第8章蛋白质分选与膜泡运输上课

细胞生物学

CellBiology生命科学学院主讲教师：周凤

核糖体合成的蛋白质，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。在进化过程中每种蛋白形成了一个明确的地址签(addresstarget)，细胞通过对蛋白质地址签的识别进行运送，这就是蛋白质的分选(proteinsorting)。

蛋白质分选（proteinsorting）——指细胞合成的蛋白质通过自身的信号序列与靶细胞器的特定识别装置的相互作用，从而正确运输到行使功能部位的过程。

（简言之：蛋白质分选是一个将新合成的多肽运输到特定目的地的过程。）

第一节细胞内蛋白质的分选

细胞中蛋白质的合成都起始于细胞质基质中“游离”的核糖体，一些蛋白起始合成不久便转移到内质网上继续合成，另一些则停留在胞质核糖体上合成。

决定转移的因素是什么？

蛋白合成途径一、信号假说与蛋白质分选信号（一）信号序列的发现和证实1972年Milstein等发现骨髓瘤细胞中提取的免疫球蛋白分子的N端要比分泌到细胞外的免疫球蛋白分子N端的氨基酸序列多出一截，推测这段肽链具有信号作用。BlobelwithmembersofhislaboratoryGünterBlobelBlobel等（1975）提出信号假说，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成，获1999年诺贝尔生理医学奖。（二）信号假说

分泌蛋白的N端序列是信号序列（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。即信号序列控制着蛋白质在细胞内的转移与定位。

指导分泌蛋白在糙面内质网上合成的决定因素是蛋白质N端的信号肽。信号识别颗粒（SRP）和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白DP）等因子协助完成这一过程。

（三）蛋白质分选的原理

细胞内合成的蛋白质之所以能够定向地转运到特定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；其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sortingreceptor）。

（四）蛋白质分选信号

蛋白质分选信号的作用是：引导蛋白质从胞质溶胶进入内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体，也可以引导蛋白质从细胞核进入细胞质或从Golgi体进入内质网。这种分选信号的氨基酸残基有时呈线性排列，有时折叠成信号斑，（四）蛋白质分选信号1、信号肽（signalpeptide）引导新合成的肽链转移到内质网上合成的信号序列称为信号肽，位于新合成肽链的N端，一般16-26个氨基酸残基，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端三部分。作用：①通过与SRP（信号识别颗粒）的识别和结合,引导核糖体与内质网结合；②通过信号序列的疏水性，引导新生肽跨膜转运。又称开始转移序列（starttransfersequence）。信号肽没有严格的专一性。

信号肽的一级结构序列

信号肽的一级序列信号肽一级序列由疏水核心、C端和N端三个区域构成。以血清白蛋白和HIV-1型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例nhcN

蛋白血清清蛋白HIV-1gp160N信号酶作用位点MK-WVTFISSLLFLF-SSAYSMKVKEKYQHL-WRWGWRWGTMLLGMLMT-CSA甲硫氨酸侧链信号肽识别结构域核糖体结合结构域信号识别颗粒(SPR)的结构信号肽的一级序列

2、信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP）组成：由6种不同的蛋白质和一个7SRNA组成的核糖核蛋白复合体。有3个功能部位：信号肽识别结合位点（P54）翻译暂停结构域（P9/P14）DP结合位点（P68/P72）信号识别颗粒(SRP)的组成有三个功能部位：翻译暂停结构域(P9/P14)、信号肽识别结合位点(P54)、SRP受体蛋白（DP）结合位点(P68/P72)。15信号肽与信号识别颗粒将蛋白质引导到内质网，进入内质网后通常被切除与信号肽的疏水核心结合阻断新生肽链的翻译信号肽识别结构域CompanyLogo

3、SRP受体（停泊蛋白，dockingprotein，DP）

ER膜的整合蛋白，异二聚体：α亚基亲水性位于细胞质面；β亚基疏水性嵌入内质网膜内。可使SRP－信号肽－新生肽链－核糖体的复合体连接到ER膜上，使正在合成蛋白质的核糖体停泊在ER上。4、移位子（translocon）由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似于炸面圈的结构，直径2nm。哺乳动物细胞中有三种类型的Sec61，即α、β和γ。

5、停止转移序列（stoptransfersequence）又称终止转移肽，与内质网膜的亲合力很高，阻止肽链继续进入网腔，成为跨膜蛋白。移位子人工合成的新生蛋白链接子因子核糖体释放，易位子关闭。内质网细胞质关闭的易位子打开的易位子信号肽酶剪切掉的信号肽折叠的蛋白质NH+3信号肽信号识别颗粒SRPGDP+PiGTP76543218SRP受体1肽链延伸至80个氨基酸左右时，信号肽露出。2信号肽与信号识别颗粒结合，肽链延伸暂停。3信号识别颗粒(SRP)与内质网膜上的SRP受体结合并因GTP的加入结合而强化4信号肽耗能穿入内质网膜与易位子结合，使孔道打开，引导肽链以袢环形式在内质网腔中继续延伸。SPR则脱离返回并重新利用。5腔面上的信号肽酶切除信号肽并快速使其降解。6肽链继续延伸至完全合成。78蛋白质进入腔内并折叠。蛋白质分选定位的时空概念所谓蛋白质分选定位的时空概念包括两种含义:①合成的蛋白质何时转运?②合成蛋白质在细胞中定位空间及转运中所要逾越的空间障碍是什么?从时间上考虑,蛋白质的合成分选有两种情况:

①先合成,再分选；②一边合成一边分选。为了适于蛋白质分选的时间上的需要,核糖体在合成蛋白质时就有两种存在状态:游离的或与内质网结合的。二、蛋白质分选转运的基本途径与类型

（一）蛋白质分选的途径：

1、后翻译转运途径：在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体及细胞核，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白。特点：在游离核糖体上合成（先合成，后转运）；靶区：线粒体、过氧化物酶体、细胞核、细胞质基质或骨架

2、共翻译转运途径：蛋白质合成在游离核糖体上起始之后由信号肽引导转移至糙面内质网，然后新生肽边合成边转入糙面内质网中，再经高尔基体加工包装并由其膜泡运送至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外（还包括内质网和高尔基体中的蛋白质）。特点：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蛋白质分选的两条途径细胞质基质线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核粗面内质网溶酶体、细胞质膜、分泌到细胞外、留在高尔基体和内质网中高尔基体共翻译转运途径后翻译转运途径后翻译转运途径共翻译转运途径mRNA新生蛋白质内质网定向序列8内质网9101112高尔基体细胞核过氧化物酶体线粒体成熟的胞质蛋白质123457叶绿体6质膜溶酶体细胞表面(分泌)真核细胞蛋白质分选的主要途径与类型途径1表示核基因编码的mRNA在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成。途径2表示合成的蛋白质不含信号序列，并留在细胞质基质中。途径3.4.5分别表示通过跨膜转运方式转运至线粒体、叶绿体和过氧化物酶体。途径6表示通过门控转运方式转运至细胞核。途径7表示核基因编码的mRNA在细胞质基质游离核糖体上起始合成，然后在信号肽引导下与内质网膜结合并完成蛋白质合成（途径8）。途径9表示以膜泡运输方式从内质网转运至高尔基体。途径12、11、10表示以膜泡运输方式分选至质膜、溶酶体和分泌到细胞表面。SRP受体SRP和信号肽结合，使翻译暂停结合了SRP的核糖体被吸附在内质网膜的SRP受体上内质网膜新合成多肽链上的信号肽易位子共翻译转运内质网膜上的SRP受体翻译继续进行；蛋白质转运开始结合了SRP的核糖体附着在内质网膜的SRP受体上SRP和SRP受体从核糖体上脱落内质网膜无活性易位子有活性易位子共翻译转运信号肽酶切除信号肽，将成熟蛋白质释放到内质网腔室中信号肽酶共翻译转运分泌性蛋白在内质网上合成的共翻译转运过程①分泌性蛋白质合成的起始②信号肽与SRP结合③核糖体附着到内质网上④SRP释放与蛋白质转运通道打开⑤信号肽与通道中受体结合⑥信号肽酶切除信号肽信号肽就好比特异的火车车身，信号识别颗粒就好比火车头，带领着新生肽开往内质网上的DP火车站。

共翻译转运过程信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→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→翻译体系解散。（二）蛋白质转运的类型：

1、蛋白质的跨膜转运：在细胞质基质中合成的蛋白质通过跨膜通道转运到内质网、线粒体、质体和过氧化物酶体等细胞器；2、膜泡运输：通过不同类型的转运小泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体，进而分选转运至细胞的不同部位；3、选择性的门控转运：通过核孔复合体选择性的核输入和核输出；4、细胞质基质中蛋白质的转运：可能与细胞骨架系统相关。门控转运跨膜转运膜泡转运

在游离核糖体上起始合成

SRP结合信号肽后暂停翻译

SRP与RER上的DP结合信号肽与移位子结合，打开孔道

SRP脱离，肽链合成重启信号肽被切除、降解肽链合成终止，核糖体释放，肽链折叠蛋白向RER跨膜转运膜泡转运跨膜转运门控转运细胞中各部位(包括细胞质)中的蛋白质都是来自胞质溶胶（细胞质基质）,不过内质网以上的细胞器,包括细胞核、线粒体、过氧化物酶体和质体所需蛋白是由胞质溶胶直接运送的。而从内质网以下的各种细胞器,包括内质网、高尔基体、溶酶体、内体、分泌泡、细胞质膜以及细胞外基质等所需的蛋白质虽然起始于胞质溶胶,但要经过内质网和高尔基体的中转。蛋白质转运的四种类型

蛋白质在核孔运输和膜泡运输中可保持折叠的形式,但在跨膜运输中必须解折叠,定位后再进行折叠。无论是何种运输方式都需要消耗能量。膜泡运输4

Roadmapofproteinsorting蛋白质的跨膜转运；膜泡运输；选择性门控转运；细胞质基质中的蛋白质转运内质网定向信号序列细胞表面（分泌）溶酶体质膜成熟的胞质蛋白通过门控转运方式转运至细胞核跨膜转运方式运至线粒体、叶绿体和过氧化物酶体

第二节细胞内膜泡运输

一、膜泡运输概观细胞内膜系统之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。各类运输泡之所以能够被准确地运到靶细胞器，主要取决于膜的表面识别特征。大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。转运膜泡形成或出芽发生在膜的特异部位：蛋白信号与受体结合的部位膜泡运输还形成了细胞内膜流(membraneflow)蛋白质的分泌与胞吞途径概观

在细胞合成与分泌途径中，不同膜组分之间三种不同的膜泡运输方式:1、COPII包被膜泡介导从内质网高尔基体的运输，顺向运输；2、COPI包被膜泡负责将蛋白从高尔基体运回内质网，逆向运输；3、网格蛋白/接头蛋白包被膜泡介导从高尔基体TGN质膜、胞内体、溶酶体或植物液泡等的运输；在受体介导的胞吞途径也负责将物质从质膜内吞泡(细胞质)

胞内体溶酶体运输。网格蛋白胞内体配体的受体包被出牙三种包被膜泡

（1）网格蛋白/接头蛋白包被膜泡（2）COPII包被膜泡（3）COPI包被膜泡（一）包被类型已知三类：网格蛋白（clathrin）COPICOPII主要作用：选择性地将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；如同模具一样决定运输小泡的外部特征。1、网格蛋白包被膜泡包被结构：3重链、3轻链组成，三个二聚体形成包被的基本结构单位--三脚蛋白复合体(triskelion)。三脚蛋白复合体再组装成六边形或五边形网格结构，即包被亚基，然后由这些网格蛋白亚基组装成网格蛋白包被膜泡。网格蛋白接头蛋白受体膜蛋白可溶性货物蛋白（1）网格蛋白包被膜泡结构网格蛋白包被膜泡在结构上包括两部分：外：由网格蛋白构成的蜂巢样的外层网络，形成结构骨架内：由接头蛋白构成的内壳，覆盖在面向细胞质基质侧的膜泡表面发源于高尔基体的TGN区。网格蛋白的三脚蛋白复合体;

网格蛋白包被亚基;

网格蛋白包被膜泡网格蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C包被模型网格蛋白包被膜泡的形态

接头蛋白（adaptin，AP）：连接包被与受体

可分别与网格蛋白和被转运的分子相结合，能催化网格蛋白的聚合、捕获转运分子。（2）网格蛋白包被膜泡的形成包被小窝（clathrin-coatedpit）的形成；网格蛋白包被膜泡的形成；脱包被：无被小泡的形成。分为三个基本过程：50（2）网格蛋白包被膜泡的形成a.配体同膜表面特异受体结合,网格蛋白装配的亚基结合上去,使膜凹陷成小窝状。b.通过出芽的方式形成小泡,在发动蛋白的作用下与质膜割离。

c.一旦从TGN区出芽形成转运泡，网格蛋白包被脱落，成为无被小泡，转运到相应靶膜、溶酶体、液泡或质膜。发动蛋白：膜泡颈部，水解GTP使膜泡释放

发动蛋白在网格蛋白小泡形成过程中同出芽的颈部结合，一旦小泡装配完成，发动蛋白立即水解其本身结合的GTP从而将小泡与质膜切离。TGNTGN发动蛋白细胞质基质GTPGDP+Pi可溶性货物蛋白整合货物蛋白整合受体蛋白接头蛋白网格蛋白包被网格蛋白包被膜泡2、COPI包被膜泡来源：由高尔基复合体产生，属于非网格蛋白包被膜泡。组成：由7种蛋白组成，COPαββ’γδεζ

。装配：装配与去装配依赖于ARF功能：回收、转运内质网逃逸蛋白（escapedproteins）返回内质网；也可介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。回收信号：网腔的蛋白质是KDEL，膜蛋白是KKXX。装配反应因子（assemblyreactionfactor，ARF）ARF是一种GTPase。装配反应因子被认为是包被蛋白复合物（coatomer）的装配和去装配的信号。当ARF同GDP结合时，游离存在于胞质溶胶中，若同GTP结合，GTP使ARF的构型发生改变，暴露出它的脂肪酸链，并随即插入到供体膜中。一是转运膜泡将驻留蛋白有效排斥在外，防止出芽转运；二是对逃逸蛋白的回收机制：通过识别驻留蛋白C端回收信号（KDEL）的特异性受体，以COPI包被膜泡的形式捕获逃逸蛋白。细胞器中维持蛋白质的两种机制对逃逸蛋白的回收内质网腔驻留蛋白高浓度被错误包装进COPII小泡并逃逸到高尔基体驻留蛋白携带的KDEL回收信号序列与定位在高尔基体CNG及COPI上的KDEL受体结合，形成COPI小泡，返回内质网内质网的膜蛋白（eg.SRP受体）C端有一个不同的回收信号KKXX与COPI包被结合，促进其返回ER。防损失CopIandIIVesiclesLys-Asp-Glu-Leu（KDEL）回收信号驻留蛋白3、COPⅡ包被膜泡（1）结构组分Sar1：GTP酶，结合GDP失活，结合GTP活化；调节包被的装配和去装配；召集其他包被蛋白形成包被。Sec23/Sec24复合体：和Sar1一起构成包被内层。Sec13/Sec31复合体：构成包被外层。Sec16：可能作为骨架蛋白起作用。Sec12：Sar1的鸟苷酸交换因子。（2）分选信号：位于跨膜蛋白胞质面，形式多样，常包含二酸（如Asp-X-Glu）分选信号。（3）形成：

COPII包被膜泡由ER出芽形成COPIICoatedvesicle

COPⅡ包被膜泡的形成过程（二）包被形成包被召集GTP酶：为G蛋白，起分子开关的作用，结合GDP的形式没有活性，位于细胞质中，结合GTP而活化，转位至膜上，能与包被蛋白结合，促进核化和组装。包括ARF和SAR1。ARF：参与clathrin和COPI包被的形成。SAR1：参与COPII包被的形成。ER上形成COPII小泡时，SAR1交换GDP/GTP而激活。激活的SAR1暴露出脂肪酸链尾巴，插入ER膜，促进有被蛋白的核化和组装。SAR1可激活磷脂酶D，将一些磷脂水解，使有被蛋白牢固地结合在膜上。当小泡从膜上释放后，有被很快就解体。

二、COPⅡ包被膜泡的装配与运输

COPⅡ包被膜泡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。COPII包被膜泡是通过可溶性包被蛋白COPⅡ复合物在内质网膜上组装形成的。COPII包被膜泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。GDPDTP无活性可溶Sar1-GDPGDPGTP脂肪酸尾有活性膜结合的Sar1-GTP内质网鸟苷酸交换因子Sar1内质网膜COPⅡ亚基选择性膜蛋白COPⅡ蛋白有被小泡COPIIVesicles三、COPI包被膜泡的装配与运输

COPI包被膜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内质网膜泡转运，回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。C