(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 complex；Tim 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)

圖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) http://biologicalfreak.blogspot.tw/2017/07/4-mitochondria-07-20-2017.html

圖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。

圖片來源：http://study.com/academy/lesson/mitochondria-structure-cristae-matrix-and-inner-outer-membrane.html

    人類粒線體的DNA(mtDNA)由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 complex、TIM 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)

圖03. 粒線體外膜之轉位酶複合體(Tom complex)。

Tom複合體是由Tom5、Tom6、Tom7、Tom20、Tom22、Tom40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)，Tom5、Tom6、Tom7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。

圖片來源：http://www.nature.com/nature/journal/v528/n7581/fig_tab/nature16318_F1.html

圖04. 粒線體內膜之轉位酶複合體(Tim complex)。

Tim複合體是由Tim23、Tim17、Tim50、Tim21、Tim44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)與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)之ATPase活性。

圖片來源：https://www.fastbleep.com/biology-notes/31/982

圖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。

圖片來源：http://slideplayer.com/slide/10308116/

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).於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？

圖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)。

圖片來源：http://slideplayer.com/slide/2818091/