2017年7月29日 星期六

(6) 蛋白質如何運送進入粒線體 07-29-2017


      蛋白質如何運送進入粒線體



一、前言

    真核細胞(eukaryote)的蛋白質合成,也就是轉譯(Translation),是在細胞質(cytoplasm)的核糖體(Ribosomes)上進行。

    真核細胞中有兩種核醣體:

1.  一種與粗糙內質網(RER)結合稱為結合態核醣體(bounded ribosomes)

2.  一種為遊離在細胞質液(Cytosol)中稱為遊離態核醣體(free ribosomes)

3.  結合態核醣體合成的蛋白質先送入粗糙內質網(RER),再傳送到平滑內質網(SER),最後傳送到高基氏體「包裝」之後,分別「分配」到溶酶體(e.g.消化酶);細胞膜表面(e.g.接受器)或分泌至細胞外(e.g.激素)

4.  游離態核醣體合成的蛋白質則以訊號胜(Signal peptide)以及伴侶蛋白(Chaperonins)的機制分配到粒腺體等胞器中或細胞核內。

5.  總結的說,真核細胞核醣體合成的千萬種蛋白質,都會被井然有序的分配到細胞適當的胞器中。

6.  本文探討游離態核醣體合成的蛋白質(=前驅蛋白),如何以訊號胜、伴侶蛋白Tom complexTim complex等機制,分配到粒腺體的適當位置。






Golgi complex─高基氏體(紫色)             Cytosol─細胞質液

結合態核醣體合成蛋白質的分配命運         遊離態核醣體合成蛋白質的分配命運

有三種:                                 有四種:

1.  Secretory vesicle分泌小泡(紫色)    1.  Nucleus─細胞核(紫藍色)

2.  Lysosome─溶酶體(淡藍色)             2.  Mitochondrion─粒線體(澄色)

3.  Plasma membrane─細胞膜(黃色)        3.  Chloroplast─葉綠體(綠色)

4.                                           Peroxisome─過氧化氫小體(灰色)

01. 真核細胞(eukaryote)核醣體合成的千萬種蛋白質,都會被井然有序的分配到細胞適當的胞器中。



粒線體之結構與功能請網友參考
(4)  粒線體(Mitochondria)







02. 粒線體具有內外膜,四層磷脂層。粒線體的外膜(Outer membrane)結構與功能類似細胞膜,對物質選擇性通透(selectively permeable)。粒線體的內膜(Inner membrane)往內形成皺褶,是電子傳遞系統(ETS)存在的地方。

附記:mitochondrion是原文粒線體的單數;mitochondria是粒腺體的複數。




    人類粒線體的DNA(mtDNA)16,569 bp組成,只含有37對基因。也就是說大多數粒線體中的酵素(=酶,估計超過1,000多種),還是由細胞核中基因表現後,再送入粒線體中。這些前驅蛋白如何的運送進入粒線體?這就是本文探討的主題!



細胞質液新合成的蛋白質(=前驅蛋白)如何進入粒腺體?
1.  細胞質液(Cytosol)中合成之粒腺體蛋白質,如何認知那些胞器是粒線體?
Ans:依靠訊號胜(Signal peptide)=訊號序列(Signal sequence)
訊號序列不僅導引細胞質液中合成之蛋白質到粒腺體,還導引它們到粒腺體外膜、內膜、內外膜之間或基質等適當的位置。(the signal peptides direct the proteins to the correct mitochondrial subcompartment.)

2.  蛋白質如何進入粒腺體?如何形成具有生理功能之蛋白質?
   Ans依靠伴侶蛋白(Chaperonins) e.g. TOM complexTIM complex
        TOM complex (Translocase of the Outer Membrane complex).
        =粒線體外膜之轉位酶複合體
        TIM complex (Translocase of the Inner Membrane complex).
        =粒線體內膜之轉位酶複合體



二、伴侶蛋白(Chaperonins)





03. 粒線體外膜之轉位酶複合體(Tom complex)

Tom複合體是由Tom5Tom6Tom7Tom20Tom22Tom40以及Tom70次單位組成。

Tom 複合體主要是由三個Tom40次單位組成,三個Tom40次單位再與三個Tom22次單位連接。

每一個Tom40次單位形成一個穿越粒腺體外膜的孔道(Pore)Tom5Tom6Tom7次單位位於孔道周圍。

與前驅蛋白(Precursor proteins)結合之接受器Tom20 & Tom70在圖03.中未顯示








04. 粒線體內膜之轉位酶複合體(Tim complex)

Tim複合體是由Tim23Tim17Tim50Tim21Tim44次單位以及PAM複合體組成(presequence translocase-associated motor complex)

PAM複合體的主要功能是經由以下機制,幫助前驅蛋白質的重新皺褶(refolding)

(1)Tim44結合將粒線體熱激蛋白(mtHsp70)帶至前驅蛋白

(2)經由PAM18/16/17活化粒線體熱激蛋白(mtHsp70)ATPase活性








05.伴侶蛋白(Chaperonins)幫助新轉譯合成之蛋白質(=前驅蛋白),形成適當的皺摺(folding)以及維持皺摺的形狀,成為具有生理功能之蛋白質。

(1) 未皺摺之前驅蛋白進入伴侶蛋白的桶狀構造中。

(2) 伴侶蛋白的蓋子蓋上,在桶中形成皺摺。

(3) 伴侶蛋白的蓋子掀開,適當皺摺的蛋白質(=具有生理功能的蛋白質)釋放出來。




    伴侶蛋白(Chaperonins)是一類,能幫助其他蛋白質形成皺摺(Folding),以及維持皺摺形狀的蛋白質。
伴侶蛋白中最早被發現的是—熱激蛋白(heat shock proteins, hsp),當細胞受到壓力(stress)時產生。
    熱激蛋白包括—hsp70, hsp60, and grp78 (Glucose-regulated protein).1962年被發現。
    熱激蛋白當遇到熱、抗生素、酒精、重金屬…等刺激時含量增加。



三、 前驅蛋白如何進入粒腺體?





06. 蛋白質進入粒線體的通則。

(1)細胞質液熱激蛋白70(Cytosolic Hsc70)耗能,讓新合成的蛋白質保持不皺摺的狀態。

(2)粒線體外膜的Tom20/22接受器(Import receptor)與新合成的蛋白質(=前驅蛋白)之基質標的序列(Matrix-targeting sequence)認知。

(3)前驅蛋白經外膜之Tom40通道進入粒線體內外膜之間。

(4)再經內膜之Tim23/17通道進入基質(Matrix)

(5)基質熱激蛋白70(Matrix Hsc70)幫助將前驅蛋白拉入基質中。

(6)基質蛋白分解酶(protease)分解訊號序列(targeting sequence)

(7)形成具有生理功能之蛋白質(active protein)

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