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细胞生物学蛋白质分选与膜泡运输省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、细胞生物学教学课件第八章第八章第十二章第十二章第1页第八章蛋白质分选与膜泡运输第一节细胞内蛋白质分选第二节细胞内膜泡运输第2页第一节细胞内蛋白质分选真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少许蛋白质外,绝大多数蛋白质都是由核基因编码,起始合成均发生在游离核糖体上,然后或在细胞质基质(游离核糖体)中完成翻译过程,或在粗面内质网膜结合核糖体上完成合成。然而,蛋白质发挥结构或功效作用部位几乎遍布细胞各种区间或组分。所以必定存在不一样机制以确保蛋白质分选,转运至细胞特定部位,也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功效复合体,才能参加实现细胞各种生命活动。这一过程称蛋白质分选(proteinsorting
2、)或蛋白质寻靶(proteintargeting)。蛋白质分选不但确保了蛋白质正确定位,也确保了蛋白质生物学活性。实际上,蛋白质分选主要依靠蛋白质本身信号序列,从蛋白质起始合成部位转运到其功效发挥部位过程。一、信号假说与蛋白质分选信号二、蛋白质分选转运基本路径与类型三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化酶体分选第3页一、信号假说与蛋白质分选信号细胞质游离核糖体产生非分泌蛋白,内质网附着核糖体产生分泌蛋白。核糖体没有结构差异,假设存在于蛋白质本身。信号假说(signalhypothesis):分泌蛋白可能携带N端短信号序列,一旦该序列从核糖体翻译合成,结合因子和蛋白结合,指导其转移到内质网膜,后续翻
3、译过程将在内质网膜上进行。现在已知,信号假说是解释分泌性蛋白在糙面内质网上合成主要理论,该过程是包含蛋白质N端信号肽、信号识别颗粒和内质网膜上信号识别颗粒受体(又称停泊蛋白)等因子共同帮助完成。信号肽(signalpeptide):信号肽位于蛋白质N端,普通由1626个氨基酸残基组成,其中包含信号肽疏水关键区、N端和C端等3部分;原核细胞一些分泌性蛋白N端也含有信号序列。值得注意是,信号肽似乎没有严格专一性(好利用!)。第4页信号肽一级结构序列(图8-1)第5页信号识别颗粒(signalrecognitionparticle,SRP):信号识别颗粒是由6种不一样蛋白质和一个7S小RNA分子组成
4、RNP颗粒。SRP含有2种结构域,即信号肽识别结构域和核糖体结合结构域,其中信号肽识别结构域中p54蛋白是一个包含成簇Met残基GTP酶,Met侧链与信号肽疏水关键结合;当SRP与信号肽结合后,核糖体结合结构域中p9和p14蛋白复合体阻断新生肽链翻译。SRP通常存在于细胞质基质中,等候信号肽从多核糖体上延伸暴露出来,SRP既可与新生信号肽序列和核糖体大亚基结合,又可与内质网膜上SRP受体结合,指导新生多肽及核糖体和mRNA附着到内质网膜上。信号识别颗粒受体(又称停泊蛋白,dockingprotein,DP):DP是内质网膜整合蛋白,由和亚基组成,可特异地与SRP结合。亚基可结合GTP。信号肽酶
5、(signalpeptidase):内质网腔面上蛋白水解酶,负责切除并快速降解新生多肽N端信号肽序列。第6页信号识别颗粒(SRP)结构示意图(图8-2)第7页在非细胞系统中蛋白质翻译过程与SRP、DP和微粒体关系(表8-1)第8页分泌性蛋白合成与跨越内质网膜共翻译转运图解(图8-3)共翻译转运(cotranslationaltranslocation):分泌蛋白向rER腔内转运是同蛋白质翻译过程偶联进行,这种蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运过程称为共翻译转运。第9页膜蛋白共翻译转运机理膜蛋白共翻译转运包括几个问题:(1)靠疏水区滞留在内质网膜上;(2)单次跨膜和屡次跨膜;(3)跨膜段定向。开
6、始转移序列(starttransfersequence):位于新生肽链N端信号序列(信号肽)(最终不保留),既可被SRP识别,又可引导新生肽链开始穿膜转移。内部信号锚定序列(internalsignal-anchorsequence,SA):位于新生肽链内部疏水序列,既是信号序列,又是肽链跨膜锚定在脂双层中序列。内部停顿转移锚定序列(internalstop-transferanchorsequence,STA):位于新生肽链内部疏水序列,既是肽段终止转移,又是肽链跨膜锚定在脂双层中序列。屡次跨膜蛋白:含有多个SA和多个STA肽链将成为屡次跨膜蛋白。跨内质网膜肽段取向:普通而言,带正电荷氨基酸
7、残基多一端,或带正电荷氨基酸残基多一侧,朝向细胞质基质一侧(外侧)。第10页内质网膜整合蛋白拓扑学类型(图8-4)STA:内部停顿转移锚定序列SA:内部信号锚定序列第11页线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白质信号序列特称为导肽(leaderpeptide),其基本特征是蛋白质在细胞质基质中游离核糖体上合成以后再转移到这些细胞器中,所以称这种翻译后再转运方式为翻译后转运(post-translationaltranslocation)。这种转运方式在蛋白质跨膜过程中不但需要消耗ATP使多肽去折叠,而且还需要跨膜后由分子伴侣帮助蛋白质再正确折叠形成有功效蛋白。继信号假说提出与确证后,人们又发觉一系列
8、蛋白质分选信号序列,统称信号序列(signalsequence),而且有些信号序列还可形成三维结构信号斑(signalpatch),指导蛋白靶向转运和定位。第12页指导蛋白质从细胞基质转运到细胞器靶向序列主要特征(表8-2)第13页二、蛋白质分选转运基本路径与类型核基因编码蛋白质分选大致可分2条路径:(1)共翻译转运(cotranslationaltranslocation)路径:即蛋白质合成在游离核糖体上起始之后,由信号肽和与之结合SRP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腔或定位在ER膜上,经转运膜泡运到高尔基体加工包装再分选至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外。这种蛋白在信
9、号肽引导下边翻译边跨膜转运过程称为共翻译转运。注意:内质网和高尔基体本身蛋白质分选也按此路径来完成。(2)翻译后转运(post-translationaltranslocation)路径:即蛋白质在细胞质基质游离核糖体上合成以后,再转移到膜围绕细胞器,如细胞核、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体,或者成为细胞质基质可溶性驻留蛋白和骨架蛋白。酵母中有些分泌蛋白由结合ATP分子Bip蛋白(Bip-ATP)与膜整合蛋白Sec63复合物相互作用,水解ATP提供动力驱动翻译后转运路径,即分泌蛋白在细胞质基质游离核糖体上合成后,再转运至内质网中。第14页真核细胞蛋白质分选主要路径与类型(图8-5)左:共翻译转运
10、右:翻译后转运第15页依据蛋白质分选机制或转运方式不一样,又可将蛋白质转运分为4类:(1)跨膜转运(transmembranetransport):指共翻译转运路径中蛋白质边合成边转运进入内质网腔或插入内质网膜;另指翻译后转运路径中蛋白质在合成后依不一样机制转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器。(2)膜泡运输(vesiculartransport):蛋白质被不一样类型转运膜泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体进而再分选转移至细胞不一样部位,其中包括供体膜出芽形成不一样转运膜泡、膜泡运输和转运膜泡与靶膜融合等过程。(3)选择性门控转运(gatedtransport):在游离核糖体上合成蛋白
11、质经过核孔复合体在核-质间双向选择性地完成核输入或核输出。(4)细胞质基质中蛋白质转运:蛋白质在细胞质基质中转运显然与细胞骨架系统亲密相关,其它不明。第16页三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化酶体分选转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器蛋白质分选是一个多步过程,需要多个不一样靶向序列(targetingsequence)。定位到叶绿体前体蛋白N端含有4050个氨基酸组成转运肽(transitpeptide),用以指导多肽定位到叶绿体并深入穿过叶绿体被膜进入基质或类囊体中。转运到线粒体和过氧化物酶体蛋白质靠是线粒体蛋白N端导肽(leaderpeptide)或过氧化物酶体蛋白C端靶向序列(t
12、argetingsequence)。注意:蛋白质最终定位还需要其它空间定位信号;蛋白质必须在分子伴侣帮助下解折叠或维持非折叠状态,以利于经过膜;蛋白质输入通常需要能量。第17页(一)蛋白质从细胞质基质输入到线粒体1.线粒体蛋白从细胞质基质输入到线粒体基质:两性N端靶向信号序列(形成螺旋构象)对于指导蛋白质输入线粒体基质是至关主要;需要分子伴侣胞质蛋白Hsc70和线粒体基质蛋白Hsc70帮助;需要从内外膜接触点Tom(外膜移位子)和Tim(内膜移位子)处输入。2.线粒体蛋白以3种路径从细胞质基质输入到线粒体内膜:路径A:含有N端基质靶向序列和内部停顿转移序列;路径B:含有N端基质靶向序列和内部疏
13、水Oxa1靶向序列(内膜蛋白Oxa1所识别);路径C:没有N端基质靶向序列,含有多个内部靶向序列;倆种膜间隙蛋白(Tim9/10)为外膜与内膜之间转运分子伴侣。3.线粒体蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙:路径A:含有N端基质靶向序列和内部间隙靶向序列(其过程类似内膜蛋白路径A,需要内膜上蛋白酶于膜间隙一侧切割释放。);路径B:经过外膜Tom40孔直接进入膜间隙。第18页经过后翻译转运路径对核基因编码线粒体蛋白转运(图8-6)A:线粒体蛋白从细胞质基质输入到线粒体基质B:线粒体蛋白经过3种路径从细胞质基质输入到线粒体内膜C:线粒体蛋白经过2种路径从细胞质基质输入到线粒体膜间隙第19页(二)叶
14、绿体基质蛋白与类囊体蛋白靶向输入进入基质与线粒体相同:叶绿体前体蛋白含有N端叶绿体(基质)靶向序列和类囊体靶向序列,进入基质与线粒体相同:如前体蛋白非折叠,依赖于基质Hsc70水解ATP提供能量。但与线粒体不一样是:不产生跨内膜电化学梯度。进入基质后不一样蛋白转运路径不一样:一个是叶绿体SRP依赖路径(与蛋白质进入内质网过程相同);另一个是pH依赖路径(蛋白质与其辅因子结合,在类囊体靶向序列N端2个Arg残基和跨线粒体内膜pH梯度是折叠蛋白输入到类囊体腔所必需。)。第20页经过翻译后转运路径将叶绿体蛋白从细胞质基质输入到类囊体腔(图8-7)Toc:外膜转运体复合物Tic:内膜转运体复合物第21
15、页(三)过氧化物酶体蛋白分选过氧化物酶体是真核细胞中唯一利用分子氧氧化底物形成小分子用于合成路径细胞器。由内质网出芽衍生出前体膜泡,然后过氧化物酶体膜蛋白掺入,形成过氧化物酶体雏形。过氧化物酶体靶向信号(PTS):常见C端PTS1(Ser-Lys-Leu)和少见N端PTS2(Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu)。可溶性细胞质受体识别并结合含有PTS序列基质蛋白将其靶向运输到过氧化物酶体基质中。可溶性细胞质受体(Pex5或Pex7)和膜结合受体(Pex14)似乎与SRP和SRP受体功效有相同性。需要ATP水解提供能量。可参考图7-19及相关内容。第22页过氧化物酶体靶向
16、序列1(PTS1)指导过氧化物酶体基质蛋白输入(图8-8)第23页第二节细胞内膜泡运输一、膜泡运输概观二、COP包被膜泡装配与运输三、COP包被膜泡装配与运输四、网格蛋白接头蛋白包被膜泡装配与运输五、转运膜泡与靶膜锚定和融合六、细胞结构体系组装第24页一、膜泡运输概观在细胞分泌与胞吞过程中,以膜泡运输方式介导蛋白质分选路径形成细胞内复杂膜流。这种膜流含有高度组织性、方向性并维持动态平衡。在细胞膜泡运输中,糙面内质网相当于主要物质生产车间和供给站,而高尔基体是主要枢纽和集散中心。高尔基体聚集在微管组织中心(MTOC)附近。高尔基体不一样膜囊含有各自不一样成份,其它内膜系统组员也一样,这是行使复杂
17、膜泡运输功效物质基础。受体蛋白返回原来膜结构中有利于维持特定膜成份相对稳定,如从受体介导胞吞泡返回到质膜上,从高尔基体顺面膜囊返回到内质网以及从溶酶体返回到高尔基体TGN等。很多蛋白质分子表面可能含有各种介导转移与分选信号。转运膜泡形成或出芽主要发生在膜特异部位,即蛋白信号与受体结合部位。细胞内膜泡运输需要各种转运膜泡参加,依据转运膜泡表面包被蛋白不一样,主要分3种不一样类型:网格蛋白/接头蛋白包被膜泡、COP(包被蛋白)包被膜泡和COP包被膜泡,它们分别介导不一样膜泡转运路径第25页蛋白质分泌与胞吞路径概观(图8-9)第26页在细胞合成-分泌与内吞路径中3种不一样主要膜泡运输方式(图8-10
18、)网格蛋白/接头蛋白包被膜泡从TGN出芽和从质膜内化形成,脱包被后与晚期胞内体融合;COP(包被蛋白)包被膜泡介导顺向运输(二去);COP包被膜泡介导逆向运输(一来)。第27页蛋白质转运中包括3种包被膜泡特征比较(表8-3)第28页二、COP包被膜泡装配与运输COP(包被蛋白)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物质运输。Sar1:一个调整膜泡转运小G蛋白,有一个共价结合疏水N端脂基团,帮助其插入ER膜,同膜结合Sar1对包被蛋白深入装配起募集者作用。膜泡转运既能转运膜结合蛋白,又能经过膜受体识别并转运可溶性蛋白,其包装特异性取决于被转运蛋白靶向分选序列,借以区分哪些膜蛋白或可
19、溶性蛋白将深入包装转运,哪些将作为驻留蛋白而被排除在外,从而使膜泡包被直接选择靶向序列或分选信号。内质网被转运膜蛋白含有双酸(Asp-X-Glu)分选信号,Sec24亚基为其受体。参见表8-3/-4和图8-11/-12第29页Sar1蛋白在Cop包被膜泡装配与去装配中作用模型(图8-11)第30页已知指导蛋白质包装到特异性转运膜泡分选信号(表8-4)第31页不一样类型膜泡运输(图8-12)A:COP包被膜泡介导顺向运输和COP包被膜泡介导逆向运输B:驻留蛋白回收C:出芽与膜泡包装第32页三、COP包被膜泡装配与运输COP包被膜泡介导细胞内膜泡逆向运输(图8-12B),负责从高尔基体反面膜囊到顺
20、面膜囊以及从高尔基体顺面管网状区到内质网膜泡转运,包含再循环膜脂双层、内质网驻留可溶性蛋白和膜蛋白(如v-SNARE),是内质网回收错误分选逃逸蛋白返回内质网主要路径。ARF(装配反应因子):一个调整膜泡转运小G蛋白,有一个共价结合疏水N端脂基团,帮助其插入ER膜,同膜结合ARF对包被蛋白深入装配起募集者作用。细胞器中蛋白质是经过2种机制保留及回收来维持:一是转运膜泡将驻留蛋白有效排斥在外;二是对逃逸蛋白回收机制,使其返回它们正常驻留部位。KDEL:内质网可溶性驻留蛋白C端分选信号,其受体主要定位在TGN区、COP和COP包被膜泡膜上;KKXX:内质网膜蛋白C端分选信号,其受体是COP和亚基。
21、第33页四、网格蛋白接头蛋白包被膜泡装配与运输网格蛋白/接头蛋白包被膜泡介导蛋白质从高尔基体TGN向胞内体、溶酶体、分泌泡和植物细胞液泡运输,也参与质膜受体介导胞吞作用中从细胞表面运往胞内体转而到溶酶体运输。TGN:既是细胞分泌途径中物质转运主要分选位点,又是网格蛋白包被膜泡组装位点。网格蛋白呈三腿结构,也有自组装形成多角型网格特征。接头蛋白(AP)复合物(异四聚体)一方面将网格蛋白网格包被连接到膜上(AP一个亚基与网格蛋白重链远端球形结构域特异性结合),其次又能特异地促使一些膜结合蛋白(v-SNARE)富集到形成包被膜区,并与之特异性结合,决定哪些蛋白将被包装转运或哪些蛋白将被排除在外,这种
22、特异性是由转运蛋白分选信号决定。ARF也参与网格蛋白/接头蛋白包被起始装配。发动蛋白(dynamin)具有GTPase活性,介导网格蛋白/接头蛋白包被膜泡缢缩并与供体膜断裂,这很关键。第34页网格蛋白(A)、多角形网格包被结构(B)及发动蛋白介导网格蛋白/接头蛋白包被膜泡形成(C)示意图(图8-13)第35页五、转运膜泡与靶膜锚定和融合膜泡运输关键步骤最少包含以下过程:供体膜出芽、装配和断裂,形成不一样包被转运膜泡(已学过);在细胞内由马达蛋白驱动、以微管为轨道膜泡运输(以后学);转运膜泡与特定靶膜锚定和融合(现在学)。膜泡锚定与融合是一个耗能特异性过程:其特异性是经过供体膜和靶膜上蛋白相互作
23、用完成。小G蛋白Rab主要介导供体膜和靶膜锚定:Rab-GTP与特定转运膜泡表面蛋白相互作用,并经过类异戊二烯基团插入转运膜泡内。一旦Rab-GTP被结合在膜泡表面,便与靶膜上Rab效应器结合蛋白相互作用,从而使转运膜泡被锚定在适当靶膜上。v-SNARE与t-SNARE蛋白配对(互补性)是介导转运膜泡与靶膜融合主要机制:NSF(N-ethylmaleimide-sensitivefactor)即N-乙基马来酰亚胺敏感因子和SNAP(solubleNSFattachmentprotein)即可溶性NSF结合蛋白负责介导不一样类型膜泡融合,但没有显著特异性;SNARE(SNAPreceptor)即
24、SNAP受体(可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体),位于细胞器和膜泡膜上跨膜蛋白大家族,介导膜泡与靶细胞器膜特异性融合。其中v-SNARE位于膜泡膜上,与之互补配正确t-SNARE位于靶细胞器膜上。第36页在供体膜和靶膜之间膜泡锚定与融合模式图解(图8-14)假如说Rab蛋白主要是控制转运膜泡与适当靶膜锚定,那么,介导转运膜泡与靶膜融合主要机制是v-SNARE/t-SNARE蛋白配对。第37页六、细胞结构体系组装细胞结构体系组装和去组装是整体上认识细胞生命活动应该关注主要问题。生物大分子组装方式大致可分为自我装配(self-assembly)、帮助装配(aided-assembly)
25、和直接装配(direct-assembly)以及更为复杂细胞结构及结构体系之间组装。有些装配过程需ATP或GTP提供能量。各类型装配含有以下生物学意义:(1)降低和校正蛋白质合成中出现错误;(2)可大大降低所需遗传物质信息量;(3)经过装配与去装配更轻易调整与控制各种生物学过程。实际上细胞内许多代谢活动往往包括蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、蛋白质与磷脂等组装成特定复合体,这些复合体组成了细胞结构体系结构基础与功效单位。膜围绕细胞器大致分为2类:一是内膜系统;二是含有DNA细胞器。细胞器组装一样包括蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、蛋白质与膜脂组装,其运输和组装过程与方式也更为复杂。细胞骨架体系在整
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