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Membranproteine

Protein sorting: Retrieval, Retentions- und Sortiersignale

Im Wesentlichen sind es drei Arten von Signalen, die Proteine an ihren Zielort in der Zelle bringen (protein sorting):

  • Retentionssignale sorgen dafür, dass Proteine in einem Kompartiment zurückgehalten werden und dieses nicht mehr verlassen können.
  • Retrievalsignale veranlassen eine Art Rücktransport eines Proteins, während der Rest der Proteine weiterbefördert wird. Der Übergang von Retentions- zu Retrievalsignal ist fließend und eine klare Abgrenzung ist nicht immer möglich.
  • Sortiersignale lenken das Protein auf einen alternativen Weg, so z.B. zum Transport in die Lysosomen.

Proteine, die für eine Lokalisation im ER bestimmt sind

Bei den für das endoplasmatische Retikulum (ER) bestimmten Proteinen kommen meistens Retrievalsignale vor; diese Proteine erfahren also eine Art Recycling auf ihrem Transport. Zu exportierende Proteine werden normalerweise in Golgi-Vesikeln zur Plasmamembran transportiert. Im Falle der für das ER bestimmten Proteine verschmelzen diese Golgi-Vesikel aber wieder mit dem ER. Einige Aminosäure-Sequenzmotive sind typisch für Proteine, die für das ER bestimmt sind:

  • Das K(x)KKK-Signal: zwei Lysin-Reste innerhalb der letzten fünf Aminosäuren des Proteins treten in Typ I-Membranproteinen auf.
  • Das RR-Signal: zwei Arginin-Reste innerhalb der ersten fünf Aminosäuren treten in Typ II-Membranproteinen auf.
  • Das KDEL-Signal, eine konservierte Sequenz in der C-terminalen Region des Peptids.

Proteine, die für eine Lokalisation im Golgi-Apparat bestimmt sind

Bei für den Golgi-Apparat bestimmten Proteinen gibt es eine ganze Reihe von Signalen, die allerdings noch nicht so gut verstanden sind wie die Signale der ER-lokalisierten Proteine. Einige Mechanismen beruhen auf:

  • einer Oligomerisierung. Man nimmt an, dass große heterooligomere Komplexe bevorzugt im Golgi-Apparat zurückgehalten werden.
  • der Länge der transmembranen Helices. Diese ist bei vielen Golgi-Proteinen signifikant kürzer als bei Plasmamembran-durchspannenden Proteinen. Werden die transmembranen Domänen eines für die Plasmamembran bestimmten Proteins experimentell verkürzt, wird das betreffende Protein nun im Golgi-Apparat zurückgehalten.

Proteine, die für eine Lokalisation im Lysosom bestimmt sind

Proteine, die für die Lysosomen bestimmt sind, werden durch Phosphorylierung eines Mannose-Zuckers (Mannose-6-phosphat) in der Oligosaccharid-Kette des Proteins markiert.

Proteine, die für eine Lokalisation im Mitochondrium bestimmt sind

Nur weniger als ein Dutzend der mitochondrialen Proteine werden ganz oder teilweise auch im Mitochondrium synthetisiert, denn die meisten mitochondrialen (und chloroplasmatischen) Proteine werden als größere Vorläuferproteine im Cytoplasma gebildet und dann in das Mitochondrium transportiert. Diese Proteine enthalten ein 20-80 Aminosäuren langes N-terminales Segment, das in seiner Funktion einem Signalpeptid entspricht. Es bindet an spezielle Rezeptoren der äußeren Mitochondrienmembran, worauf sich eine Pore in der Membran öffnet, die nun die Passage des Polypeptids erlaubt. Nach dem Import des Proteins wird die Signalsequenz von der mitochondriale Prozessierungspeptidase (MPP) und dem processing enhancing protein (PEP) abgespalten.

Wie gelangen Proteine der inneren Mitochondrienmembran oder des Intermembranraumes an ihren Bestimmungsort?

Diese Proteine enthalten mehr als eine Signalsequenz. Sie werden zunächst in die Matrix des Mitochondriums transportiert, wobei die Signalsequenz von der MPP und der PEP abgespalten wird. Diese Spaltung führt zur Exposition einer neuen Signalsequenz am N-Terminus des Proteins, das nun von dem Translokationsapparat der inneren Membran erkannt und gebunden wird. Unter ATP-Verbrauch und mit der Hilfe von Hitzeschockproteinen (Hsp60) wird das Protein in die innere Membran inseriert. Für den Transport in den Intermembranraum ist eine weitere Signalpeptidase notwendig, deren aktives Zentrum in den Intermembranraum hereinreicht und die diese zweite Signalsequenz vom Rest des Proteins abspaltet.

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