细胞质基质与内膜系统

关于细胞质基质与内膜系统第1页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三第三节细胞内蛋白质的分选与膜泡运输一、信号假说与蛋白质分选信号

蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位——蛋白质分选。蛋白质的分选作用是由信号序列和受体之间的相互作用决定的。

为什么有些蛋白质在细胞质中合成，有些则在粗面内质网上合成？第2页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三游离核糖体与附着核糖体在结构和功能上是相同的，为何附着核糖体要与内质网膜结合？而游离核糖体不能与内质网结合？第3页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三★信号序列的发现与证实二十世纪六十年代，Colvin和David用分离的RER小泡研究附着核糖体合成的蛋白质的去向第4页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三第5页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三实验结果表明附着核糖体合成的蛋白质能够跨过内质网的膜进入内质网腔是什么原因指导新生肽跨过内质网的膜？又是什么原因决定核糖体在合成蛋白时是游离存在还是附着到内质网上？第6页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三

1971年美国洛克菲勒大学Blobel、David等推测：蛋白质合成的地点是由多肽N－末端一段氨基酸序列决定的，这一段氨基酸序列在蛋白质合成时最先出现在核糖体上。提出◆分泌蛋白的N-端含有一段特别的信号序列，可将正在合成的多肽引导到ER膜上。◆多肽通过ER膜上的转运通道进入ER腔中，并推测多肽是在合成的同时转移的第7页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三1972年，Milstein和他的同事用无细胞蛋白质合成系统研究免疫球蛋白(IgG)轻链合成时获得了信号序列存在的直接证据：

用分离纯化的核糖体在无细胞体系中用编码免疫球蛋白轻链的mRNA指导合成多肽，发现合成的多肽比分泌到细胞外的成熟的免疫球蛋白在N端有一段多出的肽链，有20个氨基酸。第8页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三◆加与不加RER小泡，产物不同将分泌蛋白的mRNA在无细胞体系中进行翻译时，如果不加微粒体，得到的翻译产物比从细胞中分泌出来的蛋白质要长，但添加RER小泡后，翻译的产物与从活细胞分泌的蛋白质相同。其他实验推测：信号序列在引导蛋白进入内质网后被切除第9页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三第10页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三信号肽的共同特征：长度为16～26个氨基酸残基，N-末端含有一个或多个带正电荷的氨基酸，其后是6～12个连续的疏水残基；在蛋白质合成中将核糖体引导到内质网，进入内质网后通常被切除；无严格的特异性。＋＋＋带正电荷的N-末端疏水区切割信号N第11页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三定位信号序列核定位信号引导肽信号肽信号序列的种类◆与生俱来的三种信号序列●寿命信号●加工信号●定位信号第12页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三1975年Bloble提出信号假说，认为附着核糖体与内质网结合与核糖体本身无关，而与跟核糖体结合的mRNA，也就是要合成的蛋白质的种类有关，分泌蛋白等的mRNA起始密码子AUG之后含有信号密码，蛋白质合成时，先在游离的核糖体上由信号密码翻译一段16－26个氨基酸组成的肽链，称信号肽。★信号假说（signalhypothesis）第13页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三◆如果合成的是分泌蛋白，信号序列被切除，进入内质网的腔，如果是膜蛋白，则由一个或多个停止转移信号将蛋白质锚定在内质网膜上。信号假说的要点

◆分泌蛋白的合成始于细胞质中的游离核糖体◆合成的N端信号序列露出核糖体后，靠自由碰撞与内质网接触，然后靠N端信号序列的疏水性氨基酸插入内质网的膜◆蛋白继续合成，并以绊环形式穿过内质网的膜第14页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三信号假说（signalhypothesis,Bloble1975)信号序列信号肽酶第15页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三第16页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三信号假说的证明实验第17页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三★新蛋白复合物的发现

与信号肽假说的补充◆信号识别颗粒（SRP）：核糖核酸蛋白复合体，6条多肽+7SRNA，有三个功能位点：

●翻译暂停结构域●信号肽识别结合位点●SPR受体结合位点

功能：引导信号肽到内质网腔；第18页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三第19页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三◆停泊蛋白（dockingprotein，DP)是SRP在内质网膜上的受体蛋白，能够与结合有信号序列的SRP结合，使正在合成蛋白质的核糖体停靠到内质网上。是一种G蛋白。第20页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三信号序列与SPR引导核糖体附着到ER膜第21页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三★补充修改后的信号肽假说(1)ER蛋白质合成的起始

始于胞质溶胶中的游离核糖体，蛋白质合成地点由其mRNA决定.(2)SRP-核糖体复合体的形成

SRP的信号识别位点识别新生肽的信号肽并与之结合,蛋白质合成暂时停止。（SRP为G蛋白）

(3)核糖体与内质网膜结合

结合有信号肽的SRP-核糖体复合体与SRP受体（停泊蛋白DP）结合，

DP也为G蛋白第22页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三（5）信号肽酶切除信号肽，肽链继续延伸（6）蛋白质合成结束蛋白转运通道关闭，核糖体与内质网脱离进入胞质溶胶开始新的蛋白质的合成。(4)SRP释放与蛋白质转运通道（易位子）的打开，新生肽插入通道，信号肽与通道中受体结合，引导肽链以绊环形式进入内质网腔第23页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三分泌性蛋白合成的信号肽学说信号肽转运通道易位子分子伴侣胞质溶胶内质网腔第24页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三起始转移序列(starttransfersignal)

停止转移序列(stoptransfersignal)

内信号序列(internalsignalpeptide)：不位于N-末端，不被切除，也是起始转移信号序列膜整合蛋白的共翻译转运机制在RER合成的蛋白质有两类：分泌蛋白和膜蛋白，分泌蛋白合成后通过对信号肽切除，就可释放到内质网腔中成为可溶蛋白，再进行下游的运输。而膜蛋白需要保持在内质网膜上，其共翻译转运较为复杂。涉及以下几种信号序列第25页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三分泌蛋白的共转移第26页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三单次跨膜蛋白的共转移机制第27页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三二次跨膜蛋白的共转移机制内信号序列第28页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三蛋白质转移的方式共转移:肽链在粗面内质网膜上边合成边转移到内质网腔中后转移:蛋白质在细胞质基质中合成以后在某种信号指导下再转移到线粒体、叶绿体、过氧化氢体等细胞器中的转移方式.这类信号序列称导肽.需要ATP使多肽去折叠；需要一些蛋白质（如热休克蛋白Hsp70）帮助其正确地折叠成有功能的蛋白.第29页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三几种典型的蛋白质分选信号序列信号功能举例蛋白进入ER+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Ler-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-滞留在ER中-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-蛋白进入线粒体+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-进入细胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-进入过氧化物酶体-Ser-Lys-Leu-第30页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三内质网高尔基体细胞表面溶酶体分泌颗粒核糖体

线粒体过氧化物酶体

细胞核胞质溶胶二、细胞内蛋白质分选途径和类型叶绿体游离核糖体附着核糖体两条途径：翻译后转运途径共翻译途径第31页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三1、在细胞质蛋白质分选基本途径共转移后转移第32页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三蛋白质分选的类型3、选择性门控转运：细胞质基质中合成的蛋白质选择性穿过核孔复合体进入细胞核或从细胞核返回细胞质。1、跨膜转运：胞质溶胶中合成的蛋白质进入内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等是通过跨膜进行运输的，需要膜上运输蛋白的帮助2、膜泡运输：蛋白质从内质网转运到高尔基体及从高尔基体转运到溶酶体、分泌泡、细胞质膜、细胞外是由小泡介导的。4、蛋白质在细胞基质中的运输（细胞骨架体系）。第33页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三三、膜泡运输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。大多数运输小泡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衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。第34页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三三种不同类型的包被小泡

具有不同的物质运输作用

COPⅡ包被小泡COPI包被小泡网格蛋白包被小泡第35页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三网格蛋白包被小泡负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜内吞泡(细胞质)

胞内体溶酶体运输高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地

第36页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三成纤维细胞质面的网格蛋白衣被电子显微镜照片

第37页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三通过网格蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图第38页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三

COPⅡ包被小泡

负责从内质网高尔基体的物质运输； COPⅡ包被蛋白由5种蛋白亚基组成；

包被蛋白的装配是受控的； COPⅡ包被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。第39页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三COPI包被小泡

COPI包被含有7种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于ARF(GTP-bindingprotein)；介导细胞内膜泡逆向运输，负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escapedproteins）

ER。

第40页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：

1.转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；

2.通过识别驻留蛋白C-端的回收信号(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特异性受体，以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。第41页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三研究发现：内质网的结构和功能蛋白的羧基端有内质网滞留信号：Lys-Asp-Glu-Leu-coo-(KDEL信号）KDEL信号在高尔基体各个部分的膜上都有相应的受体。如果ER滞留蛋白质在出芽时被错误地包进分泌泡离开了ER，高尔基体膜上的KDEL信号受体就会与之结合将其遣送回ER。第42页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三内质网驻留蛋白的回收图解第43页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三运输小泡的形成、转运及与靶膜的融合是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、去组装的复杂调控膜泡融合是特异性的选择性融合，从而指导细胞内膜流的方向。选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相互作用第44页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三膜泡运输的定向机制（一）SNARE介导运输小泡与靶膜的融合。分为v-SNARE和t-SNARE。具有一个螺旋结构域，相互缠绕形成跨膜SNARE复合体，将小泡与靶膜拉在一起。第45页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三SNAREinvesicletransport第46页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三神经细胞中，SNARE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SNARE，阻断神经传导。病毒融合蛋白的工作原理与SNARE相似，介导病毒与宿主质膜的融合。第47页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三（二）RabsRabs属于G蛋白，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。第48页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三膜融合模型①两种膜蛋白相互接触;②两种膜之间形成一个封闭的孔,并逐渐扩大;③由于膜脂的扩散,两种膜的脂双层融合成一体第49页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三四、细胞结构体系的组装（自学）生物大分子的组装方式：有些装配过程需ATP或GTP提供能量或其它成份的介入或对装配亚基的修饰自我装配的信息存在于装配亚基的自身，细胞提供的装配环境装配具有重要的生物学意义：分子“伴侣”（molecularchaperones）

第50页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三生物大分子的组装方式

自我装配（self-assembly）协助装配（aided-assembly）直接装配（direct-assembly）复合物与细胞结构体系的组装第51页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三装配具有重要的生物学意义

减少和校正蛋白质合成中出现的错误

减少所需的遗传物质信息量通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程第52页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三分子“伴侣”（molecularchaperones）

细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子“伴侣”。第53页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三

在细胞合成与分泌途径中不同膜组分之间三种不同的膜泡运输方式:1.笼形蛋白包被小泡介导从高尔基体TGN质膜和胞内体及溶酶体的运输；

2.COPII包被小泡介导从内质网高尔基体的运输；

3.COPI包被小泡负责将蛋白从高尔基体内质网。在从内质网高尔基体和/或从高尔基体的cis面trans面的物质转运中也可能涉及到COPI包被小泡

(物质沿内吞途径的转运未表示在图中)。第54页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三0