细胞生物学细胞内功能区隔与蛋白质分选

细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

蛋白质分选的基本原理细胞内合成的蛋白质、脂类等物质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（signalsequence）。其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sortingreceptor）。现在是1页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

蛋白质分选信号①信号序列（signalsequence）：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转移后被信号肽酶（signalpeptidase）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。②信号斑（signalpatch）：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。现在是2页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

signalsequenceandsignalpatch现在是3页\一共有69页\编辑于星期三现在是4页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

蛋白质分选运输机制1、门控运输（gatedtransport）：如通过核孔复合体的运输。2、跨膜运输（transmembranetransport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质通过线粒体上的转位因子（translocator）进入线粒体。3、膜泡运输（vesiculartransport）：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。现在是5页\一共有69页\编辑于星期三现在是6页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

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。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。现在是7页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

衣被类型类型：笼形蛋白（clathrin）COPICOPII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。现在是8页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

衣被类型GTP酶组成与衔接蛋白运输方向clathrinARFClathrin重链与轻链，AP2质膜→内体Clathrin重链与轻链，AP1高尔基体→内体Clathrin重链与轻链，AP3高尔基体→溶酶体，植物液泡COPIARFCOPαββ’γδεζ高尔基体→内质网COPIISar1Sec23/Sec24复合体，Sec13/31复合体，Sec16内质网→高尔基体现在是9页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

笼形蛋白衣被小泡相关运输途径：质膜→内体，高尔基体→内体，高尔基体→溶酶体、植物液泡。结构：由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼子。衔接蛋白(adaptin)：介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4种，分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。现在是10页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

Clathrincoatedvesicles现在是11页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

Selectivetransportbyclathrincoatedvesicles现在是12页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断（pinchoff）衣被小泡。现在是13页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

COPI衣被小泡功能：负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escapedproteins）返回内质网，由7种蛋白组成。回收信号：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号Lys-Lys-X-X。COPI还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。现在是14页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

CopIVesicles现在是15页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

CopIandIIVesicles现在是16页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）现在是17页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

COPⅡ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，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（exitsites），该处没有核糖体。大多数跨膜蛋白是直接结合在COPII衣被上，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COPII衣被结合。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[DE]X[DE]，如Asp-X-Glu序列。现在是18页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

衣被形成衣被是在一类叫作衣被召集GTP酶（coat-recruitmentGTPase）作用下形成的，为单体GTP酶（monomericGTPase），即G蛋白。调节因子有：鸟苷酸交换因子（guanine-nucleotideexchangefactor,GEF）GTP酶激活蛋白（GTPaseactivatingprotein,GAP）。衣被召集GTP酶包括ARF蛋白和SAR1蛋白。ARF参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COPI衣被的形成。SAR1参与内质网上COPII衣被的形成。现在是19页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

衣被召集GTP酶存在于细胞质中，但处于结合GDP的失活状态。内质网上形成COPII衣被小泡时，SAR1释放GDP，结合GTP而激活。激活的SAR1暴露出一条脂肪酸的尾巴，插入内质网膜，促进衣被蛋白的核化和组装，形成运输小泡。活化的SAR1还可以激活磷脂酶D（phospholipaseD），将一些磷脂水解，使形成衣被的蛋白牢固地结合在膜上。当衣被小泡从膜上释放后，衣被很快就解体。现在是20页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

膜泡运输的定向机制SNAREssolubleNSFattachmentproteinreceptor的作用是介导运输小泡与靶膜的融合。动物细胞中已发现20多种SNAREs，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。v-和t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体（trans-SNAREscomplexes），将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。现在是21页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

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SNAREsinvesicletransport现在是23页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

NSF催化SNAREs的分离，它能利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptorprotein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开，以便开始下一轮的转运。现在是24页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

Rabs也叫targetingGTPase，属于单体GTP酶，已知30余种，不同膜上具有不同的Rabs。Rabs作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。Rabs与衣被召集GTP酶相似，起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中，结合GTP激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNAREs复合体的形成。Rabs还有许多效应因子（effector）。Rabs现在是25页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

Rabsindocking现在是26页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

受体介导的内吞内吞可分为两类，批量内吞（Bulk-phaseendocytosis）和受体介导的内吞(Receptormediatedendocytosis,RME)，批量内吞是非特异性的摄入细胞外物质，细胞表面的内陷（caveolae）是发生非特异性内吞的部位。受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。现在是27页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

衣被小窝（coatedpits）是质膜向内凹陷的部位，相当一个分子过滤器（molecularfilter）。约占肝细胞表面积的2%。受体、笼形蛋白和衔接蛋白大量集中于此处。受体胞质端有一个由4个氨基酸残基组成的序列（Tyr-X-X-Φ），X为任何一种氨基酸，Φ为分子较大的疏水氨基酸，如Phe、Leu、Met等，衔接蛋白对此序列有识别能力。受体同配体结合后启动内化作用，笼形蛋白开始组装。在dynamin的作用下掐断后形成衣被小泡。现在是28页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

Clathrincoatedpitonthecytosolicfaceofacell现在是29页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

低密脂蛋白的吸收：胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白（low-densitylipoproteins，LDL），释放到血液中。LDL颗粒的质量为3X106Da，芯部含有被长链脂肪酸酯化胆固醇分子。周围由磷脂和胆固醇构成的脂单层包围，并且还有一个较大的Apo-B蛋白（配体）。现在是30页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

RecyclingofLDLreceptors现在是31页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

LDLEndocytosis现在是32页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

受体回收途径：①大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如LDL受体；②有些进入溶酶体，在那里被消化，如EGF的受体，称为受体下行调节（receptordown-regulation）；③有些被运至质膜不同的结构域，形成穿胞运输（transcytosis）。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过穿胞运输完成的。现在是33页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

Transcytosis现在是34页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

外排作用组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway）：由高尔基体TGN区分泌囊泡向质膜运输的过程，其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成细胞外基质、或作为营养成分和信号分子。通过defaultpathway完成蛋白质转运过程。调节型外排途径（regulatedexocytosispathway）：分泌物（如激素、或酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。现在是35页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

内质网K.R.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，故名内质网（endoplasmicreticulum，ER）。现在是36页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统。分为粗面型内质网（roughendoplasmicreticulum，RER）和光面型内质网（smoothendoplasmicreticulum，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。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。

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二、化学组成含有磷脂、胆固醇、RNA、蛋白质和酶。

内质网酶及其分布

酶分布酶分布细胞色素P450胞质面和腔面核苷焦磷酸酶胞质面细胞色素b5胞质面GDP-甘露糖转移酶胞质面NADH-细胞色素b5还原酶胞质面核苷二磷酸酶胞质面NADH-细胞色素C还原酶胞质面葡萄糖-6-磷酸酶胞质面ATP酶胞质面β葡萄糖醛酸酶胞质面5‘核苷酸酶胞质面乙酰苯胺-水解脂酶胞质面现在是38页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

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ER的功能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；需要与其它细胞组合严格分开的酶，如溶酶体的各种水解酶；需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。现在是41页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

G.Blobel等1975年提出了信号假说(Signalhypothesis)，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成，因此获1999年诺贝尔生理医学奖。蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分：信号肽（signalpeptide），位于新合成肽链的N端，一般16-30个氨基酸残基，含有6-15个连续排列的带正电荷的非极性氨基酸，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（starttransfersequence）；现在是42页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP），由6种多肽组成，结合一个7SRNA，属于一种RNP(ribonucleoprotein)。能与信号序列结合，导致蛋白质合成暂停。SRP受体（SPRreceptor），内质网膜的整合蛋白，异二聚体，可与SRP特异结合。停止转移序列（stoptransfersequence），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Pr。转位因子（translocator，translocon），由3-4个Sec61蛋白构成的通道，每个Sec61由3条肽链组成。现在是43页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

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信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔→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。现在是45页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

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，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。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。现在是46页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种：O-连接的糖基化（O-linkedglycosylation）：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。N-连接的糖基化（N-linkedglycosylation）：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。内质网上进行N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖，如CMP-唾液酸、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（dolicholphosphate）分子上，装配成寡糖链。再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺残基上。现在是47页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

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新生肽链的折叠、组装和运输COPII介导由内质网输出的膜泡运输，这种膜泡由内质网的排出位点（exitsites）以出芽的方式排出。不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同，这主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间，这一过程是在属于hsp70家族的ATP酶的作用下完成的，需要消耗能量。有些无法完成正确折叠的蛋白质被输出内质网，转入溶酶体中降解掉，大约90%的新合成的T细胞受体亚单位和乙酰胆碱受体都被降解掉，而从未到达靶细胞膜。现在是49页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

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内质网的其它作用合成磷脂、胆固醇等膜脂，合成后以出芽的方式转运至高尔基体，溶酶体和质膜上，或借磷脂转移蛋白（PTP）形成水溶性复合物，转至其他膜上。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，作为细胞内信号物质，如肌质网。提供酶附着的位点和机械支撑作用。现在是51页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

高尔基复合体最早发现于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。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。现在是52页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

高尔基复合体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（formingface）或顺面（cisface）。凹进的一面对着质膜称为成熟面（matureface）或反面（transface）。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡。

扁平囊直径的1um，由两层单位膜构成，膜厚6-7nm，中间形成囊腔，周缘多呈泡状，4-8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。现在是53页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

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高尔基复合体的化学组成脂类成分膜脂种类内质网膜高尔基复合体膜质膜脂类总量30.035.042.0磷脂26.628.529.8鞘磷脂1.33.55.6卵磷脂13.514.614.0磷脂酰乙醇胺6.46.66.9磷脂酰丝氨酸1.31.21.2磷脂酰肌醇2.12.62.1胆固醇1.01.75.2糖脂0.41.52.5酶糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、酰基转移酶、糖苷酶等。现在是55页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

功能区隔高尔基体顺面的网络结构（cisGolginetwork，CGN），是高尔基体的入口区域。高尔基体中间膜囊（medialGolgi），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此处。高尔基体反面的网络结构（transGolginetwork，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。现在是56页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

高尔基体各部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1～2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。

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高尔基复合体的功能1、参与细胞分泌活动负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程是SER上合成蛋白质--进入ER腔→以出芽形成小囊泡→进入CGN→在medialGdgi中加工→在TGN形成大囊泡→囊泡与质膜融合、排出。2、蛋白质的糖基化

O-连接的糖基化主要在高尔基体中进行。在内质网形成的蛋白质具有相同的寡聚糖连。由Cis面进入高尔基体后，在各膜囊之间的转运过程中，发生了一系列有序的加工和修饰，从而形成具有不同功能的蛋白，如质膜上的受体和溶酶体的酶，糖基化的结果使不同的蛋白质打上不同的标记，改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。现在是58页\一共有69页\编辑于星期三细胞生物学—细胞内功能区隔与蛋白质分选

3、进行膜的转化功能

高尔基体的膜无论是厚度还是在化学组成上都处于