第八蛋白分选与膜泡运输

1、第八章第八章2021-11-272教学安排 计划学时：2学时 主要内容： 蛋白分选p 信号肽学说p 蛋白分选的基本途径与类型p 跨膜转运 膜泡运输p 膜泡的装配与运输p 膜泡的锚定与融合 讲授重点：信号肽学说2021-11-273n蛋白质的分选（蛋白质的分选（protein sorting）：又称蛋白质的定向：又称蛋白质的定向转运（转运（protein targeting），指绝大多数的蛋白质均在，指绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，然后转运到细胞的细胞质基质中的核糖体上开始合成，然后转运到细胞的特定部位，装配成结构与功能的复合体，才能参与细胞特定部位，装配成结构与功能的复合

2、体，才能参与细胞的生命活动这一过程。的生命活动这一过程。2021-11-2741 细胞内蛋白质的分选 细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面： 蛋白质中包含特殊的信号序列信号序列（signal sequence） 细胞器上具特定的信号识别装置识别装置（分选受体，sorting receptor）2021-11-275一、信号肽(Signal peptide) George Palade 发现游离核糖体合成非分泌蛋白，RER核糖体合成分泌蛋白 1975，Blobel and S

3、abatini 提出信号肽学说 体外翻译-转运系统获得相关证据 1999，Blobel获得诺贝尔生理医学奖2021-11-276 信号序列（signal sequence） N-端16-26个氨基酸残基 无特异性 信号斑（signal patch） 存在于完成折叠的蛋白质中 构成信号斑的信号序列之间可以不相邻一、信号肽(Signal peptide)2021-11-277signal sequence and signal patch2021-11-278一、信号肽(Signal peptide) 信号识别颗粒（signal recognition particle, SRP） 位于细胞质基质

4、 是核糖核蛋白复合体 与信号肽及核糖体结合 信号识别颗粒受体/停泊蛋白（Docking protein, DP） 存在于完成折叠的蛋白质中 构成信号斑的信号序列之间可以不相邻 1975年Blobel和sabatini等提出了信号假说信号假说（signal hypothesis），即分泌性分泌性蛋蛋白白N端作为序列信号肽端作为序列信号肽（signal sequence或signal peptide），指导分泌性蛋指导分泌性蛋白到白到内质网膜内质网膜上合成，在蛋白合成结束前上合成，在蛋白合成结束前信号肽被切除信号肽被切除。信号识别颗粒信号识别颗粒(SRP)和内质网膜上的信号识别颗粒的和内质网膜上的

5、信号识别颗粒的受体受体（停泊蛋白（停泊蛋白,DP）等因子协助完成这一）等因子协助完成这一过程。过程。一些典型的分选信号一些典型的分选信号功能功能信号序列信号序列输入细胞核输入细胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val- 脯脯-脯脯-赖赖-赖赖-赖赖-精精-赖赖-缬缬输出细胞核输出细胞核-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-输入线粒体输入线粒体+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-输入质体输入质体+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-输入过氧化物酶体输入过氧化物酶体-Ser-Lys-Leu-COO-输入内质网输入内质网+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-返回内质网返回内质网-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL）由质膜到内体由质膜到内体Tyr-X-X-信号序列（信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常由的线性序列，通常由15-60个氨基酸残基组成，有些信号序个氨基酸残基组成，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（ signal peptidase）切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特）切除；通常信号序列对所引导的蛋

8、白质没有特异性要求。异性要求。信号斑（信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间成信号斑的信号序列之间可以不相邻可以不相邻，折叠在一起构成蛋白折叠在一起构成蛋白质分选的信号质分选的信号。每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。 分泌性蛋白分泌性蛋白N N端序列为信号肽，指导分泌蛋白到内质网上合成，在蛋端序列为信号肽，指导分泌蛋白到内质网上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。白合成结束之前信号肽被切除。信号识别颗粒信号识别颗粒和内质网膜上的信号识和内质网膜上的信号识别别颗粒的受体

9、颗粒的受体（停泊蛋白）等因子协助完成这一过程。（停泊蛋白）等因子协助完成这一过程。信号识别颗粒的受体信号识别颗粒的受体信号识别颗粒2021-11-2713二、蛋白分选转运的基本途径与类型核基因编码蛋白分选基本途径：核基因编码蛋白分选基本途径： 后翻译转运途径(post-translational translocation) 在游离核糖体上合成 靶区：线粒体、过氧化物酶体、细胞核、细胞基质或骨架 共翻译转运系统(co-translational translocation) 在游离核糖上起始合成 SRP引导转运到RER 边合成，边转运 靶区：细胞质膜及细胞内膜系统（二）信号肽与共翻译（二）信号

10、肽与共翻译 肽链边合成边转移肽链边合成边转移至内质网腔中至内质网腔中的方式称为的方式称为共转移共转移。 跨膜蛋白的跨膜蛋白的起始转移序列和终止转移序列起始转移序列和终止转移序列 起始转移序列起始转移序列：蛋白质氨基末端的信号序列除作为信号：蛋白质氨基末端的信号序列除作为信号被被SRP识别外，还具有起始穿膜转移的作用。识别外，还具有起始穿膜转移的作用。 停止转移序列停止转移序列：肽链中还有某些序列与肽链中还有某些序列与内质网膜内质网膜具有很具有很强的亲合力而结合在脂双层之中，强的亲合力而结合在脂双层之中，能能阻止阻止肽链继续进入内质肽链继续进入内质网腔，使其成为网腔，使其成为跨膜蛋白质跨膜蛋白质

11、，称为停止转移序列。称为停止转移序列。 内部信号序列内部信号序列： 跨膜蛋白的跨膜蛋白的类型类型及其取向及其取向起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数2021-11-27152021-11-2716二、蛋白分选转运的基本途径与类型蛋白分选的转运方式或机制分蛋白分选的转运方式或机制分4类：类： 跨膜转运（transmembrane transport） 膜泡运输（vesicular transport） 门控运输（gated transport）：通过核孔复合体运输 基质中的蛋白转运2021-11-2717三、跨膜转运（transmemb

12、rane transport） 跨内质网膜转运 跨线粒体膜转运 跨过氧化物酶体膜转运2021-11-2718n膜泡运输是蛋白分选的一种特有方式n膜泡运输还形成了细胞内膜脂流动(membrane flow)n转运膜泡出芽发生在特定区域：蛋白信号与受体结合部位蛋白信号与受体结合部位n转运泡在细胞内沿微管或微丝运输：膜泡运输有关的马达蛋白有3类n动力蛋白（dynein）：趋向微管负端n驱动蛋白（kinesin）：趋向微管正端n肌球蛋白（myosin）：趋向微丝的正极2 细胞内膜泡运输2021-11-27192021-11-2720一、衣/包被类型n已知三类：p笼形/网格蛋白(clathrin)pCO

13、PI(coat protein I)pCOPII(coat protein II)n主要作用：p选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡p如同模具一样决定运输小泡的外部特征2021-11-2721三种包被小泡的功能包被类型GTP酶组成与衔接蛋白运输方向clathrin无ARFClathrin重链与轻链，AP2质膜内体Clathrin重链与轻链，AP1高尔基体内体Clathrin重链与轻链，AP3高尔基体溶酶体，植物液泡COP IARFCOP高尔基体内质网COP IISar 1Sec23/Sec24复合体，Sec 13/31复合体，Sec 16内质网高尔基体2021-11-2722（一）网格/

14、笼形蛋白衣被小泡n运输途径：质膜内体；高尔基体内体；高尔基体溶酶体、植物液泡。n网格结构：3重链、3轻链，形如triskelion，clathrin 的曲臂交织在一起，形成5边形网孔的笼子n衔接蛋白：连接包被与受体。 2021-11-2723Clathrin coated vesicles2021-11-2724Selective transport by clathrin coated vesicles2021-11-2725n当衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的柄部，使柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），导致膜融合，pinch off衣被小泡。 2021-11

15、-2726（二）COP I衣被小泡n功能：回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网；也可介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。 n组成：由7种蛋白组成。n回收信号：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介导内质网到高尔基体的物质运输。形成于内质网出口位点，该处无核糖体。n主要亚基：Sar1GTP、Sec23/Sec24、Sec13/S

16、ec31。n多数跨膜蛋白直接与COP II结合，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II结合。n分选信号：位于跨膜蛋白胞质面，形式多样，常包含双酸性基序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：为G蛋白，活化状态可引起衣被蛋白聚集，包括ARF和SAR 1。存在于细胞质，激活后转位到膜上。nARF：参与clathrin和COP I衣被的形成。nSAR 1：参与COP II衣被的形成。2021-11-2734nER上形成C

17、OPII小泡时，SAR1交换GDP/GTP而激活。n激活的SAR1暴露出脂肪酸链尾巴，插入ER膜，促进衣被蛋白的核化和组装。nSAR1可激活磷脂酶D，将一些磷脂水解，使衣被蛋白牢固地结合在膜上。n当小泡从膜上释放后，衣被很快就解体。2021-11-2735Coat assembly2021-11-2736三、膜泡运输的定向机制（一）SNAREs n功能：介导运输小泡与靶膜的融合。n类型：v-SNAREs和t-SNAREs。n结构：具有一个螺旋结构域，相互缠绕形成跨SNAREs复合体，将小泡与靶膜拉在一起。2021-11-2737SNAREs2021-11-2738SNAREs in vesic

18、le transport2021-11-2739n神经细胞中，SNAREs负责突触小泡的停泊和融合 。 破 伤 风 毒 素 和 肉 毒 素 能 选 择 性 地 降 解SNAREs，阻断神经传导。n病毒融合蛋白的工作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。 2021-11-2740HIV fusion protein2021-11-2741（二）Rabsn也叫targeting GTPase，属于G蛋白，起分子开关作用。已知30余种，不同膜上具有不同的Rabs。nRabs促进和调节运输小泡的停泊和融合。nRabs还有许多效应因子，帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAREs抑制因子。

19、2021-11-2742Rabs in docking2021-11-2743复习思考题复习思考题1. 名词解释：名词解释： 信号肽；共翻译转运；后翻译转运信号肽；共翻译转运；后翻译转运2. 什么是分泌性蛋白合成的信号肽学说？涉及哪些组分？各什么是分泌性蛋白合成的信号肽学说？涉及哪些组分？各组分间是如何协同的？组分间是如何协同的？3. 蛋白分选转运的方式有哪几类？蛋白分选转运的方式有哪几类？4. 转运膜泡在细胞内运输的轨道有哪些？与之相关的马达蛋转运膜泡在细胞内运输的轨道有哪些？与之相关的马达蛋白有哪些？白有哪些？5. 包被蛋白主要有哪几种？其主要作用是什么？包被蛋白主要有哪几种？其主要作用是

20、什么？ 6. 三种包被小泡各自介导哪些运输方向？三种包被小泡各自介导哪些运输方向？7. SNAREs 主要功能是什么？主要有哪几种类型？2021-11-2744 在游离核糖体上起始合成在游离核糖体上起始合成 SRPSRP结合信号肽后暂停翻译结合信号肽后暂停翻译 SRPSRP与与RERRER上的上的DPDP结合结合 信号肽与移位子结合，打开孔道信号肽与移位子结合，打开孔道 SRPSRP脱离，肽链合成重启脱离，肽链合成重启 信号肽被切除、降解信号肽被切除、降解 肽链合成终止，核糖体释放，肽链折叠肽链合成终止，核糖体释放，肽链折叠（一）蛋白向RER跨膜转运2021-11-2745开始转移序列开始转移

21、序列(start transfer sequence)停止转移锚定序列停止转移锚定序列(internal stop-transfer anchor sequence,STA)内在信号锚定序列内在信号锚定序列(internal signal-anchor sequence, SA)ER膜整合蛋白的拓扑学类型2021-11-2746（二）线粒体蛋白质的跨膜运送核基因编码的线粒体蛋白的合成和输入大体上要涉及到4个步骤：p 在细胞质溶质中合成多肽前体物p 前体物和细胞器表面的受体结合p 穿过并移进细胞器膜p 前体物被加工成成熟多肽2021-11-2747 含有较为丰富含有较为丰富的带正电荷的的带正电荷

22、的碱性氨基酸碱性氨基酸( (特别是精氨酸特别是精氨酸) )，穿插在不带电荷的氨基酸序列之间，对牵引蛋白质跨膜具穿插在不带电荷的氨基酸序列之间，对牵引蛋白质跨膜具有重要作用有重要作用 基本不含带负电荷的酸性氨基酸基本不含带负电荷的酸性氨基酸 序列中序列中羟基氨基酸羟基氨基酸( (尤其是丝氨酸尤其是丝氨酸) )的含量较高的含量较高 整个前导序列可形成既具亲水性又具疏水性的整个前导序列可形成既具亲水性又具疏水性的两性两性 - -螺螺旋旋 凭藉凭藉外正内负的膜电位外正内负的膜电位，使前导肽及其所牵引的蛋白质得，使前导肽及其所牵引的蛋白质得以顺利过膜以顺利过膜线粒体前导序列的特点：2021-11-274

23、8线粒体蛋白质特有的导肽序列线粒体蛋白质特有的导肽序列(a) 导肽的线性序列；导肽的线性序列；(b) 导肽的折叠后的氨基酸残基的分布图导肽的折叠后的氨基酸残基的分布图2021-11-2749import receptorTOM20/22线粒体内、外膜线粒体内、外膜接触部位电镜图接触部位电镜图2021-11-2750靶向线粒体基质的跨膜运送2021-11-2751靶向线粒体膜间隙的跨膜运送 途径A是主要的 注意与内膜蛋白途径A不同点2021-11-2752二次穿膜蛋白二次穿膜蛋白 肽肽链含有基质定位序列链含有基质定位序列和和2段内部疏水区段内部疏水区(Oxl 1定位序列定位序列)，肽链进，肽链进入基质后，基质定位入基质后，基质定位区被切除。区被切除。Oxl 1疏水疏水区被内膜中的区被内膜中的Oxa 1蛋白所识别，并将蛋蛋白所识别，并将蛋白质插入脂双层中。白质插入脂双层中。多次穿膜蛋白多次穿膜蛋白 这类蛋白质这类蛋白质N末端没末端没有有基质定位序列基质定位序列，而，而肽链内部含有多个肽链内部含有多个定位序列定位序列。如。如ADP/ATP对向转运体对向转运体(antiporter)，此蛋白含有，此蛋白含有6个穿膜区为个穿膜区为定位序