第七、八章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输.ppt

第七章细胞质基质与内膜系统第八章蛋白质分选与膜泡运输 1 真核细胞的区室化 细胞质基质 真核细胞中内质网结构和功能 高尔基体结构和功能 溶酶体结构和功能 过氧化物酶体功能 蛋白质的靶向 分选及机制 膜泡运输 1真核细胞的区室化及细胞质基质 生物膜把真核细胞细胞质化分成明显的隔室 真核细胞中被膜分隔的三类结构 1 细胞内膜系统 内质网 ER 高尔基体 溶酶体 分泌小泡等 2 其他膜包围的细胞器 线粒体 叶绿体 过氧化物酶体 细胞核 3 细胞质基质 真核细胞的区室化 细胞质基质 细胞质中各种可分辨细胞器之外的胶状物质 是包括细胞骨架纤维在内的以蛋白为主的大分子及小分子物质形成的动态的 有组织的结构体系 细胞质基质一般占细胞体积的50 以上 细胞质基质与胞质溶胶的区别 有序 非均质 动态 两个实验 原位杂交显示卵细胞不同mRNA分布于细胞不同的部位 爪蟾卵母细胞蛋白乳胶球扩散实验显示细胞质基质中80 的多肽是固定的 不能自由扩散 细胞质基质并不是简单的酶溶液 是以细胞骨架等蛋白纤维为核心 多酶体系等蛋白通过弱相互作用有序的结合在细胞骨架等结构上 使多酶体系的反应快速稳定进行 细胞质基质的结构体系是动态的 可能随细胞生理状态改变而解体 再组装 1 1细胞质基质的性质 1 2细胞质基质的功能 细胞质基质是蛋白质 脂肪酸合成 糖酵解及细胞中多种中间代谢的区域 基质中细胞骨架 提供细胞质基质中大分子物质 细胞器等附着位点 细胞运动 物质运输等 细胞质基质中的离子对细胞内外膜电位维持 细胞内pH值维持 Na H 交换器 Na HCO3 Cl 反向运载体升pH值 Cl HCO3 反向运载体降pH值 信号传递等密切相关 蛋白质修饰 辅酶与酶连接 磷酸化 去磷酸化 糖基化 甲基化 细胞骨架蛋白 组蛋白等 酰基化 脂锚定蛋白 蛋白质的合成 正确折叠或恢复正确构象 热休克蛋白等分子伴侣协助 蛋白质寿命控制 N端为Met Ser Thr Ala Val Cys Gly Pro及甲基化的较稳定 和降解 短寿命蛋白 变性蛋白 通过电镜负染色照片获得的蛋白酶体结构图 及蛋白酶体识别与降解泛素化蛋白的示意图 分子伴侣 细胞精密监测细胞中错误折叠的蛋白数量 细胞质基质中错误蛋白的积累可以诱发细胞热休克反应 激活编码胞质溶胶中分子伴侣蛋白等基因的转录 这些蛋白的产生可帮助蛋白分子重新折叠 2内膜系统 内膜系统 由结构 功能和发生上相关的细胞器组成 包括内质网 高尔基体 溶酶体 胞内体 运输小泡 分泌泡等 内膜系统的动态特征 内膜系统处于动态变化中 其中的大多数细胞器之间通过运输小泡联系 随细胞分裂解体与重建 内膜系统生物合成的蛋白质 糖类 脂类等随内膜系统在细胞内移动 膜系统研究的几种常用方法 放射自显影 荧光蛋白标记技术 亚细胞组分生化分析 遗传突变体研究等 分泌蛋白放射性自显影显示合成 分泌不同阶段在不同细胞器中的位置 3H 亮氨酸脉冲标记 2 1 1内质网形态与组成 约占细胞总膜面积的一半 是封闭的网络系统 分为糙面内质网 rER 和光面内质网 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 细胞几乎不含纯粹的rER或sER 它们分别是ER连续结构的一部分 光面内质网常出现在向高尔基体转运的出芽部位 分泌脂类激素的特化细胞sER含量丰富 内质网于核膜相连 可与质膜内陷结构相通表明其可能起源于质膜内陷 内膜系统包括内质网均与细胞骨架关系密切 内质网对射线 毒剂 病毒等外界伤害非常敏感 引起内质网腔扩大 核糖体脱落等病理变化 2 1内质网1945 粗面内质网由核糖体附着在扁平连续的内质网囊胞质侧形成的 光面内质网由管状的膜结构组成的相互连通的网架 粗面内质网 a 糙面内质网模式图 b 胰腺腺泡细胞的rER透射电镜图 c 胰腺腺泡细胞的rER扫描电镜图 d 内质网 橙色及白色 主要集中于细胞核周围 微粒体 100 200nm 是在细胞组分分离中得到的主要由内质网膜组分形成的大小一致的异质性微囊 微粒体在纯化过程中保持了活性 具有蛋白合成 蛋白糖基化 脂质合成等内质网功能 可用于内质网研究 微粒体与内质网 粗面内质网主要功能 蛋白质合成 修饰和正确折叠 蛋白质的合成起始于细胞质基质 有些蛋白质在开始合成不久就随核糖体转移至糙面内质网上 附着在糙面内质网上的核糖体合成的蛋白质包括 分泌蛋白 内膜系统及质膜的膜整合蛋白 内膜系统腔中的可溶性蛋白 蛋白质细胞内分选 共翻译转运 左 和后翻译转运 右 Nascent新生的 2 1 2内质网的功能 卵磷脂在内质网膜上合成过程的示意图 合成膜脂 固醇类激素等脂质 几乎细胞所有膜脂均在内质网上合成 两类膜脂例外 1 糖脂合成开始于内质网上 在高尔基体中完成 2 线粒体 叶绿体中的独特的膜脂由自身合成 光面内质网主要功能 磷脂转位蛋白在磷脂双分子层形成中的作用 生物膜磷脂转位蛋白 转位酶 可能有多种 其中一种是ABC转运器Floppase 由PS面向ES面转运磷脂 对胆碱磷脂转位能力高于其他磷脂 另有Ca2 依赖的磷脂爬行酶 Phospholipidscramblase 不依赖ATP双向转运磷脂 还有一种P型离子泵相关的磷脂转位酶Flippase 如Aminophospholipidtranslocase 可转运PS等 从ES面向PS面转运磷脂 内质网合成的膜脂主要以三种方式转运至其他细胞器 通过出芽从内质网转运至高尔基体 溶酶体 质膜 通过不同的磷脂交换蛋白 PEP 与特定种类的磷脂形成水溶性颗粒从磷脂含量高的细胞器转运至磷脂含量低的细胞器 线粒体 过氧化物酶体等 不同细胞器的膜脂组成差异很大 通过特殊蛋白介导的膜直接接触转运磷脂 内质网合成脂质的运输 其它脂质合成 如分泌细胞中合成固醇类物质 肝细胞中对毒性化合物脱毒 依赖光面内质网膜上含有细胞色素P450多功能氧化酶把聚集在内质网膜上的脂溶性有害物质羟基化 使之溶于水并被排出细胞 随尿排出体外 容纳Ca2 调控肌肉收缩 Ca2 ATPase和Ca2 通道位于肌细胞光面内质网 肌质网 膜上 把Ca2 运入内质网中 细胞受刺激时 Ca2 进入细胞质基质中促使肌肉收缩 光面内质网的其他功能 内质网P450多功能氧化酶反应原理http www pnas org http www p450 kvl dk 糙面内质网合成的蛋白可能会在内质网或高尔基体中糖基化 酰基化 羟基化 硫酸化 在内质网中形成正确的二硫键 蛋白的折叠和多亚基蛋白组装 在内质网 高尔基体 分泌泡中进行特异蛋白的切割等修饰 内膜系统中蛋白的糖基化主要发生在内质网和高尔基体中 两者糖基化方式不同 内膜系统合成的蛋白糖基化普遍 细胞质基质中仅个别蛋白发生简单的糖基化 新合成蛋白质的修饰和加工 糖基化的作用 影响蛋白的稳定性 寿命和降解 使蛋白质能够抵抗消化酶的作用 赋予蛋白质传递信号的功能 某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠 分选 定位 内质网中的糖基化发生在蛋白合成过程中 由膜上的糖基转移酶把膜结合的多萜醇上的寡糖链转到特殊三肽序列的天冬酰胺上 在真核生物中转移的14个糖的寡糖链是相同的 后期在内质网中还对寡糖链进行剪切修饰 剪除3个葡萄糖和一个甘露糖 寡糖链在转运过程中还可进行接切添加糖基 Dolichol多萜醇 蛋白N 连接糖基化发生在内质网中 在蛋白的三肽信号Asn X Ser Thr的天冬酰胺上 内质网N 连接糖基化的寡糖链在内质网要经历修饰 转移至高尔基体后糖链还要进一步修饰 蛋白在内质网内 上 还可发生羟基化 酰基化及形成二硫键等修饰 内质网中新合成蛋白的质量控制 内质网中含有多种蛋白协助新合成肽链折叠 组装 不能折叠 组装的蛋白运出内质网被泛素化降解 分子伴侣 结合蛋白 Bip 亦称GRP78 Hsp70家族成员 钙连接蛋白 calnexin 等它们可以识别 结合未折叠或错误折叠的蛋白并帮助这些蛋白正确折叠 蛋白二硫键异构酶 PDI 打开二硫键帮助蛋白正确折叠 葡糖基转移酶 GT 是一种监控酶 识别未折叠或错误折叠的蛋白并添加一个葡萄糖至低聚糖末端 Bip PDI等有四肽内质网驻留信号 HDEL KDEL N 连接糖基化在内质网蛋白折叠中的作用 合成的蛋白进入内质网 在分子伴侣帮助下折叠 不能正常折叠的蛋白通过易位子运出内质网经泛素途径化降解 在内质网腔中二硫键形成及重排 只有在内质网腔中才具有氧化 SH形成二硫键的氧化环境 PDI 蛋白二硫键异构酶 在内质网腔中大量存在 内质网蛋白质量控制机制确保错误折叠的蛋白不能离开内质网进入高尔基体 只有完成正确修饰 折叠和组装后才能以出芽方式进入高尔基体进一步加工修饰或分选 2 1 3内质网应激及其信号调控 内质网对伤害敏感 当内外因素 异常糖基化 缺氧 病毒感染等 导致内质网未折叠 错误折叠蛋白积滞 膜脂成分变化 钙稳态失衡等均可启动相应信号途径引起内质网应激 ERS 反应 内质网应激反应包括 未折叠蛋白质应答反应 UPR 内质网超负荷反应 EOR 固醇调节级联反应 凋亡程序启动等 内质网应激反应可启动内质网分子伴侣 固醇合成等基因表达 缓解损伤造成的内质网压力 如内质网应激反应时间过长 内质网压力不能缓解则启动细胞凋亡 内质网应激抉择细胞的生死 A 三种未折叠蛋白应答反应信号传递途径 内质网腔中或膜上未折叠 错误折叠的蛋白过多 积滞会导致未折叠蛋白应答反应 UPR 激活内质网膜上需要肌醇酶1 IRE1 蛋白激酶R类似的内质网激酶 PERK 激活转录因子6 ATF6 等感受器 启动相应信号途径 引起胞质中特异基因调节蛋白的前体mRNA拼接 促使分子伴侣基因等表达 或磷酸化翻译辅助因子 暂停蛋白质的合成 启动分子伴侣基因表达 或者剪切感应器产生活性转录因子 引起分子伴侣等相关基因表达 B 需要肌醇酶1信号途径 IRE1三个功能结构域 转录因子前体mRNA的细胞质拼接和分子伴侣基因的表达 固醇调节级联反映 内质网固醇缺乏时内质网膜上被insig 1 2 束缚的固醇调控元件结合蛋白 SREBP 脱离束缚进入高尔基体 被高尔基体S1P S2P蛋白酶剪切出活性片段进入核中与固醇调控元件结合 启动相关基因转录 正确折叠的蛋白在内质网中积累可以启动内质网超负荷反应 EOR 引起核因子 B激活 启动抗凋亡 细胞炎症反应 细胞分化等效应 内质网膜胆固醇损耗引起固醇调节级联反应 激活固醇调控元件结合蛋白 SREBP 促使胆固醇合成基因的表达 内质网应激是细胞一种自我保护机制 内质网应激如果不能使内质网恢复蛋白折叠的良好环境就会启动细胞程序性死亡 左图 内质网应激诱导的凋亡途径 1 内质网应激导致PERK激活并最终可能导致GADD34 PP1磷酸酶复合体 它可使eIF2 去磷酸化 活化 促进凋亡 可使eIF2 磷酸化的遗传机制或药剂保护细胞不发生内质网应激诱导的凋亡 2 Caspase 12 小鼠 或 4 人 和内质网膜胞质面相连 它可以通过多条路径被内质网应激激活 包括通过IRE1和TRAF2 肿瘤坏死因子受体相关因子2 或通过被calpain剪切激活 Calpain本身可被从内质网库中释放的Ca2 激活 Bcl 2家族的某些成员定位于内质网膜上 可以通过调节Ca2 流出和放大线粒体途径凋亡信号影响内质网应激诱导的凋亡 JNK c JunN terminalkinases JNK活化与线粒体凋亡途径有关 在射线等处理细胞后JNK可被激活启动凋亡 JNK还有促细胞增值等作用 2 2 1形态结构与极性 由扁平囊泡堆积而成 有极性 通常4 8个扁平囊堆叠在一起 分布于ER与细胞膜间 呈弓形或半球形 靠近核凸出的一面对着ER称为顺面 cisface 靠近质膜凹进的一面对着质膜称为反面 transface 标志酶为糖基转移酶 高尔基体可分为5个功能连续的部分 顺面网状结构 顺面膜囊 中间膜囊 反面膜囊 反面网状结构 高尔基体是动态结构 与细胞骨架特别是微管关系密切 静止细胞常处于微管组织中心附近 在细胞分裂时随内质网 核膜等解体 细胞分裂后重新形成 2 2高尔基体1898 高尔基体的极性 高尔基体顺面 cis面 膜囊 嗜锇反应显示 中间膜囊 含有甘露糖苷酶 N连接寡糖链甘露糖从核心寡糖上的切除 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶 NADP酶 核苷酸二磷酸酶 UDP 糖等转移出糖后切除磷酸 胞嘧啶单核苷酸酶 CMP酶 位于靠近反面 trans面 的囊状和管状结构区 焦磷酸硫胺素酶 TPP酶 的细胞化学反应显示高尔基体反面膜囊区 高尔基体扁平膜囊膜组成的区域差异 1 参与细胞分泌活动 RER合成Pr ER腔 COP 小泡 CGN Golgi加工 TGN区形成运输泡 与质膜融合 排出 2 O 连接的糖基化 糖的供体为核苷糖 3 糖链加工与修饰 部分多糖的合成 4 蛋白质 糖 糖胺聚糖 的硫酸化 4 进行膜的转化功能 合成糖脂 ER合成膜脂转移至高尔基体 经过糖基化等修饰和加工 形成运输泡与质膜融合 5 将蛋白水解为活性物质 如将胰岛素C端切除 或将神经肽前体降解为活性片段 6 参与形成溶酶体 7 植物细胞壁的形成 合成纤维素和果胶质 2 2 2高尔基体功能 高尔基体各分区功能 可用放射性自显影方法用同位素标记的单糖脉冲标记显示 内质网 N 连接寡聚糖合成和转移到Asn侧连上 高尔基体顺面管网区 N 乙酰半乳糖胺添加至Ser Thr上 溶酶体酶磷酸化第一步 顺面膜囊 移除甘露糖 溶酶体酶磷酸化第二步 中间膜囊 甘露糖移除 添加N 乙酰葡萄糖胺 反面膜囊 添加半乳糖 唾液酸 反面管网区 添加唾液酸 酪氨酸硫酸化 Asparagine天冬酰胺 mannose甘露糖 内质网以出芽方式将其中正确折叠的蛋白运至高尔基体顺面管网区 再由顺面向反面运输并在高尔基体不同功能区进行糖基化等修饰 高尔基体不同的分区行使不同的修饰功能 蛋白从顺面到反面逐渐修饰加工成熟 N 连接低聚糖核心糖链在粗面内质网中组装 N 连接低聚糖的修饰在高尔基体中完成 O 连接低聚糖发生在高尔基体中 N 连接低聚糖在内质网和高尔基体中的修饰 高尔基体中O 连接的糖基化及糖基化修饰 Fucose岩藻糖 Hyl羟赖氨酸 glycophorin血型糖蛋白 高尔基体中O 连接糖基化由糖基转移酶利用核苷酸糖逐个添加的 N 连接的糖基化在真核生物中普遍存在 但在原核生物中很少发生 不同于蛋白质 核酸的合成 低聚糖的合成不需要模版 典型的O 连接和N 连接低聚糖的结构 真核细胞中蛋白糖基化的目的是什么 重要功能 1 帮助蛋白折叠及运输 糖链是蛋白折叠 分类包装 定向转运的信号和标志 如在内质网中衣霉素阻断蛋白质糖基化 免疫球蛋白 血凝素等肽链不能正确折叠而滞留在内质网中 2 糖基化为细胞提供信号识别信息 在蛋白分选 细胞识别 细胞黏着等方面扮演重要角色 因此相关糖基化基因敲除是致死性的 3 糖基化蛋白的使大分子不能靠近蛋白表面 保护蛋白免受蛋白酶等切割 4 糖基化增加蛋白的可溶性和稳定性 影响细胞表面电荷特征 细胞表面由于膜脂膜蛋白糖链中的唾液酸而带负电荷 5 细胞糖基化外被 动物细胞 既能保护细胞 又不影响细胞的运动能力 在高尔基体反面管网结构和形成的分泌泡中进行分泌蛋白的剪切加工 为什么前体蛋白需要剪切才能形成有活性的形式 1 多肽分子太小 核糖体不能有效合成 神经肽 2 防止激素蛋白与受体提前结合启动生理效应 胰岛素 3 蛋白可能缺少转移到分泌泡中的信号 剪切可能使转移信号暴露 分泌蛋白的剪切加工 高尔基体分泌蛋白的剪切加工 组成型分泌蛋白血清蛋白和胰岛素前体的剪切 蛋白等经高尔基体不同功能间隔修饰 加工逐渐成熟 由顺面移向反面 在反面网状结构区依赖特异受体被分类浓缩 出芽形成不同转运小泡或分泌小泡运向不同目的区域 高尔基体蛋白的分选和转运分泌途径有三条 溶酶体酶分选途径 调节性分泌途径 组成型分泌途径 两种观点 小泡运输模型 膜囊成熟模型 高尔基体组装方式及膜囊间运输方式的两种模型 高尔基体维持极性及膜囊间运输模式 高尔基体与细胞分泌 组成型胞吐 物质从细胞连续的非调节性的分泌 如膜蛋白和胞外基质 分泌物储存在细胞质储藏微粒中 在刺激信号下分泌 如胰岛素 促肾上腺皮质激素 胰蛋白酶原的分泌 可能通过相同的方式分选和进入可调节性分泌泡 溶酶体 Lysosome 为deDuve1949年在分析大鼠肝组织液离心组分中酸性磷酸酶活性时发现 线粒体组分酸性磷酸酶活性水提液中比等渗液中高 放置时间长的比新鲜提取的高 酶活性与线粒体无关 其他水解酶活性与此类似 deDuve与Novikoff1955年通过电镜观察证实溶酶体存在 单层膜细胞器 含酸性水解酶 最适pH 5 执行细胞内消化 具有异质性 酸性磷酸酶是标志酶 膜有质子泵 溶酶体内pH值低 膜蛋白高度糖基化 膜上有转运载体 2 3溶酶体1949 2 3 1溶酶体形态结构与类型 溶酶体是异质性细胞器 初级溶酶体 次级溶酶体 异噬溶酶体 自噬溶酶体 残余体 初级溶酶体 次级溶酶体 分泌溶酶体 残余体 前溶酶体 次级溶酶体 secondarylysosome 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 残余体 residualbody 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 初级溶酶体 primarylysosome 由高尔基体分泌形成 含多种酸性水解酶 较为均质 溶酶体组织化学观察 硝酸铅显示酸性磷酸酶 溶酶体的标志酶 两个小囊泡可能是来自高尔基体的含酸性水解酶的运输小泡 红色箭头 次级溶酶体 初级溶酶体 残余体 肝细胞脂褐质 溶酶体含有大量的酸性水解酶 它们可以消化各种生物分子 是细胞内主要的消化场所 酸性水解酶在较低pH值下活性高 溶酶体膜上的质子泵 V型 使溶酶体内部酸化 少量的溶酶体酶泄漏到细胞质不会引起细胞损伤 细胞质基质中pH值为7 2左右 溶酶体酶此环境下活性低 溶酶体膜 V型H 泵 维持内部酸性 膜上存在糖基化蛋白 可能是保护溶酶体免于自消化 存在运输蛋白 转运消化物质 溶酶体内酸性环境的产生和维持及溶酶体部分酸性水解酶 pH敏感的荧光探针标记的蛋白显示胞吞过程中胞内体和溶酶体的pH值 溶酶体中pH值为5 显示红色 各种胞内体pH值从5 5 6 5不等 显示蓝 绿色 溶酶体与胞内体关系密切 晚胞内体被认为就是前溶酶体 前溶酶体与溶酶体在内部pH值和膜上的蛋白组成上有差别 溶酶体膜无溶酶体酶受体 植物细胞中没有与动物细胞一样的溶酶体 但植物细胞中液泡 原球体 糊粉粒具有溶酶体功能 2 3 2溶酶体功能 溶酶体主要辅助行使三种细胞功能 吞噬 自噬 胞饮 初级溶酶体与吞噬泡和自噬泡融合 完成消化后形成残余体或者通过胞吐排出残余物或滞留在细胞中形成脂褐质微粒 清除无用生物大分子 自噬 衰老损伤死亡的细胞 异噬 衰老的细胞器 自噬 个体发育中多余的细胞 异噬 等 细胞内消化和营养获取 如从LDL获得胆固醇 氨基酸 异噬 单细胞真核生物籍其消化食物 异噬 饥饿细胞的自噬 防御作用 如巨噬细胞 异噬 中性粒细胞 异噬 T淋巴细胞和NK淋巴细胞 分泌溶酶体 含溶酶体酶和穿孔蛋白 粒酶 参与分泌过程的调节 如甲状腺分泌细胞吞噬甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素并分泌到细胞外 异噬 形成精子的顶体 类似分泌溶酶体 含透明质酸酶 蛋白酶等 消化卵细胞透明带和滤泡细胞以利受精 精子的顶体是特化的溶酶体 2 3 3溶酶体病 由溶酶体缺陷造成的机体功能紊乱 矽肺病细胞自体溶解是由于溶酶体膜破裂或渗漏导致酶外泄消化自体细胞 溶酶体贮积症是由于溶酶体缺乏一种或多种溶酶体酶导致物质在溶酶体中积累形成大的内含物 如I 细胞症 inclusion celldisease N 乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶基因突变造成 台 萨氏症 溶酶体缺乏 氨基己糖脂 苷 酶A不能消化神经节苷脂使其在脑细胞等细胞中积累 导致痴呆 早死 神经鞘脂贮积病 台 萨氏综合症溶酶体的同心圆结构 2 3 4溶酶体的生物发生 新合成溶酶体酶的典型运输 溶酶体酶前体N 连接寡糖链末端甘露糖被磷酸修饰而带6 磷酸标记 在高尔基体反面管网区 TGN 溶酶体酶通过甘露糖 6 磷酸受体与其他类型蛋白分离浓缩并从TGN出芽 最后与晚胞内体融合 低pH值使受体与溶酶体酶分离 受体出芽回到TGN区 酸性磷酸酶水解酶上磷酸激活水解酶 使水解酶不会随受体返回高尔基体 溶酶体发生与高尔基体的分泌活动密切相关 溶酶体酶在高尔基体中标记或修饰 在TGN区被选择浓缩 出芽通过运输小泡运至前溶酶体 晚胞内体 胞外 质膜上等区域 运至胞外 质膜上的溶酶体酶通过胞饮 胞内体途径进入前溶酶体 晚胞内体继续酸化 受体循环脱离后转变为初级溶酶体 溶酶体酶上甘露糖 6 磷酸标志的产生需要两种酶催化在高尔基体CGN和顺面膜囊中完成 N 乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶 磷酸葡萄糖苷酶 酶对溶酶体酶前体蛋白的识别可能依赖溶酶体前体蛋白立体结构某些区域形成的信号斑 识别区结合溶酶体酶信号 N 乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶 磷酸葡糖苷酶 溶酶体发生在不同细胞中可能存在差异 溶酶体酶进入溶酶体途径可能也不相同 甘露糖 6 磷酸标记的溶酶体酶运至胞外后可通过受体介导的内吞返回细胞溶酶体 而标志酶酸性磷酸酶前体是跨膜蛋白 分泌到细胞质膜上后再通过受体介导的内吞回收 在通过胞质巯基蛋白酶和溶酶体天冬氨酸蛋白酶剪切成可溶性蛋白 此过程不涉及甘露糖 6 磷酸途径 2 4过氧化物酶体1954 Rhodin1954年发现于鼠肾小管上皮细胞 具有异质性 由单层膜围绕而成 但与溶酶体有显著差异 特点 含过氧化氢酶 标志酶 和一至多种依赖黄素 flavin 的氧化酶 已发现40多种氧化酶 氧化酶特点是将底物氧化后生成过氧化氢 而过氧化氢酶又利用H2O2去氧化其它底物或生成水和O2 过氧化物酶体广泛存在于真核细胞中 过氧化物酶体又称微体 乙醛酸循环体 植物油性种子中氧化脂肪酸生成糖等的过氧化物酶体 在动物中 参与脂肪酸的氧化 直接产生热和乙酰辅酶A 具有解毒作用 过氧化氢 物 酶氧化有害物质 醇的氧化 甲醇 乙醇等 饮入的酒精1 4是在微体中氧化为乙醛 在植物中 参与光呼吸 将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢 在萌发的种子中 进行脂肪酸的氧化 最终使脂肪转化为糖 2 4 1过氧化物酶体的功能 肝细胞中过氧化物酶体 烟草叶肉细胞的过氧化物酶体 中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心 过氧化物酶体参与光呼吸 乙醛酸循环体使脂肪转化为糖 过氧化物酶体的发生与线粒体和叶绿体类似 但过氧化物酶体不含DNA 酶和膜蛋白由核基因编码 主要在细胞质基质中合成 在信号序列PTS1 Ser Lys Leu COO 或PTS2 N端Arg Lys Leu Ile 5X His Gln Leu 等引导下定位到过氧化物酶体 膜脂来自内质网膜泡 或通过磷脂交换蛋白 PEP 从内质网转移而来 以分裂方式产生子代 也可以通过组装方式产生新的过氧化物酶体 通过酵母等突变体发现许多与过氧化物酶体发生有关的基因 pex基因 2 4 2过氧化物酶体的发生 过氧化物酶体的发生 1内质网出芽 前体膜泡过氧化物酶体膜蛋白组装 Pex19 膜蛋白定位信号受体 Pex3 16膜蛋白定位辅助蛋白 2基质蛋白在PTS1 PTS2序列引导下输入 Pex5 7 分别为PTS1和PTS2基质受体 Pex14 基质受体的膜受体 Pex2 10 12 辅助输入膜蛋白复合物 3通过分裂增值 需要Pex11 蛋白质分选运输的路径图 3蛋白质的分选 定向转运 3 1真核细胞中核编码蛋白的分选概述 共翻译转运和后翻译转运 跨膜运输 蛋白运入内质网 线粒体 叶绿体 过氧化物酶体 膜泡运输 内质网 高尔基体 质膜 溶酶体 胞内体之间的蛋白运输 门控通道运输 通过核孔运输 细胞质基质中的蛋白转运 蛋白通过四种机制转运 蛋白分选 蛋白质寻靶 蛋白分子在蛋白内部的分选信号指导下从细胞质运往各种目标细胞器或细胞表面 没有任何信号 序列 的蛋白是细胞质基质驻留蛋白 细胞内合成的蛋白质 脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面 其一是蛋白质中包含特殊的信号序列 signalsequence 其二是细胞器上具特定的信号识别装置 分选受体 sortingreceptor 信号序列及信号斑 蛋白建立分选信号的两种方式 信号位于一段氨基酸序列中被称为信号序列 它暴露在蛋白外部通常位于肽链端部 也有存在于其他部位的 信号斑由分隔开的氨基酸序列在蛋白折叠时相互接近组成 或者在蛋白折叠后形成暴露的固定距离的多个信号斑 门控通道转运 细胞核蛋白通过核孔复合体运输 蛋白存在核定位信号 NLS 以折叠或组装的形式进行运输 跨膜运输 进入内质网依赖信号肽 进入线粒体 叶绿体 过氧化物酶体依赖导肽或转运肽 通过膜上的易位子 内外膜转运复合体蛋白跨膜 以单个未折叠的肽链形式跨膜 需要通过分子伴侣协助 膜泡运输 通过出芽 转运 驻泊及最后与靶膜融合运输蛋白 脂质 在膜泡的外围组装包被蛋白 网格蛋白 COPII包被蛋白 COPI包被蛋白等 只有正确折叠 组装的蛋白才能被运输 在运输中被运输蛋白 脂质的方向不会改变 3 2信号假说和内膜系统蛋白质的转运 G Blobel和D Sabatini 1975年提出共翻译转运的信号假说 Palade发现内质网附着的核糖体合成分泌蛋白 Milstein等发现 在非细胞体系中合成的IgG轻链比体内真正的IgG轻链N端长出数个氨基酸 在非细胞体系中添加ER膜组分则可合成正常长度的IgG轻链 分泌蛋白的信号肽 由多肽N端16 26个氨基酸组成 具有三个区域 带正电荷的N端区 中间的疏水核心区和极性的与成熟肽链连接的C端剪切区 新生分泌蛋白的信号肽使肽链定向运输到内质网 随后被切除 信号识别颗粒 SRP 由6种不同的多肽和一条7S 300bp左右 RNA组成的核糖核蛋白复合体 可结合GTP 信号识别颗粒受体 内质网停泊蛋白 DP 一种GTP结合蛋白 易位子 由3 4个Sec61蛋白构成的通道 每个Sec61由3条肽链组成 SRP有三个主要活性区 信号肽识别区 P54甲硫氨酸与信号肽疏水核心结合 核糖体结合区 P9 P14 阻断进一步翻译 结合内质网停泊蛋白的区域 锚定序列 与内质网膜的亲合力很高 使这段序列结合在膜上 阻止其继续进入内质网腔 成为跨膜蛋白 粗面内质网合成分泌蛋白共翻译转运示意图 进入内质网腔的可溶性蛋白没有停止转移序列 膜蛋白的定位和拓扑特征进入内质网的分泌蛋白等只需N端的信号肽即可定位到内质网腔 而膜整合蛋白还需其他信号序列 除N端信号肽引导蛋白转运至内质网外 内质网定位蛋白还可能有内在停止转移锚定序列 STA 内在信号锚定序列 SA 起信号肽 开始转移 锚定的序列 等内部信号序列指导内质网膜蛋白的转运 含内在停止转移锚定序列 STA 和内在信号锚定序列 SA 的蛋白在内质网膜上的拓扑特征 膜整合蛋白的内部停止转移序列 内部停止转移锚定序列 和开始转移序列 内部信号锚定序列 在蛋白膜定位中的作用 葡萄糖转运蛋白1等多跨膜 螺旋蛋白的合成和转运 多个开始转移序列 内部信号锚定序列 不切除的信号肽 和停止转移序列 内部停止转移锚定序列 形成多次跨膜 水疱性口炎病毒包膜蛋白的分选信号是存在于细胞质基质一侧的双酸分选信号 这种信号也存在于其他膜蛋白上 双酸分选信号指导膜蛋白从内质网向高尔基体运输 上皮细胞顶端和基膜蛋白的分选 水疱性口炎病毒 VSV 与普通感冒病毒共同侵染上皮细胞时在内质网上合成的两种病毒的包膜蛋白被高尔基体转运小泡分别运输至上皮细胞的基膜端和游离端 有些膜蛋白分泌到基膜一侧在通过转胞吞作用聚集到游离面质膜上 不仅蛋白质进入内质网需要信号引导 蛋白在内膜系统间运输也需要信号 如内质网驻留蛋白的KDEL HDEL 信号和KKXX信号 膜蛋白 质膜整合蛋白由内质网进入高尔基体的双酸分选信号 Asp X Glu 溶酶体蛋白由高尔基体进入溶酶体的甘露糖 6 磷酸信号等 内膜系统之间及与质膜之间的物质传递主要通过膜泡运输进行 运输小泡在膜的特定区域以出芽 内吞的方式产生 表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的包被 coat 包被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体 膜泡运输及内膜系统结构 位置的组织依赖细胞骨架 特别是细胞微管体系 3 3膜泡运输 高尔基体在细胞分裂中的解体和分裂后重新组装 高尔基体在有丝分裂完成后以两个进程组装 a 视频画面显示表达mCherry Rab6的RPE1 一种视网膜上皮细胞株 细胞在分裂后高尔基体的组装 mCherry 一种红色荧光蛋白 Rab6 定位于高尔基体或后高尔基体区室上的GTP结合蛋白 调节膜泡运输 融合 0时标记接近于分裂末期开始 方框区域在c图被放大 b 根据实时图像实验在NT对照细胞中测定的细胞分裂后高尔基颗粒大小 图中显示高尔基颗粒相对于0时的平均增加倍数 c 图 a 中的方框放大显示微小高尔基叠囊 红 在重新向中心体定位 10 之前先聚集 6 9 蓝色及黄色箭头指示两个单独的膜囊群 Milleretal 高尔基体衍生的微管聚集并组织高尔基体微叠囊 高尔基体组装的G stage 同时 中心体微管在细胞中央募集高尔基体叠囊 高尔基体组装的C stage 在CLASP 高尔基体膜上组织微管组装的一种蛋白 失活细胞中 没有高尔基体衍生微管 高尔基体组装的G stage缺失 细胞分裂末期高尔基体重新组装由两套微管体系完成 中心体微管体系 C stage 和高尔基体微管体系 G stage 高尔基体有微管组织中心的功能 高尔基体重新组装依赖微管 c 显示微管在高尔基微叠囊 红色 上成核 使微叠囊结合到微管上 黄色箭头 并沿微管运输 白色箭头 导致微叠囊沿高尔基体成核微管聚集 mCherry Rab6 红 GFP EB3 EB3 一种微管结合蛋白 绿 d 图c中微叠囊聚集 仅显示mCherry Rab6 蓝色箭头指示微管成核的微叠囊 黄色箭头指示被运输的微叠囊 高尔基体组装依赖两套微管的方向性和动力蛋白活性 a b GFP EB3 绿green 和mCherry GT 红 GT 半乳糖基转移酶 一种仅在高尔基体中有的标志酶 2 5分钟内视频画面叠加 a EB3在对照细胞中的轨迹显示辐射状的中心体微管阵列 黄箭头 和切向的高尔基体相关的微管阵列 蓝箭头 方框处放大 a mCherry GT a GFP EB3 b 在CLASP失活 siRNA重组 细胞中辐射状的中心体微管阵列 黄箭头 EB3轨迹 方框处放大 b mCherry GT b GFP EB3 c 视频画面显示洗除nocodazole 微管组装抑制剂 后表达mCherry GT 红 和GFP EB3 绿 的NT对照细胞中微叠囊沿高尔基体成核微管向负端方向运动 黄色箭头 星号示微管正极端 时间显示为去除nocodazole后的时间 当失去G stage后 高尔基体组织会混乱 比较正常组织的高尔基体 左 和CLASP失活细胞中辐射状中心体微管组装的部分分散的圆形高尔基体 右 在一个有错误组织的圆形高尔基体的细胞中 后高尔基体转运的极性无法维持 比较对照细胞中向细胞前方正常的极性运输 左 和CLASP失活细胞中的非极性运输模式 右 细胞内膜系统间膜泡运输有方向性 已知由三种不同类型的有被小泡运输 不同包被蛋白选择运输不同的货物 组成不同类型的运输小泡在生物合成和分泌 胞饮过程中介导不同种类的运输 COP 衣被小泡 介导内质网到高尔基体的物质运输 形成于内质网无核糖体处的出芽位点 主要亚基 Sar1 GTP Sec23 Sec24 双酸信号受体 Sec13 Sec31 多数跨膜蛋白直接与COP 结合 少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP 结合 分选信号 位于跨膜蛋白胞质面 形式多样 常包含双酸性基序Asp X Glu COP 有被小泡的组装 Sar1是一种G蛋白 Sar1 GTP结合到ER上 Sar GDP从ER上解离 COP 包被膜泡 在哺乳动物细胞中 抑制从内质网出芽的抗体对高尔基体膜囊之间膜泡运输没有抑制效应 说明介导两种运输的蛋白不同 COPI有被小泡是第一个被分离鉴定的运输小泡 GTP类似物可以促使细胞积累COPI有被小泡并可通过离心分离 COPI包被膜泡介导由高尔基体膜囊间及至内质网的反向运输 功能 回收 转运内质网逃逸蛋白 escapedproteins 返回内质网 也可介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输 组成 由7种蛋白组成 KKXX