background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

1

 

Protein Targeting

 

 

Objectives 

1.  to understand how proteins find their destination in 

prokaryotic and eukaryotic cells 

2.  to know how proteins are bio-recycled 

As a protein is being synthesized, decisions must be taken about 

sending it to the correct location in the cell where it will be 

required. The information for doing this resides in the nascent 

protein sequence itself. Once the protein has reached its final 

destination, this information may be removed by proteolytic 

processing. 

Targeting in Bacteria

 

In bacterial cells, the targeting decision is relatively straightforward: 

is the protein destined to be an 

intracellular

 protein or an 

extracellular

 one? 


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

2

 

Secreted proteins contain a 

signal sequence

. This is a short (6 - 

30) stretch of hydrophobic amino acids, flanked on the N-terminal 

side by one or more positively charged amino acids such as lysine 

or arginine, and containing neutral amino acids with short side-

chains (such as glycine or alanine) at the cleavage site. As 

proteins with signal sequences are synthesized, they are bound by 

the 

SecB

 protein. This prevents the protein from folding. 

SecB

 

delivers the protein to the cell membrane where is secreted 

through a pore formed by the 

SecE

 and 

SecY

 proteins. Secretion 

is driven by the 

SecA

 ATPase. After the protein has been 

secreted, the signal sequence is removed by a membrane bound 

leader peptidase

 

 


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

3

 

Targeting in Eukaryotes

 

In eukaryotic cells, the situation is more complex. 

Extracellular 

proteins

 can be targeted for 

secretion

 or to the 

cell membrane

or to one of the many 

internal organelles

 such as the lysosome. 

Intracellular proteins

 can be targeted for the 

cytoplasm

, to the 

nucleus

 or to special 

organelles

 such as the mitochondrion. 

The Signal Sequence hypothesis was first enunciated by Gunther 

Blöbel who was awarded the

 Nobel Prize in Medicine in 1999

 for 

his work. 

The following diagram summarizes the choices/fates available to 

newly synthesized proteins in a eukaryotic cell: 

 

 

 
 


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

4

 

 
Protein secretion in eukaryotic cells also involves a signal 

sequence. As in bacteria, the signal sequence is a short (6 - 30) 

stretch of hydrophobic amino acids, flanked on the N-terminal side 

by one or more positively charged amino acids such as lysine or 

arginine, and containing neutral amino acids with short side-chains 

(such as glycine or alanine) at the cleavage site: 

 

The SRP cycle 

The signal recognition particle (SRP) associates with ribosomes 

that are in the process of translating the mRNA for a secretory 

protein. The protein has a signal at the N-terminus. Subsequently, 

the ribosome-bound SRP interacts with the SRP-receptor  a 

component of the ER membrane. Finally, SRP recycles to 

associate with another ribosome, and translation continues with 

the secretory protein transversing the membrane through a 

channel called the translocon.  

 


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

5

 

 

 

Proteins that must be targeted to the nucleus have a 

nuclear 

localization signal

 (

NLS

). Once common type of signal is a series 

of five or so closely spaced positively charged amino acids. 

 

 

Protein Turnover

 

Protein lifetimes must also be regulated. Some proteins are 

needed for only very short times -- and could be harmful is present 

for too long. Others are needed all the time and it would be 

unnecessarily wasteful to keep re-synthesizing them. 

The following table, demonstrates the great differences in lifetimes 

of some rat liver enzymes: 


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

6

 

Enzyme 

Half-life 

(h) 

Ornithine decarboxylase 

0.2 

RNA polymerase I 

1.3 

Tyrosine 

aminotransferase 

2.0 

Serine dehydratase 

4.0 

PEP carboxylase 

5.0 

Aldolase 

118 

GAPDH 

130 

cytochrome c 

150 

  
The lifetime of proteins in eukaryotes appears to be determined by 

the nature of the N-terminal amino acid. Some amino acids (e.g. 

Ala, Cys, Gly, Met, Pro, Ser, Thr, Val) stabilize proteins (at least in 

yeast); others (e.g. Arg, His, Ile, Leu, Lys, Phe, Trp, Tyr) 

destabilize proteins. 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

7

 

 

Targeted Protein Degradation 

In order to keep a cell working it needs to remove: 

1.  incorrectly synthesized proteins (with errors in amino acid 

sequence)  

2.  damaged proteins (i.e. oxidative damage)  

3.  cell-cycle specific proteins  

4.  other signaling proteins which are no longer necessary  

One mechanism of protein degradation is via lysosomes.  

 Lysosomes are acidic vesicles that contain about 50 different 

enzymes involved in degradation: 

1.  proteases (cathepsins):  cleave peptide bonds  

2.  phosphatases:  remove covalently bound phosphates  

3.  nucleases:  cleave DNA/RNA  

4.  lipases:  cleave lipid molecules  

5.  carbohydrate-cleaving enzymes:  remove covalently bound 

sugars from glycoproteins  

Lysosomes often secrete their contents into the extracellular 

medium via exocytosis.  

Lysosomes can also target damaged organelles in a process 

called autophagy.  

Sometimes, lysosomes are triggered to rupture inside a cell, 

resulting in autolysis, also called apoptosis or programmed cell 

death.  

   


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

8

 

Another major mechanism is via ubiquitin labeling of surplus 

proteins: 

 

Ubiquitin (a small 76-residue protein) is attached to the 

protein:  

First, an activating enzyme attaches itself to the 

carboxy terminus of free ubiquitin in an ATP-dependent 

process.  

Then, the activated ubiquitin is transferred onto a 

second enzyme which at the same time recognizes 

damaged proteins.  

The activated ubiquitin is then covalently linked to 

lysine residues on the surface of the damaged protein.  

 

These ubiquitin-tagged proteins are now recognized by 

specific proteases in the cytosol which in turn cleave and 

degrade the tagged protein.  

 

These proteases are combined in a very large protein 

complex called the proteasome.  

 

 


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

11

 

 
Conclusions: 

1.  Proteins synthesized on cytosolic ribosomes are released 

into the cytosol or transported into mitochondria, 

peroxisomes, and nucleus. Proteins synthesized on 

ribosomes attached to the rough endoplasmic reticulum 

(RER) are destined for lysosomes, cell membranes, or 

secretion from the cell. These proteins are transferred to the 

Golgi complex, where they are modified and targeted to 

their ultimate locations. 

2.  In order to keep a cell working it needs to remove unwanted 

protein 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 11 عضواً و 117 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل