蛋白质分选与膜泡运输

蛋白质的分选（proteinsorting）：又称蛋白质的定向转运（proteintargeting），指绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，然后转运到细胞的特定部位，装配成结构与功能的复合体，才能参与细胞的生命活动这一过程。第八章蛋白质的分选与膜泡运输细胞内合成的蛋白质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于蛋白质中包含的特殊信号序列和细胞器上特定的信号识别装置。第一节细胞内的蛋白质分选一、信号假说与蛋白质分选信号信号序列的发现和证实1972年Milstein等发现骨髓瘤细胞中提取的免疫球蛋白分子的N端要比分泌到细胞外的免疫球蛋白分子N端的氨基酸序列多出一截。1975年Blobel和Sabatini等提出了”信号假说“1999年G.Blobel诺贝尔医学和生理学奖G.Blobel第一节细胞内的蛋白质分选Translocationcobegin信号识别颗粒SRP当SRP信号肽结合后启动新生肽链的翻译N端初生多聚信号肽信号肽颗粒受体与核糖体易位子作用添加到粗面内质网上的受体信号肽颗粒替换与循环开始翻译与转移粗面内质网上的SRP受体蛋白复习GTP水解Bip分子伴侣一些典型的分选信号功能信号序列输入细胞核（NLS）-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-脯-脯-赖-赖-赖-精-赖-缬输出细胞核-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-输入线粒体+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-输入质体+H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu-Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu-Gln-Gly-输入过氧化物酶体-Ser-Lys-Leu-COO-输入内质网+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-返回内质网-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL）由质膜到内体Tyr-X-X-Φ1、蛋白质分选的两条途径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、细胞核及细胞质基质的特定部位。蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。二、蛋白质分选的基本途径与类型precursor前体蛋白定位于线粒体基质中的蛋白质转运图示②共翻译转运途径：蛋白质合成起始后转移至粗面内质网，新生肽边合成边转入粗面内质网腔中，随后经高尔基体转运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外，内质网与高尔基体本身的蛋白也是通过这条途径分选的。翻译后转运途径（非分泌）共翻译转运途径途径1表示核基因编码的mRNA在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成。途径2表示合成的蛋白质不含信号序列，并留在细胞质基质中。途径3.4.5分别表示通过跨膜转运方式转运至线粒体、叶绿体和过氧化物酶体。途径6.表示通过门控转运方式转运至细胞核。途径7表示核基因编码的mRNA在细胞质基质游离核糖体上起始合成，然后在信号肽引导下与内质网膜结合并完成蛋白质合成（途径8）。途径9表示以膜泡运输方式从内质网转运至高尔基体。途径12、11、10表示以膜泡运输方式分选至质膜、溶酶体和分泌到细胞表面。2.蛋白质转运的四种基本类型蛋白质的跨膜转运：主要指在细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体（包括叶绿体）和过氧化物酶体等细胞器。膜泡运输：蛋白质通过不同类型的转运小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，其中涉及各种不同的运输小泡的定向转运，以及膜泡出芽与融合的过程。2.蛋白质转运的四种基本类型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选择性地完成核输入或从细胞核返回细胞质（核输出）。细胞质基质中蛋白质的转运：可能与细胞骨架系统相关。补充：跨膜蛋白的定位开始转移序列——引导肽链穿过内质网膜的信号肽。停止转移序列——肽链中还有某些序列与内质网膜具有很强的亲合力从而使之结合在脂双层中，这段序列不再转入内质网腔中。开始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数。三、线粒体和叶绿体蛋白质的转运(一)线粒体蛋白质的转运因子1.导肽进入不同部位的蛋白质有不同的转运途径，有信号序列决定转运前的状态：伸展的前体蛋白N端的蛋白质信号序列称导肽前体蛋白=成熟蛋白+导肽三、线粒体和叶绿体蛋白质的转运(一)线粒体蛋白质的转运因子导肽的特点：1）多位于N端，约由20个氨基酸，富含精氨酸、带羟基的氨基酸。2）识别位点，形成一个两性的α螺旋，带正电荷的亲水氨基酸和不带电荷的疏水氨基酸分别位于α的两侧。3）对转运的蛋白质无特异性的要求。信号序列定位转运装置信号序列位置位于N端，富含带正电荷的和疏水的氨基酸，形成两性α螺旋，完成转运后被切除。基质TOMTIM23不被切除，含疏水性的停止转移序列，被安插到外膜。外膜TOM被切除，含疏水性的停止转移序列，被安插到内膜。内膜TOMTIM23含两个信号序列，首先转运到基质，第一个信号序列被切除，第二个信号序列引导蛋白进入内膜或膜间隙。内膜膜间隙TOMTIM23结构类似于N端信号序列，但位于蛋白质内部。内膜TOMTIM23为线粒体代谢物的转运蛋白，如腺苷转位酶，具有多个内部信号序列和停止转移序列，形成多次跨膜蛋白。内膜TOMTIM22导肽的功能：1）牵引2）识别线粒体表面受体2.GIP蛋白---外膜上，由内膜两侧膜电位差启动，促进前体蛋白从接触点（易位子通道）进入内膜。3.分子伴侣---协助前体蛋白解折叠Hsp70、Hsp60。4.MPP、PEP---线粒体基质中，蛋白水解酶切除导肽。分子伴侣协助重折叠图线粒体内外膜的接触点分子伴侣主要是Hsp（热休克蛋白），十分保守，广泛存在。热休克蛋白温度升高或异常下大量增加，保护细胞。水解ATP释放能量使聚集蛋白质溶解并进一步折叠成正确构象。Hsp70相对分子量70103；Hsp6060103功能–解折叠后与暴露疏水面结合，防止互作凝聚、错误折叠或被细胞内蛋白酶水解，对跨膜运送和复合物组装起重要作用。无专一性，需水解ATP获能。分子伴侣–转运发动机Simon布朗棘轮模型主要观点：棘轮原理：把无规则运动过滤成单向动力。蛋白在转运孔道内，多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有mHsp70（内膜热休克蛋白）高能构象结合导肽，和内膜Tim44锚定，防止肽链退回细胞基质中。随着肽链的进一步延伸，有更多的mHsp70结合。mHsp70转变为松弛低能构象促使导肽进入内膜。5.线粒体膜上转运蛋白①TOM复合体，负责通过外膜，进入膜间隙，酵母中TOM20，真核生物主要Tom40构成，还包括Tom22，Tom7，Tom6和Tom5；②TIM复合体，其中TIM23负责将蛋白质转运到基质，也可将某些蛋白质安插在内膜；TIM22负责将线粒体的代谢物运输蛋白，如ADP／ATP和磷酸的转运蛋白插入内膜；③OXA复合体：负责将线粒体自身合成的蛋白质插到内膜上，同样也可使经由TOM／TIM复合体进入基质的蛋白质插入内膜。(二)线粒体蛋白质的转运过程1.进入基质进入线粒体基质的蛋白质进入内质网腔的蛋白质2.内膜•基质导向序列+内膜导向序列，需OXA（A）•基质导向序列+疏水序列，不需OXA（B）跨膜信号序列通过Tim22定位内膜，不被切除3.膜间隙直接通过TOM40进入进入内膜后疏水序列被切除4.外膜直接进入进入膜间隙N端信号切除TOM复合体安装至外膜如孔蛋白，需SAM复合物参与正确定位。（三）叶绿体蛋白质的转运叶绿体与线粒体蛋白转运的相同点1、通常前体蛋白N端具有蛋白质信号序列（转运肽），完成转运后被信号肽酶切除2、每一种膜上有特定的转位因子外膜的转位因子被称为TOC复合体内膜的转位因子被称为TIC复合体。3、内外膜具有接触点（contactsite）；4、需要能量，同样利用ATP和质子动力势。不同点：转运到叶绿体类囊体膜、转运到叶绿体类囊体腔TwosignalsequencesarerequiredtodirectproteinstotheThylakoidmembraneinChl.•细菌Sec转运通道蛋白类似物•SRP信号识别颗粒•金属结合蛋白途径•自发途径上节回顾1.过氧化物酶体与溶酶体的区别(内常有酶晶体)2.过氧化物酶体的异质性3.功能：氧化形成小分子参与合成代谢依赖于黄素（FAD）的氧化酶、过氧化氢酶(1)在动物细胞（肝或肾细胞）解毒、分解脂肪酸(2)在植物细胞中乙醇酸途径乙醛酸循环体4.过氧化物酶体的发生分裂重、新发生信号序列（PTS）胞质受体膜受体通道(1)不解折叠（2）不切除（P145）（五）溶酶体与过氧化物酶体上节回顾一、信号假说与蛋白质分选信号二、蛋白质分选的基本途径与类型1.后翻译转运途径蛋白质的跨膜转运选择性的门控转运细胞质基质中蛋白质的转运2.共翻译转运途径膜泡运输第八章蛋白质的分选与膜泡运输第一节细胞内的蛋白质分选信号序列定位转运装置信号序列位置位于N端，富含带正电荷的和疏水的氨基酸，形成两性α螺旋，完成转运后被切除。基质TOMTIM23不被切除，含疏水性的停止转移序列，被安插到外膜。外膜TOM被切除，含疏水性的停止转移序列，被安插到内膜。内膜TOMTIM23含两个信号序列，首先转运到基质，第一个信号序列被切除，第二个信号序列引导蛋白进入内膜或膜间隙。内膜膜间隙TOMTIM23结构类似于N端信号序列，但位于蛋白质内部。内膜TOMTIM23为线粒体代谢物的转运蛋白，如腺苷转位酶，具有多个内部信号序列和停止转移序列，形成多次跨膜蛋白。内膜TOMTIM22三、线粒体和叶绿体蛋白质的转运1.导肽、GIP蛋白、分子伴侣、MPP、PEP、Tom、Tim、Oxa细菌Sec转运通道蛋白类似物SRP信号识别颗粒金属结合蛋白途径自发途径2.转运肽、TOC复合体、TIC复合体。第二节细胞内膜泡运输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质本身的修饰、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。至少10种以上运输小泡参与定向转运，清楚3种不同类型的有被小泡具有不同的物质运输作用。1、COPII包被小泡介导从内质网高尔基体的运输，顺向运输；2、COPI包被小泡负责将蛋白从高尔基体内质网，逆向运输；3、网格蛋白有被小泡介导从高尔基体TGN质膜、胞内体、溶酶体或植物液泡等的运输；在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜内吞泡(细胞质)胞内体溶酶体运输。介导从内质网高尔基体的物质运输。COPⅡ包被蛋白由5种蛋白亚基（Sec13p，Sec31p，Sec23p，Sec24p和Sar1p）组成；包被蛋白的装配是受控的；COPⅡ有被小泡具有对转运物质的选择性，但也有部分蛋白被错误包装和转运。这类蛋白带有C端KDEL序列，KDEL受体位于TGN、COPⅡ和COPⅠ有被小泡的膜上。1.COPⅡ有被小泡的组装与运输1.结构组分①Sar1:GTP酶，与GTP结合活化；调节COPII亚基的装配和去装配，召集其他包被蛋白形成包被。②Sec23/Sec24复合体：和Sar一起构成包被内层。③Sec13/Sec31p复合体：构成包被外层。N-端疏水端④Sec12：Sar1的鸟苷酸