細(xì)胞生物學(xué)翟中和編 第8章 蛋白質(zhì)分選與膜泡運(yùn)輸

1、翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第第8 8章章 蛋白質(zhì)分選與膜泡運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)分選與膜泡運(yùn)輸Protein Sorting and Membrane Trafficking本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容l 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選信號假說與蛋白質(zhì)分選信號信號假說與蛋白質(zhì)分選信號蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)的基本途徑與類型蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)的基本途徑與類型l 細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸COPCOP包被膜泡的裝配與運(yùn)輸包被膜泡的裝配與運(yùn)輸COPCOP包被膜泡的裝配與運(yùn)輸包被膜泡的裝配與運(yùn)輸網(wǎng)格蛋白網(wǎng)格蛋白/ /接頭蛋白的裝配與運(yùn)輸接頭蛋白的裝配與運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜的錨定和融合轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜的錨

2、定和融合Protein Sorting一、信號假說與蛋白質(zhì)分選信號一、信號假說與蛋白質(zhì)分選信號第一節(jié) 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選信號假說（Signal hypothesis）位于蛋白質(zhì)的位于蛋白質(zhì)的N N端，一般由端，一般由16-2616-26個(gè)殘基組個(gè)殘基組成成包括包括疏水核心區(qū)疏水核心區(qū)、C C端端和和N N端端3 3部分部分Signal peptides信號肽與信號斑信號肽與信號斑信號肽似乎沒有嚴(yán)格的專一性信號識別顆粒（SRP） 分泌性蛋白向分泌性蛋白向rER腔內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)是同蛋白質(zhì)翻譯過程腔內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)是同蛋白質(zhì)翻譯過程偶聯(lián)進(jìn)行的，這種分泌性蛋白在信號肽的引導(dǎo)下偶聯(lián)進(jìn)行的，這種分泌性蛋白在信號肽的引導(dǎo)

3、下邊翻邊翻譯邊跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)譯邊跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程稱為的過程稱為共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)（cotranslational translocation）。）。共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)分泌性蛋白的合成與其跨膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)分泌性蛋白的合成與其跨膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn) 蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的過程：蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的過程：信號肽與信號肽與SRP結(jié)合結(jié)合肽鏈延伸終止肽鏈延伸終止SRP與與受體受體(DP)結(jié)合結(jié)合SRP脫離信號肽脫離信號肽肽鏈在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)肽鏈在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上繼續(xù)合成，同時(shí)信號肽引導(dǎo)新生肽鏈進(jìn)入內(nèi)質(zhì)上繼續(xù)合成，同時(shí)信號肽引導(dǎo)新生肽鏈進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔網(wǎng)腔信號肽被切除信號肽被切除肽鏈延伸至終止肽鏈延伸至終止翻譯體翻譯體系

4、解散。系解散。 蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后再在某種信號蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后再在某種信號序列（序列（導(dǎo)肽導(dǎo)肽）的指導(dǎo)下進(jìn)入某些細(xì)胞器中，稱）的指導(dǎo)下進(jìn)入某些細(xì)胞器中，稱后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)（post translocation）。）。 蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移過程需要蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移過程需要ATP使多肽去折疊，使多肽去折疊，還需要一些蛋白質(zhì)的幫助使其能夠正確地折疊還需要一些蛋白質(zhì)的幫助使其能夠正確地折疊成有功能的蛋白。成有功能的蛋白。 例：線粒體、葉綠體、過氧化物酶體蛋白例：線粒體、葉綠體、過氧化物酶體蛋白后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)膜整合蛋白的信號序列膜整合蛋白的信號序列 開始轉(zhuǎn)移序列開始轉(zhuǎn)移序列（st

5、art transfer sequence） 內(nèi)在停止轉(zhuǎn)移錨定序列內(nèi)在停止轉(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）多肽跨膜次數(shù)的確定多肽跨膜次數(shù)的確定內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合蛋白的拓?fù)鋵W(xué)類型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合蛋白的拓?fù)鋵W(xué)類型 蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成涉及蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成涉及5種蛋白成分：種蛋白成分： 信號肽信號肽:又稱開始轉(zhuǎn)移序列又稱開始轉(zhuǎn)移序列 信號識別顆粒（信號識別顆粒（SRP） SRP受體（受體（DP） 停止轉(zhuǎn)移序列停止轉(zhuǎn)移序列 移位子移

6、位子二、蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)的基本途徑與類型 途徑途徑（1）后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑）后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑（2）共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑）共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑 類型類型（1）蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)）蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)（2）膜泡運(yùn)輸）膜泡運(yùn)輸（3）選擇性的門控轉(zhuǎn)運(yùn)）選擇性的門控轉(zhuǎn)運(yùn)（4）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)二、蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)的基本途徑與類型 轉(zhuǎn)運(yùn)類型1.門控運(yùn)輸（門控運(yùn)輸（gated transport）：）：如核孔可以選擇性的主動(dòng)運(yùn)輸大分子物質(zhì)和如核孔可以選擇性的主動(dòng)運(yùn)輸大分子物質(zhì)和RNP復(fù)復(fù)合體，并且允許小分子物質(zhì)自由進(jìn)出細(xì)胞核。合體，并且允許小分子物質(zhì)自由進(jìn)出細(xì)胞核。2.跨膜運(yùn)輸（跨膜運(yùn)輸（transme

7、mbrane transport）：）：蛋白質(zhì)通過跨膜通道進(jìn)入目的地。蛋白質(zhì)通過跨膜通道進(jìn)入目的地。3.膜泡運(yùn)輸（膜泡運(yùn)輸（vesicular transport）：）：蛋白質(zhì)被選擇性地包裝成運(yùn)輸小泡，定向轉(zhuǎn)運(yùn)到靶蛋白質(zhì)被選擇性地包裝成運(yùn)輸小泡，定向轉(zhuǎn)運(yùn)到靶細(xì)胞器。如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體的物質(zhì)運(yùn)輸、高爾基細(xì)胞器。如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體的物質(zhì)運(yùn)輸、高爾基體分泌形成溶酶體、細(xì)胞攝入某些營養(yǎng)物質(zhì)或激素體分泌形成溶酶體、細(xì)胞攝入某些營養(yǎng)物質(zhì)或激素，都屬于這種運(yùn)輸方式。，都屬于這種運(yùn)輸方式。 4.細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn):與細(xì)胞骨架密切相關(guān)與細(xì)胞骨架密切相關(guān)蛋白質(zhì)分選信號序列（一）蛋白質(zhì)從細(xì)

8、胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體 蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì) 蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體內(nèi)膜輸入到線粒體內(nèi)膜 蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體膜間隙輸入到線粒體膜間隙靶向線粒體基質(zhì)的跨膜運(yùn)送靶向線粒體基質(zhì)的跨膜運(yùn)送靶向線粒體內(nèi)膜的跨膜運(yùn)送靶向線粒體內(nèi)膜的跨膜運(yùn)送 TOM: translocon of the outer membrane Tim: translocon of the inner membrane靶向線粒體靶向線粒體膜間膜間隙的跨膜運(yùn)送隙的跨膜運(yùn)送 途徑途徑A A是主要的是主要的 注意與內(nèi)膜蛋白注意與內(nèi)膜蛋白途徑

9、途徑A A不同點(diǎn)不同點(diǎn)導(dǎo)肽轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體蛋白質(zhì)的特點(diǎn) 需要受體需要受體 從接觸點(diǎn)進(jìn)入從接觸點(diǎn)進(jìn)入 蛋白質(zhì)要蛋白質(zhì)要解折疊與重新折疊解折疊與重新折疊 需要蛋白水解酶需要蛋白水解酶 需要能量需要能量 需要分子伴侶的幫助需要分子伴侶的幫助（二）葉綠體基質(zhì)蛋白與類囊體蛋白的靶向輸入 外膜蛋白外膜蛋白 內(nèi)膜蛋白內(nèi)膜蛋白 葉綠體基質(zhì)蛋白葉綠體基質(zhì)蛋白 類囊體膜蛋白類囊體膜蛋白 類囊體腔蛋白類囊體腔蛋白葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送及組裝葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送及組裝（三）過氧化物酶體蛋白的分選 C端端SKL(Ser-Lys-Leu)靶向序列靶向序列 可溶性細(xì)胞質(zhì)受體可溶性細(xì)胞質(zhì)受體 過氧化物酶體膜受體過氧化物酶體膜受體 信號序

10、列不被切除信號序列不被切除 ATP水解水解第二節(jié) 細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸 細(xì)胞內(nèi)部內(nèi)膜系統(tǒng)各個(gè)部分之間的物質(zhì)傳遞常常細(xì)胞內(nèi)部內(nèi)膜系統(tǒng)各個(gè)部分之間的物質(zhì)傳遞常常通過膜泡運(yùn)輸方式進(jìn)行。通過膜泡運(yùn)輸方式進(jìn)行。 膜泡運(yùn)輸是一種高度有組織的定向運(yùn)輸膜泡運(yùn)輸是一種高度有組織的定向運(yùn)輸，各類運(yùn)，各類運(yùn)輸泡之所以能夠被準(zhǔn)確地運(yùn)到靶細(xì)胞器，主要是輸泡之所以能夠被準(zhǔn)確地運(yùn)到靶細(xì)胞器，主要是因?yàn)榧?xì)胞器的胞質(zhì)面具有特殊的因?yàn)榧?xì)胞器的胞質(zhì)面具有特殊的膜標(biāo)志蛋白膜標(biāo)志蛋白。 不同的膜標(biāo)志蛋白組合，決定膜的表面識別特征不同的膜標(biāo)志蛋白組合，決定膜的表面識別特征。第二節(jié) 細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸 一、膜泡運(yùn)輸概觀一、膜泡運(yùn)輸概觀1 1. .蛋

11、白質(zhì)在蛋白質(zhì)在rERrER合成，通過共翻譯轉(zhuǎn)合成，通過共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑跨膜運(yùn)輸運(yùn)途徑跨膜運(yùn)輸2 2. .內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出芽，形成轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡并與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出芽，形成轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡并與高爾基體融合高爾基體融合3 3. .從高爾基體順面膜囊和高爾基體從高爾基體順面膜囊和高爾基體順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)到順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)到rERrER的逆向運(yùn)輸?shù)哪嫦蜻\(yùn)輸4 4. .高爾基體膜囊從順面高爾基體膜囊從順面反面成熟反面成熟遞進(jìn)（非膜泡過程）遞進(jìn)（非膜泡過程）5 5. .從高爾基體后期膜囊從高爾基體后期膜囊早期膜囊早期膜囊的逆向運(yùn)輸?shù)哪嫦蜻\(yùn)輸6 6. .組成型分泌組成型分泌7 7. .調(diào)節(jié)型分泌調(diào)節(jié)型分泌8 8. .分選到溶酶體分選到溶酶體9 9

12、. .胞吞途徑胞吞途徑蛋白質(zhì)的分泌與胞吞途徑概觀蛋白質(zhì)的分泌與胞吞途徑概觀 COP（coat protein） 包被膜泡包被膜泡 COP（coat protein） 包被膜泡包被膜泡 網(wǎng)格蛋白網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白接頭蛋白（clathrin/adaptor protein） 包被膜泡包被膜泡三種膜泡運(yùn)輸方式三種膜泡運(yùn)輸方式 三種膜泡運(yùn)輸方式三種膜泡運(yùn)輸方式 二、二、COP COP 包被膜泡的裝配與運(yùn)輸包被膜泡的裝配與運(yùn)輸 COP包被蛋白組分包被蛋白組分 小分子小分子GTP 結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白Sar1 Sec23/Sec24 復(fù)合物復(fù)合物 Sec13/Sec31 復(fù)合物復(fù)合物 大的纖維蛋白大的纖維蛋白

13、Sec16 二、COPII包被膜泡的裝配與運(yùn)輸 負(fù)責(zé)從負(fù)責(zé)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體高爾基體的物質(zhì)運(yùn)輸；的物質(zhì)運(yùn)輸； COPII包被蛋白由包被蛋白由5種蛋白亞基組成：種蛋白亞基組成：Sar1、 Sec12、 Sec23/Sec24、 Sec13/Sec31、Sec16 包被蛋白的裝配是受控的；包被蛋白的裝配是受控的； COPII包被膜泡具有對轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的選擇性并使之濃縮。包被膜泡具有對轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的選擇性并使之濃縮。 COPII蛋白能識別并結(jié)合跨膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白胞質(zhì)面一端的信蛋白能識別并結(jié)合跨膜內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白胞質(zhì)面一端的信號序列（號序列（Asp-X-Glu） 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面的受體能與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面的受體能與ER腔中的可

14、溶性蛋白（如分泌蛋白腔中的可溶性蛋白（如分泌蛋白）結(jié)合。）結(jié)合。 1. Sar1與膜結(jié)合與膜結(jié)合GTP交換交換 2. COP包被裝配包被裝配 3. GTP水解水解 4. COP包被去裝配包被去裝配Sar1 蛋白在蛋白在COP包被膜泡裝配與去裝配包被膜泡裝配與去裝配三、 COP包被膜泡的裝配與運(yùn)輸 運(yùn)輸方向運(yùn)輸方向：高爾基體：高爾基體TGN面面CGN面，高爾基體面，高爾基體CGN面面ER 運(yùn)輸對象運(yùn)輸對象：負(fù)責(zé)回收、轉(zhuǎn)運(yùn)：負(fù)責(zé)回收、轉(zhuǎn)運(yùn)ER逃逸蛋白逃逸蛋白(escaped proteins），膜脂雙層），膜脂雙層 COP包被蛋白的組成：包被蛋白的組成：7種蛋白質(zhì)亞基，種蛋白質(zhì)亞基，ARF在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

15、與高爾基體之間，分別由在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體之間，分別由COP和和COP膜泡介導(dǎo)蛋白質(zhì)順向和逆向轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡介導(dǎo)蛋白質(zhì)順向和逆向轉(zhuǎn)運(yùn)不同類型的膜泡運(yùn)輸不同類型的膜泡運(yùn)輸KDEL 受體在從高爾基體回收內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔駐留蛋白中的作用受體在從高爾基體回收內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔駐留蛋白中的作用不同類型的膜泡運(yùn)輸不同類型的膜泡運(yùn)輸 細(xì)胞器中保留及回收蛋白質(zhì)的兩種機(jī)制：細(xì)胞器中保留及回收蛋白質(zhì)的兩種機(jī)制： 轉(zhuǎn)運(yùn)泡將駐留蛋白排斥在外，防止出芽轉(zhuǎn)運(yùn)；轉(zhuǎn)運(yùn)泡將駐留蛋白排斥在外，防止出芽轉(zhuǎn)運(yùn)； 通過識別駐留蛋白通過識別駐留蛋白C-端的端的回收信號回收信號(lys-asp-glu-leu，KDEL)的特異性受體，以的特異性受體，以COPI包被

16、膜泡包被膜泡的形式的形式捕獲逃逸蛋白。捕獲逃逸蛋白。 例例: 分子伴侶、分子伴侶、SRP受體受體四、網(wǎng)格蛋白四、網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的裝配與運(yùn)輸接頭蛋白包被膜泡的裝配與運(yùn)輸 運(yùn)輸途徑運(yùn)輸途徑：質(zhì)膜：質(zhì)膜內(nèi)體，高爾基體內(nèi)體，高爾基體TGNTGN內(nèi)體，內(nèi)體，高爾基體高爾基體TGNTGN溶酶體、植物液泡。溶酶體、植物液泡。 結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成：網(wǎng)格蛋白、接頭蛋白、受體膜蛋白、：網(wǎng)格蛋白、接頭蛋白、受體膜蛋白、發(fā)動(dòng)蛋白發(fā)動(dòng)蛋白 APAP一方面將網(wǎng)格蛋白網(wǎng)格包被連接到質(zhì)膜上；另一方面將網(wǎng)格蛋白網(wǎng)格包被連接到質(zhì)膜上；另一方面特異性地促使膜結(jié)合蛋白富集到形成包被一方面特異性地促使膜結(jié)合蛋白富集到形成包被

17、的膜區(qū)。的膜區(qū)。網(wǎng)格蛋白包被膜泡網(wǎng)格蛋白包被膜泡（clathrin-coated vesicle） 發(fā)動(dòng)蛋白發(fā)動(dòng)蛋白 銜接蛋白銜接蛋白Selective transport by clathrin coated vesicles五、轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜的錨定與融合五、轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜的錨定與融合 膜泡融合是特異性的膜泡融合是特異性的選擇性融合選擇性融合，從而指從而指導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)膜流的方向。導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)膜流的方向。 選擇性融合基于供體膜蛋白與受體膜蛋白選擇性融合基于供體膜蛋白與受體膜蛋白的的特異性相互作用特異性相互作用。膜泡運(yùn)輸?shù)亩ㄏ驒C(jī)制膜泡運(yùn)輸?shù)亩ㄏ驒C(jī)制（一）（一）SNAREs 功能功能：介導(dǎo)運(yùn)輸小泡與靶膜的融合。：介導(dǎo)運(yùn)輸小泡與靶膜的融合。類型類型：v-SNAREs和和t-SNAREs。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：具有一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)域，相互纏繞形成跨：具有一個(gè)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。復(fù)合體，將小泡與靶膜拉在一起。SNAREs in vesicle transport（二）（二）Rabs 也叫也叫targeting GTPase，屬于，屬于G蛋白，起分子開關(guān)蛋白，起分子開關(guān)作用。已知作用。已知30余種，不同膜上具有不同的余種，不同膜上具有不同的Rabs。 Rabs促進(jìn)和調(diào)節(jié)運(yùn)輸小泡的停泊和融合促進(jìn)和調(diào)節(jié)運(yùn)輸小泡的停泊和融合。 蛋白質(zhì)分選的兩條基本途徑：蛋白