8.第八章-蛋白质的分选与膜泡运输

第八章蛋白质的分选与膜泡运输细胞内蛋白质的分选细胞内膜泡运输一、信号假说与蛋白质分选信号（1）信号假说（Signalhypothesis）的内容1975年G.Bloblel和D.Sabatini推测，蛋白质N端携带信号肽，可指导蛋白质转至内质网上合成。因此获1999年诺贝尔生理医学奖。（一）信号假说信号肽（signalpeptide），又称开始转移序列。位于蛋白质Ｎ端，由16－26个氨基酸残基构成，其中包括疏水区（h）、信号肽的C端(c)和N端(n)三部分。靠C端具有酶切位点。作用：①作为信号被SRP识别；②起始穿膜转运的作用信号肽的一级结构序列２、蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP）SRP存在于胞质中，是一种核糖核蛋白体。由6个不同的多肽亚单位和一个小的7SRNA分子组成，属于一种核糖核蛋白(ribonucleoprotein,RNP)。作用：与信号肽的疏水核心结合，导致蛋白质合成暂停，防止新生肽N端损伤和成熟前的折叠。图8-2信号识别颗粒（SRP）的结构信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白dockingprotein，DP），存在于内质网膜上，为异二聚体。作用：与SRP特异结合。移位子（translocon）:由3-4个Sec61蛋白构成的通道，每个Sec61由3条肽链组成。内在停止转移锚定序列（internalstop-transferanchorsequence,STA）:与内质网膜的亲合力很高，阻止肽链继续进入网腔，成为跨膜蛋白。内在信号锚定序列（intersignalanchorsequence,SA）开始转移序列和停止转移序列的数目决定多肽跨膜的次数综上，蛋白质转移到内质网合成涉及到以下成分：信号肽，又称为开始转移序列（starttransfersequence）信号识别颗粒（SRP）信号识别颗粒的受体（DP）信号肽酶移位子（translocon）内在停止转移锚定序列（internalstop-transferanchorsequence,STA）内在信号锚定序列（intersignalanchorsequence,SA）………………（二）信号肽与共翻译转运分泌蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运（cotranslationaltranslocation)。可溶性蛋白的合成与转运过程跨膜蛋白的合成与转运过程（1）可溶性蛋白的合成与转运过程①核糖体组装、细胞质中翻译起始,形成信号肽；②信号肽与SRP结合，肽链合成暂时停止；③SRP与受体结合，核糖体附着到内质网的易位子上；④SRP释放与易位子通道打开；⑤信号肽被信号肽酶切除;⑥肽链开始延伸并不断向内腔运输（共转运）；⑦核糖体大小亚基解离，肽链延伸终止;⑧释放合成的蛋白到内质网的腔，并完成蛋白折叠。图8-3分泌性蛋白的合成与其跨内质网膜的共翻译转运图解图8-3分泌性蛋白的合成与其跨内质网膜的共翻译转运图解转运特点：①信号肽（开始转移序列）分N端信号肽和内部信号肽（信号序列位于肽链内部）两种。②停止转移序列，即肽链上一段与内质网膜结合力很高的序列，在过内质网膜时，这段序列与双脂层结合后不再进入内质网腔，具有终止穿膜转运的作用。③跨膜蛋白的合成不进入ER腔中，而是以袢环形式存在于ER的膜中。（2）跨膜蛋白的合成与转运过程（三）导肽与后翻译转运导肽（leaderpeptide）:指导在细胞质基质中合成的蛋白质转移到线粒体、叶绿体及过氧化物酶体等细胞器中的信号序列。后翻译转运（post-translationaltranslocation）：蛋白质在细胞质基质中合成以后，再转移到细胞器中的转运过程。基本特征：需要ATP，使多肽去折叠；还需要一些蛋白质（分子伴侣）的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。1.信号序列（signalsequence）：引导蛋白质定向转移的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，对所引导的蛋白质没有特异性要求。2.信号斑（signalpatch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。（四）蛋白质的分选信号靶向序列的主要特征分选信号信号功能举例蛋白进入ER+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Ler-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-滞留在ER-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-蛋白进入线粒体+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-进入细胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-进入过氧化物酶体-Ser-Lys-Leu-（一）蛋白质分选途径后翻译转运途径：在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链合成，然后转运到膜围绕的各种细胞器（线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核），或成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白。共翻译转运途径：在细胞质基质中多肽链合成起始后，转移到内质网，然后边合成边转入内质网腔，再经高尔基体运输至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外。二、蛋白质分选转运的基本途径与类型蛋白质的跨膜转运（transmembranetransport）是指细胞基质中合成的蛋白质转运到内质网，线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等细胞器。蛋白质的膜泡转运（vesiculartransport）是指从内质网到高尔基体进而分选至细胞的不同部位。门控转运（gatedtransport）是指细胞基质中合成的蛋白质通过核孔复合体选择性的进入核内或从细胞核内返回细胞质的过程。细胞质基质中的蛋白质的转运与细胞骨架密切相关（二）蛋白质转运四种基本类型真核细胞蛋白质分选的主要途径与类型所有的蛋白质都是通过核糖体，在细胞基质内起始合成的；在细胞基质中完成合成的主要是细胞核、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞基质驻留蛋白。在ER中完成合成的主要是分泌蛋白、膜整合蛋白、内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白。合成后的多肽链依据自身氨基酸序列中所包含的信息进行折叠修饰，并且转运到细胞的特定部位。细胞质质体过氧化物酶体线粒体细胞核内质网溶酶体胞内体高尔基体分泌泡细胞表面蛋白质从细胞质基质输入到线粒体叶绿体基质蛋白与类囊体蛋白的靶向输入过氧化物酶体蛋白的分选三、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蛋白质分选是一个多步过程：需要多个不同的靶向序列导肽：线粒体蛋白N端转运肽：叶绿体前体蛋白N端内在靶向序列：过氧化物酶体蛋白C端其他空间定位信号序列蛋白质转运所需条件：分子伴侣、能量。分子伴侣（molecularchaperon）：细胞中帮助其他蛋白质多肽链转运、折叠或装配，但并不参与最终产物组成的蛋白质分子。如：热休克（激）蛋白（heatshockprotein,Hsp）60、70和90家族等。导肽：位于线粒体前体蛋白N端的一段信号序列（约20个氨基酸残基），能够识别线粒体并牵引蛋白质通过线粒体膜进行运送。特点：①含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸（精氨酸）；②含较高羟基氨基酸（丝氨酸）；③不含带负电荷的酸性氨基酸；④可形成既具亲水性又具疏水性的α螺旋结构。1、蛋白质从细胞质基质输入到线粒体核基因编码的线粒体蛋白的转运线粒体蛋白质转运的特点需要导肽需要输入受体从内、外膜接触点进入（输入孔道）基质蛋白酶水解基质靶向序列蛋白质解折叠、重新折叠需要分子伴侣（Hsc70）的帮助需要能量叶绿体蛋白质的运送及组装2、叶绿体基质蛋白与类囊体蛋白的靶向输入3、过氧化物酶体蛋白的分选第二节细胞内膜泡运输一、膜泡运输概观膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。在细胞的膜泡运输中：糙面内质网相当于重要的物质供应站，内质网驻留蛋白的驻留信号使得这类蛋白免于逃逸，故，内质网又被称为“开放的监狱”。高尔基体是重要集散中心，主要聚集在微管组织中心(MTOC)附近，在细胞的膜泡运输及其随之而形成的膜流中起枢纽作用。推测高尔基体极性的维持是由于在高尔基体膜囊上结合有类似动力蛋白的蛋白质。一、膜泡运输概观内质网、溶酶体、分泌泡和细胞质膜及胞内体也都具有各自特异的成分，这是行使复杂的膜泡运输功能的物质基础。在膜泡中又必须保证各细胞器和细胞间隔本身成分特别是膜成分的相对恒定。一、膜泡运输概观蛋白质的分泌与胞吞途径概观二、三种不同类型的包被膜泡具有不同的物质运输作用COPII包被膜泡COPI包被膜泡网格蛋白包被膜泡１、COPII包被膜泡功能：介导细胞内顺向运输，即负责从内质网高尔基体的物质运输；组成：由5种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的；特点：COPII包被膜泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。装配：Sar-GTP与内质网膜的结合，起始COPII亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面捕获并富集被转运的可溶性蛋白。２、COPI包被膜泡功能：介导细胞内膜泡逆向运输，负责从高尔基体反面膜囊到高尔基体顺面膜囊以及从高尔基体顺面网状区到内质网的膜泡转运。组成：含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于ARF(GTP-bindingprotein)；作用：负责转运再循环的膜脂双层、内质网驻留的可溶性蛋白和膜蛋白，同时是内质网回收错误分选的逃逸蛋白(escapedproteins）的重要途径。细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：转运膜泡将驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；对逃逸蛋白的回收机制：通过识别驻留蛋白C-端的回收信号(lys-asp-glu-leu，KDEL)的特异性受体，以COPI包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。图8-12不同类型的膜泡运输膜泡既可运输膜结合蛋白，又可运输可溶性蛋白，其包装特异性取决于被转运蛋白的靶向分选序列（表8-4）。３、网格蛋白/接头蛋白包被膜泡功能：负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输；在受体介导的细胞内吞途径中，也负责将物质从质膜细胞质中的内吞泡及胞内体溶酶体运输网格蛋白有被小泡形成的发源地是：高尔基体TGN和质膜在高尔基体TGN区笼形蛋白有被小泡的形成示意图在细胞合成与分泌途径中，不同膜组分之间三种不同的膜泡运输方式:1.网格蛋白有被小泡：介导从高尔基体TGN质膜和胞内体及溶酶体的运输；2.COPII有被小泡：介导顺向运输，从内质网高尔基体的运输；3.COPI有被小泡：介导逆向运输，即在高尔基体内膜囊间和从cis膜囊、CGNRER。小结此部分：在细胞合成-分泌、内吞途径中3种不同的主要膜泡运输方式1.网格蛋白有被小泡2.COPII有被小泡3.COPI有被小泡膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装-去组装的复杂调控。膜泡融合：是特异性的选择性融合，从而指导细胞内膜流的方向。选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相互作用。三、转运膜泡与靶膜的锚定和融合膜泡锚定与融合的特异性是通过转运泡膜上的蛋白和靶膜上的蛋白相互作用获得的四、细胞结构体系的组装生物大分子的组装方式装配具有重要的生物学意义生物大分子的组装方式自我装配（self-assembly）：信息存在于装配大分子复合物亚基本身，细胞提供装配环境。协助装配（aided-assembly）：在大分子复合物装配过程中，需要形成最终结构的亚基、其他组分的介入；或者对装配亚基进行修饰，保障装配过程或正确行使功能。直接装配（direct-assembly）：某些亚基直接装配到预先形成的基础结构上。细胞结构及结构体系之间的组装装配具有重要的生物学意义