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Proteinsekretion & Membranproteinsynthese in Bakterien"
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Proteinsekretion & Membranprotein-synthese in Bakterien, Brock Kap 6:"
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Membranproteinbiogenese
und Proteinsekretion in Bakterien"
1. Insertion in die Innere Membrane (IM)"
2. Transport ins Periplasma"3. Insertion in die äussere
Membran"4. Export aus der Zelle"
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E. coli: Proteinexport ins Periplasma"Faktoren für gerichteten Transport und Translokation"
P"
Vorraussetzung für Proteintransport über die innere Membran
Signalsequenz!zytosolische Chaperone (SecB, SRP)"Translokationsmotor (SecA, Ribosom)!Translokationskanal (SecYEG)"Energiequelle ![Chaperone und modifizierende Enzyme im"Periplasma]!
Signalsequenzen
• in sekretorischen Proteinen"• durchschnittlich15 - 30 aa; hydrophober Kern & " netto-positive Ladung am N-Terminus"• i. A. am N-Terminus von Proteinen"• meist während oder nach der Translokation abgespalten durch
Signal-Peptidase"• Spaltstelle bestimmt durch aa an Positionen -3 and -1
kein "Glu, Asp,"Lys, Arg."
kein Pro " "
aa mit kurzen"Seitenketten" "
kein Pro " "
Consensus"
+ + Signalsequenz"
Sec-abhängiger Proteintransport durch die innere Membran von Bakterien
1. Schritt: Targeting (gerichteter Transport zur !! ! Membran)"
Signalsequenz!!2 Formen der Translokation!!1. Sec B /SecA/ATP, posttranslational, für lösliche sekretorische Proteine!! SecB “targeting“ Chaperon"
SecA Translokationsmotor (ATPase)!2. SRP/SRP receptor (SR), cotranslational, für Membranproteine"
E.coli SRP besteht aus !Ffh: fifty four homolog (GTPase) / 4.5S RNA"FtsY = SRP Rezeptor!
Hydrophobizität der Signalsequenz bestimmt targeting durch SecB oder SRP
Chaperon Definition:"
Ein Molekül (muss kein Protein sein), das unerwünschte Interaktionen zwischen Proteinen und dadurch Aggregation verhindert und Proteinfaltung vorantreibt."
"
Posttranslationale Translokation von sekretorischen Proteinen
• SecB: homotetrameres zytoplasmatisches Chaperon; erhält sekretorische Proteine translokationskompetent"
• sekretorische Protein/Sec B-Komplexe induzieren ATP-Bindung an Sec A"
• SecA/ATP bindet an Translokationskanal (SecYEG), ändert dessen Konformation"
• bei ATP-Hydrolyse ändert sich SecA Konformation" noch einmal, ADP dissoziiert, Zyklus beginnt von vorn"
"SecB und SecA gibt es nur in Bakterien"
SecA Zyklus – power stroke (alt) "
Pollard and Earnshaw, Cell Biology "
SPase
Modell beruht auf Analyse der SecA-Konformation mit "biochemischen Methoden
Reale SecA Konformationsänderung(Kristallstrukturanalyse + EM)"
Ruhezustand"
an SecYEG"gebunden"
Collinson et al., 2015"
SecA Konformationsänderung"- SecA-ATP mit sekretorischem Protein" (blau) bindet an SecYEG""- PPXD Domäne (braun) faltet sich " das sekretorische Protein und klemmt" es fest""- die HF-Domäne schiebt sich in den " Eingang des SecYEG Kanals""- die Bewegung der PPXD Domäne löst" ATP-Hydrolyse durch die Nukleotid-" bindedomänen aus"
Collinson et al., 2015"
Collinson et al., 2015"
Zwei Modelle des SecA-getriebenen Proteintransports:"
Collinson et al., 2015"
Zwei Modelle des SecA-getriebenen Proteintransports:Powerstroke"
die Bewegung der kleinen HF-Domäne "ins Vestibül des SecYEG Kanals ist zu"gering, um die Bewegung von 25-50 aa"pro ATP-Hydrolyse durch den Kanal zu"erklären""späte Phase der Translokation ist"PMF-abhängig; mit diesem Modell"schwer zu erklären"
ursprünglich wurde angenommen, dass sich ein wesentlich "grösserer Teil von SecA in den Kanal schiebt, weil ein grosser"Teil des Proteins bei Kanalbindung protease-resistent wird"
Collinson et al., 2015"
Zwei Modelle des SecA-getriebenen Proteintransports:ratcheted diffusion"
- Diffusion ist schneller als powerstroke"- braucht keine spezifische Sequenz"- kann die PMF-Abhängigkeit besser " erklären"
Geschwindigkeit passt besser zu den zellulären Anforderungen:"ca 1 Protein pro SecYEG Kanal pro Sekunde""Zurückrutschen im Kanal verhindert durch PPXD-Klemme in SecA?"
P" : für Membranproteine"
Cotranslationale Integration von Membranproteinen
Beispiel: SRP-abhängige Insertion der Lac Permease in die innere Membran
Cytosol"
Periplasm"
E. coli SRP & SRP receptor
SRP= signal recognition particle""benötigt für targeting der meisten Membranproteine"
!SRP besteht aus Ffh (fifty four homolog) & 4.5S RNA!
"SRP receptor FtsY = Andockstelle für E.coli SRP/
Ribosom/Polypeptidekette-Komplexe an der Zytoplasmamembran"
SRP Targeting Systeme... Mammalian Bacterial
Mammalian Archaeal & Bacterial
Archaeal
14 9
54
72 68
19 54 19 48
SRα SRβ
FtsY
SRP
SR
Entscheidung fällt am Ribosom: co- oder posttranslationaler Transport
Gloge et al. Curr Opinion Struct Biology., 2014"
SRP – signal recognition particle"MAP – methionine aminopeptidase"PDF – peptide deformylase
hydrophobe Signalsequenz/transmembrane Domäne"
weniger hydrophobe Signalsequenz "
Proteine ohne Signalsequenz bleiben im Zytosol und falten dort
Gloge et al. Curr Opinion Struct Biology., 2014"
SRP – signal recognition particle"MAP – methionine aminopeptidase"PDF – peptide deformylase
Der Proteintranslokationskomplex oder das ʻTransloconʼ
• der bakterielle Proteintranslokationskanal besteht aus 3 Proteinen: SecY, SecE, SecG"
• SecYEG bildet eine Pore, die sich lateral zur Lipiddoppelschicht und transversal (durch die Membran öffnen kann"
• die Translocon-Untereinheiten sind hochkonserviert und bilden in Säugern einen Kanal in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (Sec61 α,β,γ in Metazoa; Sec61 Kanal)"
Rapoport et al. TICB, 2004
SecYEG(αβγ)
Translocon"Struktur & Öffnung
Collinson et al. Royal Soc Trans., 2015"
Translocon opening
Translocon opening
Collinson et al. Royal Soc Trans., 2015"
zu
offen
SecA-Bindung öffnet den SecYEG Kanal
Translokation löslicher Proteine M
BOC
4th
ed.
Membranproteinintegration
Collinson et al. Royal Soc Trans., 2015"
Membrandomänen verlassen SecYEG lateral und integrieren in die Lipiddoppelschicht
Insertion von Proteinen mit mehreren Transmembrandomänen"
Ladungsverteilung (positiv im Zytosol!) um die erste "Transmembrandomäne bestimmt Orientierung des gesamten Proteins!"
Beispiel: SRP-abhängige Insertion der Lac Permease in die innere Membran
Cytosol"
Periplasm"
Vergleich von Sec and Tat Proteinsekretionswegen in E. coli
Robinson, Nat. Rev. 2001"
E. coli twin arginine translocation (Tat) System"
- das E. coli Tat-System besteht aus den Membranproteinen " TatA, TatB und TatC ""- der TatBC-Komplex erkennt das twin-arginine Signalpeptid " und bindet Substrate an die Membran""- TatA Oligomere bilden einen sehr grossen Ring in der " Membran, der vermutlich den Proteintransportkanal darstellt" "- Transport ist abhängig von der PMF und der Faltung der" Substratproteine!"
- nicht essentiell in den meisten Organismen; nicht ubiquitär"
Tat-abhängige Translokation
• Tat-Signalpeptide vermitteln Transport gefalteter Proteine ins Periplasma"
• ähneln Sec-Signalpeptiden"• wichtig: RR, XFLK"• weniger hydrophob als Sec-Signalpeptide
Der Tat-Translokationszyklus"
Berks et al. Curr. Op. Mic. 2005"
TatA" TatB, TatC!
Leader!peptidase"
Strukturen der Tat Proteine sind bekannt"
Collinson et al., 2015"
Leader!peptidase"
... Funktionsmechanismus noch nicht
Proteintranslokation über die IM in Bakterien"
Collinson et al., 2015"
PM of the host cell
OM
IM
SecY and Secretin-dep. e.g. Typ II Typ I
Periplasmic space
Signalsequenz-abhängige Translokation über die innere Membran spezielles
Export signal
Proteintranslokationssysteme in Pro- und Eukaryoten"
Trans-location
Eukaryotes Bacteria Archaea Eury Cren
Organelles Mito Chlo
YidC - + + - + +
SRP / SecYEG
+ + + + - +
Tat - + + + - +
Brock Kap 6: Was ist hier falsch?"
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Proteinsekretion & Membranproteinsynthese in Bakterien"
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Literatur:""- Channel crossing: how are proteins shipped across the "bacterial plasma membrane. 2015. "Collinson et al., Philophical Transactions Royal Society B, 370""- Cotranslational mechanisms of protein maturation. 2014."Gloge et al., Curr. Opinion Struct. Biol. 24:24-33"
Seminar, Do 16.05, hier um 17:15"
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Prof. Elke Deuerling""
“Protein folding and transport in the cell”""