【四川大學】《細胞生物學》（國家級精品課） P33 - 33. 33-8-1第8章第1節 細胞內蛋白質分選 教學錄像（1）

今天我們講第八章 第八章是蛋白質分選與膜泡運輸 這個同學可能都瞭解這個情況 就是蛋白質在細胞裏邊的合成的那個位點 不管是在遊離核糖體上合成 還是在膜結合的出面內質網的核糖體上的合成 它那只是一個合成位點 那麼你有了這個合成位點形成的蛋白質 它發揮作用的位點和合成位點是不在一起的 因此就存在一個問題 蛋白質合成以後它必須各就各位 在它適當的位置 適當的時間發揮它特定的作用 這就存在一個蛋白質如何合成以後 它要分選到它發揮功能的地方 所以這就是蛋白質的一個分選的問題 給這個圖實際上是講蛋白質合成以後如何各就各位發揮功能 右邊那個圖那是一個出面核糖體的一個部分 那麼分泌性蛋白 膜蛋白 還有到特定細胞器裏邊的一些可溶性蛋白 它都是在出面內質網附着的核糖體上完成蛋白質翻譯 那麼合成以後 大家看我們右邊這個圖 右邊這個圖就是說蛋白質合成的起始都發生在細胞質基質遊離核糖體上 蛋白質合成的起始步驟 那麼起始步驟開始以後 它按照mRNA編碼的序列先合成一段氨基酸序列 它從內質網從那個核糖體上暴露出來 它暴露出來以後就分成兩個大的路線了 第一個大的路線就是說那些分泌性的外輸性的蛋白 它合成了必然是有一種特定的機制 保證這個核糖體到出面內質網膜上 附着在出面內質網膜上 附着以後它繼續蛋白質合成 鈦鏈延伸然後來進入內質網腔 進入內質網的蛋白我們上次講了它有幾個去路 一個是最終到脂膜上形成膜蛋白 另外一個這個蛋白合成以後它通過分泌的途徑分泌到細胞外 第三個途徑它裝配到特定的細胞器 比如說融爲體裏的 形成融爲體膜包着的腔內的可溶性蛋白 酸性肥鹼酶類 這是一條路線 另外一條路線是指由核基因編碼的蛋白 它們起始合成在遊離核糖體上 但是它不在內質網膜上去 它就在細胞質基質裏面完成蛋白質合成 完成了蛋白質合成以後它要到其他的地方轉移 比如說線粒體、液律體、過氧物酶體、細胞核 到這些細胞器裏面去的時候 這就是一個非內膜系統的一些細胞器 它就直接通過跨膜轉運 或者是通過細胞核的核孔複合體門出入細胞核 所以說這就是一個大體上蛋白質分選的一個基本路徑 剛纔我們介紹的一個途徑就是分泌性蛋白 通過內質網高二基體加工 然後各就各位 另外一個途徑是在遊離核糖體上 合成完了經過摺疊修飾再到不同的細胞器和進入細胞核 這就是一個基本的情況 那麼對於蛋白質合成這個問題 最早1971年的時候 提出了一個信號態假說 這個信號假說當時提出來的時候 是這個布魯拜爾跟薩巴蒂尼他們提出這個問題 提出這個信號假說以後 就是想說蛋白質合成以後 它那個氮端有一段序列 氮末端有一段氨基酸序列 這段氨基酸序列決定了蛋白質進入內質網管腔 它這個一開始是這麼分析的 那麼這個工作當時提出來以後 後來又經過發展 經過發展一直到1975年 就把這樣一個設想作爲一個假說 叫信號假說提出來 這個信號假說提出來以後 得到了很多實驗室對這個工作的驗證 比如說一開始研究抗體的這個 這個也是一個諾貝爾獎的一個工作 搞單顆龍抗體 他發現這個抗體在細胞裏面 僵細胞裏面合成以後 在如果我們提取這個蛋白質 結果這個是在非細胞系統在體外合成的 結果發現這個蛋白質比細胞裏面合成的那個蛋白質 態端那個彈幕端多了一截 多了一截 這個多了的一截究竟是什麼肉 實際上它就是一個信號態的作用 因此就做了一個實驗系統 這個實驗系統做的也很巧妙 因爲當時有很多人質疑 說你這個東西是不是在體外合成 或者提取蛋白的步驟當中出現差錯 因此多了一段 那麼他就用了一個老鼠的mRNA 鼠細胞的mRNA 然後又用了狗的一線的微粒體 就相當於那隻娃 他就把三個不同來源的東西鬥到一起 做一個體外合成系統 然後就拿這個來做實驗 結果發現這樣一個實驗系統 儘管mRNA的來源 核糖體的來源 核糖體是用兔子的核糖體 老鼠的mRNA是用狗的內殖網的小胞微粒體 做成這樣一個實驗系統 大家得到的結論是一樣的 因此來解釋這件事 就確認了這個信號假說的作用 因此這個工作到了1999年 獲得了諾貝爾獎 這就是發現了蛋白質是由內部信號 決定在細胞裏面它如何轉移如何定位的 這就是所謂的信號假說 這個工作確實是應該給他在學術上很大的一個榮譽 但是這個工作是不是把爲這件事做貢獻的所有科學家 包括最原始突破的這些科學家 是不是都包括了 那也不一定 因此後來有一篇文章 專門不有一個事就專門來講這個東西的 就說有一個人還是有點覺得自己做了貢獻沒拿到獎 還是有點不服氣 那麼這個信號假說裏邊它實際上要談的是三個最關鍵的元素 這三個元素 請大家注意這三個元素裏邊一個是信號態 信號態就是在分泌性蛋白它的氮末端有一段氨基酸序列 這段氨基酸序列是指導合成蛋白質的核糖體結合到內置網膜上 這是一個結構 那麼這個信號態後邊我要簡單介紹它 第二個元素是信號識別顆粒 就是識別信號態的一個核糖核蛋白顆粒 這個就叫信號態識別顆粒 叫SRP 第三個信號識別顆粒跟信號態結合以後 它要引導核糖體到內置網膜上 那麼它怎麼樣能夠跟內置網膜結合呢 內置網膜上有一種膜蛋白 我們把它叫Docking Protein 就是一種錨定蛋白 這個錨定蛋白實際上是SRP受體 SRP受體 涉及到這麼三個東西 在這個圖上我們大家看這是核糖體開始合成 紅顏色的這一段代表信號態 它合成以後要被SRP識別結合在一起 SRP跟它兩個一結合以後 這個時候蛋白質合成叫停 就停止蛋白質態鏈的延伸 然後SRP在膜上找到SRP的相應的受體 它們結合在一起 這樣的話就使得你內置網膜上附着的有核糖體顆粒 到這個時候由於核糖體在膜上也有它相應的受體 這個是一個Translocate 這個是相當於核糖體的受體 這個雙管鎖定 然後把這個合成分泌蛋白的核糖體附着在內置網膜上 然後繼續態鏈延伸一直到完了 這就是這三種元件在信號假說裏面 這個理論裏面起的關鍵作用 一個是要有個信號態 第二個要有個信號識別顆粒 第三要有信號識別顆粒的受體 這個信號態 信號態它一般情況下它包括三個部分 我們大家看這個圖 氮末端 這是氮末端 這中間一定有一個輸水的核心區 就是以輸水氨基酸爲主的一個區域 C端它是一個信號態酶切割的一個位點 那麼我們大家看 這是血清白蛋白 這是HIV 一個糖蛋白160 這都是氨基酸序列 因此氮端這一端就叫藍顏色 這個就代表了信號態 中間這個輸水核心區 C末端它有一個合成完了以後 進入內置網腔的一個信號態酶的一個作用位點 這就是一個信號態 那麼信號態它可以在空間上進一步摺疊 有的信號態它在一級結構上氮端起作用 有的信號態它可以在進一步摺疊 形成一個三維的結構 我們大家看這個圖上 上面這個地方 這三個紅的都是信號序列 這三個信號序列由於它的進一步摺疊在空間上聚集在一起 我們把這個結構 這個結構叫做信號斑 這個就是一個信號斑 所以說信號態和信號斑它在蛋白質分選的過程當中 特別是分泌性蛋白起了很重要的一個作用 現在知道信號態這個序列 它在物種上 細胞類型上 它往往沒有嚴格的專一性 沒有嚴格專一 你把真核細胞的一個信號態接在原核細胞大醣桿菌它的某一個蛋白上 它也可以使這個蛋白從細胞脂膜分泌到細胞外 因此這樣一種重組的機制 對於有一些的生物製品的研發那麼就提供了一個基礎 我本來需要這個蛋白 那麼它可以在原核細胞裏面表達 而且表達的量還比較高 那麼我想把這個蛋白拿到 我當然希望它分泌到細胞外來更好 這比那種它成爲一個原核細胞裏面的包含體 要破碎細胞 要分離 要提取 就避免了這種蛋白質多次的操作產生變性 因此這個是一個很有意義的一個事情 一般這個信號態15到30個氨基酸這樣一個序列 第二個就是SRP 就是信號識別顆粒 信號識別顆粒我們剛纔講了 它是一個核醣核蛋白 它包括六個不同的多態形成的一個氟喉 六個不同的多態形成一個蛋白質氟喉 然後再加上由300個氨基酸核鈣酸組成的 它的沉降係數是7S的RNA 所以說它是一個蛋白和RNA組成的一個核醣核蛋白顆粒 這樣的一個核醣核蛋白顆粒在細胞裏面 沒有結合信號態的時候 它在細胞裏面是一種可溶性的蛋白 在內質網出面核糖體上合成這個蛋白的時候 它是邊合成邊轉運 這樣一個過程我們把它叫共翻譯轉運 就是邊合成邊延伸鈦鏈它邊鑽到內質網裏面來 因此它的合成和它的轉運是同時發生的 我們把它叫共轉運 所以說這個英文字前面加個CO共 translation 那麼對這個事情的研究 它主要是通過無細胞系統 沒有完整的細胞 在試管裏面沒有完整的細胞 但是蛋白質合成的所有的要素它都得在 這就包括前面我講的信號假說 這三個最基本的元素 一個是蛋白質合成大家知道 給蛋白質編碼發指令的是mRNA 三個核苷酸決定一個氨基酸的連接 然後SRP還有一個就是核苷體的 SRP的受體剛纔我講的doking protein 還有一個就是出面內質網 它的對應的結構就是微粒體 然後我們在這個地方有一個實驗的分組 第一組有mRNA但是沒有SRP 沒有SRP受體也沒有微粒體 它可以合成態鏈 但是它只產生一個含有信號態的完整的多態 它只有一個信號態 這個時候信號態沒被切割 這是一組 然後第二個大家看有SRP有mRNA 但是沒有SRP的受體 沒有微粒體 所以說它就在一個無細胞系統裏面合成出70到100個氨基酸殘積以後 這個態鏈的延伸就要停止了 第三個又多了一個因素 多了一個SRP受體 所以說它產生含信號態的完整多態 這個裏面只是沒有微粒體 那麼第四個四種情況都有 這個就不一樣了 信號態那段沒了 爲什麼呢 因爲有了微粒體以後態鏈鑽進去 然後在微粒體那個膜上那一側 腔面那一側有一個信號態隨解酶 這個信號態隨解酶一旦態鏈合成鑽進去以後 它就把信號態切掉 所以說這個時候合成的多態是沒有信號態那一段 這樣的話就有了這樣一個無細胞系統的實驗體系 做出來的實驗證明了分泌性蛋白進入微粒體或者講進入內殖網 它的翻譯過程和轉移到內殖網裏面的過程是偶連的 這是偶連的 這種情況我們把它叫共翻譯轉運 這個就是經過多種實驗證據證明了一種分泌性的蛋白 它在膜的結合的核糖體上合成 合成以後它再加工和轉運 就提出了這麼一個 如果把一個信號假說完整地描述一下 實際上就是這個圖所描述 那麼在這個圖上大家看 蛋白質合成起始 信號態先合成出來露頭了 然後它一露頭以後被SRP識別 SRP結合了信號態這個序列以後 蛋白質合成暫停 然後膜上的SRP受體與SRP結合 那麼它們兩個結合以後 受體這個地方它有隨解GDP的功能 它是一個隨解GDP的功能 那麼這個時候 大家看原來在SRP上結合的是GTP 隨解以後變成GDP GDP它可以最後離開信號態 離開以後攜帶GDP的信號識別顆粒 又在細胞質裏循環 又去找新合成的信號態 這是這一塊 然後這個核糖體作爲核糖體它的受體 剛纔我講了這個translocan 它是一個蛋白質符合物 它中間有一個通道 一旦核糖體結合以後通道就要打開 這個時候蛋白質合成繼續不斷地延伸 然後一直到蛋白質合成完了 那麼在信號態鑽進內置網腔的時候 這個內置網膜上有一個膜蛋白 這個膜蛋白它的包內段是有信號態隨解酶的作用 所以把信號態切斷 因此合成的完整的信號態是沒有信號態劇烈 如果我們不在內置網 沒有內置網小拋就是microswarm這個結構存在的消息下 它就在機制裏合成 因此那種情況下合成完了以後它也是有信號態的 它信號態沒被切掉 因爲沒有膜上那個信號態隨解酶 所以這就是講這幾種關係吧 信號態 信號態識別顆粒 信號態的受體docking protein 跟那個核糖體的受體 就是那個一位子translocan 它們之間的相互關係相互作用就構成了一個解釋 分泌性蛋白在內置網膜上合成轉運這樣一個全過程 這就是所謂的信號態假說的全部 這個就是做實驗的那麼一些圖 就是在無細胞系統裏面怎麼做實驗 這個是有內置網結構在細胞裏面然後合成 那麼合成以後假如說我們在體外的無細胞系統的實驗裏面 它就進入這些個微粒體的小泡 這個時候如果我們在小泡裏完成合成進去了 這個時候你加上蛋白酶 結果這些個模也被隨解 合成的鈦鏈也被隨解 如果在它進入小泡之前我們先加蛋白酶 然後再完成合成 它就小泡就完整了 就講了這麼一個實驗的序列 這邊也是講這個實驗的過程 這個教材上有相應的一些圖大家可以再到來看一下 這是一種翻譯轉運的類型 邊翻譯邊轉運 我剛纔講了蛋白質分泉裏面還有另外一條通道 它的起始合成在遊離核糖體上 在遊離核糖體上它分泌的蛋白上沒有信號態這樣一個序列來引導它 因此它也不能夠被SRP受體 被SRP這個顆粒所識別 那麼它就在遊離核糖體上完成蛋白質合成 這個蛋白質合成完了以後它再開始轉運 它再開始轉運 當然它的轉運要求某些信號來決定它 比如說線粒體 爲什麼在細胞質基質合成的蛋白質它最終要鑽到線粒體裏邊去 有的鑽到線粒體的內膜上 有的鑽到線粒體的基質裏邊 有的鑽到線粒體的兩個膜中間的空間 它有幾個去處 這個是怎麼決定的 那就是說線粒體的蛋白合成以後它有一段序列 氨基酸序列 這段氨基酸序列它可能是鹼性氨基酸多 甚至有帶正電荷的氨基酸 就是精氨酸 爛氨酸 這樣的氨基酸它和信號態的氨基酸組成是不一樣的 信號態的氨基酸是輸水氨基酸爲主 它中間有一個輸水的核心區 因此進入線粒體的這種信號態給了它另外一個名字 給了它另外一個名字 叫leader sequence導態 這個導態它是保證它定位在線粒體裏面 那麼類似於這樣的情況 就是說蛋白質合成 它不是在信號態借導下那麼做的 因此它就有一個先合成 合成以後再轉運 我們把這種轉運方式叫做post-translocation 就是後翻譯轉運 蛋白質在機制裏完成合成 然後再加工摺疊 再解摺疊轉運到其他的細胞器官裏面去 有一些個整合膜蛋白 整合的膜蛋白 它在一個膜上 你比如說紙膜上有一些蛋白它是一次跨膜 中間有一個α螺旋 有的是兩次跨膜 有兩個α螺旋 那麼膜上的整合蛋白 最終它是一個一次跨膜的蛋白 還是多次跨膜的蛋白 這個取決於它的轉移序列 我們講的它比如說在內置網跨膜的開始 那個信號態那個序列 那個序列我們一般情況下也把它叫做 起始轉移序列 叫起始轉移序列 就叫開始轉移序列 實際上就是相當於我們前面講的那個半末端的信號態的序列 那麼除了這個蛋白質的一級結構裏面 除了這個起始轉移序列以外 它還有在態鏈裏面內在的停止轉移的錨定序列 就是說這段序列它決定它在嵌入在膜上 那麼這個內在停止錨定序列 它是決定蛋白質跨膜的那個片段 還有一種叫內在信號錨定序列 實際上也跟這個內在停止轉移序列是類似的 它也決定這個蛋白質 那一段它穿進去的時候 那一段它是以盤環的形式進去 然後來形成不同的跨膜區 就是若干的一個 兩個 三個 四個 五個 六個 七個 這就七個阿爾法螺旋 這就是內在停止轉移序列決定的 它跟膜的磷脂雙分子成內部它結合在一起 靠輸水這樣結合起來 然後它不再轉移 因此這就形成了多次跨膜的這樣一個結果 如果我們按照剛纔這個東西 這個是一個用輸水性測定得到的若干個峯 這是一個七次跨膜蛋白 我們就可以輸水性測定就得到七個峯 這個是自由能變化等於零的 這個自由能變化上下 這種變化是表示出這個峯的 然後我們就得到多次跨膜的蛋白 這個是我們把這樣一個多次跨膜的蛋白 它的一級結構畫出來 那麼前邊這個叫stuck 就是起始轉移序列 後邊這個就是屬於那種起始終止 這樣一個結果就產生了多次跨膜 這個下來以後你琢磨一下 這個序列決定它幾次跨膜 是單數 奇數還是偶數 這個取決於排列一級結構裏面 它這幾種不同的序列存在的數目 根據蛋白質它在膜上的妥卜學的特徵 它是依次跨膜這個蛋白 那麼大家知道一個鈦鏈它有兩端 一個是安基端 一個是縮基端 這就決定了這個鈦鏈是安基端在外邊 還是縮基端在外邊 依次跨膜 這是一個膜 它是依次跨膜這樣一個蛋白 那麼它這兩端 一個是安基端 一個是縮基端 哪一端在裏頭 哪一端在外頭 這是一個妥卜學的結構 妥卜學特徵 還有一個就是它是多次跨膜 你這個多次跨膜也有這個問題 它是跨幾次 半端在裏邊還是在外邊 所以說蛋白質它在一個膜上的妥卜學特徵不一樣 因此把它分作四類 第一類 大家看這個縮基端是在外邊的 安基端在裏邊的 依次跨膜 第二類 縮基端在裏邊 安基端在外面 第三類 安基端在裏邊 縮基端在外面 但是它的跨膜區域很短 它的蛋白質主要的部分是在外面 這個像上次我們講的過氧化物媒體 講到幹細胞的解毒作用的時候 我們曾經提過 有一個叫做P450這樣一個氧化還原酶類 就屬於這個類 然後大家看 同樣是第三類 也有縮基端在裏頭的 安基端在外頭的 多次跨膜的就是第四類 這個我們後面要講到的 劑蛋白偶連受體 它是七次跨膜 還有十二次跨膜的其它的一個離子通道 就是概率通道 所以講到物質轉運的時候就講了 這個磅蛋白它是多少次跨膜的這樣一個結構 這個表的底下介紹了一類的有哪些 二類的有哪些 這舉了一些例子 教材上對這部分也有一個描述 這個最後一個是脂脂鉚定蛋白 DPI 基層磷脂 這個鉚定蛋白 甘油基層磷脂 它的脂肪酸鏈是跟磷脂酸分子層鉚定在一起的 然後這個蛋白質的鈦鏈部分是在腔裏 這就是講不同的蛋白質它的妥卜區特徵不一樣 所以把它分成這麼多類 這個妥卜區特徵顯然是和它這個一級結構 鈦鏈裏面的一級結構的起始轉移序列和內在的停止轉移錨定序列是一致的 那是一致的 剛纔那個圖它跨模幾次那個妥卜區剛纔前面那個圖和這個圖是對應的 Type 1, 2, 3 然後4A, 4B 這個就是它那個一級結構的圖 如果我們把這樣一個一級結構的圖放在一個磷脂酸分子層這樣一個模上 你就得到前面那個結構 那麼除了這種去數它那個多少個插入片段 然後再去對應去思考它在模上要跨幾次 這是可以從這個一般的排列組合上大家都做得出來 但是還有沒有一些比較簡便的辦法 那就是說如果我們分析蛋白質鈦鏈它的一級結構的時候 它有一段序列是一個跨模的序列 它最終要形成α螺旋的 那麼這種α螺旋撤異的氨基酸 如果哪一個這一個α螺旋它有兩個撤異 撤異的氨基酸序列如果帶正電荷爲主 富含帶正電荷的氨基酸 那麼它的分佈的方向應該是在細胞脂內側 細胞脂內側 比如說這是一個內脂網的一個扁平囊 細胞脂內側在哪呢 在這個扁平囊的外面 鑲面的是非細胞脂內側 所以這樣的話我們就可以知道 一個蛋白質在膜上的妥卜學的定位 它是跟跨模區α螺旋撤異氨基酸那個電荷的分佈是有關係的 這是我們講前邊一個叫蛋白質分旋里面的信號假說 知道這個信號假說以後就知道這個蛋白質它在內脂網膜上它形成的妥卜學特徵 而且這個特徵一旦形成以後它轉運到脂膜上去 這個妥卜學特徵是不變的 這是第一個問題 第二個問題我們講蛋白質分旋的路線圖 我們大家看這塊有一個示意圖 這個示意圖在彼此間的轉運裏面它用了三種顏色 我們大家看第一種 Cytosol細胞質基質 它跟細胞核之間的轉運是紅顏色的 這個是什麼意思呢 細胞質基質裏面遊離核糖體上合成的蛋白 它到細胞核裏面去起作用的話 它一定要通過細胞核膜上的核孔複合體 這個核孔複合體就相當於一個門 它進入這個門是受控制的 細胞核裏有一些東西它也要從細胞核裏出來 它也受控制 所以說這是一個雙向的 箭頭是兩個方向的 雙向轉運 這是一個通過門來控制的一種轉運方式 第二個藍顏色的 細胞質基質裏完成蛋白質合成 它最終它的蛋白要到哪兒呢 大家看一個是到Metaconstellar 到線理體裏邊去 一個是到過氧化物煤體裏邊去 還有就是到Prosthesis 這個是到質體裏邊去 到質體包括液體裏邊去 還有一種蛋白質合成其實發生在這兒 但是最終完成合成它要到內置網膜上 在內置網膜上完成的蛋白 它可以通過高二基體繼續轉運 變成早胞內體 晚胞內體 溶煤體 晚胞內體 它也可以變成分泌胞 所以說這個綠顏色這個部分就代表了內置網合成的外輸性的蛋白 甚至包括到紙膜上去的蛋白 或者到細胞器 溶煤體 胞內體裏面去的蛋白 它都是在內置網合成發酵 然後經過高二基體這樣一個樞紐區域進行加工分選 最後再進一個運輸 所以說這就是細胞裏邊的一個蛋白質轉運一個溶煤體 這就是蛋白質分選的 那麼如果我們剛纔介紹了 如果在途徑上來說 這個途徑一個叫後翻譯轉運 比如說這個部分它基本上是後翻譯轉運 另外一個就是共翻譯轉運 那就是從內置網這塊開始轉運 叫共翻譯轉運 如果說蛋白質它要越過一個界限轉運到另外一個地方 從這個角度上來轉運 蛋白質有的是跨膜轉運 比如說在內置網膜上核糖體合成的蛋白它要跨膜 還有一個就是膜泡運輸 從內置網到高二基體 高二基體再向細胞外分泌 這是個膜泡運輸的形式 第三個選擇性的門控運輸到細胞核裏面 這是核輸入核輸出這是雙向的 還有一個就是細胞質基質當中合成的蛋白它是怎麼轉運的 它不到細胞氣裏面 這個蛋白就駐留在細胞質基質裏邊 一種可溶性蛋白 那麼它的運輸怎麼運輸 這個運輸大家在講細胞骨架那一章的時候會知道 它是通過骨架裏面的尾管作爲軌道 靠馬達蛋白來驅動 沿着骨架來轉運 休息一下