《细胞生物学》教案-细胞6章蛋白质分选与膜泡运输11

PAGE1《细胞生物学》教案 （第11次课2学时）第六章蛋白质分选与膜泡运输（ProteinSortingandMembranetrafficking）[教学要求]2.1知识目标1.熟练掌握核糖体与蛋白质合成,信号假说；2.掌握三种包被膜泡的结构与功能；3.供体膜与靶膜融合的机制。2.2能力目标1.讲解三位诺贝尔获奖科学家的研究成果；2.讲解共翻译转运和后翻译转运的过程；2.3德育目标1.在分析细胞运输途径时，阐述细胞内膜系统对于扩大细胞膜表面积的重要意义，并引入扩大内需是确保我国经济稳定健康发展的根本之策这一思政内涵；2.引导学生学习科学家的科研思维、科研精神。[教学重点]内质网、高尔基体的结构特点溶酶体的发生及功能[教学难点]内膜系统各结构之间的关系[教学时数]2学时[主要内容]6.1细胞内蛋白质的分选6.2细胞内膜泡运输[参考资料]翟中和．细胞生物学，第五版．北京：高等教育出版社，2020．[教学内容]一、膜泡运输概观二、COPⅡ包被膜泡的装配与运输三、COPⅠ包被膜泡的装配与运输四、网格蛋白／接头蛋白包被膜泡的装配与运输五、转运膜泡与靶膜的锚定和融合六、细胞结构体系的组装一、膜泡运输概观在细胞分泌与胞吞过程中，以膜泡运输方式介导的蛋白质分选途径形成细胞内复杂的膜流。这种膜流具有高度组织性、方向性并维持动态平衡。蛋白质的分泌与胞吞途径概观1.蛋白质在RER合成，通过共翻译转运途径跨膜运输2.内质网出芽，形成转运膜泡并与高尔基体融合3.从高尔基体顺面膜囊和高尔基体顺面网状结构到RER逆向运输4.高尔基体膜囊从顺面→反面成熟递进(非膜泡过程）5.从高尔基体后期膜囊→早期膜囊的逆向运输6.组成型分泌7.调节型分泌8.分选到溶酶体9.胞吞途径在细胞的膜泡运输中，糙面内质网相当于重要的物质生产车间和供应站，而高尔基体是重要的枢纽和集散中心。高尔基体聚集在微管组织中心（MTOC）附近。高尔基体不同的膜囊具有各自不同的成分，其它内膜系统的成员也一样，这是行使复杂膜泡运输功能的物质基础。受体蛋白返回原来的膜结构中有利于维持特定膜成分的相对稳定，如从受体介导的胞吞泡返回到质膜上，从高尔基体顺面膜囊返回到内质网以及从溶酶体返回到高尔基体的TGN等。很多蛋白质分子的表面可能含有多种介导转移与分选的信号。转运膜泡形成或出芽主要发生在膜的特异部位，即蛋白信号与受体结合的部位。细胞内膜泡运输需要多种转运膜泡参与，根据转运膜泡表面包被蛋白的不同，主要分3种不同类型：网格蛋白/接头蛋白包被膜泡、COP（包被蛋白）Ⅱ包被膜泡和COPⅠ包被膜泡，它们分别介导不同的膜泡转运途径在细胞合成-分泌与内吞途径中3种不同的主要膜泡运输方式COP（包被蛋白）Ⅱ包被膜泡介导顺向运输（二去）；COPⅠ包被膜泡介导逆向运输（一来）网格蛋白/接头蛋白包被膜泡从TGN出芽和从质膜内化形成，脱包被后与晚期胞内体融合(COP=2\*ROMANII包被膜泡介导的顺向运输（anterogradetransport）,即从rER到高尔基体顺面网状结构；COP=1\*ROMANI包被膜泡介导逆向运输（retrogradetransport）,即在高尔基体内膜囊间和从cis-高尔基膜囊和高尔基体顺面网状结构到rER;Clathrin/AP包被膜泡从高尔基体反面管网区出芽和从质膜内化形成，即去包被后的膜泡与晚期胞内体结合，这类膜泡的包被除笼形蛋白外还含有其他蛋白；这些转运膜泡携带分泌蛋白和质膜蛋白从高尔基体反面管网结构转运到质膜；注：分泌泡的包被蛋白尚未确定；这些转运膜泡携带分泌蛋白和质膜蛋白从高尔基体反面管网结构转运到细胞表面；请注意分泌蛋白从cis-高尔基体到trans-高尔基体通过膜囊递进方式的运输并不是通过膜泡所介导的；)（用核苷酸的拟似物处理细胞匀浆提取物时，通过离心的方法，分离得到的三种类型的小泡）二、COPⅡ包被膜泡的装配与运输COPⅡ（包被蛋白Ⅱ）包被膜泡介导的细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输。Sar1：一种调节膜泡转运的小G蛋白，有一个共价结合的疏水N端脂基团，帮助其插入ER膜，同膜结合的Sar1对包被蛋白的进一步装配起募集者作用。膜泡转运既能转运膜结合的蛋白，又能通过膜受体识别并转运可溶性蛋白，其包装特异性取决于被转运蛋白的靶向分选序列，借以区分哪些膜蛋白或可溶性蛋白将进一步包装转运，哪些将作为驻留蛋白而被排除在外，从而使膜泡包被直接选择靶向序列或分选信号。内质网被转运的膜蛋白具有双酸（Asp-X-Glu）分选信号，Sec24亚基为其受体。COPⅡVesiclesSar1蛋白在CopⅡ包被膜泡装配与去装配中作用1.Sar1与膜结合，GTP交换2.CopⅡ包被装配3.GTP水解4.CopⅡ包被去装配①Sar1蛋白结合GTP，与内质网膜上的受体蛋白Sec12结合，在ER膜蛋白鸟苷酸交换因子（GEF）作用下GTP置换GDP形成有活性的Sar1-GTP，GTP结合引发Sar1构象改变暴露出脂肪酸链并插入ER膜；②COPII小泡的装配：Sec23/Sec24装配上来；③GTP水解，Sar1与GDP结合，使Sar1脱离膜；④去装配；不同类型的膜泡运输A：COPⅡ包被膜泡介导顺向运输和COPⅠ包被膜泡介导逆向运输B：驻留蛋白的回收C：出芽与膜泡包装（KDEL是驻留蛋白的驻留信号；即由赖氨酸-天门冬氨酸-谷氨酸-亮氨酸四种氨基酸组成的KDEL序列，这个序列是一个回收信号；因此将内质网比喻成openprison;而且高尔基体上有逃逸蛋白KDEL序列的受体，还受到PH值变化的限制，高PH值亲和力低，低PH值亲和力高；因此可以脱离内质网，再包到小泡里，运回ER）三、COPⅠ包被膜泡的装配与运输COPⅠ包被膜泡介导的细胞内膜泡逆向运输（图8-12B），负责从高尔基体反面膜囊到顺面膜囊以及从高尔基体顺面管网状区到内质网的膜泡转运，包括再循环的膜脂双层、内质网驻留的可溶性蛋白和膜蛋白（如v-SNARE），是内质网回收错误分选的逃逸蛋白返回内质网的重要途径。ARF（ADPribosylationfactor，ADP核糖基化因子,装配反应因子）：一种调节膜泡转运的小G蛋白，有一个共价结合的疏水N端脂基团，帮助其插入ER膜，同膜结合的ARF对包被蛋白的进一步装配起募集者作用。细胞器中的蛋白质是通过2种机制保留及回收来维持的：一是转运膜泡将驻留蛋白有效排斥在外；二是对逃逸蛋白的回收机制，使其返回它们正常驻留的部位。KDEL：内质网可溶性驻留蛋白C端分选信号，其受体主要定位在TGN区、COPⅡ和COPⅠ包被膜泡的膜上；KKXX：内质网膜蛋白C端分选信号，其受体是COPⅠα和β亚基。（COPI小泡形成包被的方式与COPII-相似，只是含有的亚基不同，COPI包被含有7种蛋白亚基；需要的具有GTP酶活性的蛋白是ARF(ADPribosylationfactor，ADP核糖基化因子)；高尔基体反面管网区出芽，涉及到ARF置换GDP为GTP，固定到膜上，随着出芽再装配，COPI亚基形成包被小泡，然后GTP水解成GDP，包被解体，变成脱包被的小泡，与靶膜融合。）COPⅠVesiclesLys-Asp-Glu-Leu(KDEL)（KDEL是驻留蛋白的驻留信号；即由赖氨酸-天门冬氨酸-谷氨酸-亮氨酸四种氨基酸组成的KDEL序列，这个序列是一个回收信号；因此将内质网比喻成openprison;而且高尔基体上有逃逸蛋白KDEL序列的受体，还受到PH值变化的限制，高PH值亲和力低，低PH值亲和力高；因此可以脱离内质网，再包到小泡里，运回ER）四、网格蛋白／接头蛋白包被膜泡的装配与运输网格蛋白/接头蛋白包被膜泡介导蛋白质从高尔基体TGN向胞内体、溶酶体、分泌泡和植物细胞液泡的运输，也参与质膜受体介导的胞吞作用中从细胞表面运往胞内体转而到溶酶体的运输TGN：既是细胞分泌途径中物质转运的主要分选位点，又是网格蛋白包被膜泡的组装位点。网格蛋白呈三腿结构，也有自组装形成多角型网格的特性。接头蛋白（AP）复合物（异四聚体）一方面将网格蛋白网格包被连接到膜上（AP的一个亚基与网格蛋白重链远端的球形结构域特异性结合），另一方面又能特异地促使一些膜结合蛋白（v-SNARE）富集到形成包被的膜区，并与之特异性结合，决定哪些蛋白将被包装转运或哪些蛋白将被排除在外，这种特异性是由转运蛋白的分选信号决定的。ARF也参与网格蛋白/接头蛋白包被的起始装配。发动蛋白（dynamin）具有GTPase活性，介导网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的缢缩并与供体膜断裂，这很关键。（在鸟苷酸交换因子作用下将置换GDP为GTP，连到膜上装配，包被蛋白是clathrin，里面还有一层是adaptin（接合素蛋白），形成双侧壳的包被，dynamin蛋白将其缩紧后，断裂使小泡游离出来，形成双层的包被小泡；）网格蛋白（A）、多角形网格包被结构（B）及发动蛋白介导的网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的形成（C）五、转运膜泡与靶膜的锚定和融合膜泡运输的关键步骤至少包括如下过程：①供体膜的出芽、装配和断裂，形成不同包被转运膜泡（已学过）；②在细胞内由马达蛋白驱动、以微管为轨道的膜泡运输（以后学）；③转运膜泡与特定靶膜的锚定和融合（现在学）膜泡锚定与融合是一个耗能的特异性过程：其特异性是通过供体膜和靶膜上的蛋白相互作用完成的。小G蛋白Rab主要介导供体膜和靶膜的锚定：Rab-GTP与特定转运膜泡的表面蛋白相互作用，并通过类异戊二烯基团插入转运膜泡内。一旦Rab-GTP被结合在膜泡表面，便与靶膜上的Rab效应器结合蛋白相互作用，从而使转运膜泡被锚定在适当的靶膜上。v-SNARE与t-SNARE蛋白的配对（互补性）是介导转运膜泡与靶膜融合的主要机制：NSF（N-ethylmaleimide-sensitivefactor）即N-乙基马来酰亚胺敏感因子和SNAP（solubleNSFattachmentprotein）即可溶性NSF结合蛋白负责介导不同类型膜泡的融合，但没有明显的特异性；SNARE（SNAPreceptor）即SNAP受体（可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体），位于细胞器和膜泡膜上的跨膜蛋白大家族，介导膜泡与靶细胞器膜的特异性融合。其中v-SNARE位于膜泡的膜上，与之互补配对的t-SNARE位于靶细胞器膜上。SNAREs功能：介导运输小泡与靶膜的融合；类型：v-SNAREs和t-SNAREs结构：具有一个螺旋结构域，相互缠绕形成跨SNAREs复合体，将小泡与靶膜拉在一起在供体膜和靶膜之间膜泡的锚定与融合如果说Rab蛋白主要是控制转运膜泡与适当靶膜的锚定，那么，介导转运膜泡与靶膜融合的主要机制是v-SNARE/t-SNARE蛋白的配对。六、细胞结构体系的组装细胞结构体系的组装和去组装是整体上认识细胞生命活动应该关注的重要问题。生物大分子的组装方式大体可分为自我装配（self-assembly）、协助装配（aided-assembly）和直接装配（direct-assembly）以及更为复杂的细胞结构及结构体系之间的组装。有些装配过程需ATP或GTP提供能量。各类型的装配具有以下生物学意义：（1）减少和校正蛋白质合成中出现的错误；（2）可大大减少所需的遗传物质信息量；（3）通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程。事实上细胞内许多代谢活动往往涉及蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、蛋白质与磷脂等组装成特定的复合体，这些复合体构成了细胞结构体系的结构基础与功能单位。膜围绕的细胞器大体分为2类：一是内膜系统；二是含有DNA的细胞器。细胞器的组装同样涉及蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、蛋白质与膜脂的组装，其运输和组装过程与方式也更为复杂。细胞骨架体系在整个细胞结构体系中起着重要的组织作用。本章概要真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数蛋白质都是由核基因编码，起始合成均发生在游离核糖体上，然后或在细胞质基质（游离核糖体）中完成翻译过程，或在粗面内质网膜结合核糖体上完成合成。然而，蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组分。因此必然存在不同的机制以确保蛋白质分选，转运至细胞的特定部位，也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功能的复合体，才能参与实现细胞的各种生命活动。信号肽学说是解释分泌性蛋白在糙面内质网上合成的重要理论，该过程是包括蛋白质N端的信号肽、信号识别颗粒和内质网膜上信号识别颗粒的受体等因子共同协助完成的。蛋白质分选包括蛋白质的跨膜转运、门控转运和膜泡运输等主要的转运方式。其分选指令存在于多肽链自身，继信号假说提出与确证后，人们又发现一系列的信号序列，指导蛋白的靶向转运。细胞内膜泡运输的研究进展较大，包括COPⅡ包被膜泡介导的细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输；COPⅠ包被膜泡介导的细胞内膜泡逆向运输，负责从cis高尔基体网状区到内质网膜泡转运，包括再循环的膜脂双层、某些蛋白质如v-SNARE和回收错误分选的内质网逃逸蛋白返回内质网；网格蛋白/AP包被膜泡介导的蛋白质从高尔基体TGN向