第8章-蛋白質(zhì)分選

1、INTRACELLULAR COMPARTMENT AND PROTEINS SORTING第八章細胞內(nèi)功能區(qū)隔與蛋白質(zhì)分選第一節(jié) 蛋白質(zhì)分選的基本原理第二節(jié) 膜泡運輸?shù)谝还?jié) 蛋白質(zhì)分選的基本原理 細胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)之所以能夠定向的轉(zhuǎn)運到特定的細胞器取決于兩個方面： 其一是蛋白質(zhì)中包含特殊的信號序列信號序列（signal sequence）。 其二是細胞器上具特定的信號識別裝置識別裝置（分選受體，sorting receptor）。一、蛋白質(zhì)分選信號 信號序列（signal sequence）：引導(dǎo)蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)移的線性序列，通常15-60個氨基酸殘基，對所引導(dǎo)的蛋白質(zhì)沒有特異性要求

2、。 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，折疊在一起構(gòu)成蛋白質(zhì)分選的信號。signal sequence and signal patch二、蛋白質(zhì)分選運輸機制 1、門控運輸（gated transport）：如通過核孔復(fù)合體的運輸。 2、跨膜運輸（transmembrane transport）：蛋白質(zhì)通過跨膜通道進入目的細胞器。 3、膜泡運輸（vesicular transport）：蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體中被包裝成衣被小泡，選擇性地運輸?shù)桨屑毎?。第二?jié) 胞內(nèi)膜泡運輸 內(nèi)膜系統(tǒng)之間的物質(zhì)傳遞常通過膜泡運輸進行。 多數(shù)運輸小泡在

3、膜的特定區(qū)域以出芽的方式產(chǎn)生。表面具有一個籠子狀的由蛋白質(zhì)構(gòu)成的衣被（coat）。衣被在運輸小泡與靶細胞器的膜融合之前解體。 衣被小泡在細胞內(nèi)沿微管或微絲運輸。 與膜泡運輸有關(guān)的馬達蛋白有3類，在這些馬達蛋白的牽引下，可將膜泡運到特定的區(qū)域。 動力蛋白（dynein），趨向微管負端； 驅(qū)動蛋白（kinesin），趨向微管正端； 肌球蛋白（myosin），趨向微絲的正極。一、衣被類型已知三類：籠形蛋白（clathrin）COPICOPII主要作用：選擇性的將特定蛋白聚集在一起，形成運輸小泡；1.如同模具一樣決定運輸小泡的外部特征。三種衣被小泡的功能衣被類型 GTP酶組成與銜接蛋白運輸方向clat

4、hrinARFClathrin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（一）籠形蛋白衣被小泡 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。 衣被結(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。 銜接蛋白：連接衣被與受體。 籠形蛋白的結(jié)構(gòu)，A電鏡照片，B分子模型，C衣被模型 Clathrin coa

5、ted vesiclesDeep-etch view of a typical clathrin latticeSelective transport by clathrin coated vesicles 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。 （二）COP I衣被小泡 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。 組成：由7種蛋白組成。 回收信號：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。COP I Ve

6、siclesCop I and II VesiclesLys-Asp-Glu-Leu（KDEL）; Lys-Lys-X-X（KKXX，X：任意氨基酸）（三）COP衣被小泡 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。 主要亞基：Sar1GTP、Sec23/Sec24、Sec13/Sec31。 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。 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。Coat assemblyCOP II Vesicles二、衣被形成 衣被召集GTP酶：為G蛋白

7、，活化狀態(tài)可引起衣被蛋白聚集，包括ARF和SAR 1。存在于細胞質(zhì)，激活后轉(zhuǎn)位到膜上。 ARF：參與clathrin和COP I衣被的形成。 SAR 1：參與COP II衣被的形成。 ER上形成COPII小泡時，SAR1交換GDP/GTP而激活。 激活的SAR1暴露出脂肪酸鏈尾巴，插入ER膜，促進衣被蛋白的組裝。 SAR1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。 當(dāng)小泡從膜上釋放后，衣被很快就解體。COPII Coated vesicle三、膜泡運輸?shù)亩ㄏ驒C制衣被小泡沿著細胞內(nèi)的微管被運輸?shù)桨屑毎鳎R達蛋白水解ATP提供運輸?shù)膭恿?。各類運輸小泡之所以能夠被準(zhǔn)確地和靶膜融合

8、，是因為運輸小泡表面的標(biāo)志蛋白能被靶膜上的受體識別，其中涉及識別過程的兩類關(guān)鍵性的蛋白質(zhì)是SNAREs（soluble NSF attachment protein receptor）和Rabs（targeting GTPase）。其中SNARE介導(dǎo)運輸小泡特異性停泊和融合，Rab的作用是使運輸小泡靠近靶膜。三、膜泡運輸?shù)亩ㄏ驒C制 （一）SNAREs (soluble NSF attachment protein receptor ) 功能：介導(dǎo)運輸小泡與靶膜的融合。 類型：v-SNAREs和t-SNAREs。 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。

9、SNAREsSNAREs in vesicle transport 在在SNAREs接到新一輪的運輸小泡停泊之前，接到新一輪的運輸小泡停泊之前，SNAREs必須以分離必須以分離的狀態(tài)存在，的狀態(tài)存在，NSF（N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein, NSF）催化）催化 SNAREs的分離，它是一種類似分子伴侶的的分離，它是一種類似分子伴侶的ATP酶，能夠利酶，能夠利用用ATP作為能量通過插入幾個適配蛋白（作為能量通過插入幾個適配蛋白（adaptor protein）將）將SNAREs復(fù)合體的螺旋纏繞分開復(fù)合體的螺旋纏繞分開 神經(jīng)細胞中，SNAREs負

10、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)。 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。 HIV fusion protein（二）Rabs 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。 Rabs促進和調(diào)節(jié)運輸小泡的停泊和融合。 Rabs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釋放它的效應(yīng)因子。許多運輸小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。 Rabs in docking四、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞 批量內(nèi)吞（Bulk-phase e

11、ndocytosis）：非特異性的攝入細胞外物質(zhì)，穴樣內(nèi)陷（caveolae）是發(fā)生批量內(nèi)吞的部位。 受體介導(dǎo)的內(nèi)吞 (receptor mediated endocytosis)是一種選擇濃縮機制。LDL、運鐵蛋白、生長因子、胰島素等都通過RME轉(zhuǎn)運。 衣被小窩（coated pits）是質(zhì)膜內(nèi)凹的部位，相當(dāng)于分子過濾器(約占肝細胞表面積2%)。受體、籠形蛋白和銜接蛋白大量集中于此處。 受體胞質(zhì)端的Tyr-X-X-是銜接蛋白識別的信號，X為任何氨基酸，為分子較大的疏水氨基酸(如Phe、Leu、Met)。 受體同配體結(jié)合后啟動內(nèi)化作用，衣被開始組裝。 低密脂蛋白的吸收： 膽固醇主要在肝細胞中合

12、成，隨后與磷脂和蛋白質(zhì)形成低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL）釋放到血液。 LDL顆粒芯部含有被長鏈脂肪酸酯化的膽固醇分子。周圍由磷脂和膽固醇構(gòu)成的脂單層包圍，有一個較大的Apo-B蛋白（配體）。LDL ParticleLDL endocytosis 細胞需要膽固醇時，合成LDL跨膜受體蛋白。 受體與LDL顆粒結(jié)合后，形成衣被小泡； 進入細胞質(zhì)的小泡隨即脫掉衣被，成為平滑小泡，同早期內(nèi)體融合，內(nèi)體中PH值低，使受體與LDL顆粒分離；再經(jīng)晚期內(nèi)體將LDL送人溶酶體。 在溶酶體中，LDL被水解成游離的膽固醇。The receptor-mediated endocy

13、tosis of LDLLDL Endocytosis 受體回收途徑： 大部分返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域，如LDL受體； 有些進入溶酶體被消化，如EGF的受體，稱為受體下行調(diào)節(jié)（receptor down-regulation）； 有些被運至質(zhì)膜不同的結(jié)構(gòu)域，形成穿胞運輸（transcytosis）。Transcytosis五、外排作用組成型外排途徑組成型外排途徑：所有真核細胞都有從高爾基體：所有真核細胞都有從高爾基體TGN區(qū)分泌囊泡向質(zhì)膜運輸區(qū)分泌囊泡向質(zhì)膜運輸?shù)倪^程，其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成質(zhì)膜外周蛋白、細胞外基質(zhì)、的過程，其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成質(zhì)膜外周蛋白、細胞外基質(zhì)、或作為

14、營養(yǎng)成分和信號分子?；蜃鳛闋I養(yǎng)成分和信號分子。在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成的蛋白質(zhì)除了某些有特殊標(biāo)志的蛋白駐留在在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成的蛋白質(zhì)除了某些有特殊標(biāo)志的蛋白駐留在ER或高爾基或高爾基體中或選擇性地進入溶酶體和調(diào)節(jié)性分泌泡外，其余的蛋白均沿著粗面內(nèi)質(zhì)體中或選擇性地進入溶酶體和調(diào)節(jié)性分泌泡外，其余的蛋白均沿著粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)網(wǎng)高爾基體高爾基體分泌泡分泌泡細胞表面這一途徑完成其轉(zhuǎn)運過程。細胞表面這一途徑完成其轉(zhuǎn)運過程。調(diào)節(jié)型外排途徑調(diào)節(jié)型外排途徑：分泌細胞產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）儲存在：分泌細胞產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）儲存在分泌泡內(nèi)，當(dāng)細胞在受到胞外信號刺激時，分泌泡與質(zhì)膜融合并將內(nèi)含

15、物釋分泌泡內(nèi)，當(dāng)細胞在受到胞外信號刺激時，分泌泡與質(zhì)膜融合并將內(nèi)含物釋放出去。調(diào)節(jié)型的外排途徑存在于特化的分泌細胞。放出去。調(diào)節(jié)型的外排途徑存在于特化的分泌細胞。其蛋白分選信號存在其蛋白分選信號存在于蛋白本身，由高爾基體于蛋白本身，由高爾基體TGN上特殊的受體選擇性地包裝為運輸小泡。上特殊的受體選擇性地包裝為運輸小泡。The constitutive and regulated secretory pathways第三節(jié) 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) Porter等于1945年發(fā)現(xiàn)于培養(yǎng)的小鼠成纖維細胞，因最初看到的是位于細胞質(zhì)內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故名endoplasmic reticulum，ER。一、形態(tài)與組成 約

16、占細胞總膜面積的一半，是封閉的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 分為RER和SER。 RER呈扁平囊狀，排列整齊，有核糖體附著。 SER呈分支管狀或小泡狀，無核糖體附著。 細胞不含純粹的RER或SER，它們分別是ER連續(xù)結(jié)構(gòu)的一部分。 RERSER 膜含60%的蛋白和40%的脂類，PC含量較高，SM含量較少，沒有或很少含膽固醇。 約30多種膜結(jié)合蛋白，另有30多種位于ER網(wǎng)腔。 葡糖-6-磷酸酶是ER標(biāo)志酶，核糖體結(jié)合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。 二、ER的功能（一）蛋白質(zhì)合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白主要有：向細胞外分泌的蛋白、如抗體、激素；膜的整合蛋白；需要與其它細胞組分嚴(yán)格分開的酶，如溶酶體的各種水解酶；1. 需要進行修飾的蛋白，如糖蛋白。Blobel等（1975）提出信號假說，認為蛋白質(zhì)N端的信號肽，指導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，獲1999年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。Blobel with members of his laboratoryGnter Blobel蛋白