内膜系统、蛋白质分选和膜泡运输.ppt

第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输,细胞质基质的涵义与功能 细胞内膜系统及其功能 内质 网 高尔基体 溶酶体与过氧化物酶体 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,第一节 细胞质基质的涵义与功能,细胞质基质 在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。 细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半。,肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比(%) （引自Albert.1998）, 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。 蛋白质含量占20-30%，形成粘稠的胶体。 主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系； 通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。,细胞质基质的涵义,(cytosol, cytoplasmic matrix),1.卵母细胞中mRNA和蛋白质的特定分布形成位 置信息。 2.糖酵解的酶系形成多酶复合体与微丝结合。,1. 完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等 2. 蛋白质脂肪酸的合成，蛋白质的分选与运输 3. 细胞内信号转导 4. 与细胞质骨架相关的功能 维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等,细胞质基质的功能,细胞内信号转导,5. 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解 蛋白质的修饰 （磷酸化、糖基化、甲基化、酰基化等） 控制蛋白质的寿命N端的第一个氨基酸（不稳定氨基酸的泛素化途径） 降解变性和错误折叠的蛋白质（疏水基团的暴露） 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象（heat shock protein, HSP),细胞质基质的功能,第二节 细胞内膜系统及其功能 （endomembrane system）,细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。 真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization） 细胞内的膜相结构-细胞器（organelles）。,一、内质网,Porter等于1945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，故名endoplasmic reticulum，ER。,（一）形态与组成,由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成互相沟通的三维网络结构。 约占细胞总膜面积的一半，体积占细胞总体积10%以上。 在细胞周期的各个阶段，内质网的变化复杂，要经过解体和重建。 是合成蛋白质，脂质和糖类的基地。合成的种类与细胞质中合成的不同。,内质网遍布整个细胞质,由喹啉蓝荧光染料染色的细胞在荧光显微镜下显示的内质网结构,分为粗面内质网RER和滑面内质网SER。 RER呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。 SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。 细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。,（二）ER的功能,（一）蛋白质合成 内质网上合成的蛋白主要有： 向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素； 膜的整合蛋白； 构成内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白。,（二） 脂类的合成,ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇） 磷脂转位因子（phospholipid translocator）/ 转位酶（flippase）与膜质转位（胞质到内质网腔） 磷脂的转运: 以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上 磷脂转换蛋白（PEP）在膜间转移磷脂,（三）蛋白质的修饰与加工,包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，几乎所有内质网上合成的蛋白最终都被糖基化。 糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔 N-连接的糖基化：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。 酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸Cys,Protein glycosylation in RER,N-乙酰葡萄糖胺,甘露糖,葡萄糖,磷酸多萜醇,（四）新生肽链的折叠、组装和运输,无法正确折叠的蛋白被转入溶酶体降解，约90%的新合成T细胞受体亚单位和Ach受体都被降解，而从未到达靶膜。 非还原性的内腔，易于二硫键形成 蛋白二硫键异构酶：切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并于正确折叠的状态 未折叠蛋白疏水核心外露，易聚集 结合蛋白：识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。,又称SS键。是2个SH基被氧化而形成的SS形式的硫原子间的键。在生物化学的领域中，通常是指在肽和蛋白质分子中的半胱氨酸残基中的键。此键在蛋白质分子的立体结构形成上起着一定的重要作用。,二硫键,（五）内质网的其它作用,解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。 参与甾体类激素的合成。 储存钙离子，作为胞内信号物质，如肌质网。 提供酶附着的位点和机械支撑作用。,二、高尔基体,发现于1855年，1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。,（一）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）。,Structure of the Golgi Complex,高尔基体不同区域的标志： 嗜锇反应：锇酸，cis面膜囊被特异地染色； 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）：trans面的膜囊； 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）：显示中间的膜囊； 胞嘧啶单核苷酸（CMP酶）：trans面的囊状和管状结构。,（二）功能区隔,顺面高尔基体管网状结构（cis Golgi network），CGN是入口区域。 高尔基体中间膜囊（medial Golgi），多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖合成发生于此处。 反面高尔基体管网状结构（trans Golgi network），TGN是出口区域，参与蛋白质的分类与包装，最后输出。,Golgi network,（三）主要功能,1、参与细胞分泌活动：RER合成PrER腔COPII小泡CGNmedial Gdgi加工TGN区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、蛋白质的O-连接的糖基化：糖的供体为核苷糖。,丝氨酸 (serine, Ser,S),N-连接与O-连接的寡糖比较,蛋白质糖基化的生物学意义,糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性；多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。 进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。,3、蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型, 无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体切除N-端或两端的序列成熟的多肽。如胰岛素及血清白蛋白等。 含多个相同氨基酸序列的前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物。 同一种蛋白质前体不同细胞、以不同的方式加工不同的多肽。,加工方式多样性的可能原因,确保小肽（如5个氨基酸的神经肽）分子的有效合成； 弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号； 有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。,三、溶酶体与过氧化物酶体,溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。 溶酶体（lysosome）是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。,（一）溶酶体的结构, 溶酶体膜的特征： 嵌有V-型质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境； 具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。 溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶,类型,初级溶酶体（primary lysosome） 次级溶酶体（secondary lysosome） 自噬溶酶体（autophagolysosome） 异噬溶酶体（phagolysosome） 残余小体（residual body），又称后溶酶体。 溶酶体是以含有大量酸性水解酶为共同特征、不同形态大小，执行不同生理功能的一类异质性（heterogenous）的细胞器 。,1、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（secondary lysosome） 是正在进行或完成消化作用的溶酶体，分为自噬溶酶体和异噬溶酶体。由初级溶酶体与胞吞泡或自噬泡或异噬泡融合形成。,3、残体（residual body） 又称后溶酶体（post-lysosome），已失去酶活性，仅留未消化的残渣，故名。可排出细胞，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。,肝细胞脂褐质,动物细胞溶酶体系统示意图,（二）溶酶体的功能,清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞 防御功能（病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化） 作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养； 分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节 参与清除赘生组织或退行性变化的细胞； 受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。,溶酶体与疾病,溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障，影响细胞代谢，引起疾病。 如台-萨氏（Tay-Sachs）等各种储积症 （隐性的遗传病） 某些病原体（麻风杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境）,台-萨氏综合症溶酶体的同心圆结构,溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（RER）,高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化,M6P,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶,高尔基体trans-膜囊和TGN膜（M6P受体）,溶酶体酶分选与局部浓缩,以出芽的方式转运到前溶酶体,磷酸葡萄糖苷酶,磷酸化识别信号：信号斑,发生途径,甘露糖（Mannose）,五、过氧化物酶体,Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞，又称微体。 具有异质性，由单层膜围绕而成。 过氧化物酶体中常含有两种酶： 依赖于黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2； 过氧化氢酶，作用是将H2O2分解，形成水和氧气。,Peroxisome of hepatocyte,微体与初级溶酶体的特征比较,过氧化物酶体的功能,在动物中：（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。 过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。 在植物细胞中，过氧化物酶体的功能： 在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应； 乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。,过氧化物酶体的发生,细胞内原有的过氧化物酶体经分裂后形成子代的细胞器，子代的过氧化物酶体还需要进一步装配形成成熟的细胞器。 内质网参与过氧化物酶体的发生。过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后转运而来。 组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后转运到过氧化物酶体中。,蛋白质的分选：即蛋白质的定向转运，是蛋白质在核糖体上合成后被转运至细胞的特定部位并组装成结构与功能的复合体的过程。,第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,蛋白分选机制,信号假说： 信号肽（signal peptide)：含16-26个氨基酸残基，位于分泌性蛋白质的N端。 信号识别颗粒(signal recognition particle, SRP)：存在于细胞质中。 信号识别颗粒的受体/停泊蛋白(docking protein, DP)：位于内质网膜上，与SRP特异地结合。,Blobel等（1975）提出信号假说，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白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 laboratory,Gnter Blobel,蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分： 信号肽：位于N端，约1626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。 信号识别颗粒（SRP）：6种多肽和1个7S RNA组成，属RNP（ Ribose nuclear protein ，核糖核蛋白）。与信号序列结合，导致蛋白质合成暂停。,SRP受体，ER膜的整合蛋白，异二聚体，可与SRP特异结合。 停止转移序列，肽链中的某些序列与内质网膜的亲合力很高，阻止肽链继续进入网腔，从而成为跨膜蛋白。如肽链无停止转移序列则进入内质网腔。 转位因子，由3-4个Sec61蛋白构成的通道，每个Sec61由3条肽链组成。,分泌性蛋白