蛋白質(zhì)分選與膜泡運(yùn)輸

1、山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院第一節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)膜泡第一節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選一、信號(hào)假說(shuō)與蛋白質(zhì)分選信號(hào)二、蛋白質(zhì)分選的基本途徑與類(lèi)型三、蛋白質(zhì)向線粒體、葉綠體和過(guò)氧化物酶體的分選一、膜泡觀二、COPII包被膜泡的裝配與三、COPI包被膜泡的裝配與四、網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的裝配與五、轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜的錨定和融合六、細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝內(nèi)膜系統(tǒng)的駐留蛋白、胞質(zhì)游離核糖體外蛋白、于細(xì)胞 核、線粒體、葉綠體、過(guò) 氧化物酶體 及基質(zhì)中的 蛋白膜蛋白粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核糖體 1972年Milstein和他同事用分離純化的核糖體在非細(xì)胞體系中用編碼免疫球蛋白輕鏈的mRNA指導(dǎo)多肽，發(fā)現(xiàn)的多肽比到細(xì)胞

2、外的成免疫球蛋白在N端有一段多出的肽鏈。 這一段多肽鏈只出現(xiàn)在過(guò)程中，而不出現(xiàn)在成蛋白中，推測(cè)這段肽鏈具有信號(hào)作用。如果蛋白質(zhì)在過(guò)程中的確存在一段具有信號(hào)作用的肽段，利用這一肽段實(shí)現(xiàn)蛋白的目的還需要什么條件？胞質(zhì)游離的核糖體上開(kāi)始向粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的轉(zhuǎn)移粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上完成向胞外 引導(dǎo)新的肽鏈轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的信號(hào)序列稱(chēng)為信號(hào)肽，位于新肽鏈的N端或中部，一般有16-26個(gè)氨基酸殘基。由于信號(hào)肽又是引導(dǎo)肽鏈進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的一段序列，又稱(chēng)開(kāi)始轉(zhuǎn)移序列（starttransfer sequence）。肽鏈的N端，一般有16-26個(gè)氨基酸殘基，包信號(hào)肽位于新括疏水區(qū)（h)、信號(hào)肽的C端和N端三部分。信號(hào)肽沒(méi)有嚴(yán)格的

3、專(zhuān)一性，目前尚未發(fā)現(xiàn)共同的信號(hào)序列。SRP是由蛋白和RNA 白體。于細(xì)胞質(zhì)中，的核糖SRP上有3個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：1.2.3.信號(hào)肽識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)；翻譯暫停結(jié)構(gòu)域；SRP受體蛋白結(jié)合位點(diǎn)。于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，是異二聚體的膜整合蛋白。 其作用是與SRP發(fā)生特異結(jié)合，將多肽鏈從胞質(zhì)拉到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。易位子是于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，由3-4個(gè)Sec61蛋白復(fù)合體的一個(gè)類(lèi)似于炸面圈的結(jié)構(gòu)。信號(hào)假說(shuō)共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑 開(kāi)始轉(zhuǎn)移序列：蛋白質(zhì)氨基末端的信號(hào)序列除作為信號(hào)被SRP識(shí)別外，還具有起始穿膜轉(zhuǎn)移的作用。 停止轉(zhuǎn)移序列：肽鏈中還有某些序列與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜具有很強(qiáng)的親和力而結(jié)合在脂雙層之中，這段序列不再轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，稱(chēng)為停止轉(zhuǎn)移序列。

4、 起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列的數(shù)目決定多肽跨膜次數(shù)。多肽鏈的與信號(hào)序列氨基端與羧基端哪個(gè)所帶的正電荷相對(duì)較多有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，帶正電荷較多的一側(cè)朝向細(xì)胞質(zhì)一側(cè)。 線粒體、葉綠體中的絕大多數(shù)蛋白質(zhì)以及過(guò)氧化物酶體中的蛋白質(zhì)也是在某種信號(hào)序列的指導(dǎo)下進(jìn)入這些細(xì)胞器中，這些序列稱(chēng)為導(dǎo)肽。其基本的特征是蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中以后再轉(zhuǎn)移到這些細(xì)胞器中，稱(chēng)為后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)（post translocation）。蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移過(guò)程需要ATP使多肽去折疊，還需要一些蛋白質(zhì)的幫助（如熱休克蛋白Hsp70）使其能夠正確地折疊成有功能的蛋白。 細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)之所以能夠定向的轉(zhuǎn)運(yùn)到特定的細(xì)胞器取決于兩個(gè)方面：其一是蛋白質(zhì)中

5、包含特殊的信號(hào)序列；其二是細(xì)胞器上特定的信號(hào)識(shí)別裝置分選受體。信號(hào)功能舉 例蛋白進(jìn)入ER+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Ler-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe- Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-滯留在ER中-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-蛋白進(jìn)入線粒體+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu

6、-Leu-進(jìn)入細(xì)胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-進(jìn)入過(guò)氧化物酶體-Ser-Lys-Leu-后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑：在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)游離核糖體上完成多肽鏈，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至膜的細(xì)胞器，如線粒體、葉綠體、過(guò)氧化物酶體及細(xì)胞核，或者成為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的可溶性駐留蛋白和支架蛋白；共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑：蛋白質(zhì)在游離核糖體上起始之后由信號(hào)肽引導(dǎo)轉(zhuǎn)移至粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，然后新生肽邊邊轉(zhuǎn)入粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，再經(jīng)高爾基體包裝運(yùn)至溶酶體、細(xì)胞質(zhì)膜或到細(xì)胞外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體本身的蛋白也是通過(guò)這條途徑分選的。蛋白質(zhì)分選的轉(zhuǎn)運(yùn)方式分選類(lèi)型1.2.3.4.蛋白質(zhì)的跨膜膜泡選擇性的門(mén)控細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn) 后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑

7、中轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體、葉綠體和過(guò)氧化物酶體等細(xì)胞器的蛋白質(zhì)分選是一個(gè)多步過(guò)程，需要多個(gè)不同的靶向序列，在轉(zhuǎn)運(yùn)肽和基它空間定們信號(hào)序列的指導(dǎo)下，通過(guò)膜上的輸入裝置，細(xì)胞將不同的蛋白質(zhì)胞器的不同區(qū)域。到這些細(xì) 膜泡是蛋白的一種特有的方式，普遍存在于真核細(xì)胞中。在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中不僅涉及蛋白本身的修飾、和組裝，還涉及到多種不同膜泡定向程。及其復(fù)雜的調(diào)控過(guò)在細(xì)胞勻漿和超速離心過(guò)程中，由破碎的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的近似球形的囊泡結(jié)構(gòu)稱(chēng)為微粒體。雖然這是形態(tài)上的人工產(chǎn)物，但在生化研究中常把它與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等同。（一）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本類(lèi)型（二）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能1、蛋白質(zhì)的是糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能2、光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是脂類(lèi)3、蛋白質(zhì)的修飾與4、新生

8、多肽的折疊與組裝5、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其它功能（三）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及其信號(hào)調(diào)控的重要場(chǎng)所 細(xì)胞中蛋白質(zhì)的都是起始于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中游離核糖體。 在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的蛋白包括蛋白，整合膜蛋白、內(nèi)膜系統(tǒng)各種細(xì)胞器內(nèi)的可溶性蛋白（需要或修飾）。 其它的多肽是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是游離核糖體上的。包括細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的駐留蛋白、質(zhì)膜外周蛋白、核輸入蛋白、轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體、葉綠體和過(guò)氧化物酶體的蛋白。ER細(xì)胞所需的絕大多數(shù)膜脂，包括磷脂和膽固醇，但鞘磷脂和糖脂及部分線粒體和葉綠體的單一脂類(lèi)除外。促化磷脂的磷脂酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，其活性部位在膜的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)。磷脂轉(zhuǎn)位因子可將新向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面。的脂類(lèi)會(huì)由細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)轉(zhuǎn)磷脂的轉(zhuǎn)運(yùn) 在磷脂轉(zhuǎn)位因子的作

9、用下，新的脂類(lèi)會(huì)由細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)轉(zhuǎn)向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面。它對(duì)含膽堿的磷脂（鞘磷脂和磷脂酰膽堿） 要比對(duì)含絲氨酸、乙醇胺和肌醇的磷脂轉(zhuǎn)位能力強(qiáng)，因此導(dǎo)致了磷脂在膜上分布的不對(duì)稱(chēng)性。ER膜質(zhì)膜出芽 在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)通常要發(fā)生四種基本修飾：發(fā)生在ER和高爾基體的蛋白質(zhì)糖基化在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成二硫鍵蛋白質(zhì)折疊和多亞基蛋白的裝配在ER、高爾基體和泡發(fā)生特異性的蛋白質(zhì)水解切割 N-連接的糖基化起始于ER，結(jié)束于高爾基體。糖基連接到天冬酰胺的氨基N上。 O-連接的糖基化發(fā)生于高爾基體中，糖基連接到Ser/Thr的羥基O上。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔是非還原性的環(huán)境，極易形成二硫鍵。蛋白二硫鍵異構(gòu)酶（protein disulfide i

10、somerase，PDI）切斷二硫鍵，幫助新正確折疊的狀態(tài)。的蛋白重新形成二硫鍵并處于結(jié)合蛋白（Binding protein，Bip，chaperone）識(shí)別不正確折疊的蛋白或未組裝好的蛋白亞新折疊與組裝。，并促進(jìn)它們重蛋白二硫鍵異構(gòu)酶和Bip等蛋白都具有KDEL 或 HDEL 4肽信號(hào)以保證它們滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。 肝細(xì)胞的解毒作用（Detoxification）：肝細(xì)胞中存在細(xì)胞色素P450酶系，在這些酶的作用下，可以使在光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的不溶于水的毒物或代謝產(chǎn)物羥基化而完全溶于水的物質(zhì)，并通過(guò)尿液排出體外。 類(lèi)固醇激素的 儲(chǔ)存鈣離子：肌質(zhì)網(wǎng)膜上的Ca2+-ATP酶將細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+ 泵入肌

11、質(zhì)網(wǎng)腔中。 為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中很多蛋白提供了附著位點(diǎn)。（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性（二）高爾基體的功能高爾基體的主要功能是將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的多種蛋白質(zhì)進(jìn)行、分類(lèi)與包裝，然后分門(mén)別類(lèi)地運(yùn)送到細(xì)胞特定的部位或到細(xì)胞外。1、高爾基體與細(xì)胞的活動(dòng)2、蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾3、蛋白酶的水解和其他過(guò)程（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性電鏡下高爾基體是由扁平膜囊和大小不等的囊泡高爾基體是一種有極性的細(xì)胞器高爾基體各部膜囊的種標(biāo)志細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)的3個(gè)部分組成，每一部分又可高爾基體至少由互相能劃分出更精細(xì)的間隔 溶酶體酶的包裝與分行途徑 可調(diào)節(jié)性途徑 組成型途徑 糖基化的蛋白質(zhì)寡糖鏈具有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊和增強(qiáng)蛋白穩(wěn)定性的作用。

12、蛋白質(zhì)糖基化修飾使不同蛋白質(zhì)攜帶不同標(biāo)志，以利于在高爾基體進(jìn)行分行與包裝，同時(shí)保證糖蛋白從糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體膜囊單向轉(zhuǎn)移。 細(xì)胞表面的寡糖鏈可通過(guò)與凝集間的特異性作用，直接介導(dǎo)細(xì)胞間的雙向通訊，或參與分化、發(fā)育等多種過(guò)程。 寡糖鏈可作為生物之間的識(shí)別。標(biāo)志參與機(jī)體細(xì)胞間識(shí)別，以及宿主細(xì)胞與病原微特征N-連接O-連接部位粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)主要在高爾基體方式來(lái)自同一個(gè)寡糖前體一個(gè)個(gè)單糖加上去與之結(jié)合的氨基酸殘基天冬酰氨絲氨酸、蘇氨酸、羥脯、羥賴最終長(zhǎng)度至少5個(gè)糖殘基1-4個(gè)糖殘基第一個(gè)糖殘基N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺 無(wú)生物活性的蛋白原Ú高爾基體Ú切除N端或兩端的序列Ú

13、;成多肽。 蛋白質(zhì)前體Ú高爾基體Ú水解Ú同種有活性的多肽，如神經(jīng)肽等。 含有不同信號(hào)序列的蛋白質(zhì)前體Ú高爾基體Ú 同一種蛋白質(zhì)前體Ú不同細(xì)胞以不同的方式成不同的產(chǎn)物。Ú不同的多肽。方式多樣性的可能：²確保小肽的有效；²彌補(bǔ)缺少包裝并轉(zhuǎn)運(yùn)到²有效地防止這些活性物質(zhì)在泡中的必要信號(hào)；它的細(xì)胞內(nèi)起作用。溶酶體幾乎存在于所有的動(dòng)物細(xì)胞中。溶酶體是單層、內(nèi)含多種酸性水解酶類(lèi)的囊泡狀細(xì)胞器。其主要膜功能是進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的消化作用。（一）溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與類(lèi)型（二）溶酶體的功能（三）溶酶體的發(fā)生（四）溶酶體與疾病

14、溶酶體是一種異質(zhì)性（heterogenous）的細(xì)胞器，不同溶酶體的形態(tài)大小、甚至其中所包含的水解酶的種類(lèi)都有很大的不同。溶酶體的類(lèi)型溶酶體膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 溶酶體根據(jù)處于其生理功能的不同階段，大致可分為初級(jí)溶酶體、次級(jí)溶酶體和殘。 嵌有質(zhì)子泵，利用ATP水解以形成和維持酸性的內(nèi)環(huán)境；的能量將H+泵處溶酶體內(nèi)， 具有多種載體蛋白用于水解產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運(yùn)； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解，以保持其穩(wěn)定。1、清除無(wú)用的生物大、衰老的細(xì)胞器及衰老損傷和的細(xì)胞2、防御功能3、其它重要的生理功能作為細(xì)胞內(nèi)的消化“”為細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)；腺細(xì)胞中，溶酶體攝入顆粒參與過(guò)程的調(diào)節(jié)參與清除贅生組織或退行性變

15、化的細(xì)胞；（acrosome）反應(yīng)過(guò)程中的的并經(jīng)N-連接的糖基化基礎(chǔ)修溶酶體酶是在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上飾，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體，在高爾基體的cis面膜囊中寡糖鏈上的甘露糖殘基被磷酸化形成M6P，在高爾基體trans面膜囊和TGN膜上存在M6P受體，溶酶體酶通過(guò)與其受體結(jié)合得以濃縮，最后以出芽的形式轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體中。分選途徑多樣化以出芽的方式轉(zhuǎn)運(yùn)到前溶酶體溶酶體酶分選與局部濃縮高爾基體trans-膜囊和TGN膜（M6P受體）磷酸化識(shí)別信號(hào)：信號(hào)斑M(jìn)6P磷酸葡萄糖苷酶N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶高爾基體cist膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化溶酶體酶的及N-連接的糖基化修飾（RER） 溶酶體酶或溶酶體酶的代謝環(huán)節(jié)

16、故障，影響細(xì)胞代謝，引起疾病。如臺(tái)-薩氏（Tay-Sachs）等各種儲(chǔ)積癥。 溶酶體吞入了不能消化的成分，從而造成溶酶體膜破裂，出其中的水解酶，最終導(dǎo)致細(xì)胞噬二氧化硅所引起的矽肺和石棉肺。如肺部細(xì)胞吞 某些病原體（麻瘋桿菌、利什曼原蟲(chóng)或）被細(xì)胞攝入，進(jìn)入吞噬泡但并未被殺死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞內(nèi)體中的酸性環(huán)境）過(guò)氧化物酶體又稱(chēng)微體(microbody)，是由單層膜含一種或幾種氧化酶類(lèi)的異質(zhì)性細(xì)胞器。的內(nèi)（一）過(guò)氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別（二）過(guò)氧化物酶體的功能（三）過(guò)氧化物酶體的發(fā)生特征溶酶體過(guò)氧化物酶體形態(tài)大小多為球形，直徑0.2- 0.5m，無(wú)酶晶體球形，哺乳動(dòng)物中直徑多為0.15

17、-0.25m， 內(nèi)常有酶晶體酶種類(lèi)酸性水解酶含氧化酶類(lèi)pH值5左右7左右是否需氧不需要需要功能細(xì)胞內(nèi)的消化作用多種功能發(fā)生酶在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成經(jīng)高爾基體出芽形成酶在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)裝配形成標(biāo)志酶酸性磷酸酶過(guò)氧化氫酶 動(dòng)物細(xì)胞（肝細(xì)胞或腎細(xì)胞）中的過(guò)氧化物酶體過(guò)氧化物酶體可氧化分解血液中的成分，起到解毒的作用。 過(guò)氧化物酶體分解脂肪酸等高能向細(xì)胞直接提供熱量。 在植物細(xì)胞中過(guò)氧化物酶體的功能：²在綠色植物葉肉細(xì)胞中，它催化CO2固定反應(yīng)副產(chǎn)物的氧化，即光呼吸反應(yīng)。²乙醛酸循環(huán)反應(yīng)，在萌發(fā)過(guò)程中，過(guò)氧化物酶體降解儲(chǔ)存的脂肪酸Ú乙酰輔酶AÚ琥珀酸Ú葡萄糖。

18、過(guò)氧化物酶體經(jīng)進(jìn)一步裝配形成成后形成子代的細(xì)胞器，子代的過(guò)氧化物酶體還需要細(xì)胞器。 組成過(guò)氧化物酶體的蛋白均由核然后轉(zhuǎn)運(yùn)到過(guò)氧化物酶體中。編碼，主要在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中， 過(guò)氧化物酶體蛋白分選的信號(hào)序列（Peroxisomal-targeting signal，PTS）：² PTS1為Ser-lys-leu，多存在于基質(zhì)蛋白的C端。² PTS2為Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基質(zhì)蛋白的N端。²過(guò)氧化物酶體膜上存在幾種可與信號(hào)序列相識(shí)別的可能的受體。 過(guò)氧化物酶體的膜脂可能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上后轉(zhuǎn)運(yùn)而來(lái)。COPII包被膜泡介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)順向，即負(fù)責(zé)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)。COPII包的蛋白組成：GTP結(jié)合蛋白Sar1小Sec23/Sec24復(fù)合物Sec13/Sec14復(fù)合物蛋白Sec16COPI包被介導(dǎo)細(xì)胞骨膜泡逆向，負(fù)責(zé)從高爾基體膜囊到高爾基體順面膜囊以及從高爾基體順面膜囊到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜泡。COPI包含七種不同的蛋白質(zhì)亞基和調(diào)節(jié)膜泡轉(zhuǎn)運(yùn)