蛋白质合成后的加工及转运ppt课件.ppt

第五节蛋白质合成后的加工及转运 1 本节内容 一 蛋白质合成后的细胞定位 二 蛋白质合成后的转运 三 蛋白质合成后的加工及修饰 2 一 蛋白质合成后的细胞定位 1 蛋白质是在细胞中游离的核糖体上或者是在糙面内质网上的核糖体上合成的 2 蛋白质合成后需要运转到特定的位点起作用 1 内质网驻留蛋白 高尔基体驻留蛋白质 溶酶体蛋白质 分泌蛋白质 膜蛋白等这些蛋白是由位于糙面内质网上的核糖体合成的 然后进入内质网腔或内质网膜 进入内质网腔中蛋白质经过高尔基体 然后成为溶酶体蛋白或成为分泌蛋白 进入到内质网膜的蛋白质经过膜泡运输而成为各种内膜蛋白和细胞膜蛋白 3 2 对于线粒体 叶绿体来说虽然可以合成一些蛋白质 但大部分蛋白质是由核基因编码的 并且是由位于胞质中的游离核糖体合成的 这些蛋白质合成后的定位机制是什么 3 对于细胞核中的蛋白质来说 它们也是由游离核糖体合成 然后输入到细胞核中的 4 3 蛋白质细胞分选的机制 信号假说 1 假说的发现 C Milstein 1972 发现从骨髓瘤细胞提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到细胞外的N端多出一段 G Blobel和D Sabatini等根据进一步的实验 提出了信号假说 Signalhypothesis 认为蛋白质上存在信号肽 指导蛋白质转至内质网上 Blobel因此项发现获1999年诺贝尔生理医学奖 5 2 蛋白质定位的信号 A 信号序列 signalsequence 存在于蛋白质一级结构上的线性序列 通常15 60个氨基酸残基 可以指导新合成的蛋白质发生定向转移 有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶 signalpeptidase 切除 信号序列 6 B 信号斑 signalpatch 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 信号斑 7 8 二 蛋白质合成后的转运 一 转运的方式 二 进入到内质网中的蛋白质的运转 三 进入叶绿体中 线粒体 细胞核中的蛋白质的运转 四 进入到高尔基体 溶酶体 及细胞外蛋白质的运转 膜泡运输 9 一 蛋白质运输的途径 蛋白质的分选运输途径主要有三类 1 门控运输 gatedtransport 如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复合体 2 跨膜运输 transmembranetransport 蛋白质通过跨膜通道进入目的地 如细胞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进入线粒体或叶绿体中 10 3 膜泡运输 vesiculartransport 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 这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别 11 二 进入到内质网中的蛋白质的运转 1 进入到内质网中的蛋白质的分子基础 2 蛋白质进入到内质网腔的过程 3 蛋白质进入到内质网膜的过程 12 1 分子基础 信号肽 signalpeptide 是引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽 位于新合成肽链的N端 一般16 30个氨基酸残基 由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列 又称开始转移序列 starttransfersequence 13 信号识别颗粒 signalrecognitionparticle SRP 由几种结构不同的多肽组成 结合一个7SRNA 属于一种核糖核蛋白 ribonucleoprotein SRP与信号序列结合 导致蛋白质合成暂停 Thesignal recognitionparticle SRP 14 转移通道 存在与内质网膜上的跨膜通道 SRP受体 SPRreceptor 是膜的整合蛋白 为异二聚体蛋白 存在于内质网上 可与SRP特异结合 停止转移序列 stoptransfersequence 肽链上的一段特殊序列 与转移通道蛋白亲合力很高 能阻止肽链继续进入内质网腔 蛋白质转移通道 15 2 内质网上蛋白质进入ER腔的过程 a 游离核糖体先与mRNA分子结合 翻译信号肽序列 b 信号肽与SRP结合形成SRP核糖体复合物 导致翻译的暂停 c SRP核糖体复合物与内质网的SRP受体结合 并促进核糖体大亚基与内质网的结合 d SRP与核糖体分离 循环使用 16 17 e 转移通道的开启与关闭膜上存在一个直径1 5nm的孔道 平时由Bip蛋白封闭 当新生肽链达70个氨基酸左右的长度时 转移通道开启 信号肽结合在通道上 合成蛋白通过内质网膜人腔 一旦合成结束 Bip蛋白又将孔道封闭 转移通道的开启 18 f 蛋白质进入ER腔 信号肽的切除 信号肽移到脂双层中 最终被降解 19 3 内质网膜整合蛋白的定位机制 1 对于单一跨膜片段的跨膜蛋白 肽链中存在第二个疏水片段 停止转移序列 20 2 对于两个跨膜片段的膜蛋白 起始转移序列存在于肽链的内部 同时还存在着另一段停止转移序列 21 3 对于具有多次跨膜片段的膜蛋白 存在多对起始转移序列和停止转移序列 22 三 线粒体蛋白质的转运 1 转位因子 translocator 位于线粒体内膜上或者是外膜上 由两部分构成 受体和蛋白质通过的孔道 受体蛋白 TOM复合体 TIM复合体 OXA复合体 孔道 GIP孔道 1 转移的分子基础主要包括转位因子 信号肽 23 1 TOM复合体 负责通过外膜 进入膜间隙 在酵母中TOM70负责转运内部具有信号序列的蛋白 TOM20负责转运N端具有信号序列的蛋白 TOM复合体的通道被称为GIP generalimportpore 24 2 TIM复合体 TIM23负责将进入膜间隙的蛋白质转运到基质 也可将某些蛋白质安插在内膜 TIM22负责将细胞质合成的线粒体蛋白 主要是与线粒体代谢物转运有关的蛋白质 如ADP ATP和磷酸的转运蛋白插入内膜 25 3 OXA复合体 负责将线粒体自身合成的蛋白质插到内膜上 同样也可使经由TOM TIM复合体进入基质的蛋白质插入内膜 26 2 前体蛋白信号序列 多位于肽链的N端 由大约20个氨基酸构成 此外有些信号序列位于蛋白质内部 完成转运后不被切除 还有些信号序列位于前体蛋白C端 信号肽经常形成alpha螺旋 其中没有带负电荷的氨基酸 带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧 认为这个螺旋与转位因子的识别有关 对所牵引的蛋白质没有特异性要求 非线粒体蛋白连接上此类信号序列 也会被转运到线粒体 1 特点 27 前体蛋白信号序列特点 28 3 蛋白质输入线粒体的过程 1 进入外膜的蛋白 具有N端信号序列 其后还有疏水性序列作为停止转移序列 然后蛋白质被TOM复合体安装到外膜上 如线粒体的各类孔蛋白 29 2 进入线粒体基质蛋白质 可以先通过TOM复合体进入膜间隙 然后通过TIM复合体进入基质 也可以通过线粒体内 外膜间的接触点 一步进入基质 在接触点上TOM与TIM协同作用完成蛋白质向基质的输入 30 3 进入线粒体内膜和膜间隙的蛋白 蛋白N端具有两个信序列 首先被运送到基质 然后N端信号肽被切除 暴露出导向内膜的信号序列 在OXA的帮助下插入内膜 如果第二段信号序列被内膜外表面的异二聚体内膜蛋白酶切除 则成为膜间隙蛋白 31 N端信号序列的后面有停止转移序列 能与TIM23复合体结合 当进入基质的信号序列被切除后 脱离转位因子复合体而进入内膜 如果插入膜中的部分又被酶切除 侧成为定位于膜间隙的蛋白 32 线粒体内膜上的多次跨膜蛋白 内部包含多对开始转移序列和停止转移序列 可被TIM复合体插到内膜上 33 四 叶绿体的蛋白质转运 叶绿体蛋白的转运机理与线粒体的相似 但转位因子复合体是不同的 叶绿体外膜的转位因子被称为TOC复合体 内膜的转位因子被称为TIC复合体 叶绿体前体蛋白的N端信号序列长度为20 150个氨基酸残基 分为3个部分 N端缺乏带正电荷的氨基酸 以及甘氨酸和脯氨酸 C端形成 折叠 中间富含羟基化的氨基酸 如丝氨酸和苏氨酸 34 四 叶绿体的蛋白质转运 转运到基质的前体蛋白具有典型的N端序列 转运到叶绿体内膜和类囊体膜的前体蛋白含有两个N端信号序列 第一个被切除后 暴露出第二个信号序列 将蛋白导向内膜或类囊体膜 叶绿体的蛋白质定向转运 35 五 进入到细胞核的蛋白质的运转 1 核孔的结构及作用 2 核质蛋白上的入核信号 3 核质蛋白入核的辅助蛋白 4 核质蛋白输入细胞核过程 36 1 核孔的结构及作用 1 结构 核孔由至少50种不同的蛋白质构成 称为核孔复合体 nuclearporecomplex NPC 一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔 细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多 反之较少 37 核孔是呈圆形或八角形 主要包括以下几个部分 胞质环 cytoplasmicring 位于核孔复合体胞质一侧 环上有8条纤维伸向胞质 核质环 nuclearring 位于核孔复合体核质一侧 上面伸出8条纤维 纤维端部与端环相连 构成笼子状的结构 转运器 transporter 核孔中央的一个栓状的中央颗粒 辐 Spoke 核孔边缘伸向核孔中央的突出物 38 1982年R Laskey发现核内含量丰富的核质蛋白 nucleoplasmin 的C端有一个信号序列 可引导蛋白质进入细胞核 称作核定位信号 nuclearlocalizationsignal NLS NLS由4 8个氨基酸组成 含有Pro Lys和Arg 对其连接的蛋白质无特殊要求 并且完成核输入后不被切除 2 核质蛋白上的入核信号 39 3 核质蛋白入核的辅助蛋白 1 Karyopherin 是一类与核孔选择性运输有关的蛋白家族 相当于受体蛋白 其中imporin负责将蛋白从细胞质运进细胞核 exportin负责相反方向的运输 2 Ran蛋白 调节货物受体复合体的组装和解体 在细胞核内Ran GTP的含量远高于细胞质 40 4 核质蛋白输入细胞核过程 蛋白与NLS受体 即imporin 二聚体结合 货物与受体的复合物与NPC胞质环上的纤维结合 纤维向核弯曲 转运器构象发生改变 货物通过 货物受体复合体与Ran GTP结合 复合体解散 释放出货物 与Ran GTP结合的imporin 输出细胞核 在细胞质中Ran结合的GTP水解 Ran GDP返回细胞核重新转换为Ran GTP imporin 在核内exportin的帮助下运回细胞质 41 核质蛋白输入细胞核过程 42 六 溶酶体蛋白质 分泌蛋白质及膜蛋白的转运 膜泡运输 1 膜泡运输的特点 2 衣被类型 3 衣被的形成 4 衣被的解体 5 膜泡运输的过程 6 蛋白质的外排作用 分泌蛋白质的运输 43 1 膜泡运输是一种高度有组织的定向运输 因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白 决定细胞器识别的膜泡的特异性 1 膜泡运输的特点 44 2 大多数运输小泡是在内质网膜 或高尔基体膜 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 衣被具有两个主要作用 选择性的将特定蛋白聚集在一起 形成运输小泡 决定运输小泡的外部特征 如 形状和体积等 45 3 胞内膜泡运输沿微管或微丝运行 动力来自马达蛋白 motorproteins 与膜泡运输有关的马达蛋白有3类 动力蛋白 dynein 可向微管负端移动 驱动蛋白 kinesin 可牵引物质向微管的正端移动 肌球蛋白 myosin 可向微丝的正极运动 46 2 衣被类型 已知三类具有代表性的衣被蛋白 即 笼形蛋白 clathrin COPI和COPII 每个介导不同的运输途径 47 1 笼形蛋白衣被小泡 A 笼形蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡 介导高尔基体到溶酶体 高尔基体到植物液泡的运输 笼形蛋白衣被小泡的形态 48 B 笼形蛋白的结构 笼形蛋白分子形成一个具有3个曲臂的形状 triskelion 许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起 形成一个笼子 笼形蛋白的结构 A电镜照片 B分子模型 C衣被模型 49 C 衔接蛋白 adaptin 衔接蛋白 adaptin 介于笼形蛋白与配体受体复合物之间 起连接作用 笼形衣被小泡的组成 50 D 动力素 dynamin 动力素 dynamin 聚集成一圈围绕在芽的颈部 从而导致膜融合 掐断衣被小泡 Clathrin衣被小泡的掐断过程 51 2 COPI衣被小泡 负责转运内质网逃逸到高尔基体的蛋白返回内质网 这种衣被蛋白复合体包含多达7种肽链 COPI衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输 COPI衣被小泡的形态 A 作用 52 B 回收原理 内质网的正常驻留蛋白 在C端含有一段回收信号序列 KDEL 高尔基体cis面的膜上受体蛋白可以识别并结合逃逸蛋白 形成COPI衣被小泡将它们返回内质网 KDEL序列 53 3 COP 衣被小泡 介导从内质网到高尔基体的物质运输 作用 54 3 衣被的形成过程 A 衣被召集GTP酶也叫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 能与衣被蛋白结合 促进组装 1 衣被召集GTP酶 55 B 衣被召集GTP酶 COPII衣被小泡的衣被召集GTP酶为Sar1蛋白 负责召集COPII衣被的形成 56 鸟苷酸交换因子 GEF GEF的作用是使衣被召集GTP酶释放GDP 结合GTP而激活 GTP酶激活蛋白 GTPaseactivatingprotein GAP GAP的作用是激活衣被召集GTP酶的水解活性 使GTP水解 G蛋白失活 C 衣被召集GTP酶具有的调节蛋白 57 2 Sar1的工作过程 失活状态 Sar1大量存在于细胞质中 与GDP结合的处于失活状态 激活状态 Sar1释放GDP 结合GTP而激活 激活的Sar1暴露出一条脂肪酸的尾巴 插入内质网膜 然后开始召集衣被蛋白 以衣被蛋白为模型形成运输小泡 COPII衣被小泡的组装 58 4 COPII衣被的解体 衣被召集GTP酶对衣被的形成其动态调节作用 当多数衣被召集GTP酶处于结合GTP的状态时 它催化衣被的形成 反之当多数衣被召集GTP酶在GAP作用下水解GTP为GDP时 它催化衣被的解体 因此衣被的形成过程是边形成边解体的动态过程 59 5 膜泡运输的过程 衣被小泡沿着细胞内的微管运输到靶细胞器 马达蛋白水解ATP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的标志蛋白能被靶膜上的受体识别 识别过程的两类关键性的蛋白质是 SNAREs solubleNSFattachmentproteinreceptor 其介导运输小泡特异性停泊和融合到特定的细胞器上 Rabs targetingGTPase 调节运输小泡靠近靶膜 60 1 SNAREs SNAREs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 SNAREs有两类 位于运输小泡上的叫作v SNAREs 位于靶膜上的叫作t SNAREs t 和v SNARE 61 A v SNAREs和t SNAREs识别机理 都具有一个螺旋结构域 能相互缠绕形成SNAREs复合体 trans SNAREscomplexes 62 B 小泡的膜与靶膜的融合过程 通过跨SNAREs复合体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融合 63 C SNAREs的分离 NSF N ethylmaleimide sensitivefusionprotein NSF N 乙基顺丁烯二酰亚胺 敏感融合蛋白 催化SNAREs的分离 它是一种类似分子伴侣的ATP酶 能够利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白 adaptorprotein 将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开 SNARE复合体的解离 64 2 Rabs Rab也叫targetingGTPase 属于单体GTP酶 已知30余种 不同膜上具有不同的Rab 结合GDP失活 位于细胞质中 结合GTP激活 位于细胞膜 内膜和运输小泡膜上 调节SNAREs复合体的形成 从而调节运输小泡的停泊和融合 Rab的作用 65 6 蛋白质的外排作用 分泌蛋白质的运输 外排作用 将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程 可分为 组成型的外排途径 constitutiveexocytosispathway 调节型外排途径 regulatedexocytosispathway 组成型的外排途径 constitutiveexocytosispathway 所有真核细胞都有从高尔基体分泌囊泡向质膜运输的过程 其作用在于更新膜蛋白 形成质膜外周蛋白 细胞外基质 或作为营养成分和信号分子 66 调节型外排途径 regulatedexocytosispathway 分泌细胞产生的分泌物 如激素 或消化酶 储存在分泌泡内 当细胞在受到胞外信号刺激时 分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去 调节型的外排途径存在于特化的分泌细胞 其蛋白分选信号存在于蛋白本身 由高尔基体特殊的受体选择性地包装为运输小泡 67 总结 蛋白质的蛋白质的细胞定位及定向输送 多肽或蛋白质合成后要送往细胞的各个部分 以行使各自的生物功能 原核生物如E Coli合成的蛋白质胞浆 质膜 外膜 质膜与外膜之间的空隙 68 三 蛋白质合成后的折叠及加工修饰 一 蛋白质合成后的折叠 二 蛋白质合成后的加工修饰 69 一 蛋白质合成后的折叠 1 一些蛋白质能自发的获得其成熟的构型 这种能力称为蛋白质的自我装配能力 将一种蛋白质变性 根据它是否能复性为活性形式 可检验这种蛋白质是否具有自发折叠的能力 这种能力被称为自我装配 Self assemby 任何蛋白质都需要高级的三维结构才能具有生物活性 蛋白质的折叠就是由蛋白质的一级结构形成高级结构的过程 70 2 另外一些蛋白质不能进行自我装配 它们形成正确的结构需要分子伴侣 Chaperone 协助 1 定义 分子伴侣是一种能介导蛋白质进行正确地折叠的蛋白质 它能使蛋白质获得正确的构型 2 分子伴侣的作用 A 对于在核糖体上延伸的蛋白质 分子伴侣通过结合在靶蛋白质装配过程中暴露的反应表面 并阻止这些反应表面之间的相互作用产生不正确的构型来完成的 也就是说是通过防止蛋白质错误折叠来帮助蛋白质完成折叠的 71 B 对于折叠错误的蛋白质 分子伴侣会识别错误折叠的蛋白质 帮助其重新折叠成正确的构型或介导其降解 C 对于跨膜蛋白质 跨膜蛋白质在进入膜之前需要保持未折叠状态 其原因可能是由于成熟的蛋白质对于进入通道来说太大 不易跨膜的缘故 分子伴侣会阻止跨膜蛋白质形成不利于跨膜运输的构型 从而使蛋白质顺利通过膜 一旦蛋白质跨过膜之后 就需要另外的分子伴侣协助其形成成熟的构型 72 D 对于热变性的蛋白质 分子伴侣最初的发现是对于热处理细胞的研究 发现热处理会诱导细胞大量合成一些蛋白质 称为热休克蛋白 Heatshockprotein hsp 后来发现它们中的一些有帮助热变性的蛋白质复性的作用 因此将这些热休克蛋白称为分子伴侣 分子伴侣能够帮助热变性的蛋白质重新回复构象或者介导其降解 其机理与分子伴侣帮助刚翻译完成的多肽链折叠成正确的空间构型相同 73 A Hsp70系统包括Hsp70 Hsp40和GrpE 作用对象 它们能作用于新合成的蛋白质 跨膜运输的蛋白质和在胁迫下变性的蛋白质 B Hsp60家族蛋白质结构 a Hsp60包括Hsp60和Hsp10 3 常见的分子伴侣主要有Hsp70分子伴侣家族系统和Hsp60分子伴侣家族 74 b Hsp60的结构 Hsp60本身 在E coli中称为GroEL 形成具有14个亚基的结构 以相反的方向互相堆叠成两个七聚体环 这两个环的顶部及底部的表面是完全相同的 中心的空洞贯穿这两个环 Hsp60 GroEL 形成一个包含两个环型结构的寡聚体 75 c Hsp10结构 Hsp10 在E coli为GroES 七聚体形成的隆起的钟罩结构 与双环中的一个表面结合 这个隆起位于活性中心的上方 覆盖HSP60形成的圆柱体的一个开口 76 HSP60在指导蛋白质折叠的过程中起到了重要的作用 而HSP10起辅助HSP60活性的功能 HSP60与底物的相互作用是以待折叠的蛋白质表面和HSP60暴露在活性空洞中残基之间的疏水相互作用为基础的 d HSP