蛋白质分选

null第一节 蛋白质分选的基本原理第一节 蛋白质分选的基本原理细胞内合成的蛋白质、脂类等物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（signal sequence）。 其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor）。signal sequence and signal patchsignal sequence and signal patch一、蛋白质分选信号一、蛋白质分选信号①信号序列（signal sequence）：引导蛋白质定向转移的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，对所引导的蛋白质没有特异性要求。 ②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。null二、蛋白质分选运输机制二、蛋白质分选运输机制1、门控运输（gated transport）：如通过核孔复合体的运输。 2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的细胞器。 3、膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质在内质网或高尔基体中被包装成衣被小泡，选择性地运输到靶细胞器。第二节 胞内膜泡运输第二节 胞内膜泡运输内膜系统之间的物质传递常通过膜泡运输进行。 多数运输小泡在膜的特定区域以出芽的方式产生。面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。null衣被小泡在细胞内沿微管或微丝运输。 与膜泡运输有关的马达蛋白有3类，在这些马达蛋白的牵引下，可将膜泡运到特定的区域。 动力蛋白（dynein），趋向微管负端； 驱动蛋白（kinesin），趋向微管正端； 肌球蛋白（myosin），趋向微丝的正极。一、衣被类型一、衣被类型已知三类： 笼形蛋白（clathrin） COPI COPII 主要作用： 选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡； 如同模具一样决定运输小泡的外部特征。三种衣被小泡的功能三种衣被小泡的功能（一）笼形蛋白衣被小泡（一）笼形蛋白衣被小泡运输途径：质膜→内体；高尔基体→内体；高尔基体→溶酶体、植物液泡。 衣被结构：3重链、3轻链，形如triskelion。clathrin的曲臂交织在一起，形成5边形网孔的笼子。 衔接蛋白：连接衣被与受体。 nullClathrin coated vesiclesnullDeep-etch view of a typical clathrin latticenullSelective transport by clathrin coated vesiclesnull当衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的柄部，使柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），导致膜融合，pinch off衣被小泡。 （二）COP I衣被小泡（二）COP I衣被小泡功能：回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网；也可介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。 组成：由7种蛋白组成。 回收信号：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。nullCOP I VesiclesnullCop I and II VesiclesnullLys-Asp-Glu-Leu（KDEL）（三）COPⅡ衣被小泡（三）COPⅡ衣被小泡介导内质网到高尔基体的物质运输。形成于内质网出口位点，该处无核糖体。 主要亚基：Sar1GTP、Sec23/Sec24、Sec13/Sec31。 多数跨膜蛋白直接与COP II结合，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II结合。 分选信号：位于跨膜蛋白胞质面，形式多样，常包含双酸性基序[DE]X[DE] ，如Asp-X-Glu。nullCOP II VesiclesnullCOPII Coated vesicle二、衣被形成二、衣被形成衣被召集GTP酶：为G蛋白，活化状态可引起衣被蛋白聚集，包括ARF和SAR 1。存在于细胞质，激活后转位到膜上。 ARF：参与clathrin和COP I衣被的形成。 SAR 1：参与COP II衣被的形成。nullER上形成COPII小泡时，SAR1交换GDP/GTP而激活。 激活的SAR1暴露出脂肪酸链尾巴，插入ER膜，促进衣被蛋白的核化和组装。 SAR1可激活磷脂酶D，将一些磷脂水解，使衣被蛋白牢固地结合在膜上。 当小泡从膜上释放后，衣被很快就解体。Coat assemblyCoat assembly三、膜泡运输的定向机制三、膜泡运输的定向机制（一）SNAREs 功能：介导运输小泡与靶膜的融合。 类型：v-SNAREs和t-SNAREs。 结构：具有一个螺旋结构域，相互缠绕形成跨SNAREs复合体，将小泡与靶膜拉在一起。nullSNAREsnullSNAREs in vesicle transportnull神经细胞中，SNAREs负责突触小泡的停泊和融合。破伤风毒素和肉毒素能选择性地降解SNAREs，阻断神经传导。 病毒融合蛋白的与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。 HIV fusion proteinHIV fusion protein（二）Rabs（二）Rabs也叫targeting GTPase，属于G蛋白，起分子开关作用。已知30余种，不同膜上具有不同的Rabs。 Rabs促进和调节运输小泡的停泊和融合。 Rabs还有许多效应因子，帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAREs抑制因子。 nullRabs in docking四、受体介导的内吞四、受体介导的内吞批量内吞（Bulk-phase endocytosis）：非特异性的摄入细胞外物质，穴样内陷（caveolae）是发生批量内吞的部位。 受体介导的内吞 (receptor mediated endocytosis)是一种选择浓缩机制。LDL、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等都通过RME转运。 null衣被小窝（coated pits）是质膜内凹的部位，相当于分子过滤器(约占肝细胞表面积2%)。受体、笼形蛋白和衔接蛋白大量集中于此处。 受体胞质端的Tyr-X-X-Φ是衔接蛋白识别的信号，X为任何氨基酸，Φ为分子较大的疏水氨基酸(如Phe、Leu、Met)。 受体同配体结合后启动内化作用，衣被开始组装。nullClathrin coated pit on the cytosolic face of a cellnull低密脂蛋白的吸收： 胆固醇主要在肝细胞中合成，以低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL）释放到血液。 LDL颗粒芯部含有被长链脂肪酸酯化的胆固醇分子。周围由磷脂和胆固醇构成的脂单层包围，有一个较大的Apo-B蛋白（配体）。nullLDL ParticlenullLDL endocytosisnull细胞需要胆固醇时，合成LDL跨膜受体蛋白。 受体与LDL颗粒结合后，形成衣被小泡； 进入细胞质的小泡随即脱掉衣被，成为平滑小泡，同早期内体融合，内体中PH值低，使受体与LDL颗粒分离；再经晚期内体将LDL送人溶酶体。 在溶酶体中，LDL被水解成游离的胆固醇。nullThe receptor-mediated endocytosis of LDLnullLDL Endocytosisnull受体回收途径： ①大部分返回原来的质膜结构域，如LDL受体； ②有些进入溶酶体被消化，如EGF的受体，称为受体下行调节（receptor down-regulation）； ③有些被运至质膜不同的结构域，形成穿胞运输（transcytosis）。nullTranscytosis五、外排作用五、外排作用组成型外排途径：由TGN区分泌囊泡向质膜运输，通过default pathway完成转运。更新膜蛋白和膜脂、形成ECM、营养成分或信号分子。 调节型外排途径：如激素或酶储于分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡释放出去。nullThe constitutive and regulated secretory pathways第三节 内质网第三节 内质网Porter等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名endoplasmic reticulum，ER。一、形态与组成一、形态与组成约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统。 分为RER和SER。 RER呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。 SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。 细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。 RERRERnullSERnull膜含60%的蛋白和40%的脂类，PC含量较高，SM含量较少，没有或很少含胆固醇。 约30多种膜结合蛋白，另有30多种位于ER网腔。 葡糖-6-磷酸酶是ER标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。 二、ER的功能二、ER的功能（一）蛋白质合成 内质网上合成的蛋白主要有： 向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素； 膜的整合蛋白； 需要与其它细胞组分严格分开的酶，如溶酶体的各种水解酶； 需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。nullBlobel等（1975）提出信号假说，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成，获1999年诺贝尔生理医学奖。Blobel with members of his laboratoryGünter Blobelnull蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分： 信号肽：位于N端，约16~30个氨基酸，含有6-15个连续排列的带正电荷的非极性氨基酸，又称开始转移序列。 信号识别颗粒（SRP）：6种多肽和1个7S RNA组成，属RNP。与信号序列结合，导致Pr合成暂停。AA Sequences of ER Signal PeptidesAA Sequences of ER Signal PeptidesnullSRP受体，ER膜的整合蛋白，异二聚体，可与SRP特异结合。 停止转移序列，与内质网膜的亲合力很高，阻止肽链继续进入网腔，成为跨膜蛋白。 转位因子，由3-4个Sec61蛋白构成的通道，每个Sec61由3条肽链组成。 nullTranslocation of proteins across ER蛋白质转入内质网合成的过程：蛋白质转入内质网合成的过程：信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→SRP脱离→肽链进入内质网→信号肽切除→肽链延伸至终止。 这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为co-translation。nullInsertion of Transmembrane protein into the ER membrane（二）蛋白质的修饰与加工（二）蛋白质的修饰与加工包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，几乎所有内质网上合成的蛋白最终都被糖基化。 糖基化的作用： ①使蛋白质能够抵抗消化酶的作用； ②赋予蛋白质传导信号的功能； ③某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。null糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种： N-连接的糖基化：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。 O-连接的糖基化：与Ser、Thr和Hyp的OH连接，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行。null内质网上进行N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖，如GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺。 糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇分子上，装配成寡糖链。 再被寡糖转移酶转到Asn-X-Ser或Asn-X-Thr的Asn上。 nullProtein glycosylation in RERnullProtein glycosylation in RERnullProtein glycosylation in RER（三）新生肽链的折叠、组装和运输（三）新生肽链的折叠、组装和运输蛋白的折叠在hsp70家族的ATP酶的作用下完成 。 无法正确折叠的蛋白被转入溶酶体降解，约90%的新合成T细胞受体亚单位和Ach受体都被降解，而从未到达靶膜。 COP II介导由ER输出的膜泡运输。（四）内质网的其它作用（四）内质网的其它作用合成磷脂、胆固醇等。 解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。 参与甾体类激素的合成。 使葡糖6-磷酸水解，释放糖至血液中。 储存钙离子，作为胞内信号物质，如肌质网。 提供酶附着的位点和机械支撑作用。第四节 高尔基体第四节 高尔基体发现于1855年，1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。一、形态与组成一、形态与组成由扁平囊泡堆积而成，有极性。通常4~8个(某些藻类较多)扁平囊在一起，构成Golgi stack。 分布于ER与细胞膜间，呈弓形或半球形。 凸出的一面对着ER称为顺面（cis face），凹进的一面对着质膜称为反面（trans face）。nullStructure of the Golgi ComplexnullDistribution，nucleus green，Golgi body rednull膜含有约60%的蛋白和40%的脂类，具有一些和ER共同的蛋白成分。 主要的酶有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等。 标志酶为糖基转移酶。二、功能区隔二、功能区隔cis Golgi network，CGN是入口区域。 medial Golgi，多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成发生于此处。 trans Golgi network，TGN是出口区域，参与蛋白质的分类与包装，最后输出。 nullGolgi networknull高尔基体不同区域的细胞化学反应： ①嗜锇反应：cis面膜囊被特异地染色； ②TPP酶：trans面的膜囊； ③NADP酶：显示中间的膜囊； ④CMP酶：trans面的囊状和管状结构。三、主要功能三、主要功能1、参与细胞分泌活动：RER合成Pr→ER腔→COPII小泡→CGN→medial Gdgi加工→TGN区形成运输泡→与质膜融合、排出。 高尔基体依据信号序列或信号斑对蛋白质分类。 2、O-连接的糖基化：糖的供体为核苷糖。null3、进行膜的转化功能：ER合成膜脂转移至高尔基体，经过修饰和加工，形成运输泡与质膜融合。 4、将蛋白水解为活性物质：如将胰岛素C端切除；或将神经肽前体降解为活性片段。 5、参与形成溶酶体。 6、植物细胞壁的形成，合成纤维素和果胶质。第五节 溶酶体与过氧化物酶体第五节 溶酶体与过氧化物酶体Lysosome为de Duve与Novikoff 1955年发现。Peroxisome由Rhodin 1954在鼠肾小管上皮细胞中发现。 一、溶酶体的结构一、溶酶体的结构含酸性水解酶（最适pH=5），执行细胞内消化。 具有异质性，酸性磷酸酶是标志酶。 膜有质子泵，溶酶体内pH值低。 膜蛋白高度糖基化。null1、初级溶酶体（primary lysosome） 由高尔基体分泌形成，含多种酸性水解酶。null2、次级溶酶体（secondary lysosome） 是正在进行或完成消化作用的溶酶体，分为自噬溶酶体和异噬溶酶体。 3、残体（residual body） 又称后溶酶体（post-lysosome），已失去酶活性，仅留未消化的残渣，故名。可排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质。nullSecondary lysosomenull肝细胞脂褐质二、溶酶体的功能二、溶酶体的功能细胞内消化：如从LDL释放胆固醇，单细胞真核生物籍其消化食物。 自体吞噬：清除无用生物大分子，衰老细胞、细胞器、个体发育中多余的细胞。 防御作用：如巨噬细胞。 参与分泌过程的调节：如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。 形成精子的顶体。 null三、溶酶体的发生三、溶酶体的发生在高尔基体的trans面以出芽的方式形成： 前溶酶体蛋白→N-连接的糖基化→高尔基体→磷酸转移酶识别信号斑→将N-乙酰葡糖胺磷酸转移在1~2个甘露糖残基上→在中间膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配体→与trans膜囊上M6P受体结合→通过clathrin衣被包装成运输小泡→与晚期的内体融合，受体解离→切除甘露糖残基上的磷酸 。nullThe recognition of a lysosomal hydrolase in Golgi and mannose phosphorylation nullTransport of newly synthesized hydrolases to lysosomes四、溶酶体与疾病四、溶酶体与疾病矽肺：二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，导致吞噬细胞溶酶体破裂。激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。 肺结核：结核杆菌引起肺组织钙化和纤维化。 类风湿性关节炎：溶酶体膜易脆裂。null3．各类贮积症 台-萨氏综合症：缺少氨基已糖酯酶A。 II型糖原累积病：缺乏α-1,4-葡萄糖苷酶。 Gaucher病：缺乏β- 葡萄糖苷酶。 细胞内含物病：N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变。null台-萨氏综合症溶酶体的同心圆结构五、过氧化物酶体五、过氧化物酶体Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。 具有异质性，由单层膜围绕而成。 特点：含过氧化氢酶（标志酶）和一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶，已发现40多种氧化酶。酶特点是将底物氧化后生成过氧化氢，而过氧化氢酶又利用H2O2去氧化其它底物。 RH2+O2→R+H2O2nullPeroxisome of hepatocytenull烟草叶肉细胞的过氧化物酶体（中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心） null在动物中： ①参与脂肪酸的β-氧化； ②具有解毒作用，过氧化氢酶氧化有害物质，饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。 在植物中：①参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，②在萌发的种子中，进行脂肪的β-氧化。null酶由核基因编码，在细胞质基质中合成，信号序列为-Ser-Lys-Leu-COO-。 膜脂在内质网上合成，通过磷脂转移蛋白PTP转移而来。 已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞。nullZellweger综合征： 也叫脑肝肾综合征； 患者细胞的过氧化物酶体中，酶蛋白输入有关的蛋白质变异，酶体是“空的”； 脑、肝、肾异常，出生3-6个月后死亡。