第七章_真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输

1、第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输(ynsh)共六十二页第一节 细胞质基质的涵义(hn y)与功能一、细胞质基质的涵义二、细胞质基质的功能第二节 细胞内膜系统及其功能一、内质网的形态结构与功能二、高尔基体的形态结构与功能三、溶酶体的形态结构与功能第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输一、信号假说与蛋白质的分选信号二、蛋白质分选的基本途径与类型三、膜泡运输四、细胞结构体系的组装共六十二页 第一节 细胞质基质的涵义(hn y)与功能一、细胞质基质的基本(jbn)涵义 在细胞质中，除去可辨认细胞器以外的胶状物质。A 与中间代谢有关的数千种酶类例如：糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径； 糖原的

2、合成、蛋白质与脂肪合成的重要场所 B 细胞周期、增殖、分化、衰老、凋亡的调控因子 主要成分：蛋白质占总量的2030%，以水化物的形式存在 C 骨架系统（微丝 、微管、中间纤维）:是细胞质机制的组织者D mRNAwzf:在基质中的课题：1、各种复杂的代谢反应是如何有条不紊地进行？ 各个环节之间是如何相互关联、相互制约？2、数以千种的生物大分子和代谢产物又是如何定向装运的？3、调节细胞增殖、分化、衰老、凋亡等重大生命活动的信号转导及其网络的确切途径是什么？共六十二页 细胞质基质(j zh)与胞质溶胶 细胞质基质是由微管、微丝和中间纤维等形成的相互联系的结构体系。其中蛋白质和其他(qt)大分子以凝聚

3、状态或暂时以凝聚状态存在与周围的溶液分子处于动态平衡。是一种由精细区域化的凝胶结构体系，细胞在不同的发育间段和不同的生理状态下，可能有所不同 。作为一个蛋白质是否属于细胞质基质中的结构成分，主要取决于其在生命活动中是结合在细胞骨架上，还是溶解在周围的溶液中。共六十二页 胞质溶胶早期的实验细胞学家和生化学家用差速离心的方法分离细胞匀浆的各组分，获得的上清液称之为胞质溶胶。乳胶小球实验：将乳胶小球用微注射的方法注入非洲爪蟾的卵母细胞中，经一段时间后，取出乳胶小球，分析渗入小球中的蛋白质。结合在细胞质基质中的蛋白质不容易(rngy)渗入乳胶小球。 胞质溶胶与细胞质基质的关系 包涵关系共六十二页细胞质

4、基质的组织结构 1、细胞质基质是一个高度有序的凝胶结构体系，形成精细的区域。 细胞骨架纤维形成复杂的三维纤维网络。多数蛋白直接或间接地与骨架结合或与生物膜结合 2、在细胞质基质结构体系中，蛋白质与蛋白质、蛋白质与其他大分子之间都是通过弱键相互作用的。 3、各组分之间的作用常常处于(chy)动态平衡之中。 细胞质基质所依赖的特殊环境 高蛋白浓度； 特定的离子环境共六十二页中间代谢的过程及其调节（底物与产物的定向转运机制？）控制细胞增殖、分化、衰老、凋亡所依赖的信号转导途径。（如何形成信号网络？ 机制？）蛋白的分选及定向运输由于细胞骨架的组织，使细胞中的成分，在结构功能上形成更为(n wi)精细的

5、区域。实现了细胞质中各功能的区域化。二、细胞质基质(j zh)的功能共六十二页蛋白质的修饰 1、辅基或辅酶与酶的共价结合 2、磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性。 3、糖基化。多数为O-连接的糖基化。 在哺乳动物细胞中把N-乙酰葡糖胺分子加到蛋白质的丝 氨酸的羟基上 。 4、蛋白质N端的甲基化修饰，使蛋白质维持较长的寿命。例如：组蛋白 中间纤维 5、酰基化。 蛋白质与脂肪酸形成脂蛋白。 跨膜蛋白在内质网、高尔基体的转运过程中，暴露在细胞质基质中的结构域被酰基化。 酶与癌基因的产物特异性的识别(shbi)，将脂肪酸链共价结合在特异的蛋白质上。例如：Src、Ras中的脂肪酸链。 共六十

6、二页 降解变性与错误折叠的蛋白(dnbi)和短寿命蛋白(dnbi)质泛素：是一个由76个氨基酸残基构成的小分子蛋白质。泛素的功能：帮助清理细胞中短寿命蛋白和错误折叠的蛋白质；参与细胞周期调控；DNA修复；细胞的程序性死亡。容易降解蛋白质的特征(tzhng)：决定蛋白质寿命的信号是N端第一个氨基酸残基。Met Thr Ser Val Gly Pro Ala Cys，则稳定；之外，则不稳定 降解机制是依赖泛素降解途径：泛素在一系列酶的作用下与靶蛋白结合，使靶蛋白被泛素标记，从而被蛋白酶体水解wzf:依赖泛素化降解蛋白质途径，在19世纪70年代80年代由美国、以色列三位科学家提出，2004年这三位科

7、学家获得诺贝尔化学奖。共六十二页帮助变形或错误折叠的蛋白重新(chngxn)折叠，形成正确的分子构象 利用热休克蛋白（heat shock protein ）Hsp,在消耗ATP的情况下把变性蛋白重新折叠成正确的构象。热休克蛋白有三个家族：25KD、75KD、90KD错变形(bin xng)或错误折叠的蛋白正确的分子构象 HspATPADP共六十二页第二节 细胞(xbo)内膜系统及其功能内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构，主要包括：核膜、内质网、高尔基体及各种小泡和液泡。内膜系统使真核细胞细胞内区域化意 义：内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特

8、点之一，其意义在于：大大增加了细胞内膜的表面积；为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点；酶系统的隔离与连接；蛋白质、糖、脂肪的合成、加工和包装；运输分泌物；扩散屏障(pngzhng)及膜电位建立；离子梯度的维持等。 共六十二页共六十二页 一、内质网的形态结构(jigu)和功能约占细胞膜系统的一半左右，是一个连续的网膜系统根据(gnj)内质网上是否附有核糖体，分为两类：糙面内质网（RER)和光面内质网（SER) RER：呈扁囊状，主要功能是合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白，其膜上有一种称为“易位子”的蛋白复合体，可能与新合成的多肽进入内质网有关 SER：呈分支管状，是脂质合成的重要场所，往往也

9、作为出芽的位点，将内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体内 内质网对外界因素的作用非常敏感共六十二页共六十二页内质网的功能(gngnng)1、蛋白质的合成 所有蛋白(dnbi)的合成都起始于细胞质基质中，但有些蛋白(dnbi)合成不久便转移到内质网膜上，继续合成，并进入内质网腔。如胞外分泌蛋白(dnbi)、膜的整合蛋白(dnbi)、构成细胞器中的可溶性驻留蛋白(dnbi)2、脂质合成 合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱 转位酶：帮助合成的磷脂转位到内质网腔 合成的磷脂向其他膜转运有两种途径：出芽、磷脂转换蛋白（PEP）共六十二页3、蛋白质的

10、修饰与加工 糖基化修饰：寡糖链连接在内质网腔面膜内的磷酸多萜醇上，在糖基转移酶的作用下，转移到相应的天冬酰胺残基上，称为N连接的糖基化；少数糖基化发生在Ser或Thr残基上，称为O连接的糖基化 酰基化：发生在内质网的胞质侧，通常是软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上4、新生多肽的折叠和装配(zhungpi) 错配蛋白通过Sec61p复合体转运到细胞质基质，并被蛋白酶体降解 内质网腔是非还原性环境，易形成二硫键，蛋白二硫键异构酶（PDI)帮助新合成蛋白正确折叠 Bip蛋白：进化保守的一类热休克蛋白，协助蛋白折叠。可与钙离子结合，固定在内质网膜上 蛋白二硫键异构酶和Bip蛋白都具有4肽信号（K

11、DEL或HDEL），以保证它们以高浓度滞留在内质网中共六十二页5、其他功能 解毒功能：肝细胞SER丰富，含有一些酶类，如细胞色素P450家族酶系，能清除脂溶性的废物和代谢产生的有害物质 钙储存功能：肌质网，与肌肉收缩有关；另对运输小泡的形成也有重要的调节作用 为细胞质基质中的很多蛋白提供附着位点 内质网的扁囊和管道可能(knng)还有储存与运输物质的功能，在能量与信号传递、细胞的支持和运动方面可能(knng)具有一定的作用共六十二页内质网与基因表达(biod)的调控三种不同的内质网细胞核信号转导途径：1、内质网腔内未折叠蛋白的超量积累2、折叠好的膜蛋白的超量积累3、内质网膜上膜脂成分的变化(b

12、inhu)主要是固醇缺乏共六十二页 二、高尔基复合体的形态(xngti)结构与功能 1898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。 20世纪(shj)50年代以 后才正确认识它 的存在和结构。共六十二页 （一）、形态(xngti)与组成 是由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。 常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形。 凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面（cis face）。凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面(fnmin)（trans face）。顺面和反面(fnmin)都有一些或大或小的运输小泡。 扁平囊直径约1um，中间为囊腔，

13、周缘多呈泡状，48个扁平囊在一起(某些藻类可达一二十个)，构成高尔基体的主体(Golgi stack)。共六十二页1. 高尔基体顺面的网络结构（CGN），是高尔基体的入口区域，接受来自内质网新合成的物质(wzh)。蛋白丝氨酸残基的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、日冕病毒的装配等2. 高尔基体中间膜囊（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均发生于此处。3. 高尔基体反面的网络结构（TGN）， 是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN中 （二）、功能区隔共六十二页高尔基体各部

14、分膜囊具有不同的细胞化学反应： 嗜锇反应：cis面膜囊被特异(ty)地染色； 焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)：可特异显示高尔基体的trans面的12层膜囊； 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)：可显示高尔基体中间几层扁平囊； 胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)：可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶。 高尔基体的各种标志反应不仅有助于对高尔基体结构与功能的深入了解，而且可以用来更准确地鉴别高尔基体的极性共六十二页 （三）、主要(zhyo)功能1、参与细胞分泌活动 RER上合成蛋白质进入ER腔COPII运输泡进入CGN在medial Gdgi中加工在TGN形成运输泡

15、运输与质膜融合(rngh)、排出。 高尔基体对蛋白质的分类与糖修饰有关，也和蛋白质上的信号肽或信号斑有关。2、蛋白质的糖基化及其修饰糖基化的作用： 为蛋白质打上不同的“烙印”； 增加了蛋白质的稳定性； 使蛋白质在成熟中折叠成正确的构象； 影响蛋白质的水溶性，及蛋白质所带电荷的的性质共六十二页糖基化的特点： “深加工” O-连接的糖基化多在高尔基体中完成。 发生特定的、有序的、复杂的糖基化修饰。完成复杂糖基化的机制： 固定在间隔(jin g)内壁上的一套排列有序的酶类，依次进行道道加工，前一个反应的产物又作为下一个反应的底物。糖蛋白的加工过程：蛋白聚糖的合成(hchng)与装配在植物细胞中，高尔

16、基体中有合成初生壁的数百种酶。糖脂糖侧链的合成与加工糖单体以核苷糖的形式，通过反向协同运输的方式，从细胞质基质中进入高尔基体中。共六十二页3、进行膜的转化功能 内质网上合成的新膜脂转移至高尔基体后，经过修饰和加工(ji gng)，形成运输泡与质膜融合。4、将蛋白水解为活性物质将前体蛋白的N端或两端的序列水解。 例如：胰岛素、血清白蛋白、胰高糖素； 蛋白质前体中含有不同的信号序列，形成不同的产物；同一前体在不同的细胞中，以不同的方式加工。 蛋白质在内质网上合成时，形成多个具有相同氨基酸序列的前体蛋白，水解后形成相同的活性蛋白。 例如：神经肽、谷胱甘肽、脑啡肽、催产素、升压素共六十二页（四）、高尔

17、基体与细胞(xbo)内的膜泡运输共六十二页 三、溶酶体的形态结构(jigu)与功能（一）、溶酶体的结构 溶酶体（lysosome）为C. de Duve与B. Novikoff 1955年首次发现。 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(jnxng)细胞内消化。 具有异质性，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同。酸性磷酸酶是标志酶。 膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低。 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解共六十二页1、初级溶酶体（primary lysosome） 约0.20.5um，有多种酸性水解酶，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶

18、等60余种，反应(fnyng)的最适PH值为5左右。共六十二页2、次级溶酶体（secondary lysosome） 是正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含(ni hn)水解酶和相应的底物，可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。残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质共六十二页（二）、溶酶体的功能(gngnng)1. 细胞内消化：如高等动物内吞低密脂蛋白获得胆固醇，单细胞真核生物利用溶酶体的消化食物。2. 自体吞噬：清除无用的生物大分子

19、，衰老细胞、细胞器、个体发育中多余的细胞。许多生物大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命(pn jn shu mn)约10天左右。台萨氏病3. 防御作用：如巨噬细胞杀死病原体。4. 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。5. 形成精子的顶体。共六十二页 初级溶酶体是在高尔基体的trans面以出芽的形式形成，形成过程： 内质网上核糖体合成溶酶体蛋白进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰进入高尔基体cis面膜囊磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑将乙酰葡糖胺磷酸转移在12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膜囊上的受体结合(jih

20、)通过clathrin衣被包装成初级溶酶体。（三）、溶酶体的发生(fshng)共六十二页共六十二页共六十二页（四）、溶酶体与疾病1. 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，水解酶释放，细胞崩解，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。2. 肺结核：结核杆菌不产生内、外毒素, 也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗溶酶体的杀伤作用,使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖(fnzh), 导致巨噬细胞裂解,释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，引起肺组织钙化和纤维化。3. 类风湿性关节炎：溶酶体膜很易脆

21、裂。共六十二页4各类贮积症台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：溶酶体缺少氨基(nj)已糖酯酶A，导致神经节甘脂GM2积累。细胞内含物病（inclusion-cell disease）：N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变。高尔基体中加工的溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，底物在溶酶体中贮积，形成“包涵体”。共六十二页 四、过氧化物(u yn hu w)酶体 Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。 是一种具有异质性的细胞器。直径通常0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。 特点：含过氧化氢酶（标志(biozh)酶）

22、和一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶，已发现40多种氧化酶，各类氧化酶的共性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+O2R+H2O2 2H2O+O2共六十二页1. 在动物(dngw)中： 参与脂肪酸的-氧化； 具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。2. 在植物中：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，在萌发的种子中，进行脂肪的-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体。共六十二页

23、微体中所有的酶都由核基因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导(yndo)下，进入过氧化物酶体。 引导蛋白质进入微体的信号序列是-Ser-Lys-Leu-COO-。膜脂在内质网上合成后，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。再进行进一步的装配。共六十二页 第三节、细胞(xbo)内蛋白质的分选与膜泡运输 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(bohn)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

24、）。共六十二页一、信号假说与蛋白质分选信号 信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些在完成蛋白质的定向(dn xin)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，每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。 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共六十二页共六十二页共六十二页共六十二页共六十二页信号肽与共转移(zhuny) 起始转移(zhuny)序列和终止转移(zhuny)序列 起始

25、转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数 共六十二页共六十二页共六十二页二、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(jnr)目的地。如细胞质中合成的蛋白质通过线粒体上的转位因子（translocator）进入(jnr)线粒体。 3、膜泡运输（vesicular transport）：被运输的物质在内质网或高尔基体中加工成衣被小泡，选择性地运输到靶细胞器。 4、蛋白质基质中的蛋白质转运共六十二页 细胞内膜系统之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。各类

26、运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要取决于膜的表面识别特征。 大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被(y bi)（coat）。这种衣被(y bi)在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。 胞内膜泡运输(ynsh)共六十二页衣被小泡在细胞内沿微管运输。 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(qy)。 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。共六十二页一、衣被类型 已知三类：1. 网格蛋白（clathrin）2. C

27、OPI3. COPII 主要作用：1. 选择性的将特定蛋白聚集(jj)在一起，形成运输小泡；2. 如同模具一样决定运输小泡的外部特征。共六十二页三种(sn zhn)衣被小泡的功能共六十二页（一）COP衣被小泡 介导从内质网到高尔基体的物质运输。 由多种蛋白质构成(guchng)，Sar1GTP酶与Sec23/Sec24复合体结合在一起，Sec13/Sec31复合体覆盖在外层。 衣被小泡形成的部位，称为内质网出口，该处没有核糖体。 分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样，有些包含双酸性基序DEXDE ，如Asp-X-Glu序列。共六十二页（二）COP I衣被小泡 功能： 负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网，由7种蛋白组成。 回收信