细胞生物学_10真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输结果

1、第三节第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输细胞内蛋白质的分选与膜泡运输一、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信号假说信号假说 分泌性蛋白分泌性蛋白N N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边内质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结束前信号肽被切除。束前信号肽被切除。 信号肽位于蛋白质的信号肽位于蛋白质的N N端，一般有端，一般有16-2616-26个氨基酸裂个氨基酸裂基，其中包括疏水核心区、信号肽

2、的基，其中包括疏水核心区、信号肽的C C端和端和N N端端3 3部分。部分。信号肽的一级序列信号肽的一级序列信号肽一级序列由疏水核心（信号肽一级序列由疏水核心（h h）、）、C C端（端（c c）和）和N N端（端（n n）三个区域构成。以血清白蛋白和三个区域构成。以血清白蛋白和HIV-1HIV-1型病毒的糖蛋白型病毒的糖蛋白gp160gp160信号肽为例，显示出两者的信号肽为例，显示出两者的n n区长度明显不同。区长度明显不同。蛋白质分选信号蛋白质分选信号 细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能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：够定向的转运到特定

3、的细胞器取决于两个方面：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列，其二是细其一是蛋白质中包含特殊的信号序列，其二是细胞器上具特定的信号识别装置。胞器上具特定的信号识别装置。 信号肽信号肽信号识别颗粒（信号识别颗粒（SRPSRP）信号识别信号识别颗粒受体（停泊蛋白，颗粒受体（停泊蛋白，DPDP）细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号：细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号：信号序列：存在于蛋白质一级结上的线性序列，通常信号序列：存在于蛋白质一级结上的线性序列，通常15-15-6060个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶切除。后被信号肽酶切除

4、。信号斑：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信信号斑：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，折叠在一起构成蛋白质分选的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。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。 目前对于信号斑了解较少，主要是因为它存在于复杂目前对于信号斑了解较少，主要是因为它存在于复杂的三维结构中，很难将其分离出来研究。的三维结构中，很难将其分离出来研究。分泌性蛋白的合成与其跨内质网膜的共翻译转运分泌性蛋白的合成与其跨内质网膜的共翻译转运基质中核糖体基质中核糖体半合成粗面内质网高尔基体溶酶体或质膜或胞

5、外半合成粗面内质网高尔基体溶酶体或质膜或胞外全合成转运至细胞器全合成转运至细胞器二、蛋白质分选的基本途径和类型二、蛋白质分选的基本途径和类型共翻译转运途径共翻译转运途径翻译后转运途径翻译后转运途径分泌蛋白的成熟过程分泌蛋白的成熟过程蛋白质的分选运输途径主要有四类：蛋白质的分选运输途径主要有四类：门控运输：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和门控运输：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNPRNP复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。跨膜运输：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质基跨膜运输：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质基质中合成的蛋

6、白质在信号序列的引导下，通过线粒体上的转质中合成的蛋白质在信号序列的引导下，通过线粒体上的转位因子，以解折叠的线性分子进入线粒体。位因子，以解折叠的线性分子进入线粒体。膜泡运输：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运膜泡运输：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、高尔基体分到靶细胞器。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，都属于这种泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质或激素，都属于这种运输方式。运输方式。蛋白质在细胞基质中的运输（蛋白质在细胞基质中的运输（细胞骨架体系细胞骨架体系）。）。三、膜泡运输三、膜泡

7、运输 细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递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。如从内质网到高尔常常通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体，高尔基体到溶酶体，细胞分泌物的外排，基体，高尔基体到溶酶体，细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。都要通过过渡性小泡进行转运。 膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要类运输泡之所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膜标志蛋白。是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器，不同的许多膜

8、标志蛋白存在于不止一种细胞器，不同的膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。网格蛋白有被小泡网格蛋白有被小泡 网格蛋白有被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔网格蛋白有被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到质膜、胞内体、溶酶体或植物液泡的运输，以及质基体到质膜、胞内体、溶酶体或植物液泡的运输，以及质膜到细胞质、胞内体到溶酶体的运输。膜到细胞质、胞内体到溶酶体的运输。 网格蛋白分子由网格蛋白分子由3 3个重链和个重链和3 3个轻链组成，形成一个具个轻链组成，形成一个具有有3 3个曲臂的形状。许多网格蛋白的曲臂部分交织在一起，个曲臂的形状。许多网格蛋白的曲臂部

9、分交织在一起，形成一个具有形成一个具有5 5边形网孔的笼子。边形网孔的笼子。网格蛋白有被小泡网格蛋白有被小泡(电镜照片，分子模型，模型电镜照片，分子模型，模型)网格蛋白有被小泡的形态网格蛋白有被小泡的形态 网格蛋白有被小泡中还有网格蛋白有被小泡中还有衔接蛋白（接合素蛋白）衔接蛋白（接合素蛋白），介，介于网格蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少于网格蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现发现4 4种不同类型的接合素蛋白，分别结合不同类型的受体，种不同类型的接合素蛋白，分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。形成不同性质的转运小泡。 当网格蛋白有被小泡形成时，当网格蛋

10、白有被小泡形成时，可溶性蛋白动力素可溶性蛋白动力素聚集成聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜拉近（小于一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜拉近（小于1.5nm1.5nm），），导致导致膜融合膜融合，动力素是一种，动力素是一种GTPGTP酶，调节小泡以出芽形式脱离酶，调节小泡以出芽形式脱离膜的速率。动力素可以召集其它可溶性蛋白在小泡的颈部聚膜的速率。动力素可以召集其它可溶性蛋白在小泡的颈部聚集，通过改变膜的形状和膜脂的组成，促使小泡颈部的膜融集，通过改变膜的形状和膜脂的组成，促使小泡颈部的膜融合，形成有被小泡。合，形成有被小泡。 当有被小泡从膜上释放后，衣被很快就解体，网格蛋白当有被小泡从膜上

11、释放后，衣被很快就解体，网格蛋白返回被重新利用。返回被重新利用。网格蛋白有被小泡的形成及选择性运输的组成网格蛋白有被小泡的形成及选择性运输的组成LDL通过受体介导的胞吞作用进入细胞通过受体介导的胞吞作用进入细胞COPCOP衣被小泡衣被小泡 介导细胞内膜泡逆向运输，负责从顺面高尔基体网状区到介导细胞内膜泡逆向运输，负责从顺面高尔基体网状区到内质网膜泡转运，回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起内质网膜泡转运，回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有初发现于高尔基体碎片，在含有ATPATP的溶液中温育时，能形成非的溶液中温育时，能形成非网格蛋白包被的小泡。网格蛋白包被的小

12、泡。 内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体。内质网通过两种机制维持也不可避免的被运送到了高尔基体。内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡蛋白质的平衡 ：一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，：一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。回收机制，使之返回它们

13、正常驻留的部位。 内质网的正常驻留蛋白，不管在腔中还是在膜上，它们内质网的正常驻留蛋白，不管在腔中还是在膜上，它们在在C端含有一段回收信号序列，如果它们被意外地逃逸进入转端含有一段回收信号序列，如果它们被意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体运泡从内质网运至高尔基体cis面，则面，则cis面的膜结合受体蛋白面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋白的回收信号，形成将识别并结合逃逸蛋白的回收信号，形成COPI衣被小泡将它衣被小泡将它们返回内质网。内质网腔中的蛋白，如蛋白二硫键异构酶和们返回内质网。内质网腔中的蛋白，如蛋白二硫键异构酶和协助折叠的分子伴侣，均具有典型的回收信号协助折叠的分子伴侣，均具

14、有典型的回收信号Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。内质网的膜蛋白（如）。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在受体）在C端有一端有一个不同的回收信号，通常是个不同的回收信号，通常是Lys-Lys-X-X（KKXX，X：任意：任意氨基酸），同样可保证它们的回收。氨基酸），同样可保证它们的回收。 COP I衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。质运输。COP运输小泡的出芽过程运输小泡的出芽过程 一种胞质溶胶中的小分子一种胞质溶胶中的小分子GTPGTP结合蛋白，即结合蛋白，即ARFARF，释放，释放所结合的所结合的GDPGDP，然后同，然后同

15、GTPGTP结合，形成结合，形成ARF-GTPARF-GTP复合物，并复合物，并整合在高尔基体膜中。整合在高尔基体膜中。GDPGDP与与GTPGTP的交换是由高尔基体膜的交换是由高尔基体膜中的一种酶催化的。中的一种酶催化的。 COP COP同同ARFARF以及高尔基体膜蛋白的细胞质部分结合。以及高尔基体膜蛋白的细胞质部分结合。在脂酰在脂酰CoACoA的帮助下形成的帮助下形成COPCOP被膜小泡。被膜小泡。COPCOP小泡形小泡形成后立即从供体膜释放出来，成后立即从供体膜释放出来，COPCOP包被去聚合，并与膜包被去聚合，并与膜脱离，这一过程是由与脱离，这一过程是由与ARFARF结合的结合的GT

16、PGTP水解所触发。水解所触发。 在高尔基体膜中一种酶的催化下，在高尔基体膜中一种酶的催化下，ARFARF蛋白将所结合蛋白将所结合的的GDPGDP与与GTPGTP进行交换，出芽随即开始。进行交换，出芽随即开始。 ARF-GTPARF-GTP与高尔基体膜中与高尔基体膜中ARFARF受体结合后，外被体与受体结合后，外被体与高尔基体的胞质溶胶面结合并聚合成纤维状外被体，诱高尔基体的胞质溶胶面结合并聚合成纤维状外被体，诱导出芽形成小泡。导出芽形成小泡。 在出芽形成小泡过程中，不仅将被运输的物质包进在出芽形成小泡过程中，不仅将被运输的物质包进小泡，也包括其他一些膜蛋白，其中包括小泡，也包括其他一些膜蛋白

17、，其中包括V-SNAREV-SNARE，它的，它的作用是导航，指引小泡到达正确的目的地。脂酰作用是导航，指引小泡到达正确的目的地。脂酰CoACoA帮助帮助小泡与供体膜脱离，随着小泡与供体膜脱离，随着GTPGTP的水解小泡的外被解聚。的水解小泡的外被解聚。COPCOP衣被小泡衣被小泡 介导细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物介导细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母质运输。最早发现于酵母ERER在在ATPATP存在的细胞质液中温育时，存在的细胞质液中温育时，ERER膜上能形成类似于膜上能形成类似于COP ICOP I的衣被小泡，某些温度敏感型的酵的衣被小泡，某

18、些温度敏感型的酵母，由于母，由于COP IICOP II衣被蛋白发生变异，在特定温度下会在内质衣被蛋白发生变异，在特定温度下会在内质网中积累蛋白质。网中积累蛋白质。 COP II COP II衣被小泡形成于内质网的特殊部位，称为内质网衣被小泡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。成网络结构。 由内质网到高尔基体的蛋白转运中，大多数跨膜蛋白是由内质网到高尔基体的蛋白转运中，大多数跨膜蛋白是直接结合在直接结合在COP IICOP II衣被上，但是少数跨膜蛋白和多数可溶性衣被上，但是少数跨

19、膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与蛋白通过受体与COP IICOP II衣被结合，这些受体在完成转运后，衣被结合，这些受体在完成转运后，通过通过COP ICOP I衣被小泡返回内质网。衣被小泡返回内质网。 COP IICOP II衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样。构域，形式多样。 COP COP小泡的装配需要一种称为小泡的装配需要一种称为Sar1Sar1的的G G蛋白的参与。蛋白的参与。当当Sar1Sar1中中GDPGDP与与GTPGTP进行了交换，诱导进行了交换，诱导Sec23Sec23和和Sec24Sec24蛋白的蛋白的结合，

20、接着是结合，接着是Sec13Sec13和和Sec31Sec31蛋白的结合，最后由一种结合蛋白的结合，最后由一种结合在在ERER表面的大蛋白质，表面的大蛋白质，Sec16Sec16与与Sec23/Sec24Sec23/Sec24复合物、复合物、Sec13/Sec31Sec13/Sec31复合物相互作用，装配成一个完整的小泡。复合物相互作用，装配成一个完整的小泡。 在在COPCOP的小泡膜上有一个相对分子质量为的小泡膜上有一个相对分子质量为24kDa24kDa的蛋的蛋白质帮助选择被运输的可溶性的白质帮助选择被运输的可溶性的ERER蛋白。蛋白。COPCOP小泡装配小泡装配时的识别信号是双酸性分选信号

21、，如时的识别信号是双酸性分选信号，如Asp-X-GluAsp-X-Glu。这种信。这种信号序列与号序列与COPCOP的一个或多个亚基结合。的一个或多个亚基结合。 从从ERER形成的形成的COPCOP小泡常常相互融合成大的运输小泡，小泡常常相互融合成大的运输小泡，这种大的小泡需要以微管作为运输轨道向高尔基体运输。这种大的小泡需要以微管作为运输轨道向高尔基体运输。 说明：天冬氨酸和谷氨酸是酸性说明：天冬氨酸和谷氨酸是酸性AAAA。膜泡锚定与融合膜泡锚定与融合的特异性是通过的特异性是通过转运泡膜上的蛋转运泡膜上的蛋白和靶膜上的蛋白和靶膜上的蛋白相互作用获得白相互作用获得的。的。膜泡运输的定向机制膜泡

22、运输的定向机制 有被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，有被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，马达蛋白水解马达蛋白水解ATPATP提供运输的动力。各类运输小泡之提供运输的动力。各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是程的两类关键性的蛋白质是SNAREs（soluble NSF attachment protein receptor）和和Rabs（targeting GTPase）。）。其中其中SNARESNA

23、RE介导运输小泡特异性停泊和融介导运输小泡特异性停泊和融合，合，RabRab的作用是使运输小泡靠近靶膜。的作用是使运输小泡靠近靶膜。SNAREsSNAREs SNAREs SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合。动物细胞中已发现标膜的融合。动物细胞中已发现2020多种多种SNAREsSNAREs，分别分布于，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREsv-SNAREs，位于靶膜上，位于靶膜上的叫作的叫作t-SNAREst-SNAREs。v-SNAREsv-SNAREs和和 t-SN

24、AREst-SNAREs都具有一个螺旋结都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨构域，能相互缠绕形成跨SNAREsSNAREs复合体，并通过这个结构将复合体，并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。融合。 在在SNAREsSNAREs接到新一轮的运输小泡停泊之前，接到新一轮的运输小泡停泊之前，SNAREsSNAREs必须必须以分离的状态存在，以分离的状态存在，NSFNSF催化催化SNAREsSNAREs的分离，它是一种类似的分离，它是一种类似分子伴娘的分子伴娘的ATPATP酶，能够利用酶，能够利用ATPATP作

25、为能量通过插入几个适配作为能量通过插入几个适配蛋白将蛋白将SNAREsSNAREs复合体的螺旋缠绕分开。复合体的螺旋缠绕分开。James RothmanJames Rothman和他同事对动物细胞融合研究和他同事对动物细胞融合研究发现，提出有关转运小泡寻靶的发现，提出有关转运小泡寻靶的SNARESNARE假说假说： 每种转运小泡都有特异的每种转运小泡都有特异的v-SNAREv-SNARE，能识，能识别并与靶膜上别并与靶膜上t-SNAREt-SNARE相互作用。通过相互作用。通过v-v-SNARESNARE与与t-SNAREt-SNARE两类蛋白间的互补性和相互两类蛋白间的互补性和相互作用，决定

26、供体膜泡在靶膜上的锚定与融合。作用，决定供体膜泡在靶膜上的锚定与融合。 也许会在其它膜位点进行暂时性接触，但也许会在其它膜位点进行暂时性接触，但不稳定。以确保转运小泡正确到达目的地。不稳定。以确保转运小泡正确到达目的地。T 和和 V SNARSNAR复合体的解离复合体的解离 在神经细胞中在神经细胞中SNAREsSNAREs负责突触小泡的停泊和负责突触小泡的停泊和融合，破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性融合，破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地降解降解SNAREsSNAREs，从而阻断神经传导、精卵的融合、，从

27、而阻断神经传导、精卵的融合、成肌细胞的融合均涉及成肌细胞的融合均涉及SNAREsSNAREs，另外病毒融合蛋，另外病毒融合蛋白的工作原理与白的工作原理与SNAREsSNAREs相似，介导病毒与宿主质相似，介导病毒与宿主质膜的融合。膜的融合。RabsRabs Rab Rab也叫也叫targeting GTPasetargeting GTPase，属于单体，属于单体GTPGTP酶，结构类似酶，结构类似于于RasRas，已知，已知3030余种。不同膜上具有不同的余种。不同膜上具有不同的RabRab，每一种细胞，每一种细胞器至少含有一种以上的器至少含有一种以上的RabRab。RabsRabs的作用是促

28、进和调节运输小的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。与衣被召集泡的停泊和融合。与衣被召集GTPGTP酶相似的是，起分子开关作酶相似的是，起分子开关作用，结合用，结合GDPGDP失活，位于细胞质中，结合失活，位于细胞质中，结合GTPGTP激活，位于细胞激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNAREsSNAREs复合体的形成。复合体的形成。RabsRabs的调节蛋白与其它的调节蛋白与其它G G蛋白的相似。蛋白的相似。RabsRabs还有许多效应因子（还有许多效应因子（effectoreffector），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAR