蛋白质分选与膜泡运输

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蛋白质分选与膜泡运输

• 细胞内蛋白质分选
  • 细胞内合成的蛋白质之所以能够定向转运到特定的细胞器取决于两个方面：①蛋白质自身带有特殊的信号序列，或不同的靶向序列（targeting sequence）；②靶细胞器上具有特定的信号识别装置（分选受体sorting receptor）。所以蛋白质分选也被称为蛋白质寻靶（protein targeting）：新生肽由合成部位正确地运转到行使功能部位的过程
  • 信号假说与蛋白质分选
    • 信号假说
      • 分泌性蛋白N端的一段序列作为信号肽（signal peptide），指导分泌性蛋白质在糙面内质网上的合成，蛋 白质合成结束之前，该信号肽再被切除
    • 分泌蛋白在rER上合成的决定因素
      • 信号肽
        • 位于蛋白质的 N 端，包括疏水核心 区、信号肽 C 端、信号肽 N 端三部分
      • 信号识别颗粒
        • SRP 是一种核糖核蛋白复合体，SRP 上 有三个功能部位：号肽识别结合位点(P54)、翻译暂停结构域(P9/P14)、SRP 受体蛋白结合位点
          • SRP 能够识别刚从游离核糖体上合成出来的信号肽，并与之结合，暂时中止新生肽的合成，同时与内质网上的停泊蛋白（SRP 受体）结合，使核糖体附着到内质网膜上，并进行新生肽的转移。SRP 对正在合成的无信号肽的蛋白质无作用，这些游离核糖体也就不能附着到内质网膜上。（注意：能被 SRP 识别结合的信号序列不止单一信号肽）
      • 信号识别颗粒的受体（停泊蛋白 DP）
        • DP 是 SRP 在内质网膜上的受体蛋白，它能够与 结合有信号序列的 SRP 牢牢地结合，使正在合成蛋白质的核糖体停靠到内质网上来。
          • DP 含有两个亚基，一个亚基暴露于细胞质的亲水部分，由 640 个氨基酸组成；另一个亚基是嵌入膜内的疏水部分，由 300 个氨基酸所组成。SRP 受体蛋白 DP 除了同 SRP 结合将核糖体引导到内质网，同时，它的 α 亚基与 SRP 一起催化 GTP 水解释放能量，帮助信号肽转位
    • 共翻译转运
      • 蛋白质转入内质网合成的过程： 信号肽与 SRP 结合→肽链延伸终止→SRP 与内质网膜上受体结合→SRP 脱离信号肽→肽链在内质网上 继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔→信号肽切除→肽链延伸至终止。这种肽链边合成边向 内质网腔转移的方式称为共翻译转运（contranslational translocation）
    • 整合膜蛋白的共翻译转运
      • 开始转移序列
        • 可以打开 translocon，又可被 SRP 识别
      • 内在停止转移锚定序列
        • 一段疏水氨基酸序列
      • 内在信号锚定序列
        • 一段疏水氨基酸序列，但是又具有开始转移 序列的特征
    • 蛋白质分选信号
      • 蛋白质分子自身存在的定位序列（靶向序列），指导蛋白质转运到细胞的特定部 位。有些信号序列还可以形成三维结构的信号斑
  • 蛋白质分选的基本途径和类型
    • 基本途径
      • 共翻译转运
      • 后翻译转运
        • 多肽链在细胞质基质游离核糖体上合成，然后 转运到膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核，或者成为细胞质基质的驻留蛋白和 骨架蛋白
    • 根据蛋白质分选的转运方式或机制不同，可将蛋白质转运分为4种主要类型
      • 蛋白质的跨膜运输
        • 蛋白质跨越膜结构转运到内质网或线粒体、 叶绿体、过氧化物酶体等细胞器
      • 膜泡运输
        • 糙面内质网上合成的蛋白质，通过转运膜泡运至高尔基体， 再转运至细胞不同部位
      • 选择性门控转运
        • 细胞质中合成的蛋白质通过核孔复合体，选择性地进行核输入或核输出
      • 细胞质基质中蛋白质的转运
        • 与细胞骨架有关
  • 蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选-属于后翻译转运
    • 蛋白质从细胞质基质输入线粒体
      • 输入到线粒体基质
      • 输入到线粒体内膜
      • 输入到线粒体膜间隙
    • 叶绿体类囊体蛋白的靶向输入
      • 不产生跨内膜的电化学梯度
      • ATP水解供能几乎是唯一动力来源
    • 过氧化物酶体蛋白的分选
      • 过氧化物酶体蛋白皆由核基因编码，在细胞质基质中合成
• 细胞内膜泡运输
  • 膜泡运输概观
    • 确保在糙面内质网合成的各种蛋白质，加工后在高尔基体的 TGN 区通过形成不同的转运膜泡以不同的途径被分选、运输、各就各位，并在特定时间、特定位点发挥其 特定的功能
    • 普遍存在于真核细胞中
    • 涉及细胞分泌和胞吞过程，糙面内质网相当 于物质供应站，高尔基体是则重要的枢纽和集散中心。逆向膜流有利于维持内质网、高尔基体等结构 相对稳定的特异成分
    • 输需要多种转运膜泡参与，有3种不同类型：COPⅡ包被膜泡、COPⅠ包被膜泡和网格蛋白/接头蛋白包被膜泡
  • COPⅡ包被膜泡的装配与运输
    • 结构组分
      • Sar1：小分子 GTP 结合蛋白，有 GTP 酶活性，隶属于 GTPase 超家族。结合 GDP 失活，结合 GTP 活化。Sar1-GDP / Sar1-GTP 的转换需要鸟苷酸交换因子参与；调节包被的装配和去装配；召集其他包被蛋白形成包被
      • 其它成分
    • 装配和运输
      • 流程
        • Sar1 与膜结合，GTP 交换
        • COP II 包被装配
        • GTP 水解
        • COP II 包被去装配
      • COP Ⅱ包被形成于内质网的特殊部位，称为内质网出口，这些部位没有核糖体，由交织在一起的管道 和囊泡组成网络结构
      • 介导从内质网到高尔基体的物质运输
  • COPⅠ包被膜泡的装配与运输
    • 结构组分
    • COPⅠ负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网
    • 内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡：①转运泡将应该保留在内质网中的驻留蛋白排除在外，例如 有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在转运泡中；②通过 COPⅠ对逃逸蛋白的回收机制进行。
    • V-SNARE 能被t-SNARE专一地识别，由此各类运输小泡（COP Ⅱ、COPⅠ、网格蛋白/接头蛋白包被膜 泡）才能够准确地与靶膜融合
  • 网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的装配与运输
    • 介导的蛋白质分选途径
      • 高尔基体 TGN→胞内体
      • 高尔基体 TGN→溶酶体
      • 高尔基体 TGN→质膜
      • 胞吞途径的质膜→细胞质，胞内体→溶酶体
    • 网格蛋白/接头蛋白包被膜泡：双层包被膜泡，外层由网格蛋白组成，内层由接头蛋白复合物组成
      • 网格蛋白
        • 由３个重链和３个轻链组成，形成三腿结构。许多网格蛋白的曲臂部分交织在一起，装配成一个具有五边形网孔的笼子，就是这个装配过程使膜成为小泡
      • 接头蛋白
        • 介于网格蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用
      • 发动蛋白
        • 一种 GTP 结合蛋白，当网格蛋白/接头蛋白包被膜泡形成时，发动蛋白聚集成一圈围绕在小窝的颈部，水解其结合的 GTP，引起环收缩，包被小泡从膜上释放下来；随后包被很快解体
  • 转运膜泡与靶膜的锚定和融合
    • 关键步骤
      • 供体膜的出芽、装配和断裂，形成不同的包被转运膜泡
      • 脱包被的膜泡在细胞内由马达蛋白驱动，以微管为轨道进行膜泡的转运
      • 转运膜泡与靶膜的锚定和融合
    • Rab 蛋白参与转运膜泡的锚定
    • SNARE 介导转运膜泡与靶膜的锚定、融合
  • 细胞结构体系组装
    • 自我组装
      • 主要依赖自身所携带的信息进行亚基的自我装配，同时还依赖细胞提供的环境
    • 协助组装
      • 装配过程中除依赖自身所携带的信息进行亚基的自我组装外，还需要其他成分的参与或对 亚基进行修饰，以保证装配的顺利进行
    • 直接组装
      • 亚基直接装配到已形成的结构上，如细胞膜的装配。其过程是：先将蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、蛋白质与磷脂等装配成复合物，以此为基础进一步装配出各种具特定功能的细胞器，参与细胞的代谢与功能活动
    • 各种类型的装配具有重要生物学意义
      • 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