1、细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统Internal membrane system、protein sorting and vesicular transporting in eukaryotic cells第一节第一节 细胞质基质的涵义与功能细胞质基质的涵义与功能 Cytoplasmic matrix and its function第二节第二节 细胞内膜系统及其功能细胞内膜系统及其功能 Internal membrane and its function第三节第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 Intracellular protein sorting and
2、vesicular transporting细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 Cytoplasmic matrix and its function Cytoplasmic matrix:containing a host of large and small molecules,cytoskeleton （细胞质）Organelles:such as nucleus,ER,Golgi apparatus,mitochondria,et al（cytoplasmic matrix,）真核细胞质 中除去可分辨的细胞器后的胶状物质。is a concentrated aqueous gel of
3、large and small molecules,and cytoskeleton.It is the site of many chemical reactions,the place for the manufacture of proteins。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统cytoplasmic matrix,细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统The cytoplasm containing organelles enclosed by single internal membranes,except for the nuclei,mitochondria,and chloropla
4、sts enclosed by two concentric internal membranesInternal membrane and its function细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 Porter等于等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，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，故因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故 名名endoplasmic reticulum，ER。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统内质网的形态结构内质网的形态结构细胞内膜系统
5、蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 根据是否附有核糖体（根据是否附有核糖体（ribosome）内质网分为）内质网分为:糙面内质网糙面内质网（rough endoplasmic reticulum,rER）:合成分泌性蛋白质（包括膜蛋白）光面内质网光面内质网（smooth endoplasmic reticulum,sER）:合成脂类 糙面内质网上合成的蛋白质主要去向有：糙面内质网上合成的蛋白质主要去向有：分泌到细胞外分泌到细胞外，如抗体和激素等 运输到细胞膜运输到细胞膜，如膜整合蛋白 运输到溶酶体运输到溶酶体，如溶酶体的各种水解酶 细胞内膜系统
6、蛋白质分选与膜泡系统 1.Formation of disulfide bonds(二硫键)between cysteine(半光氨酸)residues of the same polypeptide (intra-molecular)or different polypeptides(inter-molecular)2.Addition of short oligosaccharide(寡糖寡糖)side chains-glycosylation(糖基化糖基化)细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 发生在ER腔面，是在糖基转移糖基转移 酶酶(glycosyltransferase)作用下进行的,
7、糖基一般连接在4 种氨基酸上，分为：N-连接的糖基化连接的糖基化(N-linked glycosylation)：与天冬酰胺 残基(Asn)的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。O-连接的糖基化连接的糖基化(O-linked glycosylation)：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 使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；赋予蛋白质传导信号的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 蛋白质折叠是在hsp70家族的ATP酶的作用下完成的 结合蛋白（binding protein,BIP,chaperone)识
8、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。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统合成磷脂、胆固醇等，经膜泡运输转运至高尔基体、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（质膜等，或借磷脂转移蛋白（PTP）形成水溶性复合）形成水溶性复合物，转至其他膜上。物，转至其他膜上。解毒，如肝细胞的细胞色素解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。酶系。参与甾体类激素的合成。参与甾体类激素的合成。使葡糖使葡糖6-6-磷酸水解，释放糖至血液中。磷酸
9、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。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。提供酶附着的位点和机械支撑作用。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统18细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统高尔基复合体高尔基复合体的形态与组成的形态与组成 由扁平囊泡堆积而成，有极性。通常48个(某些藻类较多)扁平囊在一起，构成高尔基体的主体(Golgi stack)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（cis face），凹进的一面对着质膜称为反面（trans face）细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统
10、细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统The Golgi is a polar organelle.That means thatproteins enter at one side or face and exit at theother.The entry face is called the cis face and the exit face is called the trans face.The Golgi typically has the following compartments细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统1.cis Golgi network
11、，CGN是入口区域。是入口区域。2.medial Golgi，多数糖基修饰，糖脂的形成以，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。及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。3.trans Golgi network，TGN是出口区域，参是出口区域，参 与蛋白质的分类与包装，最后输出。与蛋白质的分类与包装，最后输出。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统Proteins that are not ER resident are packaged into vesicles and sent to the cis face of the Golgi细胞内
12、膜系统蛋白质分选与膜泡系统The trip from ER to Golgi is the initial step infurther progression through the secretory pathway细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 Proteins enter the Golgi via vesicle fusion with the cis face and pass through the Golgi between successive stacks by transport vesicles Oligosaccharide chains added in the
13、ER are modified by enzymes in the Golgi -addition and removal of sugars to make complex oligosaccharides Reactions are processive-early-acting enzymes in the cis compartments,late acting enzymes in the trans compartments细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 Modification of existing N-linked sugars O-linked glycosylation
14、Production of proteoglycansProtein sortingSulfation Specific tyrosine residues in proteins细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统1、rER上合成蛋白质进入ER腔COPII运输泡进入CGN在medial Golgi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、O-连接的糖基化，糖的供体为核苷糖。3、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、如将胰岛素C端切除；或将神经肽前体降解为活性片段。5、6、细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统31细
15、胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统溶酶体溶酶体(Lysosome)于1955年由de Duve和Novikoff 发现呈小球状，大小变化很大，直径一般在0.250.8uM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，使细胞自溶细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统Primary degradative organelleDegrades proteins,lipids and other cellular constituents taken in by endocyt
16、osis(胞吞),phagocytosis(吞噬作用),and autophagy(自体吞噬)细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统The endpoint of the endocytosis pathway for many molecules is the lysosome,a highly acidic organelle rich in degradative enzymes.The V-ATPase maintains the high acidity of the lumen by pumping protons acro
17、ss the lipid bilayer.细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统1.初级溶酶体初级溶酶体（primary lysosome）由高尔基体分泌形成，含多种酸性水解酶2.次级溶酶体次级溶酶体（secondary lysosome）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.后溶酶体后溶酶体（post-lysosome）又称残体（residual body），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。细胞
18、内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统43 Very acidic(to protect the cell)50 types of hydrolytic enzymes(acid hydrolases)Resident proteins are protected by high levels of glycosylation细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统Mannose-6-phosphate sorting signal细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统矽肺：二氧化硅尘粒（矽
19、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。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统过氧化物酶体（过氧化物酶体（peroxisome）过氧化物酶体(peroxisome)由J.Rhodin 1954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+O2R+H2O2细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统
20、细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统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）细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 参与脂肪酸的-氧化；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。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，在萌发的种子中，进行脂肪的-氧化。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 A eukaryotic cell is elaborately subdivided into cmpartments by internal membranes.Each compartment contains a unique se
21、t of proteins that have to be transferred selectively from the cytosol to the compartment in which they are used.This transfer process is called protein sorting(蛋白分选）In a eukaryotic cell,membrane-enclosed compartments communicate with each other by forming small membranous sacs or vesicles,that pinc
22、h off from one compartment,move through the cytosol,and fuse with another compartment in a process called vesicular transport（膜泡运输）Intracellular protein sorting and vesicular transporting细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 Protein sorting(蛋白分选):How proteins get to their appropriate destinations within the cell.Protein
23、 sorting depends on signals built into the amino acid sequence of the proteins Vesicular transport(膜泡运输):How vesicles shuttle proteins and membranes between cellular compartments细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统如通过核孔复 合体的运输（transport through nuclear pore)2.蛋 白质通过跨膜通道进入目的细胞器。3.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。(pro
24、tein sorting)细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统55细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统Transport from the cytoplasm into the nucleus through nuclear poresTransport from the cytoplasm to organelles by protein translocators in the membraneTransport from ER to other organelles occurs via vesicles细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定细胞内合成的蛋白
25、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：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信号序列（signal sequence）。其二是细胞器上具特定的信号识别装置信号识别装置(分选受体,sorting receptor）。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统G.Blobel等（1975）提出信号假说信号假说，认为蛋白质N-端的信号肽信号肽（signal peptide)，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。Blobel with members of his laboratoryGnter Blobel细胞内
26、膜系统蛋白质分选与膜泡系统 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。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分：蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分：1.信号肽(signal peptide):位于N端，约1630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(start transfer sequence)。2.信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP):属于RNP，由6种 多肽和一个7S RNA组成。能与信号序列结合，导致蛋白质合成 暂停。3.SRP
27、受体(又称停泊蛋白,docking protein,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(stop transfer sequence):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。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统蛋白质转入内质网合成的过程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）（边合成边
28、转运）。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统(internal membrane system)之间的物 质传递常常通过膜泡运输(vesicular transport)方式 进行。大多数运输小泡(transport vesicles)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。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统67细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 Continually bud off from and fuse to othe
29、r membrane compartments producing a constant flux of material Carry soluble proteins(in the lumen)and lipids&membrane proteins(in the bilayer)between compartments Are transported along microtubules by motor proteins细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统网格蛋白（clathrin）包被小泡COPI 包被小泡COPII 包被小泡1.选择性的将特定蛋白聚集在一起
30、，形成运输小 泡(transport vesicle)2.如同模具一样决定运输小泡的外部特征。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统包被类型包被类型GTP酶酶组成与衔接蛋白组成与衔接蛋白运输方向运输方向clathrinARFClathrin重链与轻链，重链与轻链，AP2质膜质膜内体内体Clathrin重链与轻链，重链与轻链，AP1高尔基体高尔基体内体内体Clathrin重链与轻链，重链与轻链，AP3高尔基体高尔基体溶酶体，溶酶体，植物液泡植物液泡COP IARFCOP高尔基体高尔基体内质网内质网COP IISar 1Sec23/Sec24复合体，复合体，Sec 13/31复合体，复合体，Sec 16
31、内质网内质网高尔基体高尔基体细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统负责蛋白质从高尔基体负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞质膜、胞 内体或溶酶体和植物液泡运输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在受体介导的细胞内吞途径也负责将物 质从质膜质从质膜内吞泡内吞泡(细胞质细胞质)胞内体胞内体 溶酶体运输溶酶体运输高尔基体高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成是网格蛋白包被小泡形成 的发源地的发源地 细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统73Clathrin coated vesicles细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统功能：负责回收、转运内质网逃逸蛋白（功能：
32、负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网，由）返回内质网，由7种蛋白组成种蛋白组成回收信号：回收信号：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）COP I也介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输也介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）(回收信号回收信号)细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统 负责从内质网负责从内质网高尔基体的物质运输；高尔基体的物质运输；COPII包被蛋白由包被蛋白由5种蛋白亚基组成；种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的；包被蛋白的装配是受控的；COPII包被小泡具有对转运物质的
33、选择包被小泡具有对转运物质的选择 性并使之浓缩。性并使之浓缩。细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统QuestionsPlease define the following items:cytosol,internal membrane system,endoplasmic reticulum,Golgi complex,lysosome,peroxisome,primary lysosome,secondary lysosome,signal peptide,signal recognition particle(SRP),vesicular transport,t
34、ransport vesicle2.What are the main functions of membrane-enclosed organelles in a typical eucaryotic cell?3.How proteins synthesized at the ribosomes are transported to various organelles?4.How do the clathrin-coated vesicles specifically select cargo molecules?5.What is the difference between the N-linked and O-linked glycosylation?
