細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)蛋白質(zhì)分選與膜泡系統(tǒng)

關(guān)于細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)蛋白質(zhì)分選與膜泡系統(tǒng)第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的涵義與功能

Cytoplasmicmatrixanditsfunction

Cytoplasmicmatrix:containingahostoflargeand●Cytoplasm

smallmolecules,cytoskeleton

（細(xì)胞質(zhì)）

Organelles:suchasnucleus,ER,Golgiapparatus,mitochondria,etal●細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)（cytoplasmicmatrix,cytosol）:

真核細(xì)胞質(zhì)

中除去可分辨的細(xì)胞器后的膠狀物質(zhì)。Cytosolisaconcentratedaqueousgeloflargeandsmallmolecules,andcytoskeleton.Itisthesiteofmanychemicalreactions,theplaceforthemanufactureofproteins。

第2頁,共80頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)(cytoplasmicmatrix,cytosol)的功能第3頁,共80頁，2024年2月25日，星期天●Thecytoplasmcontainingorganellesenclosedbysingleinternalmembranes,exceptforthenuclei,mitochondria,andchloroplastsenclosedbytwoconcentricinternalmembranes第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能Internalmembraneanditsfunction第4頁,共80頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共80頁，2024年2月25日，星期天InternalmembranescreateintracellularcompartmentswithdifferentfunctionsThemainfunctionsofthemembrane-enclosedcompartmentsofaeucaryoticcell第6頁,共80頁，2024年2月25日，星期天Relativecellularvolumesofthemajormembranousorganelles第7頁,共80頁，2024年2月25日，星期天

◆Porter等于1945年發(fā)現(xiàn)于培養(yǎng)的小鼠成纖維細(xì)胞，

因最初看到的是位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故

名endoplasmicreticulum，ER。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmicreticulum,ER）第8頁,共80頁，2024年2月25日，星期天內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)第9頁,共80頁，2024年2月25日，星期天TheERisanetworkofmembranesheets&tubules第10頁,共80頁，2024年2月25日，星期天內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum)的功能第11頁,共80頁，2024年2月25日，星期天■根據(jù)是否附有核糖體（ribosome）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分為:●糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（roughendoplasmicreticulum,rER）:

合成分泌性蛋白質(zhì)（包括膜蛋白）

●光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（smoothendoplasmicreticulum,sER）:

合成脂類■糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)主要去向有：

●分泌到細(xì)胞外，如抗體和激素等

●運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜，如膜整合蛋白

●運(yùn)輸?shù)饺苊阁w，如溶酶體的各種水解酶內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum)的功能第12頁,共80頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的修飾（modification）與加工（processing）●Most(orall)proteinsarecovalentlymodifiedintheER1.Formationofdisulfidebonds(二硫鍵)betweencysteine(半光氨酸)residuesofthesamepolypeptide(intra-molecular)ordifferentpolypeptides(inter-molecular)

2.Additionofshortoligosaccharide(寡糖)sidechains--glycosylation(糖基化)第13頁,共80頁，2024年2月25日，星期天●糖基化(glycosylation)：發(fā)生在ER腔面，是在糖基轉(zhuǎn)移酶(glycosyltransferase)作用下進(jìn)行的,糖基一般連接在4種氨基酸上，分為：◆N-連接的糖基化(N-linkedglycosylation)：與天冬酰胺殘基(Asn)的NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。◆O-連接的糖基化(O-linkedglycosylation)：與Ser、Thr和Hyp的OH連接，連接的糖為半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高爾基體上進(jìn)行

●糖基化的作用：①使蛋白質(zhì)能夠抵抗消化酶的作用；②賦予蛋白質(zhì)傳導(dǎo)信號(hào)的功能；③某些蛋白只有在糖基化之后才能正確折疊。蛋白質(zhì)的修飾（modification）與加工（processing）第14頁,共80頁，2024年2月25日，星期天◆新生肽的折疊與組裝蛋白質(zhì)折疊是在hsp70家族的ATP酶的作用下完成的結(jié)合蛋白（bindingprotein,BIP,chaperone)識(shí)別錯(cuò)誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進(jìn)重新折疊與裝配無法正確折疊的蛋白質(zhì)被轉(zhuǎn)入溶酶體而降解，約90%新合成的T細(xì)胞受體亞單位被降解而從未到達(dá)靶膜。蛋白質(zhì)的修飾（modification）與加工（processing）第15頁,共80頁，2024年2月25日，星期天脂質(zhì)的合成（光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，sER）第16頁,共80頁，2024年2月25日，星期天內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其它功能合成磷脂、膽固醇等，經(jīng)膜泡運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體、質(zhì)膜等，或借磷脂轉(zhuǎn)移蛋白（PTP）形成水溶性復(fù)合物，轉(zhuǎn)至其他膜上。解毒，如肝細(xì)胞的細(xì)胞色素P450酶系。參與甾體類激素的合成。使葡糖6-磷酸水解，釋放糖至血液中。儲(chǔ)存鈣離子，作為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)物質(zhì)，如肌質(zhì)網(wǎng)。提供酶附著的位點(diǎn)和機(jī)械支撐作用。第17頁,共80頁，2024年2月25日，星期天18內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum)的化學(xué)組成第18頁,共80頁，2024年2月25日，星期天

高爾基復(fù)合體（Golgicomplex,GC）第19頁,共80頁，2024年2月25日，星期天高爾基復(fù)合體的形態(tài)與組成由扁平囊泡堆積而成，有極性。通常4~8個(gè)(某些藻類較多)扁平囊在一起，構(gòu)成高爾基體的主體(Golgistack)分布于ER與細(xì)胞膜間，呈弓形或半球形。凸出的一面對著ER稱為順面（cisface），凹進(jìn)的一面對著質(zhì)膜稱為反面（transface）第20頁,共80頁，2024年2月25日，星期天ThGolgiapparatusismadeofstacked,flattenedmembranes第21頁,共80頁，2024年2月25日，星期天●高爾基體的極性●化學(xué)組成(glycosyltransferase)第22頁,共80頁，2024年2月25日，星期天TheGolgicomplexisapolarorganelleTheGolgiisapolarorganelle.Thatmeansthatproteinsenteratonesideorfaceandexitattheother.Theentryfaceiscalledthecisfaceandtheexitfaceiscalledthetransface.TheGolgitypicallyhasthefollowingcompartments第23頁,共80頁，2024年2月25日，星期天高爾基體的功能區(qū)隔1.cisGolginetwork，CGN是入口區(qū)域。2.medialGolgi，多數(shù)糖基修飾，糖脂的形成以及與高爾基體有關(guān)的糖合成均發(fā)生此處。3.transGolginetwork，TGN是出口區(qū)域，參與蛋白質(zhì)的分類與包裝，最后輸出。第24頁,共80頁，2024年2月25日，星期天Golginetwork第25頁,共80頁，2024年2月25日，星期天TraffictoandfromtheGolgicomplexProteinsthatarenotERresidentarepackagedintovesiclesandsenttothecisfaceoftheGolgi第26頁,共80頁，2024年2月25日，星期天ThetripfromERtoGolgiistheinitialstepinfurtherprogressionthroughthesecretorypathway第27頁,共80頁，2024年2月25日，星期天ProteinsarefurthermodifiedintheGolgiapparatusProteinsentertheGolgiviavesiclefusionwiththecisfaceandpassthroughtheGolgibetweensuccessivestacksbytransportvesiclesOligosaccharidechainsaddedintheERaremodifiedbyenzymesintheGolgi-additionandremovalofsugarstomakecomplexoligosaccharidesReactionsareprocessive-early-actingenzymesintheciscompartments,lateactingenzymesinthetranscompartments第28頁,共80頁，2024年2月25日，星期天Post-translationalModificationintheGolgiBiochemicalfunctionsoftheGolgi

GlycosylationModificationofexistingN-linkedsugarsO-linkedglycosylationProductionofproteoglycansProteinsortingSulfationSpecifictyrosineresiduesinproteins第29頁,共80頁，2024年2月25日，星期天高爾基體的功能1、參與細(xì)胞分泌活動(dòng)◆rER上合成蛋白質(zhì)→進(jìn)入ER腔→COPII運(yùn)輸泡→進(jìn)入CGN→在medialGolgi中加工→在TGN形成運(yùn)輸泡→與質(zhì)膜融合、排出。

◆高爾基體依據(jù)信號(hào)序列或信號(hào)斑對蛋白質(zhì)分類。2、蛋白質(zhì)的糖基化

◆O-連接的糖基化，糖的供體為核苷糖。3、進(jìn)行膜的轉(zhuǎn)化功能

◆內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的新膜脂轉(zhuǎn)移至高爾基體后，經(jīng)過修飾和加工，形成運(yùn)輸泡與質(zhì)膜融合。4、將蛋白水解為活性物質(zhì)

◆如將胰島素C端切除；或?qū)⑸窠?jīng)肽前體降解為活性片段。5、參與形成溶酶體6、植物細(xì)胞壁的形成，合成纖維素和果膠質(zhì)第30頁,共80頁，2024年2月25日，星期天31第31頁,共80頁，2024年2月25日，星期天Twopathwaysforexocytosis:regulatedandconstitutive第32頁,共80頁，2024年2月25日，星期天溶酶體（lysosome）◆溶酶體(Lysosome)于1955年由deDuve和Novikoff發(fā)現(xiàn)◆呈小球狀，大小變化很大，直徑一般在0.25～0.8uM之間◆膜有質(zhì)子泵，溶酶體內(nèi)pH值低◆含有50多種酸性水解酶類（最適pH=5）

，在細(xì)胞內(nèi)起消化和保護(hù)作用◆當(dāng)細(xì)胞被損傷時(shí)，溶酶體可釋放出水解酶類，使細(xì)胞自溶第33頁,共80頁，2024年2月25日，星期天◆Primarydegradativeorganelle◆Degradesproteins,lipidsandothercellularconstituentstakeninbyendocytosis(胞吞),phagocytosis(吞噬作用),andautophagy(自體吞噬)Pathwaystolysosomaldegradation溶酶體（lysosome）第34頁,共80頁，2024年2月25日，星期天TransportfromthetransGolginetwork(TGN)tolysosomes第35頁,共80頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共80頁，2024年2月25日，星期天ThelysosomeTheendpointoftheendocytosispathwayformanymoleculesisthelysosome,ahighlyacidicorganellerichindegradativeenzymes.TheV-ATPasemaintainsthehighacidityofthelumenbypumpingprotonsacrossthelipidbilayer.第37頁,共80頁，2024年2月25日，星期天溶酶體的酶類第38頁,共80頁，2024年2月25日，星期天溶酶體的類型第39頁,共80頁，2024年2月25日，星期天1.初級溶酶體（primarylysosome）由高爾基體分泌形成，含多種酸性水解酶2.次級溶酶體（secondarylysosome）

是正在進(jìn)行或完成消化作用的溶酶體，分為自噬溶酶體,異噬溶酶體及混合性溶酶體。3.后溶酶體（post-lysosome）又稱殘?bào)w（residualbody），已失去酶活性，僅留未消化的殘?jiān)拭??？赏ㄟ^外排作用排出細(xì)胞，也可能留在細(xì)胞內(nèi)逐年增多，如表皮細(xì)胞的老年斑，肝細(xì)胞的脂褐質(zhì)。第40頁,共80頁，2024年2月25日，星期天溶酶體的功能第41頁,共80頁，2024年2月25日，星期天異體吞噬第42頁,共80頁，2024年2月25日，星期天43IntracellulardigestionoccursinlysosomesVeryacidic(toprotectthecell)~50typesofhydrolyticenzymes(acidhydrolases)Residentproteinsareprotectedbyhighlevelsofglycosylation第43頁,共80頁，2024年2月25日，星期天溶酶體酶的特征Mannose-6-phosphatesortingsignal第44頁,共80頁，2024年2月25日，星期天Mannose-6-PisrecognizedbyaspecificreceptorintheTGN第45頁,共80頁，2024年2月25日，星期天Transportofnewlysynthesizedhydrolasestolysosomes第46頁,共80頁，2024年2月25日，星期天矽肺：二氧化硅塵粒（矽塵）吸入肺泡后被巨噬細(xì)胞吞噬，導(dǎo)致吞噬細(xì)胞溶酶體破裂。激活成纖維細(xì)胞，導(dǎo)致膠原纖維沉積，肺組織纖維化。肺結(jié)核：結(jié)核桿菌引起肺組織鈣化和纖維化。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎：溶酶體膜易脆裂。溶酶體與疾病第47頁,共80頁，2024年2月25日，星期天過氧化物酶體（peroxisome）過氧化物酶體(peroxisome)由J.Rhodin1954發(fā)現(xiàn)于鼠腎小管上皮細(xì)胞。具有異質(zhì)性，由單層膜圍繞而成。特點(diǎn)：含過氧化氫酶（標(biāo)志酶）和一至多種依賴黃素（flavin）的氧化酶，已發(fā)現(xiàn)40多種氧化酶。酶特點(diǎn)是將底物氧化后生成過氧化氫，而過氧化氫酶又利用H2O2去氧化其它底物。RH2+O2→R+H2O2第48頁,共80頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共80頁，2024年2月25日，星期天煙草葉肉細(xì)胞的過氧化物酶體（中央具有尿酸氧化酶形成的晶體狀核心）第50頁,共80頁，2024年2月25日，星期天在動(dòng)物中：①參與脂肪酸的β-氧化；②具有解毒作用，過氧化氫酶氧化有害物質(zhì)，飲入的酒精1/4是在微體中氧化為乙醛。在植物中：①參與光呼吸，將光合作用的副產(chǎn)物乙醇酸氧化為乙醛酸和過氧化氫，②在萌發(fā)的種子中，進(jìn)行脂肪的β-氧化。過氧化物酶體的功能第51頁,共80頁，2024年2月25日，星期天◆Aeukaryoticcelliselaboratelysubdividedintocmpartmentsbyinternalmembranes.Eachcompartmentcontainsauniquesetofproteinsthathavetobetransferredselectivelyfromthecytosoltothecompartmentinwhichtheyareused.Thistransferprocessiscalledproteinsorting

(蛋白分選）◆Inaeukaryoticcell,membrane-enclosedcompartmentscommunicatewitheachotherbyformingsmallmembranoussacsorvesicles,thatpinchofffromonecompartment,movethroughthecytosol,andfusewithanothercompartmentinaprocesscalledvesiculartransport（膜泡運(yùn)輸）第三節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選與膜泡運(yùn)輸

Intracellularproteinsortingandvesiculartransporting第52頁,共80頁，2024年2月25日，星期天◆Proteinsorting

(蛋白分選):Howproteinsgettotheirappropriatedestinationswithinthecell.Proteinsortingdependsonsignalsbuiltintotheaminoacidsequenceoftheproteins◆Vesiculartransport

(膜泡運(yùn)輸):Howvesiclesshuttleproteinsandmembranesbetweencellularcompartments第53頁,共80頁，2024年2月25日，星期天門控運(yùn)輸（gatedtransport）：如通過核孔復(fù)合體的運(yùn)輸（transportthroughnuclearpore)2.

跨膜運(yùn)輸（acrossmembranetransport）：蛋白質(zhì)通過跨膜通道進(jìn)入目的細(xì)胞器。3.

膜泡運(yùn)輸（vesiculartransport）：蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體中被包裝成衣被小泡，選擇性地運(yùn)輸?shù)桨屑?xì)胞器。蛋白質(zhì)分選(proteinsorting)定位的機(jī)制第54頁,共80頁，2024年2月25日，星期天55細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選途徑第55頁,共80頁，2024年2月25日，星期天OrganellesimportproteinsbythreedistinctmechanismsTransportfromthecytoplasmintothenucleusthroughnuclearporesTransportfromthecytoplasmtoorganellesbyproteintranslocatorsinthemembraneTransportfromERtootherorganellesoccursviavesicles第56頁,共80頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)分選(proteinsorting)的基本原理細(xì)胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)之所以能夠定向的轉(zhuǎn)運(yùn)到特定的細(xì)胞器取決于兩個(gè)方面：其一是蛋白質(zhì)中包含特殊的信號(hào)序列（signalsequence）。其二是細(xì)胞器上具特定的信號(hào)識(shí)別裝置(分選受體,sortingreceptor）。第57頁,共80頁，2024年2月25日，星期天G.Blobel等（1975）提出信號(hào)假說，認(rèn)為蛋白質(zhì)N-端的信號(hào)肽（signalpeptide)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成由細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)轉(zhuǎn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，獲1999年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。BlobelwithmembersofhislaboratoryGünterBlobel分泌性蛋白合成的模型---信號(hào)假說(signalhypothesis)第58頁,共80頁，2024年2月25日，星期天分泌性蛋白合成的模型---信號(hào)假說(signalhypothesis)◆信號(hào)序列（signalsequence）：引導(dǎo)蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)移

的線性序列，通常15-60個(gè)氨基酸殘基，對所引導(dǎo)的

蛋白質(zhì)沒有特異性要求。第59頁,共80頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成涉及以下成分：1.

信號(hào)肽(signalpeptide):

位于N端，約16~30個(gè)氨基酸，含有6-15個(gè)連續(xù)排列的帶正電荷的非極性氨基酸，又稱開始轉(zhuǎn)移序列(starttransfersequence)。2.信號(hào)識(shí)別顆粒(signalrecognitionparticle,SRP):

屬于RNP，由6種

多肽和一個(gè)7SRNA組成。能與信號(hào)序列結(jié)合，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成

暫停。3.SRP受體(又稱停泊蛋白,dockingprotein,DP):內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的整合蛋

白，異二聚體，可與SRP特異結(jié)合。4.停止轉(zhuǎn)移序列(stoptransfersequence):與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的親合力很高，

阻止肽鏈繼續(xù)進(jìn)入網(wǎng)腔，成為跨膜蛋白。分泌性蛋白合成的模型---信號(hào)假說(signalhypothesis)第60頁,共80頁，2024年2月25日，星期天分泌性蛋白合成的模型---信號(hào)假說(signalhypothesis)第61頁,共80頁，2024年2月25日，星期天分泌性蛋白合成的模型---信號(hào)假說(signalhypothesis)第62頁,共80頁，2024年2月25日，星期天●蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的過程信號(hào)肽與SRP結(jié)合→肽鏈延伸終止→SRP與SRP受體結(jié)合→SRP脫離信號(hào)肽→肽鏈在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上繼續(xù)合成→信號(hào)肽切除→肽鏈延伸至終止。這種肽鏈邊合成邊向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔轉(zhuǎn)移的方式，稱為co-translation（邊合成邊轉(zhuǎn)運(yùn)）。分泌性蛋白合成的模型---信號(hào)假說(signalhypothesis)第63頁,共80頁，2024年2月25日，星期天分泌性蛋白合成的模型---信號(hào)假說(signalhypothesis)第64頁,共80頁，2024年2月25日，星期天Signalsequencestargetproteinstotheirdestinations第65頁,共80頁，2024年2月25日，星期天膜泡運(yùn)輸(vesiculartransport)

◆細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)(internalmembranesystem)之間的物質(zhì)傳遞常常通過膜泡運(yùn)輸(vesiculartransport)方式進(jìn)行。◆大多數(shù)運(yùn)輸小泡(transportvesicles)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(gè)籠子狀的由蛋白質(zhì)構(gòu)成的包被(coat)。這種包被在運(yùn)輸小泡與靶細(xì)胞器的膜融合之前解體。第66頁,共80頁，2024年2月25日，星期天67Vesiculartransport第67頁,共80頁，2024年2月25日，星期天TransportvesiclesContinuallybudofffromandfusetoothermembranecompartmentsproducingaconstantfluxofmaterialCarrysolubleproteins(inthelumen)andlipids&membraneproteins(inthebilayer)betweencompartmentsAretransportedalongmicrotubulesbymotorproteins第68頁,共80頁，2024年2月25日，星期天Vesiclebuddingisdrivenbyassemblyofaproteincoat(蛋白包被)第69頁,共80頁，2024年2月25日，星期天三種包被小泡（coatedvesicles）已知三類：網(wǎng)格蛋白（clathrin）包被小泡COPI包被小泡COPII包被小泡主要作用：1.選擇性的將特定蛋白聚集在一起，形成運(yùn)輸小泡(transportvesicle)2.如同模具一樣決定運(yùn)輸小泡的外部特征。第70頁,共80頁，2024年2月25日，星期天三種包被小泡的功能包被類型GTP酶組成與銜接蛋白運(yùn)輸方向clathrinARFClathrin重鏈與輕鏈，AP2質(zhì)膜→內(nèi)體Clathrin重鏈與輕鏈，AP1高爾基體→內(nèi)體Clathrin重鏈與輕鏈，AP3高爾基體→溶酶體，植物液泡COPIARFCOPαββ’γδεζ高爾基體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)COPIISar1Sec23/Sec24復(fù)合體，Sec13/31復(fù)合體，Sec16內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體第71頁,共80頁，2024年2月25日，星期天網(wǎng)格蛋白包被小泡（clathrincoatedvesicle）

負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)從高爾基體TGN

質(zhì)膜、胞內(nèi)體或溶酶體和植物液泡運(yùn)輸

在受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)吞途徑也負(fù)責(zé)將物質(zhì)從