细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统

关于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。

第2页,共80页，2024年2月25日，星期天细胞质基质(cytoplasmicmatrix,cytosol)的功能第3页,共80页，2024年2月25日，星期天●Thecytoplasmcontainingorganellesenclosedbysingleinternalmembranes,exceptforthenuclei,mitochondria,andchloroplastsenclosedbytwoconcentricinternalmembranes第二节细胞内膜系统及其功能Internalmembraneanditsfunction第4页,共80页，2024年2月25日，星期天第5页,共80页，2024年2月25日，星期天InternalmembranescreateintracellularcompartmentswithdifferentfunctionsThemainfunctionsofthemembrane-enclosedcompartmentsofaeucaryoticcell第6页,共80页，2024年2月25日，星期天Relativecellularvolumesofthemajormembranousorganelles第7页,共80页，2024年2月25日，星期天

◆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）第8页,共80页，2024年2月25日，星期天内质网的形态结构第9页,共80页，2024年2月25日，星期天TheERisanetworkofmembranesheets&tubules第10页,共80页，2024年2月25日，星期天内质网(endoplasmicreticulum)的功能第11页,共80页，2024年2月25日，星期天■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)的功能第12页,共80页，2024年2月25日，星期天蛋白质的修饰（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)第13页,共80页，2024年2月25日，星期天●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）第14页,共80页，2024年2月25日，星期天◆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）第15页,共80页，2024年2月25日，星期天脂质的合成（光面内质网，sER）第16页,共80页，2024年2月25日，星期天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。第17页,共80页，2024年2月25日，星期天18内质网(endoplasmicreticulum)的化学组成第18页,共80页，2024年2月25日，星期天

高尔基复合体（Golgicomplex,GC）第19页,共80页，2024年2月25日，星期天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）第20页,共80页，2024年2月25日，星期天ThGolgiapparatusismadeofstacked,flattenedmembranes第21页,共80页，2024年2月25日，星期天●高尔基体的极性●化学组成(glycosyltransferase)第22页,共80页，2024年2月25日，星期天TheGolgicomplexisapolarorganelleTheGolgiisapolarorganelle.Thatmeansthatproteinsenteratonesideorfaceandexitattheother.Theentryfaceiscalledthecisfaceandtheexitfaceiscalledthetransface.TheGolgitypicallyhasthefollowingcompartments第23页,共80页，2024年2月25日，星期天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。第24页,共80页，2024年2月25日，星期天Golginetwork第25页,共80页，2024年2月25日，星期天TraffictoandfromtheGolgicomplexProteinsthatarenotERresidentarepackagedintovesiclesandsenttothecisfaceoftheGolgi第26页,共80页，2024年2月25日，星期天ThetripfromERtoGolgiistheinitialstepinfurtherprogressionthroughthesecretorypathway第27页,共80页，2024年2月25日，星期天ProteinsarefurthermodifiedintheGolgiapparatusProteinsentertheGolgiviavesiclefusionwiththecisfaceandpassthroughtheGolgibetweensuccessivestacksbytransportvesiclesOligosaccharidechainsaddedintheERaremodifiedbyenzymesintheGolgi-additionandremovalofsugarstomakecomplexoligosaccharidesReactionsareprocessive-early-actingenzymesintheciscompartments,lateactingenzymesinthetranscompartments第28页,共80页，2024年2月25日，星期天Post-translationalModificationintheGolgiBiochemicalfunctionsoftheGolgi

GlycosylationModificationofexistingN-linkedsugarsO-linkedglycosylationProductionofproteoglycansProteinsortingSulfationSpecifictyrosineresiduesinproteins第29页,共80页，2024年2月25日，星期天高尔基体的功能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第30页,共80页，2024年2月25日，星期天31第31页,共80页，2024年2月25日，星期天Twopathwaysforexocytosis:regulatedandconstitutive第32页,共80页，2024年2月25日，星期天溶酶体（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，使细胞自溶第33页,共80页，2024年2月25日，星期天◆Primarydegradativeorganelle◆Degradesproteins,lipidsandothercellularconstituentstakeninbyendocytosis(胞吞),phagocytosis(吞噬作用),andautophagy(自体吞噬)Pathwaystolysosomaldegradation溶酶体（lysosome）第34页,共80页，2024年2月25日，星期天TransportfromthetransGolginetwork(TGN)tolysosomes第35页,共80页，2024年2月25日，星期天第36页,共80页，2024年2月25日，星期天ThelysosomeTheendpointoftheendocytosispathwayformanymoleculesisthelysosome,ahighlyacidicorganellerichindegradativeenzymes.TheV-ATPasemaintainsthehighacidityofthelumenbypumpingprotonsacrossthelipidbilayer.第37页,共80页，2024年2月25日，星期天溶酶体的酶类第38页,共80页，2024年2月25日，星期天溶酶体的类型第39页,共80页，2024年2月25日，星期天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。第40页,共80页，2024年2月25日，星期天溶酶体的功能第41页,共80页，2024年2月25日，星期天异体吞噬第42页,共80页，2024年2月25日，星期天43IntracellulardigestionoccursinlysosomesVeryacidic(toprotectthecell)~50typesofhydrolyticenzymes(acidhydrolases)Residentproteinsareprotectedbyhighlevelsofglycosylation第43页,共80页，2024年2月25日，星期天溶酶体酶的特征Mannose-6-phosphatesortingsignal第44页,共80页，2024年2月25日，星期天Mannose-6-PisrecognizedbyaspecificreceptorintheTGN第45页,共80页，2024年2月25日，星期天Transportofnewlysynthesizedhydrolasestolysosomes第46页,共80页，2024年2月25日，星期天矽肺：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。溶酶体与疾病第47页,共80页，2024年2月25日，星期天过氧化物酶体（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第48页,共80页，2024年2月25日，星期天第49页,共80页，2024年2月25日，星期天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）第50页,共80页，2024年2月25日，星期天在动物中：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第51页,共80页，2024年2月25日，星期天◆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第52页,共80页，2024年2月25日，星期天◆Proteinsorting

(蛋白分选):Howproteinsgettotheirappropriatedestinationswithinthecell.Proteinsortingdependsonsignalsbuiltintotheaminoacidsequenceoftheproteins◆Vesiculartransport

(膜泡运输):Howvesiclesshuttleproteinsandmembranesbetweencellularcompartments第53页,共80页，2024年2月25日，星期天门控运输（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)定位的机制第54页,共80页，2024年2月25日，星期天55细胞内蛋白质的分选途径第55页,共80页，2024年2月25日，星期天OrganellesimportproteinsbythreedistinctmechanismsTransportfromthecytoplasmintothenucleusthroughnuclearporesTransportfromthecytoplasmtoorganellesbyproteintranslocatorsinthemembraneTransportfromERtootherorganellesoccursviavesicles第56页,共80页，2024年2月25日，星期天蛋白质分选(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）。第57页,共80页，2024年2月25日，星期天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)第58页,共80页，2024年2月25日，星期天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。第59页,共80页，2024年2月25日，星期天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)第60页,共80页，2024年2月25日，星期天分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)第61页,共80页，2024年2月25日，星期天分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)第62页,共80页，2024年2月25日，星期天●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)第63页,共80页，2024年2月25日，星期天分泌性蛋白合成的模型---信号假说(signalhypothesis)第64页,共80页，2024年2月25日，星期天Signalsequencestargetproteinstotheirdestinations第65页,共80页，2024年2月25日，星期天膜泡运输(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。第66页,共80页，2024年2月25日，星期天67Vesiculartransport第67页,共80页，2024年2月25日，星期天TransportvesiclesContinuallybudofffromandfusetoothermembranecompartmentsproducingaconstantfluxofmaterialCarrysolubleproteins(inthelumen)andlipids&membraneproteins(inthebilayer)betweencompartmentsAretransportedalongmicrotubulesbymotorproteins第68页,共80页，2024年2月25日，星期天Vesiclebuddingisdrivenbyassemblyofaproteincoat(蛋白包被)第69页,共80页，2024年2月25日，星期天三种包被小泡（coatedvesicles）已知三类：网格蛋白（clathrin）包被小泡COPI包被小泡COPII包被小泡主要作用：1.选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡(transportvesicle)2.如同模具一样决定运输小泡的外部特征。第70页,共80页，2024年2月25日，星期天三种包被小泡的功能包被类型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→高尔基体第71页,共80页，2024年2月25日，星期天网格蛋白包被小泡（clathrincoatedvesicle）

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