细胞内膜系统蛋白质分选和膜泡系统

1、关于细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡系统第一张，PPT共八十页，创作于2022年6月 第一节 细胞质基质的涵义与功能 Cytoplasmic matrix and its function Cytoplasmic matrix: containing a host of large and Cytoplasm small molecules, cytoskeleton （细胞质） Organelles: such as nucleus, ER, Golgi apparatus, mitochondria, et al 细胞质基质（cytoplasmic matrix, cytosol）: 真核细胞

2、质 中除去可分辨的细胞器后的胶状物质。Cytosol is a concentrated aqueous gel of large and small molecules, and cytoskeleton. It is the site of many chemical reactions, the place for the manufacture of proteins。 第二张，PPT共八十页，创作于2022年6月细胞质基质(cytoplasmic matrix, cytosol )的功能第三张，PPT共八十页，创作于2022年6月The cytoplasm containing or

3、ganelles enclosed by single internal membranes, except for the nuclei, mitochondria, and chloroplasts enclosed by two concentric internal membranes第二节 细胞内膜系统及其功能Internal membrane and its function第四张，PPT共八十页，创作于2022年6月第五张，PPT共八十页，创作于2022年6月Internal membranes create intracellular compartments with dif

4、ferent functionsThe main functions of the membrane-enclosed compartments of a eucaryotic cell第六张，PPT共八十页，创作于2022年6月Relative cellular volumes of the major membranous organelles第七张，PPT共八十页，创作于2022年6月 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。内质网（endoplasmic reticulum,

5、 ER）第八张，PPT共八十页，创作于2022年6月内质网的形态结构第九张，PPT共八十页，创作于2022年6月The ER is a network of membrane sheets & tubules第十张，PPT共八十页，创作于2022年6月内质网(endoplasmic reticulum)的功能第十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月 根据是否附有核糖体（ribosome）内质网分为: 糙面内质网（rough endoplasmic reticulum, rER）: 合成分泌性蛋白质（包括膜蛋白） 光面内质网（smooth endoplasmic reticulum, sE

6、R）: 合成脂类 糙面内质网上合成的蛋白质主要去向有： 分泌到细胞外，如抗体和激素等 运输到细胞膜，如膜整合蛋白 运输到溶酶体，如溶酶体的各种水解酶 内质网(endoplasmic reticulum)的功能第十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月蛋白质的修饰（modification）与加工（processing）Most (or all) proteins are covalently modified in the ER 1. Formation of disulfide bonds(二硫键)between cysteine(半光氨酸)residues of the same po

7、lypeptide (intra-molecular) or different polypeptides (inter- molecular) 2. Addition of short oligosaccharide(寡糖)side chains- -glycosylation (糖基化)第十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月 糖基化(glycosylation)：发生在ER腔面，是在糖基转移 酶(glycosyltransferase)作用下进行的,糖基一般连接在4 种氨基酸上，分为： N-连接的糖基化(N-linked glycosylation)：与天冬酰胺 残基(Asn)的N

8、H2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。 O-连接的糖基化(O-linked glycosylation) ：与Ser、Thr 和Hyp的OH连接，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖 胺，在高尔基体上进行 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。 蛋白质的修饰（modification）与加工（processing）第十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月 新生肽的折叠与组装蛋白质折叠是在hsp70家族的ATP酶的作用下完成的 结合蛋白（binding protein, BIP, chaperone)识别错误折叠的蛋白或未装配

9、好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配无法正确折叠的蛋白质被转入溶酶体而降解，约90%新合成的T细胞受体亚单位被降解而从未到达靶膜。 蛋白质的修饰（modification）与加工（processing）第十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月脂质的合成（光面内质网，sER）第十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月内质网的其它功能合成磷脂、胆固醇等，经膜泡运输转运至高尔基体、质膜等，或借磷脂转移蛋白（PTP）形成水溶性复合物，转至其他膜上。解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。参与甾体类激素的合成。使葡糖6-磷酸水解，释放糖至血液中。储存钙离子，作为细胞内信号物质，如肌质网。提供酶附

10、着的位点和机械支撑作用。第十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月18内质网 (endoplasmic reticulum) 的化学组成第十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月 高尔基复合体（Golgi complex, GC）第十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月高尔基复合体的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，构成高尔基体的主体(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）第二十张，PPT共八十页，创作于2022年6

11、月Th Golgi apparatus is made of stacked, flattened membranes第二十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月高尔基体的极性化学组成(glycosyl transferase)第二十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月The Golgi complex is a polar organelleThe Golgi is a polar organelle. That means thatproteins enter at one side or face and exit at theother. The entry face is

12、called the cis face and the exit face is called the trans face. The Golgi typically has the following compartments第二十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月高尔基体的功能区隔1. cis Golgi network，CGN是入口区域。2. medial Golgi，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。3. trans Golgi network，TGN是出口区域，参 与蛋白质的分类与包装，最后输出。第二十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月G

13、olgi network第二十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月Traffic to and from the Golgi complexProteins that are not ER resident are packaged into vesicles and sent to the cis face of the Golgi第二十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月The trip from ER to Golgi is the initial step infurther progression through the secretory pathway第二十七张，PP

14、T共八十页，创作于2022年6月Proteins are further modified in the Golgi apparatusProteins enter the Golgi via vesicle fusion with the cis face and pass through the Golgi between successive stacks by transport vesiclesOligosaccharide chains added in the ER are modified by enzymes in the Golgi - addition and remov

15、al of sugars to make complex oligosaccharidesReactions are processive - early-acting enzymes in the cis compartments, late acting enzymes in the trans compartments第二十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月Post-translational Modification in the GolgiBiochemical functions of the Golgi Glycosylation Modification of exis

16、ting N-linked sugars O-linked glycosylationProduction of proteoglycansProtein sortingSulfation Specific tyrosine residues in proteins第二十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月高尔基体的功能1、参与细胞分泌活动 rER上合成蛋白质进入ER腔COPII运输泡进入CGN在medial Golgi中加工在TGN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、蛋白质的糖基化 O-连接的糖基化，糖的供体为核苷糖。3、进行膜的转化功能 内质网

17、上合成的新膜脂转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成运输泡与质膜融合。4、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。5、参与形成溶酶体6、植物细胞壁的形成，合成纤维素和果胶质第三十张，PPT共八十页，创作于2022年6月31第三十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月Two pathways for exocytosis: regulated and constitutive第三十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月溶酶体（lysosome）溶酶体 (Lysosome)于1955年由de Duve和Novikoff 发现呈小球状，大小变化很大，直径一般在

18、0.250.8uM之间 膜有质子泵，溶酶体内pH值低含有50多种酸性水解酶类（最适pH=5） ，在细胞内起消化和保护作用当细胞被损伤时，溶酶体可释放出水解酶类，使细胞自溶第三十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月Primary degradative organelleDegrades proteins, lipids and other cellular constituents taken in by endocytosis(胞吞), phagocytosis (吞噬作用), and autophagy (自体吞噬)Pathways to lysosomal degradation溶

19、酶体（lysosome）第三十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月Transport from the trans Golgi network (TGN) to lysosomes第三十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月第三十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月The lysosomeThe endpoint of the endocytosis pathway for many molecules is the lysosome, a highly acidic organelle rich in degradative enzymes.The V-ATPase main

20、tains the high acidity of the lumen by pumping protons across the lipid bilayer.第三十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月溶酶体的酶类第三十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月溶酶体的类型第三十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月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, 异噬溶酶体及混合性溶酶体。3.后溶酶体（post-lysosome）又称残

21、体（residual body），已失去酶活性，仅留未消化的残渣，故 名。可通过外排作用排出细胞，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。第四十张，PPT共八十页，创作于2022年6月溶酶体的功能第四十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月异体吞噬第四十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月43Intracellular digestion occurs in lysosomesVery acidic (to protect the cell)50 types of hydrolytic enzymes (acid hydrolases)Resident pr

22、oteins are protected by high levels of glycosylation第四十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月溶酶体酶的特征Mannose-6-phosphate sorting signal第四十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月Mannose-6-P is recognized by a specific receptor in the TGN第四十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月Transport of newly synthesized hydrolases to lysosomes第四十六张，PPT共八十页，创作于2022年

23、6月矽肺：二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细胞吞噬，导致吞噬细胞溶酶体破裂。激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。肺结核：结核杆菌引起肺组织钙化和纤维化。 类风湿性关节炎：溶酶体膜易脆裂。溶酶体与疾病第四十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月过氧化物酶体（peroxisome）过氧化物酶体(peroxisome)由J. Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。具有异质性，由单层膜围绕而成。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。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。RH2+O2

24、R+H2O2第四十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月第四十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月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） 第五十张，PPT共八十页，创作于2022年6月在动物中： 参与脂肪酸的-氧化； 具有解毒作用，过氧化氢酶氧化有害物质，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，进行脂肪的-氧化。过氧化物酶体的功能第五十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月 A eukaryotic cell is elaborately subdivided

25、into cmpartments by internal membranes. Each compartment contains a unique set of proteins that have to be transferred selectively from the cytosol to the compartment in which they are used. This transfer process is called protein sorting (蛋白分选） In a eukaryotic cell, membrane-enclosed compartments c

26、ommunicate with each other by forming small membranous sacs or vesicles, that pinch off from one compartment, move through the cytosol, and fuse with another compartment in a process called vesicular transport（膜泡运输）第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 Intracellular protein sorting and vesicular transporting第五十二张，PPT共

27、八十页，创作于2022年6月 Protein sorting (蛋白分选): How proteins get to their appropriate destinations within the cell. Protein sorting depends on signals built into the amino acid sequence of the proteins Vesicular transport (膜泡运输): How vesicles shuttle proteins and membranes between cellular compartments第五十三张，

28、PPT共八十页，创作于2022年6月门控运输（gated transport）：如通过核孔复 合体的运输（transport through nuclear pore)2. 跨膜运输（across membrane transport）：蛋 白质通过跨膜通道进入目的细胞器。3. 膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质在内 质网或高尔基体中被包装成衣被小泡，选择性 地运输到靶细胞器。蛋白质分选 (protein sorting) 定位的机制第五十四张，PPT共八十页，创作于2022年6月55细胞内蛋白质的分选途径第五十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月Organell

29、es import proteins by three distinct mechanismsTransport from the cytoplasm into the nucleus through nuclear poresTransport from the cytoplasm to organelles by protein translocators in the membraneTransport from ER to other organelles occurs via vesicles第五十六张，PPT共八十页，创作于2022年6月蛋白质分选 (protein sorting

30、 ) 的基本原理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（signal sequence）。其二是细胞器上具特定的信号识别装置(分选受体, sorting receptor）。第五十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月G. Blobel等（1975）提出信号假说，认为蛋白质N-端的信号肽（signal peptide)，指导蛋白质合成由细胞质基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 laboratoryGnter Blobel分泌性蛋白合成的模型-信号

31、假说(signal hypothesis)第五十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月分泌性蛋白合成的模型-信号假说(signal hypothesis) 信号序列（signal sequence）：引导蛋白质定向转移 的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，对所引导的 蛋白质没有特异性要求。第五十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分：1. 信号肽(signal peptide): 位于N端，约1630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(start transfer sequence)。2. 信号识别颗粒(s

32、ignal recognition particle, SRP): 属于RNP，由6种 多肽和一个7S RNA组成。能与信号序列结合，导致蛋白质合成 暂停。3. SRP受体(又称停泊蛋白, docking protein, DP): 内质网膜的整合蛋 白，异二聚体，可与SRP特异结合。4. 停止转移序列(stop transfer sequence):与内质网膜的亲合力很高， 阻止肽链继续进入网腔，成为跨膜蛋白。分泌性蛋白合成的模型-信号假说(signal hypothesis)第六十张，PPT共八十页，创作于2022年6月分泌性蛋白合成的模型-信号假说(signal hypothesis)第

33、六十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月分泌性蛋白合成的模型-信号假说(signal hypothesis)第六十二张，PPT共八十页，创作于2022年6月蛋白质转入内质网合成的过程信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与SRP受体结合SRP脱离信号肽肽链在内质网上继续合成信号肽切除肽链延伸至终止。这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为co-translation（边合成边转运）。分泌性蛋白合成的模型-信号假说(signal hypothesis)第六十三张，PPT共八十页，创作于2022年6月分泌性蛋白合成的模型-信号假说(signal hypothesis)第六十四张，PPT共八十

34、页，创作于2022年6月Signal sequences target proteins to their destinations第六十五张，PPT共八十页，创作于2022年6月膜泡运输 (vesicular transport) 细胞内膜系统(internal membrane system)之间的物 质传递常常通过膜泡运输(vesicular transport)方式 进行。大多数运输小泡(transport vesicles)是在膜的特 定区域以出芽的方式产生。其表面具有一个笼子 状的由蛋白质构成的包被(coat)。这种包被在运输 小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。第六十六张，PPT共八

35、十页，创作于2022年6月67Vesicular transport第六十七张，PPT共八十页，创作于2022年6月Transport vesiclesContinually bud off from and fuse to other membrane compartments producing a constant flux of materialCarry soluble proteins (in the lumen) and lipids & membrane proteins (in the bilayer) between compartmentsAre transported

36、along microtubules by motor proteins第六十八张，PPT共八十页，创作于2022年6月Vesicle budding is driven by assembly of a protein coat (蛋白包被)第六十九张，PPT共八十页，创作于2022年6月三种包被小泡（coated vesicles）已知三类：网格蛋白（clathrin）包被小泡COPI 包被小泡COPII 包被小泡主要作用：1. 选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小 泡 (transport vesicle)2. 如同模具一样决定运输小泡的外部特征。第七十张，PPT共八十页，创作于2022年6月三种包被小泡的功能包被类型GTP酶组成与衔接蛋白运输方向clathrinARFClathrin重链与轻链，AP2质膜内体Clathrin重链与轻链，AP1高尔基体内体Clathrin重链与轻链，AP3高尔基体溶酶体，植物液泡COP IARFCOP高尔基体内质网COP IISar 1Sec23/Sec24复合体，Sec 13/31复合体，Sec 16内质网高尔基体第七十一张，PPT共八十页，创作于2022年6月网格蛋白包被小泡（clathrin coated vesicle）负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞 内体或溶酶体和植物液泡运输在受体介导的细胞