细胞生物学翟中和编蛋白质分选和膜泡运输专题培训课件

本章主要内容本章主要内容l细胞内蛋白质的分选细胞内蛋白质的分选信号假说与蛋白质分选信号信号假说与蛋白质分选信号蛋白质分选转运的基本途径与类型蛋白质分选转运的基本途径与类型l细胞内膜泡运输细胞内膜泡运输COPCOP包被膜泡的装配与运输包被膜泡的装配与运输COPCOP包被膜泡的装配与运输包被膜泡的装配与运输网格蛋白网格蛋白/接头蛋白的装配与运输接头蛋白的装配与运输转运膜泡与靶膜的锚定和融合转运膜泡与靶膜的锚定和融合Protein Sorting一、信号假说与蛋白质分选信号一、信号假说与蛋白质分选信号第一节 细胞内蛋白质的分选信号假说（Signal hypothesis）位于蛋白质的位于蛋白质的N N端，一般由端，一般由16-2616-26个残基组成个残基组成包括包括疏水核心区疏水核心区、C C端端和和N N端端3 3部分部分Signal peptides信号肽与信号斑信号肽与信号斑信号肽似乎没有严格的专一性信号识别颗粒（SRP）分泌性蛋白向分泌性蛋白向rER腔内的转运是同蛋白质翻译过程腔内的转运是同蛋白质翻译过程偶联进行的，这种分泌性蛋白在信号肽的引导下偶联进行的，这种分泌性蛋白在信号肽的引导下边翻边翻译边跨膜转运译边跨膜转运的过程称为的过程称为共翻译转运共翻译转运（cotranslational translocation）。）。共翻译转运共翻译转运分泌性蛋白的合成与其跨膜内质网的共翻译转运分泌性蛋白的合成与其跨膜内质网的共翻译转运蛋白质转入内质网合成的过程：蛋白质转入内质网合成的过程：信号肽与信号肽与SRP结合结合肽链延伸终止肽链延伸终止SRP与与受体受体(DP)结合结合SRP脱离信号肽脱离信号肽肽链在内质网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上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔腔信号肽被切除信号肽被切除肽链延伸至终止肽链延伸至终止翻译体系解翻译体系解散。散。蛋白质在细胞质基质中合成以后再在某种信号蛋白质在细胞质基质中合成以后再在某种信号序列（序列（导肽导肽）的指导下进入某些细胞器中，称）的指导下进入某些细胞器中，称后翻译转运后翻译转运（post translocation）。）。蛋白质跨膜转移过程需要蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助使其能够正确地折叠还需要一些蛋白质的帮助使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。成有功能的蛋白。例：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体蛋白例：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体蛋白后翻译转运后翻译转运膜整合蛋白的信号序列膜整合蛋白的信号序列开始转移序列开始转移序列（starttransfersequence）内在停止转移锚定序列内在停止转移锚定序列（internalstop-transferanchorsequence,STA）内在信号锚定序列内在信号锚定序列（internalsignalanchorsequence,SA）多肽跨膜次数的确定多肽跨膜次数的确定内质网膜整合蛋白的拓扑学类型内质网膜整合蛋白的拓扑学类型 蛋白质转入内质网合成涉及蛋白质转入内质网合成涉及5种蛋白成分：种蛋白成分：信号肽信号肽:又称开始转移序列又称开始转移序列信号识别颗粒（信号识别颗粒（SRP）SRP受体（受体（DP）停止转移序列停止转移序列移位子移位子二、蛋白质分选转运的基本途径与类型 途径途径（1）后翻译转运途径）后翻译转运途径（2）共翻译转运途径）共翻译转运途径类型类型（1）蛋白质的跨膜转运）蛋白质的跨膜转运（2）膜泡运输）膜泡运输（3）选择性的门控转运）选择性的门控转运（4）细胞质基质中蛋白质的转运）细胞质基质中蛋白质的转运二、蛋白质分选转运的基本途径与类型 转运类型1.门控运输（门控运输（gated transport）：）：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。2.跨膜运输（跨膜运输（transmembrane transport）：）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。蛋白质通过跨膜通道进入目的地。3.膜泡运输（膜泡运输（vesicular transport）：）：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质或激素，体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质或激素，都属于这种运输方式。都属于这种运输方式。4.细胞质基质中蛋白的转运细胞质基质中蛋白的转运:与细胞骨架密切相关与细胞骨架密切相关蛋白质分选信号序列（一）蛋白质从细胞质基质输入到线粒体蛋白质从细胞质基质蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质输入到线粒体基质蛋白质从细胞质基质蛋白质从细胞质基质输入到线粒体内膜输入到线粒体内膜蛋白质从细胞质基质蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙输入到线粒体膜间隙靶向线粒体基质的跨膜运送靶向线粒体基质的跨膜运送靶向线粒体内膜的跨膜运送靶向线粒体内膜的跨膜运送TOM:translocon of the outer membraneTim:translocon of the inner membrane靶向线粒体膜间隙的跨膜运送靶向线粒体膜间隙的跨膜运送途径途径A A是主要的是主要的注注意意与与内内膜膜蛋蛋白白途径途径A A不同点不同点导肽转运线粒体蛋白质的特点需要受体需要受体从接触点进入从接触点进入蛋白质要蛋白质要解折叠与重新折叠解折叠与重新折叠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侣的帮助需要分子伴侣的帮助（二）叶绿体基质蛋白与类囊体蛋白的靶向输入外膜蛋白外膜蛋白内膜蛋白内膜蛋白叶绿体基质蛋白叶绿体基质蛋白类囊体膜蛋白类囊体膜蛋白类囊体腔蛋白类囊体腔蛋白叶绿体蛋白质的运送及组装叶绿体蛋白质的运送及组装（三）过氧化物酶体蛋白的分选C端端SKL(Ser-Lys-Leu)靶向序列靶向序列可溶性细胞质受体可溶性细胞质受体过氧化物酶体膜受体过氧化物酶体膜受体信号序列不被切除信号序列不被切除ATP水解水解第二节 细胞内膜泡运输 细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。过膜泡运输方式进行。膜泡运输是一种高度有组织的定向运输膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输，各类运输泡之所以能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为泡之所以能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白膜标志蛋白。不同的膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。不同的膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。第二节 细胞内膜泡运输 一、膜泡运输概观一、膜泡运输概观1.1.蛋白质在蛋白质在rERrER合成，通过共翻译转合成，通过共翻译转运途径跨膜运输运途径跨膜运输2.2.内质网出芽，形成转运膜泡并与内质网出芽，形成转运膜泡并与高尔基体融合高尔基体融合3.3.从高尔基体顺面膜囊和高尔基体从高尔基体顺面膜囊和高尔基体顺面网状结构到顺面网状结构到rERrER的逆向运输的逆向运输4.4.高尔基体膜囊从顺面高尔基体膜囊从顺面反面成熟反面成熟递进（非膜泡过程）递进（非膜泡过程）5.5.从高尔基体后期膜囊从高尔基体后期膜囊早期膜囊早期膜囊的逆向运输的逆向运输6.6.组成型分泌组成型分泌7.7.调节型分泌调节型分泌8.8.分选到溶酶体分选到溶酶体9.9.胞吞途径胞吞途径蛋白质的分泌与胞吞途径概观蛋白质的分泌与胞吞途径概观COP（coat protein）包被膜泡包被膜泡COP（coat protein）包被膜泡包被膜泡网格蛋白网格蛋白/接头蛋白接头蛋白（clathrin/adaptor protein）包被膜泡包被膜泡三种膜泡运输方式三种膜泡运输方式三种膜泡运输方式三种膜泡运输方式 三种膜泡运输方式三种膜泡运输方式三种膜泡运输方式三种膜泡运输方式 二、二、COP COP 包被膜泡的装配与运输包被膜泡的装配与运输COP包被蛋白组分包被蛋白组分小分子小分子GTP结合蛋白结合蛋白Sar1Sec23/Sec24复合物复合物Sec13/Sec31复合物复合物大的纤维蛋白大的纤维蛋白Sec16 二、COPII包被膜泡的装配与运输负责从负责从内质网内质网高尔基体高尔基体的物质运输；的物质运输；COPII包被蛋白由包被蛋白由5种蛋白亚基组成：种蛋白亚基组成：Sar1、Sec12、Sec23/Sec24、Sec13/Sec31、Sec16包被蛋白的装配是受控的；包被蛋白的装配是受控的；COPII包被膜泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。包被膜泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。COPII蛋白能识别并结合跨膜内质网蛋白胞质面一端的信号蛋白能识别并结合跨膜内质网蛋白胞质面一端的信号序列（序列（Asp-X-Glu）内质网腔面的受体能与内质网腔面的受体能与ER腔中的可溶性蛋白（如分泌蛋白）腔中的可溶性蛋白（如分泌蛋白）结合。结合。1.Sar1与膜结合与膜结合GTP交换交换2.COP包被装配包被装配3.GTP水解水解4.COP包被去装配包被去装配Sar1 蛋白在蛋白在COP包被膜泡装配与去装配包被膜泡装配与去装配三、COP包被膜泡的装配与运输运输方向运输方向：高尔基体：高尔基体TGN面面CGN面，高面，高尔基体基体CGN面面ER运输对象运输对象：负责回收、转运：负责回收、转运ER逃逸蛋白逃逸蛋白(escapedproteins），膜脂双层），膜脂双层COP包被蛋白的组成：包被蛋白的组成：7种蛋白质亚基，种蛋白质亚基，ARF在内质网与高尔基体之间，分别由在内质网与高尔基体之间，分别由COP和和COP膜泡介导蛋白质顺向和逆向转运膜泡介导蛋白质顺向和逆向转运不同类型的膜泡运输不同类型的膜泡运输KDEL受体在从高尔基体回收内质网腔驻留蛋白中的作用受体在从高尔基体回收内质网腔驻留蛋白中的作用不同类型的膜泡运输不同类型的膜泡运输细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：转运泡将驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；转运泡将驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；通过识别驻留蛋白通过识别驻留蛋白C-端的端的回收信号回收信号(lys-asp-glu-leu，KDEL)的特异性受体，以的特异性受体，以COPI包被膜泡包被膜泡的形式的形式捕获逃逸蛋白。捕获逃逸蛋白。例例:分子伴侣、分子伴侣、SRP受体受体四、网格蛋白四、网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的装配与运输接头蛋白包被膜泡的装配与运输运输途径运输途径：质膜：质膜内体，高尔基体内体，高尔基体TGNTGN内体，高内体，高尔基体尔基体TGNTGN溶酶体、植物液泡。溶酶体、植物液泡。结构组成结构组成：网格蛋白、接头蛋白、受体膜蛋白、：网格蛋白、接头蛋白、受体膜蛋白、发动蛋白发动蛋白APAP一方面将网格蛋白网格包被连接到质膜上；另一方面将网格蛋白网格包被连接到质膜上；另一方面特异性地促使膜结合蛋白富集到形成包被一方面特异性地促使膜结合蛋白富集到形成包被的膜区。的膜区。网格蛋白包被膜泡网格蛋白包被膜泡（clathrin-coatedvesicle）发动蛋白发动蛋白衔接蛋白衔接蛋白Selective transport by clathrin coated vesicles五、转运膜泡与靶膜的锚定与融合五、转运膜泡与靶膜的锚定与融合膜泡融合是特异性的膜泡融合是特异性的选择性融合选择性融合，从而指，从而指导细胞内膜流的方向。导细胞内膜流的方向。选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白的的特异性相互作用特异性相互作用。膜泡运输的定向机制膜泡运输的定向机制（一）（一）SNAREs功能功能：介导运输小泡与靶膜的融合。：介导运输小泡与靶膜的融合。类型类型：v-SNAREs和和t-SNAREs。结结构构：具具有有一一个个螺螺旋旋结结构构域域，相相互互缠缠绕绕形形成成跨跨SNAREs复合体，将小泡与靶膜拉在一起。复合体，将小泡与靶膜拉在一起。SNAREs in vesicle transport（二）（二）Rabs也也叫叫targeting GTPase，属属于于G蛋蛋白白，起起分分子子开开关关作用。已知作用。已知30余种，不同膜上具有不同的余种，不同膜上具有不同的Rabs。Rabs促进和调节运输小泡的停泊和融合促进和调节运输小泡的停泊和融合。蛋白质分选的两条基本途径：蛋白质分选的两条基本途径：翻译后转移；共翻译转移翻译后转移；共翻译转移蛋白质分选的运输方式：蛋白质分选的运输方式：1.门控运输；门控运输；2.跨膜运输；跨膜运输；3.膜泡运输；膜泡运输；4.细胞细胞质基质中的蛋白质运输。质基质中的蛋白质运输。蛋白质分选的信号机制蛋白质分选的信号机制 信号肽；信号识别颗粒；信号识别颗粒的受体；信号肽；信号识别颗粒；信号识别颗粒的受体；ER膜上的易位子等。膜上的易位子等。3种类型的有被小泡：种类型的有被小泡：1.网格蛋白网格蛋白/接头蛋白小泡接头蛋白小泡；2.COPI小泡；小泡；3.COPII小泡小泡本章小结本章小结