细胞生物学---细胞的内膜系统

EndomembraneSystemandproteinsorting,CellBiologyandGeneticsShantouUniversityMedicalCollegeHuangdongyang(黄东阳)2014.09.25,复习,生物膜：组成构造基本功能,膜成分和构造,Lipids，proteinsandsugar脂质双层构造膜脂：磷脂，胆固醇和糖脂磷脂-磷脂酰乙醇胺，磷脂酰丝氨酸，磷脂酰胆碱，鞘磷脂两亲和性amphipathic：hydrophilicheadandtwohydrophobictail,Figure10-3MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure10-17cMolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure15-37MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure15-38MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure10-17bMolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure15-39MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure10-17aMolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure10-11MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),脂质双层是双向流动Thefluiditydependsonbothitscompositionandtemperature脂质双层的不对称在功能上很重要phosphatidylcholineandsphingomyelin-outermonolayer;phosphatidylethanolamineandphosphatidylserine-innermonolayer。Manycytosolicproteinsbindtospecificlipidheadgroupsinthecytosolicmonolayer.所有质膜表面都有糖脂noncytosolicmonolayer,膜蛋白,占膜重量的25-75脂质分子:蛋白分子=50:1膜蛋白常常与寡糖链连接（外表面或非细胞浆侧），扮演着细胞膜大部分的特殊功能。,Transmembraneprotein,lipid-anchoredproteinandperipheralprotein,膜蛋白可以与脂质双层以各种方式结合,Figure10-19MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),膜蛋白的平面内移动(rotationaldiffusionandlateraldiffusion),Figure10-35MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),膜蛋白的功能,运输蛋白：Na+-K+泵，通道蛋白受体：生长因子受体酶：腺苷酸环化酶，接受细胞外信号，产生cAMP。连接蛋白：整联蛋白，连接细胞内肌动蛋白和细胞外基质蛋白,糖,细胞表面被糖残基覆盖，称为细胞被或糖萼-Cellcoatorglycocalyx多以寡糖链的形式与脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。也可能作为多糖链与膜中蛋白成分构成蛋白多糖。功能：不是很清楚。糖蛋白有助于蛋白在膜上的定位及固定，以防止滑入细胞质或在脂质双层中翻转；细胞识别、粘着和迁移过程有关。,细胞表面被糖残基覆盖，称为细胞被或糖萼-Cellcoatorglycocalyx多以寡糖链的形式与脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。也可能作为多糖链与膜中蛋白成分构成蛋白多糖。功能：不是很清楚。糖蛋白有助于蛋白在膜上的定位及固定，以防止滑入细胞质或在脂质双层中翻转；细胞识别、粘着和迁移过程有关。,蛋白聚糖,细胞内膜系统EndomembraneSystem,2013诺贝尔生理学或医学奖得主,2013诺贝尔生理学或医学奖得主,JamesE.Rothman;RandyW.Schekman,ThomasC.Sdhof,耶鲁大学细胞生物学系系主任和教授,加州大学伯克利分校分子与细胞生物学系教授,斯坦福大学分子与细胞生理学教授,肝细胞主要区室,相对于质膜而言，把细胞内那些在结构、功能乃至发生上相互密切关联的所有膜性结构细胞器统称为内膜系统（endomembranesystem）。主要包括：内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体、各种转运囊泡及核膜等功能结构。,Endomembranesystem,内膜系统的区室化（compartmentalization）效应是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之一。（1）有效地增加了细胞内有限空间的表面积。（2）使得细胞内不同的生理、生化过程能够彼此相对独立地在一定的区域中进行，提高了细胞整体的代谢水平和功能效率。内膜系统的产生是细胞生物在其漫长历史演化进程中，内部结构不断分化完善、各种生理功能逐渐提高的结果。,Table12-1MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),一、细胞内膜系统组成,EndomembraneSystem:ThestructuralandfunctionalrelationshiporganellesincludingER,Golgicomplex,lysosome,peroxisomes,endosomes,secretoryvesicles.Membrane-boundstructures(organelles)arefoundinalleukaryoticcells.,Table12-2MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),(一)内质网EndoplasmicReticulum,1945年，KRPorter等人在对培养的小鼠成纤维细胞进行电镜观察时发现，在细胞质的内质区分布着一些由小管、小泡相互连接形成的网状结构，并根据其结构的分布及形态特征而命名为内质网。后又证实内质网是由膜性的囊泡构成，并可延伸至靠近细胞膜的外质区。1.内质网的结构形态与类型内质网是由单位膜围成的相互连续的小管、小泡和扁囊样结构组成的三维网状膜系统。内质网在发生上与细胞膜和核膜关系密切。,内质网遍布整个细胞质,喹啉蓝荧光染料染色显示内质网结构,内质网在细胞内呈网状分布，局部有聚集并形成一定走向。该照片显示在细胞伪足中有丰富的内质网结构。,内质网的形态结构，分布状态和数量在不同的细胞有所不同，与细胞的种类、分化程度、功能状态有关。粗(糙）面内质网(rER)多呈扁平囊状，外有核糖体附着，常与细胞核的外核膜相连，使内质网腔与核周间隙相通。分泌蛋白合成旺盛的细胞分布多：浆细胞、胰腺细胞、侵袭性癌细胞。未分化或分化程度低的细胞分布少：如胚胎细胞和干细胞。,滑（光）面内质网(sER)多呈分支管、泡样网状结构，无核糖体附着在肝细胞、睾丸间质细胞、肾上腺皮质细胞分布多。,rERhasribosomesonthecytosolicsideofcontinuous,flattenedsacs(cisternae);sERisaninterconnectingnetworkoftubularmembraneelements.,大部分细胞中rER和sER同时存在，只是比例不同。但在胰腺细胞中只有rER，在肌细胞中只有sER。,微粒体microsome,Microsome(100-200nm),Microsomesareheterogeneousmixturesofsimilar-sizedvesicles,formedfrommembranesoftheERandGolgicomplex.Microsomesretainactivityduringpurification,allowingstudiesoffunctionandcomposition,2.内质网的化学组成,由蛋白质和脂类组成（1)膜蛋白：30种以上，主要三种类型：1）解毒和药物代谢相关的氧化反应电子传递体系细胞色素P-450(cytochromeP450);NADPH-细胞色素P-450还原酶(NADPH-cytochromeP450reductase);细胞色素b5(cytochromeb5);NADH-细胞色素b5还原酶(NADH-cytochromeb5reductase)；细胞色素c(cytochromec);NADPH-细胞色素c还原酶(NADPH-cytochromecreductase)2）与碳水化合物代谢相关葡萄糖-6-磷酸酶（Glucose-6-phosphatase,膜标志酶）3）与脂类代谢相关脂肪酸CoA连接酶；,（2）内质网网质（腔）蛋白（reticulo-plasmin)：1)免疫球蛋白重链结合蛋白（Immunoglobulinheavychain-bindingprotein,BiP）belongtoHSP70family(molecularchaperone分子伴侣）2)Proteindisulfideisomerase,PDI*（蛋白质二硫键异构酶）3)Calreticulin（钙网蛋白）,3.内质网的功能,rER进行分泌蛋白、膜整合蛋白、细胞器中可溶性驻留蛋白的合成。新生多肽的折叠与装配进行蛋白的糖基化修饰（N-连接，天冬酰胺）蛋白质的胞内运输合成膜脂（？）,Figure12-50MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure12-51MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure13-32MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),sER的功能,参与固醇激素的合成和脂类代谢参与糖原的合成和分解药物代谢与解毒作用在肌细胞中特化成肌浆网，起钙库的作用。,Flippase,用荧光分子标记抗体追踪细胞成分,荧光素(fluorescein)，绿色荧光,四甲基罗丹明(tetramethyrhodanmine)，红色荧光,CellstreatedwithCD437,Heatshockprotein60,HSP60(markerproteinofmitochondrian),CellstreatedwithCD437,Proteindisulfideisomerase,PDI(markerproteinofER),(二)高尔基复合体Golgicomplex,高尔基复合体的形态结构由光滑膜性扁平囊堆积在一起。高尔基复合体是具有极性的膜性细胞器:在细胞内存在一定的方向和位置；物质从高尔基复合体的一侧进入，从另一侧输出。,高尔基复合体可分成三个区室：靠近细胞核和内质网，顺面高尔基网(CGN)，又称形成面；高尔基膜囊(cisterna)；面向细胞膜，反面高尔基网(TGN)，也称成熟面。在CGN可见许多由粗面内质网芽生的运输小泡（小囊泡），在反面常有数目不等，体积较大的分泌泡（大囊泡）。高尔基膜囊又可分为顺面扁囊、中间扁囊、反面扁囊三个亚区。,CGN是中间多孔、连续的管网状结构。接受ER合成的物质，分类后转入中间膜囊，一小部分蛋白质和脂质返回ER。返回ER的蛋白具有KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu)。CGN还可进行蛋白Ser，Thr，或hydroxlylysine残基的O-连接糖基化。,Figure13-32MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),cisterna由功能上连续的扁平囊组成。多数糖基化修饰、糖脂形成及与Golgi相关的多糖合成发生在中间膜囊中。,TGN呈管网状分布，有囊泡与之相连。主要进行蛋白质的分类包装，使蛋白从Golgi输出。某些晚期的蛋白修饰发生在TGN中。TGN在蛋白和脂质的转运中起“瓣膜”作用，保证物质单方向转运。TGN形态变化大。,2.高尔基复合体的化学组成,蛋白质和脂类：糖基转移酶，糖苷酶。标志性细胞化学反应：嗜锇反应-顺面扁囊焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)-反面扁囊烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶(NADP酶)中间扁囊,3.高尔基复合体功能,（1）蛋白的加工和修饰，包括蛋白的糖基化反应（N-连接的进一步修饰和O-连接，磷酸化）。（2）糖脂的生物合成质膜和细胞内膜的糖脂中的糖链主要在高尔基体合成。（3）参与细胞蛋白和脂类的分选和运输，包括分泌蛋白、膜蛋白的转运，细胞器蛋白的分选（溶酶体），细胞中合成脂类的转运等，是细胞内膜泡转运的中心？。,Continual,unregulateddischargeofmaterialfromthecells,Thedischargeofproductsstoredincytoplasmicgranules,inresponsetoappropriatestimuli.,(三)溶酶体Lysosome,单位膜包被的细胞器，内含高浓度的各种酸性水解酶为主的60余种酶类，可以作用于几乎所有的大分子，是细胞的消化器官。异质性细胞器:不同细胞或同一细胞不同条件下，细胞器的形态、组成成分不同。,溶酶体内pH值为5。其酸性环境靠溶酶体膜上的质子泵维持。标志酶是酸性水解酶。组成酶大多是糖蛋白，在rER中合成，经高尔基复合体加工（M6P标志）后出芽形成运输小泡，通过运输小泡转运到溶酶体。,acidmatrix,lysosome,ThepHinlysosomes(red)isabout5,whilethepHinvarioustypesofendosomes(blueandgreen)rangesfrom5.5to6.5.,ThelowpHinlysosomesandendosomes,1.溶酶体的类型,分类一：依功能状态初级溶酶体primarylysosomes次级溶酶体secondlysosomes异噬溶酶体heterophagiclysosomes:初级溶酶体与吞噬（饮）体融合而成自噬溶酶体autophagiclysosomes初级溶酶体与自噬泡融合而成三级溶酶体tertiarylysosome残留小体residualbody:次级溶酶体在消化作用的最后阶段，酶活性减低或消失，残留一些不易被消化、电子密度高的物质,PrimaryLys.,SecondLys,1.溶酶体的类型,分类二：根据溶酶体形成过程内体性溶酶体：由高尔基复合体芽生的运输小泡和经由细胞胞吞（饮）作用形成的内体（endosome)合并而成；吞噬性溶酶体：内体性溶酶体与来自细胞内外的作用底物（自噬体或吞噬体）相互融合而成。,Figure13-42bMolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),2.溶酶体的功能,细胞内物质消化细胞外物质消化营养作用机体防御溶酶体的自溶作用与器官发育：膜破裂导致水解酶释放，细胞自身溶解、死亡。一定条件下是正常生理现象。如：在动物精子中，溶酶体特化为其头部最前端的顶体（acrosome),当与卵子相遇、识别、接触时，精子释放顶体中的水解酶，溶解、消化围绕卵细胞的滤泡细胞及卵细胞外被，从而使精核入卵。另外，两栖类在发育过程中的蝌蚪尾巴的消失，是尾部细胞自溶的结果。,Figure21-27MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),溶酶体的异常与疾病,泰-萨氏病（Tay-Sachedisease):又称黑蒙性痴呆，是患者溶酶体中缺少氨基己糖酶A，阻断了GM2神经节苷脂的代谢，使其在脑及神经系统和心肝等组织的沉积所致。II型糖原积累病（glycogenosis,Pompesdisease)：缺乏-糖苷酶导致的糖原代谢受阻，累及脑、肝、肾等。矽肺(sillicosis)：矽尘(二氧化硅粉尘）被肺巨噬细胞吞噬，与溶酶体融合后，形成矽酸分子，与溶酶体膜分子之间形成氢键反应，破坏了膜稳定性而导致破裂，细胞死亡。释放的矽颗粒再次作用导致大量巨噬细胞死亡，同时刺激成纤维细胞分泌大量胶原，出现沉积使肺组织纤维化而失去功能。痛风（gout)：血尿酸盐升高会以结晶形式沉积于关节及周围多种组织，并被白细胞吞噬。尿酸盐结晶同样与溶酶体膜形成氢键，使膜稳定性遭破坏，导致水解酶和组胺等致炎性物质释放，引起白细胞死亡的同时，引发沉积组织的急性炎症。,(四)过氧化物酶体peroxisome,由J.Rhodin（1954年）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。直径约0.21.5um，通常为0.5um。呈圆形，椭圆形或哑呤形不等异质性细胞器，在不同生物及不同发育阶段有所不同。组成酶在细胞质中合成，以天然构象转运至过氧化物酶体（线粒体是以非折叠状态转运的）。中央常含有电子密度较高、呈规则的结晶状结构，称类核体-尿酸氧化酶结晶。,PeroxisomesusemolecularoxygenandhydrogenperoxidetoperformoxidativereactionsoxidativeenzymesRH2+O2R+H2O2H2O2+RH2R+2H2Ocatalase2H2O22H2O+O2,标志酶是过氧化氢酶（catalase)。功能：对氧浓度的调节作用氧化反应和过氧化物代谢分解有毒成分激素的合成过氧化物酶体通过分裂增殖？,过氧化物酶体的产生,二、细胞内蛋白的分选ProteinSorting,是指蛋白质分子由细胞质基质合成后，依赖自身的分选信号向特定靶细胞器或细胞表面移动的过程。,GnterBlobel,bornin1936,worksattheLaboratoryofCellBiology,TheRockefellerUniversity,NewYork,GnterBlobel,1999年诺贝尔生理和医学奖获得者GnterBlobel,PressRelease:The1999NobelPrizeinPhysiologyorMedicineNOBELFRSAMLINGENKAROLINSKAINSTITUTETTHENOBELASSEMBLYATTHEKAROLINSKAINSTITUTE11October1999TheNobelAssemblyatKarolinskaInstitutethastodaydecidedtoawardtheNobelPrizeinPhysiologyorMedicinefor1999toGnterBlobelforthediscoverythatproteinshaveintrinsicsignalsthatgoverntheirtransportandlocalizationinthecell,NobelPressRelease,1999NobelPhysiologyorMedicineLaureateGnterBlobelreceivinghisNobelPrizefromHisMajestytheKing,GnterBlobelPrizeAwardPhoto,PrizeAwardPhoto,GnterBlobel-NobelDiploma,NobelDiploma,TheorganizationofacellcanbecomparedtothatofabigcitysuchasNewYork.Inordertoreachitscorrectdestination,aletterhastobeprovidedwithanaddresslabelandazipcode,similartotheaddresstagsonproteins.,signal,Proteinsorting:Proteinmoleculesmovefromthecytosoltotheirtargetorganellesorcellsurfacedirectedbythesortingsignalsintheproteins.,蛋白质转运的基本途径,1.蛋白质的跨膜转运transmembranetransport包括:共转运(cotranslationaltranslocation)翻译后转运(post-translationaltranslocation)2.膜(囊）泡转运vesiculartransport3.选择性的门控转运gatedtransport,CellTraffic,Proteinsprting,Roadmapofproteinsorting,(一)粗面内质网上蛋白合成和转移过程（共转运过程）,1信号肽引导核糖体结合到内质网膜（1）信号肽signalpeptide/sequence分泌蛋白在合成时，首先在N端翻译的主要是由疏水性氨基酸组成的信号肽段，可引导分泌蛋白跨内质网膜的转运。信号肽进入内质网腔后被信号肽酶切除。参与蛋白分选和定位的肽段。,信号识别颗粒SignalRecognitionparticle，SRP,存在于细胞质基质中的由6个多肽和一条小的7S的RNA分子组成的颗粒。,7SRNA含有约300个碱基。6个蛋白只有P54不与RNA结合。包含三个区域：信号肽结合区(P54)、核糖体结合区(P9/P14)、蛋白转位区(P68/P72)。蛋白转位区协助信号肽进入内质网膜上的转运通道。,信号识别颗粒受体SRP-Receptor,存在于内质网的细胞质面，可以结合SRP。由2个亚单位组成：亚单位为膜外周蛋白由640个氨基酸组成；亚单位是跨膜蛋白由300个氨基酸组成。,（核糖体结合区）,2.新生肽链到内质网腔的转运,分泌蛋白以共翻译转运的方式进入内质网腔，此过程消耗GTP。分泌蛋白无停止转运信号，因而全部进入ER腔。有些内质网上合成的蛋白可通过翻译后转运的方式进入内质网腔，此过程消耗ATP。,Figure12-38MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),3内质网跨膜蛋白,一次性跨膜蛋白有内部ER信号序列（停止转移信号，stop-transfersignal），将蛋白镶嵌在膜上作为跨膜螺旋结构留在脂质双层中,Figure12-46MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure12-47MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure12-48MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure12-49MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),3.蛋白质在内质网腔中的折叠,蛋白折叠需要分子伴侣的辅助。分子伴侣(chaperone)或伴侣素(Chaperonin):能特异地识别新生肽或部分折叠的多肽并与之结合，帮助这些多肽进行折叠、装配和转运，但本身并不参与终产物的构成。,分子伴侣具有热休克蛋白的特性，在各种应激状态下可明显升高。参与共翻译转运的分子伴侣是Hsp70家族（Bip），是一种构成性表达的分子伴侣。分子伴侣C端存在驻留信号肽（retentionsignalpeptide)，氨基酸序列为KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu)。,（二）从内质网到高尔基体的输送（囊泡转运VesicularTransport）,内质网、高尔基体、溶酶体、细胞膜以及各种细胞内体都由囊泡交通途径有机地连接起来，膜从一个细胞器转送到另一个细胞器。一个囊泡由起源细胞器的膜形成后，移动并与接受方膜融合。因此，转运经过选择的脂质、蛋白质和囊泡腔的内容物到目的细胞器。,三种不同的有被小泡：网格蛋白(Clathrin)；COPI（coatmer-proteinsubunitI)，外被体蛋白I；COPII，外被体蛋白II。在合成-分泌和胞吞过程中，不同的包被蛋白选择不同的货物，构成不同的运输小泡。,Figure13-24bMolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Clathrin(网格蛋白）,衔接蛋白,可溶性货物,COPI，首先被发现于高尔基体，由七个蛋白亚基构成。COPII：粗面内质网合成，5个亚基构成。,Figure13-14MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体,Figure13-18MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),NSF:N-乙基马来酰亚胺敏感因子,Figure13-35MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Figure13-23bMolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),只有正确折叠和组装的蛋白才能离开内质网囊泡管簇介导从内质网到高尔基体的转运内质网返回途径利用分选信号高尔基体是由一系列高度有序的区室构成,(三)高尔基体到溶酶体的转运,Figure13-43MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),（四）高尔基体分泌蛋白途径,受体介导的胞吞作用,（五）受体介导的入胞作用,Figure13-51MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),Membraneflow,1.囊泡转运是细胞物质定向运输和信号传递的重要途径和基本形式。2.囊泡转运是一个高度有序、受到严格选择和精密控制的物质运输过程。3.特异性识别融合是囊泡物质定向转运和准确卸载的基本保证。4.囊泡转运是实现细胞膜及内膜系统功能结构转换和代谢更新的桥梁。5.从新认识过氧化物酶体乃至线粒体的参与。,(六)蛋白进入过氧化物酶体转运,进入过氧化物酶体基质的蛋白有两种特殊的靶信号（peroxisomaltargetingsignal,PTS）。一种是C-末端的三肽序列SKL(-Ser-Lys-Leu-)，被称为PTS1，是过氧化物酶体基质蛋白的主要定位信号；另一种是较为少见的PTS2，为靠近N末端的9个氨基酸序列，基本构造为RLxxxxx(H/Q)L(x为任意氨基酸)。这一九肽序列进化上较为保守，哺乳动物、酵母和植物所共有。前后两个氨基酸是关键，特别是第一个碱性氨基酸R。,蛋白以折叠的构象进入过氧化物酶体。转运后定位信号不被切除。,CellDifferentiation,Immunity,Reproduction,EmbryoDevelopment,Carcinogenesis,CellProliferation,invivosynthesisofretinoicacid,PurificationandcharacterizationofanovelNADPH-dependentretinoldehydrogenase/reductase(NRDR),NRDR,AMulti-targetingProtein?,CytosoleRabbitliver,HuangBBA1997Peroxisomemouseliver,ZhangBiochemistry2003MitochondriaBioinformatics,N-ternimalsequencing,MHKARVLLGGCTRTWKAVR,NADPH-bindingsite,（七）胞浆中合成蛋白向线粒体输送,线粒体定位信号：通常位于前体多肽链N端，为相近的10-70个氨基酸序列。这些靶向模序被称为前序列（prese