细胞生物学第四版(8至12章)

信号识别颗粒（SRP）的结构示意 图（图8-2）
在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与 SRP、DP和微粒体的关系（表8-1）
分泌性蛋白的合cotranslational translocation）：分泌 蛋白向rER腔内的转运是同蛋白质翻译过程偶联进行的，这 种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。
信号肽的一级结构序列（图8-1）
• 信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP ）：信 号识别颗粒是由6种不同蛋白质和一个7S小RNA分子构成的 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的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，核糖体结合结构域中的 p9和p14蛋白复合体阻断新生肽链的翻译。 SRP通常存在 于细胞质基质中，等待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。 • 信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白，docking protein， DP）：DP是内质网膜的整合蛋白，由α和β亚基组成，可特 异地与SRP结合。α亚基可结合GTP。 • 信号肽酶（signal peptidase ）：内质网腔面上蛋白水解 酶，负责切除并快速降解新生多肽的N端信号肽序列。
通过后翻译转运途径对核基因编码 的线粒体蛋白的转运（图8-6）
• A：线粒体蛋白从 细胞质基质输入 到线粒体基质 • B：线粒体蛋白通 过3种途径从细胞 质基质输入到线 粒体内膜 • C：线粒体蛋白通 过2种途径从细胞 质基质输入到线 粒体膜间隙
（二）叶绿体基质蛋白与类囊体蛋 白的靶向输入
• 进入基质与线粒体的相似：叶绿体前体蛋白具有 N端叶绿体（基质）靶向序列和类囊体靶向序列， 进入基质与线粒体的相似：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 体不同的是：不产生跨内膜的电化学梯度。 • 进入基质后不同蛋白的转运途径不同：一个是叶 绿体SRP依赖途径（与蛋白质进入内质网过程相 似）；另一种是pH依赖途径（蛋白质与其辅因子 结合，在类囊体靶向序列N端的2个Arg残基和跨 线粒体内膜的pH 梯度是折叠蛋白输入到类囊体腔 所必需的。）。
三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过 氧化酶体的分选
• 转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的蛋白质分 选是一个多步过程，需要多个不同的靶向序列（targeting sequence）。 • 定位到叶绿体的前体蛋白N端具有40~50个氨基酸组成的转 运肽（transit peptide），用以指引多肽定位到叶绿体并进 一步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的蛋白质靠的是线粒体蛋白N 端的导肽（leader peptide）或过氧化物酶体蛋白C端的靶 向序列（targeting sequence）。 • 注意：蛋白质最终的定位还需要其它空间定位信号；蛋白质 必须在分子伴侣的帮助下解折叠或维持非折叠状态，以利于 通过膜；蛋白质输入通常需要能量。
细胞生物学教学课件
第八章~~~~~~第十二章
第八章 蛋白质分选与膜泡运输
第一节 细胞内蛋白质的分选 第二节 细胞内膜泡运输
第一节 细胞内蛋白质的分选
真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白 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 白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组 分。因此必然存在不同的机制以确保蛋白质分选，转运至细胞 的特定部位，也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功能的复 合体，才能参与实现细胞的各种生命活动。这一过程称蛋白质 分选（protein sorting）或蛋白质寻靶（protein targeting）。 蛋白质分选不仅保证了蛋白质的正确定位，也保证了蛋白质的 生物学活性。实际上，蛋白质分选主要依靠蛋白质自身信号序 列，从蛋白质起始合成部位转运到其功能发挥部位的过程。 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、叶绿体和过氧化酶体的分选
内质网膜整合蛋白的拓扑学类型 （图8-4）
• STA：内部停止转移锚定序列
SA：内部信号锚定序列
• 线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的蛋白质的信号序列特称为导 肽（leader peptide），其基本的特征是蛋白质在细胞质基质 中的游离核糖体上合成以后再转移到这些细胞器中，因此称这 种翻译后再转运的方式为翻译后转运（post-translational translocation）。这种转运方式在蛋白质跨膜过程中不仅需要 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能的蛋白。 • 继信号假说提出与确证后，人们又发现一系列蛋白质分选信号 序列，统称信号序列（signal sequence），而且有些信号序 列还可形成三维结构的信号斑（signal patch），指导蛋白的 靶向转运和定位。
真核细胞蛋白质分选的主要途径与 类型（图8-5）
• 左：共翻译转运
右：翻译后转运
根据蛋白质分选的机制或转运方式不同，又可将蛋白质 转运分为4类： （1）跨膜转运（transmembrane transport）：指共翻译转 运途径中蛋白质边合成边转运进入内质网腔或插入内质网膜； 另指翻译后转运途径中蛋白质在合成后依不同机制转运到线 粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器。 （2）膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质被不同类型 的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 选转移至细胞的不同部位，其中涉及供体膜出芽形成不同的 转运膜泡、膜泡运输和转运膜泡与靶膜的融合等过程。 （3）选择性门控转运（gated transport）：在游离核糖体上 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 核输入或核输出。 （4）细胞质基质中蛋白质的转运：蛋白质在细胞质基质中的 转运显然与细胞骨架系统密切相关，其它不明。
（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：两性的N端靶 向信号序列（形成α螺旋构象）对于指导蛋白质输入线粒 体基质是至关重要的；需要分子伴侣胞质蛋白Hsc70和线 粒体基质蛋白Hsc70协助；需要从内外膜接触点的Tom （外膜移位子）和Tim（内膜移位子）处输入。 2. 线粒体蛋白以3种途径从细胞质基质输入到线粒体内膜：途 径A：具有N端基质靶向序列和内部停止转移序列；途径B： 具有N端基质靶向序列和内部疏水的Oxa1靶向序列（内膜 蛋白Oxa1所识别 ）；途径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 膜与内膜之间转运的分子伴侣。 3. 线粒体蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙：途径A： 具有N端基质靶向序列和内部间隙靶向序列（其过程类似 内膜蛋白途径A，需要内膜上蛋白酶于膜间隙一侧切割释 放。）；途径B：通过外膜Tom40孔直接进入膜间隙。
过氧化物酶体靶向序列1（PTS1） 指导的过氧化物酶体基质蛋白的输 入（图8-8）
第二节 细胞内膜泡运输
一、膜泡运输概观 二、COPⅡ包被膜泡的装配与运输 三、 COPⅠ包被膜泡的装配与运输 四、网格蛋白／接头蛋白包被膜泡的装配与运输 五、转运膜泡与靶膜的锚定和融合 六、细胞结构体系的组装
一、膜泡运输概观
指导蛋白质从细胞基质转运到细胞 器的靶向序列的主要特征（表8-2）
二、蛋白质分选转运的基本途径与类型
核基因编码的蛋白质的分选大体可分2条途径： （1）共翻译转运（cotranslational translocation）途径： 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 合的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 种蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译 转运。注意：内质网和高尔基体本身的蛋白质分选也按此途 径来完成。 （2）翻译后转运（post-translational translocation）途径： 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 围绕的细胞器，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的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的分子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 译后转运途径，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。
• 在细胞分泌与胞吞过程中，以膜泡运输方式介导的蛋白质分选 途径形成细胞内复杂的膜流。这种膜流具有高度组织性、方向 性并维持动态平衡。 • 在细胞的膜泡运输中，糙面内质网相当于重要的物质生产车间 和供应站，而高尔基体是重要的枢纽和集散中心。 • 高尔基体聚集在微管组织中心（MTOC）附近。高尔基体不同 的膜囊具有各自不同的成分，其它内膜系统的成员也一样，这 是行使复杂膜泡运输功能的物质基础。受体蛋白返回原来的膜 结构中有利于维持特定膜成分的相对稳定，如从受体介导的胞 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的TGN等。 • 很多蛋白质分子的表面可能含有多种介导转移与分选的信号。 转运膜泡形成或出芽主要发生在膜的特异部位，即蛋白信号与 受体结合的部位。 • 细胞内膜泡运输需要多种转运膜泡参与，根据转运膜泡表面包 被蛋白的不同，主要分3种不同类型：网格蛋白/接头蛋白包被 膜泡、COP（包被蛋白）Ⅱ包被膜泡和COPⅠ包被膜泡，它们 分别介导不同的膜泡转运途径
一、信号假说与蛋白质分选信号
• 细胞质的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（signal hypothesis）：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 网上合成的重要理论，该过程是包括蛋白质N端的信号肽、 信号识别颗粒和内质网膜上信号识别颗粒的受体（又称停泊 蛋白）等因子共同协助完成的。 • 信号肽（signal peptide）：信号肽位于蛋白质的N端，一 般由16~26个氨基酸残基组成，其中包括信号肽疏水核心区、 N端和C端等3部分；原核细胞某些分泌性蛋白的N端也具有 信号序列。值得注意的是，信号肽似乎没有严格的专一性 （好利用！）。
膜蛋白的共翻译转运机理
• 膜蛋白的共翻译转运涉及几个问题：（1）靠疏水区滞留在内 质网膜上；（2）单次跨膜和多次跨膜；（3）跨膜段的定向。 • 开始转移序列（start transfer sequence）：位于新生肽链 N端的信号序列（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（internal signal-anchor sequence, SA ）：位于新生肽链内部的疏水序列，既是信号序列，又是 肽链跨膜锚定在脂双层中的序列。 • 内部停止转移锚定序列（internal stop-transfer anchor sequence, STA）：位于新生肽链内部的疏水序列，既是肽 段终止转移，又是肽链跨膜锚定在脂双层中的序列。 • 多次跨膜蛋白：含有多个SA和多个STA的肽链将成为多次跨 膜蛋白。 • 跨内质网膜肽段的取向：一般而言，带正电荷氨基酸残基多 的一端，或带正电荷氨基酸残基多的一侧，朝向细胞质基质 一侧（外侧）。
通过翻译后转运途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
（三）过氧化物酶体蛋白的分选
• 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 小分子用于合成途径的细胞器。 • 由内质网出芽衍生出前体膜泡，然后过氧化物酶体的膜蛋 白掺入，形成过氧化物酶体雏形。 • 过氧化物酶体靶向信号（PTS）：常见的C端PTS1（SerLys-Leu）和少见的N端PTS2（Arg/Lys-Leu/Ile-5XHis/Gln-Leu）。 • 可溶性细胞质受体识别并结合具有PTS序列的基质蛋白将 其靶向运输到过氧化物酶体的基质中。 • 可溶性细胞质受体（Pex5或Pex7）和膜结合受体 （ Pex14 ）似乎与SRP和SRP受体的功能有相似性。 • 需要ATP水解提供能量。 • 可参考图7-19及相关内容。