1、第8章 蛋白质分选与膜泡运输,本章主要内容,细胞内蛋白质分选细胞内膜泡运输,http:/www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2013/,James E. Rothman Randy W. Schekman Thomas C. Sdhof,Prize motivation: “for their discoveries of machinery regulating vesicle traffic, a major transport system in our cells“,2013 Nobel Prize in Physiol
2、ogy and Medicine,第一节 细胞内蛋白质的分选,真核细胞中绝大多数蛋白质都是由核基因编码,在游离核糖体上起始合成,一、信号假说与蛋白质分选信号,1999 年诺贝尔生理学或医学奖,发现蛋白质由内部信号决定其在细胞内的转移和定位,1. 信号假说,信号肽(signal peptide) 信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP) 信号识别颗粒的受体(又称停泊蛋白,docking protein,DP),(1)信号肽(signal peptide),位于蛋白质的N 端,一般由1626 个残基组成 包括疏水核心区、信号肽的C 端和N 端等3 部分 原核细
3、胞某些分泌性蛋白的N 端也具有信号序列,信号肽的一级结构序列,信号肽似乎没有严格的专一性,(2)信号识别颗粒(SRP),由6 种不同的蛋白质和一个由300 个核苷酸组成的 7S RNA 结合组成的一种核糖核蛋白复合体,蛋白质翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系,体外非细胞系统(cell free system)进行蛋白质合成实验,证实分泌性蛋白向rER(微粒体)腔内的转运是同蛋白质翻译过程偶联进行的,这种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 (cotranslational translocation),(3)分泌性蛋白的合成与其共翻译转运,分泌性蛋白的合成与其跨越内质网
4、膜的共翻译转运图解 图示信号肽、SRP、DP 及移位子之间的相互作用,(3)分泌性蛋白的合成与其共翻译转运,(3)分泌性蛋白的合成与其共翻译转运,(4)膜整合蛋白的信号序列,开始转移序列(start transfer sequence) 内在停止转移锚定序列(internal stop-transfer anchor sequence, STA) 内在信号锚定序列(internal signal anchor sequence, SA),内质网膜整合蛋白的拓扑学类型,2. 蛋白质分选信号序列,信号肽与信号斑,二、蛋白质分选转运的基本途径与类型,途径 (1)后翻译转运途径 (2)共翻译转运途径
5、类型 (1)蛋白质的跨膜转运 (2)膜泡运输 (3)选择性的门控转运 (4)细胞质基质中蛋白质的转运,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,(一)蛋白质从细胞质基质输入到线粒体,蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质 蛋白质从细胞质基质输入到线粒体内膜 蛋白质从细胞质基质输入到 线粒体膜间隙,蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质 线粒体蛋白通过3 种途径从细胞质基质输入到线粒体内膜 线粒体蛋白通过两种途径从细 胞质基质输入到线粒体膜间隙,核基因编码的线粒体蛋白的转运,(二)叶绿体基质蛋白与类囊体蛋白的靶向输入,外膜蛋白 内膜蛋白 叶绿体基质蛋白 类囊体膜
6、蛋白 类囊体腔蛋白,叶绿体蛋白从 细胞质基质输入到类囊体腔,(三)过氧化物酶体蛋白的分选,C端SKL(Ser-Lys-Leu)靶向序列 可溶性细胞质受体 过氧化物酶体膜受体 信号序列不被切除 ATP水解(?),第二节 细胞内膜泡运输,膜流(membrane flow),一、膜泡运输概观,1. 蛋白质在rER 合成,通过共翻译转运途径跨膜运输 2. 内质网出芽,形成转运膜泡并与高尔基体融合 3. 从高尔基体顺面膜囊和高尔基体顺面网状结构到rER的逆向运输 4. 高尔基体膜囊从顺面反面成熟递进(非膜泡过程) 5. 从高尔基体后期膜囊早期膜囊的逆向运输 6. 组成型分泌 7. 调节型分泌 8. 分选
7、到溶酶体 9. 胞吞途径,蛋白质的分泌与胞吞途径概观,三种包被的膜泡,COP(coat protein ) 包被膜泡 COP(coat protein)包被膜泡 网格蛋白/ 接头蛋白(clathrin/ adaptor protein)包被膜泡,三种包被膜泡特征比较,二、COP 包被膜泡的装配与运输,COP包被蛋白组分 小分子GTP 结合蛋白Sar1 Sec23/Sec24 复合物 Sec13/Sec31 复合物 大的纤维蛋白Sec16,细胞质中可溶性 Sar1- GDP 与ER 膜蛋白Sec12(鸟苷酸交换因子)相互作用, 催化GTP 置换GDP 形成Sar1-GTP,GTP 的结合引发 S
8、ar1 构象改变暴露出疏水N 端并插入ER 膜,膜结合Sar1 对包被蛋白进一步装配起募集者作用,小分子GTP 结合蛋白Sar1,1. Sar1与膜结合GTP交换 2. COP包被装配 3. GTP水解 4. COP包被去装配,Sar1 蛋白在Cop包被膜泡装配与去装配中作用,在内质网与高尔基体之间,分别由COP和COP膜泡介导蛋白质顺向和逆向转运,不同类型的膜泡运输,KDEL 受体在从高尔基体回收内质网腔驻留蛋白中的作用,不同类型的膜泡运输,在供体膜内质网出芽及其转运蛋白的包装示意图,不同类型的膜泡运输,三、COP 包被膜泡的装配与运输,COP包被含有7 种不同的蛋白质亚基和一种调节膜泡转运
9、的 GTP 结合蛋白ARF。ARF 也是一种结合 GDP/GTP 转换的分子开关调控蛋白。包被蛋白复合物 的装配与去装配依赖于ARF 所结合的核苷酸交换与水解过程,KDEL 的受体主要定位在高尔基体TGN 区、COP和COP包被膜泡的膜上,它们能识别并 结合KDEL 分选信号。如果在内质网发 生错误包装和转运,由于COP膜泡上也有KDEL 受体,所以也能保证逃逸蛋白被内质网回收,KDEL 的受体,四、网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的装配与运输,网格蛋白/ 接头蛋白包被膜泡介导的蛋白质分选途径 从高尔基体TGN向胞内体或向溶酶体、 黑(色)素体、血小板囊泡和液泡的运输 受体介导的胞吞途径中负责将物质
10、从细胞表面运往胞内体转而到溶酶体的运输,网格蛋白及其包被膜泡的形成,五、转运膜泡与靶膜的锚定与融合, 供体膜的出芽、装配和断裂,形成不同的包被转运膜泡 在细胞内由马达蛋白驱动、以微管为轨道的膜泡运输 转运膜泡与特定靶膜的锚定和融合,过 程,胞质中Rab 蛋白在特异性鸟苷酸交换因子(GEF)催化下,Rab-GDP 转换为Rab-GTP,构象改变致使其通过类异戊二烯基团插入转运膜泡表面,与靶膜上Rab 效应器结合蛋白相互作用,从而使转运膜泡被锚定在靶膜上,Rab 蛋白参与膜泡的锚定,供体膜和靶膜之间膜泡的锚定与融合模式,六、细胞结构体系的组装,生物大分子的组装方式 自我装配(selfassembly) 协助装配(aided-assembly) 直接装配 (direct-assembly) 细胞结构及结构体系之间的组装,六、细胞结构体系的组装,装配的生物学意义 减少和校正蛋白质合成中出现的错误 可大大减少所需的遗传物质信息量 通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程,本章小结,蛋白质分选信号 信号假说 细胞内蛋白质分选的途径与类型 膜泡运输,Thank you!,