大学精品课件：第七章 细胞内膜系统（第3版）.ppt

1、第七章 真核细胞内膜系统、 蛋白质分选与膜泡运输,第一节 细胞质基质（cytosol)的涵义和功能,一、涵义 在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。,二、功能,1、所有中间代谢均发生在细胞质中， 其中大部分是在细胞质基质中进行 2、与细胞骨架有关 3、蛋白质的修饰 4、控制蛋白的寿命 5、蛋白质的选择性降解和重新折叠,三、蛋白质的降解途径 1.溶酶体降解途径 细胞外来蛋白和细胞表面受体 不耗能 2.非溶酶体降解途径-泛素（ubiquitin)依赖的蛋白质降解途径 细胞自身蛋白 消耗ATP,泛素依赖的蛋白质降解途径 步骤1.泛素与靶蛋白结合 步骤2.蛋白酶体降解靶蛋白,The

2、ubiquitin-proteasome pathway,第二节 细胞内膜系统及其功能,膜结合细胞器（membrane-bound organelle）,细胞质中所有具有膜结构的细胞器，包括细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、分泌泡、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等。,真核细胞膜结合细胞器的主要功能,内膜系统的概念(p175) 在结构、功能、乃至发生上相关的，由膜围绕的细胞器或细胞结构。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。,一、内质网的形态结构与功能(p175) （一）形态结构 小管、小囊、扁囊（小池、潴泡）基本“单位结构”，形成连续网状膜系统，内腔相通。 标志酶是葡萄糖-6-磷酸

3、酶。,（二）两种基本类型(p176) 糙面内质网（RER） 光面内质网（SER）,超薄（上）和扫描（下）电镜观察的内质网,(三）功能 常用微粒体(microsome)作为研究对象。(p176) 在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构,在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。,1、蛋白质的合成是粗面内质网的主要功能,合成蛋白质的种类(p178) 向细胞外分泌的蛋白质 膜整合蛋白，并且决定膜蛋白在膜中的排列方式 可溶性驻留蛋白 需要修饰和加工的某些蛋白,2、光面内质网是脂质合成的重要场所 (p178) ER合成细胞所需绝大

4、多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。 两种例外：鞘磷脂和糖脂（ER开始Golgi complex完成）； Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的,在光面内质网膜中合成磷脂酰胆碱,膜磷脂转移的两种方式,磷脂转换蛋白,3、蛋白质的加工与修饰(p179) 主要有糖基化、羟基化、酰基化和二硫键的形成等。,4、多肽链的折叠与组装(p180) 一些ER驻留蛋白帮助转移到ER腔中的蛋白进行正确的折叠和组装。 例如:结合蛋白（Bip)作为分子伴侣 蛋白二硫异构酶（PDI）,Bip在ER腔中的作用,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

5、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” (molecular chaperones )。 (p213),5、内质网的其他功能 5.1 类固醇激素的合成(p171) 5.2 糖原分解释放游离的葡萄糖 5.3 肝的解毒作用(detoxification) 5.4 Ca2+离子的调节作用,光面内质网在糖原裂解中的作用,混合功能氧化酶将底物羟基化的机制,二、高尔基体(Golgi body)的形态结构与功能 （一）形态结构与极性(p182),扁平膜囊构成高尔基堆,周围有大小不等的囊泡结构 有极性的细胞器 顺面(cis face)又称形成面(forming face) 反面(t

6、rans face)又称成熟面(mature face),（二）生化房室化(compartmentation) 每个区隔中含有不同的酶, 功能也不同。 高尔基顺面网状结构（CGN）和 顺面膜囊 中间膜囊 高尔基体反面膜囊和反面网状结构（TGN）(p184),（三）功能(p186) 参与分泌活动；将内质网合成的多种蛋白质进行修饰加工、分类和包装，并分类转运至细胞特定部位或分泌到细胞外；细胞内糖类生物合成的主要场所。,（1）高尔基体与细胞分泌活动(p186) 蛋白在高尔基体中分选及其转运的信息仅存在于编码这个蛋白质的基因本身。,（2）蛋白质的糖基化及其修饰 1、糖基化的生理意义(p187) 作为蛋

7、白质在高尔基体的分类和包装的特异性标志； 影响多肽的构象； 增强糖蛋白的稳定性； 影响某些蛋白的水溶性和带电荷性质。,2、糖基化类型 在ER腔中连接到蛋白质的寡糖主要由N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)、甘露糖(Man)和葡萄糖(GLc)组成，该寡糖与蛋白质的天冬酰胺残基(-Asn-)侧链上的氨基基团连接，称为N连接糖基化。(p180),将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上的糖基化，称为O-连接的糖基化(p180)。,（3）蛋白酶的水解和其他加工过程(p180) 1.无活性的蛋白原切除N端或两端序列形成成熟的多肽； 2.含有多个相同氨基酸序列的前体水解为同种有活性的多肽；

8、 3.含有不同的信号序列，加工成不同的产物。,（4）其他功能 1.参与形成溶酶体。 2.参与植物细胞壁的形成。 3.合成植物细胞壁中的纤维素和果胶质。 4.形成蛋白聚糖。(p190),三、溶酶体（lysosome)的形态结构与功能 （一）溶酶体的形态结构与类型 1、形态(p191) 异质性的细胞器,2、溶酶体膜的特征(p192) 嵌有质子泵 具有多种载体蛋白 膜蛋白高度糖基化,3、溶酶体的类型,初级溶酶体(primary lysosome) (p191) 次级溶酶体(secondary lysosome)(p192) 残余体(residual body)(p192),（二）溶酶体的功能(p19

9、3) 1、清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞。 2、防御功能 3、其他重要的生理功能 为细胞提供营养； 参与调节分泌细胞的分泌过程； 器官在特定时期的退化； 受精过程中，精子进入卵子。,（三）溶酶体的发生(p195),（1）M6P （甘露糖-6-磷酸）分选途径 1、M6P分选信号的形成 N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶 顺面膜囊中，使甘露糖残基磷酸化 磷酸葡萄糖苷酶 在中间膜囊中，去掉GlcNAc，暴露磷酸基团，形成M6P标志。,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,磷酸葡萄糖苷酶,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶,磷酸

10、化识别信号：信号斑,高尔基体trans-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,2、发生途径,（2） 非M6P的溶酶体酶分选途径(p196),溶酶体的形成有多种途径 如非溶酶体酶或非水溶性酶进入溶酶体不依赖M6P途径,（四）溶酶体与疾病,（1）储积症（storage disease) 1 定义(P194) 为先天性溶酶体病，都是由于先天性缺乏某种溶酶体酶以致相应底物不能被消化，这些物质储积在溶酶体内，造成代谢障碍，是一种代谢性疾病。 2 种类 目前发现40余种，如台萨氏病（Tay-Sashs),(2） I 细胞（inclusion cell)病(P18

11、6) 原因：N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶单基因的缺损，不能形成M6P信号。,（3）肺结核 结核杆菌表面有一层蜡质外被，进入溶酶体后不能被消化，在细胞内繁殖。,（4）职业病-矽肺和石棉肺,肺部吸入的矽粉末（二氧化硅）被肺组织 中的巨噬细胞吞噬，矽粉末表面形成矽酸， 使溶酶体膜破裂，释放其中的水解酶，引 起细胞死亡，放出的矽粉末，再被健康的 吞噬细胞吞噬，如此反复，吞噬细胞相继 死亡，最后刺激成纤维细胞，导致胶原纤 维沉积，肺弹性降低，肺功能受损。,（5） 类风湿性关节炎,溶酶体膜脆性增加，溶酶体酶释放到关节的细胞间质中，使骨组织受到侵蚀，引起炎症。 肾上腺皮质激素类药物（如强的松龙、地塞米松等）

12、有稳定溶酶体膜的作用，可用于治疗。,第三节 细胞内蛋白质的分选 与膜泡运输,绝大多数蛋白质在细胞质基质中的核糖体上开始合成，然后转运至正确的部位并装配成结构与功能的复合体参与细胞的各种生命活动，最后降解的过程称为蛋白质的定向转运（protein targeting)或分选(protein sorting)。,一、信号假说(signal hypothesis)与蛋白质分选信号 Gunter Blobel等提出关于分泌蛋白到内质网膜上进行合成的假说,认为蛋白合成的位置是由其N端氨基酸序列决定的, 该假说具有普遍性。,（一）信号假说的主要内容(p200) 分泌蛋白在N端有一信号序列，它指导刚开始合成

13、的多肽和核糖体到ER膜上 多肽边合成边通过ER膜上的水通道进入ER腔,信号序列在分泌蛋白质运输中的作用,蛋白水解酶水解实验 无细胞体外翻译系统 (含有RER小泡) 加入蛋白水解酶,不加入去垢剂，不能使新 生肽水解。 但同时加入去垢剂, 蛋白质水解。 提示新生肽链是边合成边运输的。,基因重组实验 编码黑猩猩的-球蛋白(在游离核糖体上合成并存在于胞质溶胶中的可溶性蛋白) 的基因接上一段编码E.coli分泌蛋白-半乳糖透性酶(-lactamase)的信号序列DNA, 将该基因加入到无细胞的转录和翻译体系(含狗组织中分离的ER膜)中,杂合蛋白出现在哪个部位？,（二）分选信号的类型 信号肽（signal

14、 peptide) 存在于氨基酸序列的延伸节段，长15-60个氨基酸，完成分选过程后，经信号肽酶切除。, 信号斑(signal patch) 蛋白折叠起来时，其表面的一些原子特异的三维排列构成的，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。一般保留在已合成的蛋白中。,一些典型的分选信号(p203),（三）参与蛋白质转入内质网合成的成分 信号肽（signal peptide） 引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于新合成肽链的N端；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（start transfer sequence

15、）。(p202),信号肽的作用 通过与SRP的识别和结合, 引导核糖体与内质网结合; 通过信号序列的疏水性,引导新生肽跨膜转运。,信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）(p200) 由6种不同的多肽和1个7S RNA组成，属于核糖核蛋白(ribonucleoprotein)。SRP作用是识别信号序列,导致蛋白质合成暂停，并将核糖体引导到内质网上。,信号识别颗粒(SRP)的组成, SRP受体（SPR receptor，停泊蛋白） 膜整合蛋白，为异二聚体蛋白，存在于内质网上，可与SRP特异结合。(p200),停止转移序列（stop transfer sequ

16、ence）(p202) 肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。,转位因子（translocator，易位子） 由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似炸面圈的结构，每个Sec61蛋白由三条肽链组成。 (p177),（四）可溶性蛋白质的共转移机理(p201) 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翻译体系解散。,蛋白质运输的两种方式(p202) 共翻译转运(cotranslocation) 多肽链在信号肽引导下，边合成边进入内质网腔

17、的过程。 翻译后后转运（post-translation translocation） 蛋白质在细胞质基质中合成以后在导肽引导下转移到细胞器（如线粒体、叶绿体）的过程。,在非细胞体系中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系(p201),（五）膜内在蛋白的共转移机理(补充） （1） 单次跨膜蛋白 a.通过新生肽链协同翻译式的插入机制 其信号肽在N端，有一个停止转移序列，一旦停止转移序列进入转移器，并与其位点相互作用，转移器钝化，停止转移过程。信号肽释放，停止转移序列留在膜中成为单次的螺旋跨膜片段，N端在膜的腔内侧，C端在基质侧。,停止转移序列与单次跨膜蛋白的形成,b.内信号肽信号肽在肽链内

18、部 内信号肽既作为开始转移序列，又作为停止转移序列，保留在脂双层中成为单次跨膜的螺旋。 信号肽前后所带电荷决定内信号肽插入的方向。具有较多正电荷氨基酸的一端朝向细胞质基质。,(2)多次跨膜蛋白 多肽链中含有多个开始转移序列和停止转移序列，这些疏水序列成对起作用。 例如含内信号肽和一个停止转移序列的肽链的膜整合过程中，两个序列均插入脂双层。,二、蛋白质分选的基本途径与类型,（一）两条分选途径（p203） 1 翻译后转运途径 多肽链的合成在细胞质基质中完成 转运至线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核、细胞质基质；甚至内质网。 2 共翻译转运途径 多肽链的合成在粗面内质网完成 经高尔基体转运至溶酶体

19、、细胞膜或分泌到细胞外，或成为驻留蛋白。,（二）四种基本类型（p203）,1 蛋白质的跨膜转运(transmembrane transport) 2 膜泡运输(vesicular transport) 3 选择性的门控转运(gated transport) 4 细胞质基质中蛋白质的转运,三、膜泡运输（p207）,（一）网格蛋白有被小泡 1 负责从高尔基体TGN向质膜、胞内体或溶酶 体和植物液泡运输蛋白质； 2.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； 3.高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地。,在高尔基体TGN区笼形蛋白有被小泡的形成示意图,（二）COP有被小泡（p205） 1.负责从内质网高尔基体的物质运输； 2.由5种蛋白亚基组成 3.具有对转运物质的选择性并使之浓缩。,COPII包被小泡的装配 Sar-GTP与内质网膜的结合起始COPII亚基的装配， 形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面捕获并富集被转运的可溶性蛋白,（三）COP有被小泡（p207） 1.负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins） ER。 2.在非选择性的批量运输中负责 rER Golgi SV PM。 3.也行使顺行转运功能,从ER Golgi。,