蛋白质的跨膜转运与分子伴侣辅助下的肽链折叠。
摘要：本文综述了蛋白质的跨膜转运与肽链折叠的过程，**了分子伴侣在肽链折叠过程中所起的作用，并对今后蛋白质折叠的研究热点做了展望。
关键词：转运，折叠，分子伴侣。
真核蛋白质起初都是在胞液内有力的多核糖体中合成的。膜蛋白和分泌性蛋白质首先合成是n端的信号序列。它能介导多核糖体与内质网膜结合，并引导新生肽链进入内质网腔，这是与翻译同步的转运。
信号序列完成任务后被信号肽酶切除，肽链一边合成一边在伴侣蛋白的辅助下正确折叠。
一蛋白质的跨膜转运。
粗面内质网合成的蛋白质有两类：跨膜蛋白质，可溶性蛋白质。一类经内膜系统投送成为膜蛋白，二类进入溶酶体或分泌到细胞外成为分泌性蛋白。
1.1 信号假说的提出。
布洛贝尔(blobel,g),以表彰他发现蛋白质因具有信号序列而决定其在细胞内转运和定位的功绩。blobel从分泌性蛋白质向内质网转运入手研究蛋白质转运的机制。人们观察到，高等动物的某些细胞如肝、胰脏细胞合成的分泌性蛋白质可通过内质网膜进入内质网内，然后通过管道系统被输送到高尔基体，形成成熟的小泡，这些小泡可与细胞质膜融合，形成出口，使蛋白质分泌出去。
这些小泡也可与细胞器的膜融合，将分泌性蛋白质转运至细胞器内。在上述分泌性蛋白质穿膜转运现象中，作为被转运的蛋白质在其合成过程和结构上有何特点呢？ blobel从中发现了2条重要线索：
(1)被转运蛋白质的初生态(即其前身物)比成熟肽大；(2)被转运的分泌性蛋白质其进入内质网的过程与其生物合成的过程是平行进行的。从这两条线索中blobel推断初生肽长出的那段肽链可能是专门起引导作用的“信号肽”,只有存在信号肽，才可能穿越膜结构，否则不能实现跨膜转运。blobel根据这一推断，经过研究，证明了信号肽的存在及与蛋白质跨膜转运的关系，并于2023年提出了蛋白质跨膜转运的“信号假说”。
该假说的要点是：当被转运的蛋白质肽链的合成在ｍｒｎ起始密码上启动后，首先合成一段含15～30个氨基酸的信号肽，它被内质网膜上的受体蛋白所识别并相互结合，此时受体蛋白可聚合而产生膜内通道，此外内质网膜上核糖体受体蛋白还可与核糖体结合形成延伸出去的通道，这样，当蛋白肽链合成继续进行的同时，信号肽率先经过通道进入内质网，随后信号肽被膜内侧的信号肽酶水解掉，蛋白质再变成成熟蛋白质1。
1.2 信号识别蛋白的发现。
信号肽的发现是blobel做出的第一个科学贡献。信号肽是小肽，其中部为长约12～14个氨基酸残基(大多为疏水性)组成的片段，前部为带正电荷的碱性氨基酸残基，末端为富含丙氨酸的片段，也是信号肽酶的水解部位。但是，在信号假说中还存在第2个关键问题：
内质网膜是如何识别信号肽的？ blobel为解决该问题做出了又一个重要的贡献，发现了细胞内一种叫做“信号识别蛋白”(srp)的蛋白质因子在内质网膜识别信号肽中的重要作用。他们从狗胰脏细胞内质网小泡的盐抽提物中提取到一个沉降系数为11s的蛋白质核酸复合体即srp1。
1.3 信号识别颗粒介导新生肽链进入内质网腔的机制。
所有mrna一开始都是在胞液游离的核糖体上翻译的。分泌性蛋白质或膜蛋白mrna翻译时最先合成的是n端信号肽。它是含15-36个氨基酸残基的肽段，由中间7-13个疏水的氨基酸残基及旁边的亲水氨基酸残基组成，近n端常有一个碱性氨基酸残基。
胞液内有一种负载gdp的信号识别颗粒（srp）。含有300个核苷酸的7s小分子rna及6种蛋白质的核糖核蛋白，在信号肽出现以后能识别并结合信号肽与核糖体，使翻译暂停。srp与信号肽、核糖体结合后，与gtp的亲和性增加，gtp取代gdp与srp结合，这样转换后的srp-信号肽-核糖体复合物可与内质网膜结合。
内质网膜中有srp受体（停泊蛋白），由α、β两个亚基构成。α亚基负载gdp，有gtp酶活性。srp与受体结合可引起受体α亚基上的gdp转换成gtp。
gtp-srp受体于srp三者紧密结合，使srp与核糖体、信号肽分离。核糖体与信号肽就可与内质网膜中易位子结合，肽链延伸恢复，新生肽链进入内质网腔。位于内质网腔上的信号肽酶在特异位点切除信号肽。
肽链合成后游离于内质网腔。blobel的科学发现对现代细胞分子生物学的发展影响重大，非常有助于理解某些医学机理，尤其是一些遗传病。例如，由于信号出现错误，新合成的蛋白质会在细胞内错误的部位“安家”,从而产生异常的表型，如导致高草酸盐尿症，在较早年龄阶段引发肾结石。
信号错误还可引发膀胱纤维化和其他一些疑难病症。这为解释某些疑难病症的发病原理以及制定防治策略、途径和措施提供了科学依据。blobel的研究成果还可更好地利用细胞作为“蛋白工厂”来生产贵重药品，指导基因工程生产蛋白质防治药物时的设计。
例如，欲在细胞培养中生产基因工程产品，若目标蛋白质无信号肽，属非分泌性蛋白质，只能把基因表达产物局限在细胞内，这就增加了下游工作的难度(如分离纯化等),在这种情况下，往往可考虑在目标基因的前面设计一段信号肽，变成可分泌性蛋白质而分泌到细胞外培养液中，从而提高了产品的产率和质量，减少了下游工作的难度1。
二分子伴侣与肽链折叠。
2.1 分子伴侣的发现。
经过跨膜转运进入内质网的肽链边在核糖体上合成边在内质网腔折叠，合成与折叠几乎同步完成。由几条多肽链构成的寡聚蛋白质也在内质网中组装，多肽链正确折叠和寡聚蛋白质的组装是在分子伴侣辅助下完成的。分子伴侣是能够结合和稳定另外一种蛋白质的不稳定构象，并能通过有控制的结合和释放，促进新生多肽的折叠、多聚体的装配或降解及细胞器蛋白的跨膜运输等的一类蛋白2。
分子伴侣是进化上非常保守的一些蛋白质家族，广泛分布于各种生物体内，由于分子伴侣能够防止未折叠的蛋白质变性和促进聚集的蛋白质溶解复性，所以在细胞经受高温或其他胁迫时特别重要，因而许多分子伴侣在生物体内首次以hsp(heatshockprotein)形式被鉴定出来2-4。分子伴侣这一概念是laskey等（1978）首先开始使用的。他们在研究非洲爪蟾核小体形态时发现一种核酸核蛋白（nucleoplasmin）。
实验表明它在dna与组蛋白装配成核小体时是必需的。在生理强度下，体外把dna和组蛋白混合在一起，不能自我组装，而是形成沉淀。如果把组蛋白与过量nucleoplasmin混合，再加入dna，则形成核小体结构，而且最终形成的核小体中没有nucleoplasmin。。
以后又陆续在原核生物与真核生物中发现与nucleoplasmin有类似功能的蛋白。eillis将这些蛋白统一定义为分子伴侣。因为它们有共同的特征：
参与催化介导其它多肽链或寡聚体蛋白分子的折叠与装配，但不是最终结构的一部分。从这个意义上来讲，它具有酶的特征，但与酶又不一样，一是伴侣蛋白与靶蛋白不具有高度专一性，同一伴侣分子可促进多种氨基酸序列不同的多肽链的折叠；二是伴侣分子催化效率低，实际上，伴侣分子是蛋白质分子折叠的协助者，促进具有生物活性的空间结构的形成，防止错误装配或产生不溶物。在没有它的情况下有些蛋白质分子也可治叠成正确空间构象就是一个例证。
迄今为止发现的大多数分子伴侣属于热休克蛋白的范畴。大致可分为四类非常保守的蛋白家族。nucleoplasmin家族，hsp60家族，hsp70家族，hsp90家族，广泛存在于动物、微生物、植物中5。
2.2 分子伴侣的分类。
分子伴侣主要分为以下几类： （1）伴侣素家族(charperonin,cpn)，（2）热休克蛋白70家族，是进化史上最保守的蛋白质之一，广泛分布于细胞核、细胞质、内质网、线粒体和叶绿素等细胞的各个部分6,它作为分子伴侣参与所有细胞内蛋白质的从头合成和定位、蛋白质的成熟和错误折叠蛋白质的降解及调节过程7,因而能够严重地影响生长在正常条件和胁迫条件下生存的细胞功能和代谢过程。（3）热休克蛋白90家族，（4）其它种类的分子伴侣包括核质数、t受体结合蛋白(trap)、大肠杆菌的secb和触发因子(triggerfactor)及papd、噬菌体编码的支架蛋白(scaffoldingproteins)等。
目前研究不多，其作用机理也不太明了8。
2.3 分子伴侣的功能。
分子伴侣各家族有不同的分工，并互相合作。如hsp70家族介导从头开始的肽链折叠及将胞液中的肽链运输到相应的细胞器。hsp60家族能接着hsp70家族的工作，将肽链基本折叠成形，将尚有部分疏水集团暴露，缺乏稳定的**结构的熔球状蛋白质转变成天然构象蛋白质。
就目前研究所知分子伴侣蛋白有下列功能：(1)帮助新翻译蛋白的折叠；(2)帮助蛋白质的跨膜转运；(3)使一些聚合蛋白解聚；(4)催化不稳定蛋白的降解；(5)控制具有生物活性的调节蛋白的折叠，包括转录因子而调节基因的转录；(6)参入细胞内囊胞的转运；(7)参入细胞骨架蛋白(肌动蛋白与微管蛋白)的装配从而影响细胞的发育。（8）近几年发现伴侣蛋白还介导复制的dna和his蛋白质装配成染色质，蛋白质的降解，类固醇激素信号传递中类固醇受体的变构，某些酪氨酸激酶的活化等生理生化过程，是当今生物学研究热点之一8。
2.4 分子伴侣应用前景及展望。
2.4.1 辅助蛋白质复性重组。
dna技术为大规模生产目标蛋白提供了崭新的途径。但人们在分离纯化基因工程表达产物时却遇到了意想不到的困难：很多利用大肠杆菌为宿主细胞的外源基因表达产物如尿激酶、人胰岛素、人生长激素、白介素-6、人γ-干扰素等，不仅不能分泌到细胞外，反而在细胞内聚集成没有生物活性的直径约为0.
1～3.0μm的固体颗粒包含体9。这些基因表达产物的一级结构(即氨基酸序列)虽然正确，而其立体结构是错误的，所以没有生物活性。
因此，为获得天然状态的目标产物，必须在分离**包含体后，溶解包含体并设法使其中的目标蛋白质恢复应有的天然构象和活性。分子伴侣帮助变性蛋白质正确折叠的功能为解决上述困难提供了可能。有些学者已成功地利用分子伴侣在体内和体外辅助蛋白质复性。
但分子伴侣在实际运用中尚存在费用高并需要与复性蛋白质分离等缺点，因此研究开发分子伴侣的重复利用性及稳定性是实现其应用的关键。
2.4.2 分子伴侣的免疫保护作用
分子伴侣不仅是胞内蛋白质折叠、组装与转运的帮助蛋白，更令人惊奇的是它还可以成为感染性疾病中的免疫优势抗原，激发宿主体内的体液免疫反应和t细胞介导的细胞免疫反应，证实在细胞或寄生虫感染中具有免疫保护作用10。这说明分子伴侣有可能用作疫苗，来抵抗微生物的感染，并用来**肿瘤和自身免疫疾病11。用一个96ku的肿瘤相关分子伴侣免疫肿瘤病人，已进入一期临床实验12。
动物疾病中的胰岛素依赖型糖尿病、风湿病等可被分子伴侣cpn60抑制，可能是cpn60-反应性t淋巴细胞起了作用。生理情况下，诱导热休克蛋白hsp70等的过度表达，能使机体具有更高的缺血耐受能力，减少急性**呼吸窘迫症造成的器官损害。
2.4.3 其他方面
由于环境中无机及有机污染物对hsp70有诱导作用，因此可通过测定植物及动物体内的hsp70水平来监测环境污染情况13。另外，研究表明，随着年龄增加，人体血浆中的hsp60和hsp70明显减少14。因此可通过测量血浆中热休克蛋白和抗热休克蛋白的抗体的水平来估计人体老化程度。
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2.5 蛋白质折叠研究的热点。
目前蛋白质折叠的研究热点有两个方面：一是蛋白质模型的研究。这方面集中在简单的格点模型，主要内容有3个方面：
(1)水分子影响。(2)侧链的影响。(3)拓扑结构研究。
二是蛋白质折叠机理的研究，主要内容有：(1)热力学性质分析。(2)动力学过程的研究。
(3)折叠初期研究。这次会议使我们体会到蛋白质折叠研究下一步会更需要实验研究的深入，特别是蛋白质折叠初期快速过程的研究；另一方面是蛋白质折叠过程的长时间计算机模拟，这包括全原子模型和简化的非格点模型。最后，我们还注意到，对一些基本问题的研究显得越来越重要，如水分子如何与大分子相互作用，疏水相互作用的本质等15。
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高级生化期中
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