成运转小泡，分质常以运转载体的形式被送入高尔基体或形成运转小泡，分 别运送到各自的亚细胞位点。别运送到各自的亚细胞位点。SRP = signal recognition particle信号肽在蛋白质运输过程中如何起作用？信号肽在蛋白质运输过程中如何起作用？半乳糖酶定位于胞质半乳糖酶定位于胞质麦芽糖结合蛋白定位于胞外麦芽糖结合蛋白定位于胞外麦芽糖运转蛋白位于外膜内腔麦芽糖运转蛋白位于外膜内腔把把半乳糖酶羧基端基因片段与麦芽糖转运蛋白和半乳糖酶羧基端基因片段与麦芽糖转运蛋白和麦芽糖结合蛋白的氨基端基因片段相连，并以此模麦芽糖结合蛋白的氨基端基因片段相连，并以此模板指导合成杂种蛋白质，就可以通过测定板指导合成杂种蛋白质，就可以通过测定半乳半乳糖酶的活性确定蛋白的位置糖酶的活性确定蛋白的位置完整的信号多肽是保证蛋白质运转的必要条完整的信号多肽是保证蛋白质运转的必要条件。件。仅有信号肽还不足以保证蛋白质运转的发生仅有信号肽还不足以保证蛋白质运转的发生。信号序列的切除并不是运转所必需的。信号序列的切除并不是运转所必需的。并非所有的运转蛋白质都有可降解的信号肽并非所有的运转蛋白质都有可降解的信号肽。据此，据此，“信号肽信号肽”应当定义为：能启动蛋白质应当定义为：能启动蛋白质运转的任何一段多肽。运转的任何一段多肽。4.5.2 翻译后运转机制研究发现，叶绿体和线粒体中有许多蛋白质和酶是由细胞质提研究发现，叶绿体和线粒体中有许多蛋白质和酶是由细胞质提 供的，其中绝大多数以翻译后运转机制进入细胞器内。供的，其中绝大多数以翻译后运转机制进入细胞器内。Tom = transport across outer membrane Tim = transport across inner membraneTom = transport across outer membrane Tim = transport across inner membrane4.5.2.14.5.2.1线粒体蛋白质跨膜运转线粒体蛋白质跨膜运转线粒体蛋白质跨膜运转过程有如下特征：线粒体蛋白质跨膜运转过程有如下特征： 通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以通过线粒体膜的蛋白质在运转之前大多数以 前体形式存在，它由成熟蛋白质和前体形式存在，它由成熟蛋白质和N N端延伸出的端延伸出的 一段前导肽（一段前导肽（leader peptideleader peptide）共同组成。共同组成。 蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种需能过蛋白质通过线粒体内膜的运转是一种需能过 程；程； 蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上蛋白质通过线粒体膜运转时，首先由外膜上 的的TomTom受体复合蛋白识别与受体复合蛋白识别与Hsp70Hsp70或或MSFMSF等分子伴等分子伴 侣相结合的待运转多肽，通过侣相结合的待运转多肽，通过TomTom和和TimTim组成的组成的 膜通道进入线粒体内腔。膜通道进入线粒体内腔。MSF = mitochondrial import stimulation factorSome proteins contain stop transfer signal and are inserted into mitochondrial membrane.4.5.2.24.5.2.2前导肽的作用和性质前导肽的作用和性质 前导肽的特点：前导肽的特点：1 1，带正电的碱性氨基酸含量较为丰富，分散于不带电荷的，带正电的碱性氨基酸含量较为丰富，分散于不带电荷的氨基酸序列间（起重要作用）氨基酸序列间（起重要作用）2 2，缺少带负电的酸性氨基酸，缺少带负电的酸性氨基酸3 3，羟基氨基酸含量较高，羟基氨基酸含量较高4 4，有形成双亲，有形成双亲 螺旋结构的能力螺旋结构的能力 前导肽对线粒体蛋白质的识别和跨膜转运前导肽对线粒体蛋白质的识别和跨膜转运起着关键作用起着关键作用 前导肽跨膜运转时首先与线粒体外膜上的前导肽跨膜运转时首先与线粒体外膜上的受体相结合。受体相结合。TomTom受体可能是线粒体蛋白受体可能是线粒体蛋白质跨膜运转时最主要的受体蛋白。有些前质跨膜运转时最主要的受体蛋白。有些前导肽含有导肽含有“ “止运入止运入” ”肽段，当该肽段被跨膜肽段，当该肽段被跨膜通道中的受体蛋白识别时，所运输的多肽通道中的受体蛋白识别时，所运输的多肽将被定位在膜上（图将被定位在膜上（图4-334-33）。）。图4-32 前导肽的不同区域可能在蛋白质跨膜运 转过程中起不同的作用。叶绿体蛋白质运转过程有如下特点： 活性蛋白水解酶位于叶绿体基质内，这是 鉴别翻译后运转的指标之一。 叶绿体膜能够特异地与叶绿体蛋白的前体 结合。 叶绿体蛋白质前体内可降解序列因植物和 蛋白质种类不同而表现出明显的差异。4.5.2.3叶绿体蛋白质的跨膜运转图4-33 叶绿体蛋 白质跨膜运转。叶绿体多肽在胞质中的游离核糖体上合成后脱离核糖体并折叠成具有三级结构的蛋白质分子，多肽上某些特定位点结合于只有叶绿体膜上才有的特异受体位点。叶绿体定位信号肽一般有两个部分，第一部分决定该蛋白质能否进入叶绿体基质，第二部分决定该蛋白能否进入类囊体4.5.3 4.5.3 核定位蛋白的运转机制核定位蛋白的运转机制在细胞质中合成的蛋白质一般通过核孔进入细胞核。在细胞质中合成的蛋白质一般通过核孔进入细胞核。所有核糖体蛋白都首先在细胞质中被合成，运转到细所有核糖体蛋白都首先在细胞质中被合成，运转到细 胞核内，在核仁中被装配成胞核内，在核仁中被装配成40S40S和和60S60S核糖体亚基，然核糖体亚基，然 后运转回到细胞质中行使作为蛋白质合成机器的功能后运转回到细胞质中行使作为蛋白质合成机器的功能RNARNA、DNADNA聚