医学细胞生物学 第三章细胞质

第三章细胞质第一节细胞质基质(Cytoplsmicmatrix)第二节核糖核蛋白体(Ribosome)第三节蛋白酶体(Proteasome)第四节泛素相关小修饰蛋白1细胞质基质有称为细胞液或胞质溶胶细胞质中除去可分辨的有形结构以外的胶状物质。属细胞质的可流动部分，含有多种蛋白和酶以及参与生化反应的因子。是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质体积的一半以上。第一节细胞质基质(Cytoplasmicmatrix)2第一节细胞质基质(Cytoplasmicmatrix)一、细胞质基质的化学组成小分子：水、无机盐等；中等分子：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸等；大分子：蛋白质、RNA、多糖等。3第一节细胞质基质(Cytoplasmicmatrix)一、细胞质基质的功能许多中间代谢过程都在细胞质基质中进行糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原的合成与分解；蛋白质的合成与脂肪酸的合成；蛋白质的修饰、蛋白质的选择性降解等。与细胞质骨架密切相关细胞质骨架是细胞质基质结构体系的组织者，为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点。4核糖体是由核糖体RNA(rRNA)和蛋白质组成的颗粒状结构。核糖体普遍存在于所有原核细胞和真核细胞(除成熟的红细胞外)的细胞质内，真核细胞的线粒体和叶绿体也含有自己的核糖体。核糖体是蛋白质合成的场所。第二节核糖核蛋白体(Ribosome)5核糖体在生物体内含有两种类型：原核细胞含有70S的核糖体；小亚基为30S，是由16SrRNA和21种蛋白质组成大亚基为50S，由23SrRNA、5SrRNA和31种蛋白质组成。真核细胞为80S的核糖体。在真核细胞线粒体内的核糖体近于70S。小亚基为40S，由18SrRNA和33种蛋白质组成大亚基为60S，由28SrRNA、5.8SrRNA和5SrRNA及49种蛋白质组成一、核糖体的基本类型与化学组成6原核细胞真核细胞7核糖体的化学组成主要是RNA和蛋白质。核糖体的RNA称为rRNA，蛋白质称为r蛋白质。编码rRNA的基因称rDNA。一、核糖体的类型与化学组成8在电镜下，核糖体是一种电子密度较高的圆形或椭圆形致密小颗粒，直径15～30nm。每个核糖体由大、小两个亚基组成。二、核糖体的形态结构9大亚基侧面观略呈圆锥形，在一侧伸出三个突起，称为中央突、柄和嵴。中央突柄嵴谷大亚基二、核糖体的形态结构10小亚基侧面观呈弧形，可分为头、基部和平台三部分组成。头部基部平台小亚基二、核糖体的形态结构11大、小亚基结合时，二者凹陷的部位相互对应，故在结合面上形成一个空隙，可以允许一条mRNA分子通过。二、核糖体的形态结构mRNA12在大亚基中央有一与其底面相互垂直的中央管。在蛋白质合成时，新合成的多肽链经中央管释放出来，以保护多肽链不受蛋白水解酶的分解。二、核糖体的形态结构Themodelderivedfromanelectronmicroscopicreconstruction,showsayeastribosomewiththeproteintranslocatoroftheendoplasmicreticulumattached.Theholeinthecenterofthetranslocatorlinesuppreciselywiththeendofthetunnelinthelargeribosomalsubunitthroughwhichthenewlysynthesizedpolypeptidechain,shownasthestringofbeads,exitstheribosome.Thisisbestseeninthiscrosssection,inwhichthefronthalfoftheribosomeisremovedfromthemodel.13三、核糖体与蛋白质合成核糖体的主要活性部位：与mRAN结合的位点：位于核糖体的小亚基上；与tRNA结合的位点：包括A位：氨酰-tRNA结合位点(Aminoacylsite，A位或受位）P位：肽酰-tRNA结合位点(Peptidylsite，P位或供位）E位：释放的tRNA结合位点(Exitsite，E位)；肽酰转移酶的催化位点：在肽链延长时，具有催化进入核糖体的氨基酸之间形成肽键的作用；GTP酶活性位点：为肽酰-tRNA由A位转至P位提供能量。14

A位：氨基酰位(Aminoacylsite)P位：肽酰位(Peptidylsite)E位：排出位(Exitsite)三、核糖体与蛋白质合成15多聚核糖核蛋白体：在细胞内合成蛋白质时，核糖体是由多个甚至几十个串连在一条mRNA分子上，形成蛋白质合成的功能单位，即多聚核糖核蛋白体

(Polyribosome或Polysome)，可同时合成多条同种多肽链，大大提高了蛋白质合成的效率。三、核糖体与蛋白质合成16蛋白质的合成过程17细胞内蛋白质的降解是一个高度复杂、精密调控的系统，该系统控制着细胞内某些蛋白质的水平，在细胞的生命和死亡过程中起着重要作用。细胞内蛋白质的寿命长短相差悬殊，短的只要几分钟，长的与机体的寿命等长。蛋白质的寿命主要由其降解来控制。第三节蛋白酶体(Proteasome)18溶酶体内降解过程不依赖ATP利用组织蛋白酶降解外源性蛋白质；胞质内老化或有缺陷的细胞器中的蛋白质。泛素-蛋白酶体途径(Ubiquitin-proteasomepathway，UPP)依赖ATP降解异常蛋白短寿命蛋白靶蛋白蛋白酶体泛素第三节蛋白酶体(Proteasome)真核生物中蛋白质的降解有两条途径：19蛋白酶体是一个26S的多亚单位蛋白酶复合体，呈中空、圆桶状，由20S催化亚单位和19S调节亚单位两大部分组成。蛋白酶体对蛋白质的降解是与其周围环境隔离的。降解的蛋白质主要包括两大类:一类是错误折叠或异常的蛋白质；另一类是需要进行数量调控的蛋白质。降解过程需要ATP，由泛素分子与蛋白酶体共同完成对靶蛋白的降解。第三节蛋白酶体(Proteasome)20蛋白酶体——2004年诺贝尔化学奖阿龙·切哈诺沃阿弗拉姆·赫尔什科欧文·罗斯泛素－蛋白酶体途径不仅是破坏异常的或不需要的靶蛋白的重要机制之一，而且是调节多种重要生命活动的关键机制。

第三节蛋白酶体(Proteasome)21存在部位：存在于真核细胞中的细胞质和细胞核；大小：26S，故又称为26S蛋白酶体。组成：由一个20S核心颗粒(CoreParticle,CP)和1-2个19S调节颗粒(RegulatorParticle,RP)组成。一、蛋白酶体的结构20S蛋白酶体

(核心颗粒CP)19S帽(调节颗粒RP)19S帽(调节颗粒RP)22(一)20S蛋白酶体核心颗粒的沉降系数为20S，又称20S蛋白酶体，是26S蛋白酶体的催化核心。20S蛋白酶由4个环组成，每个环有7个亚单位。中间是两个亚单位环；两侧是两个亚单位环；真核生物中，、亚单位同源性很高但又各不相同，而原核生物则7个和7个亚单位完全相同。20S蛋白酶体由旋转方向相反的环形成的结构。

23亚单位环组成一个直径为5nm的中心腔(Centralcavity,CC)，腔内侧存在催化活性位点。和亚单位构成外腔(Antechamber,AC)。亚单位环形成一个直径约1.3nm的入口，控制底物和产物的进出，仅允许解折叠的多肽通过。活性部位26S蛋白酶体

(一)20S蛋白酶体CCACAC24控制被降解底物进入蛋白酶体α环中央口被α亚单位N末端肽链所占据，使外侧的α环完全关闭，防止细胞内不应被水解的蛋白质进入圆筒状结构内部与酶的催化部位相接触而遭到水解破坏。α3亚单位控制α环的关闭，与其它α亚单位的N末端相互作用。α环的7个亚单位均无催化活性，但它们可提供不同调节亚单位复合体（19S或11S复合体等）的锚定位点。α亚单位含核定位信号，可标定蛋白酶体进入核内。允许降解产物出蛋白酶体1.α亚单位25真核生物中，20S蛋白酶体的β亚单位环上各有3个活性位点(b5/K33，b2/D17，b1/T1)，共6个活性位点。3个活性β-亚单位以前体形式存在，经自身剪切，使活性中心的苏氨酸残基暴露于成熟亚单位的N-端。β亚单位环上3个活性位点分别对蛋白质的疏水性、碱性、酸性氨基酸残基的羧基端进行水解，即分别具有糜蛋白酶样（chymotrypsin-like）活性胰蛋白酶样（trypsin-like）活性肽－谷氨酰－肽水解(peptidylglutamyl-peptidehydrolysing，PGPH)活性。2.β亚单位26b5/K33疏水性-aa糜蛋白酶样活性b2/D17碱性-aa胰蛋白酶样活性b1/T1

酸性-aa肽－谷氨酰－肽水解活性β亚单位活性位点靶蛋白水解部位酶活性2.β亚单位27(二)19S调节颗粒位于20S蛋白酶体的一端或两端。由17个不同的亚单位构成，这些亚单位又分为两部分：盖部(Lidsubcomplex)基底部(Basesubcomplex)281.19S调节颗粒基底部基底部含有:6个属于AAA家族的ATPase亚单位，Rpt1-6(Rpt，regulatoryparticleATPase)；2个非ATPase亚单位，Rpn1、2(Rpn，regulatoryparticlenon-ATPase)。29盖部由9个Rpn亚单位构成。Rpn11亚单位具有去泛素化作用，可水解多聚泛素链，使泛素从Ub－蛋白质上释放出来。Rpn10连接基底部和盖部以及19S复合体中其它的亚单位。2.19S调节颗粒盖部30参与靶蛋白的识别：识别泛素化的蛋白质：作为多泛素链的特异性受体(Rpn10、Rpt5)；打开α环口：ATP水解供能底物蛋白质的解折叠并发生变性；α环口打开，将底物送入蛋白酶体。3.19S复合体功能19S复合体对20S蛋白酶体的活性至关重要。如无19S复合体，则20S蛋白酶体不能降解泛素化蛋白质。31去泛素化作用连接基底部和盖部参与靶蛋白的识别3233(一)泛素－蛋白酶体系统对靶蛋白的选择(二)靶蛋白的泛素化(三)蛋白酶体对泛素化蛋白质的降解(四)去泛素化(五)靶蛋白的降解调控二、泛素－蛋白酶体系统对蛋白质的降解34N端原则(N-endrule)：每一种蛋白质都有寿命特征,称为半衰期(half-life)。蛋白质的半衰期与多肽链N端特异的氨基酸有关，它们对蛋白质的寿命有控制作用。N端为蛋氨酸或缬氨酸的多肽，寿命就长；N端为精氨酸或赖氨酸的多肽，寿命就很短。

蛋白质N端与半衰期的关系，称为N端规则。(一)泛素－蛋白酶体系统对靶蛋白的选择35蛋白质半寿期与N末端氨基酸序列的关系N端氨基酸残基半寿期（t1/2）稳定的氨基酸残基Met，Gly，Ala，Ser，Thr，Val>20h不稳定的氨基酸残基Ile，Gln~30minTyr，Glu~10minPro~7min

Leu，Phe，Asp，Lys~3min

Arg~2min(一)泛素－蛋白酶体系统对靶蛋白的选择362.降解信号：某些氨基酸序列作为：例如周期蛋白破坏框(Destructionbox)Arg-X-X-Leu-Gly-X-Ile-Gly-Asp/AsnPEST序列Pro-Glu-Ser-Thr(一)泛素－蛋白酶体系统对靶蛋白的选择37383.疏水核心信号：埋藏在蛋白质疏水核心中的信号：当发生变性、非正常折叠、被氧化或其它非正常修饰时，则可暴露在分子表面，从而被泛素蛋白连接酶E3作为降解信号识别。(一)泛素－蛋白酶体系统对靶蛋白的选择391.泛素(Ubiquitin,Ub)一种普遍存在于真核细胞中的小分子蛋白质，由76个氨基酸残基组成。泛素分子结构高度保守。酵母和人类的泛素分子仅有3个氨基酸残基的差异。X线衍射分析，泛素呈紧密的球状结构，包括4个β片层和1个α螺旋，共形成三个半转角。(二)靶蛋白的泛素化40泛素是一种热稳定蛋白质，通过共价键与其它蛋白质相结合。泛素羧基端的Gly76与蛋白质(或下一个泛素分子)的Lys-氨基共价连接，形成异肽键(-isopeptidebond)，由ATP供能。一个泛素分子有7个Lys残基(K6，K11，K27，K29，K33，K48

和K63)；一旦有泛素分子连接到靶蛋白上，下一个泛素分子的羧基端Gly76又可以连接到前一个泛素分子的Lys残基上，形成多聚泛素链。(二)靶蛋白的泛素化41各个泛素分子单体之间连接的位点主要是Lys48，在某些情况下也可能是Lys63、Lys29。只有K48型泛素链和K29型泛素链进入蛋白酶体降解途径。K63连接而成的多聚泛素链主要参与泛素的非蛋白质降解功能，在信号转导、DNA修复等过程中发挥作用。泛素本身并不降解蛋白质，它仅作为一个标签标记需要被降解的靶蛋白。

(二)靶蛋白的泛素化422.蛋白质的泛素化：是一个依赖ATP的酶促反应过程，涉及三种酶，包括三个步骤。泛素活化酶(E1)、泛素结合酶(E2)及泛素蛋白质连接酶(E3)三个步骤E1激活泛素分子；活化的泛素转移到E2上；E3将泛素分子转移到靶蛋白上。(二)靶蛋白的泛素化43(二)靶蛋白的泛素化泛素可以直接从E2转移给靶蛋白形成Ub-蛋白复合物，称为E3非依赖的连接反应。泛素可以通过E3转移给靶蛋白形成Ub-蛋白复合物,称为E3依赖的连接反应。44E1只有一个；E2则包括一个蛋白质家族，哺乳动物的组织中有30多种；E3大约有数百种，在泛素-蛋白酶体途径中，E3在选择靶蛋白的过程中起着关键的作用，因为每一特异E3通常选择性地结合一种靶蛋白使其泛素化。(二)靶蛋白的泛素化45(三)蛋白酶体对泛素化蛋白质的降解蛋白酶体识别多聚泛素化的蛋白质最少含4个G76-K48

异肽键的泛素链。26S蛋白酶体对底物的降解是一种processive方式，没有降解