第十一章蛋白质的生物合成.ppt

细胞生物学,齐齐哈尔医学院生物遗传教研室岳丽玲制作,教学课件,第九章细胞的内膜系统,细胞的内膜系统：是在结构、功能乃至发生上相关的，由膜围绕的细胞器或细胞结构。包括内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体和分泌泡等。,一.核糖体的基本类型和化学组成,非膜性细胞器；电镜：核糖体为高电子密度的圆形或椭圆形致密小颗粒。15-25nm。,第一节核糖体（ribosome),成分：蛋白质40%核糖体RNA(rRNA)60%,一.核糖体的基本类型和化学组成,非膜性细胞器；电镜：核糖体为高电子密度的圆形或椭圆形致密小颗粒。15-25nm。每个核糖体有大、小两个亚基组成。,第一节核糖体（ribosome),小亚基,大亚基,mRNA,通道,核糖体的种类和沉降系数,核糖体的类型单体大亚基小亚基,原核细胞核糖体70S50S（23S5SrRNA）30S（16SrRNA）+31种蛋白质+21种蛋白质,真核细胞核糖体80S60S（28S5.8S5SrRNA）40S（18SrRNA）+49种蛋白质+33种蛋白质,线粒体核糖体55-80S(因种类而异）50S30S,Mg2+0.001mol/L：大小亚基结合,Mg2+0.01mol/L：2个核糖体结合形成二聚体,60S+40S,+Mg2+,Mg2+,80S,+Mg2+,Mg2+,120S,多聚核糖体（polyribosome)：核糖体可由mRNA串连起来，形成针簇状、菊花状或念珠状的长链，这样形成蛋白质合成的功能单位，称为多聚核糖体。,功能：参与蛋白质的合成。,翻译：由mRNA分子中的核苷酸顺序转变为多肽链中氨基酸顺序的过程。,三联体密码（密码子）：mRNA分子中每三个相邻的碱基决定了合成的多肽链中的一种氨基酸。,二、核糖体的功能,起始密码：AUG终止密码：UAA、UAG、UGA,60S,40S,tRNA,mRNA,多肽链转移酶,P位,GTP酶,A位,60S,40S,40S,60S,核糖体与多肽链合成有关的活性部位：受体部位（A位）供体部位（P位）转肽酶活性部位GTP酶活性部位,由游离核糖体合成，多分布细胞基质中。用于组成细胞自身的结构及参与细胞新陈代谢过程的蛋白质。在新分裂来的幼稚细胞、未分化细胞和胚胎细胞中分布多。,外输蛋白（分泌蛋白）：,由附着核糖体合成，大多从细胞分泌出去。如某些酶、抗体和蛋白类激素。,结构蛋白：,三、核糖体合成的蛋白质,游离核糖体：游离在细胞质中。,附着核糖体（膜旁核糖体）：附着在内质网表面。,核糖体类型,1945年，K.R.Poter-电子显微镜-小鼠成纤维细胞-内质网（endoplasmicreticulum,ER）,第二节内质网,核膜外层,一、内质网的形态结构和类型,内质网是由一层单位膜围成的相互连续的小管，小泡，扁囊样结构组成的网状膜系统，膜厚5-6nm.,内质网,内质网的内腔相互连通。,细胞膜,内质网,小管,小泡,扁囊状,细胞膜,核膜,内质网的分布和数量多少与细胞的生理功能相关，执行分泌功能的细胞内质网较发达。,核糖体,粗面内质网,滑面内质网,二、内质网的类型,(一)粗面内质网（rER):膜表面附着核糖体；形态多为板层状排列的扁囊；网腔内含低电子或中等电子密度的物质；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。如胰腺细胞和浆细胞；而在未分化或分化低的细胞，如胚胎细胞和干细胞及肿瘤细胞中粗面内质网较少。,（二）滑面内质网（sER)膜表面无核糖体附着；形态多为分枝小管或小泡；多分布在一些特化的细胞中。如肝细胞，睾丸间质细胞，肾上腺细胞。,ER,RER,SER,三、内质网的化学组成,脂类：40%较细胞膜少，主要成分为磷脂。磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少。蛋白质：60%较细胞膜多，约有30多种膜结合蛋白。葡萄糖-6-磷酸酶被认为是标志酶，电子传递体系：细胞色素b5，NADH-细胞色素b5还原酶，细胞色素P450酶系。,内质网膜,内质网功能：使细胞质区域化，为物质代谢提供特定的内环境；扩大膜的表面积，有利于酶的分布提高代谢效率；为蛋白质，脂类和糖类的重要合成基地；参与物质运输，物质交换和解毒作用；对细胞起机械支持作用。,四、内质网的功能,（一）粗面内质网的功能,粗面内质网的主要功能是进行蛋白质的合成、修饰加工、分选和转运。,粗面内质网主要合成的蛋白质有：分泌性蛋白：包括抗体、酶类、肽类激素和细胞外基质蛋白膜蛋白可溶性驻留蛋白,1.粗面内质网与分泌蛋白质的合成,信号肽的合成,信号识别颗粒(SRP)-核糖体复合体形成,核糖体与内质网膜结合,多肽链进入内质网腔,主要过程,G.Blobel等1975年提出了信号假说(Signalhypothesis)，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质由核糖体转至内质网上合成。因此获1999年诺贝尔生理医学奖。,1.信号肽（signalpeptide）：在成熟mRNA5端起始密码（AUG)之后，有一组编码特殊氨基酸序列的密码子，称为信号密码，由信号密码翻译出的肽链，叫做信号肽。一般1630个氨基酸残基。,蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分：,信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP），由6种多肽组成，结合一个7SRNA。能与信号序列结合，导致蛋白质合成暂停。SRP受体（SPRreceptor），内质网膜的整合蛋白，异二聚体，可与SRP特异结合。停止转移序列（stoptransfersequence），肽链中还可能有某些序列与内质网膜有很高的亲合力，而结合在脂双层中，阻止肽链继续进入网腔，成为跨膜Pr。,SRP与核糖体的结合与分离,新生肽链上的信号肽,SRP,SRP-核糖体复合体与内质网膜上的SRP受体结合,核糖体结合蛋白,蛋白转运器,粗面内质网膜上的SRP受体蛋白,SRP与信号肽的结合使翻译暂停,细胞质,内质网腔,继续翻译并开始穿过内质网膜,SRP释放并再循环,（Bip蛋白）,（直径8.5nm),2nm通道,新生肽链到内质网腔的跨膜转运,信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与受体结合SRP脱离信号肽肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔信号肽切除肽链延伸至终止。,蛋白质转入内质网合成的过程：,2.蛋白质在内质网腔的折叠,蛋白质折叠需要内质网腔的可溶性驻留蛋白，如蛋白二硫键异构酶（PDI)、结合蛋白（Bip)、葡萄糖调节蛋白94（Grp94）等分子伴侣的参与。这类蛋白能识别正在合成的或一部分折叠的多肽并与之结合，予以正确折叠。但在这一过程中其本身并不参与最终产物的形成，只起陪伴作用，故得名分子伴侣。,3.粗面内质网与蛋白质的糖基化,蛋白质的糖基化：是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程。,糖与蛋白质的连接方式,O-连接的寡糖蛋白：发生在高尔基复合体内。寡糖与酪氨酸、丝氨酸和苏氨酸的OH连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺。,N-连接的寡糖蛋白：发生在内质网腔内。寡糖与天冬酰胺残基的NH2连接。糖为N-乙酰葡糖胺、甘露糖、葡萄糖。,5,3,5,3,mRNA,Asn,NH2,Asn,NH2,rER膜,rER腔,多萜醇,糖基转移酶,寡糖,核糖体,新生的多肽,正在ER中合成蛋白质的N-连接糖基化,糖基化的作用：使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；赋予蛋白质传导信号的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。,4.蛋白质由内质网向高尔基体的运输,新合成的分泌蛋白,内质网腔,小泡,出芽,经高尔基体分泌泡,发育成酶原颗粒,移到细胞的游离端,排出分泌蛋白,需要衣被蛋白构成的两种衣被的参与：COPII：功能是介导经内质网合成的蛋白质向高尔基体的运输。COPII由内质网以出芽的方式形成。COPI：功能是回收应驻留于内质网的蛋白。COPI由高尔基体以出芽的方式形成。,蛋白质在内质网与高尔基体之间的运输,CopIandIIVesicles,马达,Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）回收信号,脂肪酸+磷酸甘油,磷脂酸+磷酸甘油,酰基转移酶,磷脂酸酶,二脂酰甘油酯+CDP-胆碱,卵磷脂,胆碱磷酸转移酶,5、粗面内质网与膜脂的合成,（一）粗面内质网的功能,1.粗面内质网与分泌蛋白质的合成,2.蛋白质在内质网腔的折叠,3.粗面内质网与蛋白质的糖基化,4.蛋白质由内质网向高尔基体的运输,5.粗面内质网与膜脂的合成,1.固醇激素的合成和脂类代谢,2.糖原的合成与分解,3.解毒作用：如肝细胞的细胞色素P450酶系。,（二）滑面内质网的功能,五、内质网的病理改变,内质网在病理条件下，会发生肿胀、肥大和某些物质的积累、解聚和脱粒。,第三节高尔基体（Golgicomplex),最早发现于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。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。,一.高尔基复合体的形态结构,光镜：网状结构,电镜,扁平囊,成熟面（反面）,小囊泡,大囊泡,形成面（顺面）,高尔基体的三维结构,顺面高尔基体网状结构（cisGolginetwork，CGN），分选来自内质网新合成的蛋白质、脂类。高尔基体中间膜囊（medialGolgi），多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。反面高尔基体网状结构（transGolginetwork，TGN），是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。,TheGolgiApparatus,反面高尔基体网状结构,顺面高尔基体网状结构,高尔基体中间膜囊,内质网向高尔基体的运输小泡,靠近顺面高尔基体的网状结构,靠近反面高尔基体的网状结构,高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应：嗜锇反应：顺面膜囊被特异地染色；焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)：可特异显示高尔基体的反面的12层膜囊；烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)：可显示高尔基体中间几层扁平囊；胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)：可显示靠近反面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶。,高尔基体膜：蛋白质60%脂类40%，具有一些和ER共同的蛋白成分。膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于ER和质膜之间。高尔基体中的酶：主要有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等不同的类型。标志酶为糖基转移酶。,二、高尔基复合体的化学组成,三、高尔基复合体的功能,3H标记亮氨酸,3分钟,20分钟,90分钟,高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。,（一）与细胞的分泌活动有关,（二）参与糖蛋白的合成和修饰,N-连接的寡糖链：在rER腔内合成。,O-连接的寡糖链：在高尔基复合体内合成。,糖蛋白,3H标记甘露糖（去除发生在中间扁平囊靠近顺面部位）,3H标记半乳糖；唾液糖（加入发生在中间扁平囊靠近反面部位）,3H标记N-乙酰葡萄糖胺（加入发生在中间扁平囊中间部位）,高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有严格的顺序性。,N-连接的寡糖蛋白：发生在内质网腔内，糖为N-乙酰葡糖胺、甘露糖。,O-连接的寡糖蛋白：连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行。,蛋白质合成,溶酶体寡聚糖磷酸化,切除甘露糖,加N-乙酰葡萄糖胺,加半乳糖,加唾液酸；分选,溶酶体,顺面管网,中层囊,反面囊,反面管网,大泡（分泌颗粒）,rER,高尔基复合体,顺面囊,切除甘露糖,高尔基堆,（三）分选蛋白质的功能,出芽,去衣被,蛋白质释放,运输小泡与靶部位的膜融合,蛋白质分选产物,无活性的前体物质（某些肽类激素）胰岛素：A、B、C、三个肽链,加工改造,有生物活性的物质（激素）胰岛素：A、B、二个肽链,（四）蛋白质的水解和加工,（五）高尔基复合体与溶酶体的形成,溶酶体的酶是由rER上的核糖体合成,rER腔内,运输小泡,高尔基复合体（加工修饰）,溶酶体的酶内含有甘露糖-6-磷酸，高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并出芽离开高尔基复合体形成溶酶体。,膜流：细胞的各种膜性结构之间相互联系和转移的现象称膜流。,内质网,运输小泡,高尔基复合体,大囊泡,（六）参与膜的转化,细胞膜,回收膜,五.高尔基复合体的病理改变,异常改变,高尔基复合体的肥大和萎缩,高尔基复合体内容物的改变,高尔基复合体在癌细胞中的改变,第四节溶酶体(lysosome),1955年:发现具酸性磷酸酶活性颗粒，1956年:确认为细胞器，定名为溶酶体。现在:发现几乎所有的真核细胞都具有溶酶体，原核细胞无.细胞内的消化器官,一、溶酶体的形态与特征,形态特征：单位膜，6nm，内含多种酸性水解酶，具有异质性，0.20.8m，呈球形、卵圆形小体,lysosome,1、主要成分：脂蛋白（鞘磷脂含量多）2、特殊性质：质子泵：保持溶酶体基质内的酸性环境。特殊的转运蛋白：用于水解产物向外转运。高度糖基化：可能有利于防止自身膜蛋白降解。,（一）溶酶体的膜,溶酶体含有60多种水解酶，这些水解酶多为酸性水解酶；PH值5,酶,蛋白酶（肽酶）,核酸酶,磷酸酶,糖苷酶（水解糖蛋白和糖脂、糖链的酶）,脂酶,硫酸酯酶（分解氨基多糖的酶）,标志酶：酸性磷酸酶（AcP酶),溶酶体的酶,（二）溶酶体的酶,二、溶酶体的类型,溶酶体,内体性溶酶体（初级溶酶体）：运输小泡+内体。,吞噬性溶酶体（次级溶酶体）：内体性溶酶体+底物,(endolysosome),(phagolysosome),内体性溶酶体,二、溶酶体的类型,溶酶体,内体性溶酶体（初级溶酶体）：运输小泡+内体。,吞噬性溶酶体（次级溶酶体）：内体性溶酶体+底物,(endolysosome),(phagolysosome),吞噬性溶酶体,二、溶酶体的类型,（一）内体性溶酶体（前溶酶体）：运输小泡（Golgi器）+内体（细胞的胞吞作用）,内吞体,rER,顺面管网,反面管网,高尔基复合体,溶酶体水解酶前体,加入磷酸基团,M-6-P,溶酶体酶,前溶酶体,ATP,ADP+Pi,H+,去除磷酸,pH=6,成熟溶酶体,clathrincoat,early/lateendosome,acidiccompartment,（二）吞噬性溶酶体,内体性溶酶体+（内源性和外源性）底物,即来自细胞内的衰老和崩解的细胞器等，被细胞本身的膜包围,1、自噬性溶酶体：作用底物是内源性的。,2、异噬性溶酶体：作用底物是外源性的。如：细菌、红细胞、血红蛋白、铁蛋白、酶、糖原颗粒,自噬作用,异噬作用,自噬体,吞噬体吞饮体,常见于单核-吞噬细胞系统的细胞、白细胞、肝细胞、肾细胞,自噬性溶酶体,异噬性溶酶体,3、残余小体（残质体）消化作用的末期阶段，酶活性降低或消失，未被消化分解的残渣物质，残留在吞噬性溶酶体内，形成残余小体。如：脂褐质、髓样结构、多泡体、含铁小体等,肝细胞脂褐质,三、溶酶体的功能,（一）溶酶体在细胞内的消化作用1.异噬作用（heterophagy）2.自噬作用（autophagy）（二）溶酶体在细胞外的消化作用（三）溶酶体的自溶作用与器官发育1.溶酶体参与受精过程2.在骨质更新中的作用3.在组织修复中的作用（四）溶酶体调节激素的分泌,（一）溶酶体在细胞内的消化作用1.自噬作用（autophagy）：是指溶酶体消化细胞内自噬小体的过程。,意义：更新细胞成分机体和细胞的自我保护,意义：为细胞生存提供营养对机体的防御功能清除机体内衰老细胞,2.异噬作用（heterophagy）是指溶酶体对外源性异物的消化作用。异噬体：吞饮泡（pinocytoticvesicle）；吞噬体（phagosome）,（二）溶酶体在细胞外的消化作用,1.溶酶体参与受精过程精子头部的顶体是巨大溶酶体，内含多种水解酶。当精子与卵细胞的外层膜接触后，顶体膜便与细胞膜融合形成孔道，顶体内的水解酶被释放出来，称顶体反应（acrosomereaction）。消化掉围在卵细胞外的滤泡细胞，最终与卵细胞的细胞膜接触，完成受精作用。,2.在骨质更新中的作用破骨细胞的溶酶体酶能释放到细胞外，分解和消除陈旧的骨基质，这是骨质更新的重要步骤。机理：cAMP浓度升高引起蛋白激酶活化，进而引起微管极其周围蛋白质的磷酸化，结果使微管聚集，促使溶酶体释放溶酶体酶到细胞外。3.在组织修复中的作用,（三）溶酶体的自溶作用与器官发育自溶作用概念：机体在某种状态下，细胞内溶酶体破裂，水解酶溢出使细胞本身被消化分解的过程。在生理状态下：蝌蚪尾部逐渐（变态阶段尾部细胞溶酶体中的组织蛋白酶能消化退化的尾部细胞，变态阶段甲状腺素分泌增多促进溶酶体释放组织蛋白酶）；人体卵巢黄体的萎缩。在病理状态下：矽肺的形成。,参与激素的成熟过程：如甲状腺激素的合成调节激素的分泌量：当细胞产生过多的分泌泡时，溶酶体便与之融合降解多余的分泌物，这一过程称为粒溶作用。如哺乳期母鼠催乳素对乳腺分泌的调节。,（四）溶酶体调节激素的分泌,调节激素的分泌量：当细胞产生过多的分泌泡时，溶酶体便与之融合降解多余的分泌物，这一过程称为粒溶作用。如哺乳期母鼠催乳素对乳腺分泌的调节。,（四）溶酶体调节激素的分泌,参与激素的成熟过程：如甲状腺激素的合成,四、溶酶体与疾病的关系,（一）溶酶