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详解分泌蛋白的合成和运输

[日期:2013-06-14] 来源:网络  作者:殷俊才 [字体: ]

在生物体内,蛋白质的合成位点和功能位点常常被一层或多层生物膜所隔开,这样就产生了蛋白质运转的问题。核糖体是真核生物细胞内合成蛋白质的场所,几乎在任何时候,都有数以百计或千计的蛋白质离开核糖体并被输送到细胞质、细胞核、线粒体、内质网和溶酶体、叶绿体等各个部分,补充和更新细胞功能。那么这些蛋白质是怎样准确无误的被送到特定部位的?我们都知道蛋白质由内质网向高尔基体再向细胞膜转运时是由囊泡膜包裹着的,而从核糖体向内质网中转运时是怎样转运的呢?为什么说分泌蛋白的转运穿越了"0层膜"呢?分泌蛋白在内质网和高尔基体又上分别进行什么样的加工?加工过程中如何保证肽链折叠即空间结构的准确性,如果有折叠错误的畸形肽链怎么办?这些都是十分有趣的问题,在此做一简要的阐述。

一、蛋白质在核糖体上的合成及转运

核糖体是蛋白质的合成场所毫无异议,核糖体在细胞中有两种存在形式游离核糖体和附着核糖体,之前我们认为参与细胞组成的结构蛋白在游离核糖体上合成,而分泌蛋白在附着核糖体上合成。通过查阅资料发现其实无论是结构蛋白还是分泌蛋白在开始合成时都是在游离核糖体上的,只是当分泌蛋白合成起始后便逐渐转移至粗面内质网上,并且肽链边合成边转入粗面内质网腔中(即边翻译边转运),随后经高尔基体分泌到细胞外,以这种方式进行合成和转运的除分泌蛋白外还包括溶酶体、细胞膜蛋白以及内质网和高尔基体本身的蛋白成分。其他结构蛋白在游离核糖体上合成后直接转运至功能部位,如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核及细胞质基质的蛋白质,最近发现有些还可转运至内质网中,但与分泌蛋白不同的是在游离核糖体上合成多肽链以后再转运至内质网中(即翻译完成后在转运)。那么多肽链是以什么方式进入内质网腔中的呢?

一般认为蛋白质跨膜运转信号也是由mRNA编码的。在起始密码子后,有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域,这个氨基酸序列被称为信号肽(即有些练习题上出现的"P肽段")。蛋白质的合成开始于核糖体,当翻译进行到大约50—70个氨基酸残基之后,信号肽开始从核糖体的大亚基露出,此时细胞质基质中的一种可以特异性识别新生肽上信号序列的蛋白质称之为信号识别蛋白(SRP)与肽链的信号肽相结合,使翻译暂停,随后SRP与粗面内质网膜上的SRP受体又叫停泊蛋白(DP)结合,核糖体与内质网膜上的易位子(内质网膜上的一种蛋白复合体,可以作为肽链的通道)结合,此后,信号识别蛋白脱离了信号肽和核糖体,返回细胞质基质中重复使用,翻译继续,肽链又开始延伸。信号肽与易位子组分结合使孔道打开,信号肽穿入内质网膜并引导肽链进入内质网腔中。随后,腔面上的信号肽酶切除信号肽,肽链继续延伸直至完成整个多肽链的合成。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,易位子孔道闭合,核糖体重新处于自由状态。

二、内质网上的修饰、加工及转运

进入内质网中的蛋白质发生的主要化学修饰作用有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化伴随着多肽合成同时进行,是内质网中最常见的蛋白质修饰。一般糖基化可分为两种形式:多数寡糖基转移到天冬酰胺残基上称为N—连接的糖基化,少数连接在丝氨酸或苏氨酸残基上称为O—连接的糖基化。O—连接的糖基化主要发生在高尔基体中,其过程尚不完全了解。内质网腔中的蛋白质的寡糖链在进入高尔基体及整个转移过程中,还会发生一系列复杂的修饰。

肽链的合成仅需要几十秒钟至几分钟,而新和成的多肽在内质网停留的时间往往长达几十分钟。不同的蛋白质在内质网停留的时间长短不一,这在很大的程度上取决于合成蛋白正确折叠所需要的时间。但在内质网狭小的腔隙中常常同时有多种蛋白质大量合成,多肽链疏水基团之间的相互作用,侧链基团之间的相互作用,尤其是内质网腔是一种非还原性的环境,极易形成二硫键,这些都对肽链的正确折叠带来了很大的困难。内质网中有一种蛋白二硫键异构酶,可以切断二硫键,形成自由能最低的蛋白构象,以帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态。若经蛋白二硫键异构酶处理后还是不能正确折叠的畸形肽链一般是不能进入高尔基体的。内质网含有一种结合蛋白,可以识别畸形肽链,这类多肽一旦被识别便通过易位子从内质网腔转至细胞质基质,进而被蛋白酶所降解。如果蛋白质形成了正确的构象,便由内质网出芽形成囊泡包裹着运输到高尔基体。

三、高尔基体上的加工、分类及包装

高尔基体对内质网转运来的蛋白质进行加工与包装,然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。

1、加工与包装

粗面内质网上合成的大多数蛋白质在内质网中发生的N—连接的糖基化,在从内质网向高尔基体及在高尔基体各膜囊之间的转运过程中,还会发生一系列有序的加工与修饰,O—连接的糖基化主要发生在高尔基体中。由软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上的酰基化除发生在内质网上外,有些也发生在高尔基体及向细胞膜转移的过程中。

有些多肽,如多肽激素和神经多肽,在进入高尔基体中后,需在特定的蛋白水解酶作用下,经特异的水解才成为有生物活性的多肽,此过程称为酶解加工。不同的蛋白质在高尔基体中的酶解加工的方式各不相同,可归纳为以下几种:

(1)比较简单的形式是没有生物活性的蛋白原进入高尔基体后,将蛋白原N端或两端的序列切除形成成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白。

(2)有些蛋白质分子在粗面内质网中合成时便是含有多个相同氨基酸序列的前体,然后在高尔基体中水解成同种有活性的多肽,如神经肽等。

推测出现以上现象的原因:①有些多肽分子太小,在核糖体上难以有效的合成,如仅由5个氨基酸残基组成的神经肽;②有些可能缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号;③更重要的是可以有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用,假如胰岛素在粗糙内质网中合成后便具有生物活性,那么它很可能与内质网膜上的受体结合启动错误的反映。

硫酸化作用也在高尔基体中进行,即硫酸根转移到肽链中酪氨酸残基的羟基上。

2、分类

也称蛋白质的分选。内质网常常同时合成多种蛋白质并运输到高尔基体,那么高尔基体怎样完成对这些蛋白质的分类与定向转运功能呢?

有人认为蛋白质的糖基化可作为蛋白质分选的标志,但研究结果发现,不同的蛋白质糖基化具有不同的功能。对多数由高尔基体分选的蛋白质来说,糖基化并非作为蛋白质的分选信号,而更主要的作用可能是蛋白质在成熟过程中折叠成正确的构象和增加蛋白质的稳定性。也有实验显示了蛋白质在高尔基体中分选及其转运的信息仅存在于编码这个蛋白质的基因本身,也就是说,各种蛋白质自身都携带着特定的分选信号序列,但是关于高尔基体对各种蛋白自身所携带的分选信号的识别,进而对其分类、包装与运送的机制,目前还不是很清楚。

 

来源:http://wchq37.blog.163.com/blog/static/14864281220135624934153/

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