真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的定位

司曉敏

(北京市第66中學(xué) 100053 )

蛋白質(zhì)是生命活動的執(zhí)行者，其合成均發(fā)生在核糖體上，合成的蛋白質(zhì)會被運(yùn)往不同的部位，發(fā)揮其應(yīng)有的功能。在真核細(xì)胞內(nèi)，一部分蛋白質(zhì)邊合成邊加工，邊轉(zhuǎn)運(yùn)，其最終主要定位在細(xì)胞膜、溶酶體和細(xì)胞外；另一部分蛋白質(zhì)在核糖體上合成完成后被定位在細(xì)胞質(zhì)溶膠，細(xì)胞核、線粒體、葉綠體和微體等部位(圖1)。

圖1 蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的定位總覽

1 分泌蛋白的分選與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

分泌蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)外的精準(zhǔn)定位與信號肽和囊泡密切相關(guān)。

1.1 “信號肽”假說 20世紀(jì)70年代初，洛克菲勒大學(xué)布洛貝爾(Gūnter Blobel)博士提出 “信號肽假說”,以解釋蛋白質(zhì)如何從核糖體合成后到達(dá)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，并在隨后的20多年的工作中證實(shí)了假說的正確性和普遍性。

什么是信號肽？一般認(rèn)為是新合成多肽鏈中用于指導(dǎo)蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移的N-末端氨基酸序列。信號肽通常由16～36個(gè)氨基酸組成，一般位于N端(有時(shí)不一定在N端)，對蛋白質(zhì)的靶向轉(zhuǎn)運(yùn)有決定作用。

信號肽假說的內(nèi)容包括：①蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)信號是由DNA指導(dǎo)合成的多肽；②蛋白質(zhì)在合成之初首先合成的一段多肽就是信號肽；③信號序列合成后與膜上特定受體相互作用，產(chǎn)生通道，多肽在延長的同時(shí)穿過膜結(jié)構(gòu)。

信號肽與位于細(xì)胞溶膠中的SRP(信號肽識別顆粒)結(jié)合，此時(shí)翻譯停止，SRP與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的SRP受體相結(jié)合，原來游離在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核蛋白受體結(jié)合并產(chǎn)生通道，三重結(jié)合確保新生肽鏈正確無誤地附著并進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，翻譯重新開始，多數(shù)蛋白質(zhì)會在信號肽完全進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后，被位于ER的內(nèi)膜上的信號序列切除酶切除，翻譯繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)完全過膜后，核糖體解離。被切除信號肽的肽鏈在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔進(jìn)一步加工、分選和轉(zhuǎn)運(yùn)。也有一部分蛋白質(zhì)并不切除信號肽，這部分蛋白質(zhì)就滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上成為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜蛋白。

1.2 囊泡運(yùn)輸機(jī)制 囊泡機(jī)制很好地解釋了蛋白質(zhì)如何從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體再到細(xì)胞外。細(xì)胞內(nèi)的囊泡有很多種，按結(jié)構(gòu)特征可以分為包被囊泡和無包被囊泡兩類；按生理功能，可分為轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡、儲存囊泡、分泌囊泡等。通過囊泡運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)主要有兩類，一類是囊泡膜上的膜蛋白和脂類等，參與細(xì)胞器的組成與特定的細(xì)胞功能(如細(xì)胞代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等)；另一類是囊泡所包裹的內(nèi)含物，如神經(jīng)遞質(zhì)、激素、各種酶和細(xì)胞因子等，這些物質(zhì)可參與蛋白質(zhì)或脂類的降解或剪切功能等，或者分泌到細(xì)胞外，調(diào)節(jié)自身或其他細(xì)胞的功能。

囊泡運(yùn)輸既是生命活動的基本過程，又是一個(gè)極其復(fù)雜的動態(tài)過程，在高等真核生物中尤其如此，涉及許多種類的蛋白質(zhì)和調(diào)控因子。囊泡運(yùn)輸一般包括出芽、錨定和融合等過程。細(xì)胞內(nèi)的囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)，就好比一個(gè)城市的交通運(yùn)輸系統(tǒng)，各種具有動力(即動力蛋白)的不同車輛(即運(yùn)輸復(fù)合體)裝載著所運(yùn)輸?shù)牟煌浳?即囊泡上的貨物分子)，按照指定的行駛路線(即微管)抵達(dá)目的地后，完成貨物的卸載。一個(gè)城市的良好交通運(yùn)輸狀況，需要精細(xì)的交通控制(即調(diào)節(jié)分子)。如果控制得不好，某些地方就會出現(xiàn)交通擁堵，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)城市的交通都會癱瘓。當(dāng)類似情況出現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)時(shí)，這些細(xì)胞就無法實(shí)現(xiàn)正常功能，甚至?xí)虼硕劳?。分泌蛋白正是通過這種運(yùn)輸機(jī)制完成從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體，以及從高爾基體到細(xì)胞外的過程。這個(gè)分選和轉(zhuǎn)運(yùn)的過程伴隨著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中的加工，最終形成成熟的蛋白質(zhì)分泌到細(xì)胞外。

研究證實(shí)，定位在細(xì)胞膜、溶酶體等上的蛋白質(zhì)和分泌蛋白有著類似的分選和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

2 定位在線粒體內(nèi)的蛋白質(zhì)的分選和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

定位在線粒體、細(xì)胞核、葉綠體的蛋白質(zhì)有相似的分選和定位機(jī)制。這部分蛋白質(zhì)在核糖體上完全合成后，在分選和轉(zhuǎn)運(yùn)之前是以前體的形式存在的，該前體包括已經(jīng)合成完成的蛋白質(zhì)和N端的一段信號序列。信號序列會被位于線粒體外膜上的外膜受體復(fù)合體所識別。識別以后蛋白質(zhì)會通過外膜受體蛋白和內(nèi)膜受體蛋白所形成的膜蛋白通道進(jìn)入線粒體基質(zhì)中，然后信號序列會被蛋白酶所切除。切除了信號序列的這部分蛋白質(zhì)會在線粒體基質(zhì)當(dāng)中進(jìn)行折疊呈現(xiàn)出正確的構(gòu)象，形成成熟的線粒體蛋白。