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 1）信号假说（Signal hypothesis）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。因此获因此获19991999年诺贝尔生理医学年诺贝尔生理医学奖。奖。 （一）信号假说 信号肽（signal peptide），又称开始转移序列。位于蛋白质端，由1626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： 作为信号被SRP识别； 起始穿膜转运的作用信号肽的一级结构序列、蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分 信号识别颗粒（signal recognition particle，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7S RNA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docking protein，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（internal stop-transfer anchor sequence,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（inter signal anchor sequence,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：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（ start transfer sequence） 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（internal stop-transfer anchor sequence, STA） 内在信号锚定序列（inter signal anchor sequence,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（cotranslational translocation)。 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 核糖体组装、细胞质中翻译起始,形成信号肽； 信号肽与SRP结合，肽链合成暂时停止； SRP与受体结合，核糖体附着到内质网的易位子上； SRP释放与易位子通道打开； 信号肽被信号肽酶切除; 肽链开始延伸并不断向内腔运输（共转运）； 核糖体大小亚基解离，肽链延伸终止; 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：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。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。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（leader peptide）: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-translational translocation）：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（signal sequence）：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（signal patch）：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+H 3N-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+H 3N-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（transmembrane transport）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（vesicular transport）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（gated transport） 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（molecular chaperon）：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（heat shock protein, 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：含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸（精氨酸）；含较高羟基氨基酸（丝氨酸）；不含带负电荷的酸性氨基酸；可形成既具亲水性又具疏水性的螺旋结构。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 、 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 。、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-binding protein)； 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(escaped proteins）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） 。、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