Intracellulära organeller,
proteinmodifiering och
transport, endo/exocytos
Kap10 + delar av kap 13
Cellen
• Intracellulära organeller
• Sortering av proteiner,
modifiering
• Transport
• Sekretion
• Endocytos
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Cellstrukturernas huvudsakliga funktioner (1)
Cellstrukturernas huvudsakliga funktioner (2)
• ER (1/cell)
• Cytosol (1 /cell)
Funktioner:
Proteinsyntes
Många metabola reaktionsvägar
Volymsprocent:
Volymsprocent:
Funktioner:
• Cellkärna (1/cell)
Volymsprocent:
Innehåller genomet
DNA och RNA syntes
Modifiering
Sortering
Leverering till andra organeller/sekretion
Volymsprocent:
3%
6%
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Cellstrukturernas huvudsakliga funktioner (3)
• Mitokondrier (≈1700/cell)
Funktioner:
ATP-syntes, oxidativ fosforylering
Volymsprocent:
22%
Cellstrukturernas huvudsakliga funktioner (4)
• Peroxisomer (≈400/cell)
Funktion:
Volymsprocent:
1%
• Kloroplaster
Funktion:
• Endosomer (≈200/cell)
Funktioner:
Sortering av endosomatiskt material
Volymsprocent:
1%
Oxidering av toxiska molekyler
Volymsprocent: 1%
• Lysosomer (≈300/cell)
Funktioner:
Nedbrytning
S.Hober 2004
12%
54%
• Golgi (1/cell)
Funktioner:
Fettsyntes
Proteinmodifiering
Transport
Funktioner:
ATP-syntes
Syntes av organiskt kol från CO2
S.Hober 2004
1
Tvärsnitt av en levercell
Utveckling mot eukaryota celler:
Cellkärna och mitokondrie
nucleus
lysosomes
rough endoplasmic
reticulum (rER)
mitochondrion
peroxisome
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Evolutionärt -
In- och utsida på vesiklar och organeller
invaginering av plasmamembran => intracellulära organeller
Stor ökning av membranyta, vilket ökar cellens effektivitet
Liknande miljö inne i
organellen som utanför
cellen.
•ER
•Golgi
•Endosomerna
•Lysosomerna
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Ett proteins sorteringssignal
Trafik i en cell
- specifika aminosyra sekvenser
- På olika positioner i proteinet
- på ett eller flera ställen.
S.Hober 2004
S.Hober 2004
2
Kärnimport
Nukleära porer
Små molekyler diffunderar, stora transporteras aktivt
IN
•Signalen för aktiv transport av proteiner till kärnan en eller två sekvenser av positivt laddade
aminosyror (Arg, Lys)
- Makromolekylära komplex
•Proteinerna transporteras veckade (unfolded)
UT
≤9 nm
≥9 nm
•mRNA transporteras färdig-”splicat”
•Ribosomer transporteras färdigbyggda
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Proteintrafik i en cell
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Transport in till mitokondrier och
kloroplaster
Mitokondrier och kloroplaster
Signal för aktiv transport till mitokondrien
- flera utspridda positivt laddade aminosyror (Arg, Lys)
- dubbla membran
Båda membranen passeras samtidigt
Proteinerna transporteras icke-veckade (unfolded)
- chaperoner hindrar att proteinet veckas
DIFFUSION
S.Hober 2004
S.Hober 2004
3
Chaperoner
S.Hober 2004
De utspridda positiva aminosyrorna
formar en polär α-helix
S.Hober 2004
Proteintranslokation i en prokaryot cell
Transport av membranbundna proteiner
•Sekretion/translokation sker posttranslationellt
•Chaperoner håller proteinet icke-veckat
•Receptorn som känner igen signalpeptiden och
translokationskomplexet sitter ihop
•För transport till ett specifikt membran behövs
ytterligare en sorteringssignal (kursivt)
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Proteintrafik i en eukaryot cell
S.Hober 2004
Kärnans yttermembran sitter ihop med ER
S.Hober 2004
4
ER
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Flera ribosomer kan binda till samma mRNA
Signalsekvens
Hydrofoba aminosyror
S.Hober 2004
S.Hober 2004
“Co-translationell targeting” till ER
Signal recoginition particle - SRP
- binder till signalsekvensen
S.Hober 2004
S.Hober 2004
5
En andra hydrofob sekvens håller kvar
proteinet i membranet
För passering genom ER-membranet =>
Hydrofob signalsekvens
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Multipla start-stop transfer signaler i
multipass proteiner
Interna signalsekvenser
•Dessa ger membranbundna proteiner
•Signalsekvensens orientering bestämmer
proteinets riktning
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Multipass membranprotein
Analys av proteinets hydrofobicitet
Kan ge en bild av hur proteinet integreras i membranet
S.Hober 2004
S.Hober 2004
6
Protein folding och processning i ER
Protein Folding och Processning i ER
• Proteindisulfideisomeras =>
faciliterar
disfulfid
bindningar
• Efter translokation så veckas/foldas proteinet med
hjälp av molekylära “chaperoner”
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Protein Folding och Processning i ER
Protein glykosylering i ER
Addition av GPI anchors
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Glycoprotein folding via calnexin
Kvalitetskontroll i ER
• Felveckade proteiner i E:
snabb nedbrytning eller timmar av re-folding.
• Överskott av icke foldade proteiner i ER =>
– inhibering av proteinsyntes i cellen
– ökat antal chaperoner
– ökad proteasom aktivitet
S.Hober 2004
S.Hober 2004
7
Stress response – överskott av ej rätt foldade proteiner
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Syntes av fospholipider
10.20 Synthesis of phospholipids
(Part 1)
S.Hober 2004
S.Hober 2004
10.20 Synthesis of phospholipids
(Part 2)
S.Hober 2004
S.Hober 2004
8
Proteintrafik i cellen
Smooth ER (sER)
Vesikulär transport
De flesta celler har väldigt lite sER
- utom de som syntetiserar kolesterol, steroider
eller med detoxifierande funktion (lever)
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Vesiklar transporterar proteiner och membran i
cellen
S.Hober 2004
Proteinhölje hjälper vesiklar att knoppas av
S.Hober 2004
Cargo Selection, Coat Proteins, and Vesicle
Budding
• Vesiklar (som transporterar
sekretoriska proteiner) kläs med
cytosolproteiner – “coated
vesicles”
• Regleras av små GTP-bindande
proteiner
lumen/extracellulärt
Proteinytan försvinner när avknoppningen är
färdig
S.Hober 2004
GTP/GDP bindning!
En av två vanliga reglermekanismer i cellen
(Fosforylering eller GDP-GTP bindning)
S.Hober 2004
9
Ytproteinerna associerar med proteiner som känner igen de proteiner
som ska transporteras
S.Hober 2004
S.Hober 2004
ER export signaler
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Proteiner som kallas SNARE ser till att vesiklarna transporteras och
fusioneras till rätt organell
S.Hober 2004
S.Hober 2004
10
Fusionering av vesiklar till målmembran
•Rab/GTP på transport-vesikeln interagerar med effektor proteins och v-SNAREs
- skapar ett pre-fusionskomplex
• SNARE hypotesen
– Vesikel-sammansmältning medieras
av transmembran proteiner (SNAREs)
• Rab protein-familjen:
–små GTP-bindande proteiner
• Kombinationer av Rab proteiner
– märker upp organeller och vesiklar
– avgör destination
• Rab/GTP på transport-vesikeln interagerar med
effektor proteins och v-SNAREs
- skapar ett pre-fusionskomplex
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Exocyst assembly and vesicle targeting
Proteintrafik i cellen
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Electronmikroskopi av Golgi
S.Hober 2004
Proteiner transporteras från ER till Golgi
S.Hober 2004
11
Alla rättveckade proteiner transporteras
från ER till Golgi.
Export av Proteiner och Lipider från ER
• Om proteiner fortsätter
längs hela sekretoriska
kedjan förloras dessa
•För att få stanna i ER behövs en retentions-signal:
i C-terminalen, KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu)
•Felveckade proteiner behålls i ER
• Specifika signaler (KDEL
and KKXX) gör att de
selektivt återbördas från
ER till Golgi .
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Animation
Golgi - cellens sorteringsanläggning
• 3-20 cisterae
Golgi är extra stor i celler som är specialiserade på sekretion,
celler i slemhinnan
Cell från tunntarmens slemhinna
In (från ER)
• Proteiner
transporteras i
vesiklar mellan
dessa
Ut
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Golgi - cellens sorteringsanläggning
även modifiering av lipider och proteiner (glykosyleringar)
i växter - polysacharidsyntes
S.Hober 2004
Modifiering av glykosylerade proteiner
S.Hober 2004
12
Specifik processning av lysosomala
proteiner
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Proteintrafik i cellen
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Flaggor på vesiklarna talar om nästa destination
Endocytos
Transport av
degraderande
enzymer till
lysosomen
Transport av
membranbundna
proteiner för
internalisering i
membranet
Sekretion
S.Hober 2004
S.Hober 2004
13
S.Hober 2004
Selektiv transport till olika delar av plasmamembranet
S.Hober 2004
Reglerad eller kontinuerlig sekretion
Reglerad sekretion av insulin
S.Hober 2004
Nerv impuls - synapse
S.Hober 2004
Reglerad sekretion av histamin
S.Hober 2004
Proteintrafik i cellen
S.Hober 2004
14
Endocytos
• Material som ska tas upp omsluts av en del av
plasmamembranet, knoppar av och bildar en vesikel
Endocytos
• Fagocytos
– Startas genom en receptormedierad signal
– Utförs huvudsakligen av makrofager
-Ex Endocytos av bakterier/virus
-Endocytos av gamla eller apoptotiska celler
• Phagocytosis, eller “cell eating”
– upptag av stora partiklar (bakterier)
• Pinocytosis, eller “cell drinking”,
• Pinocytos
– Kontinuerlig endocytos av plasmamembranet
– Uförs av de flesta celler
– Huvudsakligen genom klathrin-täckta vesiklar
– upptag av vätska och makromolekyler i små vesiklar.
• Ex. Kolesterolimport
S.Hober 2004
S.Hober 2004
En makrofag tar hand om defekta
röda blodkroppar
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Phagocytosis
animation
Fagocytos av en bakterie
S.Hober 2004
S.Hober 2004
15
Receptormedierad endocytos av makromolekyler
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Pinocytos av kolesterol
Vesiklarna transporteras mellan organellerna
•Endosomen sorterar det endocytoserade
materialet för vidare processning
•Lågt pH (5-6) gör att liganden kan lossna
från receptorn
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Animation
•Endosomen sorterar
endocytoserat
material
S.Hober 2004
S.Hober 2004
16
Sortering i tidiga endosomer
Olika destinationer för endocyterade receptorer
Tillbaka till samma
plats i membranet
Om ligand och
receptor sitter ihop
Till en ny plats i
membranet
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Lysosomen - cellens soptipp
•
Kontrollerad nedbrytning
– Sur miljö, pH≈5,
mha ATP-driven H+-pump
– ≈40 olika hydrolytiska enzymer
– Socker täcker proteiner på insidan
av membranet som skydd mot
proteaser
S.Hober 2004
S.Hober 2004
Färgen berättar om pH i organellen
Tre vägar till lysosomen
pH≈5
lysosom
pH≈5,5-6,5
endosom
S.Hober 2004
S.Hober 2004
17
Recycling of synaptic vesicles
Lysosomer i fagocytos och autofagi
S.Hober 2004
S.Hober 2004
18
