高中生物竞赛课件：细胞内蛋白质的分选

细胞内蛋白质的分选

真核细胞中绝大多数蛋白质都是由核基因编码，或在游离核糖体上合成，或在rER膜结合的核糖体上合成，蛋白合成后必须转运到特定部位才能参与组装细胞结构，这个过程称为蛋白质靶向转运(proteintargeting)或蛋白质分选(proteinsorting)细胞内蛋白质的分选一、信号假说与蛋白质分选信号二、蛋白质分选转运的基本途径与类型三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选一、信号假说与蛋白质分选信号(一)信号假说的发现(二)指导分泌蛋白在糙面内质网上合成的决定因素(三)蛋白质翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系(四)分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程(五)ER膜整合蛋白的信号序列(六)蛋白质分选信号序列一、信号假说与蛋白质分选信号（一）信号假说的发现1972年，Milstein发现在骨髓瘤细胞中提取的免疫球蛋白分子的N端比分泌到细胞外的蛋白多出一段序列1975年，G.Blobel和D.Sabatini提出(Blobel在1999年获诺贝尔生理学或医学奖)一、信号假说与蛋白质分选信号微粒体非细胞体系中的蛋白质合成（一）信号假说的发现一、信号假说与蛋白质分选信号信号假说：分泌性蛋白N端作为信号肽，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通过移位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除一、信号假说与蛋白质分选信号（二）指导分泌蛋白在糙面内质网上合成的决定因素信号肽(Signalpeptide)信号识别颗粒(Signalrecognitionparticle，SRP)信号识别颗粒的受体(又称停泊蛋白，dockingprotein，DP)（1）信号肽(Signalpeptide)位于蛋白质的N端，一般由16～26个残基组成包括疏水核心区、信号肽的C端和N端等3部分图6-1

信号肽的一级结构序列以血清白蛋白和HIV-1型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，两者信号肽一级序列分别由疏水核心、C端和N端三个区域构成一、信号假说与蛋白质分选信号

位于多肽链不同部位的几个特定氨基酸序列经折叠后形成的斑块区，具有分选信号的功能。信号斑是一种三维结构。完成分选任务后仍然存在。信号肽与信号斑一、信号假说与蛋白质分选信号（1）信号肽(Signalpeptide)特点：无严格的专一性→原核细胞中表达生物制品一、信号假说与蛋白质分选信号（2）信号识别颗粒(SRP)核糖核蛋白复合体，由6种不同的蛋白质和一条由300个核苷酸的7SRNA组成通常存在于细胞质基质中；既可与新生肽信号序列和核糖体大亚基结合，又可与内质网膜上SRP受体结合图6-2信号识别颗粒(SRP)的结构示意图两个结构域，P54蛋白是一种包含成簇Met残基的GTP酶，Met侧链与信号肽的疏水核心结合；当SRP与信号肽结合后，SRP的P9和P14蛋白复合体阻断新生肽链的翻译一、信号假说与蛋白质分选信号（3）信号识别颗粒的受体(又称停泊蛋白，DP)ER膜上的整合蛋白，由α和β亚基组成，可特异地与SRP结合SRP的p54亚基和SRP受体的α亚基与GTP结合→增进SRP/新生肽/核糖体复合物与SRP受体结合的强度DynamicbehaviorofSRPuponSRinteractionDOI:10.1126/science.1124864一、信号假说与蛋白质分选信号（三）蛋白质翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系一、信号假说与蛋白质分选信号

体外非细胞系统(cellfreesystem)(鼠mRNA，兔核糖体，狗内质网)进行蛋白质合成实验，证实分泌性蛋白向rER(microsome，微粒体)腔内的转运是同蛋白质翻译过程偶联进行的，这种分泌蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运(cotranslationaltranslocation)（四）分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程一、信号假说与蛋白质分选信号1、分泌性蛋白在游离核糖体上起始合成2、多肽链延伸至80个氨基酸残基时，N端内质网信号序列暴露，与SRP结合，肽链延伸暂停，防止新生肽链N端损伤和成熟前折叠一、信号假说与蛋白质分选信号3、SRP与ER膜上SRP受体结合，核糖体新生肽复合物附着到ER膜，两分子GTP分别与SRP-p54亚基和SRP受体α亚基结合，相互作用加强（四）分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程一、信号假说与蛋白质分选信号4、核糖体/新生肽与ER膜移位子结合，SRP脱离，返回胞质重复使用，肽链开始延伸，环化构象存在的信号肽与移位子组分结合，使孔道打开，信号肽穿入内质网摸并引导肽链以袢环形式进入ER腔（耗能）（四）分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程一、信号假说与蛋白质分选信号5、腔面信号肽酶切除信号肽并使之快速降解6-8、肽链继续延伸，并在ER腔内折叠，移位子关闭（四）分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程（四）分泌性蛋白的合成与共翻译转运过程一、信号假说与蛋白质分选信号（五）ER膜整合蛋白的信号序列一、信号假说与蛋白质分选信号开始转移序列(starttransfersequence)

作为内质网的信号序列，指导新合成的多肽向内质网转移内在停止转移锚定序列(internalstop-transferanchor

sequence,STA)

作为膜锚定序列，成为跨膜片段，使蛋白成为膜上整合蛋白内在信号锚定序列(internalsignalanchorsequence,SA)

双重功能，既作为内质网的信号序列，又作为膜锚定序列（五）ER膜整合蛋白的信号序列一、信号假说与蛋白质分选信号图6-4内质网膜整合蛋白的拓扑学类型开始转移序列、内在停止转移锚定序列(STA)、内在信号锚定序列(SA)rER上合成的整合膜蛋白根据拓扑学特征大致分为4类共同点：多肽链的20-25个疏水氨基酸残基形成跨膜α螺旋I型：LDL/胰岛素受体Ⅱ型：转铁蛋白受体Ⅲ型：细胞色素P450Ⅳ型：G蛋白偶联受体、葡萄糖转运蛋白、电压门Ca2+通道、CFTR(Cl-)通道(五)ER膜整合蛋白的信号序列一、信号假说与蛋白质分选信号ER单次跨膜蛋白的合成新生跨膜蛋白肽链中既有N端信号肽，又有停止转移信号一、信号假说与蛋白质分选信号ER单次跨膜蛋白的合成新生肽链跨膜取向新生跨膜蛋白的肽链中没有N端信号肽，只有内部信号序列(internalsignalsequence)。内部信号序列的转位方向主要取决于其侧翼氨基酸残基电荷的分布。一般而言，带正电荷的氨基酸残基一侧朝向细胞质基质一侧(五)ER膜整合蛋白的信号序列一、信号假说与蛋白质分选信号ER多次跨膜蛋白的合成多次跨膜蛋白插入转移机制：多次跨膜蛋白肽链中，常常有两个或两个以上的疏水性开始转移信号序列和停止转移信号序列。一般认为，多次跨膜蛋白是以内部信号序列作为其开始转移信号(五)ER膜整合蛋白的信号序列Secreted-membrane(六)蛋白质分选信号序列一、信号假说与蛋白质分选信号导肽(leaderpeptide):

指导在细胞质基质中合成的蛋白质进入线粒体、叶绿体及过氧化物酶体的信号序列蛋白质在细胞质基质中合成后转移到细胞器→翻译后转运蛋白跨膜需消耗ATP使多肽去折叠，还需分子伴侣协助(六)蛋白质分选信号序列一、信号假说与蛋白质分选信号表6-2指导蛋白质从细胞质基质转运到细胞器的靶向序列的主要特征细胞内蛋白质的分选一、信号假说与蛋白质分选信号二、蛋白质分选转运的基本途径与类型三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选二、蛋白质分选转运的基本途径与类型途径（1）翻译后转运途径（2）共翻译转运途径类型（1）蛋白质的跨膜转运（2）膜泡运输（3）选择性的门控转运（4）细胞质基质中蛋白质的转运二、蛋白质分选转运的基本途径与类型两条途径翻译后转运

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二、蛋白质分选转运的基本途径与类型两条途径共翻译转运蛋白质在游离核糖体上起始合成，信号肽及SRP引导转移至rER，新生肽边合成边转入rER腔或定位在ER膜上，经转运膜泡运至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二、蛋白质分选转运的基本途径与类型四种转运类型（1）蛋白质的跨膜转运共翻译转运途径中，在细胞质基质中起始合成的蛋白质，在信号肽-SRP介导下转移到ER，然后边合成边转运或进入ER腔或插入ER膜翻译后转运途径中，在细胞质基质核糖体上完成合成的多肽链在不同靶向信号序列指导下，依不同的机制转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器特点：被转运蛋白含有特异的信号序列细胞器膜上包含相应的转运蛋白，实现跨膜通道被转运蛋白未折叠，需分子伴侣（防降解）二、蛋白质分选转运的基本途径与类型（2）膜泡运输

蛋白质被不同类型的转运膜泡从rER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，其中涉及供体膜出芽形成不同的转运膜泡、依赖细胞骨架和分子马达的膜泡运输以及膜泡与靶膜的融合等过程四种转运类型特点：多数转运膜泡表面覆盖有一层蛋白质，称为包被膜泡，这种蛋白称为包被蛋白，COPⅡ、COPⅠ、网格蛋白转运蛋白已经是正确折叠的蛋白或组装的蛋白转运过程中膜蛋白方向性不变二、蛋白质分选转运的基本途径与类型

细胞质基质中合成的蛋白质通过核孔复合体在核-质间双向选择性地完成核输入(核定位信号)或核输出(核输出信号)

折叠的蛋白质四种转运类型(1)蛋白质的跨膜转运(2)膜泡运输(3)选择性的门控转运(4)细胞质基质中蛋白质的转运（3）选择性的门控转运各种转运类型相互联系细胞内蛋白质的分选一、信号假说与蛋白质分选信号二、蛋白质分选转运的基本途径与类型三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选三、蛋白质向线粒体和叶绿体的分选转运蛋白质的特点：大部分由核基因编码，合成起始在细胞质基质中多步骤，需不同的信号序列（导肽，空间定位信号）翻译后转运途径：先合成，再转运跨膜转运，被转运蛋白通过靶膜上的转运蛋白进入未折叠状态，需分子伴侣耗能1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质蛋白质从细胞质基质输入到线粒体内膜蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙蛋白质从细胞质基质输入到线粒体外膜蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质线粒体导肽长约20-50个氨基酸，通常带正电荷的碱性氨基酸(Arg、Lys)含量较为丰富;羟基氨基酸(Ser)含量也很高；几乎不含带负电荷的酸性氨基酸(Asp、Glu)倾向形成两亲α螺旋(既亲水又疏水)1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运Tom复合体Tim23复合体Tim22复合体外膜内膜Tom40通道Tom20/Tom22受体Tom70/Tom22受体Tim22/Tim54Tim23/17通道Tim44分子伴侣Transloconoftheoutermitochondria

membrane

Transloconoftheinnermitochondriamembrane

蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运1)游离核糖体上合成的前体蛋白，与细胞质基质分子伴侣Hsp70结合，保持未折叠或部分折叠状态(消耗ATP)，N端具有基质靶向序列2)前体蛋白与输入受体(Tom20/22)结合3）转运进入输入孔(Tom40)蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运4，5）蛋白通过内外膜接触点的输入通道(外膜为Tom40，内膜为Tim23/17），线粒体基质分子伴侣Hsp70与输入蛋白结合并水解ATP以驱动基质蛋白的输入6)

基质蛋白酶切除蛋白的基质靶向序列，Hsp70释放7）折叠，产生活性构象蛋白质从细胞质基质输入到线粒体内膜1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运导肽导肽疏水性的停止转移锚定序列Oxa1靶向序列内在靶向序列(由Tom70/Tom22输入受体识别）细胞色素氧化酶亚基CoxVaATP合酶亚基9ADP/ATP反向转运体蛋白质从细胞质基质输入到线粒体内膜1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运停止转移锚定序列基质靶向序列Oxa1靶向序列内在靶向序列分子伴侣Tom70/22输入受体Tim22/54转运通道蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运内膜间隙靶向序列导肽第二次切除内膜间隙靶向序列细胞色素b2蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运内膜间隙靶向序列基质靶向序列蛋白酶血红素内膜间隙靶向序列蛋白质从细胞质基质输入到线粒体外膜1、蛋白质从细胞质基质到线粒体的转运2、蛋白质从细胞质基质到叶绿体的转运外膜蛋白内膜蛋白叶绿体基质蛋白类囊体膜蛋白类囊体腔蛋白与线粒体的区别：叶绿体不产生跨内膜的电化学梯度，ATP水解供能几乎是唯一动力来源基质输入序列2、蛋白质从细胞质基质到叶绿体的转运Figure12.13ImportofproteinsintothechloroplaststromaProteinswithN-terminaltransitpeptides

aretargetedtotheToccomplexinthe

chloroplastoutermembrane.Passage

throughtheoutermembranerequires

ATPhydrolysisbyHsp70andhydrolysis

ofGTPbyTocproteins.Oncethrough

thechloroplastoutermembrane,

thetransitpeptideispassedtothe

Ticcomplexintheinnermembrane.

TheproteinisdrawnthroughtheTic

complexbytheactionofanHsp93

chaperoneandthetransitpeptideis

removedbythechloroplaststromal

processingpeptidase(SPP).类囊体定位序列Figure12.14Importofproteins

intothethylakoidlumen

Two

pathwaystransferproteinsfromthe

stromatothethylakoidlumen.In

theSecpathway,

theSecAproteinrecognizesathylakoidsignalsequence

andtargetstheproteintotheSec

translocon,usingenergyderivedfrom

ATPhydrolysistotransfertheprotein

tothelumen.Inthetwin-arginine

translocation(Tat)

pathway,athylakoidsignalsequencecontainingtwo

argininesneartheaminoterminus

targetsfullyfoldedproteinstothe

Tattranslocon,whichtransfersthem

intothethylakoidlumenusingenergy

derivedfromtheprotongradient

acrossthe