第五章、真核细胞内膜系统和蛋白质分选

nullnull第五章 真核细胞内膜系统和蛋白质分选null 细胞内区室化是真核细胞结构和功能的基本特征之一，细胞内被膜区分为3类结构：细胞质基质、细胞内膜系统和其他由膜包被的各种细胞器（诸如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核）。null第一节、细胞质基质的涵义与功能 第二节、细胞内膜系统及其功能 第三节、细胞内蛋白质的分选第二节、细胞内膜系统及其功能第二节、细胞内膜系统及其功能一、细胞内膜系统的概述 二、内质网的形态结构与功能 三、高尔基体的形态结构与功能 四、溶酶体的形态结构与功能三、高尔基体的形态结构与功能三、高尔基体的形态结构与功能高尔基体的形态结构与极性 高尔基体的功能 高尔基体与细胞内的膜泡运输 四、溶酶体的形态结构与功能四、溶酶体的形态结构与功能溶酶体的形态结构与类型 溶酶体的功能 溶酶体的发生 溶酶体与过氧化物酶体第三节、细胞内蛋白质的分选第三节、细胞内蛋白质的分选一、信号假说与蛋白质分选信号 二、蛋白质分选的基本途径与类型 三、膜泡运输 第一节、细胞质基质的涵义与功能第一节、细胞质基质的涵义与功能 真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质称为细胞质基质。细胞质基质是细胞的重要组分，其体积约占细胞质的一半 。一、细胞质基质的涵义 二、细胞质基质的功能 一、细胞质基质的涵义 一、细胞质基质的涵义 用差速离心的分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类，细胞质骨架结构。 主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系； 通过弱键的相互作用处于动态平衡。 nullnull完成各种中间代谢过程 与细胞质骨架相关的功能 蛋白质的修饰和蛋白质选择性降解 蛋白质的修饰 控制蛋白质的寿命（泛素依赖的降解途径） 降解变性和错误折叠的蛋白质（泛素依赖的降解途径） 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象（分子伴侣）二、细胞质基质的功能蛋白质的修饰蛋白质的修饰辅酶或辅基与酶的共价结合 磷酸化与去磷酸化：调节蛋白质的生物学活性。 糖基化作用：主要发生在内质网和高尔基体。 对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰——不易被细胞内的蛋白水解酶水解，使蛋白质在细胞中维持较长的寿命。 酰基化：一类是内质网上合成的跨膜蛋白在通过内质网和高尔基体的转运过程中发生的；一类是在诸如src基因和ras基因这类癌基因的产物上。泛素依赖的降解途径 （ubiquitin –dependent pathway）泛素依赖的降解途径 （ubiquitin –dependent pathway） 泛素是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白，它的作用主要是识别要被降解的蛋白质。 蛋白酶体主要降解两种类型的蛋白质：一类是不稳定或错误折叠的蛋白质，另一类就是需要进行数量调节的蛋白质。 蛋白酶体由一个筒状的20S的催化核心和其两端各一个19S的调节部分组成，存在于细胞质基质或细胞核中。 蛋白酶体由一个筒状的20S的催化核心和其两端各一个19S的调节部分组成，存在于细胞质基质或细胞核中。分子伴侣（molecular chaperones）分子伴侣（molecular chaperones） 细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子伴侣。  Molecular chaperones：which bind and stabilize unfold or partly fold proteins，thereby preventing these proteins from aggregating and being degraded。  Chaperonins：which directly facilitate the folding of proteins。null一、细胞内膜系统概述一、细胞内膜系统概述细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相互关联、由膜包被的细胞器或细胞结构，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。 从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷。 从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。 内膜系统的生物学意义 内膜系统的动态性质 null 内膜系统将细胞内的生化合成、分泌和胞吞作用连接形成动态的、相互作用的网络。内膜系统的生物学意义内膜系统的生物学意义形成了一些特定的功能区域和微环境(细胞内功能分化) 合理使用资源 集团化管理 提高工作效率 动态性质 保证了膜结构的一致性 使细胞“青春常在” 二、内质网的形态结构与功能二、内质网的形态结构与功能内质网的特性 微粒体（microsome） 内质网的两种基本类型 内质网的功能 null内质网由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成互相沟通的三维网络结构。 内质网是典型的异质性细胞器，在细胞分裂时，内质网要经历解体与重建的过程。 内质网的存在增加了细胞内膜的面积，为酶反应提供了结合位点。 内质网形成的封闭体系，将内质网上合成的物质与细胞质基质中合成的物质分隔开来，更有利于它们的加工和运输。 内质网是细胞内除核酸以外的生物大分子如蛋白质、脂质和糖类的合成基地。null 在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，称为微粒体。虽然这是形态上的人工产物，但在生化研究中常把它与内质网等同看待。内质网的功能内质网的功能蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能 光面内质网是脂质合成的重要场所 蛋白质的修饰与加工 新生多肽的折叠与组装 内质网的其他功能 内质网的其他功能内质网的其他功能肝细胞的解毒作用（Detoxification）：肝细胞中存在细胞色素P450家族酶系，在这些酶的作用下，可以使在光面内质网上的不溶于水的毒物或代谢产物羟基化而完全溶于水的物质，并通过尿液排出体外。 类固醇激素的合成 储存钙离子：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中。 为细胞质基质中很多蛋白提供了附着位点返回 蛋白质合成 蛋白质合成 在粗面内质网上合成的蛋白包括分泌蛋白，整合膜蛋白,内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白（需要隔离或修饰）。 其它的多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的。包括:细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。 注意：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中“游离”核糖体。蛋白质的修饰与加工蛋白质的修饰与加工 细胞对蛋白质的修饰加工主要包括糖基化、羟基化、酰基化和二硫键的形成等。 糖基化在糖基转移酶的作用下发生在ER腔面 糖基化主要有两种方式 N- 连接的糖基化（Asn）：N-乙酰葡萄糖胺 O-连接的糖基化（Ser/Thr 或 Hylys/Hypro）：主要发生在高尔基体，N-乙酰半乳糖胺。 细胞质基质蛋白糖基化修饰非常简单。 null新生多肽的折叠与组装新生多肽的折叠与组装不能正确折叠的畸形肽链或未组装的蛋白亚基从内质网腔转到细胞质基质，通过泛素依赖的降解途径被蛋白酶体降解。 内质网腔是非还原性的环境，极易形成二硫键。蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态。 结合蛋白（Binding protein，Bip）识别不正确折叠的蛋白或未组装好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与组装。 蛋白二硫键异构酶和Bip等蛋白都具有KDEL 或 HDEL 4肽信号以保证它们滞留在内质网中。 光面内质网是脂质合成的重要场所光面内质网是脂质合成的重要场所ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇） 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向细胞质； 磷脂转位因子：将新合成的脂类分子会由细胞质基质侧转向内质网腔面，它对含胆碱的磷脂要比对含丝氨酸、乙醇胺和肌醇的磷脂转位能力强，因此导致了磷脂分子在膜上分布的不对称性。 磷脂的转运：出芽或磷脂转换蛋白nullnullnullSM：鞘磷脂；PC：磷脂酰胆碱；PS：磷脂酰丝氨酸； PE：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇；CI：胆固醇高尔基体的形态结构与极性高尔基体的形态结构与极性电镜下高尔基体是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成，并且是一种有极性的细胞器。 高尔基体至少由互相联系的3个部分组成，每一部分又可能划分出更精细的间隔。 周围大小不等的囊泡：顺面囊泡称ERGIC/VTC；反面体积较大的分泌泡与分泌颗粒 。 高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基体分布在MTOC(负端)。null顺面高尔基体管网状结构（cis-Golgi network，CGN） RER（蛋白质和脂类）（蛋白质KDEL或HDEL） 蛋白丝氨酸残基发生O-连接糖基化； 跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化； 高尔基体中间膜囊（medial Golgi） 多数糖基修饰；糖脂的形成；与高尔基体有关的多糖的合成 反面高尔基体管网状结构（trans-Golgi network，TGN） 参与蛋白质的分类与包装、运输； 某些“晚期”的蛋白质修饰（如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工） 在蛋白质与脂质转运过程中的“瓣膜”作用，保证单向转运 。 高尔基体的3个组成部分 高尔基体的功能高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。 高尔基体与细胞的分泌活动 蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白酶的水解和其他加工过程高尔基体与细胞的分泌活动高尔基体与细胞的分泌活动 RER上合成的蛋白质进入ER腔COPⅡ运输泡进入CGN 在medial Golgi中加工在TGN形成分泌泡运输与质膜融合、排出。 蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质糖基化的特点及其生物学意义 蛋白质的糖基化类型 蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白聚糖的合成 参与植物细胞壁的形成 蛋白质糖基化的两种类型比较蛋白质糖基化的两种类型比较蛋白质糖基化的特点及其生物学意义蛋白质糖基化的特点及其生物学意义溶酶体中的水解酶类、多数细胞膜上的膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白，而在细胞质基质和细胞核中绝大多数蛋白质缺少糖基化修饰。 糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞的不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。 糖基化的主要作用可能是有助于蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性。 进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。 复杂的N-连接寡糖的加工过程复杂的N-连接寡糖的加工过程蛋白酶的水解和其他加工过程蛋白酶的水解和其他加工过程无生物活性的蛋白原高尔基体切除N端或两端的序列成熟的多肽。 蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物。 同一种蛋白质前体不同细胞以不同的方式加工不同的多肽。 加工方式多样性的可能原因： 确保小肽分子的有效合成； 弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号； 有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。溶酶体的形态结构与类型溶酶体的形态结构与类型 溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。 溶酶体是一种异质性（heterogenous）的细胞器 ，不同溶酶体的形态大小、甚至其中所包含的水解酶的种类都有很大的不同。 溶酶体的类型 初级溶酶体（primary lysosome） 次级溶酶体（secondary lysosome） 残余体（residual body） 高尔基体与细胞内的膜泡运输高尔基体与细胞内的膜泡运输初级溶酶体初级溶酶体60余种溶酶体的酶类，都属于酸性水解酶。 溶酶体的膜在成分上的特点： 嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境； 具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。 溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acid phosphatase）次级溶酶体次级溶酶体自噬溶酶体（autophagolysosome） 异噬溶酶体（phagolysosome） 溶酶体的功能溶酶体的功能清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞； 防御功能—某些细胞（如巨噬细胞）可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解； 其他重要的生理功能 溶酶体与疾病 其他重要的生理功能 其他重要的生理功能 作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养； 分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节； 参与清除赘生组织或退行性变化的细胞； 受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。 溶酶体与疾病 溶酶体与疾病 溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障，细胞溶酶体内充满了未被降解的物质，影响细胞代谢，如台-萨氏（Tay-Sachs）等各种储积症，是一种隐性遗传病。 溶酶体吞入了不能消化的成分，从而造成溶酶体膜破裂，释放出其中的水解酶，最终导致细胞死亡。如肺部细胞吞噬二氧化硅所引起的矽肺和石棉肺。 某些病原体（麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境） 溶酶体的发生溶酶体的发生发生途径 分选途径多样化  依赖于M6P的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外；在细胞质膜上也存在依赖于钙离子的M6P受体，同样可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的胞吞作用，将酶送至前溶酶体，M6P受体返回细胞质膜，反复使用。  还存在不依赖于M6P的分选途径（分泌溶酶体的perforin和granzyme） 发生途径 溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（RER） 高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶高尔基体trans-膜囊和TGN膜（M6P受体）溶酶体酶分选与局部浓缩以出芽的方式转运到前溶酶体磷酸葡萄糖苷酶磷酸化识别信号：信号斑发生途径 M6P受体与M6P分离，酶蛋白中M6P去磷酸化null溶酶体的发生溶酶体的发生一、信号假说与蛋白质分选信号一、信号假说与蛋白质分选信号信号假说(Signal hypothesis) 开始转移序列和停止转移序列 导肽与后转移 蛋白质的分选信号信号假说信号假说信号序列的发现和证实 指导因子：蛋白质N-端的信号肽（signal peptide） 信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP） 信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白docking protein，DP）为异二聚体膜整合蛋白，存在于内质网膜上，可与SRP特异结合。 转位因子（ translocon） 信号假说 信号序列的发现和证实信号序列的发现和证实1972年Milstein及其同事用分离纯化的核糖体在非细胞体系中用编码免疫球蛋白轻链的mRNA指导合成多肽，发现合成的多肽比分泌到细胞外的成熟的免疫球蛋白在N端有一段多出的肽链，推测这段肽链具有信号作用。 Blobel、Dobberstein和Walter在上述发现的基础上用分离的微粒体和非细胞体系进行了大量的实验，进一步证实了信号序列的存在及其作用。 在非细胞系统中蛋白质的过程与SRP、DP和微粒体的关系在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系null 由6种结构不同的蛋白和一个7S RNA（长约300bp）组成的复合物，SRP上有3个功能部位：信号肽识别结合位点（P54）、翻译暂停结构域（P9/P14）、SRP受体蛋白结合位点（P68/P72）。 null 转位因子由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似于炸面圈的结构，每个Sec61蛋白由三条肽链组成。 开始转移序列和停止转移序列开始转移序列和停止转移序列肽链边合成边转移至内质网腔中的方式称为共转移。 开始转移序列：蛋白质氨基末端的信号序列除作为信号被SRP识别外，还具有起始穿膜转移的作用。 停止转移序列：肽链中还有某些序列与内质网膜具有很强的亲和力而结合在脂双层之中，这段序列不再转入内质网腔中，称为停止转移序列 跨膜蛋白的类型及其取向 起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数导肽与后转移导肽与后转移 线粒体、叶绿体中的绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中，这些序列称为导肽。其基本的特征是蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称为翻译后转移（post translocation）。 蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。 二、蛋白质分选的基本途径与类型二、蛋白质分选的基本途径与类型细胞内合成的蛋白质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面： 其一是蛋白质中包含特殊的信号序列 其二是细胞器上特定的信号识别装置—受体 分选途径 分选类型 分选类型分选类型蛋白质的跨膜运输 膜泡运输 选择性的门控运输 细胞质基质中的蛋白质的转运null 翻译后转运途径：在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体及细胞核，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和支架蛋白； 共翻译转运途径：蛋白质合成在游离核糖体上起始之后由信号肽引导转移至粗面内质网，然后新生肽边合成边转入粗面内质网腔中，再经高尔基体加工包装运至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外，内质网与高尔基体本身的蛋白也是通过这条途径分选的。真核细胞蛋白质分选的主要途径与类型真核细胞蛋白质分选的主要途径与类型null内质网膜上具有易位子 细胞中几乎不含有纯的光面内质网 内质网与其他细胞器关系的研究 内质网的分布常与微管的走向一致 内质网对外界因素的作用非常敏感null蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能细胞中蛋白质的合成都是起始于细胞质基质中游离核糖体。 在糙面内质网上合成的蛋白包括分泌蛋白、整合膜蛋白和内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白（需要隔离或修饰）。 其它的多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的。包括细胞质基质中的驻留蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的蛋白。nullnull 内质网膜 小泡 细胞质膜 内质网膜 小泡 细胞质膜null高尔基体的极性不仅表现在它在细胞中往往有比较恒定的位置和方向，而且物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出。 靠近细胞核一侧膜囊弯曲成凸面，又称形成面（forming face）或顺面（cis face）。 面向质膜的一侧膜囊呈凹面，又称成熟面（mature face）或反面（trans face）。nullnull信号假说信号假说 null信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常由15-60个氨基酸残基组成，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（ signal peptidase）切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特异性要求。 信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。 每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。信号肽和信号斑信号肽和信号斑null 信号肽（signal peptide）引导新合成的肽链转移到内质网上合成的信号序列称为信号肽，位于新合成肽链的N端，一般有16-26个氨基酸残基，包括疏水核心区（h)、信号肽的C端和N端三部分。由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列（start transfer sequence）；信号肽没有严格的专一性，目前尚未发现共同的信号序列。nullnullnullnullnullnull