Proteintransport

= Die Zelle ist in verschiedene „Räume“ (Kompartimente) unterteilt,in denen verschiedene Aufgaben gleichzeitig ablaufen können – ohne sich zu stören

geringe Permeabilitat von Lipiddoppelschichten fur Makromolekule

seleketive Permeabilitat fur Ionen, Kohlenhydrate, Aminosauren usw.

• Verkurzung der Diffusionwege von Substarten zu Katalysatoren (Enzyme)

• Konzentrierung von Molekulen eines Reaktionsweges

• Trennung unterschiedlich regulierter Stoffwechselwege

• Spezialisierung von Energie uber Membranen (elektrochemisches Potentail)

—> Signale werden von Rezeptoren erkannt

—> Kompartiment-spezifische Import-Maschinen uberfuhren proteine in das Zielkompartiment

• „Raues“ ER (mit Ribosomen) bildet orientierte Stacks

  oder abgeflachte Zisternen

  • Ribosomen sind mit löslichen Ribosomen

    des Cytoplasmas identisch

• „Glattes“ ER ist mit diesen Zisternen verbunden und

  bildet ein Netzwerk von feinen tubulären Verbindungen

  
  

ER-Membran gebundene Ribosomen synthetisieren:

• Transmembranproteine

• lösliche Proteine des ER, Golgi und der Lysosomen,

• Plasmamembranproteine und sekretorische Proteine.

—> Ob ein bestimmtes Ribosom frei oder an ER gebunden

vorliegt, hängt also von dem Protein ab, das von ihm

synthetisiert wird

1. Beginn der Translokation eines ER Proteins

   • N-terminale AS kodieren für Signalsequenz

2. Signalsequenz wird vom Signalerkennungspartikel (signal recognition particle; SRP) erkannt

   • SRP unterbricht weitere Translation (signalinduzierter Translationsarrest)

3. SRP bringt arretierten Ribosom/mRNA/Peptid-Komplex an ER Membran

   • Bindung an SRP-Rezeptor (verstärkt durch GTP-Bindung von SRP und SRP-Rezeptor)

4. Transfer des Komplexes zum Translocon

   • Insertion der Signalsequenz in den offenen Translocon-Kanal

   • Ablösen von SRP und SRP-Rezeptor

   • Hydrolyse des GTPs („Recycling“)

5. Wiederaufnahme der Polypeptidsynthese und Passage der Polypeptidkette durch den Translocon-Kanal

   • Abspaltung des Signals durch benachbarte Signalpeptidase

6. Synthese des vollständigen Polypeptids, Transport durch Kanal erfolgt durch kontinuierliche Translation

7. Translationstermination führt zur Dissoziation von ribosomalen Untereinheiten vom Translocon und Schließen des Translocons

8. Polypeptidkette faltet sich zum nativen Protein

1. Signal: N-terminale Aminosäuresequenz (6-12 hydrophobe Aminosäuren)

2. Rezeptoren: Signalerkennungspartikel und SRP-Rezeptor

3. Translokationskanal: Translocon (kann sich offnen und schliessen)

4. Energie für den Transport: kontinuierliche Translation der wachsenden Polypeptidkette

—> Proteintransport in das ER erfolgt co-translational

=> Das Protein wird während der Translation direkt in das ER (endoplasmatische Retikulum) hineingeschleust

—> Proteintransport in Zellkern erfolgt post-translational und gefaltet

—> Die meisten mitochondrialen Proteine werden von DNA des Zellkerns kodiert, und mussen daher importiert werden

—> Transport von Proteinen in Mitochondrien erfolgt im ungefalteten Zustand, aber posttranslational und wird meist durch abspaltbare N-terminale Signalsequenzen gesteuert

Posttranslational = Der Transport passiert erst nach der vollständigen Translation,also nachdem das Protein fertig im Cytoplasma hergestellt wurde.

—> Um ein Protein ins Mitochondrium zu bringen, muss es mehrere "Pumpen" bzw. Translokationskomplexe (Poren/Transportkanäle) durchlaufen – je nachdem, wohin es im Mitochondrium soll

1. Gated Transport:

   • zwischen topologisch äquivalenten Kompartimenten (Beispiel Cytoplasma → Kern; Tore = Kernporen)

   
   

2. Transmembrantransport:

   • zwischen topologisch unterschiedlichen Kompartimenten (Beispiel Cytoplasma → Mitochondrion oder Cytoplasma rER; Tore = Translokatoren)

   
   

3. Vesikulärer Transport:

   • zwischen membranumhüllten Kompartimenten (Beispiel rER → Golgi; Intermediate = Transportvesikel)

Transportvesikel erlauben den Austausch von Proteinen zwischen topologisch identischen Kompartimenten wie ER, Golgi, Endosomen, Lysosomen, Plasmamembran und

extrazellulärem Raum

=> Ausschuss oder Ruckfhrung von residenten Proteinen erlaubt Erhaltung eines kompatiment-spezifischen Proteinsatzes in den Donorkompartimenten

=> erfolgt post-transional und geflatet

Grundlagen des Vesikeltransports

1. Ausknospen eines Vesikels vom Donorkompartiment

2. Sammeln von Cargo-Proteinen im Vesikel

3. Abknospen des beladenen Vesikels

4. Erkennen und Andocken an Akzeptorkompartiment

5. Fusion des Vesikels mit Akzeptorkompartiment

1. Cargo-Proteine sammeln sich

• Soluble cargo proteins = frei im Lumen (innen)

• Membrane cargo proteins = sitzen in der Membran

• Sie werden erkannt von cargo-receptor proteins, die spezifisch sind

2. GTP-bindende Proteine aktivieren den Prozess

• Diese Proteine (oft ARF oder Sar1) binden GTP und rekrutieren Coat-Proteine

3. Coat Proteins (z. B. COPI, COPII oder Clathrin)

• Bilden eine Hülle um das entstehende Vesikel

• Helfen bei Krümmung der Membran und Abtrennung des Vesikels

4. v-SNARE Proteine

• Werden bereits im Vesikel eingebaut

• Später wichtig für das Andocken an die Zielmembran (passen wie Schlüssel und Schloss zu t-SNAREs dort)

1. Vesikel mit „v-SNAREs“

• Das Vesikel (aus dem vorherigen Bild) enthält auf seiner Membran v-SNARE-Proteine (→ „v“ wie „vesicle“).

• Diese wurden bereits beim Abschnüren eingebaut.

  
  

2. Zielmembran (Target membrane) mit „t-SNAREs“

• Jede Zielorganelle (z. B. Golgi, Lysosom) hat eigene t-SNAREs (→ „t“ wie „target“).

3. Erkennung und Bindung

• v-SNAREs und t-SNAREs binden spezifisch aneinander → wie ein Reißverschluss („zipper“)

• Das bringt die beiden Membranen ganz nah aneinander

4. Fusion

• Die beiden Membranen verschmelzen

• Der Inhalt des Vesikels wird in das Zielkompartiment freigesetzt

• Das Vesikel ist nun Teil der Zielmembran

—> besteht aus zwei Doppelmembranen:

• Die äußere Membran ist mit dem ER kontinuierlich

• Die innere Membran ist Kern-spezifisch und ist durch integrale Membranproteine mit einer filamentösen Struktur - der Lamina - verankert.

=> erlauben den Austausch von Ionen, Metaboliten, Proteinen und RNA-Proteinkomplexen zwischen Kern und Cytoplasma.

—> Ein somatischer Zellkern hat ca. 2000-3000 Kernporenkomplexe.

• Oktogonale Membran-eingebettete Struktur

• 30-mal größer als ein Ribosom

• Besteht aus mehrfachen Kopien von >100 unterschiedlichen Kernporenproteinen

• Innerer wassergefüllter Kanal erlaubt Diffusion von Molekülen bis ca. 1nm Durchmesser (Ionen, Zucker, kleine Proteine bis ca. 500 Aminosäuren)

1. Diffusion von kleinen Molekülen durch wässrigen Kanal

2. Bi-direktionalen aktiven Transport von großen Molekülen

   (spezifische Proteine und RNA-Proteinkomplexe)

Proteintransport in/ aus Zellkern erfolgt post-translational und im bereits gefalteten Zustand.

Signale in importierte Proteinen (NLS, nukleares Lokationssignal): Sequenz mit mind. 5 positiv geladenen Aminosäuren (Lys, Arg) auf Proteinoberfläche

Signale in exportierten Proteinen (NES; nukleares Exportsignal): weniger stringent definiert, oft Leu-reiche Sequenzen

• NPCs erlauben passive Diffusion kleiner Moleküle (praktisches Limit 20 – 40 kDa) und aktiven Transport von Makromolekülen bis zu einem Durchmesser von 25 nm (40 nm) und einer Masse von > 107 Da.

• Aktiver Transport benötigt metabolische Energie und wird durch spezifische Rezeptoren vermittelt.

• Ein und dieselbe Kernpore kann sowohl Import als auch Export vermitteln. Pro Pore und Minute werden etwa 3 ribosomale UE und 50 tRNA Moleküle exportiert und etwa 1000 Proteinen importiert.

• Die Selektivität des aktiven Transports durch Kernporenkomplexe wird durch ein Wechselspiel von Transportsignalen und -rezeptoren erreicht. Dabei gibt es viele verschiedene Import und Exportwege durch NPCs.