Zellbiologie, Proteinsorting

Grundprinzipien

-       Proteine haben Aminosäuren welche als Signal von anderen Proteinen erkannt werden können, damit werden Proteine zu/in ein bestimmtes Organell gesteuert

-       Signalsequenzen sind Regionen von 3-60AS im Protein welches sortiert werden soll

-       Spezifische Signalsequenzen steuern den Proteintransport zu spezifischen Kompartimenten

-       Leu val ile trp = hydrophobe AS -> Signalsequenz welche Protein in ER synthetisiert

Proteinsynthese

1.    Proteinbiosynthese beginnt an den Ribosomen im Zytosol (ausser einige in den Mitochondrien und Chloroplasten)

2.    Die Proteine werden gemäss einem „Sorting Signal“ (=Signalpeptid) an ihren Zielart mit Hilfe der entsprechenden Rezeptoren geliefert (meisten haben kein Sorting Signal & bleiben im Zytosol)

Zytoplasmatischer Weg:

• Haben keine Signalsequenz und werden im Zytoplasma synthetisiert

Sekretorischer Weg:

• Werden im ER synthetisiert und im Glogi prozessiert. Sie werden aus der Zelle geschieden, sie lagern sich in Lysosomen und bauen sich in die Plasmamembran.

Gated Transport:

• zwischen Cytosol und Zellkern

Transmembraner Transport:

• vom Cytosol zu Mitochondrien, ER, Plastiden und Peroxisomen

Vesiculärer Transport:

• zwischen Golgie und Zelloberfläche. Entweder über die Late und Early Endosome oder über den sekretorische Vesikel.

Nukleäre Poren:

• Gated Transport
• Durch Poren: keine Energie nötig wenn kleines Molekül, Energie nötig wenn fertig prozessierte Proteine und RNA

Transmembran (Mitochondien, Chloroplasten, Peroxisomen)

• Membrangebundene Translokatoren bringen Protein durch Membran

Mitochondrien:

• TOM und TIM
• Signalsequenz wird von TOM (O=outer Membrane) erkannt
• Peptid gelangt durch Import pore in Intermembran Bereich
• TIM (I=Inner Membrane) bringt Peptid in Mitochondrielle Matrix

Chloroplasten:

• TOC und TIC
• Signalsequenz wird von TOC (Translokon at the outer chloroplast Membrane) erkannt und gelangt in den Intermembraner Bereich
• TIC (Translokon at the inner chloroplast Membran) bringt das Peptid in das Stroma
• Ein weiteres Translokon bringt das Peptid in die Lumen

Peroxisomen:

• PEX5 Rezeptor erkennt signalsequenz und bindet an ein anderer PEX14 an der Membran
• Dieses PEX5 gelangt dann PEX10 und PEX12 in die Peroxisomale Matrix
• PEX5 kann wieder aus dem inneren gelangen und eine weitere Signalsequenz erkennen
• Signalsequenz wird nicht abgeschnitten!

Sekretorischer Weg = Vesikulärer Transport

-       erster vesikulärer Transport vom ER in Golgi Apparat

-       kleine, membranumschlossene Transportvesikel bringen Proteine von einem Organell ins nächste

-       Bei jeder Zwischenstation (Box) wird entschieden, ob das Protein in diesem Kompariment bleibt oder ob es weiter transportiert wird

-       So wandert das Protein von einem Kompartiment zum anderen bis zum Zielort

Cotranslationales Targeting von secretorischen Proteinen in das ER:

1.    Wenn die Signalsequenz aus dem Ribosom kommt wird sie vom SRP (Signal recognistion particel) erkannt und gebunden

2.    Dieser Komplex geht an die ER-Membran wo es an den SRP-Rezeptor bindet

3.    Das SRP wird abgetrennt, das Ribosom bindet an das Translocon, Signalsequenz wird in den Membrankanal eingefügt

4.    Translation wird weitergeführt und die Polypeptidkette verlagert sich durch den Membrankanal

5.    Die Transpeptidase schneidet die Signalsequenz ab und das Polypeptid gelangt in das Lumen des ER

Signalsequenz:

Befindet sich am N-Ende, mit positiv geladenen und lipophilen Aminosäuren, wird meist abgeschnitten nach dem Transport!

Überblick über den sekretorischen Weg

1.    Cotranslationeler Transport vom Zytosol ins Lumen vom ER oder in die ER-Membran

2.    Vesikel llösen sich vom ER und formen das ERGIC mit dem Golgi apparat (ER-Golgi intermediate compartment; CGN cis-Golgi network) durch Fusion untereinander.

3.    Vesikel durchlaufe Golgi Apparat

4.    Dan wird entschied ob die Protein ausgeschütte werde über die Plasmamembran oder für die Lysosomen

5.    Proteine sind bestimmt für die Lysosomen, die Zellmembran und die Sekretion aus der Zelle (Proteine die löslich sind und keinen Transmembranbereich haben)

Wie kommen die Proteine an ihr Ziel?

-       Organelle haben verschiedene Strukturen und Funktionen, basierend auf der charakteristischen Proteinzusammensetzung

-       Proteine tragen eine Adresse für ihren Zielort, sog. Signalsequenzen bzw. –regionen

-       Diese Signaturen werden von Rezeptoren auf den entsprechenden Kompartimenten erkannt

Allgemein:

Signalsequenzen: bestehen aus einem Peptidstück von 4 bis 60 AS

Signalpatches: entstehen durch die 3 dimensionale Faltung der Proteine

Signalsequenzen:

-       Peptidstücke von 3-60AS

-       diskrete Peptidabschnitte

-       können innerhalb des Proteins oder am Ende lokalisiert sein

-       werden z.T: von spezialisierten Signalpeptidasen entfernt, wenn das Protein am Zielort ist (ER, Mitochondrien)

Signalpatches, -regionen:

Signalpatches sind erst bei der dreidimensionalen Anordnung eine bestimmte Erkennungsstruktur und können in der linearen AS-Sequenz entfernt voneinander liegen

-Siehe Bild

Vorkommen von Signalsequenzen und -patches

1. Signalsequenzen

• dirigieren Proteine vom Zytosol ins ER, in die Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen

• Transportieren Proteine vom Nukleus ins Zytosol

• Vom Golgi ins ER

2. Signalpatches

• Neu synthetisierte Proteine für Abbau in den Lysosomen 3. Sequenzen und Patches

• Vom Zytosol in den Nucleus 

Siehe Bild

Methode zur Charakterisierung der Signalsequenz:

Einem Protein, das sich normalerweise im Zytosol aufhält, wird eine Signalsequenz mit molekularbiologischen Methoden angehängt. Dieses neu entstandene Fusionsprotein wird gemäss der eingebauten Sequenz im entsprechenden Organell gefunden!!

Auswahl der „Fracht“: „Coated“ Vesikel

-       Transportvesikel „spriessen“ von der Membran als „coated Vesikel“

-       Sie haben einen spezifischen Käfig von Proteinen welcher die zytosolische Oberfläche bedeckt

-       Der Coat wird entfernt bevor der Transportvesikel mit der Zielmembran fusioniert

Funktion der Coat’s:

-       spezifische Membranproteine werden an einer bestimmten Stell der Membran konzentriert welche dann den Transportvesikel bildet

-       die Korbstruktur der Coatproteine deformiert die Membran und formt den Vesikel

Einige Coat Proteine:

Clathrin coated Vesikel:

-       Trans-Golgi-Netzwerk→ Endosomen

-       Plasmamembran → Endosomen

COP I coated Vesikel:

-       retrograder Transport von Golgi → ER

-       innerhalb der Golgi Cisternen

COP II coated Vesikel:

-       anterograder Transport von ER → Golgi

anterograd (von ER zu Golgi)

retrograd (von Golgi zu ER)

Ubiquitin-Proteasom-Weg:

-       dient dem gezielten Abbau von zellulären Proteinen

-       Proteasomen sind Komplexe, die aus verschiedenen Untereinheiten bestehen, welche wiederum aus mehreren Proteinen zusammengefasst sind

-       Proteasomen sind sowohl im Cytosol als auch im Kern

-       kommen in allen Eukaryoten von und sind durch die Evolution hoch konserviert

Enzyme erkennen nicht richtig gefaltete Proteine und markieren sie mit Ubiquitin. Falsch gefaltete Proteine können noch 3 Glucose Moleküle enthalten (diese sollten bevor das Protein das ER verlässt abgeschnitten werden). Protein wird in das Proteasom hineinsythetisiert und in die einzelene AS zerstüclelt