第7章细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统

第一节细胞质基质的涵义与功能

Cytoplasmicmatrixanditsfunction

Cytoplasmicmatrix:containingahostoflargeand●Cytoplasm

smallmolecules,cytoskeleton

（细胞质）

Organelles:suchasnucleus,ER,Golgiapparatus,mitochondria,etal●细胞质基质（cytoplasmicmatrix,cytosol）:

真核细胞质

中除去可分辨的细胞器后的胶状物质。Cytosolisaconcentratedaqueousgeloflargeandsmallmolecules,andcytoskeleton.Itisthesiteofmanychemicalreactions,theplaceforthemanufactureofproteins。

当前第1页\共有76页\编于星期五\21点细胞质基质(cytoplasmicmatrix,cytosol)的功能当前第2页\共有76页\编于星期五\21点●Thecytoplasmcontainingorganellesenclosedbysingleinternalmembranes,exceptforthenuclei,mitochondria,andchloroplastsenclosedbytwoconcentricinternalmembranes第二节细胞内膜系统及其功能Internalmembraneanditsfunction当前第3页\共有76页\编于星期五\21点当前第4页\共有76页\编于星期五\21点InternalmembranescreateintracellularcompartmentswithdifferentfunctionsThemainfunctionsofthemembrane-enclosedcompartmentsofaeucaryoticcell当前第5页\共有76页\编于星期五\21点Relativecellularvolumesofthemajormembranousorganelles当前第6页\共有76页\编于星期五\21点

◆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endoplasmicreticulum，ER。内质网（endoplasmicreticulum,ER）当前第7页\共有76页\编于星期五\21点内质网的形态结构当前第8页\共有76页\编于星期五\21点TheERisanetworkofmembranesheets&tubules当前第9页\共有76页\编于星期五\21点内质网(endoplasmicreticulum)的功能当前第10页\共有76页\编于星期五\21点■根据是否附有核糖体（ribosome）内质网分为:●糙面内质网（roughendoplasmicreticulum,rER）:

合成分泌性蛋白质（包括膜蛋白）

●光面内质网（smoothendoplasmicreticulum,sER）:

合成脂类■糙面内质网上合成的蛋白质主要去向有：

●分泌到细胞外，如抗体和激素等

●运输到细胞膜，如膜整合蛋白

●运输到溶酶体，如溶酶体的各种水解酶内质网(endoplasmicreticulum)的功能当前第11页\共有76页\编于星期五\21点蛋白质的修饰（modification）与加工（processing）●Most(orall)proteinsarecovalentlymodifiedintheER1.Formationofdisulfidebonds(二硫键)betweencysteine(半光氨酸)residuesofthesamepolypeptide(intra-molecular)ordifferentpolypeptides(inter-molecular)

2.Additionofshortoligosaccharide(寡糖)sidechains--glycosylation(糖基化)当前第12页\共有76页\编于星期五\21点●糖基化(glycosylation)：发生在ER腔面，是在糖基转移酶(glycosyltransferase)作用下进行的,糖基一般连接在4种氨基酸上，分为：◆N-连接的糖基化(N-linkedglycosylation)：与天冬酰胺残基(Asn)的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。◆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

●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。蛋白质的修饰（modification）与加工（processing）当前第13页\共有76页\编于星期五\21点◆新生肽的折叠与组装蛋白质折叠是在hsp70家族的ATP酶的作用下完成的结合蛋白（bindingprotein,BIP,chaperone)识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配无法正确折叠的蛋白质被转入溶酶体而降解，约90%新合成的T细胞受体亚单位被降解而从未到达靶膜。蛋白质的修饰（modification）与加工（processing）当前第14页\共有76页\编于星期五\21点脂质的合成（光面内质网，sER）当前第15页\共有76页\编于星期五\21点内质网的其它功能合成磷脂、胆固醇等，经膜泡运输转运至高尔基体、质膜等，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。当前第16页\共有76页\编于星期五\21点内质网(endoplasmicreticulum)的化学组成17当前第17页\共有76页\编于星期五\21点

高尔基复合体（Golgicomplex,GC）当前第18页\共有76页\编于星期五\21点高尔基复合体的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，构成高尔基体的主体(Golgistack)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（cisface），凹进的一面对着质膜称为反面（transface）当前第19页\共有76页\编于星期五\21点ThGolgiapparatusismadeofstacked,flattenedmembranes当前第20页\共有76页\编于星期五\21点●高尔基体的极性●化学组成(glycosyltransferase)当前第21页\共有76页\编于星期五\21点TheGolgicomplexisapolarorganelleTheGolgiisapolarorganelle.Thatmeansthatproteinsenteratonesideorfaceandexitattheother.Theentryfaceiscalledthecisfaceandtheexitfaceiscalledthetransface.TheGolgitypicallyhasthefollowingcompartments当前第22页\共有76页\编于星期五\21点高尔基体的功能区隔1.cisGolginetwork，CGN是入口区域。2.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。3.transGolginetwork，TGN是出口区域，参与蛋白质的分类与包装，最后输出。当前第23页\共有76页\编于星期五\21点Golginetwork当前第24页\共有76页\编于星期五\21点TraffictoandfromtheGolgicomplexProteinsthatarenotERresidentarepackagedintovesiclesandsenttothecisfaceoftheGolgi当前第25页\共有76页\编于星期五\21点ThetripfromERtoGolgiistheinitialstepinfurtherprogressionthroughthesecretorypathway当前第26页\共有76页\编于星期五\21点ProteinsarefurthermodifiedintheGolgiapparatusProteinsentertheGolgiviavesiclefusionwiththecisfaceandpassthroughtheGolgibetweensuccessivestacksbytransportvesiclesOligosaccharidechainsaddedintheERaremodifiedbyenzymesintheGolgi-additionandremovalofsugarstomakecomplexoligosaccharidesReactionsareprocessive-early-actingenzymesintheciscompartments,lateactingenzymesinthetranscompartments当前第27页\共有76页\编于星期五\21点Post-translationalModificationintheGolgiBiochemicalfunctionsoftheGolgi

GlycosylationModificationofexistingN-linkedsugarsO-linkedglycosylationProductionofproteoglycansProteinsortingSulfationSpecifictyrosineresiduesinproteins当前第28页\共有76页\编于星期五\21点高尔基体的功能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medialGolgi中加工→在TGN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、蛋白质的糖基化

◆O-连接的糖基化，糖的供体为核苷糖。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，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当前第29页\共有76页\编于星期五\21点30当前第30页\共有76页\编于星期五\21点Twopathwaysforexocytosis:regulatedandconstitutive当前第31页\共有76页\编于星期五\21点溶酶体（lysosome）◆溶酶体(Lysosome)于1955年由deDuve和Novikoff发现◆呈小球状，大小变化很大，直径一般在0.25～0.8uM之间◆膜有质子泵，溶酶体内pH值低◆含有50多种酸性水解酶类（最适pH=5）

，在细胞内起消化和保护作用◆当细胞被损伤时，溶酶体可释放出水解酶类，使细胞自溶当前第32页\共有76页\编于星期五\21点◆Primarydegradativeorganelle◆Degradesproteins,lipidsandothercellularconstituentstakeninbyendocytosis(胞吞),phagocytosis(吞噬作用),andautophagy(自体吞噬)Pathwaystolysosomaldegradation溶酶体（lysosome）当前第33页\共有76页\编于星期五\21点TransportfromthetransGolginetwork(TGN)tolysosomes当前第34页\共有76页\编于星期五\21点当前第35页\共有76页\编于星期五\21点ThelysosomeTheendpointoftheendocytosispathwayformanymoleculesisthelysosome,ahighlyacidicorganellerichindegradativeenzymes.TheV-ATPasemaintainsthehighacidityofthelumenbypumpingprotonsacrossthelipidbilayer.当前第36页\共有76页\编于星期五\21点溶酶体的酶类当前第37页\共有76页\编于星期五\21点溶酶体的类型当前第38页\共有76页\编于星期五\21点1.初级溶酶体（primarylysosome）由高尔基体分泌形成，含多种酸性水解酶2.次级溶酶体（secondarylysosome）

是正在进行或完成消化作用的溶酶体，分为自噬溶酶体,异噬溶酶体及混合性溶酶体。3.后溶酶体（post-lysosome）又称残体（residualbody），已失去酶活性，仅留未消化的残渣，故名。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。当前第39页\共有76页\编于星期五\21点溶酶体的功能当前第40页\共有76页\编于星期五\21点异体吞噬当前第41页\共有76页\编于星期五\21点IntracellulardigestionoccursinlysosomesVeryacidic(toprotectthecell)~50typesofhydrolyticenzymes(acidhydrolases)Residentproteinsareprotectedbyhighlevelsofglycosylation42当前第42页\共有76页\编于星期五\21点溶酶体酶的特征Mannose-6-phosphatesortingsignal当前第43页\共有76页\编于星期五\21点Mannose-6-PisrecognizedbyaspecificreceptorintheTGN当前第44页\共有76页\编于星期五\21点Transportofnewlysynthesizedhydrolasestolysosomes当前第45页\共有76页\编于星期五\21点矽肺：二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细胞吞噬，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。溶酶体与疾病当前第46页\共有76页\编于星期五\21点过氧化物酶体（peroxisome）过氧化物酶体(peroxisome)由J.Rhodin1954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+H2O2当前第47页\共有76页\编于星期五\21点当前第48页\共有76页\编于星期五\21点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）当前第49页\共有76页\编于星期五\21点在动物中：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。过氧化物酶体的功能当前第50页\共有76页\编于星期五\21点◆Aeukaryoticcelliselaboratelysubdividedintocmpartmentsbyinternalmembranes.Eachcompartmentcontainsauniquesetofproteinsthathavetobetransferredselectivelyfromthecytosoltothecompartmentinwhichtheyareused.Thistransferprocessiscalledproteinsorting

(蛋白分选）◆Inaeukaryoticcell,membrane-enclosedcompartmentscommunicatewitheachotherbyformingsmallmembranoussacsorvesicles,thatpinchofffromonecompartment,movethroughthecytosol,andfusewithanothercompartmentinaprocesscalledvesiculartransport（膜泡运输）第三节细胞内蛋白质的分选与膜泡运输

Intracellularproteinsortingandvesiculartransporting当前第51页\共有76页\编于星期五\21点◆Proteinsorting

(蛋白分选):Howproteinsgettotheirappropriatedestinationswithinthecell.Proteinsortingdependsonsignalsbuiltintotheaminoacidsequenceoftheproteins◆Vesiculartransport

(膜泡运输):Howvesiclesshuttleproteinsandmembranesbetweencellularcompartments当前第52页\共有76页\编于星期五\21点门控运输（gatedtransport）：如通过核孔复合体的运输（transportthroughnuclearpore)2.

跨膜运输（acrossmembranetransport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的细胞器。3.

膜泡运输（vesiculartransport）：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。蛋白质分选(proteinsorting)定位的机制当前第53页\共有76页\编于星期五\21点细胞内蛋白质的分选途径54当前第54页\共有76页\编于星期五\21点OrganellesimportproteinsbythreedistinctmechanismsTransportfromthecytoplasmintothenucleusthroughnuclearporesTransportfromthecytoplasmtoorganellesbyproteintranslocatorsinthemembraneTransportfromERtootherorganellesoccursviavesicles当前第55页\共有76页\编于星期五\21点蛋白质分选(proteinsorting)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（signalsequence）。其二是细胞器上具特定的信号识别装置(分选受体,sortingreceptor）。当前第56页\共有76页\编于星期五\21点G.Blobel等（1975）提出信号假说，认为蛋白质N-端的信号肽（signalpeptide)，指导蛋白质合成由细胞质基质转至内质网上合成，获1999年诺贝尔生理医学奖。BlobelwithmembersofhislaboratoryGünterBlobel分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)当前第57页\共有76页\编于星期五\21点分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)◆信号序列（signalsequence）：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。当前第58页\共有76页\编于星期五\21点蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分：1.

信号肽(signalpeptide):

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(starttransfersequence)。2.信号识别颗粒(signalrecognitionparticle,SRP):

属于RNP，由6种

多肽和一个7SRNA组成。能与信号序列结合，导致蛋白质合成

暂停。3.SRP受体(又称停泊蛋白,dockingprotein,DP):内质网膜的整合蛋

白，异二聚体，可与SRP特异结合。4.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，成为跨膜蛋白。分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)当前第59页\共有76页\编于星期五\21点分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)当前第60页\共有76页\编于星期五\21点分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)当前第61页\共有76页\编于星期五\21点●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SRP受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在内质网上继续合成→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（边合成边转运）。分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)当前第62页\共有76页\编于星期五\21点分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)当前第63页\共有76页\编于星期五\21点Signalsequencestargetproteinstotheirdestinations当前第64页\共有76页\编于星期五\21点膜泡运输(vesiculartransport)

◆细胞内膜系统(internalmembranesystem)之间的物质传递常常通过膜泡运输(vesiculartransport)方式进行。◆大多数运输小泡(transportvesicles)是在膜的特定区域以出芽的方式产生。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的包被(coat)。这种包被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。当前第65页\共有76页\编于星期五\21点Vesiculartransport66当前第66页\共有76页\编于星期五\21点TransportvesiclesContinuallybudofffromandfusetoothermembranecompartmentsproducingaconstantfluxofmaterialCarrysolubleproteins(inthelumen)andlipids&membraneproteins(inthebilayer)betweencompartmentsAretransportedalongmicrotubulesbymotorpr