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1、第七章 真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输,细胞外基质,核,内膜系统,细胞质基质,7.1 细胞质基质, 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。,概念：真核细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。,3,细胞质基质的涵义,化学成分： 水（游离水、结合水）和无机盐 有机物：中分子(代谢所需要的底物如氨基酸、单糖、核苷酸） 大分子（蛋白质、多糖、核酸） 状态： 物质的组织高度有序,细胞质基质的功能, 完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等 与细胞质骨架相关的功能 维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解 蛋白质的修饰
2、 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象,7.2 内膜系统及其功能,概念：是指内质网、高尔基体、细胞核、溶酶体、液泡、胞内体和分泌泡等膜性细胞器。 这些膜是相互流动的，处于动态平衡，功能上相互协调,内膜系统的动态特性,一、 内质网 Endoplasmic Reticulum, ER,（一）形态结构及类型 形态 ER 由封闭的膜系统及其形成的腔构成的相互沟通的网状结构。它从核膜延伸至细胞质中，靠近细胞质内侧。 ER的膜占细胞膜系统的一半 所包围的体积占细胞总体积的10%,8,微粒体,-细胞匀浆等人工过程，破碎的内质网形成的近似球形的囊
3、泡,内质网的化学组成： 主要为蛋白质、脂类。 内质网的标志酶是葡萄糖-6-磷 酸酶。 细胞色素P450在内质网膜中最为丰富。, 内质网种类： 糙面内质网(RER) 光面内质网(SER) 图,11,内质网的形态结构,（二）内质网的功能, 蛋白质的合成 蛋白质运输 蛋白质的修饰和加工 脂质的合成, 蛋白质的合成,粗面内质网上,膜结合核糖体,合成分泌蛋白、膜蛋白、细胞器中可溶性驻留蛋白。 其它部位所需蛋白质都是由游离核糖体合成。,注意：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中。, 蛋白质的修饰和加工,修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化： 发生在ER腔面，是在糖基转移
4、酶作用下. N-linked glycosylation（Asn） O-linked glycosylation（Ser/Thr or Hylys/Hypro） 酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸Cys,15, 新生肽的折叠与组装,正确折叠涉及驻留蛋白：二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态 结合蛋白（Binding protein，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。, 脂质的合成（光面内质网）,ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括
5、磷脂和胆固醇） 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；合成后很快转向内质网腔面 (转位酶flippase) 磷脂的转运: 出芽( budding)：ERGC、Ly、PM 磷脂转换蛋白(phospholipid exchange proteins, PEP）：磷脂分子+PEP细胞质基质靶膜（线粒体、过氧化物酶体）,其它功能,解毒作用:光面内质网含有丰富的氧化酶系统(如细胞色素P450、NADH细胞色素C还原酶等)能使许多有害物质解毒,转化为易于排出的物质。 Ca2+离子浓度的调节作用: Ca2+储存库,参与信号传导,19,二、高尔基复合体,高尔基器(Golgi apparatu
6、s)或高尔基复合体(Golgi complex) 意大利科学家Camillo Golgi在 1898年发现的。,20,高尔基体的形态结构,21,高尔基体的极性:,高尔基内侧网络 (cis-Golgi network, CGN) 顺面、形成面, 面向核 中间膜囊 (medial cisternae) 高尔基外侧网络 (trans Golji network,TGN) 外侧面、成熟面,22,种标志细胞化学反应, 嗜锇反应的高尔基体cis面膜囊； 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示trans面12层膜囊； 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构 烟酰
7、胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊,23,Regions of the Golgi apparatus,24,高尔基体的功能, 蛋白质运输 蛋白质的糖基化 蛋白质的水解,25,高尔基体的蛋白运输作用,1,2,3,交通警察！,26,蛋白质运输,ER到高尔基体内侧的运输 ER蛋白的逆向运输 高尔基体内侧到高尔基体外侧运输以及向溶酶体和细胞膜的运输,27, GC中蛋白质的糖基化,O-连接的糖基化 将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上，称为O-连接的糖基化。 N-连接的寡聚糖进一步加工： 内质网上：磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天冬酰胺（Asn）上 高尔基
8、体：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白 P188 7-2两种糖基化比较,28,蛋白质的糖基化生物学意义, 糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性；多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。 进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。,29, 蛋白质在高尔基体中酶解加工类型,无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体切除N-端或两端的序
9、列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。 蛋白质前体（含有多个相同序列）高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物。,30,三、 溶酶体 (lysosome),动物细胞内的一种细胞器。 植物细胞中？ 小球状,外面由一层单位膜包被 是一种异质性(heterogenous)的细胞器,呈小球状。大小变化很大，直径一般0.250.8m，最大的可超过1m,最小的直径只有25-50nm 溶酶体约含有60种水解酶类,在细胞内起消化和保护作用。酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶 当细胞被损伤时,溶酶体可释放出水解酶类,使细胞自溶,溶酶体的特点,31,电子
10、显微镜下的溶酶体,32,溶酶体膜稳定性,溶酶体的膜上嵌有质子泵 溶酶体的膜上具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运 溶酶体的膜蛋白高度糖基化 溶酶体的膜含有能促进膜稳定性的胆固醇,33,溶酶体及其酶类,34,溶酶体的类型,初级溶酶体(primary lysosome) 次级溶酶体(secondary lysosome) 自噬性溶酶体(aotolysosome) 异噬性溶酶体(heterolysosome) 混合性溶酶体(ambilysosome) 具消化作用 后溶酶体(post lysosome),35,异体吞噬,36,围歼线粒体,37, 溶酶体的功能,1、自噬作用(Autophagy)：细胞内
11、受损、衰老的细胞器、不需要的生物大分子（清理） 溶酶体病：各种储积症（如台萨氏病、糖原储积症） 2、吞噬作用(Phagocytosis): 外来物质、衰老、死亡的细胞(防御、营养等) 3、自溶作用(Autolysis)：细胞的自我毁灭 溶酶体病：类风湿关节炎 3、 其它的生理功能 胚胎发育和形态建成 受精作用,38, 溶酶体的生物发生,甘露糖-6-磷酸途径（M6P） 非甘露糖-6-磷酸途径,39,溶酶体的生物发生 （甘露糖-6-磷酸途径）,溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（RER）,高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化,M6P,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶(在cis面）,高尔基体tr
12、ans-膜囊和TGN膜（M6P受体）,溶酶体酶分选与局部浓缩,以出芽的方式转运到前溶酶体,磷酸葡萄糖苷酶（在中间膜囊）,磷酸化识别信号：信号斑,40,溶酶体酶的加工与分拣,41,溶酶体的发生,42,（1）消化酶的先天缺失，为遗传病：各种储积症，如台萨氏（氨基己糖酯酶）、糖原储积症（葡萄糖苷酶） （2）消化酶的后天不足：矽肺、肺结核、类风湿性关节炎（膜脆性增加）、对细胞和机体功能的损伤 （3）酸性环境的适得其反：麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖（利用胞内体中的酸性环境） （4）与溶酶体发生相关的疾病：细胞（inculusion cell）病，缺乏N-乙酰葡萄糖
13、磷酸转移酶，不能M-6-P化，溶酶体酶无法被识别（但仍可形成溶酶体）,溶酶体与细胞病理,43,过氧化物酶体(peroxisom)又称微体(microbody)，是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器。,过氧化物酶体,44,鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（P）和其它细胞器如线粒体（M）等 （Albert et al. ，1989）,45,过氧化物酶体的功能,动物细胞中： 参与脂肪酸的氧化 解毒作用： (肝细胞或肾细胞）中过氧化 物酶体可氧化分解血液中的有毒成分。 植物细胞中： 参与光呼吸作用。 在萌发的种子中，参与葡萄糖异生作用。,46,过氧化物酶体发生示意图,过氧化物酶体与
14、疾病： Zellweger综合症： 与过氧化物酶体有关 的遗传病，也叫脑肝 肾综合征，患者细胞的 过氧化物酶体中，与酶 蛋白输入有关的蛋白质 变异，过氧化物酶体是 “空的”。脑、肝、肾异 常，出生3-6个月内后死 亡。,7.3 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装,蛋白质的定向运输、分选,48, 信号肽与蛋白质运输,早期信号假说(signal hypothesis),1975年，Blobel等正式提出了信号假说,目前普遍承认:,指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成,需要其它因子的协助: 信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP） 信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白,
15、docking protein，DP）等 过程: 信号肽信号识别颗粒信号识别颗粒的受体 合成,51,Signal hypothesis,信号肽的特性,指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成 在蛋白质上的位置: N-端突出的一段肽 序列特征 16-26个（15-35个）氨基酸残基，其中含有4-12个疏水残基,信号肽的一级序列.,信号肽一级序列由疏水核心（h）、C端（c）和N端（n）三个区域构成。以血清白蛋白和HIV-1型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，显示出两者的n区长度明显不同.,54,多个起始与终止跨膜信号,合成后蛋白的去向:, 若信号肽序列被信号肽酶切除 完全进入腔 (共转移) 若有停止转移信
16、号，能与内质网膜有极强的亲合力: 膜蛋白,与生俱来的三种信号序列 寿命信号 加工信号 定位信号 导肽、转运肽 信号肽 核定位信号 （NLS） KDEL序列,蛋白质信号序列的种类,细胞内蛋白质的分选途径,58,Protein Sorting,蛋白质分选定位的四种机制, 细胞质基质中蛋白质的转运 门控运输（gated transport） 通过核孔的运输（Transport through nuclear pore） 跨膜运输 （Across membrane transport） 膜泡运输 （Vesicle translocation）, 膜泡运输 (Vesicle translocation）
17、,膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。,61,包被小泡的类型功能,网格蛋白、结合素蛋白,1. 网格蛋白有被小泡,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中，也负责将物质从质膜细胞质 高尔基体TGN是网格蛋白 有被小泡形成的发源地,在高尔基体TGN区网格蛋白有被小泡的形成示意图,2. COPII有被小泡,负责从内质网高尔基体的物质运输； COPII包被由5种蛋白亚基组成； 包被蛋白的装配是受控的； COPII有被小泡具有对转运物质的
18、选择性并使之浓缩。,3. COPI有被小泡, 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； 负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins） 返回内质网。 细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制： 转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运； 通过识别驻留蛋白C-端的回收信号的特异性受体，以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白;内质网腔中驻留蛋白C-端的回收信号: KDEL (Lys-asp-glu-leu),内质网膜蛋白回收信号：KKXX（Lys-Lys-X-X）,66,膜泡运输是特异性过程，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 选择性融合基础在于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相互作用, 细胞结构体系的组装,装配的方式?,装配和去装配的生物学意义?,