生物物理课-3.ppt
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1、3.膜的合成与分选,Medicine Nobel goes to pioneer of protein guidance mechanisms,Nature 401, 625 (1999),How do the proteins know where to go? How do they make their way? -Nature,Gunter Blobel,细胞中自组装和自组织问题的重要课题之一是物质的分选、定向和转运,是细胞自组装自组织过程的第一步,# Individual Proteins are transported within the pattern according to
2、 intrinsic signals. Signal sequences - initiate translocation of proteins across specific membranes. Stop-transfer sequences - interrupt the translocation process that was previously initiated by a signal sequence. Sorting sequences - act as determinants for posttranslocational traffic of subpopulat
3、ions of proteins. Insertion sequences - initiate unilateral integration of proteins into the lipid bilayer without the mediation of a distinct protein effector. - Gunter Blobel (PANS 77, 1980, 1496-1500),蛋白质分选存在不同层次,蛋白质分选存在不同层次,由线粒体和叶绿体DNA编码的蛋白,则在这些细胞器的核糖体中合成,因此这些蛋白就直接编入线粒体和叶绿体空间里(compartment)。 在真核细
4、胞中,大多数线粒体和叶绿体蛋白,以及其它细胞器、颗粒和膜的蛋白都是由核DNA编码,并在胞浆核糖体中合成的。 将这些蛋白分选到其正确的方向,就需要多重的分选信号及多步的分选活动。,蛋白质分选存在不同层次,对于在胞浆中合成的蛋白质分选 在粗面内质网上膜束缚的核糖体(membrane-attached ribosomes) 上合成的蛋白。 未附着膜上的胞浆核糖体(membrane-unattached ribosomes)合成的蛋白。,蛋白质分选存在不同层次,对于未附着在膜上的胞浆核糖体中合成的蛋白合成后被释放到胞浆中,其中一些蛋白仍保留在胞浆中,而另外一些则被编入细胞核、线粒体、叶绿体或过氧化酶体
5、中,然后再进一步分选到这些细胞器中的正确方位。,线粒体定位信号(targeting to mitochondria) 线粒体蛋白有几百种,它们是在两套遗传系统指导下合成的。 只有大约10种线粒体内膜蛋白是由线粒体基因编码的。 而绝大部分线粒体蛋白是由核基因编码,在胞质中的核糖体上合成,然后跨越线粒体外膜进入线粒体的。 把蛋白从胞浆运进线粒体至少需要两类分选信号,一类是把蛋白导向线粒体的信号;另一类是使蛋白定位于线粒体内膜、外膜或基质的信号。,被导向线粒体的蛋白要首先与线粒体外膜胞质侧的特异性受体结合,即输入受体(import-receptor)。许多进入线粒体的蛋白含有一个具有信号功能的前导序
6、列(pre-sequence),大小从0.5kd到20kd不等。当蛋白定位于线粒体膜上之后此前导序列被切除。 对大量的前导序列的分析发现,它们富含Arg和Lys,并且通常被不带电的氨基酸如Ser和Thr分隔开,几乎不含有酸性氨基酸。这些特征都说明它们是决定蛋白在线粒体上定位的序列. 此外还发现线粒体前体蛋白在特定的内外膜接触区域跨越线粒体的内外膜.,蛋白质分选存在不同层次,对于在粗面内质网上膜束缚的核糖体上合成并进入分泌途径的蛋白,又可分为两种类型蛋白。 一类以共转移形式即边合成边穿过内质网膜进而进入内质网中腔中的蛋白。 另一类为整合膜蛋白(integral membrane protein)
7、,这些蛋白的前25个氨基酸组成的序列叫做拓扑序列(topogenic sequences),用以保证蛋白在插入内质网膜时获得正确的定向。,蛋白质合成与分选的分泌途径,对于内质网来说,一个基本的任务就是把继续留在内质网中发挥功能的蛋白与移向其他膜系统的蛋白区别开来。 有关决定蛋白质的精确定位的信息目前了解较少,但已经鉴别了一些与蛋白的分选和定位相关的地址信号序列,其中之一为内质网驻留信号。,内质网驻留信号(signals for retention in ER) 目前一种观点认为,那些将要离开内质网转运到高尔基体、并进一步转运到质膜或溶酶体等细胞器的蛋白,是不需要特定的信号序列的( ?,这种观点
8、可能不对!)。 而在那些保留在内质网中的蛋白上却发现了一些保守的信号序列所谓的内质网驻留信号。如,已发现序列lys-Asp-Glu-Leu对三种驻留在内质网中的非膜蛋白是必需的。,转运囊泡介导的胞内运输,转运囊泡介导的胞内运输,对于进入粗面内质网的分泌蛋白,通过转运囊泡把它们转运到高尔基复合体。 那些被转运到高尔基体囊泡中的蛋白,其中一部分将继续留在高尔基体中,剩下的则会被运送到溶酶体及各种囊泡中。 其中进入分泌囊泡的蛋白经过胞吐(exocytosis),即分泌小泡的膜与细胞膜融合,将蛋白释放到细胞外,转运囊泡介导的胞内运输,这样,各层次的分选保证了每一种蛋白都能到达其正确的方位。而粗面内质网
9、的膜和腔、高尔基复合体及分泌囊泡中,都含有各自特有的标记酶(resident enzyme),可以对经过该细胞器的蛋白进行特定的化学修饰。而且,每一种蛋白上都带有一个或多个靶信号,用以引导其到达自己正确的定位。,The secretory pethway of protein synthesis,转运囊泡介导的胞内运输,第一,转运囊泡是如何形成的,某些膜整合蛋白是如何选择性插入囊泡而其他蛋白却被排除在外? 第二,导致特定转运囊泡只结合在特定种类细胞器膜上的分子机制是什么? 第三,转运囊泡与靶细胞器膜融合的机制是什么?,Stage and components of a vesicle shut
10、tle,Nature396(1998)543,Science272(1996)228.,Cell97(1999145,Cell92(1998)759,budding,targeting,fusion,转运囊泡介导的胞内运输,Budding (出芽) Targating(导向定位) Fusion(融合),转运囊泡介导的胞内运输,Budding (出芽): 两种包被蛋白参与两类转运囊泡的形成 clathrin-coated vesicles: 由笼形蛋白(clathrin)包被的囊泡,形成于plasma membrane和trans-Golgi Network之间。 COP-coated vesi
11、cles: COP包被蛋白包括若干种coatmer,其中COP是一种与笼形蛋白重链相似的蛋白。这些非笼形包被蛋白包被的囊泡形成于ER与Golgi之间,以及不同种类的Golgi囊泡之间。,笼形蛋白包被囊泡的形成 膜整合蛋白选择性编入笼形蛋白包被囊泡过程一个的模型。一些膜蛋白的胞浆结构域特异性结合在组装颗粒上。然后,这些组装颗粒再与笼形蛋白相结合,并与其一起自发地聚集到膜的一个区域。未与组装颗粒结合的膜蛋白则被排除在笼形蛋白包被囊泡之外。,位于纤维原细胞膜胞浆侧的笼形蛋白包被凹陷,具有笼形蛋白纤维组成的多面体网状结构。 The cell was rapidly frozen in liquid h
12、elium, freeze-fractured, and then treated by the deep-etching technique.,非笼形蛋白包被囊泡从cis Golgi形成的过程(Golgi复合体中囊泡转运的细节) 当ARF蛋白(在膜结合酶的作用下)将结合的GDP换为GTP、其本身结合到cis Golgi囊泡膜上的ARF受体上时,囊泡开始出芽。Coatomer结合在cis-Golgi囊泡的胞浆侧;它聚合成纤维性包被可以诱导囊泡的出芽。脂酰辅酶A是最终转运囊泡与供体膜分离时所必需的,但其功能目前还不知道。,转运囊泡介导的胞内运输,Budding (出芽) Targating(导向
13、定位) Fusion(融合),Subcellular location of Rab proteins in mammalian cells 哺乳动物细胞Rab蛋白的分离。每一种Rab蛋白都位于特定的转运囊泡中,并引导这些转运囊泡到达正确的acceptor- organelle.,Rab4 Rab5,Rab7,Rab9,Rab3,Rab10,Rab6,Rab1 Rab2,一种小的GTP结合蛋白家族参与转运囊泡的流通 一族GTP结合蛋白参与控制真核细胞中囊泡的流通。这些Rab蛋白全都含有约200个氨基酸残基,并且具有完全相似的结构,但是每一种都位于不同的细胞器。纯化的Rab蛋白可以结合及水解GT
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