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1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蛋白质分选细胞内存在不同的机制确保蛋白质转运至细胞的特定部位，这一过程称为蛋白质寻靶/定向转运（protein targeting）或蛋白质分选(protein sorting)一、信号假说与蛋白质分选信号1．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易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结束前信号肽被切除2. 指导蛋白在糙面内质网合成的决定因素（1）信号肽（signal peptide）引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于蛋白质的 N 端，又称开始转移序列2）信号识别颗粒（signal recognition particle,SRP）一种核糖核蛋白复合体，一般存在于细胞质中，当新合成的信号肽从多聚核糖体上延伸暴露出来，SRP 即可于新生信号肽序列和核糖体大亚基结合，又可与内质网停泊蛋白（ docking protein, DP）即 SRP 受体结合3）停泊蛋白（docking protein, DP）SRP 受体，存在于内质网膜上，可特异地与 SRP 结合。

4）停止转移序列肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲和力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质5）移位子（translocon）内质网膜上由 3～4 个 Sec61 蛋白复合体构成的类似炸面圈的结构，是蛋白质进入内质网的通道3. 分泌性蛋白在内质网上合成的共翻译转运(cotranslational translocation)过程4. 导肽（leader peptide）/转运肽（ transit peptide）/ 靶向序列线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中，为了研究方便，有人将这种信号序列称为导肽(线粒体) 、转运肽（叶绿体）或靶向序列（过氧化物酶体）二、蛋白质分选转运的基本途径与类型1. 核基因编码的蛋白质的分选途径大体可分为 2 条途径：后翻译转运途径、共翻译转运途径2. 蛋白质的分选运输类型（有 4 类）（1）跨膜转运（transmembrane transport ）蛋白质通过跨膜通道进入目的地如细胞质基质中合成的蛋白质在信号序列的引导下，以不同的机制转运到内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体2）膜泡运输（vesicular transport ）蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。

如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体向溶酶体、质膜和细胞表面的物质运输都属于这种运输方式3）选择性的门控转运（gated transport ）2如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和 RNP 复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核4）细胞质基质中蛋白质的转运三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选（一）蛋白质从细胞质基质输入到线粒体1. 蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质（1）线粒体基质蛋白靶向序列的特点N 端，20～50aa, 富含疏水 aa、带正电荷的碱性 aa(Arg、 Lys)和羟基 aa(Ser、Thr)，缺少带负电荷 aa(Asp、Glu)，形成两性 α螺旋2）蛋白质从细胞质基质输入到线粒体基质的基本步骤步骤 1：在游离核糖体合成的前体蛋白，与胞质蛋白分子伴侣 Hsc70 结合，使其保持未折叠或部分折叠状态，其 N 端具有基质蛋白靶向序列步骤 2、3：前体蛋白与内外膜接触点附近的输入受体 Tom20/22 结合，被转运进输入孔步骤 4、5： 输入的蛋白进而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 Hsc70 与输入蛋白结合并水解 ATP 以驱动基质蛋白的输入。

步骤 6：输入的基质蛋白的基质靶向序列，在基质蛋白酶作用下被切除，同时 Hsc70 从基质蛋白释放出来步骤 7：基质蛋白进而折叠成活性构象第二节 细胞内膜泡运输一、膜泡运输概观膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的其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靶细胞器的膜融合之前解体衣被具有两个主要作用：①选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；②如同模具一样决定运输小泡的外部特征，相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积，与衣被蛋白的组成有关已知有 3 类具有代表性的衣被蛋白包被膜泡，即：笼形蛋白/接头蛋白（clathrin/adaptor protein）包被膜泡、COPI(coat protein I)包被膜泡和 COPII(coat protei II)包被膜泡，各自介导不同的运输途径膜泡运输的蛋白质的分选信号膜泡运输的蛋白质，既可以是膜蛋白，也可以是与膜受体结合的可溶性蛋白蛋白质包装的特异性取决于被转运的蛋白质的靶向分选序列，借以区分哪些蛋白质将被进一步包装转运，哪些将作为驻留蛋白而排出在转运膜泡之外。

3二、COP II 包被膜泡的装配和运输COP II 包被膜泡介导从内质网到高尔基体顺面膜囊的物质运输1. COP II 包被的组分COP II 衣被由多种蛋白质构成1）Sar 1衣被招集 GTP 酶（coat-recruitment GTPase）；起分子开关的作用，结合 GDP 的形式没有活性，位于细胞质中；结合 GTP 而活化，转位至膜上，能与衣被蛋白结合，促进核化和组装2）Sec 12ER 膜蛋白，为 Sar1 的鸟苷酸交换因子，使 Sar1 释放 GDP 结合 GTP 而被激活3）Sec23/Sec24 和 Sec13/Sec31结合 GTP 的活化 Sar1 募集 Sec23/Sec24 复合体，形成紧紧包围着膜的一层衣被；随后，Sec13/Sec31 复合体形成覆盖在外围的一层衣被Sec23 亚基也为 Sar1 的 GTP 酶激活蛋白，促进 Sar1 结合的 GTP 水解而结合 GDP，引发包被去装配而解聚Sec24 为 ER 转运膜蛋白胞质结构域受体COP II 衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样，有些包含双酸性基序，如 Asp-X-Glu 序列（X 为任何一种氨基酸）。

4）Sec16是一种纤维蛋白，增加包被蛋白的聚合效率2. COP II 包被膜泡的装配过程细胞质基质中可溶性 Sar 1-GDP 与 Sec12 相互作用，催化 GTP 置换 GDP 形成 Sar 1-GTP而激活；激活的 Sar 1-GTP 暴露出疏水 N 端并插入 ER 膜，然后开始召集衣被蛋白 Sec23/Sec24，形成 Sar 1-GTP/ Sec23/Sec24 三重复合物，促使 ER 膜出芽包被蛋白（Sec24）与被转运的膜蛋白胞质结构域结合，其中有些膜蛋白作为腔内可溶性蛋白的受体随后，Sec13/Sec31 复合物与三重复合物结合最后，Sec16 结合在 ER 膜胞质表面，与已装配的复合物相互作用并组织其他包被蛋白的结合，形成 COP II 包被膜泡当包被膜泡形成后，Sec23 亚基促进 Sar1 结合的 GTP 水解而结合 GDP，引发包被去装配而解聚，形成脱包被膜泡4三、COP I 包被膜泡的装配与运输负责高尔基体反面膜囊到顺面膜囊、从高尔基体顺面网状区到内质网的膜泡运输，回收膜脂、内质网驻留膜蛋白和可溶性蛋白（内质网逃逸蛋白，escaped proteins）返回内质网。

内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡 ：一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位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 内质网腔中的驻留蛋白，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 ） COPII、COPI 和高尔基体顺面网状区膜上均有识别 KDEL 信号的受体，信号与受体的亲和力受到 pH 高低的影响，低 pH 促进结合，高 pH 有利于释放在高尔基体顺面网状区，KDEL 信号与其受体结合，通过 COPI 包被膜泡介导内质网的逃逸可溶性驻留蛋白返回内质网并释放到内质网腔内内质网的膜蛋白（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），其受体是 COPI 衣被的 α和 β亚基，同样可保证它们的回收。

四、网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的装配与运输网格蛋白/接头蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到胞内体、溶酶体，以及质膜到胞内体的膜泡运输五、转运膜泡与靶膜的锚定和融合1. 膜泡运输的关键步骤2. 涉及转运膜泡与靶膜锚定与融合的关键成分各类运输小泡之所以能够准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的相应蛋白识别1）Rab 及 Rab 效应器Rab（ras-like in rat brain, targeting GTPase），属于单体 GTP 酶，起分子开关作用，结合GDP 失活，位于细胞质中；结合 GTP 激活，暴露出其类异戊二烯亲脂基团，转位到细胞膜、内膜和运输小泡膜上Rab 结构类似于 Ras，已知 30 余种不同膜上具有不同的 RabRab 的作用是活化后转位到转运泡膜上，与靶膜上 Rab 效应器相互作用，使运输小泡锚定在靶膜上，并促进 SNARE 复合体形成2）SNARE（soluble NSF attachment protein receptor）SNARE 为可溶性的 N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体，作用是介导运输小泡与靶膜的融合；动物细胞中已发现 20 多种 SNARE，分别分布于特定的膜上；位于运输小泡上的叫作 v-SNARE，位于靶膜上的叫作 t-SNARE。

特定的 v-SNARE 和 t-SNARE 配对，能相互缠绕形成 SNARE 复合体，将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现其特异性融合SNARE 复合体为四螺旋束复合体5（3）N- 乙基马来酰亚胺敏感因子（NSF）和可溶性 NSF 结合蛋白（SNAP）NSF（N-ethylmaleimide-sensitive factor/fusion protein）是一种类似分子伴娘的 ATP 酶，与SNAP（ soluble NSF attachment protein）结合，利用 ATP 水解的能量，将 SNARE 复合体的螺旋缠绕分开而被再利用3. 转运膜泡与靶膜锚定与融合的模式（图 8-14，神经元突触小泡与突触前膜的融合）转运膜泡与靶膜的锚定主要在于 Rab-GTP 与其效应器的的相互作用；转运膜泡与靶膜的融合的主要机制是 v-SNARE 和 t-SNARE 的配对，形成 SNARE 复合体步骤 1：在供体膜上的鸟苷酸交换因子（GEF）识别并结合细胞质中特异性 Rab-GDP 蛋白，诱发 GTP 置换 GDP，鸟苷酸交换引发 Rab 蛋白构象改变并暴露其共价结合的脂质基团，从而帮助 Rab-GTP 蛋白转位锚定在供体膜上，并随膜泡转移，在靶膜上 Rab-GTP 与 Rab 效应器结合，这种结合有助于膜泡锚定和 v-SNARE 和 t-SNARE 的配对；步骤 2：v-SNARE 蛋白（图中 VAMP）与同类 t-SNARE（图中 syntaxin 和 SNAP。