真核細胞內膜系統(tǒng)蛋白質分選與膜泡運輸

關于真核細胞內膜系統(tǒng)蛋白質分選與膜泡運輸第1頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五真核細胞在進化上一個顯著特點就是出現了細胞內的區(qū)隔（intracellularcompartment），細胞質被分隔成不同的由膜包裹的區(qū)室，即被膜細胞器（MembraneBoundOrganelles

）。第2頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五內質網、高爾基體、溶酶體、胞內體和分泌泡等雖然具有各自獨立的結構和功能，但它們之間又緊密相關，每個細胞器都作為相互協調的功能單位的一部分而發(fā)揮作用。因而被總稱為細胞內膜系統(tǒng)（endomembranesystem）。(seenext)第3頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五EndosymbiosisEvolutionofNuclearMembraneandER從系統(tǒng)發(fā)生來看內膜系統(tǒng)起源于質膜的內陷和內共生。從個體發(fā)生來看新細胞的內膜系統(tǒng)來源于原有內膜系統(tǒng)的分裂，具有核外遺傳的特性。第4頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五真核細胞的細胞質中，除去可分辨的細胞器以外的膠狀物質，稱細胞質基質（cytoplasmicmatrixorcytomatrix）。第5頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五本章內容第一節(jié)細胞質基質的涵義與功能第二節(jié)細胞內膜系統(tǒng)及其功能第三節(jié)細胞內蛋白質的分選與膜泡運輸第6頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五第一節(jié)細胞質基質的涵義與功能也被稱為：細胞液(cellsap)，透明質(hyaloplasm)，胞質溶膠(cytosol)成分：主要含有與中間代謝有關的數千種酶類，與維持細胞形態(tài)和細胞內物質運輸有關的細胞質骨架。水和無機離子（K、Na、Mg、Ca、Cl)脂、糖、氨基酸、核苷酸及其衍生物蛋白質、脂蛋白、多糖、RNA糖原等一些處于貯存狀態(tài)的重要化合物第7頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五細胞質基質的功能完成各種中間代謝過程如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等與細胞質骨架相關的功能維持細胞形態(tài)、細胞運動、胞內物質運輸及能量傳遞等蛋白質的修飾、蛋白質選擇性的降解蛋白質的修飾控制蛋白質的壽命降解變性和錯誤折疊的蛋白質幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新折疊，形成正確的分子構象

第8頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五第二節(jié)細胞內膜系統(tǒng)及其功能內質網高爾基體溶酶體第9頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五一、內質網K.R.Porter等于1945年發(fā)現于培養(yǎng)的小鼠成纖維細胞，因最初看到的是位于細胞質內部的網狀結構，故名內質網（endoplasmicreticulum，ER）。分類組成功能第10頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五根據是否附有核糖體：粗面內質網（糙面內質網，routhendoplasmicreticulum,rER)有核糖體附著光面內質網（滑面內質網，smoothendoplasmicreticulum,sER)無核糖體附著光面內質網往往作為出芽的位點,將內質網上合成的蛋白質或脂類轉運到高爾基體。1、分類第11頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五2、結構和組成形態(tài)結構ER由封閉的膜系統(tǒng)及其形成的腔構成相互溝通的網狀結構。它從核膜延伸至細胞質中，靠近細胞質內側。（next）ER是真核細胞中最大的細胞器ER的膜占細胞膜系統(tǒng)的一半所包圍的體積占細胞總體積的10%第12頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五超薄和掃描電鏡觀察的內質網上部介透射電鏡照片,下部是掃描電鏡照片粗面內質網呈扁平囊狀，排列整齊光面內質網呈分支管狀或小泡狀第13頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五特征：大大增加了細胞內膜的表面積，為多種酶體系提供了大面積的結合位點。完整的封閉體系將其上合成的物質與細胞基質中合成的物質分隔開，利于它們的加工和運輸。組成：內質網是膜囊結構，所以構成內質網的主要化學成份是蛋白質和脂。葡萄糖-6-磷酸酶，普遍存在于內質網，被認為是標志酶第14頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五微粒體(microsome)：內質網的一種特化類型在細胞勻漿和差速離心過程中獲得的由破碎的內質網自我融合形成的近似球形的膜囊泡狀結構。在體外實驗中,具有蛋白質合成、蛋白質糖基化和脂類合成等內質網的基本功能。第15頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五3、內質網的功能（1）蛋白質的合成

分泌性蛋白質；膜整合蛋白；細胞器中的可溶性駐留蛋白。（2）脂質的合成（3）蛋白質的修飾與加工（4）新生多肽的折疊與裝配（5）內質網的解毒功能（6）內質網具有儲存Ca2+的功能第16頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五脂質的合成內質網合成構成細胞所需的包括磷脂和膽固醇在內的幾乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰膽堿（卵磷脂）。合成磷脂所需要的3種酶（如?；D移酶，磷酸酶，膽堿磷酸轉移酶）都定位在內質網膜上，其活性部位在膜的細胞質基質一側。第17頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五

Thesynthesisofphosphatidylcholine.Thisphospholipidissynthesizedfromfattyacyl-coenzymeA(fattyacylCoA),glycerol3-phosphate,andcytidine-bisphosphocholine(CDP-choline)第18頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五轉位：在內質網上合成的磷脂幾分鐘之后就由胞質溶膠面轉向膜的另一面，即內質網腔面,磷脂的轉位是由內質網膜中磷脂轉位蛋白(phospholipidtranslocator)或稱翻轉酶（flippase）幫助的。轉運:內質網中的磷脂向其它膜的轉運有兩種方式：出芽(budding)：ER→GC、Ly、PM磷脂轉換蛋白(phospholipidexchangeproteins,PEP）：磷脂分子+PEP→細胞質基質→靶膜（線粒體、過氧化物酶體的膜）(seenext)第19頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五糖原分解與游離葡萄糖釋放在肝細胞中,糖原裂解釋放葡萄糖-1-磷酸,然后再轉變成葡萄糖-6-磷酸,由于磷酸化的葡萄糖不能通過細胞質膜,光面內質網上的葡萄糖-6-磷酸酶將葡萄糖-6-磷酸水解為葡萄糖和磷酸后,葡萄糖就可穿過細胞質膜進入血液第20頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五解毒作用(detoxification)肝細胞中的光面內質網很豐富，其中含有一些酶，用以清除脂溶性廢物和代謝產生的有害物質。如細胞色素P-450家族酶系能使聚集在光面內質網上的不溶于水的廢物或代謝產物羥基化而完全溶于水轉運出細胞進入尿液中。第21頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五貯Ca2+功能：肌質網(sarcoplasmicreticullum)是肌細胞內特化的光面內質網,是貯存Ca2+的細胞器。第22頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五TranslocationofsolubleproteinsacrossER蛋白質的合成向細胞外分泌的蛋白質膜的整合蛋白質細胞器中可溶性駐留蛋白質（solubleproteinsthatresidewithincompartmentsoftheendomembranesystem）第23頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五蛋白質的修飾與加工包括糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵形成等，其中最主要的是糖基化，幾乎所有內質網上合成的蛋白質最終被糖基化。糖基化的作用：使蛋白質能夠抵抗消化酶的作用；賦予蛋白質傳導信號的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正確折疊。在進化上，寡糖鏈具有一定的剛性，從而限制了其它大分子接近細胞表面的膜蛋白，這就可能使真核細胞的祖先具有一個保護性的外被，同時又不象細胞壁那樣限制細胞的形狀與運動。第24頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五內質網上進行N-連接的糖基化。N-linkedglycosylation：與天冬酰胺殘基的NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。ProteinglycosylationinRER第25頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五新生多肽的折疊與裝配二硫鍵異構酶（proteindisulfideisomerase，PDI：ER駐留蛋白）催化新合成的蛋白形成和改組二硫鍵，形成正確的折疊狀態(tài)。分子伴侶BiP（Bindingprotein）識別錯誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進重新折疊與裝配。不能正確折疊的畸形肽鏈或未裝配成寡聚體的蛋白質亞單位，不能進入高爾基體。這些多肽一旦被識別，便從內質網腔轉至細胞質基質（通過Sec61p復合體），被蛋白酶體（proteasomes－protein-degradingmachine）所降解。（seenext）第26頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五第27頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五二、高爾基體高爾基體（Golgibody），也稱高爾基器(Golgiapparatus)或高爾基復合體(Golgicomplex)最早發(fā)現于1855年，1889年，Golgi用銀染法，在貓頭鷹的神經細胞內觀察到了清晰的結構，因此定名為高爾基體。20世紀50年代以后才正確認識它的存在和結構。1909年諾貝爾獎。GolgiApparatusinaplantparenchymacellfromSauromatumguttatum(TEMx145,700).第28頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五組成：高爾基體膜含有大約60%的蛋白和40%的脂類。從蛋白質含量看,高爾基復合體高于內質網和質膜（分別為20%和40%）。從總磷脂看,高爾基體介于內質網和質膜之間。標志酶為糖基轉移酶。還有磺基-糖基轉移酶、氧化還原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、轉移酶和磷脂酶等不同的類型。1、形態(tài)和組成第29頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五功能區(qū)隔：CGNMedialGolgiTGN第30頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五CGN最內側稱高爾基體順面網絡結構（cisGolginetwork，CGN），呈相互連接的管網結構（interconnectednetworkoftubules）,是高爾基體的入口區(qū)域。DiagramofGolgibody.Vesiclesarriveatthecisfaceandleavefromtransface.Theinternalcompartmentofeachmembranesaciscalleda“cisterna”(pl.cisternae).第31頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五GolgiStack：高爾基體的主體由一系列大的、扁平膜囊和管道組成，形成不同間隔，但功能上是連續(xù)的?？煞譃轫樏婺つ遥╟iscisternae）、中間膜囊（medialcisternae）和反面膜囊（transcisternae）。多數糖基化修飾、糖脂的形成以及與高爾基體有關的多糖的合成都發(fā)生在此。第32頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五TGN：反面最外側稱高爾基體反面網絡結構（transGolginetwork，TGN），呈管網狀，并有囊泡與之相連。是高爾基體的出口區(qū)域，功能是參與蛋白質的分類與包裝，最后輸出。第33頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五2、高爾基體的功能蛋白質運輸和分選（sorting）蛋白質修飾水解糖基化硫酸化：蛋白聚糖膜循環(huán)：內質網上合成的脂質一部分轉移至高爾基體后，經過修飾和加工，形成運輸泡，向細胞膜和溶酶體膜等部位運輸。第34頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五高爾基體的主要功能是將內質網合成的多種蛋白質進行加工、分類與包裝，然后分門別類地運送到細胞特定的部位或分泌到細胞外。(見第三節(jié))第35頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五糖基化O-連接的糖基化在高爾基體中進行，糖的供體為核苷糖（半乳糖或N-乙酰半乳糖胺）。將糖鏈轉移到多肽鏈的絲氨酸、蘇氨酸或羥賴氨酸的羥基上。N-連接的寡聚糖進一步加工內質網上：磷酸多萜醇上的糖基轉移到多肽的天冬酰胺（Asn）上；高爾基體：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的單糖，形成成熟的糖蛋白。第36頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五蛋白質糖基化類型特征

N-連接

O-連接1.合成部位粗面內質網高爾基體2.合成方式來自同一個寡糖前體一個個單糖加上去3.與之結合的氨基酸殘基天冬酰胺絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸、羥脯氨酸4最終長度至少5個糖殘基一般1～4個糖殘基，但ABO血型抗原較長5.第一個糖殘基

N—乙酰葡萄糖胺N—乙酰半乳糖胺等第37頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五蛋白質在高爾基體中酶解加工無生物活性的蛋白原（proprotein）高爾基體切除N-端或兩端的序列成熟的多肽。如胰島素、胰高血糖素及血清白蛋白等。蛋白質前體高爾基體水解同種有活性的多肽，如神經肽等。含有不同信號序列的蛋白質前體高爾基體加工成不同的產物。同一種蛋白質前體不同細胞、以不同的方式加工不同的多肽。第38頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五三、溶酶體與過氧化物酶體（一）溶酶體及其類型1955年,deDuve與Novikoff首次發(fā)現溶酶體(lysosome)。它是單層膜圍繞、內含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，其主要功能是進行細胞內消化。溶酶體幾乎存在于所有動物細胞中，植物細胞內也有與溶酶體功能類似的細胞器――圓球體及液泡。第39頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五溶酶體膜雖然與質膜厚度相近，但成分不同，主要區(qū)別是：①膜有質子泵，將H+泵入溶酶體，使其pH值降低。②具有多種載體蛋白用于水解的產物向外轉運。③膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。第40頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五溶酶體是一種異質性的細胞器，形態(tài)大小及內含的水解酶種類都可能有很大的不同，標志酶為酸性磷酸酶。根據完成其生理功能的不同階段可分為:

（1）初級溶酶體(primarylysosome)

（2）次級溶酶體(secondarylysosome)

（3）殘余小體(residualbody)第41頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五內含物均一，無明顯顆粒，由高爾基體分泌形成，含有多種水解酶，已知60余種，均屬于酸性水解酶，反應的最適PH值為4.6（5.0）左右。（1）初級溶酶體（primarylysosome）第42頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五Secondarylysosome是正在進行或完成消化作用的溶酶體，內含水解酶和相應的底物，可分為：

自噬溶酶體（autophagolysosome）和異噬溶酶體(phagolysosome)。（2）次級溶酶體（secondarylysosome）第43頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五肝細胞脂褐質又稱后溶酶體（post-lysosome）已失去酶活性，僅留未消化的殘渣，故名。殘體可通過外排作用排出細胞，也可能留在細胞內逐年增多，如表皮細胞的老年斑，肝細胞的脂褐質。（3）殘體（residualbody）第44頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五（二）溶酶體的功能1、清除無用的生物大分子、衰老細胞器、衰老損傷和死亡的細胞、個體發(fā)育中多余的細胞；2、防御作用(如巨噬細胞殺死病原體)；3、通過細胞內消化為細胞提供營養(yǎng)（如高等動物內吞低密度脂蛋白獲得膽固醇，單細胞真核生物利用溶酶體消化食物。4、參與分泌過程的調節(jié)（如將甲狀腺球蛋白降解成有活性的甲狀腺素）；5、在受精過程中的作用。第45頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五動物細胞溶酶體系統(tǒng)示意圖第46頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五（三）溶酶體的發(fā)生溶酶體酶的合成及N-連接的糖基化修飾（rER）高爾基體cis膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉移酶磷酸葡萄糖苷酶M6P高爾基體trans-膜囊和TGN膜（M6P受體）溶酶體酶分選與局部濃縮以出芽的方式轉運到前溶酶體第47頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五溶酶體的發(fā)生h11shengke1@126.com第48頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五（四）溶酶體與疾病1、矽肺2、肺結核3、類風濕性關節(jié)炎4、各類貯積癥第49頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五（五）過氧化物酶體過氧化物酶體(peroxisom)又稱微體(microbody)，是由單層膜圍繞的內含一種或幾種氧化酶類的異質性細胞器。

1、過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別2、過氧化物酶體的功能3、過氧化物酶體的發(fā)生第50頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五第三節(jié)細胞內蛋白質的分選與膜泡運輸蛋白質分選（Proteinsorting）:絕大多數蛋白質均在細胞質基質中的核糖體上開始合成，隨后，或在細胞質基質中或運至糙面內質網上繼續(xù)合成。然后，通過不同的途徑轉運到細胞的特定部位，也只有轉運到正確的部位并裝配成結構與功能復合體，才能參與細胞的生命活動。這一過程稱蛋白質的定向轉運或分選。第51頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五一、信號假說與與分泌性蛋白質的合成（一）信號假說為什么有些蛋白質在細胞質基質中合成，而有些在糙面內質網上合成呢？Blobel推測分泌性蛋白N端序列作為信號肽，指導分泌性蛋白到內質網膜上合成，在蛋白合成結束之前信號肽被切除。這就是1975年，美國紐約洛克菲勒大學的GunterBlobel等提出的信號肽假說（G.Blobel因此而獲得1999年諾貝爾生理學/醫(yī)學獎）。第52頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五現已確認，指導分泌性蛋白在糙面內質網上合成的決定因素除了蛋白質N端的信號肽（signalsequence或signalpeptide）外，還有信號識別顆粒（signalrecognitionparticle,SRP）以及位于內質網膜上的信號識別顆粒受體（又稱停泊蛋白dockingprotein,DP）和易位子等組分。

第53頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五分泌性蛋白在內質網上的合成過程如下：①蛋白質首先在細胞質基質游離核糖體上起始合成，當多肽鏈延伸至80個氨基酸左右后，N端的信號肽與信號識別顆粒結合使肽鏈延伸暫時停止，并防止新生肽N端損傷和成熟前折疊，直至信號識別顆粒與內質網膜上的停泊蛋白結合，核糖體與內質網膜上的易位子結合。②核糖體結合到內質網膜上后，信號識別顆粒脫離信號序列和核糖體，返回細胞質基質中重復使用，肽鏈又開始延伸。③信號肽與易位子結合并使孔道打開，信號肽穿入內質網膜并引導肽鏈以袢環(huán)形式進入內質網腔中，與此同時，腔面上的信號肽酶切除信號肽。肽鏈繼續(xù)延伸直至完成整個多肽鏈的合成。第54頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五（二）信號肽與共轉移信號肽（signalpeptide)：信號肽位于蛋白質的N端，一般有16－26個氨基酸殘基，分三個區(qū)：N端為親水區(qū)含堿性氨基酸,帶正電荷。中間疏水區(qū)含中性或疏水性氨基酸。C端是信號肽酶切割信號肽的部位。以上這種肽鏈邊合成邊轉移至內質網腔中的方式稱共轉移，信號肽可以看作為開始轉移序列。

第55頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五（三）信號肽與后轉移線粒體、葉綠體中絕大多數蛋白質以及過氧化物酶體中的蛋白質也是在某種信號序列的指導下進入這些細胞器中。這種序列稱為導肽或前導肽，其基本特征是蛋白質在細胞質基質中合成以后再轉移到這些細胞器中，因此稱后轉移。

第56頁，共62頁，2022年，5月20日，17點19分，星期五二、蛋白質分選