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蛋白质分拣
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4.1研究背景
我们的细胞每时每刻都在合成许许多多具有各 种各样重要功能的蛋白质。它们究竟是如何越 过细胞或细胞器的膜而到达正确的作用部位呢?
1971年美国纽约洛克菲勒大学的Gunter Blobe 提出‘信号假说’,他认为从细胞分泌的蛋白 质含有内在的信号,使蛋白质到达和越过膜。
1975年Gunter Blobe通过精心设计的生化实验, 报道:这种信号是具有特殊序列,构成蛋白质 整体一部分的肽。在信号肽的作用下,蛋白质 可以越过内质网的通道。
靶细胞器的膜融合之前解体。
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• 胞内膜泡运输沿微管或微丝运行,动力来自马 达蛋白(motor proteins)。 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。
• 这种类型的小泡介导非选择性运输, 它参与从内
质网到顺面高尔基体、从顺面高尔基体到高尔
基体中间膜囊、从中间膜囊到反面高尔基体的
运输。
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③网格蛋白包被小泡(clathrin-coated vesicle)
• 由网格蛋白包裹的小泡。
• Clathrin的重链与轻链组成二聚体,3个二聚体 组成三腿蛋白,再彼此交联成网状结构。
这些信号序列实际上是位于蛋白质一 端或有时
位于当中的氨基酸短链最。新 PPT
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1999年Gunter Blobel因其发现蛋 白质具有控制其运 输和定位的内在信 号的杰出贡献,获 得诺贝尔生理学/医 学奖。。
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4.2 蛋白质分拣的基本原理
蛋白质分拣(protein targeting):蛋白质分类并 转运到正确的细胞内部位的过程
• 跨膜转运:是胞浆中游离的多聚核糖体中 合成的蛋白质经跨膜到达线粒体或过氧化 物酶体或进入细胞核。
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4.3 以小泡介导的方式运输
膜泡运输的特点:
• 是内膜系统间的物质传递方式
• 运输高度定向
• 小泡以出芽或内吞方式生长
• 小泡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
图9-68 披网格蛋白小泡的形成过程
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Ca 2+ 参与了披网格蛋白小泡包被的形成和去 被的过程。在形成包被时, 钙泵将Ca 2+泵出细 胞外, 使胞质中的Ca 2+保持低浓度, 有利于有 被小窝的形成。一旦形成被膜小泡, Ca 2+同网 格蛋白的轻链结合, 使包被不稳定而脱去。
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4.3.3 小泡形成的机制
1. 披网格蛋白小泡的形成 在大量进行内吞活动的细胞(如肝细胞、成纤维 细胞)中,细胞质膜有许多网格蛋白小窝。 这些小窝的形成需要衣被召集GTP酶(coatrecruitment GTPase)、很多衔接子(adapter)和网 格蛋白,小泡最后与质膜的脱离还需要一种称作 发动蛋白(dynamin)的GTP结合蛋白。
亚基组成,包括α、β、β‘、γ、δ、ε、 ζ。COPⅠ在出芽小泡的胞质溶胶面聚合, 形 成COPⅠ被膜小泡。
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回收信号: • 内质网腔中的蛋白,如蛋白二硫键异构酶和协
助折叠的分子伴侣,均具有典型的回收信号 Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL,图6-8). • 内质网的膜蛋白(如SRP受体)在C端有一个不 同的回收信号,通常是Lys-Lys-X-X(KKXX,X: 任意氨基酸),同样可保证它们的回收。
泡。
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图 ----网格蛋白的结构 (a) 网格蛋白的三腿复合物;(b)网格蛋白包被亚基;(c)披网格蛋白小泡。
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图- 笼形蛋白的结构,A电镜照片,B分子模型,C衣被模型
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衔接蛋白(adaptin, AP) 和发动蛋白(dynamin)
衔接蛋白 • 在网格蛋白被膜小窝形成时, 网格蛋白和膜之间有一
COP I衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白 质运输。
介导 COPⅠ被膜小泡形成的因素有装配反应因子ARF、 外被蛋白Ⅰ、膜结合受体蛋白、回收信号等。
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装配反应因子(assembly reaction factor, ARF) 也 是一种GTP酶,被认为是外被体外被的装配和去 装配的信号。
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1980年他提出了将蛋白质分拣导 向至特定的细
胞部门的普遍原理。每个蛋白质在其结构中带
有标明其细胞正确定位的信息。特定的氨基酸
序列决定一个蛋白将越过膜进入某个细胞器,
还是整合到膜 内或从细胞输出。这些信号好比
是行李上的标签,使行李能到达正确的目的地;
或好比邮政编码,使信件能投递到正确的地址。
clathrin
COP I COP II
表--- 衣被小泡的类型与功能
GTP 组成与衔接蛋白 酶
运输方向
Arf Clathrin重链与轻链,质膜→内体 AP2
Clathrin重链与轻链,高尔基体→内体 AP1
Clathrin重链与轻链,高尔基体→溶酶体
AP3
高尔基体→植物液泡
Arf COPαββ’γδ 高尔基体→内质网 εζ
蛋白质的正确分拣的条件:
• 一是蛋白质中包含特殊的信号序列(signal sequence)
• 二是细胞器上具特定的信号识别装置(分选受
体,sorting receptor)。
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蛋白质的分拣信号
• 靶向序列( targeting sequence),是蛋白质分 子中一小段特异的氨基酸序列,又称信号序列 (signal sequence)
2. COPⅠ被膜小泡的形成
COPⅠ被膜小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白 (escaped proteins)返回内质网。
内质网的正常驻留蛋白,不管在腔中还是在膜上,它 们在C端含有一段回收信号序列(retrieval signals), 如果它们被意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔 基体cis面,则cis面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃 逸蛋白的回收信号,形成COPI衣被小泡将它们返回内 质网。
• 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。
• 同膜结合后的ARF——GTP可以同外被体结合, 形成被膜小泡。
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外被体蛋白质Ⅰ(coatmer proteinⅠ, COPⅠ) • COPⅠ是一种胞质溶胶蛋白质复合物,由7个
• 靶向斑块(targeting patch),是蛋白质分子中 肽链折叠使互不连续的肽段相互靠拢而构成的 局部立体结构。
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signal sequence and signal patch
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蛋白质在细胞内的运输形式
• 小泡介导:是附着在内质网上的多聚核糖 体中合成的蛋白质的方式运输。
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披网格蛋白小泡的形成
披网格蛋白小泡的形成分 为三个基本过程∶
① 被膜小窝(clathrin-coated pit)的形成
• 在胞吞过程中, 吞入物(配体) 先同膜表面特异受体结合
• 然后网格蛋白装配的亚基 结合上去, 使膜凹陷成小窝 状。
图9-68 披网格蛋白小泡的形成过程
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② 披网格蛋白小泡的形成 • 网格蛋白被膜小窝通过
出芽的方式形成小泡 • 小泡须在发动蛋白的作
用下与质膜割离。 • 此时的小泡外面有网格
蛋白包被, 称之被膜小泡。
图9-68 披网格蛋白小泡的形成过程
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③ 无被小泡的形成 • 披网格蛋白小泡形成之后,
很快脱去网格蛋白的外被, 成为无被小泡。 • 在真核细胞中有一种分子 伴侣hsp70充当衣被解体 的ATP酶,一种辅蛋白 (auxillin)可以激活这种 ATP酶。 • 披网格蛋白小泡的外被去 聚合形成三腿复合物, 并 重新用于披网格蛋白小泡 的装配。
• 网格蛋白形成的包被中还有衔接蛋白 (adaptin)。它介于网格蛋白与配体受体复合 物之间,起连接作用。已知至少有4种衔接蛋 白,AP1,AP2,AP3,AP4.
• 网格蛋白包被小泡介导从反面高尔基体网络到
细胞质膜、从细胞质膜到反面高尔基网络的运
输。
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4.3.2. 小泡形成的条件
种蛋白质起衔接作用,这就是衔接蛋白。所以衔接蛋 白是一种在披网格蛋白小泡形成中起中介作用的蛋白 质。
图---- 衔接蛋白与膜受体细胞质最结新 P构PT 域中的信号序列相互作用
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• 目前已知有三种衔接蛋白:AP1、AP2和AP3。 可分别结合不同类型的受体,形成不同性质的 转运小泡。
• AP1参与高尔基体→内体的运输 • AP2参与质膜→内体的运输 • AP3参与高尔基体→溶酶体的运输
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二G、TP 酶衣(被co形at-成recruitment GTPase ) , 为 单 体 GTP 酶
(monomeric GTPase),即G蛋白(GTP结合蛋白)。
• GTP酶以两种状态存在:
①同GTP结合时, 具活性状态;
②同GDP结合, 则是非活性状态。
• GTP酶的活性和非活性状态的转变取决于两种蛋白:
Sar 1 Sec23/Sec24复合体,内质网→高尔基体 Sec 13/31复合体, Sec 16,Sec 12
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三种不同小泡虽然有很多差异,但在小泡形成的方式和所需的成份基本一致
图 参与被膜小泡出芽形成的一些组分 (出芽形成被膜小泡时需要小GTP结合蛋白、外被体和衔接蛋白、膜受体蛋白等)
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4.3.1 包被小泡的类型
① COPⅠ被膜小泡(COPⅠcoated vesicle),
• 由外被蛋白Ⅰ(coat protein Ⅰ, COP Ⅰ )包裹的 小泡。
• COP Ⅰ 是一个复合体,包括: αββ’γδεζ亚基。
• COPⅠ被膜小泡主要介导蛋白质从高尔基体运 回内质网,包括从反面高尔基体运向顺面高尔基 体,以及将蛋白质从反面高尔基体运回到内质网。
①鸟嘌呤核苷释放蛋白(guanine-nucleotide-releasing
protein, GNRP), 它催化GDP同GTP的交换。
②GTP 酶激活蛋白(GTPase-activating protein, GAP), 它
触发结合的GTP水解。
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网格蛋白(clathrin)及包被亚基(coat subunits)
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发动蛋白(dynamin) • 发动蛋白是一种胞质溶胶蛋白,有900个氨基酸,
能够同GTP结合并将GTP水解。 • 发动蛋白的作用是在被膜小窝的颈部聚合,通
过水解GTP调节自己收缩, 最后将小泡与质膜 割开。
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• 当笼形蛋白衣被小泡形成时,可溶性蛋白 dynamin聚集成一圈围绕在芽的颈部,将小泡柄 部的膜尽可能地拉近(小于1.5nm),从而导致 膜融合,掐断(pinch off)衣被小泡。
参与小泡出芽形成的物质有
• 小GTP结合蛋白 • 外被体 • 衔接蛋白 • 膜受体蛋白等
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小泡形成要有信号与信号受体 ➢如KDEL信号是内质网蛋白的滞留信号,
因此KDEL是COPⅠ型小泡形成的信号, 而其KDEL的信号受体却是位于高尔基体 的ERD2蛋白。
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衣被类 型
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图- KDEL序列
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① ②

图9-69 COPⅠ被膜小泡形成的过程
COPⅠ被膜小泡的形成
① 一种胞质溶胶中的小分子GTP结合蛋白, 即ARF,释放所结合的GDP,然后同GTP结 合,形成ARF-GTP复合物,并整合在高尔基 体膜中。GDP与 GTP的交换是由高尔基体 膜中的一种酶催化的; ② COPⅠ同ARF以及高尔基体膜蛋白的细 胞质部分结合; ③在脂酰CoA(fatty-acyl CoA)的帮助下形 成COPⅠ被膜小泡,但脂酰CoA的确切作 用尚不清楚。一旦COPⅠ小泡形成就立即 从供体膜释放出来,COPⅠ包被去聚合, 并与膜脱离, 这一过程是由与ARF结合的 GTP水解所触发.
• 网格蛋白由相对分子质量为180kDa的重链和相
对分子质量为35~40kDa的轻链组成二聚体;
• 三个二聚体形成包被的基本结构单位--三联体
骨架(triskelion), 称为三腿蛋白(three-legged
protein);
• 许多三腿复合物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披网格蛋白小
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②COPⅡ包被小泡(COPⅡ coated vesicle)
• 由外被蛋白Ⅱ(coat protein Ⅱ, COP Ⅱ )包裹的 小泡。
• COP Ⅱ是一个大的复合体,称为外被体 (coatomer) ,包括 Sec23/Sec24复合体,Sec 13/31复合体,Sec 16亚基, Sec 12亚基。
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