Intracellulære rom og proteinsortering

Question 1

Hvilke funksjoner har plasmamembranen hos forløperne til de første eukaryote cellene?

Answer 1

Disse cellene har ikke noen innvendig membran, så plasmamembranen utfører alle membranavhengige oppgaver slik som pumping av ioner, ATP-syntese, proteinsekresjon, og lipidsyntese.

Question 2

Hva menes med at bestanddelene inne i cellen er “topologisk ekvivalente”?

Answer 2

Det betyr at de kan kommunisere med hverandre på den måten at molekyler kan gå fra den ene bestanddelen til den andre uten å måtte krysse en membran.

Question 3

Hvilke tre ulike familier kan de intracellulære rommene i eukaryote celler deles inn i?

Answer 3

(1) kjernen og cytosol, som er topologisk ekvivalente og knyttet sammen via nukleære porekomplekser.
(2) alle organeller som fungerer i den sekretoriske og den endosytiske reaksjonsveien - inkludert ER, Golgi-apparatet, endosomer, lysosomer, og transportvesiklene som beveger seg mellom dem - og peroksisomer.
(3) de endosymbiont-utledede organellene: mitokondrier og plastidene (kun i planter).

Question 4

Hvor begynner nesten alle proteiner syntesen sin?

Answer 4

På ribosomer. Unntaket er noen få proteiner inne i mitokondrier og i plastider.

Question 5

Hva bestemmer hvor proteinet ender opp i cellen?

Answer 5

Alle proteiner har et eller flere sorteringssignal i aminosyresekvensen sin. Disse sorteringssignalene blir gjenkjent av komplementære sorteringsreseptorer som styrer bevegelse mellom bestanddeler.
Proteiner som ikke har en slik sorteringssekvens forblir i cytosol.

Question 6

Hva er de fire ulike måtene proteiner blir flyttet fra en bestanddel til en annen på?

Answer 6

(1) Proteintranslokasjon
(2) Gated transport
(3) Vesikulær transport
(4) Engulfment

Question 7

Hva er proteintranslokasjon?

Answer 7

Ved proteintranslokasjon vil transmembran proteintranslokatører direkte transportere spesifikke proteiner fra cytosol og inn i et rom som er topologisk ulikt: enten på andre siden av en membran eller inne i lipidlaget i tilfellet med integrerte transmembranproteiner. Proteinet må vanligvis brette seg ut for å kunne passere gjennom translokatøren.
Transport fra cytosol og til ER lumen, ER-membranen, eller mitokondrie forekommer på denne måten.

Question 7

Hva er gated transport?

Answer 7

Ved gated transport flytter proteiner og RNA-molekyler seg mellom cytosol og kjernen gjennom nukleære porekomplekser i den nukleære konvolutten. Kompleksene fungerer som selektive gater som støtter aktiv transport av spesifikke makromolekyler mellom to topologisk like rom.

Question 8

Hva er vesikulær transport?

Answer 8

Ved vesikulær transport frakter (“ferry”) membranomsluttede transportmellomprodukter proteiner fra et topologisk likt rom til et annet. Transportmellomproduktet blir lastet med en last av molekyler utledet fra lumen og membranen til de opprinnelige kompleksene når den vokser og kniper av. Ved destinasjonen smelter transportmellomproduktet sammen med membranen til bestanddelen for å laste av produktene.
Forflytningen av løselige og membran-innstøpte proteiner fra ER og til Golgi forekommer på denne måten.
Proteinene som fraktes på denne måten krysser aldri noen membran, og beholder derfor sine topologiske forhold inne i cellen.

Question 8

Hva er engulfment?

Answer 8

Ved engulfment, slik som autofagi, pakker dobbeltmembran-ark seg rundt en porsjon av cytoplasma som ofte inkluderer fragmenter av organeller eller til og med hele organeller. Membranstrukturen lukker seg ved membransammensmelting for å omslutte en separat bestanddel, autofagosomet. Redannelsen av den nukleære konvolutten etter mitose følger en nogen lunde lik prosess.

Question 9

Hvilke proteiner inneholder den indre nukleære membranen?

Answer 9

Den inneholder proteiner som fungerer som bindingsseter for nukleær lamina - et nettverk av polymeriserte proteinsubenheter kalt nukleære lamins. Laminproteinene gir strukturell støtte for den nukleære konvolutten og fungerer som en ankerplass for kromosomer og nukleære porekomplekser. Lamina er også bundet til cytoplasmiske cytoskjelettet via proteinkomplekser som strekker seg over den nukleære konvolutten, og dermed gir strukturelle linker mellom DNA, den nukleære konvolutten, og cytoskjelettet.

Question 9

Hvordan foregår trafikk gjennom nukleære porer?

Answer 9

Porene driver omfattende toveis transport mellom cytosol og kjernen. Mange proteiner som fungerer i kjernen - histoner, DNA-polymeraser, RNA-polymeraser, transkripsjonelle regulatorer, og RNA-prosesserende proteiner - blir selektivt importert inn i kjernen fra cytosol. Samtidig vil alle RNA som fungerer i cytosol - rRNA, tRNA, miRNA - bli eksportert etter de er syntetisert og prosessert i kjernen.

Question 10

Hva er Ran?

Answer 10

Ran er en GTPase som kreves for både nukleær import og eksport.
Ran er en molekylær bryter som kan eksistere i to konformasjonelle tilstander, avhengig av om GDP eller GTP er bundet. To Ran-spesifikke regulatoriske proteiner trigger konverteringen mellom de to tilstandene: en cytosolsk GTPase-aktiverende protein (GAO) trigger GTP hydrolyse og konverterer dermed Ran-GTP til Ran-GDP, og en nukleær guanin nukleotid utbyttefaktor (GEF) fremmer utbytte av GDP for GTP. Fordi Ran-GAP er lokalisert i cytosol og Ran-GEF i kjernen, inneholder cytosol hovedsaklig Ran-GDP og kjernen hovedsaklig Ran-GTP.
Gradienten av de to konformsjonelle formene av Ran driver nukleær transport i pasende retning
Ran-GDP tillater cargo-binding i cytosol, mens Ran-GTP stimulerer cargo-discharge i kjernen.

Question 10

Hva er det som tillater transport av små men ikke store molekyler gjennom nukleoporinene?

Answer 10

Flerfoldige gjentakelser av fenylalaninglycine (FG) motiver hvor den svake affiniteten for hverandre danner et geleaktig nett inne i NPC. Dette nettet fungerer som en sil som begrenser diffusjonen av store makromolekyler, mens det tillater at mindre molekyler passerer.

Question 10

Hva er TOM-komplekset?

Answer 10

TOM-komplekset kreves for import av nesten alle kjerne-kodede mitokondrielle proteiner. Det gjenkjenner initielt signalsekvensen deres og transporterer dem fra cytosol og inn i intermembranrommet.
B-barrel proteiner - som det finnes rikelig av i den ytre membranen - blir sendt videre til SAM-komplekset for å bli satt inn i og brettet i den ytre membranen.

Question 11

Hva er det som styrer bevegelse av proteiner over eller inn i mitokondrielle membraner?

Answer 11

Multisubunit proteinkomplekser som fungerer som proteintranslokatører. Translokatørene er lokalisert i både den indre og den ytre mitokondrielle membranen.

Question 12

Hva er TIM-komplekset?

Answer 12

TIM-kompleksene styrer proteintransport i den indre membranen. Matriks-proteiner bruker TIM23-komplekset for transport, mens indre membran-proteiner bruker TIM22-komplekset, TIM23-komplekset, eller OXA-komplekset for å bli satt inn i membranen.

Question 13

Hvilke tre ulike energikilder anvender mitokondriell proteinimport?

Answer 13

(1) ATP brukes på to plasser: utfor mitokondrie og inni matriksen.
(2) Membranpotensialet over den indre mitokondrielle membranen
(3) Redoks-potensialet i elektrontransportkjeden.

Question 14

Hva er det som holdet polypeptidene ufoldet før import?

Answer 14

Chaperoner.
Chaperonene bruker sykluser av ATP-binding og -hydrolyse for å kontrollere interaksjonene sine med nylig syntetiserte polypeptider. Chaperon-interaksjon er nødvendig for å hindre prematur folding i cytosol, mens chaperon-dissosiering trengs for transport gjennom TOM-komplekset.

Question 14

Hvordan foregår proteinimport i mitokondriet?

Answer 14

Den initielle bruken av energi fungerer for å opprettholde polypeptidet i en ufoldet tilstand før import.
Når signalsekvensen har passert gjennom TOM-komplekset og har bundet seg til et TIM-kompleks, krever videre translokasjon gjennom TIM-komplekset membranpotensial. Energien i den elektrokjemiske H+ gradienten over den indre membranen driver translokasjonen av den positivt ladede sigalsekvensen gjennom TIM-komplekset ved elektroforese.
Når det initielle segmentet av et forløperprotein når matriks, er hsp70 nødvendig for å fullføre importprosessen. hsp70 er bundet til matrikssiden av TIM23 og fungerer som en motor som drar forløperproteinet inn i matriksrommet. hsp70 undergår dermed en ATP-avhengig konformasjonell endring som utøver en trekkraft på proteinet som importeres før det frigjøres. Denne energidrevne syklusen av binding, trekking, og frigjøring fortsetter helt til proteinet er fullstendig importert i TIM23-komplekset.

Question 15

Hva er den vanligste translokasjonsruten?

Answer 15

En forløper som begynner i cytosol bruker TOM- og TIM23-kompleksene for å begynne import inn i matriks. Men kun den N-terminale signalsekvensen av proteinet entrer matriksrommet. En hydrofob aminosyresekvens blir gjenkjent som et transmembrandomene av TIM23. Dette tillater innsetting av transmembrandomenet inn i den indre membranen og forhindrer videre translokasjon inn i matriks. Det resterende av proteinet entrer intermembranrommet gjennom TOM-komplekset, og signalsekvensen kløyves av i matriks.

Question 16

Hva er felles med proteintransport inn i kloroplast og inn i mitokondria?

Answer 16

Begge forekommer post-trranslasjonelt, bruker separate translokasjonskomplekser i hver membran, krever energi, og bruker flere typer signalsekvenser for å styre en forløper til den passende organellen.

Question 17

Hva er forskjellene mellom proteintransport inn i kloroplast og inn i mitokondria?

Answer 17

Mitokondria høster den elektrokjemiske H+ gradienten over den indre membranen sin for å drive transport, mens kloroplast - som har en elektrokjemisk H+ gradient over tylakoidmembranen sin men ikke den indre membranen sin - bruker GTP- og ATP-hydrolyse for å drive import over den doble membranen i konvolutten.

Question 18

Ettersom planter har både mitokondria og kloroplast, hvordan fordeles proteinene?

Answer 18

N-terminale signalsekvenser skiller mitokondriet og kloroplasten. Og det er importreseptoren på hver organellen som skiller mellom de ulike signalsekvensene.

Question 19

Hvordan blir proteiner fraktet til tylakoidmembranen?

Answer 19

Først passerer de den ytre og den indre membranen og inn i stroma guidet av en N-terminal kloroplast signalsekvens. I stroma vil en signalpeptidase fjerne denne N-terminale kloroplast signalsekvense, og eksponere en tylakoid signalsekvens. Denne signalsekvensen initierer integrering inn i tylakoidmembranen, eller translokasjon inn i tylakoidrommet.

Question 20

Hva er peroksisomer?

Answer 20

Peroksisomer er viktige steder for oksygenutnyttelse, og finnes i stort sett alle eukaryote celler. De inneholder oksidative enzymer slik som katalase og urate oksidase.

Question 21

Hvilken reaksjon forekommer i peroksisomer?

Answer 21

Peroksisomer inneholder vanligvis ett eller flere enzymer som bruker molekylært oksygen for å fjerne hydrogenatomer fra spesifikke organiske substrater i en oksidasjonsreaksjon som produserer hydrogenperoksid (H2O2).

Question 21

For hvilken prosess er enzymet katalase viktig?

Answer 21

Katalase bruker H2O2 generert av andre enzymer i peroksisomet til å oksidere et utvalg av substrater - blant annet formaldehyd og alkohol - ved “peroxidation”-reakjsonen: H2O2 + R´H2 -> R´ + 2 H2O.
Denne typen oksideringsreaksjon er svært viktig i lever- og nyre-celler, hvor peroksisomene detoksifiserer ulike skadelige molekyler som kommer inn i blodstrømmen.

Question 21

Hva er B-oksidering?

Answer 21

B-oksidering er nedbrytning av fettsyremolekyler. Prosessen forkorter alkylkjedene til fettsyrer sekvensielt i blokker av to karbonatomer om gangen, og konverterer dermed fettsyren til acetyl-CoA. Peroksisomene konverterer deretter acetyl-CoA til cytosol for bruk i biosyntetiske reaksjoner.

Question 22

Hvordan blir proteiner levert til periksisomene?

Answer 22

I den første ruten blir noen av de integrerte membranproteinene fra den peroksisomale membranen satt inn i ER ved bruk av Sec61. Disse peroksisom-skjebnebestemte proteinene blir dermed pakket inn til spesialiserte proksisomale forløpervesikler. Nye forløpervesikler smelter sammen med hverandre for å danne et nytt periksisom eller så smelter de sammen med et allerede eksisterende peroksisom.

I den andre ruten kan peroksisomale proteiner bli importert inn i allerede eksisterende peroksisomer direkte fra cytosol. En spesifikk sekvens på tre aminosyrer (Ser-Lys-Leu) lokalisert på C-terminus av mange periksisomale proteiner fungerer som et viktig signal. Andre proteiner inneholder en litt lengre, delvis hydrofob signalsekvens nær N-terminus. Hvis en av sekvensene er bundet til et cytosolsk protein, vil proteinet bli importert inn i peroksisomer.

Question 23

Hvilke to komponenter ledsager ER-signalsekvensen til ER-membranen?

Answer 23

(1) En signal-recognition particle (SRP) som binder seg til signalsekvensen.

(2) En SRP-reseptor i ER-membranen.

Question 24

Hvordan kan SRP binde til så mange ulike sekvenser, med tanke på at ER-signalsekvensen varierer i aminosyresekvens, med unntak av at den har åtte eller flere ikke-polare aminosyrer ved senteret sitt?

Answer 24

Bindingssetet for signalsekvensen i SRP-proteinet er en stor hydrofob lomme fylt med metioniner. Fordi metioniner har ugrenede, fleksible sidekjeder, er lommen tilstrekkelig “plastic” til å romme ulike hydrofobe signalsekvenser av ulik størrelse og form.

Question 25

Hvilke to typer ribosomer finnes det?

Answer 25

(1) Membran-bundede ribosomer: de er bundet til den cytosolske siden av ER-membranen, og er engasjert i syntesen av proteiner som samtidig blir translokert over ER-membranen.
(2) Frie ribosomer: de er ikke bundet til noen membran, og syntetiserer alle andre proteiner kodet for av det nukleære genomet.