淺談植物葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運

高冰

摘要：植物細(xì)胞的葉綠體有多種功能，而功能的實現(xiàn)依賴于多種葉綠體蛋白，葉綠體蛋白大部分由核基因編碼，在細(xì)胞中中經(jīng)過分選及與葉綠體膜上Toc/Tic特異性識別后進入不同葉綠體的不同部位。本文主要介紹了參與葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運的一些結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的作用。

關(guān)鍵詞 葉綠體蛋白 轉(zhuǎn)運 胞質(zhì)因子 加工

1葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能

葉綠體存在于高等植物及一些藻類光合細(xì)胞中，是一種非常重要的細(xì)胞器。葉綠體外層包被著雙層膜，其內(nèi)膜會向內(nèi)堆疊形成基粒，各種光合色素及與光合作用有關(guān)的結(jié)構(gòu)都存在于內(nèi)囊體中。葉綠體內(nèi)部由基質(zhì)，基質(zhì)中有水、離子、各種有機物、酶、蛋白質(zhì)、核糖體、RNA、DNA等。葉綠體除了能進行光合作用固定光能合成糖類外，對于植物色素、脂肪酸、若干氨基酸及蛋白質(zhì)的合成也有一定的作用。葉綠體可能起源于古老的光合細(xì)菌，因此葉綠體保留了一定的自主性，屬于半自主性細(xì)胞器。

2葉綠體內(nèi)的蛋白質(zhì)

植物葉綠體有其自身的DNA分子，因此葉綠體自身可以合成一定量的蛋白質(zhì)。但葉綠體中只有大約100種蛋白質(zhì)是由葉綠體自身的DNA控制的，絕大部份（約70%）葉綠體的蛋白質(zhì)還是由核基因編碼的，在細(xì)胞質(zhì)中的核糖體和細(xì)胞器中合成加工后，再轉(zhuǎn)運至葉綠體中。因此葉綠體的遺傳和代謝主要受細(xì)胞核基因的調(diào)控。

3葉綠體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運

3.1葉綠體蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

細(xì)胞核基因編碼的蛋白質(zhì)的mRNA都有一個5端的帽子和3端多聚A的尾巴。這種形式的mRNA在細(xì)胞質(zhì)的核糖體上翻譯成蛋白質(zhì)的前體。大部分轉(zhuǎn)運入葉綠體的蛋白質(zhì)N端都含有一個可以剪切的信號序列稱為轉(zhuǎn)運肽，轉(zhuǎn)運肽對于蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運入葉綠體是必需的結(jié)構(gòu)。不同葉綠體的轉(zhuǎn)運肽的氨基酸序列差別較大，氨基酸數(shù)量在13～146之間不等，但它們之間也有共同點：含羥基的氨基酸較多、含疏水性氨基酸較少、堿性和酸性氨基酸幾乎沒有。根據(jù)轉(zhuǎn)運目的的不同，可將葉綠體轉(zhuǎn)運蛋白分為3大類：進入幼嫩的葉綠體、進入衰老的葉綠體、沒有具體要求的葉綠體。但也有一些葉綠體蛋白質(zhì)沒有轉(zhuǎn)運肽，即已經(jīng)是成熟的蛋白質(zhì)，如Toc75。

3.2葉綠體膜上的葉綠體轉(zhuǎn)運蛋白

葉綠體蛋白進入葉綠體需要葉綠體膜上葉綠體轉(zhuǎn)運蛋白復(fù)合體的協(xié)助，其中位于葉綠體外膜上的轉(zhuǎn)運蛋白稱為Toc蛋白，位于內(nèi)膜上的轉(zhuǎn)運蛋白稱為Tic蛋白（Toc和Tic后帶的數(shù)字代表該蛋白質(zhì)的分子量，如Toc75）。葉綠體蛋白質(zhì)N端的轉(zhuǎn)運肽與葉綠體膜上的Toc/Tic復(fù)合體特異性識別，引導(dǎo)葉綠體蛋白穿過葉綠體雙層膜進入特定年齡的葉綠體。

3.3參與葉綠體蛋白質(zhì)分選的胞質(zhì)因子

蛋白質(zhì)的分選是指核糖體上合成的蛋白質(zhì)，經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的各種加工、修飾，使不同的蛋白質(zhì)帶上不同的標(biāo)記，最后由高爾基體包裝成不同類型的小泡，運輸?shù)讲煌?xì)胞器的過程。目前已發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)中存在一些可以和葉綠體前體蛋白結(jié)合的蛋白質(zhì)，這些蛋白可能負(fù)責(zé)識別葉綠體蛋白并將其運送到葉綠體膜，這些蛋白質(zhì)稱為胞質(zhì)因子。

目前以研究較多的如：胞質(zhì)Hsp90蛋白、AKR2A、14-3-3蛋白等。Hsp90可將前體蛋白運送到Toc64， Toc64的特殊重復(fù)序列識別Hsp90， 隨后前體蛋白從Toc64轉(zhuǎn)移并穿過Toc75轉(zhuǎn)運通道。AKR2A也是一種負(fù)責(zé)葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運的胞質(zhì)因子， AKR2A可以介導(dǎo)蛋白互作，負(fù)責(zé)將N端含有特殊結(jié)構(gòu)域的蛋白定位到葉綠體外膜。

3.4葉綠體蛋白穿膜的過程

葉綠體蛋白穿膜運輸進入葉綠體可分為3步：首先葉綠體前體蛋白與葉綠體外膜的轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)合，此過程涉及前體蛋白的轉(zhuǎn)運肽與Toc蛋白蛋白的相互作用，此過程需要少量的ATP;接著前體蛋白與轉(zhuǎn)運蛋白緊密結(jié)合;最后前體蛋白穿膜進入葉綠體基質(zhì)，發(fā)揮相應(yīng)的作用。

3.5葉綠體蛋白在葉綠體中的加工

在跨越葉綠體雙層膜的過程中，前體蛋白的結(jié)構(gòu)受到一定的影響。 在葉綠體的基質(zhì)中，前體蛋白被基質(zhì)中的蛋白酶切去轉(zhuǎn)運肽，加工成成熟的多肽。用于光合作用的捕光色素蛋白前體在類囊體膜上進行加工，捕光色素蛋白在基質(zhì)中切除轉(zhuǎn)運肽后，就沒有轉(zhuǎn)運肽接到該蛋白插入類囊體膜，該過程由葉綠體基質(zhì)或細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的其他成分參與。而定位于類囊體腔中的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運過程分為兩步：一是穿過葉綠體的雙層膜，二是穿過類囊體膜。而這些蛋白的轉(zhuǎn)運肽也會經(jīng)過兩次加工的過程。

4結(jié)語

近年來，對蛋白質(zhì)進入葉綠體的機制研究較多，今后可對于不同植物中葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運機制的異同、轉(zhuǎn)運蛋白不同區(qū)域的功能與葉綠體復(fù)雜的代謝過程的關(guān)系、或從基因水平對葉綠體蛋白進行研究。這些問題的研究可對葉綠體蛋白的轉(zhuǎn)運過程提供更多線索。

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