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蛋白质合成与分选-《细胞生物学》笔记●第一节核糖体●一.核糖体的基本类型与化学组成●（一）定义●核糖体(ribosome)是一种核糖核蛋白颗粒(ribonuncleoprotein particle)，几乎存在于一切原核与真核细胞内(除极少数高度分化的细胞外)，是细胞内合成蛋白质的没有膜包被的细胞器，其功能是依照mRNA上携带的遗传信息，高效精确地将氨基酸合成为蛋白质多肽链。
●（二）类型●1.原核细胞核糖体（70S的核糖体）●2.真核细胞核糖体（80S的核糖体）●3.真核与原核核糖体成分比较●（三）化学组成●1.大小●（1）原核生物：直径为20~25 nm。
●（2）真核生物：直径为25~30 nm。
●2.特征●（1）不规则颗粒状结构；●（2）无膜包被；●（3）由大小两个亚基(subunit)构成，但大小亚基常常游离于细胞质中，只有当以mRNA为模板合成蛋白质时，大小亚基才结合在一起，肽链合成终止后，大小亚基解离。
●3.主要成分●①蛋白质(r蛋白),存在于核糖体表面,约占 40%;●②RNA(rRNA)：存三于核糖体内部,约占 60％。
●二.核糖体的结构●对核糖体高分辨率的X射线衍射图谱分析表明：●(1）每个核糖体含有4 个 RNA分子的结合位点：其中 1 个mRNA 结合位点，3个 tRNA 结合位点（ A位点（aminoacyl site)、P 位点（peptidylsite）和 E 位点（exit site）)。
这些位点横跨核糖体大小亚基结合面。
●(2)在核糖体大小亚基结合面，特别是 mRNA 和tRNA 结合处，无蛋白质分布。
这也意味着在核糖体起源之初可能仅由 RNA 组成。
●(3)催化肽键形成的活性位点由 RNA 组成。
●(4）大多数核糖体蛋白有一个球形结构域和伸展的尾部，球形结构域分布于核糖体表面，而其伸展的多肽链尾部则伸入核糖体内折叠的 rRNA 分子中。
●三.核糖体蛋白与rRNA的功能●（一）与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点：●(1)与 mRNA 的结合位点:原核生物,16S rRNA 的 3'端与 mRNA 的 Shine-Dalgarno序列(SD 序列)结合；真核生物,识别 mRNA 5'端的甲基化帽子的翻译起始因子。
第八章蛋白质定位根据蛋白质的定位可以将其大致分为两类：膜结合型和非膜结合型蛋白质。
每一类都能继续划分，这取决于蛋白质是否与细胞中特定的结构或特定类型的膜结合。
图8.1将一个新合成的蛋白质的可能去向及转运系统在细胞中绘出：•胞质(或可溶的)蛋白质不定位在特定的细胞器中。
它们在胞质中合成，并留在原处以独立的活性中心形式作用于胞质中的代谢物。
•大分子的结构可能定位在胞质中的特定位点；例如，中心粒结合的部位最终成为有丝分裂纺锤体的极。
•核蛋白必须由合成位点穿过核膜转运到核内。
•胞质细胞器含有在胞质中合成并专一转运到(和穿过)细胞器膜的蛋白质，例如，到线粒体或(在植物细胞中)到叶绿体(一些线粒体和叶绿体蛋白质在细胞器内合成)。
•胞质中含有一系列的膜结构，包括内质网，高尔基体，内吞体和溶酶体。
这就是“网状内皮系统(Reticuloendothelial system)”。
定位在这些部位的蛋白质插入到ER膜上，然后被高尔基体中的转运系统转运到它们特定的位点。
•细胞分泌的蛋白质转运到质膜再穿过它到达外部胞间。
它们合成起始与结合在网状内皮系统的蛋白质相同，但穿过了整个系统而不是停在系统中的特定位点。
图8.1 蛋白质在细胞中的定位总览：1. 翻译后转运的蛋白质在核糖体上合成后被释放到胞质中去，具有信号序列的被定位到各个细胞器(如细胞核、线粒体等)中。
2. 翻译和转运同时进行的蛋白(共转运蛋白)在合成过程中与内质网相连，其核糖体是“膜结合型”的。
膜结合型蛋白穿过内质网，经过高尔基体，接着跨过细胞膜。
如果这些蛋白有驻留信号，则会在此旁路的各个环节中停留，或被定位于各种细胞器(如溶酶体、核内体等)。
非膜结合型蛋白质在核糖体中合成后被释放到胞质中。
一些蛋白质以准可溶的形式游离于胞质中；另一些蛋白质与胞质中的大分子结构结合，例如微丝(Filament)、微管(Microtubule)和中心粒(Centriole)等。
这种类型也包括核蛋白(通过核孔进入核内)，合成这种蛋白质的核糖体有时被称为“游离(Free)核糖体”，因为它们与膜分离。
细胞中蛋白质合成分选、定位的机制
一．蛋白质合成
定义：在核糖体的作用下，mRNA携带的遗传信息翻译成蛋白质。
蛋白质合成（多肽链合成）的基本过程：
1.氨基酸激活。
a.将氨基酸的羧基激活成易于形成肽键的形式。
b.每一个新氨基酸与
mRNA编码信息之间建立联系。
从而使氨基酸与特定tRNA结合。
2.起始。
mRNA+核糖体小亚基+起始氨酰基-tRNA +核糖体大亚单位=起始
复合物
3.肽链延长。
tRNA与mRNA对应的密码子配对携带有一个氨基酸的
tRNA被安放到核糖体上此氨基酸和前一个氨基酸共价键合，肽链延长。
该阶段的核心是形成肽键，将单个氨基酸连接成多肽链。
4.合成终止，肽链释放。
mRNA上的终止密码子即是终止信号，当携带新生肽链的
核糖体抵达终止密码子，多肽链合成终止，核糖体大小亚基分离，多肽链从核糖体上释放出来。
5.折叠和翻译后加工。
包括多肽链的折叠剪接、化学修饰、空间组装。
二．蛋白质分选定位
定义：蛋白质从起始合成部位转运到其发挥功能发挥部位的过程。
绝大多数蛋白质都是由核基因编码，或在游离核糖体上合成，或在糙面内质网膜结合核糖体上合成。
但是蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各个区间或组分，所以需要不同的机制以确保蛋白质分选，转运至细胞的特定部位。
1.核基因编码的蛋白质的分选途径：
①.后翻译转运途径
在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体及细胞核，或者成为细胞质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白。
②.共翻译转运途径
蛋白质合成在游离核糖体上起始之后，由信号肽及其与之结合的SRP引导转移至糙面内质网，然后新生肽链边合成边转入糙面内质网腔或定位在ER膜上，经转运膜泡运至高尔基加工包装再分选至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外，内质网与高尔基体本身的蛋白质分选也是通过这一途径完成的。
指导分泌性蛋白质在糙面内质网上合成的决定因素是蛋白质N端的信号肽、信号识别颗粒SRP、内质网膜上信号识别颗粒的受体等因子协助完成的。
蛋白质合成暂停
信号序列被SRP 识别并结合 位于
内质网上的SRP 特异受体与SRP 结合,信号肽和易位子结
合，孔道打开 SRP 脱离信号 信号肽引导新生肽链进入内质网腔 信号肽切除 肽链延伸至终止，蛋白质合成完成
2.蛋白质的运转
①.蛋白质的跨膜运转
蛋白质被不同类型的转运膜泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体进而分选转运
至细胞的不同部位，其中涉及供体膜出芽形成不同的转运膜泡、膜泡运输以及膜泡
与靶膜的融合过程等。
内质网膜 高尔基体 细胞外
③.选择性的门控转运
在细胞质基质中合成的蛋白质通过核孔复合体在核-质间双向选择性地完成核输入
或核输出。
④.细胞质基质中蛋白质的运转
3.蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选
后翻译转运途径中转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器蛋白质分选是一
个多步过程，需要多个不同的靶向序列。
定位到叶绿体的前体蛋白N 端具有40~50个
蛋白质（肽链）合成继续
膜泡 膜泡
氨基酸组成的转运肽，用以指引多肽定位到叶绿体并进一步穿过叶绿体被膜进入基质或类囊体中。
定位至线粒体的蛋白质靠的是蛋白质N端的导肽。
定位至过氧化物酶体的蛋白质靠的是C端的内在靶向序列。
其他的空间定位信号序列决定蛋白质最终定位在不同的膜上还是不同的基质空间；分子伴侣帮助蛋白质解折叠或维持非折叠状态。
1.蛋白质向线粒体的分选
核基因编码的线粒体蛋白质合成和输入大体上涉及到的4个步骤：
在细胞质基质中合成多肽前体物，前体物和细胞器表面的受体结合，穿过并移进细胞器膜，前体物被加工成为成熟多肽。
①.线粒体蛋白从细胞质基质输入到线粒体基质：两性的N端靶向信号序列（形成α螺旋构象）对于指导蛋白质输入线粒体基质是至关重要的；需要分子伴侣胞质蛋白Hsc70和线粒体基质蛋白Hsc70协助；需要从内外膜接触点的Tom（外膜移位子）和Tim（内膜移位子）处输入。
②. 线粒体蛋白以3种途径从细胞质基质输入到线粒体内膜：途径A：具有N端基质靶向序列和内部停止转移序列；途径B：具有N端基质靶向序列和内部疏水的Oxa1靶向序列（内膜蛋白Oxa1所识别）；途径C：没有N端基质靶向序列，含有多个内部靶向序列；倆种膜间隙蛋白（Tim9/10）为外膜与内膜之间转运的分子伴侣。
③. 线粒体蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙：途径A：具有N 端基质靶向序列和内部间隙靶向序列（其过程类似内膜蛋白途径A，需要内膜上蛋白酶于膜间隙一侧切割释放。
）；途径B：通过外膜Tom40孔直接进入膜间隙。
2.蛋白质向叶绿体的分选
①.
体蛋白非折叠，依赖于基质Hsc70水解ATP提供能量。
但与线粒体不同的是：不产生跨内膜的电化学梯度。
因此ATP水解供能几乎是唯一动力来源。
②.进入基质后不同蛋白的转运途径不同：一个是叶绿体SRP依赖途
径（与蛋白质进入内质网过程相似）；另一种是pH依赖途径（蛋白质与其辅因子结合，在类囊体靶向序列N端的2个Arg残基和跨线粒体内膜的pH 梯度是折叠蛋白输入到类囊体腔所必需的。
）
3.蛋白质向过氧化物酶体的分选
过氧化物酶体是真核细胞中唯一利用分子氧氧化底物形成小分子用于合成途径的细胞器，它不含自身的DNA及核糖体，因此所有蛋白质都是由核基因编码，在细胞质基质中合成的，然后输入到预存或新增值产生的过氧化物酶体中。
含有过氧化物酶体靶向序列PTS1的基质蛋白的C端信号序列为3肽SKL，其与胞质中可溶性Pex5受体蛋白结合，受体再与过氧化物酶体上的Pex14结合，之后，基质蛋白质-Pex5受体复合物通过
Pex10/Pex12/Pex2转运至基质中。
4.蛋白质转运至细胞核
需要核定位信号NLS来引导蛋白质进入核，核输出信号来引导核蛋白出核。
蛋白质分选途径比较
第二问：假设一个mRNA，其编码的蛋白有如下特点：N端具有信号序列，C端具有PTS1信号，内部含有核定位信号NLS。
请判断这个蛋白在细胞内合成后的最终去向，并说明原因。
该蛋白质最终去向过氧化物酶体，核定位信号NLS只是亲核蛋白入核的一个必要不充分条件，所以该蛋白不一定去向细胞核，又有PTS1序列，将会分选至过氧化物酶体。
多肽链编码的蛋白质带有PTS1序列，此序列能与细胞质溶质中的载体蛋白（Pex5）结合，之后再与过氧化物酶体膜中的受体Pex14结合。
基质蛋白质-Pex5受体复合物再通过Pex10/Pex12/Pex2转运至过氧化物酶体基质中。
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