細胞質基質與內膜系統(tǒng)

關于細胞質基質與內膜系統(tǒng)第1頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)細胞內蛋白質的分選與膜泡運輸一、信號假說與蛋白質分選信號

蛋白質是由核糖體合成的，合成之后必須準確無誤地運送到細胞的各個部位——蛋白質分選。蛋白質的分選作用是由信號序列和受體之間的相互作用決定的。

為什么有些蛋白質在細胞質中合成，有些則在粗面內質網(wǎng)上合成？第2頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三游離核糖體與附著核糖體在結構和功能上是相同的，為何附著核糖體要與內質網(wǎng)膜結合？而游離核糖體不能與內質網(wǎng)結合？第3頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三★信號序列的發(fā)現(xiàn)與證實二十世紀六十年代，Colvin和David用分離的RER小泡研究附著核糖體合成的蛋白質的去向第4頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三第5頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三實驗結果表明附著核糖體合成的蛋白質能夠跨過內質網(wǎng)的膜進入內質網(wǎng)腔是什么原因指導新生肽跨過內質網(wǎng)的膜？又是什么原因決定核糖體在合成蛋白時是游離存在還是附著到內質網(wǎng)上？第6頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

1971年美國洛克菲勒大學Blobel、David等推測：蛋白質合成的地點是由多肽N－末端一段氨基酸序列決定的，這一段氨基酸序列在蛋白質合成時最先出現(xiàn)在核糖體上。提出◆分泌蛋白的N-端含有一段特別的信號序列，可將正在合成的多肽引導到ER膜上?！舳嚯耐ㄟ^ER膜上的轉運通道進入ER腔中，并推測多肽是在合成的同時轉移的第7頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三1972年，Milstein和他的同事用無細胞蛋白質合成系統(tǒng)研究免疫球蛋白(IgG)輕鏈合成時獲得了信號序列存在的直接證據(jù)：

用分離純化的核糖體在無細胞體系中用編碼免疫球蛋白輕鏈的mRNA指導合成多肽，發(fā)現(xiàn)合成的多肽比分泌到細胞外的成熟的免疫球蛋白在N端有一段多出的肽鏈，有20個氨基酸。第8頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三◆加與不加RER小泡，產(chǎn)物不同將分泌蛋白的mRNA在無細胞體系中進行翻譯時，如果不加微粒體，得到的翻譯產(chǎn)物比從細胞中分泌出來的蛋白質要長，但添加RER小泡后，翻譯的產(chǎn)物與從活細胞分泌的蛋白質相同。其他實驗推測：信號序列在引導蛋白進入內質網(wǎng)后被切除第9頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三第10頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三信號肽的共同特征：長度為16～26個氨基酸殘基，N-末端含有一個或多個帶正電荷的氨基酸，其后是6～12個連續(xù)的疏水殘基；在蛋白質合成中將核糖體引導到內質網(wǎng)，進入內質網(wǎng)后通常被切除；無嚴格的特異性。＋＋＋帶正電荷的N-末端疏水區(qū)切割信號N第11頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三定位信號序列核定位信號引導肽信號肽信號序列的種類◆與生俱來的三種信號序列●壽命信號●加工信號●定位信號第12頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三1975年Bloble提出信號假說，認為附著核糖體與內質網(wǎng)結合與核糖體本身無關，而與跟核糖體結合的mRNA，也就是要合成的蛋白質的種類有關，分泌蛋白等的mRNA起始密碼子AUG之后含有信號密碼，蛋白質合成時，先在游離的核糖體上由信號密碼翻譯一段16－26個氨基酸組成的肽鏈，稱信號肽?！镄盘柤僬f（signalhypothesis）第13頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三◆如果合成的是分泌蛋白，信號序列被切除，進入內質網(wǎng)的腔，如果是膜蛋白，則由一個或多個停止轉移信號將蛋白質錨定在內質網(wǎng)膜上。信號假說的要點

◆分泌蛋白的合成始于細胞質中的游離核糖體◆合成的N端信號序列露出核糖體后，靠自由碰撞與內質網(wǎng)接觸，然后靠N端信號序列的疏水性氨基酸插入內質網(wǎng)的膜◆蛋白繼續(xù)合成，并以絆環(huán)形式穿過內質網(wǎng)的膜第14頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三信號假說（signalhypothesis,Bloble1975)信號序列信號肽酶第15頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三第16頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三信號假說的證明實驗第17頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三★新蛋白復合物的發(fā)現(xiàn)

與信號肽假說的補充◆信號識別顆粒（SRP）：核糖核酸蛋白復合體，6條多肽+7SRNA，有三個功能位點：

●翻譯暫停結構域●信號肽識別結合位點●SPR受體結合位點

功能：引導信號肽到內質網(wǎng)腔；第18頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三第19頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三◆停泊蛋白（dockingprotein，DP)是SRP在內質網(wǎng)膜上的受體蛋白，能夠與結合有信號序列的SRP結合，使正在合成蛋白質的核糖體停靠到內質網(wǎng)上。是一種G蛋白。第20頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三信號序列與SPR引導核糖體附著到ER膜第21頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三★補充修改后的信號肽假說(1)ER蛋白質合成的起始

始于胞質溶膠中的游離核糖體，蛋白質合成地點由其mRNA決定.(2)SRP-核糖體復合體的形成

SRP的信號識別位點識別新生肽的信號肽并與之結合,蛋白質合成暫時停止。（SRP為G蛋白）

(3)核糖體與內質網(wǎng)膜結合

結合有信號肽的SRP-核糖體復合體與SRP受體（停泊蛋白DP）結合，

DP也為G蛋白第22頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三（5）信號肽酶切除信號肽，肽鏈繼續(xù)延伸（6）蛋白質合成結束蛋白轉運通道關閉，核糖體與內質網(wǎng)脫離進入胞質溶膠開始新的蛋白質的合成。(4)SRP釋放與蛋白質轉運通道（易位子）的打開，新生肽插入通道，信號肽與通道中受體結合，引導肽鏈以絆環(huán)形式進入內質網(wǎng)腔第23頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三分泌性蛋白合成的信號肽學說信號肽轉運通道易位子分子伴侶胞質溶膠內質網(wǎng)腔第24頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三起始轉移序列(starttransfersignal)

停止轉移序列(stoptransfersignal)

內信號序列(internalsignalpeptide)：不位于N-末端，不被切除，也是起始轉移信號序列膜整合蛋白的共翻譯轉運機制在RER合成的蛋白質有兩類：分泌蛋白和膜蛋白，分泌蛋白合成后通過對信號肽切除，就可釋放到內質網(wǎng)腔中成為可溶蛋白，再進行下游的運輸。而膜蛋白需要保持在內質網(wǎng)膜上，其共翻譯轉運較為復雜。涉及以下幾種信號序列第25頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三分泌蛋白的共轉移第26頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三單次跨膜蛋白的共轉移機制第27頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三二次跨膜蛋白的共轉移機制內信號序列第28頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三蛋白質轉移的方式共轉移:肽鏈在粗面內質網(wǎng)膜上邊合成邊轉移到內質網(wǎng)腔中后轉移:蛋白質在細胞質基質中合成以后在某種信號指導下再轉移到線粒體、葉綠體、過氧化氫體等細胞器中的轉移方式.這類信號序列稱導肽.需要ATP使多肽去折疊；需要一些蛋白質（如熱休克蛋白Hsp70）幫助其正確地折疊成有功能的蛋白.第29頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三幾種典型的蛋白質分選信號序列信號功能舉例蛋白進入ER+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Ler-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-滯留在ER中-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-蛋白進入線粒體+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-進入細胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-進入過氧化物酶體-Ser-Lys-Leu-第30頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三內質網(wǎng)高爾基體細胞表面溶酶體分泌顆粒核糖體

線粒體過氧化物酶體

細胞核胞質溶膠二、細胞內蛋白質分選途徑和類型葉綠體游離核糖體附著核糖體兩條途徑：翻譯后轉運途徑共翻譯途徑第31頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三1、在細胞質蛋白質分選基本途徑共轉移后轉移第32頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三蛋白質分選的類型3、選擇性門控轉運：細胞質基質中合成的蛋白質選擇性穿過核孔復合體進入細胞核或從細胞核返回細胞質。1、跨膜轉運：胞質溶膠中合成的蛋白質進入內質網(wǎng)、線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等是通過跨膜進行運輸?shù)?，需要膜上運輸?shù)鞍椎膸椭?、膜泡運輸：蛋白質從內質網(wǎng)轉運到高爾基體及從高爾基體轉運到溶酶體、分泌泡、細胞質膜、細胞外是由小泡介導的。4、蛋白質在細胞基質中的運輸（細胞骨架體系）。第33頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三三、膜泡運輸細胞內膜系統(tǒng)之間的物質傳遞常常通過膜泡運輸方式進行。大多數(shù)運輸小泡是在膜的特定區(qū)域以出芽的方式產(chǎn)生。其表面具有一個籠子狀的由蛋白質構成的衣被（coat）。這種衣被在運輸小泡與靶細胞器的膜融合之前解體。第34頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三三種不同類型的包被小泡

具有不同的物質運輸作用

COPⅡ包被小泡COPI包被小泡網(wǎng)格蛋白包被小泡第35頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三網(wǎng)格蛋白包被小泡負責蛋白質從高爾基體TGN質膜、胞內體或溶酶體和植物液泡運輸在受體介導的細胞內吞途徑也負責將物質從質膜內吞泡(細胞質)

胞內體溶酶體運輸高爾基體TGN是網(wǎng)格蛋白包被小泡形成的發(fā)源地

第36頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三成纖維細胞質面的網(wǎng)格蛋白衣被電子顯微鏡照片

第37頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三通過網(wǎng)格蛋白有被小泡介導的選擇性運輸示意圖第38頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

COPⅡ包被小泡

負責從內質網(wǎng)高爾基體的物質運輸； COPⅡ包被蛋白由5種蛋白亞基組成；

包被蛋白的裝配是受控的； COPⅡ包被小泡具有對轉運物質的選擇性并使之濃縮。第39頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三COPI包被小泡

COPI包被含有7種蛋白亞基，包被蛋白復合物的裝配與去裝配依賴于ARF(GTP-bindingprotein)；介導細胞內膜泡逆向運輸，負責回收、轉運內質網(wǎng)逃逸蛋白(escapedproteins）

ER。

第40頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三細胞器中保留及回收蛋白質的兩種機制：

1.轉運泡將應被保留的駐留蛋白排斥在外，防止出芽轉運；

2.通過識別駐留蛋白C-端的回收信號(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特異性受體，以COPI-包被小泡的形式捕獲逃逸蛋白。第41頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三研究發(fā)現(xiàn)：內質網(wǎng)的結構和功能蛋白的羧基端有內質網(wǎng)滯留信號：Lys-Asp-Glu-Leu-coo-(KDEL信號）KDEL信號在高爾基體各個部分的膜上都有相應的受體。如果ER滯留蛋白質在出芽時被錯誤地包進分泌泡離開了ER，高爾基體膜上的KDEL信號受體就會與之結合將其遣送回ER。第42頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三內質網(wǎng)駐留蛋白的回收圖解第43頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三運輸小泡的形成、轉運及與靶膜的融合是特異性過程，涉及多種蛋白識別、組裝、去組裝的復雜調控膜泡融合是特異性的選擇性融合，從而指導細胞內膜流的方向。選擇性融合基于供體膜蛋白與受體膜蛋白的特異性相互作用第44頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三膜泡運輸?shù)亩ㄏ驒C制（一）SNARE介導運輸小泡與靶膜的融合。分為v-SNARE和t-SNARE。具有一個螺旋結構域，相互纏繞形成跨膜SNARE復合體，將小泡與靶膜拉在一起。第45頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三SNAREinvesicletransport第46頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三神經(jīng)細胞中，SNARE負責突觸小泡的停泊和融合。破傷風毒素和肉毒素能選擇性地降解SNARE，阻斷神經(jīng)傳導。病毒融合蛋白的工作原理與SNARE相似，介導病毒與宿主質膜的融合。第47頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三（二）RabsRabs屬于G蛋白，已知30余種，不同膜上具有不同的Rabs。Rabs促進和調節(jié)運輸小泡的停泊和融合。第48頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三膜融合模型①兩種膜蛋白相互接觸;②兩種膜之間形成一個封閉的孔,并逐漸擴大;③由于膜脂的擴散,兩種膜的脂雙層融合成一體第49頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三四、細胞結構體系的組裝（自學）生物大分子的組裝方式：有些裝配過程需ATP或GTP提供能量或其它成份的介入或對裝配亞基的修飾自我裝配的信息存在于裝配亞基的自身，細胞提供的裝配環(huán)境裝配具有重要的生物學意義：分子“伴侶”（molecularchaperones）

第50頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三生物大分子的組裝方式

自我裝配（self-assembly）協(xié)助裝配（aided-assembly）直接裝配（direct-assembly）復合物與細胞結構體系的組裝第51頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三裝配具有重要的生物學意義

減少和校正蛋白質合成中出現(xiàn)的錯誤

減少所需的遺傳物質信息量通過裝配與去裝配更容易調節(jié)與控制多種生物學過程第52頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三分子“伴侶”（molecularchaperones）

細胞中的某些蛋白質分子可以識別正在合成的多肽或部分折疊的多肽并與多肽的某些部位相結合，從而幫助這些多肽轉運、折疊或裝配，這一類分子本身并不參與最終產(chǎn)物的形成，因此稱為分子“伴侶”。第53頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

在細胞合成與分泌途徑中不同膜組分之間三種不同的膜泡運輸方式:1.籠形蛋白包被小泡介導從高爾基體TGN質膜和胞內體及溶酶體的運輸；

2.COPII包被小泡介導從內質網(wǎng)高爾基體的運輸；

3.COPI包被小泡負責將蛋白從高爾基體內質網(wǎng)。在從內質網(wǎng)高爾基體和/或從高爾基體的cis面trans面的物質轉運中也可能涉及到COPI包被小泡

(物質沿內吞途徑的轉運未表示在圖中)。第54頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三0