生物化學與分子生物學/蛋白質合成後的加工和靶向輸送

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蛋白質的合成 - 蛋白質合成體系 - 胺基酸與tRNA的連接 - 肽鏈的合成過程 - 蛋白質合成後的加工和靶向輸送 - 蛋白質合成的干擾和抑制
新生肽鏈並不具有生物活性,它們必須正確摺疊形成具有生物活性的三維空間結構,有的還需形成二硫鍵,有的需通過亞基聚合形成具有四級結構的蛋白質。此外,許多蛋白質在翻譯後還要經過水解作用切除一些肽段或胺基酸,或對某些胺基酸殘基的側鏈基團進行化學修飾等,才能成為有活性的成熟蛋白質。這一過程稱為翻譯後加工(post-translational processing)。
蛋白質合成後還需要被輸送到合適的亞細胞部位才能行使各自的生物學功能。有的蛋白質駐留於細胞質,有的被運輸到細胞器或鑲嵌入細胞膜,還有的被分泌到細胞外。蛋白質合成後在細胞內被定向輸送到其發揮作用部位的過程稱為蛋白質靶向輸送(protein targeting)或蛋白質分揀(protein sorting)。

新生肽鏈摺疊需要分子伴侶[編輯]

蛋白質在合成時,尚未摺疊的肽段有許多疏水基團暴露在外,具有分子內或分子間聚集的傾向,使蛋白質不能形成正確空間構象。這種結構混亂的肽鏈聚集體產生過多會對細胞有致命的影響。實際上,細胞中大多數天然蛋白質摺疊並不是自發完成的,其摺疊過程需要其他酶或蛋白質的輔助,這些輔助性蛋白質可以指導新生肽鏈按特定方式正確摺疊,它們被稱為分子伴侶(molecular chaperone)。
原核生物和真核生物都存在多種類型的分子伴侶,目前研究得較為清楚的是熱激蛋白70(heat shock protein 70, Hsp70)家族和伴侶蛋白(chaperonin)。
Hsp70因其分子量接近70kD而得名,高溫刺激可誘導其合成。在蛋白質翻譯後加工過程中, Hsp70與未摺疊蛋白質的疏水區結合,既可避免蛋白質因高溫而變性,又可防止新生肽鏈過早摺疊。Hsp70也可以使一些跨膜蛋白質在轉位至膜前保持非摺疊狀態。有些Hsp70通過與多肽鏈結合、釋放的循環過程,使多肽鏈發生正確摺疊。這個過程需要ATP水解供能,並需要其他伴侶蛋白如Hsp40的共同作用。未摺疊多肽鏈與Hsp70結合,還可以解開多肽鏈之間的聚集或防止新聚集的產生。多肽鏈從Hsp70釋放後,可以重新摺疊成天然構象。如果多肽鏈摺疊不充分,上述過程可重複進行直至天然構象形成。
人熱激蛋白家族可存在於細胞質、內質網腔、線粒體、細胞核等部位,發揮多種細胞保護功能,如使線粒體和內質網蛋白質以未摺疊狀態轉運和跨膜;避免蛋白質變性後因疏水基團暴露而發生不可逆聚集;清除變性或錯誤摺疊的肽鏈中間物等。
有些肽鏈的正確摺疊還需要伴侶蛋白發揮輔助作用。伴侶蛋白的主要作用是為非自發性摺疊肽鏈提供正確摺疊的微環境。例如,在大腸桿菌,約有10%~15%的細胞內蛋白質的正確摺疊依賴伴侶系統 GroEL/GroES, 熱激條件下依賴該系統的蛋白質則高達30%。在真核細胞,與 GroEL/GroES功能類似的伴侶蛋白是Hsp60。
GroEL是由14個相同亞基組成的多聚體,可形成一桶狀空腔,頂部是空腔的出口。GroES是由7 個相同亞基組成的圓頂狀複合物,可作為 GroEL桶的蓋子。需要摺疊的肽鏈進入GroEL的桶狀空腔後,GroES可作為蓋子瞬時封閉 GroEL出口。封閉後的桶狀空腔為肽鏈摺疊提供微環境,摺疊過程需消耗大量ATP。摺疊完成後,形成天然構象的多肽鏈被釋放,尚未完全摺疊的肽鏈可進入下一輪循環,重複以上過程,直至天然構象形成。
除了需要分子伴侶協助肽鏈摺疊外,一些蛋白質形成正確空間構象還需要異構酶(isomerase)的 參與。已發現兩種異構酶可以幫助細胞內新生肽鏈摺疊為功能蛋白質,一種是蛋白質二硫鍵異構酶(protein disulfide isomerase , PDI) , 另一種是肽脯氨醯基順-反異構酶(peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)。前者幫助肽鏈內或肽鏈間二硫鍵的正確形成,後者可使肽鏈在各脯氨酸殘基彎折處形成正確摺疊。這些都是蛋白質形成正確空間構象和發揮功能的必要條件。

肽鏈水解加工產生具有活性的蛋白質或多肽[編輯]

新生肽鏈的水解是肽鏈加工的重要形式。新生肽鏈N-端的甲硫氨酸殘基,在肽鏈離開核糖體後,大部分即由特異的蛋白水解酶切除。原核細胞中約半數成熟蛋白質的N-端經脫甲醯基酶切除N-甲醯基而保留甲硫氨酸,另一部分被氨基肽酶水解而去除N-甲醯甲硫氨酸。真核細胞分泌蛋白質和跨膜蛋白質的前體分子的 N-端都含有信號肽(signal peptide) 序列,由 13~36個胺基酸殘基組成,在蛋白質成熟過程中需要被切除。有些情況下,C-端的胺基酸殘基也需要被酶切除,從而使蛋白質呈現特定功能。
另外,還有許多蛋白質在初合成時是分子量較大的沒有活性的前體分子,如胰島素原、胰蛋白酶原等。這些前體分子也需經過水解作用切除部分肽段,才能成為有活性的蛋白質分子或功能肽。
有些多肽鏈經水解可以產生數種小分子活性肽。如阿黑皮素原 (pro-opiomelanocortin, POMC) 可被水解而生成促腎上腺皮質激素、β-促脂解素、α-激素、促皮質素樣中葉肽、γ-促脂解素、β-內啡肽、β-促黑激素、γ-內啡肽及α-內啡肽等9種活性物質。

胺基酸殘基的化學修飾改變蛋白質的活性[編輯]

直接參與肽鏈合成的胺基酸約有20種,合成後某些胺基酸殘基的側鏈基團發生化學修飾,這樣就顯著增加了肽鏈中的胺基酸種類。已發現蛋白質中存在100多種修飾性胺基酸。這些修飾可改變 蛋白質的溶解度、穩定性、亞細胞定位以及與細胞中其他蛋白質的相互作用等,從而使蛋白質的功能具有多樣性。

亞基聚合形成具有四級結構的活性蛋白質[編輯]

在生物體內,許多具有特定功能的蛋白質由2條以上肽鏈構成,各肽鏈之間通過非共價鍵或二硫鍵維持一定空間構象,有些還需與輔基聚合才能形成具有活性的蛋白質。由2條以上肽鏈構成的蛋 白質,其亞基相互聚合時所需要的信息蘊藏在肽鏈的胺基酸序列之中,而且這種聚合過程往往又有一定順序,前一步驟的聚合往往促進後一步驟的進行。例如,成人血紅蛋白由2條α鏈、2條β鏈及4個血紅素分子組成。α鏈合成後從核糖體自行脫離,與尚未從核糖體釋放的β鏈相結合,將β鏈帶離核糖體,形成游離的αβ二聚體。此二聚體再與線粒體內生成的兩個血紅素相結合,最後才形成一個由4條肽鏈(α2β2)和4個血紅素構成的有功能的血紅蛋白分子。

蛋白質合成後被靶向輸送至細胞特定部位[編輯]

蛋白質在細胞質合成後,還必須被靶向輸送至其發揮功能的亞細胞區域,或分泌到細胞外。所有需靶向輸送的蛋白質,其一級結構都存在分揀信號,可引導蛋白質轉移到細胞的特定部位。這類分揀信號又稱信號序列(signal sequence), 是決定蛋白質靶向輸送特性的最重要結構。有的信號序列存在於肽鏈的N-端,有的在C-端,有的在肽鏈內部;有的輸送完成後切除,有的保留。 現代生物信息學技術可通過基因的結構推測其編碼蛋白質在細胞內的可能定位。
有的蛋白質在合成過程中已開始靶向輸送,而另有一些蛋白質的靶向輸送是從核糖體上釋放後才開始的。

分泌蛋白質在內質網加工及靶向輸送[編輯]

細胞內分泌蛋白質的合成與靶向輸送同時發生,其N-端存在由數十個胺基酸殘基組成的信號序 列,又稱信號肽(signal peptide)。已發現有數百種信號肽存在,它們的共同特點是:①N-端含一個或多個鹼性胺基酸殘基;②中段含10~15個疏水性胺基酸殘基;③C-端由一些極性較大、側鏈較短的胺基酸殘基組成,與信號肽裂解位點(cleavage site)鄰近。
分泌蛋白質的合成及轉運機制為:①在游離核糖體上,信號肽因位於肽鏈N-端而首先被合成,隨後被信號識別顆粒(signal recognition particle, SRP)識別並結合,SRP隨即結合到核糖體上;②內質網膜上有SRP的受體(亦稱為SRP對接蛋白),藉此受體,SRP-核糖體複合物被引導至內質網膜上;③在內質網膜上,肽轉位複合物(peptide translocation complex)形成跨內質網膜的蛋白質通道,合成中的肽鏈穿過內質網膜孔進入內質網;④SRP脫離信號肽和核糖體,肽鏈繼續延長直至完成;⑤信號肽在內質網內被信號肽酶 (signal peptidase) 切除;⑥肽鏈在內質網中摺疊形成最終構象,隨內質網膜「出芽」形成的囊泡轉移至高爾基複合體,最後在高爾基複合體中被包裝進分泌小泡,轉運至細胞膜,再分泌到細胞外。

內質網蛋白質的C-端含有滯留信號序列[編輯]

內質網中含有多種幫助新生肽鏈摺疊成天然構型的蛋白質,如分子伴侶等。這些需要停留在內質網中執行功能的蛋白質,先經粗面內質網上附着的核糖體合成並進入內質網腔,然後隨囊泡輸送至高爾基複合體。內質網蛋白肽鏈的C-端含有內質網滯留信號序列,它們被輸送到高爾基複合體後,可通過這一滯留信號與內質網上相應受體結合,隨囊泡輸送回內質網。

大部分線粒體蛋白質在細胞質合成後靶向輸入線粒體[編輯]

線粒體雖然自身含有DNA、mRNA、tRNA和核糖體等,可以進行蛋白質的合成,但絕大部分線粒體蛋白質(超過95%,約1100種)是由細胞核基因組的基因編碼,它們在細胞質中的游離核糖體中合成後靶向輸送到線粒體,其中大部分定位於線粒體基質,其他定位於內膜、外膜或膜間腔。
定位於線粒體基質的蛋白質,其前體分子的N-端包含前導肽序列,由20~35個胺基酸殘基組成,富含絲氨酸、蘇氨酸及鹼性胺基酸。這類蛋白質的靶向輸送過程是:①新合成的線粒體蛋白質與熱激蛋白或線粒體輸入刺激因子結合,以穩定的未摺疊形式轉運至線粒體外膜;②通過前導肽序列識別,與線粒體外膜的受體複合物結合;③在熱激蛋白水解ATP和跨內膜電化學梯度的動力共同作用下,蛋白質穿過由外膜轉運體和內膜轉運體共同構成的跨膜蛋白質通道,進入線粒體基質;④蛋白質前體被蛋白酶切除前導肽序列,在分子伴侶作用下摺疊成有功能構象的蛋白質。
輸送到線粒體內膜和膜間隙的蛋白質除了上述前導肽外,還另有一段信號序列,其作用是引導蛋白質從基質輸送到線粒體內膜或穿過內膜進入膜間隙。

質膜蛋白質由襄泡靶向輸送至細胞膜[編輯]

定位於細胞質膜的蛋白質,其靶向跨膜機制與分泌蛋白質相似。不過,跨膜蛋白質的肽鏈並不完全進入內質網腔,而是描定在內質網膜上,通過內質網膜「出芽」方式形成囊泡。隨後,跨膜蛋白質隨囊泡轉移至高爾基複合體進行加工,再隨囊泡轉運至細胞膜,最終與細胞膜融合而構成新的質膜。
不同類型的跨膜蛋白質以不同形式錨定於膜上。例如,單次跨膜蛋白質的肽鏈中除N-端含信號序列外,還有一段由疏水性胺基酸殘基構成的跨膜序列,即停止轉移序列(stop transfer sequence), 是跨膜蛋白質在膜上的嵌入區域。當合成中的多肽鏈向內質網腔導入時,疏水的停止轉移序列可與內質網膜的脂雙層結合,從而使導入中的膚鏈不再向內質網腔內轉移,形成一次性跨膜的錨定蛋白質。多次跨膜蛋白質的肽鏈中因有多個信號序列和多個停止轉移序列,可在內質網膜上形成多次跨膜。

核蛋白質由核輸入因子運載經核孔入核[編輯]

細胞核內含有多種蛋白質,如參與DNA複製和轉錄的各種酶及蛋白質因子、組蛋白、調節基因表達的轉錄因子等,它們都是在細胞質中合成後經核孔進入細胞核的,其靶向輸送由特異的核定位序列(nuclear localization sequence, NLS)引導。NLS由4~8個胺基酸殘基組成,通常包含連續的鹼性胺基酸(Arg或Lys),在肽鏈的位置不固定,定位完成後保留於肽鏈而不被切除。
核蛋白質的靶向輸送還需要多種蛋白質的參與,如核輸入因子(nuclear importin)α和β、Ras相關核蛋白質(Ras-related nuclear protein, Ran)等。核輸入因子α和β形成異二聚體,識別並結合核蛋白質的NLS序列。核蛋白質的靶向輸送基本過程是:①在細胞質合成的核蛋白質與核輸入因子結合形成複合物後被導向核孔;②具有GTPase活性的Ran蛋白水解GTP釋能,核蛋白質-核輸入因子複合物通過耗能機制經核孔進入細胞核基質;③核輸入因子β和α先後從上述複合物中解離,移出核孔後可被再利用,核蛋白質定位於細胞核內。
生物體內的蛋白質歷經膚鏈合成的起始、延長、終止,以及加工和靶向輸送後發揮生物學功能。其後,蛋白質在特定的時空條件下被降解。蛋白質的生物合成及其降解是幾乎所有生命活動的基礎。