第8章--蛋白质分选与膜泡运输

高尔基复合体与细胞内的膜泡运输高尔基符合体在分泌蛋白和细胞质膜蛋白的形成过程中不仅起着加工的作用，同时还有形成囊泡，进行包装和运输的作用。

分泌型蛋白、多数细胞质膜的膜蛋白都是在糙面内质网上合成后，经高尔基体的加工与分装通过膜泡运输的方式输送到细胞表面；而细胞质外的大分子和颗粒性物质及细胞质膜的膜蛋白也会通过胞饮或吞噬作用，以膜泡运输的方式进入细胞内。

高尔基复合体不论在向外运输的膜泡转移中，还是在内吞形成的膜泡转移中都起着重要的作用，且高尔基复合体中的G蛋白对高尔基复合体膜泡运输具有调控作用。

在细胞内的膜泡运输中，至少有10种以上的运输小泡参与膜泡运输过程，有三类。

C0PI 有被小泡、C0PI I又被小泡、成笼蛋白有被小泡，前二者主要起始于内质网和高尔基复合体的运输，而后者主要调节起始于高尔基复合体和质膜的运输。

膜泡运输的类型1. 成笼蛋白有被小泡起源于高尔基复合体的反面网状结构，其衣被主要成分为成笼蛋白和衔接蛋白。

结构上外层为由成笼蛋白构成的蜂巢样网络结构，内壳则由衔接蛋白构成，覆盖在细胞质基质侧的膜泡表面。

成笼有被小泡主要是负责蛋白质从高尔基体反面网状姑构向质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。

此外，也参与胞内体到溶酶体的运输以及受体介导的内吞途径。

2. C0PI I有被小泡C0PI I有被小泡主要参与从内质网到高尔基复合体的物质运输，由五种蛋白亚基构成。

C0PI I蛋白能识别并结合跨膜内质网蛋白质膜一段的信号序列；而跨膜内质网蛋白的腔面一端作为受体与内质网腔中的可溶性蛋白结合。

C0PI I有被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。

3. C0PI有被小泡主要负责回收与转运内质网逃逸蛋白返回内质网，而且在“糙面内质网-高尔基复合体- 分泌泡-细胞表面”的蛋白质转运过程中，还行使非选择性批量运输的功能。

以上三种小泡介导的膜泡运输，需依赖于多种GTP结合蛋白对膜交换的时空变化进行调控。

膜泡运输的定向为了确保膜运输的有序进行，运输小泡在正确识别其将要与之融合的靶膜是必须具有高度选择性。

（武汉大学）细胞6.蛋白质分选与膜泡运输●蛋白质分选与转运●信号假说与蛋白质分选信号●signal hypothesis 信号假说分泌性蛋白N-端序列作为信号肽，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●signal peptide 信号肽位于蛋白质N端，一般由16~26个氨基酸残基组成，其中包括疏水核心区、信号肽的C端和N端3部分●signal recognition partical, SRP 信号识别颗粒一种核糖核蛋白复合体，由6种不同的蛋白质和一个由300个核苷酸组成的7S RNA结合而成，SRP通常存在于细胞质基质中●docking protein, DP 停泊蛋白内质网膜上信号识别颗粒的受体●protein sorting 蛋白质分选依靠分选机制，从蛋白质起始合成部位，转运到其功能发挥部分的过程●信号序列●start transfer sequence 起始转移序列——引导起始（即信号肽）与signal recognition partical, SRP 信号识别颗粒作用，指导新合成的多肽向内质网转移●internal stop-transfer anchor sequence, STA 内在停止转移锚定序列——停止并锚定膜蛋白特有，成为跨膜片段，使蛋白成为膜上的整合膜蛋白●internal signal-anchor sequence, SA 内在信号锚定序列——引导并锚定既作为内质网的信号序列，又作为膜锚定序列●cotranslational translocation 共翻译转运蛋白质在游离核糖体上起始合成之后，由信号肽及其与之结合的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膜上的蛋白质分选方式●分泌蛋白●在细胞质基质游离核糖体上起始合成，随着翻译的进行，信号序列（signal peptide 信号肽）暴露并与signal recognition partical, SRP 信号识别颗粒结合，使翻译过程暂时中止防止新生肽N-端损伤和成熟前折叠●在SRP引导下，与内质网膜上SRP受体（docking protein, DP 停泊蛋白）结合，核糖体/新生肽与移位子（translocon）结合使SRP脱离过程涉及SRP的磷酸化和去磷酸化，鸟苷酸交换因子GEF（GTP与GDP的转换）●以环化构象的信号肽与移位子结合并使通道打开，信号肽穿入内质网膜并引导肽链以袢环的形式进入内质网腔，信号肽酶切除信号肽并快速使之降解●肽链继续延伸，完成多肽链合成，蛋白质进入腔内折叠，核糖体释放，移位子关闭●信号序列决定蛋白的位置●只有N端信号序列而没有停止转移锚定序列——进入内质网腔●停止转移锚定序列位于多肽内部——成为内质网膜的跨膜蛋白●含有多个起始转移序列和多个停止转移锚定序列——多次跨膜的膜蛋白●方向性的决定——内在信号肽（SA）两侧氨基酸所带的电荷细胞膜内负外正●正电荷一侧朝向胞质侧●负电荷一侧朝向内质网腔面侧●post-translational translocation 翻译后转运在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成后，再转运至膜围绕的细胞器，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白●在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（线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核）●细胞质基质可溶性驻留蛋白、骨架蛋白●leader peptide 导肽线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白以及过氧化物酶体中的蛋白多肽上存在的指导该肽链进入这些细胞器中的特异性序列●蛋白质转运●transmembrane transport 跨膜转运（蛋白质向线粒体、叶绿体分选）蛋白质多肽在特异性信号肽或者导肽的指导下跨过细胞中膜系统而实现转运●vesicular transport 膜泡运输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分选转运至细胞的不同部位●gated transport 选择性门控转运在细胞质基质中合成的蛋白质通过nuclear pore complex, NPC 核孔复合体在核-质间双向选择性地完成核输入或核输出●细胞质基质中蛋白质的转运与细胞骨架密切相关●蛋白质向线粒体、叶绿体分选●线粒体蛋白质的去向：外膜、内膜、膜间隙、基质●线粒体基质蛋白线粒体基质蛋白N端靶向信号序列不尽相同，但共享相同的基序两性α螺旋：带正电荷的氨基酸位于螺旋的一侧，不带电荷的位于另一侧●再游离核糖体上合成的前体蛋白（N端含有基质靶向序列），与胞质分子伴侣Hsp70结合，使其保持未折叠或部分折叠状态●前体蛋白与输入受体（Tom20/22）结合，被转运进入输入孔●通过内外膜接触位点的输入通道（外膜：Tom40，内膜：Tim23/17）●线粒体基质分子伴侣Hsp70与输入蛋白结合并水解ATP以驱动输入●基质蛋白酶切除基质靶向序列，释放Hsp70，基质蛋白折叠并产生活性构象●内膜蛋白●途径1肽链具有基质靶向序列、停止转移序列●进入基质的过程与基质蛋白相似（不完全进入）●停止转移序列被Tim23/17识别后介导蛋白质插入内膜●途径2肽链具有基质靶向序列、Oxa1靶向序列●进入基质的过程与基质蛋白相同●内膜上的Oxa1介导蛋白质插入内膜●途径3肽链具有多个内在靶向序列，无基质靶向序列●内在靶向序列受Tom70/Tom22识别后，由Tom40输入膜间隙●在分子伴侣Tim9/10的协助下形成多次跨膜蛋白●膜间隙蛋白●途径1（主要途径）肽链具有基质靶向序列、内膜间隙靶向序列●与内膜蛋白途径1类似，主要不同点是蛋白质内在靶向序列预定其定位在膜间隙，且在转运过程中被内膜上蛋白酶与膜间隙一侧切割，蛋白质被释放到膜间隙与血红素结合●途径2肽链具有内膜间隙靶向序列，无基质靶向序列●转运的蛋白通过外膜Tom40输入孔，直接进入膜间隙●叶绿体●特点●前体蛋白均含有N端基质输入序列（stromal-import sequence）●以非折叠形式输入，依赖于基质Hsp70蛋白催化ATP水解提供能量●与线粒体的不同：不产生跨内膜的电化学梯度，ATP水解供能是唯一动力来源●叶绿体基质蛋白的分选●和线粒体基质蛋白的输入基本相似，前体蛋白以非折叠形式输入，输入过程依赖于基质Hsp70蛋白催化ATP水解提供能量●与线粒体不同的是，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●类囊体蛋白的分选●SRP依赖途径（plastocyanin precursor 质体蓝素前体蛋白）●尚未折叠的前体蛋白通过外膜上转运基质蛋白的通道进入基质，N端基质靶向序列被基质蛋白酶切除●在基质空间保持非折叠状态（分子伴侣协助），在类囊体靶向序列指导下与叶绿体SRP结合●SRP被类囊体膜上的SRP受体识别，然后由类囊体膜的转运蛋白SecY转运到类囊体腔●类囊体靶向序列被内切蛋白酶（endoprotease）切除，蛋白质折叠产生成熟构象●pH依赖途径（metal-binding precursor 金属结合前体蛋白）●尚未折叠的前体蛋白通过外膜上转运基质蛋白的通道进入基质，N端基质靶向序列被基质蛋白酶切除●在基质中折叠并与其辅助因子结合●通过跨叶绿体内膜的pH梯度和类囊体膜上的转运蛋白输入到类囊体腔中●类囊体靶向序列被切除，产生成熟的构象●膜泡运输●vesicular transport 膜泡运输概观●由内膜系统构成的各区室之间物质的输送通常是靠膜泡的方式进行●蛋白质分选的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中，其转运过程不仅涉及蛋白质本身的修饰、加工和组装，还涉及多种不同膜泡靶向运输及其复杂的调控过程●在细胞内形成复杂的膜流（membrane flow），具有高度组织性和方向性并维持动态平衡●膜泡类型●COPⅡ包被膜泡（coat protein Ⅱ）●运输方向（顺向运输）：从内质网到高尔基体●蛋白组分：小分子GTP结合蛋白Sar1、Sec23/Sec24复合物、Sec13/Sec31复合物、大的纤维蛋白Sec16●COPⅠ包被膜泡（coat protein Ⅰ）●运输方向（逆向运输）：从高尔基体反面膜囊到顺面膜囊、从高尔基体CGN到内质网●蛋白组分：7种不同的蛋白亚基、一种调节膜泡转运的GTP结合蛋白ARF●网格蛋白/接头蛋白包被膜泡（clathrin/adaptor protein）（clathrin clathrin 网格蛋白依赖的胞吞作用）●运输方向●高尔基体TGN向内体或向溶酶体、黑（色）素体、血小板囊泡、植物细胞液泡●在受体介导的胞吞途径中负责将物质从细胞表面运往内体而转到溶酶体的运输●膜泡组分●GTP结合蛋白Sar1、ARF 分子开关，启动膜泡形成●coat protein 包被蛋白出芽形成膜泡●受体膜蛋白选择可溶性被转运物质●Rab蛋白锚定用GTP结合蛋白●SNARE蛋白介导膜泡与靶膜的融合●被转运的物质可溶性蛋白、膜蛋白●膜泡的装配与运输●COPⅡ包被膜泡（coat protein Ⅱ）●Sar1与膜结合，GTP交换：细胞质中可溶性Sar1-GDP与内质网膜蛋白Sec12（鸟苷酸交换因子）相互作用，形成Sar1-GTP，Sar1构象改变暴露出疏水N端插入内质网膜●COPⅡ包被装配：Sar1的结合招募Sec23/24的富集，Sec13/Sec31复合物●GTP水解：Sec23亚基促进GTP被Sar1水解●COPⅡ包被去装配：Sar1-GDP从膜泡上释放，引发包被去装配而解聚●COPⅠ包被膜泡（coat protein Ⅰ）运输意义：COPⅠ包被膜泡介导细胞内膜逆向运输是内质网回收错误分选的逃逸蛋白（escaped protein）的重要途径●retrieval signal 回收信号序列内质网的正常驻留蛋白，在C端含有一段回收信号序列（retrieval signal），如果它们被包装进入转运膜泡从内质网逃逸到高尔基体CGN，则CGN区的膜结合受体蛋白将识别并结合这些逃逸蛋白的回收信号，形成COPⅠ包被膜泡将它们回收到内质网●KDEL（Lys赖氨酸-Asn天冬氨酸-Glu谷氨酸-Leu亮氨酸）哺乳动物内质网的可溶性驻留蛋白●KDEL受体识别并结合KDEL分选信号，形成COPⅠ包被膜泡，输送回内质网●pH值的差异导致驻留蛋白的结合与释放低pH的高尔基体：结合高pH的内质网：释放●KKXX（Lys赖氨酸-Lys赖氨酸-任意氨基酸-任意氨基酸）内质网的膜蛋白●HDEL（His组氨酸-Asn天冬氨酸-Glu谷氨酸-Leu亮氨酸）酵母内质网的可溶性驻留蛋白●内质网蛋白质的保留和回收机制●驻留蛋白参与形成大的复合物，避免进入转运膜泡●逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位●网格蛋白/接头蛋白包被膜泡（clathrin/adaptor protein）（clathrin clathrin 网格蛋白依赖的胞吞作用）●clathrin 网格蛋白●三条重链和三条轻链●可以自组装形成多角形的网格，构成包被膜泡骨架结构●adaptor protein 接头蛋白●将网格蛋白网格包被连接到质膜上●特异性地促使一些膜结合蛋白富集到形成包被的膜区●过程：在供体膜上网格蛋白/接头蛋白包被小泡出芽形成后，发动蛋白围绕颈部聚合，然后催化GTP水解，所释放的能量驱动发动蛋白构象改变，导致网格蛋白/接头蛋白包被膜泡从供体膜断裂并释放（过程）●转运膜泡与靶膜的锚定与融合●膜泡运输的关键步骤●供体膜的出芽、装配和断裂，形成不同的包被转运膜泡●在细胞内由马达蛋白驱动（myosin 肌球蛋白）、以microtubule, MT 微管为轨道的膜泡运输●转运膜泡与特定靶膜的锚定和融合●锚定（Rab蛋白介导）Rab蛋白属于开关调控蛋白GTPase超家族成员●在供体膜上的鸟苷酸交换因子（GEF）识别并结合特异性Rab蛋白，诱发GDP转换GTP，Rab蛋白构象改变并插入转运膜泡内●Rab-GTP与靶膜上的Rab效应器结合，从而使转运膜泡被锚定在适当的靶膜上●膜泡融合发生以后，GTP水解，Rab-GDP蛋白释放●融合（SNARE蛋白互作）●介导融合的主要分子●v-SNARE/t-SNARE蛋白：决定供体膜泡与靶膜的融合●胞质融合蛋白NSF●可溶性NSF结合蛋白SNAP●过程●锚定完成后，v-SNARE蛋白和同类t-SNARE胞质结构域相互作用，形成稳定的卷曲SNARE复合体，将膜泡与靶膜紧密束缚在一起●SNARE复合体形成后，供体膜泡与靶膜融合●两膜融合后，NSF - α-SNAP与SNARE复合体结合，NSF催化ATP水解，驱动SNARE复合体解离，游离的SNARE蛋白再用于其他膜泡的融合。

《细胞生物学》题库参考答案第八章蛋白质的分选一、名词解释1.信号肽——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，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端等三部分，称信号肽（signal peptide）或信号序列（signal sequence）。

2.共转运——肽链边合成边转移至内质网腔中的方式。

3.后转运——蛋白质在细胞基质中合成以后再转移到某些细胞器中的转移方式。

4.开始转移序列——引导肽链穿过内质网腔的信号肽，称为开始转移序列（start transfer sequence）。

5.停止转移序列——肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质，称为停止转移序列（stop transfer sequence）。

6.分子伴侣——通称为结合蛋白，在细胞中这类蛋白能识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽，并与多肽的一定部位相结合，帮助这些多肽的转运、正确折叠或组装，但其本身并不参与最终的形成。

7.导肽——又称转运肽(transit peptide)或导向序列(targeting sequence)，它是游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号。

8.N LS序列——亲核蛋白上带有的一段特殊的氨基酸序列，这些特殊短肽保证了亲核蛋白质能通过核孔复合体被转运到细胞核内，这段具有“定向”、“定位”作同的序列被称为核定位信号（nuclear localization signal，NLS）。

9.内体——酸性的不含溶酶体的小囊泡。

10.信号假说——即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白导内质网膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。

11.蛋白质跨膜运输——主要是指在细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体和过氧化物酶体等细胞器，但进入内质网与进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的机制又有不同。

12.膜泡运输——蛋白质通过不同类型的转运小泡从其糙面内质网合成部位转运至高尔基体进而分选运至细胞的不同部位，其中涉及各种不同的运输小泡的定向转运，以及膜泡出芽与融合的过程。

《细胞生物学》题库参考答案第八章蛋白质的分选一、名词解释1.信号肽——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，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端等三部分，称信号肽（signal peptide）或信号序列（signal sequence）。

2.共转运——肽链边合成边转移至内质网腔中的方式。

3.后转运——蛋白质在细胞基质中合成以后再转移到某些细胞器中的转移方式。

4.开始转移序列——引导肽链穿过内质网腔的信号肽，称为开始转移序列（start transfer sequence）。

5.停止转移序列——肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质，称为停止转移序列（stop transfer sequence）。

6.分子伴侣——通称为结合蛋白，在细胞中这类蛋白能识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽，并与多肽的一定部位相结合，帮助这些多肽的转运、正确折叠或组装，但其本身并不参与最终的形成。

7.导肽——又称转运肽(transit peptide)或导向序列(targeting sequence)，它是游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号。

8.N LS序列——亲核蛋白上带有的一段特殊的氨基酸序列，这些特殊短肽保证了亲核蛋白质能通过核孔复合体被转运到细胞核内，这段具有“定向”、“定位”作同的序列被称为核定位信号（nuclear localization signal，NLS）。

9.内体——酸性的不含溶酶体的小囊泡。

10.信号假说——即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白导内质网膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。

11.蛋白质跨膜运输——主要是指在细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体和过氧化物酶体等细胞器，但进入内质网与进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的机制又有不同。

12.膜泡运输——蛋白质通过不同类型的转运小泡从其糙面内质网合成部位转运至高尔基体进而分选运至细胞的不同部位，其中涉及各种不同的运输小泡的定向转运，以及膜泡出芽与融合的过程。