醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué) 第三章細胞質(zhì)

第三章細胞質(zhì)第一節(jié)細胞質(zhì)基質(zhì)(Cytoplsmicmatrix)第二節(jié)核糖核蛋白體(Ribosome)第三節(jié)蛋白酶體(Proteasome)第四節(jié)泛素相關(guān)小修飾蛋白1細胞質(zhì)基質(zhì)有稱為細胞液或胞質(zhì)溶膠細胞質(zhì)中除去可分辨的有形結(jié)構(gòu)以外的膠狀物質(zhì)。屬細胞質(zhì)的可流動部分，含有多種蛋白和酶以及參與生化反應(yīng)的因子。是細胞的重要的結(jié)構(gòu)成分，其體積約占細胞質(zhì)體積的一半以上。第一節(jié)細胞質(zhì)基質(zhì)(Cytoplasmicmatrix)2第一節(jié)細胞質(zhì)基質(zhì)(Cytoplasmicmatrix)一、細胞質(zhì)基質(zhì)的化學(xué)組成小分子：水、無機鹽等；中等分子：脂類、糖類、氨基酸、核苷酸等；大分子：蛋白質(zhì)、RNA、多糖等。3第一節(jié)細胞質(zhì)基質(zhì)(Cytoplasmicmatrix)一、細胞質(zhì)基質(zhì)的功能許多中間代謝過程都在細胞質(zhì)基質(zhì)中進行糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑、糖原的合成與分解；蛋白質(zhì)的合成與脂肪酸的合成；蛋白質(zhì)的修飾、蛋白質(zhì)的選擇性降解等。與細胞質(zhì)骨架密切相關(guān)細胞質(zhì)骨架是細胞質(zhì)基質(zhì)結(jié)構(gòu)體系的組織者，為細胞質(zhì)基質(zhì)中其他成分和細胞器提供錨定位點。4核糖體是由核糖體RNA(rRNA)和蛋白質(zhì)組成的顆粒狀結(jié)構(gòu)。核糖體普遍存在于所有原核細胞和真核細胞(除成熟的紅細胞外)的細胞質(zhì)內(nèi)，真核細胞的線粒體和葉綠體也含有自己的核糖體。核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所。第二節(jié)核糖核蛋白體(Ribosome)5核糖體在生物體內(nèi)含有兩種類型：原核細胞含有70S的核糖體；小亞基為30S，是由16SrRNA和21種蛋白質(zhì)組成大亞基為50S，由23SrRNA、5SrRNA和31種蛋白質(zhì)組成。真核細胞為80S的核糖體。在真核細胞線粒體內(nèi)的核糖體近于70S。小亞基為40S，由18SrRNA和33種蛋白質(zhì)組成大亞基為60S，由28SrRNA、5.8SrRNA和5SrRNA及49種蛋白質(zhì)組成一、核糖體的基本類型與化學(xué)組成6原核細胞真核細胞7核糖體的化學(xué)組成主要是RNA和蛋白質(zhì)。核糖體的RNA稱為rRNA，蛋白質(zhì)稱為r蛋白質(zhì)。編碼rRNA的基因稱rDNA。一、核糖體的類型與化學(xué)組成8在電鏡下，核糖體是一種電子密度較高的圓形或橢圓形致密小顆粒，直徑15～30nm。每個核糖體由大、小兩個亞基組成。二、核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu)9大亞基側(cè)面觀略呈圓錐形，在一側(cè)伸出三個突起，稱為中央突、柄和嵴。中央突柄嵴谷大亞基二、核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu)10小亞基側(cè)面觀呈弧形，可分為頭、基部和平臺三部分組成。頭部基部平臺小亞基二、核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu)11大、小亞基結(jié)合時，二者凹陷的部位相互對應(yīng)，故在結(jié)合面上形成一個空隙，可以允許一條mRNA分子通過。二、核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu)mRNA12在大亞基中央有一與其底面相互垂直的中央管。在蛋白質(zhì)合成時，新合成的多肽鏈經(jīng)中央管釋放出來，以保護多肽鏈不受蛋白水解酶的分解。二、核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu)Themodelderivedfromanelectronmicroscopicreconstruction,showsayeastribosomewiththeproteintranslocatoroftheendoplasmicreticulumattached.Theholeinthecenterofthetranslocatorlinesuppreciselywiththeendofthetunnelinthelargeribosomalsubunitthroughwhichthenewlysynthesizedpolypeptidechain,shownasthestringofbeads,exitstheribosome.Thisisbestseeninthiscrosssection,inwhichthefronthalfoftheribosomeisremovedfromthemodel.13三、核糖體與蛋白質(zhì)合成核糖體的主要活性部位：與mRAN結(jié)合的位點：位于核糖體的小亞基上；與tRNA結(jié)合的位點：包括A位：氨酰-tRNA結(jié)合位點(Aminoacylsite，A位或受位）P位：肽酰-tRNA結(jié)合位點(Peptidylsite，P位或供位）E位：釋放的tRNA結(jié)合位點(Exitsite，E位)；肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點：在肽鏈延長時，具有催化進入核糖體的氨基酸之間形成肽鍵的作用；GTP酶活性位點：為肽酰-tRNA由A位轉(zhuǎn)至P位提供能量。14

A位：氨基酰位(Aminoacylsite)P位：肽酰位(Peptidylsite)E位：排出位(Exitsite)三、核糖體與蛋白質(zhì)合成15多聚核糖核蛋白體：在細胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)時，核糖體是由多個甚至幾十個串連在一條mRNA分子上，形成蛋白質(zhì)合成的功能單位，即多聚核糖核蛋白體

(Polyribosome或Polysome)，可同時合成多條同種多肽鏈，大大提高了蛋白質(zhì)合成的效率。三、核糖體與蛋白質(zhì)合成16蛋白質(zhì)的合成過程17細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解是一個高度復(fù)雜、精密調(diào)控的系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制著細胞內(nèi)某些蛋白質(zhì)的水平，在細胞的生命和死亡過程中起著重要作用。細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的壽命長短相差懸殊，短的只要幾分鐘，長的與機體的壽命等長。蛋白質(zhì)的壽命主要由其降解來控制。第三節(jié)蛋白酶體(Proteasome)18溶酶體內(nèi)降解過程不依賴ATP利用組織蛋白酶降解外源性蛋白質(zhì)；胞質(zhì)內(nèi)老化或有缺陷的細胞器中的蛋白質(zhì)。泛素-蛋白酶體途徑(Ubiquitin-proteasomepathway，UPP)依賴ATP降解異常蛋白短壽命蛋白靶蛋白蛋白酶體泛素第三節(jié)蛋白酶體(Proteasome)真核生物中蛋白質(zhì)的降解有兩條途徑：19蛋白酶體是一個26S的多亞單位蛋白酶復(fù)合體，呈中空、圓桶狀，由20S催化亞單位和19S調(diào)節(jié)亞單位兩大部分組成。蛋白酶體對蛋白質(zhì)的降解是與其周圍環(huán)境隔離的。降解的蛋白質(zhì)主要包括兩大類:一類是錯誤折疊或異常的蛋白質(zhì)；另一類是需要進行數(shù)量調(diào)控的蛋白質(zhì)。降解過程需要ATP，由泛素分子與蛋白酶體共同完成對靶蛋白的降解。第三節(jié)蛋白酶體(Proteasome)20蛋白酶體——2004年諾貝爾化學(xué)獎阿龍·切哈諾沃阿弗拉姆·赫爾什科歐文·羅斯泛素－蛋白酶體途徑不僅是破壞異常的或不需要的靶蛋白的重要機制之一，而且是調(diào)節(jié)多種重要生命活動的關(guān)鍵機制。

第三節(jié)蛋白酶體(Proteasome)21存在部位：存在于真核細胞中的細胞質(zhì)和細胞核；大小：26S，故又稱為26S蛋白酶體。組成：由一個20S核心顆粒(CoreParticle,CP)和1-2個19S調(diào)節(jié)顆粒(RegulatorParticle,RP)組成。一、蛋白酶體的結(jié)構(gòu)20S蛋白酶體

(核心顆粒CP)19S帽(調(diào)節(jié)顆粒RP)19S帽(調(diào)節(jié)顆粒RP)22(一)20S蛋白酶體核心顆粒的沉降系數(shù)為20S，又稱20S蛋白酶體，是26S蛋白酶體的催化核心。20S蛋白酶由4個環(huán)組成，每個環(huán)有7個亞單位。中間是兩個亞單位環(huán)；兩側(cè)是兩個亞單位環(huán)；真核生物中，、亞單位同源性很高但又各不相同，而原核生物則7個和7個亞單位完全相同。20S蛋白酶體由旋轉(zhuǎn)方向相反的環(huán)形成的結(jié)構(gòu)。

23亞單位環(huán)組成一個直徑為5nm的中心腔(Centralcavity,CC)，腔內(nèi)側(cè)存在催化活性位點。和亞單位構(gòu)成外腔(Antechamber,AC)。亞單位環(huán)形成一個直徑約1.3nm的入口，控制底物和產(chǎn)物的進出，僅允許解折疊的多肽通過?；钚圆课?6S蛋白酶體

(一)20S蛋白酶體CCACAC24控制被降解底物進入蛋白酶體α環(huán)中央口被α亞單位N末端肽鏈所占據(jù)，使外側(cè)的α環(huán)完全關(guān)閉，防止細胞內(nèi)不應(yīng)被水解的蛋白質(zhì)進入圓筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部與酶的催化部位相接觸而遭到水解破壞。α3亞單位控制α環(huán)的關(guān)閉，與其它α亞單位的N末端相互作用。α環(huán)的7個亞單位均無催化活性，但它們可提供不同調(diào)節(jié)亞單位復(fù)合體（19S或11S復(fù)合體等）的錨定位點。α亞單位含核定位信號，可標(biāo)定蛋白酶體進入核內(nèi)。允許降解產(chǎn)物出蛋白酶體1.α亞單位25真核生物中，20S蛋白酶體的β亞單位環(huán)上各有3個活性位點(b5/K33，b2/D17，b1/T1)，共6個活性位點。3個活性β-亞單位以前體形式存在，經(jīng)自身剪切，使活性中心的蘇氨酸殘基暴露于成熟亞單位的N-端。β亞單位環(huán)上3個活性位點分別對蛋白質(zhì)的疏水性、堿性、酸性氨基酸殘基的羧基端進行水解，即分別具有糜蛋白酶樣（chymotrypsin-like）活性胰蛋白酶樣（trypsin-like）活性肽－谷氨酰－肽水解(peptidylglutamyl-peptidehydrolysing，PGPH)活性。2.β亞單位26b5/K33疏水性-aa糜蛋白酶樣活性b2/D17堿性-aa胰蛋白酶樣活性b1/T1

酸性-aa肽－谷氨酰－肽水解活性β亞單位活性位點靶蛋白水解部位酶活性2.β亞單位27(二)19S調(diào)節(jié)顆粒位于20S蛋白酶體的一端或兩端。由17個不同的亞單位構(gòu)成，這些亞單位又分為兩部分：蓋部(Lidsubcomplex)基底部(Basesubcomplex)281.19S調(diào)節(jié)顆粒基底部基底部含有:6個屬于AAA家族的ATPase亞單位，Rpt1-6(Rpt，regulatoryparticleATPase)；2個非ATPase亞單位，Rpn1、2(Rpn，regulatoryparticlenon-ATPase)。29蓋部由9個Rpn亞單位構(gòu)成。Rpn11亞單位具有去泛素化作用，可水解多聚泛素鏈，使泛素從Ub－蛋白質(zhì)上釋放出來。Rpn10連接基底部和蓋部以及19S復(fù)合體中其它的亞單位。2.19S調(diào)節(jié)顆粒蓋部30參與靶蛋白的識別：識別泛素化的蛋白質(zhì)：作為多泛素鏈的特異性受體(Rpn10、Rpt5)；打開α環(huán)口：ATP水解供能底物蛋白質(zhì)的解折疊并發(fā)生變性；α環(huán)口打開，將底物送入蛋白酶體。3.19S復(fù)合體功能19S復(fù)合體對20S蛋白酶體的活性至關(guān)重要。如無19S復(fù)合體，則20S蛋白酶體不能降解泛素化蛋白質(zhì)。31去泛素化作用連接基底部和蓋部參與靶蛋白的識別3233(一)泛素－蛋白酶體系統(tǒng)對靶蛋白的選擇(二)靶蛋白的泛素化(三)蛋白酶體對泛素化蛋白質(zhì)的降解(四)去泛素化(五)靶蛋白的降解調(diào)控二、泛素－蛋白酶體系統(tǒng)對蛋白質(zhì)的降解34N端原則(N-endrule)：每一種蛋白質(zhì)都有壽命特征,稱為半衰期(half-life)。蛋白質(zhì)的半衰期與多肽鏈N端特異的氨基酸有關(guān)，它們對蛋白質(zhì)的壽命有控制作用。N端為蛋氨酸或纈氨酸的多肽，壽命就長；N端為精氨酸或賴氨酸的多肽，壽命就很短。

蛋白質(zhì)N端與半衰期的關(guān)系，稱為N端規(guī)則。(一)泛素－蛋白酶體系統(tǒng)對靶蛋白的選擇35蛋白質(zhì)半壽期與N末端氨基酸序列的關(guān)系N端氨基酸殘基半壽期（t1/2）穩(wěn)定的氨基酸殘基Met，Gly，Ala，Ser，Thr，Val>20h不穩(wěn)定的氨基酸殘基Ile，Gln~30minTyr，Glu~10minPro~7min

Leu，Phe，Asp，Lys~3min

Arg~2min(一)泛素－蛋白酶體系統(tǒng)對靶蛋白的選擇362.降解信號：某些氨基酸序列作為：例如周期蛋白破壞框(Destructionbox)Arg-X-X-Leu-Gly-X-Ile-Gly-Asp/AsnPEST序列Pro-Glu-Ser-Thr(一)泛素－蛋白酶體系統(tǒng)對靶蛋白的選擇37383.疏水核心信號：埋藏在蛋白質(zhì)疏水核心中的信號：當(dāng)發(fā)生變性、非正常折疊、被氧化或其它非正常修飾時，則可暴露在分子表面，從而被泛素蛋白連接酶E3作為降解信號識別。(一)泛素－蛋白酶體系統(tǒng)對靶蛋白的選擇391.泛素(Ubiquitin,Ub)一種普遍存在于真核細胞中的小分子蛋白質(zhì)，由76個氨基酸殘基組成。泛素分子結(jié)構(gòu)高度保守。酵母和人類的泛素分子僅有3個氨基酸殘基的差異。X線衍射分析，泛素呈緊密的球狀結(jié)構(gòu)，包括4個β片層和1個α螺旋，共形成三個半轉(zhuǎn)角。(二)靶蛋白的泛素化40泛素是一種熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)，通過共價鍵與其它蛋白質(zhì)相結(jié)合。泛素羧基端的Gly76與蛋白質(zhì)(或下一個泛素分子)的Lys-氨基共價連接，形成異肽鍵(-isopeptidebond)，由ATP供能。一個泛素分子有7個Lys殘基(K6，K11，K27，K29，K33，K48

和K63)；一旦有泛素分子連接到靶蛋白上，下一個泛素分子的羧基端Gly76又可以連接到前一個泛素分子的Lys殘基上，形成多聚泛素鏈。(二)靶蛋白的泛素化41各個泛素分子單體之間連接的位點主要是Lys48，在某些情況下也可能是Lys63、Lys29。只有K48型泛素鏈和K29型泛素鏈進入蛋白酶體降解途徑。K63連接而成的多聚泛素鏈主要參與泛素的非蛋白質(zhì)降解功能，在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、DNA修復(fù)等過程中發(fā)揮作用。泛素本身并不降解蛋白質(zhì)，它僅作為一個標(biāo)簽標(biāo)記需要被降解的靶蛋白。

(二)靶蛋白的泛素化422.蛋白質(zhì)的泛素化：是一個依賴ATP的酶促反應(yīng)過程，涉及三種酶，包括三個步驟。泛素活化酶(E1)、泛素結(jié)合酶(E2)及泛素蛋白質(zhì)連接酶(E3)三個步驟E1激活泛素分子；活化的泛素轉(zhuǎn)移到E2上；E3將泛素分子轉(zhuǎn)移到靶蛋白上。(二)靶蛋白的泛素化43(二)靶蛋白的泛素化泛素可以直接從E2轉(zhuǎn)移給靶蛋白形成Ub-蛋白復(fù)合物，稱為E3非依賴的連接反應(yīng)。泛素可以通過E3轉(zhuǎn)移給靶蛋白形成Ub-蛋白復(fù)合物,稱為E3依賴的連接反應(yīng)。44E1只有一個；E2則包括一個蛋白質(zhì)家族，哺乳動物的組織中有30多種；E3大約有數(shù)百種，在泛素-蛋白酶體途徑中，E3在選擇靶蛋白的過程中起著關(guān)鍵的作用，因為每一特異E3通常選擇性地結(jié)合一種靶蛋白使其泛素化。(二)靶蛋白的泛素化45(三)蛋白酶體對泛素化蛋白質(zhì)的降解蛋白酶體識別多聚泛素化的蛋白質(zhì)最少含4個G76-K48

異肽鍵的泛素鏈。26S蛋白酶體對底物的降解是一種processive方式，沒有降解