第7章真核细胞内膜系统、蛋白质分选和膜泡运输

1、第七章第七章 真核细胞内膜系统蛋白质分真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输选与膜泡运输细胞外基质细胞外基质细胞膜细胞膜核核内膜内膜系统系统细胞质细胞质基质基质细细胞胞质质信号信号传导传导7.1 细胞质基质细胞质基质 主要成分：主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构细胞质骨架结构。概念概念：真核细胞质中，除去可分辨的细胞真核细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。器以外的胶状物质。 3 细胞质基质的涵义 化学成分： 水（游离水、结合水）和无机盐 有机物：中分子(代谢所需要的底物如氨基酸、单糖、核苷酸） 大分子（蛋白质、多糖、核酸） 状态： 物质的组织高度

2、有序细胞质基质的功能细胞质基质的功能 完成各种中间代谢过程完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等 与细胞质骨架相关的功能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维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等传递等 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解 蛋白质的修饰蛋白质的修饰 控制蛋白质的寿命控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质降解变性和错误折叠的蛋白质 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，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形成正确的分子构象7.2

3、 内膜系统及其功能内膜系统及其功能概念：概念：是指内质网、高尔基体、细胞核、是指内质网、高尔基体、细胞核、溶酶体、液泡、胞内体和分泌泡等膜性溶酶体、液泡、胞内体和分泌泡等膜性细胞器。细胞器。这些膜是相互流动的，处于动态平衡，这些膜是相互流动的，处于动态平衡，功能上相互协调功能上相互协调内膜系统的内膜系统的动态特性动态特性一、一、 内质网内质网 endoplasmic reticulum, er（一）形态结构及类型（一）形态结构及类型形态形态 er 由封闭的膜系统及其形成的腔构成的相互由封闭的膜系统及其形成的腔构成的相互沟通的网状结构。它从核膜延伸至细胞质中，靠近沟通的网状结构。它从核膜延伸至细

4、胞质中，靠近细胞质内侧。细胞质内侧。 er的膜占细胞膜系统的的膜占细胞膜系统的一半一半 所包围的体积占细胞总体积的所包围的体积占细胞总体积的10%8微粒体微粒体-细胞匀浆等人工过程，破碎的细胞匀浆等人工过程，破碎的内质网形成的近似球形的囊泡内质网形成的近似球形的囊泡内质网的化学组成：内质网的化学组成： 主要为蛋白质、脂类。主要为蛋白质、脂类。 内质网的标志酶是内质网的标志酶是葡萄糖葡萄糖-6-6-磷磷 酸酶酸酶。 细胞色素细胞色素p p450450在内质网膜中最为在内质网膜中最为丰富。丰富。 内质网种类：内质网种类： 糙面内质网糙面内质网(rer) 光面内质网光面内质网(ser) 图图11内内

5、质质网网的的形形态态结结构构（二）（二）内质网的功能内质网的功能 蛋白质的合成蛋白质的合成 蛋白质运输蛋白质运输 蛋白质的修饰和加工蛋白质的修饰和加工 脂质的合成脂质的合成 蛋白质的合成蛋白质的合成粗面内质网上粗面内质网上, ,膜结合核糖体膜结合核糖体, ,合成合成分泌分泌蛋白蛋白、膜蛋白膜蛋白、细胞器中可溶性驻留蛋细胞器中可溶性驻留蛋白白。 其它部位所需蛋白质都是由其它部位所需蛋白质都是由游离核糖体游离核糖体合成。合成。注意：注意：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中并都是起始于细胞质基质中。 蛋白质的修饰和加工蛋白质的修饰和加工修饰：

6、修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化糖基化： 发生在发生在er腔面，是在腔面，是在糖基转移酶糖基转移酶作用下作用下. n-linked glycosylation（asn） o-linked glycosylation（ser/thr or hylys/hypro）酰基化发生在酰基化发生在er的细胞质基质侧：软脂酸的细胞质基质侧：软脂酸cys15 新生肽的折叠与组装新生肽的折叠与组装正确折叠涉及驻留蛋白：二硫键异构正确折叠涉及驻留蛋白：二硫键异构酶（酶（protein disulfide isomerase，pdi）切断二硫键，帮助新合成的蛋白

7、重新形切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态成二硫键并处于正确折叠的状态 结合蛋白（结合蛋白（binding protein，bip，chaperone）识别错误折叠的蛋白或未装识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位配好的蛋白亚单位 ，并促进重新折叠并促进重新折叠与装配与装配。 脂质的合成（脂质的合成（光面内质网）光面内质网）er合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）固醇）磷脂合成酶是磷脂合成酶是er膜整合蛋白，活性位点朝向膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；合成后很快转向内质网腔面；合成后很快转向内质网腔面 (转位酶转

8、位酶flippase)磷脂的转运磷脂的转运: 出芽出芽( budding)：ergcgc、lyly、pmpm 磷脂转换蛋白磷脂转换蛋白(phospholipid exchange proteins, pep）：磷脂分子）：磷脂分子+pep细胞质基质细胞质基质靶膜（线靶膜（线粒体、过氧化物酶体）粒体、过氧化物酶体）其它功能其它功能解毒作用解毒作用: :光面内质网含有丰富的氧光面内质网含有丰富的氧化酶系统化酶系统( (如细胞色素如细胞色素p p450450、nadhnadh细胞色细胞色素素c c还原酶等还原酶等) )能使许多有害物质解毒能使许多有害物质解毒, ,转转化为易于排出的物质。化为易于排出

9、的物质。caca2+2+离子浓度的调节作用离子浓度的调节作用: : caca2+2+储存库储存库, ,参与信号传导参与信号传导19二、高尔基复合二、高尔基复合体体高尔基高尔基器器(golgi apparatus)或高尔或高尔基复合基复合体体(golgi complex) 意 大 利 科 学 家意 大 利 科 学 家camillo golgi在在 1898年发现的。年发现的。20高尔基体的形态结构高尔基体的形态结构21高高尔尔基基体体的的极极性性: :高尔基内侧网络高尔基内侧网络 ( (cis-golgi network, cgn) 顺面、形成面顺面、形成面, 面向核面向核中间膜囊中间膜囊 (

10、(medial cisternae) )高尔基外侧网络高尔基外侧网络 ( (trans golji network,tgn) 外侧面、成熟面外侧面、成熟面化化学学组组成成: : 蛋白质和脂蛋白质和脂: : 高尔基复合体的标志酶是高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶糖基转移酶。22种标志细胞化学反应种标志细胞化学反应 嗜锇反应的高尔基体嗜锇反应的高尔基体ciscis面膜囊面膜囊； 焦磷酸硫胺素酶（焦磷酸硫胺素酶（tpptpp酶）细胞化学反应，显示酶）细胞化学反应，显示transtrans面面1 12 2层膜囊；层膜囊； 胞嘧啶单核苷酸酶（胞嘧啶单核苷酸酶（cmpcmp酶）细胞化学反应，显示酶）细胞化

11、学反应，显示靠近靠近transtrans面膜囊状和管状结构面膜囊状和管状结构 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（nadpnadp酶）的细胞化酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊学反应，显示中间扁平囊23 regions of the golgi apparatus 嗜锇反应嗜锇反应ttp酶反应酶反应cmp酶反应酶反应nadp酶反应酶反应24高尔基体的功能高尔基体的功能 蛋白质运输蛋白质运输 蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化 蛋白质的水解蛋白质的水解25高尔基体的蛋白运输作用高尔基体的蛋白运输作用12326蛋白质运输蛋白质运输erer到高尔基体内侧的运输到高尔基体内侧的运输erer蛋

12、白的逆向运输蛋白的逆向运输高尔基体内侧到高尔基体外侧运输高尔基体内侧到高尔基体外侧运输以及向溶酶体和细胞膜的运输以及向溶酶体和细胞膜的运输27 gc中蛋白质的糖基化中蛋白质的糖基化 o o- -连接的糖基化连接的糖基化 将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上，称为氨酸的羟基上，称为o-o-连接的糖基化。连接的糖基化。n n- -连接的寡聚糖进一步加工：连接的寡聚糖进一步加工： 内质网上：磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天内质网上：磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天冬酰胺（冬酰胺（asnasn）上）上 高尔基体：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，

13、高尔基体：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白 p188 7-2p188 7-2两种糖基化比较两种糖基化比较28蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化生物学意义生物学意义 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。对多数分选白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。 进化上的意义

14、：寡糖链具有一定的刚性，从而限制进化上的意义：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胞壁那样限制细胞的形状与运动。 29 蛋白质在高尔基体中酶解加工类型蛋白质在高尔基体中酶解加工类型无生物活性的蛋白原（无生物活性的蛋白原（proproteinproprotein）高高尔基体尔基体切除切除n-n-端或两端的序列端或两端的序列成熟的成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋多肽。如胰岛素、胰高血糖

15、素及血清白蛋白等。白等。蛋白质前体蛋白质前体（含有多个相同序列）（含有多个相同序列）高尔高尔基体基体水解水解同种有活性的多肽，如神经同种有活性的多肽，如神经肽等肽等。含有不同信号序列的蛋白质前体含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基高尔基体体加工成不同的产物加工成不同的产物。30三、三、 溶酶体溶酶体 (lysosome)动物细胞内的一种细胞器。动物细胞内的一种细胞器。 植物细胞中？植物细胞中？小球状小球状, ,外面由一层单位膜包被外面由一层单位膜包被是一种异质性是一种异质性(heterogenous(heterogenous) )的细胞器的细胞器, ,呈小球呈小球状。大小变化很大，直径一般状。大

16、小变化很大，直径一般0.250.250.8m0.8m，最大的可超过最大的可超过1m,1m,最小的直径只有最小的直径只有25-50nm25-50nm溶酶体约含有溶酶体约含有6060种水解酶类种水解酶类, ,在细胞内起消化和在细胞内起消化和保护作用。保护作用。酸性磷酸酶酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶是溶酶体的标志酶当细胞被损伤时当细胞被损伤时, ,溶酶体可释放出水解酶类溶酶体可释放出水解酶类, ,使使细胞自细胞自溶溶溶酶体的特点溶酶体的特点31电电子子显显微微镜镜下下的的溶溶酶酶体体32溶酶体膜稳定性溶酶体膜稳定性溶酶体的膜上嵌有质子泵溶酶体的膜上嵌有质子泵溶酶体的膜上具有多种载体蛋白用溶酶体的膜上具

17、有多种载体蛋白用于水解产物向外转运于水解产物向外转运溶酶体的膜蛋白高度糖基化溶酶体的膜蛋白高度糖基化溶酶体的膜含有能促进膜稳定性的溶酶体的膜含有能促进膜稳定性的胆固醇胆固醇33溶溶酶酶体体及及其其酶酶类类核酸酶核酸酶蛋白酶蛋白酶糖苷酶糖苷酶酯酶酯酶磷酸酶磷酸酶硫酸酶硫酸酶磷脂酶磷脂酶34溶酶体的类型溶酶体的类型 初级溶酶体初级溶酶体(primary lysosome)次级溶酶体次级溶酶体(secondary lysosome) 自噬性溶酶体自噬性溶酶体(aotolysosome) 异噬性溶酶体异噬性溶酶体(heterolysosome) 混合性溶酶体混合性溶酶体(ambilysosome) 具

18、消化作用具消化作用后溶酶体后溶酶体(post lysosome)35异异体体吞吞噬噬36围歼线粒体围歼线粒体er自噬泡自噬泡37 溶酶体的功能溶酶体的功能 1、自噬作用、自噬作用(autophagy)：细胞内受损、衰老的：细胞内受损、衰老的细胞器、不需要的生物大分子（清理）细胞器、不需要的生物大分子（清理）溶酶体病：各种储积症（如台萨氏病、糖原储积症）溶酶体病：各种储积症（如台萨氏病、糖原储积症）2 2、吞噬作用吞噬作用(phagocytosis): 外来物质、衰老、死外来物质、衰老、死亡的细胞亡的细胞(防御、营养等防御、营养等)3、自溶作用、自溶作用(autolysis)：细胞的自我毁灭：细

19、胞的自我毁灭溶酶体病：类风湿关节炎溶酶体病：类风湿关节炎3 3、 其它的生理功能其它的生理功能 胚胎发育和形态建成胚胎发育和形态建成 受精作用受精作用38 溶酶体的生物发生溶酶体的生物发生甘露糖甘露糖-6-磷酸途径（磷酸途径（m6p）非非甘露糖甘露糖-6-磷酸途径磷酸途径39 溶酶体的生物发生溶酶体的生物发生 （甘露糖（甘露糖-6-磷酸途径）磷酸途径）溶酶体酶的合成及溶酶体酶的合成及n-连接的糖基化修饰（连接的糖基化修饰（rer） 高尔基体高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化m6pn-乙酰葡萄糖胺磷乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶酸转移酶(在在cis面）面）高尔基体

20、高尔基体trans-膜囊和膜囊和tgn膜（膜（m6p受体）受体）溶酶体酶分选与局部浓缩溶酶体酶分选与局部浓缩以出芽的方式转运到前溶酶体以出芽的方式转运到前溶酶体磷酸葡萄糖苷酶磷酸葡萄糖苷酶（在中间膜囊）（在中间膜囊）磷酸化识别信号：信号斑磷酸化识别信号：信号斑40溶溶酶酶体体酶酶的的加加工工与与分分拣拣41溶酶体的发生溶酶体的发生42 （1）消化酶的先天缺失，为遗传病：各种储积症，如台萨氏（氨基己糖酯酶）、糖原储积症（葡萄糖苷酶） （2）消化酶的后天不足：矽肺、肺结核、类风湿性关节炎（膜脆性增加）、对细胞和机体功能的损伤 （3）酸性环境的适得其反：麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞

21、噬泡但并未被杀死而繁殖（利用胞内体中的酸性环境） （4）与溶酶体发生相关的疾病：细胞（inculusion cell）病，缺乏n-乙酰葡萄糖磷酸转移酶，不能m-6-p化，溶酶体酶无法被识别（但仍可形成溶酶体）溶酶体与细胞病理溶酶体与细胞病理43过氧化物酶体过氧化物酶体(peroxisom)又称又称微体微体(microbody)，是由单层膜围绕的内含一种，是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器或几种氧化酶类的异质性细胞器。过氧化物酶体过氧化物酶体44鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（p）和其它细胞器如线）和其它细胞器如线粒体（粒体（m）等）

22、等（albert et al. ，1989）45 过氧化物酶体的功能 动物细胞中： 参与脂肪酸的氧化 解毒作用： (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。 植物细胞中： 参与光呼吸作用。 在萌发的种子中，参与葡萄糖异生作用。46过氧化物酶体发生示意图过氧化物酶体发生示意图过氧化物酶体与疾病：过氧化物酶体与疾病： zellweger综合症：综合症：与过氧化物酶体有关与过氧化物酶体有关的遗传病，也叫脑肝的遗传病，也叫脑肝肾综合征，患者细胞的肾综合征，患者细胞的过氧化物酶体中，与酶过氧化物酶体中，与酶蛋白输入有关的蛋白质蛋白输入有关的蛋白质变异，过氧化物酶体是变异，过氧化物酶体

23、是“空的空的”。脑、肝、肾异。脑、肝、肾异常，出生常，出生3-6个月内后死个月内后死亡。亡。7.3 细胞内蛋白质的分选细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装与细胞结构的组装蛋白质的定向运输、分选蛋白质的定向运输、分选48 信号肽与信号肽与蛋白质蛋白质运输运输早期早期信号假说信号假说(signal hypothesis)(signal hypothesis)19751975年，年，blobelblobel等正式提出了信号假说等正式提出了信号假说目前普遍承认目前普遍承认: :指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成, ,需需要其它因子的协助要其它因子的协助: : 信号识别颗粒（

24、信号识别颗粒（signal recognition particlesignal recognition particle，srpsrp） 信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白,docking ,docking proteinprotein，dpdp）等）等 过程过程: : 信号肽信号肽信号识别颗粒信号识别颗粒信号识别颗粒的信号识别颗粒的受体受体 合成合成51signal hypothesis信号肽的特性信号肽的特性指导分泌性蛋白在粗面内质指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成网上合成在蛋白质上的位置在蛋白质上的位置: : n- n-端突出的一段肽端突出的一段肽序列特征序

25、列特征 16-2616-26个（个（15-3515-35个）氨基酸个）氨基酸残基，其中含有残基，其中含有4-124-12个疏水残个疏水残基基信号肽的一级序列信号肽的一级序列.信号肽一级序列由疏水核心（信号肽一级序列由疏水核心（h）、）、c端（端（c）和）和n端（端（n）三个区域）三个区域构成。构成。以血清白蛋白和以血清白蛋白和hiv-1型病毒的糖蛋白型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，显信号肽为例，显示出两者的示出两者的n区长度明显不同区长度明显不同. 54多个起始与终止跨膜信号多个起始与终止跨膜信号合成后蛋白的去向合成后蛋白的去向: : 若若信号肽序列信号肽序列被信号肽酶切除被信号肽酶切除

26、完全进入腔完全进入腔 ( (共转移共转移) ) 若有若有停止转移信号停止转移信号，能与内质网膜有极强的亲，能与内质网膜有极强的亲合力合力: : 膜蛋白膜蛋白 共转移共转移: : 肽链在粗面内质网膜上边合成边转移到内质网腔中肽链在粗面内质网膜上边合成边转移到内质网腔中后转移后转移: : 蛋白质在细胞质基质中合成以后在某种信号指导下再蛋白质在细胞质基质中合成以后在某种信号指导下再转移到线粒体、叶绿体、过氧化物体等细胞器中的转移方式转移到线粒体、叶绿体、过氧化物体等细胞器中的转移方式. . . .与生俱来的三种信号序列与生俱来的三种信号序列 寿命信号寿命信号 加工信号加工信号 定位信号定位信号 导肽

27、、转运肽导肽、转运肽 信号肽信号肽 核定位信号核定位信号 （nls） kdel序列序列蛋白质蛋白质信号序列的种类信号序列的种类细细胞胞内内蛋蛋白白质质的的分分选选途途径径58protein sorting 蛋白质分选定位的四种机制蛋白质分选定位的四种机制 细胞质基质中蛋白质的转运细胞质基质中蛋白质的转运门控运输门控运输（gated transport） 通过核孔的运输通过核孔的运输（transport through nuclear pore） 跨膜运输跨膜运输 （across membrane transport） 膜泡运输膜泡运输 （vesicle translocation） 膜泡运输膜

28、泡运输 (vesicle (vesicle translocationtranslocation）膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。61包被小泡的类型功能包被小泡的类型功能 网格蛋白、结合素蛋白包被类型 gtp酶 包被组成 蛋白运输方向网格蛋白arf 高尔基体质膜 高尔基体胞内体 高尔基体溶酶体cop iarf 7种亚基 高尔基体内质网/质膜copii sar 1sec23/sec24复合体，sec 13/31复合体，sar