讨论:从DNA到蛋白质

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总论

  • DNA不直接指导蛋白质合成,而是先通过转录(Transcription)产生RNA,RNA再被翻译(Translation)产生蛋白质,这种过程从细菌到人类一直被遵循,被称为分子生物学的中心法则(Central Dogma)。
  • 由RNA翻译产生蛋白质时,直接进入蛋白质的氨基酸一般有20种,在特定情况下还有两种氨基酸也会被加入。
  • 翻译产生蛋白质后,它还要被不同细胞器进行多种切割、修饰才能成为有功能的蛋白质。
  • 从DNA到蛋白质的每一步,都有可能发生各种各样的调控。

转录

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图1:细菌中的转录
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图2:真核生物中的转录
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图3:真核生物的常见启动子
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图4:真核生物中转录还需其它蛋白启动
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图5:内含子切割
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图6:RNA切割
  • 转录发生在细胞核中(细菌中在拟核区),它是根据双链DNA的一条链上的一小段(称为模板,Template),合成与之反向互补的RNA。(参见核酸的结构
  • 由这个过程的特点,RNA在细胞中几乎总是单链,而且长度比DNA短很多,最多几千个核苷酸。
  • 同DNA复制一样,转录始于DNA的双螺旋结构部分解开,这是由RNA多聚酶(RNA Polymerase)完成的,因为RNA的合成方向是5‘→3’,所以模板的解链方向一定是3‘→5’。
  • 在合成的同时,已合成部分逐步脱离DNA,DNA恢复双螺旋结构。
  • RNA合成的原料是三磷酸核糖核苷酸(ATP、UTP、CTP、GTP)。
  • 同一个基因可以同时进行多次转录。
  • RNA多聚酶不需要引物启动合成,但精度不高,约每104个碱基出一次错。(它的纠错机制只有一层)
  • 不像DNA多聚酶,RNA多聚酶在合成过程中不可以和模板脱离。
  • RNA多聚酶和DNA多聚酶都以NTP为底物,所以它们都需要Mg2+才能发挥活性。
  • RNA多聚酶和DNA多聚酶的结构很不相同,因此认为核酸多聚酶在生物进化过程中出现了两次,一次造就了DNA多聚酶、病毒反转录酶和少数病毒RNA多聚酶;另一次造就了所有细胞生物中的RNA多聚酶。
  • 并不是所有转录出的RNA都指导蛋白质合成,只有mRNA(Messenger RNA)履行这一职责,其它RNA有:
    • rRNA(Ribosomal RNA):核糖体RNA,用于组建核糖体。
    • tRNA(Transfer RNA):用于翻译过程中传递氨基酸。
    • snRNA(Small Nuclear RNA):小核RNA,在细胞核中发挥多种功能。
    • snoRNA(Small Nucleolar RNA):小核仁RNA,用于修饰rRNA。
    • miRNA(Micro RNA):用于RNA翻译调控,见调控RNA
    • siRNA(Small Interference RNA):一般是外源RNA,但是也在植物中发现了转录出的siRNA,用于RNA翻译调控,见调控RNA
    • piRNA(Piwi-interacting RNA):在生殖细胞中用于对抗转位子,见调控RNA
    • lncRNA(Long Non-coding RNA):见调控RNA
  • 转录出的一条RNA称为一个转录单位(Transcription Unit),在真核生物中一般只含一个基因,但在细菌中一般有多个相邻基因。
  • 细菌中的转录启动:
    • 细菌只有一种RNA多聚酶,其完全形式(Holoenzyme)由核心酶和一个σ因子组成。
    • RNA多聚酶与DNA相遇时,两者结合不紧密,酶快速在DNA上滑动,但是当遇到特定的启动子(Promoter)时,σ因子与DNA紧密结合,转录开始。
    • 酶将一小段DNA双螺旋打开,形成转录空泡(Transcription Bubble),它只有约10个碱基长,σ因子通过与不作为转录模板的一条链结合来稳定这一结构。
    • 最初转录的方式是酶在原地不动,将DNA的5‘端向活性中心拉,一边拉一边转录,结果每转录约10个碱基,RNA就与DNA完全脱离,转录重新开始,同时DNA分子中会积累张力,最终张力造成σ因子与DNA分离,酶开始向5‘端运动。
    • 每转录一个碱基,酶向前移动一个碱基,同时转录空泡的后端封闭一个碱基。
    • 酶遇到终止子(Terminator)时,与DNA分离,释放转录完成的RNA。
    • 多数终止子由两段互补序列,中间夹着一串A和T交替的序列组成,转录这一段后RNA形成发夹结构,它与酶相互作用引起酶脱离DNA。
    • 细菌在不同生存条件下产生不同的σ因子,识别不同的启动子,每个启动子又略有不同,影响转录的频率;终止子同样是种类丰富。
  • 真核生物中的转录启动:
    • 真核生物至少有三种RNA多聚酶,植物中还有另外两种。(用罗马数字表示)
    • mRNA都是由酶II转录的。
    • rRNA中,5S rRNA是由酶III转录的,其它都是由酶I转录的。
    • tRNA是由酶III转录的。
    • snRNA大部分是由酶II转录的,少部分是由酶III转录的;snoRNA都是由酶II转录的。
    • miRNA大部分是由酶II转录的,少部分是由酶III转录的。
    • siRNA若是外源的,则一般都是酶II转录的;若是内源的,则是酶IV转录的,其发挥功能有时需要酶V合成其它RNA。
    • piRNA的起源尚未研究清楚。
    • lncRNA是由酶II转录的。
    • 研究最多的是酶II,它需要多种通用转录因子(General Transcription Factor)才能开始转录,这些因子有TFIIA,TFIIB,TFIIC,TFIID,TFIIE,TFIIF,TFIIH。
    • 对于大多数基因而言,转录启动子的最重要部分是TATA序列,它被TFIID的TBP亚基识别,TFIIA帮助TFIID与TATA结合。(TATA是这种序列花式的名字,其序列一般是TATAAAA)
    • TFIID还能识别一些其它启动子序列,如INR和DPE,它们是由TAF亚基识别的。(它们都在TATA的下游)
    • TFIIB识别TATA上游的BRE序列,并据此将酶II精确摆放至转录起始碱基。
    • 酶II在空闲时与TFIIF结合,它帮助酶与TBP和TFIIB结合,并吸引TFIIE和TFIIH。
    • 最初这个酶也和细菌的RNA聚合酶一样,要经历反复合成短RNA的过程。
    • TFIIH将酶的C端一个丝氨酸残基磷酸化,将酶从启动子解放出来。
    • 然后,所有通用转录因子被释放,转录正式开始。
    • 在通用转录因子组装前,需要先有活化子(Activator,一个蛋白)与增强子(Enhancer,一段DNA序列)结合,将酶吸引过来,并通过中介复合体(Mediator)对酶进行调控。(每个基因有它自己的活化子和增强子,不一定要在基因编码位置附近)
    • 转录还需要染色质重塑复合体(Chromatin Remodeling Complex),用于打开染色质的超螺旋;组蛋白修饰酶,用于打开核小体。
  • 转录过程中,延长因子(Elongation Factor)防止RNA聚合酶与DNA脱离。
  • 转录区域前方会产生正超螺旋,而后方产生负超螺旋,这被认为有助于打开染色质。
  • 真核生物的RNA在转录出后要进行修饰:
    1. 酶II合成的所有RNA的5’端都要加上G帽,只有mRNA的G帽是甲基G帽。
    2. mRNA中所有的内含子都要被切出,有趣的是一个转录单位可以多种方式切出外显子,不同切法就会产生不同的蛋白质。
    3. mRNA的3‘端要加上多聚A尾巴。
  • mRNA的切割(又称剪接,Splicing):
    • 每次切割去除一段内含子,通过两次取代反应完成。(参见常见酶促反应类型
    • 切割需要很多其它RNA和蛋白质参与,消耗大量ATP。
    • 切割需要识别三个位点:内含子的5’端、3‘端位置、切割下的环状内含子的成环位置,它们都有各自的序列,但变化很多,正是这一点使得分析基因组困难重重。
    • 切割由以snRNA为核心的剪接体(Spliceosome)完成,snRNA有五种,为U1,U2,U4,U5,U6。
    • 本质上,剪接体是核酶,但是剪接体的活性位点是由RNA和蛋白质共同组成的,这一点很罕见。
    • 切割位点的选择并不完全是以序列决定的,其它因素有:
      • SR蛋白能与外显子中特定序列结合,从而将剪接体吸引至外显子的边界。(因为外显子的长度通常都在150碱基左右)
      • 外显子通常分布在核小体周围,有实验证据显示染色质结构会影响剪接结果。
  • 只有完成切割,5’端有甲基G帽,3‘端有多聚A尾巴的mRNA才会被输出细胞核,进行翻译。
  • 古菌只有一种RNA多聚酶,工作方式更接近于真核生物的酶II,但它同时又产生多种与细菌的σ因子同源的蛋白质,相当于通用转录因子。

翻译

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图7:翻译密码表(通用)
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图8:tRNA与氨基酸结合
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图9:核糖体的工作机制
  • 翻译的基本原则是:核糖体从5’端开始阅读mRNA,以连续三个碱基为一个密码子,根据密码表选择对应的氨基酸添加到正在合成的多肽的C端,即从N端向C端合成多肽;当遇到终止密码子时,翻译结束。
  • 在绝大多数生物中,密码表都是一致的,但是在一些生物中密码表有微小变化,在质体和线粒体中这些变化特别多,由此可以追踪质体在细胞中内共生的历史。
  • 密码子是通过tRNA被识别的。
    • tRNA的结构见核酸的结构,这里只说明它的合成过程。
    • tRNA的前体被转录出后,首先折叠成四叶草形,然后被切除内含子,这里不是用剪接体切除,而是有专门的蛋白质酶。
    • 氨酰tRNA合成酶(Aminoacyl tRNA Synthetase)将氨基酸加至tRNA的3‘端,一般每个氨基酸各有一个这样的酶,适用于所有携带这种氨基酸的tRNA。
    • 在细菌中不是每个氨基酸都对应有这样的酶,有些氨基酸是先将其它氨基酸加至3’端,再被化学修饰成正确的氨基酸。
    • 连接氨基酸分两步,先将氨基酸与ATP连接(释放焦磷酸),然后再将氨基酸与tRNA相连(释放AMP)。
    • 氨基酸与tRNA相连的键能量很高,在合成肽链时已合成部分的C端残基是和tRNA共价相连的,利用此键能使反应向着延长肽链的方向进行。
    • tRNA合成酶识别tRNA的方式有两种:直接识别和间接识别。
    • 直接识别就是反密码子的碱基直接与酶的结合位点特定区域互补;间接识别就是酶识别tRNA的其它位置,如D柄和可变环。
    • 从结构上,tRNA合成酶又可分为两类:I类一般是单体,活性中心有罗斯曼折叠(Rossman Fold);II类一般是二聚体,有时是四聚体,其活性中心是α螺旋和β折叠片的混合。
  • 原核生物和真核生物的核糖体都由大亚基和小亚基组成,分别的功能也相同,但结构不同,不合成蛋白质时它们是分离的。
  • 小亚基提供mRNA的结合位点,两个亚基共同提供tRNA的结合位点,大亚基催化成肽键的反应。
  • 核糖体有三个tRNA结合位点,依次称为E,P,A。
  • 向一个正在合成的肽链上添加一个氨基酸要经过四步:
    1. 肽链C端的tRNA位于P位点,新氨基酸的tRNA位于A位点,其反密码子与mRNA互补结合。
    2. 大亚基催化P和A位点的氨基酸之间形成酰胺键,P位点的tRNA与氨基酸脱离。
    3. 大亚基向3‘端移动,P位点的tRNA进入E位点。
    4. 小亚基向3’端移动,A位点的tRNA进入P位点,E位点的tRNA离开核糖体。
  • tRNA与mRNA的配对不一定要完全一致,第三个碱基可以是摇摆配对(Wobble Pair),即G可以和U配对,而I(次黄嘌呤核苷)可以和U,C,A配对,这样细菌中最少可以只有31个tRNA,但人体中有500多个tRNA。
  • 延长因子(Elongation Factor)协助合成肽链:
    • 细菌中的延长因子是EF-Tu和EF-G;真核生物中对应的是EF1和EF2。
    • 它们通过水解GTP促进反应向正方向发生。
    • EF-Tu与新进入的tRNA结合,然后小亚基的蛋白质检测密码子-反密码子配对是否正确,只有结合正确时,构象改变,EF-Tu水解GTP然后和tRNA分离,合成反应才能继续。
    • 如果的确有不正确的氨基酸被加入肽链,后续错误几率会大大增加,结果多肽很快被提前释放,然后被蛋白质酶体降解。
  • 核糖体识别mRNA中的起始密码子,并从此处开始合成肽链,最常见的起始密码子是AUG,在真核生物中是甲硫氨酸,在原核生物中是甲酰甲硫氨酸。
    • 真核生物中,其它的起始密码子非常罕见,在哺乳动物中发现过以CUG(亮氨酸)为起始。
    • 原核生物(和线粒体、质体)中则有较多其它起始密码子,主要是GUG和UUG,也发现过AUU和CUG。
    • 起始的这个甲硫氨酸在很多时候被蛋白酶切除。
  • 真核生物中,翻译起始不仅需要Met-tRNA,还需要起始因子(eIF),在它们的帮助下Met-tRNA直接与核糖体小亚基的P位点结合。(此时大小亚基尚未结合)
  • 大小亚基结合后,与mRNA的5‘端G帽结合,并向3’端运动,至第一个AUG处停下开始合成。
  • 有约10%的情况,核糖体会跳过第一个AUG,这是因为它扫描的并不只是AUG,而是ACCAUGG,如果AUG两侧的碱基序列与此相差太大,有一定几率核糖体会跳过。
  • 这一现象会造成一个mRNA能产生两种不同的蛋白,如果跳过的这一段编码的是信号肽,则会造成同一个蛋白质进入两个不同的细胞区间。
  • 细菌的mRNA没有G帽,核糖体与之结合时识别的序列是AGGAGGU(称为Shine-Dalgarno序列),这个序列可以出现在mRNA内部,这与细菌的mRNA常同时编码多个蛋白相吻合。
  • 核糖体遇到UAA,UAG,UGA这三个密码子时,释放因子(Release Factor)与A位点结合,翻译终止。(它们依次被称为赭石密码子、琥珀密码子、乳白密码子,之所以这样命名是因为第一个发现的是UAG,被以发现人的名字命名,恰好是Amber(琥珀),后来就遵循了以石头名称命名的惯例)
  • 同转录一样,mRNA也可同时被多个核糖体翻译。
  • 转码(Recoding):对于某种生物特定的密码表而言,一个密码子本应编码这个氨基酸,在实际中对于特殊的mRNA却编码那个氨基酸甚至被跳过不编码的情况。
    • UGA有时编码硒半胱氨酸(Selenocysteine,Sec,U),它是将半胱氨酸的S换为Se的结果,真核生物、细菌、古菌中都有这种现象,但植物中没有。
    • Sec-tRNA比正常的tRNA长,主要是T柄长,Sec是通过修饰Ser得到的。
    • UGA是否被解读为Sec是通过密码子下游的二级结构确定的,更具体地说,要存在SECIS元素。
    • 细菌中,SECIS元素紧邻UGA密码子,而在古菌和真核生物中它在3‘端不翻译部分中。
    • SelB蛋白和SECIS元素结合,同时又和Sec-tRNA结合,这样Sec才能被加入多肽。
    • 古菌和真核生物不仅有SelB蛋白,还有SBP2蛋白,才能正常加入Sec。
    • 厚游仆虫(Euplotes crassus)中发现,UGA既可编码半胱氨酸又可编码Sec,产生两种蛋白。
    • 一些古菌和细菌中,UAG有时编码吡咯赖氨酸(Pyrrolysine,Pyl,O)。
    • 吡咯赖氨酸出现于甲胺甲基转移酶(Methylamine Methyltransferase)的活性中心。
    • Pyl-tRNA比较短,缺少U8核苷酸,D环和可变环较短。
    • Pyl进入多肽的选择机制尚不清楚。
    • 移码(Frameshifting)即核糖体跳过了一个或多个碱基(注意是碱基不是密码子)。
    • 移码有两种情况:有些特定mRNA序列会使A位点的tRNA向3’端或5‘端移动一个碱基;有些变异的tRNA的密码子是四个碱基而不是三个。
    • 核糖体有时会跳过(Bypassing)一大段mRNA,这种现象非常少见,典型例子是噬菌体T4的基因60。(就是以其翻译过程中跳过60个碱基而命名的)
    • 细胞营养不良时,偶尔会观察到跳过现象。
    • 细菌和线粒体中,如果因某种原因,核糖体卡住无法继续合成多肽,则有tmRNA帮助核糖体与mRNA分离。
    • tmRNA有两部分,前一段是Ala-tRNA,后一段是mRNA,它编码一段信号肽,使合成的蛋白质被蛋白质酶降解。
    • tmRNA现象蕴含着一个极端罕见的现象,即多肽可以由两个mRNA共同编码。
  • tRNA基因变异可以抵消其它基因变异,因此tRNA的变种被称为抑制子(Suppressor)。
    • 根据tRNA变异后识别的密码子是终止密码子还是正常密码子,tRNA抑制子又分为无义抑制子(Nonsense Suppressor)和转义密码子(Missense Suppressor)。
    • 每一种终止密码子都有对应的无义抑制子,不过并不总是由反密码子环变异而来,例如一种识别UGA的tRNA是由D柄的一个变异引起的,它使tRNA带有奇怪构象,允许C和A配对。
    • 在抑制某个基因变异的同时,变异tRNA必然引起其它多肽合成出现错误,事实上变异tRNA总是和正常识别该密码子的tRNA竞争,并且变异tRNA不能处于竞争上风。
    • 识别UAG(琥珀)的无义抑制子在竞争中可以较强,这是因为UAG是三个终止子中出现频率最低的;转义抑制子是竞争力最弱的。

翻译之后

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图10:伴侣素的工作机制
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图11:蛋白质酶体
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图12:引起蛋白质降解的方式
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图13:蛋白质在细胞各区间的运输
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图14:SRP与SRP受体的功能
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图15:蛋白质也可在合成完后被运入内质网
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图16A:跨膜蛋白进入内质网的方式
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图16B:跨膜蛋白进入内质网的方式
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图17:C端嵌入内质网膜的方式
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图18:核孔复合体的结构
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图19A:Ran蛋白保证核孔运输方向的正确性
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图19B:Ran蛋白保证核孔运输方向的正确性
  • 多肽需要折叠(Folding),即形成正确的构象,才能发挥作用。
  • 分泌到细胞外的蛋白,还要形成正确的二硫键,但是细胞内的蛋白一般没有二硫键,这是因为细胞内还原性物质较多,二硫键不能稳定存在。
  • 多肽折叠在核糖体正在合成多肽时就已经开始了,有时需要分子伴侣(Molecular Chaperone)帮助。
    • 从功能上分,分子伴侣有三类:
      1. 稳定器(Stabilizer):它们与新合成或折叠错误的多肽结合,防止它们与其它多肽相互作用聚集沉淀,识别折叠错误多肽的标志是它们暴露的内部疏水氨基酸残基;稳定器与多肽结合不需要能量,但它也不帮助多肽折叠正确。
      2. 伴侣素(Chaperonin):它在结构上像一个桶,将已合成完的多肽装入其中,通过改变构象促使多肽重新折叠,直至折叠正确,其工作需要大量ATP。
      3. 酶:例如蛋白质二硫键异构酶(Protein Disulfide Isomerase)和肽基脯氨酰顺反异构酶(Peptidyl Prolyl Cis-trans Isomerase)。
    • 大部分分子伴侣属于热激蛋白(Heat Shock Protein,因细胞在受热等极端条件下大量合成这些蛋白而得名),它们是一些进化上高度保守的蛋白,主要成员有:
      • HSP70是稳定器,但它还有帮助蛋白质进出内质网、线粒体、质体的功能、帮助一些蛋白寡聚化、将蛋白质递给伴侣素的功能。
      • sHSP是稳定器,功能比较简单,此外眼睛的眼角膜、晶状体中所含的α晶状体球蛋白(α-Crystallin)在结构上也是sHSP,但没有sHSP的功能。
      • HSP60出现于细菌细胞质和线粒体、质体的基质,属于伴侣素,在原核生物中称为GroEL。(这个“桶”的盖子是另一个蛋白,原核生物中是GroES,真核生物中是HSP10)
  • 无法在分子伴侣的帮助下折叠正确的蛋白,则被送往蛋白质酶体(Proteosome)降解。
    • 蛋白质酶体非常丰富,占细胞中所有蛋白的1%,细胞质和细胞核中都存在。(进入内质网的错误折叠蛋白则需被送回细胞质然后被降解)
    • 蛋白质酶体的核心是20S复合体,形态是一个中空圆柱;两头各有一个19S复合体的帽子,是一个有狭长管道的复合体,19S复合体中的AAA蛋白通过水解ATP使多肽解开折叠,以线状通过此管道进入。
    • 只有被泛素(Ubiquitin)标记的蛋白才会被送入蛋白质酶体,泛素标记一般是由E3蛋白加上的。
  • 多肽的许多氨基酸残基需要被修饰,常见修饰方式有:
    • 磷酸化(Phosphorylation):一般都发生于丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸,罕见情况下有天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、精氨酸、组氨酸、甘氨酸、半胱氨酸。
    • 乙酰化(Acetylation):最常见于赖氨酸和丙氨酸;除了天冬酰胺、谷氨酰胺、苯丙氨酸、组氨酸、亮氨酸、异亮氨酸外都有可能发生。
    • 泛素化(Ubiquitylation):一般都发生于赖氨酸,罕见情况下有甲硫氨酸、色氨酸、半胱氨酸、异亮氨酸。
    • 糖基磷脂酰肌醇(GPI):常连接于丝氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、丙氨酸、甘氨酸、半胱氨酸。
    • 甲基化(Methylation):最常见于赖氨酸和精氨酸;除了酪氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、天冬氨酸外都有可能发生。
    • 生物素(Biotin)只能和赖氨酸结合。
    • FMN可以和苏氨酸、半胱氨酸、组氨酸结合;FAD可以和酪氨酸、半胱氨酸、组氨酸结合。
    • ADP一般和精氨酸结合,偶尔和半胱氨酸、组氨酸、天冬酰胺结合。
    • 蛋白聚糖和天冬氨酸结合。
  • 蛋白质在细胞各分区间的转运:
    • 蛋白质进出各区间的方式有三种:
      • 门控运输(Gated Transport):通过核孔复合体进出细胞核。
      • 蛋白质转位(Protein Translocation):通过转位器直接跨过膜,如进出内质网、线粒体、质体、过氧化物酶体,以及膜蛋白;在此过程中蛋白质必须解开折叠。
      • 囊泡运输(Vesicular Transport):蛋白质被装入有单层膜的囊泡中,然后被运输。
    • 蛋白质被运输,一般需要有被细胞识别的信号肽(Sorting Signal)。
    • 进入内质网是唯一在翻译过程中就开始进行的转运过程,其信号肽也是第一个被发现的信号肽。
      • 细胞质中有SRP蛋白(Signal Recognition Particle),它是一个含RNA的复合体。
      • 进入内质网的信号肽的位置和具体序列差异很大,共同特征是含有8个或更多非极性氨基酸。
      • SRP识别正在合成的多肽的信号肽,并与核糖体结合,将翻译暂停,暂停期间将核糖体拖至内质网膜上,与SRP受体(SRP Receptor)结合。(注意,必须是正在核糖体上合成的多肽才会被SRP结合)
      • 然后,正在合成的多肽通过一个转位器进入内质网,转位器的核心是Sec61复合体,平时其通道被一个α螺旋盖住,转位器与信号肽结合后通道打开。
      • 在整个转运过程中,转位器都是与信号肽结合的,之后信号肽被切下释放入内质网膜,被那里的蛋白酶降解。
      • SRP、SRP受体、Sec61复合体都是在原核生物中就已存在的,进化保守的蛋白复合体。(原核生物中它们的功能是将蛋白质运出细胞膜)
      • 核糖体与转位器结合后,SRP和SRP受体被释放,去处理其它多肽。
      • 细菌和真核生物中,有时也会观察到蛋白质被合成完后才被运入内质网,此时要求多肽合成结束后与稳定器(分子伴侣)结合,不折叠。
      • 内质网的单次跨膜蛋白有三种情况:
        • 信号肽在N端,多肽内部有一个终止转位信号,只有N端至此信号的一段进入内质网,结果N端在膜内,C端在膜外。
        • 信号肽在多肽内部,它与转位器结合后又分N端进入和C端进入内质网两种情况。
      • 多次跨膜蛋白,一般信号肽在多肽内部,且内部有多个起始转位和终止转位的信号。
      • 有些蛋白,其大部分结构在细胞质中,只有C端一小段嵌入内质网膜,这种蛋白不是通过上述机制进入内质网的,而是合成完后被Get3蛋白识别,运至内质网膜的。(SRP蛋白必须结合正在合成的多肽,所以信号肽不可能出现在C端)
    • 进入细胞核是通过核孔复合体(Nuclear Pore Complex)实现的:
      • 核孔复合体由若干种核孔蛋白(Nucleoporin)的大量拷贝组成,结构高度对称。
      • 核孔复合体一秒能运输超过1000个大分子(RNA或蛋白质),而且能同时双向运输,机制不明。
      • 对于小分子而言,核孔复合体是可以自由扩散的通道。
      • 核孔复合体的结构:
        • 最外层是跨膜蛋白,将其它蛋白固定。
        • 跨膜蛋白与骨架蛋白(Scaffold Nucleoporin)结合,它在核孔外侧围成多层。
        • 最里层是通道蛋白(Channel Nucleoporin),它向通道中伸出大量富含苯丙氨酸和甘氨酸的不折叠的丝(FG丝)。
        • 骨架蛋白向细胞核内和细胞质伸出大量的丝,其中细胞核内的丝在远处汇聚集中形成小篮结构。
      • 将蛋白引导入细胞核的信号肽称为核定位信号(Nuclear Localization Sequence),位置差异很大,大部分的特征是富含赖氨酸和精氨酸。
      • 核定位信号与细胞质中的输入蛋白(Importin)结合,输入蛋白再与核孔复合体中央的FG丝结合,通过核孔,在核内输入蛋白与被转运蛋白分离,输入蛋白离开细胞核。
      • Ran蛋白确保核孔运输向正确方向进行:
        • Ran既能和GTP结合又能和GDP结合,细胞核中有GEF蛋白将其结合的GDP换为GTP;细胞质中有GAP蛋白将其结合的GTP变为GDP。
        • 结果,细胞核中Ran-GTP较高,而细胞质中Ran-GDP较高。
        • 与被转运蛋白结合的输入蛋白,必须遇到Ran-GTP才能与结合的蛋白释放,这样就保证了蛋白转运的方向性。
      • 也有些蛋白带有输出细胞核的信号,作用方式类似上述介绍。
      • 还有些蛋白同时有进入细胞核和输出细胞核的信号,它们会在核膜两侧反复穿梭。
    • 进入线粒体、质体的方式:
      • 进入线粒体基质的蛋白,其信号肽通常是N端的一段两亲α螺旋,这种信号肽有时被称为导肽。
      • 所有线粒体外膜蛋白、大部分内膜和膜间隙蛋白,都没有导肽,其信号肽在多肽内部。
      • 跨过线粒体外膜和内膜分别需要TOM和TIM复合体,嵌入外膜和内膜又分别需要SAM和OXA复合体。
      • 将蛋白质运过线粒体内膜,既消耗ATP也消耗质子浓度梯度。
      • 将蛋白运入质体的方式类似,也是用导肽,但不消耗质子浓度梯度。
    • 过氧化物酶体的一部分蛋白质来自细胞质,一部分来自内质网的囊泡。
    • 分泌到细胞外的蛋白都来自内质网的囊泡。