生物化学与分子生物学/蛋白质合成后的加工和靶向输送

蛋白质的合成 - 蛋白质合成体系 - 氨基酸与tRNA的连接 - 肽链的合成过程 - 蛋白质合成后的加工和靶向输送 - 蛋白质合成的干扰和抑制
新生肽链并不具有生物活性，它们必须正确折叠形成具有生物活性的三维空间结构，有的还需形成二硫键，有的需通过亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质。此外，许多蛋白质在翻译后还要经过水解作用切除一些肽段或氨基酸，或对某些氨基酸残基的侧链基团进行化学修饰等，才能成为有活性的成熟蛋白质。这一过程称为翻译后加工(post-translational processing)。
蛋白质合成后还需要被输送到合适的亚细胞部位才能行使各自的生物学功能。有的蛋白质驻留于细胞质，有的被运输到细胞器或镶嵌入细胞膜，还有的被分泌到细胞外。蛋白质合成后在细胞内被定向输送到其发挥作用部位的过程称为蛋白质靶向输送(protein targeting)或蛋白质分拣(protein sorting)。

新生肽链折叠需要分子伴侣

蛋白质在合成时，尚未折叠的肽段有许多疏水基团暴露在外，具有分子内或分子间聚集的倾向，使蛋白质不能形成正确空间构象。这种结构混乱的肽链聚集体产生过多会对细胞有致命的影响。实际上，细胞中大多数天然蛋白质折叠并不是自发完成的，其折叠过程需要其他酶或蛋白质的辅助，这些辅助性蛋白质可以指导新生肽链按特定方式正确折叠，它们被称为分子伴侣(molecular chaperone)。
原核生物和真核生物都存在多种类型的分子伴侣，目前研究得较为清楚的是热激蛋白70(heat shock protein 70, Hsp70)家族和伴侣蛋白(chaperonin)。
Hsp70因其分子量接近70kD而得名，高温刺激可诱导其合成。在蛋白质翻译后加工过程中， Hsp70与未折叠蛋白质的疏水区结合，既可避免蛋白质因高温而变性，又可防止新生肽链过早折叠。Hsp70也可以使一些跨膜蛋白质在转位至膜前保持非折叠状态。有些Hsp70通过与多肽链结合、释放的循环过程，使多肽链发生正确折叠。这个过程需要ATP水解供能，并需要其他伴侣蛋白如Hsp40的共同作用。未折叠多肽链与Hsp70结合，还可以解开多肽链之间的聚集或防止新聚集的产生。多肽链从Hsp70释放后，可以重新折叠成天然构象。如果多肽链折叠不充分，上述过程可重复进行直至天然构象形成。
人热激蛋白家族可存在于细胞质、内质网腔、线粒体、细胞核等部位，发挥多种细胞保护功能，如使线粒体和内质网蛋白质以未折叠状态转运和跨膜；避免蛋白质变性后因疏水基团暴露而发生不可逆聚集；清除变性或错误折叠的肽链中间物等。
有些肽链的正确折叠还需要伴侣蛋白发挥辅助作用。伴侣蛋白的主要作用是为非自发性折叠肽链提供正确折叠的微环境。例如，在大肠杆菌，约有10%～15%的细胞内蛋白质的正确折叠依赖伴侣系统 GroEL/GroES, 热激条件下依赖该系统的蛋白质则高达30%。在真核细胞，与 GroEL/GroES功能类似的伴侣蛋白是Hsp60。
GroEL是由14个相同亚基组成的多聚体，可形成一桶状空腔，顶部是空腔的出口。GroES是由7 个相同亚基组成的圆顶状复合物，可作为 GroEL桶的盖子。需要折叠的肽链进入GroEL的桶状空腔后，GroES可作为盖子瞬时封闭 GroEL出口。封闭后的桶状空腔为肽链折叠提供微环境，折叠过程需消耗大量ATP。折叠完成后，形成天然构象的多肽链被释放，尚未完全折叠的肽链可进入下一轮循环，重复以上过程，直至天然构象形成。
除了需要分子伴侣协助肽链折叠外，一些蛋白质形成正确空间构象还需要异构酶(isomerase)的 参与。已发现两种异构酶可以帮助细胞内新生肽链折叠为功能蛋白质，一种是蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase , PDI) , 另一种是肽脯氨酰基顺－反异构酶(peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)。前者帮助肽链内或肽链间二硫键的正确形成，后者可使肽链在各脯氨酸残基弯折处形成正确折叠。这些都是蛋白质形成正确空间构象和发挥功能的必要条件。

肽链水解加工产生具有活性的蛋白质或多肽

新生肽链的水解是肽链加工的重要形式。新生肽链N-端的甲硫氨酸残基，在肽链离开核糖体后，大部分即由特异的蛋白水解酶切除。原核细胞中约半数成熟蛋白质的N-端经脱甲酰基酶切除N-甲酰基而保留甲硫氨酸，另一部分被氨基肽酶水解而去除N-甲酰甲硫氨酸。真核细胞分泌蛋白质和跨膜蛋白质的前体分子的 N-端都含有信号肽(signal peptide) 序列，由 13～36个氨基酸残基组成，在蛋白质成熟过程中需要被切除。有些情况下，C-端的氨基酸残基也需要被酶切除，从而使蛋白质呈现特定功能。
另外，还有许多蛋白质在初合成时是分子量较大的没有活性的前体分子，如胰岛素原、胰蛋白酶原等。这些前体分子也需经过水解作用切除部分肽段，才能成为有活性的蛋白质分子或功能肽。
有些多肽链经水解可以产生数种小分子活性肽。如阿黑皮素原 (pro-opiomelanocortin, POMC) 可被水解而生成促肾上腺皮质激素、β-促脂解素、α-激素、促皮质素样中叶肽、γ-促脂解素、β-内啡肽、β-促黑激素、γ-内啡肽及α-内啡肽等9种活性物质。

氨基酸残基的化学修饰改变蛋白质的活性

直接参与肽链合成的氨基酸约有20种，合成后某些氨基酸残基的侧链基团发生化学修饰，这样就显著增加了肽链中的氨基酸种类。已发现蛋白质中存在100多种修饰性氨基酸。这些修饰可改变 蛋白质的溶解度、稳定性、亚细胞定位以及与细胞中其他蛋白质的相互作用等，从而使蛋白质的功能具有多样性。

亚基聚合形成具有四级结构的活性蛋白质

在生物体内，许多具有特定功能的蛋白质由2条以上肽链构成，各肽链之间通过非共价键或二硫键维持一定空间构象，有些还需与辅基聚合才能形成具有活性的蛋白质。由2条以上肽链构成的蛋 白质，其亚基相互聚合时所需要的信息蕴藏在肽链的氨基酸序列之中，而且这种聚合过程往往又有一定顺序，前一步骤的聚合往往促进后一步骤的进行。例如，成人血红蛋白由2条α链、2条β链及4个血红素分子组成。α链合成后从核糖体自行脱离，与尚未从核糖体释放的β链相结合，将β链带离核糖体，形成游离的αβ二聚体。此二聚体再与线粒体内生成的两个血红素相结合，最后才形成一个由4条肽链（α₂β₂）和4个血红素构成的有功能的血红蛋白分子。

蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位

蛋白质在细胞质合成后，还必须被靶向输送至其发挥功能的亚细胞区域，或分泌到细胞外。所有需靶向输送的蛋白质，其一级结构都存在分拣信号，可引导蛋白质转移到细胞的特定部位。这类分拣信号又称信号序列(signal sequence), 是决定蛋白质靶向输送特性的最重要结构。有的信号序列存在于肽链的N-端，有的在C-端，有的在肽链内部；有的输送完成后切除，有的保留。 现代生物信息学技术可通过基因的结构推测其编码蛋白质在细胞内的可能定位。
有的蛋白质在合成过程中已开始靶向输送，而另有一些蛋白质的靶向输送是从核糖体上释放后才开始的。

分泌蛋白质在内质网加工及靶向输送

细胞内分泌蛋白质的合成与靶向输送同时发生，其N-端存在由数十个氨基酸残基组成的信号序 列，又称信号肽(signal peptide)。已发现有数百种信号肽存在，它们的共同特点是：①N-端含一个或多个碱性氨基酸残基；②中段含10～15个疏水性氨基酸残基；③C-端由一些极性较大、侧链较短的氨基酸残基组成，与信号肽裂解位点(cleavage site)邻近。
分泌蛋白质的合成及转运机制为：①在游离核糖体上，信号肽因位于肽链N-端而首先被合成，随后被信号识别颗粒(signal recognition particle, SRP)识别并结合，SRP随即结合到核糖体上；②内质网膜上有SRP的受体（亦称为SRP对接蛋白），借此受体，SRP-核糖体复合物被引导至内质网膜上；③在内质网膜上，肽转位复合物(peptide translocation complex)形成跨内质网膜的蛋白质通道，合成中的肽链穿过内质网膜孔进入内质网；④SRP脱离信号肽和核糖体，肽链继续延长直至完成；⑤信号肽在内质网内被信号肽酶 (signal peptidase) 切除；⑥肽链在内质网中折叠形成最终构象，随内质网膜“出芽”形成的囊泡转移至高尔基复合体，最后在高尔基复合体中被包装进分泌小泡，转运至细胞膜，再分泌到细胞外。

内质网蛋白质的C-端含有滞留信号序列

内质网中含有多种帮助新生肽链折叠成天然构型的蛋白质，如分子伴侣等。这些需要停留在内质网中执行功能的蛋白质，先经粗面内质网上附着的核糖体合成并进入内质网腔，然后随囊泡输送至高尔基复合体。内质网蛋白肽链的C-端含有内质网滞留信号序列，它们被输送到高尔基复合体后，可通过这一滞留信号与内质网上相应受体结合，随囊泡输送回内质网。

大部分线粒体蛋白质在细胞质合成后靶向输入线粒体

线粒体虽然自身含有DNA、mRNA、tRNA和核糖体等，可以进行蛋白质的合成，但绝大部分线粒体蛋白质（超过95%，约1100种）是由细胞核基因组的基因编码，它们在细胞质中的游离核糖体中合成后靶向输送到线粒体，其中大部分定位于线粒体基质，其他定位于内膜、外膜或膜间腔。
定位于线粒体基质的蛋白质，其前体分子的N-端包含前导肽序列，由20～35个氨基酸残基组成，富含丝氨酸、苏氨酸及碱性氨基酸。这类蛋白质的靶向输送过程是：①新合成的线粒体蛋白质与热激蛋白或线粒体输入刺激因子结合，以稳定的未折叠形式转运至线粒体外膜；②通过前导肽序列识别，与线粒体外膜的受体复合物结合；③在热激蛋白水解ATP和跨内膜电化学梯度的动力共同作用下，蛋白质穿过由外膜转运体和内膜转运体共同构成的跨膜蛋白质通道，进入线粒体基质；④蛋白质前体被蛋白酶切除前导肽序列，在分子伴侣作用下折叠成有功能构象的蛋白质。
输送到线粒体内膜和膜间隙的蛋白质除了上述前导肽外，还另有一段信号序列，其作用是引导蛋白质从基质输送到线粒体内膜或穿过内膜进入膜间隙。

质膜蛋白质由襄泡靶向输送至细胞膜

定位于细胞质膜的蛋白质，其靶向跨膜机制与分泌蛋白质相似。不过，跨膜蛋白质的肽链并不完全进入内质网腔，而是描定在内质网膜上，通过内质网膜“出芽”方式形成囊泡。随后，跨膜蛋白质随囊泡转移至高尔基复合体进行加工，再随囊泡转运至细胞膜，最终与细胞膜融合而构成新的质膜。
不同类型的跨膜蛋白质以不同形式锚定于膜上。例如，单次跨膜蛋白质的肽链中除N-端含信号序列外，还有一段由疏水性氨基酸残基构成的跨膜序列，即停止转移序列(stop transfer sequence), 是跨膜蛋白质在膜上的嵌入区域。当合成中的多肽链向内质网腔导入时，疏水的停止转移序列可与内质网膜的脂双层结合，从而使导入中的肤链不再向内质网腔内转移，形成一次性跨膜的锚定蛋白质。多次跨膜蛋白质的肽链中因有多个信号序列和多个停止转移序列，可在内质网膜上形成多次跨膜。

核蛋白质由核输入因子运载经核孔入核

细胞核内含有多种蛋白质，如参与DNA复制和转录的各种酶及蛋白质因子、组蛋白、调节基因表达的转录因子等，它们都是在细胞质中合成后经核孔进入细胞核的，其靶向输送由特异的核定位序列(nuclear localization sequence, NLS)引导。NLS由4～8个氨基酸残基组成，通常包含连续的碱性氨基酸(Arg或Lys),在肽链的位置不固定，定位完成后保留于肽链而不被切除。
核蛋白质的靶向输送还需要多种蛋白质的参与，如核输入因子(nuclear importin)α和β、Ras相关核蛋白质(Ras-related nuclear protein, Ran)等。核输入因子α和β形成异二聚体，识别并结合核蛋白质的NLS序列。核蛋白质的靶向输送基本过程是：①在细胞质合成的核蛋白质与核输入因子结合形成复合物后被导向核孔；②具有GTPase活性的Ran蛋白水解GTP释能，核蛋白质-核输入因子复合物通过耗能机制经核孔进入细胞核基质；③核输入因子β和α先后从上述复合物中解离，移出核孔后可被再利用，核蛋白质定位于细胞核内。
生物体内的蛋白质历经肤链合成的起始、延长、终止，以及加工和靶向输送后发挥生物学功能。其后，蛋白质在特定的时空条件下被降解。蛋白质的生物合成及其降解是几乎所有生命活动的基础。