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核孔复合物NPCs:Nuclear Pore Complexes)

要点:核孔复合物是细胞核核膜上控制孔洞的蛋白复合物。

http://www.apsubiology.org/anatomy/2010/2010_Exam_Reviews/Exam_1_Review

/nuclear_pore_complex.jpg

A: 核孔复合物模式图

BCD:核孔复合物电镜图片


知识体系阐述:

      所有真核生物的核膜都具有大而复杂的核孔复合物(NPCs)。每个核孔复合物都由大约30种不同的蛋白质组成,这些蛋白被称为“核孔蛋白”(nucleoporins)。

核孔复合物内部内部高度对称,每个核孔蛋白都具有多份拷贝,全部组装核孔复合物的核孔蛋白大约500到1000个蛋白质分子/每细胞。酵母的核孔蛋白分子量大约6600万道尔顿,而脊椎动物的是1.5亿道尔顿。

     大多数核孔蛋白是由少数几种不同类型的重复蛋白结构域组成的,这些重复蛋白结构域是通过基因复制进化而来的。一些支架式核孔蛋白在结构上与囊泡被膜蛋白复合物有关。如,网格蛋白(clathrin)和II型COP多聚物(COPII coatomer)形成运输囊泡。只有一种蛋白质被用作核孔复合物的搭建和囊泡被膜结构模块的搭建。这些相似之处暗示了核孔复合物和囊泡被膜共同进化起源关系。它们可能来源于一种早期的膜弯曲蛋白,可以帮助形成真核细胞复杂膜系统的模块。在进化后的细胞中稳定形成核孔所需的弯曲模块结构。

     一个典型哺乳动物细胞的核膜通常含有3000-4000个核孔复合物。但是,核膜核孔复合物数字确范围很宽,从神经胶质细胞的几百个核孔复合物到,浦肯野(Purkinje)神经元中有2万个核孔复合物。通过每个NPC的总运输量是巨大的:每个核膜核孔复合物每秒可以运输多达1000个大分子,并且可以同时向两个方向双向运输。

核孔复合体NPC基因组成归纳:

核孔复合物如何协调大分子的双向运输的,以避免堵塞和碰撞的机制还不清楚。每个核孔复合物都含有水溶液通道,通过这些水分子可以进行被动地扩散。

不同分子量大小的水溶性分子注入细胞溶胶,然后测量它们进入细胞核的扩散速度,从而确定分子进入细胞核的速率。小分子(5000道尔顿或更少)扩散得如此之快,以至可以认为核膜对它们是自由渗透的。然而,大型蛋白质的扩散速度要慢得多,而且蛋白质越大,通过核孔复合物的速度就越慢。大于60000道尔顿的蛋白质不能通过被动扩散进入细胞核。这是自由扩散的阈值,认为是核孔复合物结构决定的。

许多通道核孔蛋白在细胞核膜表面形成的无序缠结具有非结构区域的特征,限制了大分子得扩散入核,同时允许小分子通过。

由于许多细胞蛋白太大而不能通过核孔复合物进行被动扩散,因此在细胞核隔间和细胞质溶胶可以维持不同的蛋白质组成。

例如,成熟的细胞质核糖体直径30纳米,因此不能通过核孔复合体进行扩散,这就是为什么蛋白质合成到在细胞质中的原因之一。

但是,细胞核是如何运出新合成的核糖体亚基的大分子,或者将其亚单位分子质量在10 - 20万道尔顿大分子DNA聚合酶和RNA聚合酶运输进细胞核的?这些大蛋白与特定转运蛋白,RNA分子与特定受体蛋白结合,这些受体蛋白通过核孔复合体主动转运大分子。甚至,一些组蛋白这样的小分子量蛋白也经常利用受体介导的机制穿过核孔复合体,从而提高转运效率。


知识体系拓展:

核孔复合物NPC三维结构:

https://www.researchgate.net/publication/258956167_Higher_Nucleoporin-Importinb_Affinity_at_the_Nuclear_Basket_Increases_Nucleocytoplasmic_Import

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