蛋白质分选与膜泡运输

第八章蛋白质的分选与膜泡运输INTRACELLULARCOMPARTMENTANDPROTEINSSORTING第一节细胞内蛋白质的分选一、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三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选一、信号假说与蛋白质分选信号GeorgePalade发现游离和附着核糖体功能差异Blobel和Sabatini信号假说（1975）SignalhypothesisPhylipLeder无细胞翻译系统产生的抗体比正常分泌的抗体长6-8AaBlobel设计蛋白质体外翻译-转运系统，证明信号假说蛋白水解酶水解实验多聚核糖体的离体翻译微粒体①分泌蛋白的N-端含有一段特别的信号序列（signalsequence），可将多肽和核糖体引导到ER膜上；②多肽通过ER膜上的水性通道进入ER的腔中，并推测多肽是在合成的同时转移的。杂合蛋白研究实验黑猩猩α球蛋白E.Coli半乳糖透性酶信号序列狗组织的ER膜1999指导分泌性蛋白质在RER上合成的决定因素蛋白质N端的信号肽（signalpeptide）信号识别颗粒（SRP）ER上SRP的受体（停泊蛋白DP）信号肽（signalpeptide）位于蛋白质Ｎ端（signalpeptide），由16－26个氨基酸残基构成，其中包括疏水区、信号肽的C端和N端三部分。靠C端具有酶切位点。无严格的专一性作用：①作为信号被SRP识别②起始穿膜转运的作用信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP）SRP是一种核糖核蛋白复合体，存在于胞质中。由6个不同的蛋白质和一个300个核苷酸的7SRNA分子组成。即可与信号肽和核糖体大亚基结合，又可与内质网膜上的受体结合图8-2信号识别颗粒（SRP）的结构示意图信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白dockingprotein，DP）为内质网膜整合蛋白，可特异地与信号识别颗粒结合。αβ二聚体，α亚基和SRP的p54亚基结合分泌性蛋白的合成与其跨内质网膜的共翻译转运图解图8-1在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系可溶性蛋白的合成与转运过程（信号假说）①核糖体组装、细胞质中翻译起始,形成信号肽；②SRP与信号肽和核糖体的大亚基结合，肽链合成暂时停止；③SRP与DP结合被GTP强化，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肽链开始延伸并在信号肽引导下向内腔运输（共转运），信号肽被切除；⑥⑦肽链继续延伸，完成后被释放到内质网腔内，折叠，核糖体释放，移位子关闭。开始转移序列（starttransfersequence）：信号肽内在停止转移锚定序列（internalstop-transferanchorsequence，STA）或内在信号锚定序列（internalsignal-anchorsequence，SA）跨膜蛋白的合成与转运过程图8-4内质网膜整合蛋白的拓扑学类型信号序列（signalsequence）①信号肽（signalpeptide）②信号斑（signalpatch）存在于完成折叠的蛋白质中构成信号斑的序列可以不相邻二、蛋白质分选的基本途径与类型蛋白质分选的两条途径：若蛋白质的合成和转运是同时发生的，则属于共翻译转运途径；若蛋白质从核糖体上释放后才发生转运，则属于翻译后转运途径。①跨膜转运（Transmembranetransport）②膜泡运输（Vesiculartransport）③门控转运（Gatedtransport）④细胞质基质中的蛋白质的转运蛋白质转运类型图7-21真核细胞蛋白质分选的主要途径与类型三、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、分子伴侣的帮助、需要多个靶向序列、耗能（一）线粒体蛋白质跨膜运转•大部分线粒体蛋白质都是由核DNA编码，在细胞质游离核糖体上合成，被释放至细胞质，再跨膜运转到线粒体各部分。转运序列是前体蛋白质N端一段约含20～50个氨基酸残基的信号序列。转运序列的特点：①富含带正电荷的碱性氨基酸，几乎不含酸性氨基酸。②可形成既具亲水性又具疏水性的α螺旋结构。③对所牵引的蛋白质没有特异性要求。蛋白质的输入是一个耗能过程。能量来源：ATP、质子动力势。①合成的前体蛋白与胞质分子伴侣Hsc70结合，通过ATP提供能量使其保持未折叠或部分折叠状态；②在穿膜过程利用质子动力势作为动力；③前体蛋白进入线粒体基质后，蛋白质线性分子的折叠修饰过程也需要消耗ATP。第三节蛋白质的转运核基因编码的蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质Hsc70：在胞质内使蛋白保持未折叠或部分折叠状态，在线粒体基质内与输入蛋白结合并水解ATP以驱动蛋白的输入线粒体内膜蛋白质输入的三条途径线粒体膜间隙蛋白输入的两条途径（二）叶绿体蛋白质的跨膜运转叶绿体蛋白转运机理与线粒体的相似①翻译后转译②跨膜运转前蛋白需解折叠③需要能量，利用ATP，缺乏质子动力势；④前体蛋白N端有转运序列。进入叶绿体基质的蛋白质由一个转运序列引导。进入类囊体蛋白的转运序列由两个部分组成，第一部分引导蛋白质进入叶绿体基质，第二部分引导蛋白进入类囊体，最后皆被信号肽酶切除。SRP依赖途径pH依赖途径（三）过氧化物酶体蛋白的转运C端SKL（Ser-Lys-Leu）序列折叠好的蛋白质信号序列不被切除第二节细胞内膜泡运输SecretoryPathway(ERtoPM)Endoplasmicreticulumintobaccocellsinvivo一、膜泡运输概观•在细胞分泌与胞吞过程中，以膜泡运输方式介导蛋白质分选途径形成细胞内复杂的膜流（membraneflow）•特点：高度的组织性、方向性并维持动态平衡图8-9蛋白质的分泌与胞吞途径概观COPII包被小泡COPI包被小泡网格蛋白包被小泡表8-4已知的指导蛋白质包装到特异性转运膜泡的分选信号图8-10在细胞合成-分泌与内吞途径中3种不同的主要膜泡运输方式二、COPII包被小泡的装配与运输组成：COPII包被由小分子GTP结合蛋白Sar1、Sec23/Sec24复合物、Sec13/31复合物以及大的纤维蛋白Sec16组成（首先在酵母细胞中被鉴定，哺乳细胞也有同源物）；功能：负责内质网高尔基体的物质运输(顺向运输）。Sar1：GTPase超家族成员，通过结合GDP和GTP起分子开关调控作用；Sar1：GTPase超家族成员，通过结合GDP和GTP起分子开关调控作用；Sec12：鸟苷酸交换因子；催化Sar1结合GTP而暴露出疏水N端并插入ER膜，膜结合的Sar1对包被蛋白的进一步装配起募集者的作用；Sec13和Sec31具有自组装形成网格结构的特点，起骨架的作用。Sec23亚基促进GTP被Sar1水解，Sar1-GDP释放，引发包被去装配而解聚。Vesiculartubularclusters三、COPI包被小泡的装配与运输组成：COPI包被含有7种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于ARF－GTP结合蛋白.作用：负责从高尔基体反面膜囊高尔基体顺面膜囊以及高尔基体顺面网状区内质网的膜泡运输运输物质包括：再循环的膜脂双层、内质网驻留的可溶性蛋白及膜蛋白，是内质网回收错误分选的逃逸蛋白的重要途径图8-12不同类型的膜泡运输细胞器中蛋白质的维持：1、转运膜泡将驻留蛋白排斥在外；2、回收四、网格蛋白包被小泡的装配与运输组成①负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体或溶酶体、液泡运输；②在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜细胞质胞内体溶酶体。高尔基体TGN和质膜是网格蛋白包被小泡形成的发源地。TheAssemblyofaClathrinCoatDrivesVesicleFormationFigure13-7a,bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure13-7c,dMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure13-66bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure13-74MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)五、转运膜泡在细胞质中的运输由马达蛋白驱动沿微管进行移动马达蛋白水解ATP，将化学能转化成机械能提供能量EndosomaltransportalongmicrotubulesKinesinproteinwalkingonmicrotubulemoleculardyneinmotor六、运转膜泡与靶膜的锚定与融合1.膜泡融合是特异性的选择性融合2.选择性融合基础在于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相互作用.包括转运、锚定和融合等过程。其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是Rabs和SNAREs.Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜(锚定),SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合，。Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜(锚定)Rab属于单体GTP酶，结构类似于Ras，已知30余种。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。结合GDP失活，位于细胞之中，结合GTP激活，结合到运输小泡膜上，调节SNAREs复合体的形成。Rabs还有许多效应因子（effector），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜。Table13-1MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。v-SNAREs和t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体，并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合图8-14在供体膜和靶膜之间膜泡的锚定与融合模式图解RabProteinsHelpEnsuretheSpecificityofVesicleDockingApostulatedroleofRabproteinsinfacilitatingthedockingoftransportvesiclesInteractingSNAREsNeedToBePriedApartBeforeTheyCanFunctionAgainNSF——融合蛋白敏感因子Figure13-19bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)2013诺贝尔生理学或医学奖得主三位科学家：Rothman,Schekman和Südhof揭示了细胞内输运体系的精细结构和控制机制。这一系统的失稳将导致有害结果，如神经系统疾病，糖尿病或免疫系统紊乱。细胞结构体系的组装各种生物大分子到底如何组装成有功能的细胞结构和组织是当前细胞生物学所要研究的基本问题。由生物分子向复杂的结构体系组装分为:自体组装:组装的信息存在于组装亚基本身,但不排除组装的环境,例如pH,离子浓度等。协助组装:除组装的亚基外，还需要其它物质的帮助。例如T4此菌体的组装需要一种支架蛋白，组装完成后脱离。直接组装:将亚基直接组装到预先形成的结构上。例如细胞质膜组分的组装。随着分子生物学研究的深入，人们更多地注意反应复合物的组装及其在生命活动中的作用。如DNA复制的引发体（primosome）、RNA加工时形成的剪接体（splicesome）等都是蛋白质组装成的反应复合物。Bilayerformationthroughmolecularself-assembly