第八蛋白分選與膜泡運輸

1、第八章第八章2021-11-272教學(xué)安排 計劃學(xué)時：2學(xué)時 主要內(nèi)容： 蛋白分選p 信號肽學(xué)說p 蛋白分選的基本途徑與類型p 跨膜轉(zhuǎn)運 膜泡運輸p 膜泡的裝配與運輸p 膜泡的錨定與融合 講授重點：信號肽學(xué)說2021-11-273n蛋白質(zhì)的分選（蛋白質(zhì)的分選（protein sorting）：又稱蛋白質(zhì)的定向：又稱蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運（轉(zhuǎn)運（protein targeting），指絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)均在，指絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)均在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的核糖體上開始合成，然后轉(zhuǎn)運到細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的核糖體上開始合成，然后轉(zhuǎn)運到細(xì)胞的特定部位，裝配成結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合體，才能參與細(xì)胞特定部位，裝配成結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合

2、體，才能參與細(xì)胞的生命活動這一過程。的生命活動這一過程。2021-11-2741 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選 細(xì)胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)之所以能夠細(xì)胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)之所以能夠定向的轉(zhuǎn)運到特定的細(xì)胞器取決于兩個方面：定向的轉(zhuǎn)運到特定的細(xì)胞器取決于兩個方面： 蛋白質(zhì)中包含特殊的信號序列信號序列（signal sequence） 細(xì)胞器上具特定的信號識別裝置識別裝置（分選受體，sorting receptor）2021-11-275一、信號肽(Signal peptide) George Palade 發(fā)現(xiàn)游離核糖體合成非分泌蛋白，RER核糖體合成分泌蛋白 1975，Blobel and S

3、abatini 提出信號肽學(xué)說 體外翻譯-轉(zhuǎn)運系統(tǒng)獲得相關(guān)證據(jù) 1999，Blobel獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎2021-11-276 信號序列（signal sequence） N-端16-26個氨基酸殘基 無特異性 信號斑（signal patch） 存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中 構(gòu)成信號斑的信號序列之間可以不相鄰一、信號肽(Signal peptide)2021-11-277signal sequence and signal patch2021-11-278一、信號肽(Signal peptide) 信號識別顆粒（signal recognition particle, SRP） 位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)

4、 是核糖核蛋白復(fù)合體 與信號肽及核糖體結(jié)合 信號識別顆粒受體/停泊蛋白（Docking protein, DP） 存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中 構(gòu)成信號斑的信號序列之間可以不相鄰 1975年Blobel和sabatini等提出了信號假說信號假說（signal hypothesis），即分泌性分泌性蛋蛋白白N端作為序列信號肽端作為序列信號肽（signal sequence或signal peptide），指導(dǎo)分泌性蛋指導(dǎo)分泌性蛋白到白到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成，在蛋白合成結(jié)束前上合成，在蛋白合成結(jié)束前信號肽被切除信號肽被切除。信號識別顆粒信號識別顆粒(SRP)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的信號識別顆粒的和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的

5、信號識別顆粒的受體受體（停泊蛋白（停泊蛋白,DP）等因子協(xié)助完成這一）等因子協(xié)助完成這一過程。過程。一些典型的分選信號一些典型的分選信號功能功能信號序列信號序列輸入細(xì)胞核輸入細(xì)胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val- 脯脯-脯脯-賴賴-賴賴-賴賴-精精-賴賴-纈纈輸出細(xì)胞核輸出細(xì)胞核-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-輸入線粒體輸入線粒體+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg

6、-Tyr-Leu-Leu-輸入質(zhì)體輸入質(zhì)體+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-輸入過氧化物酶體輸入過氧化物酶體-Ser-Lys-Leu-COO-輸入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)輸入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-

7、Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys- Glu-Val-Phe-Gln-返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL）由質(zhì)膜到內(nèi)體由質(zhì)膜到內(nèi)體Tyr-X-X-信號序列（信號序列（signal sequence）：存在于蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)上）：存在于蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)上的線性序列，通常由的線性序列，通常由15-60個氨基酸殘基組成，有些信號序個氨基酸殘基組成，有些信號序列在完成蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)移后被信號肽酶（列在完成蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)移后被信號肽酶（ signal peptidase）切除；通常信號序列對所引導(dǎo)的蛋白質(zhì)沒有特）切除；通常信號序列對所引導(dǎo)的蛋

8、白質(zhì)沒有特異性要求。異性要求。信號斑（信號斑（signal patch）：存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中，構(gòu)）：存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中，構(gòu)成信號斑的信號序列之間成信號斑的信號序列之間可以不相鄰可以不相鄰，折疊在一起構(gòu)成蛋白折疊在一起構(gòu)成蛋白質(zhì)分選的信號質(zhì)分選的信號。每一種信號序列決定特殊的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運方向。每一種信號序列決定特殊的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運方向。 分泌性蛋白分泌性蛋白N N端序列為信號肽，指導(dǎo)分泌蛋白到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，在蛋端序列為信號肽，指導(dǎo)分泌蛋白到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，在蛋白合成結(jié)束之前信號肽被切除。白合成結(jié)束之前信號肽被切除。信號識別顆粒信號識別顆粒和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的信號識和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的信號識別別顆粒的受體

9、顆粒的受體（停泊蛋白）等因子協(xié)助完成這一過程。（停泊蛋白）等因子協(xié)助完成這一過程。信號識別顆粒的受體信號識別顆粒的受體信號識別顆粒2021-11-2713二、蛋白分選轉(zhuǎn)運的基本途徑與類型核基因編碼蛋白分選基本途徑：核基因編碼蛋白分選基本途徑： 后翻譯轉(zhuǎn)運途徑(post-translational translocation) 在游離核糖體上合成 靶區(qū)：線粒體、過氧化物酶體、細(xì)胞核、細(xì)胞基質(zhì)或骨架 共翻譯轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(co-translational translocation) 在游離核糖上起始合成 SRP引導(dǎo)轉(zhuǎn)運到RER 邊合成，邊轉(zhuǎn)運 靶區(qū)：細(xì)胞質(zhì)膜及細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)（二）信號肽與共翻譯（二）信號

10、肽與共翻譯 肽鏈邊合成邊轉(zhuǎn)移肽鏈邊合成邊轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的方式稱為的方式稱為共轉(zhuǎn)移共轉(zhuǎn)移。 跨膜蛋白的跨膜蛋白的起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列 起始轉(zhuǎn)移序列起始轉(zhuǎn)移序列：蛋白質(zhì)氨基末端的信號序列除作為信號：蛋白質(zhì)氨基末端的信號序列除作為信號被被SRP識別外，還具有起始穿膜轉(zhuǎn)移的作用。識別外，還具有起始穿膜轉(zhuǎn)移的作用。 停止轉(zhuǎn)移序列停止轉(zhuǎn)移序列：肽鏈中還有某些序列與肽鏈中還有某些序列與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜具有很具有很強(qiáng)的親合力而結(jié)合在脂雙層之中，強(qiáng)的親合力而結(jié)合在脂雙層之中，能能阻止阻止肽鏈繼續(xù)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)肽鏈繼續(xù)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，使其成為網(wǎng)腔，使其成為跨膜蛋白質(zhì)跨膜蛋白質(zhì)

11、，稱為停止轉(zhuǎn)移序列。稱為停止轉(zhuǎn)移序列。 內(nèi)部信號序列內(nèi)部信號序列： 跨膜蛋白的跨膜蛋白的類型類型及其取向及其取向起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列的數(shù)目決定多肽跨膜次數(shù)起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列的數(shù)目決定多肽跨膜次數(shù)2021-11-27152021-11-2716二、蛋白分選轉(zhuǎn)運的基本途徑與類型蛋白分選的轉(zhuǎn)運方式或機(jī)制分蛋白分選的轉(zhuǎn)運方式或機(jī)制分4類：類： 跨膜轉(zhuǎn)運（transmembrane transport） 膜泡運輸（vesicular transport） 門控運輸（gated transport）：通過核孔復(fù)合體運輸 基質(zhì)中的蛋白轉(zhuǎn)運2021-11-2717三、跨膜轉(zhuǎn)運（transmemb

12、rane transport） 跨內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜轉(zhuǎn)運 跨線粒體膜轉(zhuǎn)運 跨過氧化物酶體膜轉(zhuǎn)運2021-11-2718n膜泡運輸是蛋白分選的一種特有方式n膜泡運輸還形成了細(xì)胞內(nèi)膜脂流動(membrane flow)n轉(zhuǎn)運膜泡出芽發(fā)生在特定區(qū)域：蛋白信號與受體結(jié)合部位蛋白信號與受體結(jié)合部位n轉(zhuǎn)運泡在細(xì)胞內(nèi)沿微管或微絲運輸：膜泡運輸有關(guān)的馬達(dá)蛋白有3類n動力蛋白（dynein）：趨向微管負(fù)端n驅(qū)動蛋白（kinesin）：趨向微管正端n肌球蛋白（myosin）：趨向微絲的正極2 細(xì)胞內(nèi)膜泡運輸2021-11-27192021-11-2720一、衣/包被類型n已知三類：p籠形/網(wǎng)格蛋白(clathrin)pCO

13、PI(coat protein I)pCOPII(coat protein II)n主要作用：p選擇性的將特定蛋白聚集在一起，形成運輸小泡p如同模具一樣決定運輸小泡的外部特征2021-11-2721三種包被小泡的功能包被類型GTP酶組成與銜接蛋白運輸方向clathrin無ARFClathrin重鏈與輕鏈，AP2質(zhì)膜內(nèi)體Clathrin重鏈與輕鏈，AP1高爾基體內(nèi)體Clathrin重鏈與輕鏈，AP3高爾基體溶酶體，植物液泡COP IARFCOP高爾基體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)COP IISar 1Sec23/Sec24復(fù)合體，Sec 13/31復(fù)合體，Sec 16內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體2021-11-2722（一）網(wǎng)格/

14、籠形蛋白衣被小泡n運輸途徑：質(zhì)膜內(nèi)體；高爾基體內(nèi)體；高爾基體溶酶體、植物液泡。n網(wǎng)格結(jié)構(gòu)：3重鏈、3輕鏈，形如triskelion，clathrin 的曲臂交織在一起，形成5邊形網(wǎng)孔的籠子n銜接蛋白：連接包被與受體。 2021-11-2723Clathrin coated vesicles2021-11-2724Selective transport by clathrin coated vesicles2021-11-2725n當(dāng)衣被小泡形成時，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈圍繞在芽的柄部，使柄部的膜盡可能地拉近（小于1.5nm），導(dǎo)致膜融合，pinch off衣被小泡。 2021-11

15、-2726（二）COP I衣被小泡n功能：回收、轉(zhuǎn)運內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白（escaped proteins）返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；也可介導(dǎo)高爾基體不同區(qū)域間的蛋白質(zhì)運輸。 n組成：由7種蛋白組成。n回收信號：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。2021-11-2727COP I Vesicles2021-11-2728Cop I and II Vesicles2021-11-2729Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）2021-11-2730（三）COP衣被小泡n介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸。形成于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出口位點，該處無核糖體。n主要亞基：Sar1GTP、Sec23/Sec24、Sec13/S

16、ec31。n多數(shù)跨膜蛋白直接與COP II結(jié)合，少數(shù)跨膜蛋白和多數(shù)可溶性蛋白通過受體與COP II結(jié)合。n分選信號：位于跨膜蛋白胞質(zhì)面，形式多樣，常包含雙酸性基序DEXDE ，如Asp-X-Glu。2021-11-2731COP II Vesicles2021-11-2732COPII Coated vesicle2021-11-2733二、衣被形成n衣被召集GTP酶：為G蛋白，活化狀態(tài)可引起衣被蛋白聚集，包括ARF和SAR 1。存在于細(xì)胞質(zhì)，激活后轉(zhuǎn)位到膜上。nARF：參與clathrin和COP I衣被的形成。nSAR 1：參與COP II衣被的形成。2021-11-2734nER上形成C

17、OPII小泡時，SAR1交換GDP/GTP而激活。n激活的SAR1暴露出脂肪酸鏈尾巴，插入ER膜，促進(jìn)衣被蛋白的核化和組裝。nSAR1可激活磷脂酶D，將一些磷脂水解，使衣被蛋白牢固地結(jié)合在膜上。n當(dāng)小泡從膜上釋放后，衣被很快就解體。2021-11-2735Coat assembly2021-11-2736三、膜泡運輸?shù)亩ㄏ驒C(jī)制（一）SNAREs n功能：介導(dǎo)運輸小泡與靶膜的融合。n類型：v-SNAREs和t-SNAREs。n結(jié)構(gòu)：具有一個螺旋結(jié)構(gòu)域，相互纏繞形成跨SNAREs復(fù)合體，將小泡與靶膜拉在一起。2021-11-2737SNAREs2021-11-2738SNAREs in vesic

18、le transport2021-11-2739n神經(jīng)細(xì)胞中，SNAREs負(fù)責(zé)突觸小泡的停泊和融合 。 破 傷 風(fēng) 毒 素 和 肉 毒 素 能 選 擇 性 地 降 解SNAREs，阻斷神經(jīng)傳導(dǎo)。n病毒融合蛋白的工作原理與SNAREs相似，介導(dǎo)病毒與宿主質(zhì)膜的融合。 2021-11-2740HIV fusion protein2021-11-2741（二）Rabsn也叫targeting GTPase，屬于G蛋白，起分子開關(guān)作用。已知30余種，不同膜上具有不同的Rabs。nRabs促進(jìn)和調(diào)節(jié)運輸小泡的停泊和融合。nRabs還有許多效應(yīng)因子，幫助運輸小泡聚集和靠近靶膜，觸發(fā)SNAREs抑制因子。

19、2021-11-2742Rabs in docking2021-11-2743復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題1. 名詞解釋：名詞解釋： 信號肽；共翻譯轉(zhuǎn)運；后翻譯轉(zhuǎn)運信號肽；共翻譯轉(zhuǎn)運；后翻譯轉(zhuǎn)運2. 什么是分泌性蛋白合成的信號肽學(xué)說？涉及哪些組分？各什么是分泌性蛋白合成的信號肽學(xué)說？涉及哪些組分？各組分間是如何協(xié)同的？組分間是如何協(xié)同的？3. 蛋白分選轉(zhuǎn)運的方式有哪幾類？蛋白分選轉(zhuǎn)運的方式有哪幾類？4. 轉(zhuǎn)運膜泡在細(xì)胞內(nèi)運輸?shù)能壍烙心男颗c之相關(guān)的馬達(dá)蛋轉(zhuǎn)運膜泡在細(xì)胞內(nèi)運輸?shù)能壍烙心男颗c之相關(guān)的馬達(dá)蛋白有哪些？白有哪些？5. 包被蛋白主要有哪幾種？其主要作用是什么？包被蛋白主要有哪幾種？其主要作用是

20、什么？ 6. 三種包被小泡各自介導(dǎo)哪些運輸方向？三種包被小泡各自介導(dǎo)哪些運輸方向？7. SNAREs 主要功能是什么？主要有哪幾種類型？2021-11-2744 在游離核糖體上起始合成在游離核糖體上起始合成 SRPSRP結(jié)合信號肽后暫停翻譯結(jié)合信號肽后暫停翻譯 SRPSRP與與RERRER上的上的DPDP結(jié)合結(jié)合 信號肽與移位子結(jié)合，打開孔道信號肽與移位子結(jié)合，打開孔道 SRPSRP脫離，肽鏈合成重啟脫離，肽鏈合成重啟 信號肽被切除、降解信號肽被切除、降解 肽鏈合成終止，核糖體釋放，肽鏈折疊肽鏈合成終止，核糖體釋放，肽鏈折疊（一）蛋白向RER跨膜轉(zhuǎn)運2021-11-2745開始轉(zhuǎn)移序列開始轉(zhuǎn)移

21、序列(start transfer sequence)停止轉(zhuǎn)移錨定序列停止轉(zhuǎn)移錨定序列(internal stop-transfer anchor sequence,STA)內(nèi)在信號錨定序列內(nèi)在信號錨定序列(internal signal-anchor sequence, SA)ER膜整合蛋白的拓?fù)鋵W(xué)類型2021-11-2746（二）線粒體蛋白質(zhì)的跨膜運送核基因編碼的線粒體蛋白的合成和輸入大體上要涉及到4個步驟：p 在細(xì)胞質(zhì)溶質(zhì)中合成多肽前體物p 前體物和細(xì)胞器表面的受體結(jié)合p 穿過并移進(jìn)細(xì)胞器膜p 前體物被加工成成熟多肽2021-11-2747 含有較為豐富含有較為豐富的帶正電荷的的帶正電荷

22、的堿性氨基酸堿性氨基酸( (特別是精氨酸特別是精氨酸) )，穿插在不帶電荷的氨基酸序列之間，對牽引蛋白質(zhì)跨膜具穿插在不帶電荷的氨基酸序列之間，對牽引蛋白質(zhì)跨膜具有重要作用有重要作用 基本不含帶負(fù)電荷的酸性氨基酸基本不含帶負(fù)電荷的酸性氨基酸 序列中序列中羥基氨基酸羥基氨基酸( (尤其是絲氨酸尤其是絲氨酸) )的含量較高的含量較高 整個前導(dǎo)序列可形成既具親水性又具疏水性的整個前導(dǎo)序列可形成既具親水性又具疏水性的兩性兩性 - -螺螺旋旋 憑藉憑藉外正內(nèi)負(fù)的膜電位外正內(nèi)負(fù)的膜電位，使前導(dǎo)肽及其所牽引的蛋白質(zhì)得，使前導(dǎo)肽及其所牽引的蛋白質(zhì)得以順利過膜以順利過膜線粒體前導(dǎo)序列的特點：2021-11-274

23、8線粒體蛋白質(zhì)特有的導(dǎo)肽序列線粒體蛋白質(zhì)特有的導(dǎo)肽序列(a) 導(dǎo)肽的線性序列；導(dǎo)肽的線性序列；(b) 導(dǎo)肽的折疊后的氨基酸殘基的分布圖導(dǎo)肽的折疊后的氨基酸殘基的分布圖2021-11-2749import receptorTOM20/22線粒體內(nèi)、外膜線粒體內(nèi)、外膜接觸部位電鏡圖接觸部位電鏡圖2021-11-2750靶向線粒體基質(zhì)的跨膜運送2021-11-2751靶向線粒體膜間隙的跨膜運送 途徑A是主要的 注意與內(nèi)膜蛋白途徑A不同點2021-11-2752二次穿膜蛋白二次穿膜蛋白 肽肽鏈含有基質(zhì)定位序列鏈含有基質(zhì)定位序列和和2段內(nèi)部疏水區(qū)段內(nèi)部疏水區(qū)(Oxl 1定位序列定位序列)，肽鏈進(jìn)，肽鏈進(jìn)入基質(zhì)后，基質(zhì)定位入基質(zhì)后，基質(zhì)定位區(qū)被切除。區(qū)被切除。Oxl 1疏水疏水區(qū)被內(nèi)膜中的區(qū)被內(nèi)膜中的Oxa 1蛋白所識別，并將蛋蛋白所識別，并將蛋白質(zhì)插入脂雙層中。白質(zhì)插入脂雙層中。多次穿膜蛋白多次穿膜蛋白 這類蛋白質(zhì)這類蛋白質(zhì)N末端沒末端沒有有基質(zhì)定位序列基質(zhì)定位序列，而，而肽鏈內(nèi)部含有多個肽鏈內(nèi)部含有多個定位序列定位序列。如。如ADP/ATP對向轉(zhuǎn)運體對向轉(zhuǎn)運體(antiporter)，此蛋白含有，此蛋白含有6個穿膜區(qū)為個穿膜區(qū)為定位序