《细胞生物学》教学课件：07 内膜系统

1、第七章 细胞质基质、内膜系统、蛋白质分选,细胞内可区分为3类结构：细胞基质、细胞内膜系统、其他膜包被的细胞器。 细胞质基质 细胞内膜系统 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,第一节 细胞质基质,细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix） 细胞质基质的涵义 细胞质基质的功能,一、 内 质 网, 内质网(endoplasmic reticulum,ER) 的形态结构 ER的功能 内质网与基因表达的调控,二、高尔基体, 高尔基体的形态结构 高尔基体的功能 高尔基体与细胞内的膜泡运输,三、 溶酶体与过氧化物酶体,溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。 溶酶体（lysosom

2、e）是一层单位膜围绕、内含多种酸性水解酶类（50多种：包含多种蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶等）的囊泡状细胞器。溶酶体是以含有大量酸性水解酶为共同特征、不同形态大小，执行不同生理功能的一类异质性（heterogenous）的细胞器 。 溶酶体的结构类型 溶酶体的功能 溶酶体的发生 溶酶体与过氧化物酶体,第三节 细胞内蛋白质的分选,信号假说与蛋白质分选信号 蛋白质分选途径与类型 膜泡运输 跨膜运输线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装 细胞结构体系的组装,一、细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix）,细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占原生质的一半,肝细胞

3、中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积,基本概念： 在真核细胞中，除了可辨的细胞器以外的胶状物质称为细胞质基质，是一复杂的高度有组织的胶体系统。 用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。 细胞质基质与胞质溶胶差别？ 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构成分。 主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系； 通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。,细胞质基质的涵义, 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 蛋白质的合成、分

4、选与运输,脂肪酸合成 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传递等 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解 蛋白质的修饰 P173（共价辅酶辅基，磷酸化，糖基化，甲基化，酰基化） 控制蛋白质的寿命P173 N端规则（N端8种氨基酸稳定，其他不稳定氨基酸） 降解变性和错误折叠的蛋白质 P174 泛素标记（水解酶系） 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 P174 热休克蛋白,细胞质基质的功能,第二节、细胞内膜系统（endomembrane system）, 细胞内膜系统概述 细胞内膜系统的研究方法 内 质 网 高尔基体 溶酶体与过氧化物酶体,细胞内膜系统

5、概述,细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡等。 真核细胞细胞内的区域化compartmentalization： 细胞骨架纤维为组织者的细胞质基质（Cytomatrix）形成有序的动态结构； 细胞内的膜相结构-细胞器organelles （内膜系统、其他膜结构）。,细胞内膜系统的研究方法,放射自显影（Autoradiography）; De Duve, A.Claude and G.Palade,1974 Nobel Plrize 生化分析（Biochemical analysis）; 遗传突变分析（G

6、enetic mutants）,一、 内质网的形态结构,内质网：是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管、小泡、扁囊状结构，它们相互连接形成一个连续的三维网状膜系统。P169：图7-1 内质网的两种基本类型： 粗面内质网（ rough endoplasmic reticulum，rER） 光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER） 微粒体（microsome）,二、ER的功能,ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。, rER的功能 sER的功能,rER的功能, 蛋白质合成 蛋白质的修饰与加工 新生肽的折叠与组装,sE

7、R的功能,1 脂类的合成 2 类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质） 3 肝的解毒作用（Detoxification）：清除脂溶性废物 加氧酶系：System of oxygenases-cytochrome p450 family，使有毒性的脂类羟基化呈水溶性排出体外 4 肝细胞糖原降解成葡萄糖释放（G-6PG） 5 钙离子储存库：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细 胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中,返回,粗面内质网功能-蛋白质合成, 粗面内质网合成的蛋白质： 1.细胞外分泌蛋白；2. 膜整合蛋白；3.内膜系统各种细胞器内的可溶性驻留蛋白（需要隔离或修饰）。 对比细胞质基质中合成

8、的蛋白质多肽，包括：1.细胞质基质中的驻留蛋白；2.质膜内侧的外在蛋白；3.核输入蛋白；4.转运到线粒体；5.叶绿体和过氧物酶体的蛋白。 注：蛋白质合成机器是核糖体； 蛋白质合成场所有处：细胞质基质、粗面内质网。 且全部蛋白质合成都起始于细胞质基质的“游离”核糖体。,蛋白质的修饰与加工,修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化在glycosyltransferase（糖基转移酶 ）作用下发生在ER腔面 N- linked glycosylation（Asn 天冬酰胺）N-连接的糖基化 O- linked glycosylation（Ser/Thr or Hylys/Hypro）O

9、-连接的糖基化 酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸Cys,新生肽的折叠与组装,新生肽的折叠组装：（ 非还原性的内腔，易于二硫键形成） 正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL赖天冬谷亮or HDEL组天冬谷亮信号 蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI） 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 结合蛋白（Binding protein，Bip，chaperone :Hsp70热休克蛋白） 识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重 新折叠与装配。,脂类的合成, ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。P179 两

10、种例外：鞘磷脂和糖脂（ER开始Golgicomplex完成）；Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；P179图 磷脂转位因子 / 转位酶 使膜脂转位 磷脂的转运: 1 出芽transport by budding：ERGC、Ly、PM 2 磷脂转换蛋白transport by phospholipid exchange proteins（PEP）： ERother 细胞器organelles（including Mit and Chl）,三、内质网与基因表达的调控,内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔 基体转运的

11、复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。 影响内质网细胞核信号转导的三种因素： 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。 折叠好的膜蛋白的超量积累。 内质网膜上膜脂成份的变化主要是固醇缺乏 不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达,一、高尔基体的形态结构,电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊堆叠成主体，多呈弓形，周围有大小不等的囊泡构成的网囊封闭复合结构。 高尔基体是有极性的细胞器：位置、方向、物质转运与生化极性 高尔基体各部分膜囊的种标志细胞化学反应： 高尔基体至少由互相联系的3-4个部分组成，每一部分又可能划分出更精细的间隔,一、高尔基体的形态结构, 高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中,

12、 高尔基体分布在MTOC(负端) 高尔基的膜囊上存在微管的马达蛋白(cytoplasmic dynein和kinesin）和微丝的马达蛋白（myosin）。最近还发现特异的血影蛋白（spectrin）网架 。 它们在维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起重要的作用。,扁囊弯曲成凸面 又称形成面（forming face）或顺面（cis face） 面向质膜的凹面（concave） 又称成熟面（mature face）或反面（trans face）,高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应, 嗜锇反应的高尔基体cis面膜囊； 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示trans面12层膜

13、囊； 核苷酸二磷酸酶或胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构 GERL结构：60年代初，Novikoff发现CMP和酸性磷酸酶存在于高尔 基体的一侧，称这种结构为GERL，意为与高尔基体（G）密切相关, 但它是内质网（ER）的一部分，参与溶酶体（L）的生成。 甘露糖酶或烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊,高尔基体顺面管网状结构（cis-Golgi network，CGN） 又称cis膜囊 高尔基体中间膜囊（medial Golgi） 多数糖基修饰； 糖脂的形成； 与高尔基体有关的多糖的合成 高尔基体反面网状结构（tran

14、s Golgi network，TGN） 周围大小不等的囊泡 ）顺面囊泡称ERGIC/VTCs-ERGIC53/58蛋白（结合Mn） ）反面囊泡体积较大为分泌泡与分泌颗粒,高尔基体的或个组成部分,高尔基体顺面管网状结构, RER（蛋白质和脂类）CGN（蛋白质KDEL或HDEL）； 蛋白丝氨酸残基发生O-连接糖基化； 跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化； 日冕病毒的装配,高尔基体反面管网状结构, TGN中的低pH值；标志酶CMP（ 胞嘧啶单核苷酸）酶阳性 TGN的主要功能： 参与蛋白质的分类与包装、运输； 某些“晚期”的蛋白质修饰 （如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工）

15、在蛋白质与脂类的转运过程中的“瓣膜”作用，保证单向转运,二、 高尔基体的功能, 蛋白质的糖基化及其修饰 高尔基体与细胞的分泌分选活动 蛋白肽的水解和其它加工过程,高尔基体与细胞的分选分泌活动, 溶酶体酶的分选：M6P反面膜囊M6P受体 在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。 蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身 流感病毒包膜蛋白特异性地转运 上皮细胞游离端的质膜 水泡性口炎病毒包膜蛋白特异性地转运上皮细胞基底面的质膜 水泡性口炎病毒包膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号 （Asp-X-Gln谷酰或DXE谷）起重要的作用,蛋白质的糖基化及其修饰, 蛋白质

16、糖基化类型 蛋白质糖基化的特点及其生物学意义 蛋白聚糖在高尔基体中组装 植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖,蛋白质糖基化类型,N-连接与O-连接的寡糖比较,蛋白质糖基化的特点及其生物学意义, 特点：糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在 细胞不同间隔中经历复杂的修饰过程才能完成。见P189图 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。对多数分选的蛋白质 来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。 进化意义：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，这就可能使真核细胞的

17、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。,蛋白聚糖在高尔基体中组装一个或多个糖胺聚糖（通过木糖）结合到核心蛋的Ser残基上 在高尔基体中进行肽链酪氨酸残基的硫酸化作用， 硫酸化的蛋白质供合成蛋白聚糖,蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型, 无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体切除N-端或两 端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。 蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物。 同一种蛋白质前体不同细胞、以不同的方式加工不同的多肽。 加工方式多样性的可能原因： 确保小肽分

18、子的有效合成； 弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号； 有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。,三、高尔基体与细胞内的膜泡运输,高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用,膜泡运输的主要途径,其中多数与高尔基体直接相关,一、溶酶体的结构类型, 溶酶体膜的特征： 嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境； 具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。 溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acid phosphatase） 类型,类型,初级溶酶体（primary lysosome） 次级溶酶体（secondary lysosome） 自噬溶酶

19、体（autophagolysosome） 异噬溶酶体（phagolysosome） 残余小体（residual body），又称后溶酶体。,二、溶酶体的功能, 其主要功能是进行细胞内的消化作用。 三条途径： 吞噬作用 phagocytosis phagosome endocytosis early endosome late endosomelysosome 胞吞 自噬作用autophagy autophagosome 清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞 防御功能（病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化） 其它重要的生理功能 溶酶体与疾病,其它重要的生理功能,作

20、为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养； 分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节 参与清除赘生组织或退行性(蝌蚪尾巴退化)变化的细胞； 受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。,溶酶体与疾病,溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障， 影响细胞代谢，引起疾病。 如台-萨氏（Tay-Sachs）等各种储积症 （隐性的遗传病）,三、溶酶体的发生, 发生途径 分选途径多样化 酶的加工方式多样化 不同酶的加工方式不同，如酶进入溶酶体后糖侧链的部分水解，可能是特定环境造成。,在RER 上合成溶酶体酶及N-连接的糖基化修饰,高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化,M6P,N-乙酰葡萄糖

21、胺磷酸转移酶,高尔基体trans-膜囊和TGN膜（M6P受体）,溶酶体酶分选与局部浓缩,以出芽的方式转运到前溶酶体,磷酸葡萄糖苷酶,磷酸化识别信号：信号斑,发生途径, TGN依赖于M6P受体 的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外；在细胞质膜上也存在依赖于钙离子的M6P受体，同样可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用，将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜或TGN膜，反复使用。 还存在不依赖于M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体的水溶性蛋白穿孔素perforin和粒酶granzyme）,分选途径多样化,四、溶酶体与过氧化物酶体,过氧化物酶体(perox

22、isome)又称微体(microbody)，是 由单层生物膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器。 过氧化物酶体与溶酶体的区别 过氧化物酶体的功能 过氧化物酶体的发生,鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（P）和其它细胞器如线粒体（M）等 （Albert et al. ，1989）,过氧化物酶体与溶酶体的区别,过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似， 但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格 状结构，可作为电镜下识别的主要特征。 通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体 过氧化物酶体和溶酶体的差别,微体与初级溶酶体的特征比较,过氧化物酶体的功能,过氧化物酶体中常含有两种酶： 依赖于黄素（FA

23、D）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2； 过氧化氢酶，作用是将H2O2分解，形成水和氧气。 动物细胞中过氧化物酶体的功能: 肝细胞或肾细胞过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用 过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。 在植物细胞中过氧化物酶体的功能： 在绿色植物叶肉细胞中，它催化加O2反应的被氧化的底物是乙醇酸即所谓光呼吸反应； 乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体 降解储存的脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。 （这一转化过程伴随乙醛酸循环）,过氧化物酶体的发生, 过氧化物酶体经分裂后形成子代的细胞器，子代的过氧化物酶体 还需要进一步装配形成成熟的细胞

24、器。 组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，主要在细胞质基质 中合成，然后转运到过氧化物酶体中。 过氧化物酶体蛋白分选的信号序列（Peroxisomal-targeting signal，PTS）： PTS1为Ser-lys-leu，多存在于基质蛋白的C端。 PTS2为Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基质蛋白N-端。 过氧化物酶体膜上存在几种可与信号序列相识别的可能的受体蛋白。 过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后转运而来。 内质网也参与过氧化物酶体的发生,过氧化物酶体发生过程的示意图,一、信号假说与蛋白质分选信号,信号假说(Signal hypoth

25、esis) 1975， GBlobel et al：Signal hypothesis,1999获“诺奖” 信号肽（Signal peptide）与共翻译转移及 拓扑学等价性（Topologically equivalent）的维持 导肽（Leader peptide）与后转移（Post translocation） 蛋白质分选信号,信号假说,信号假说内容：分泌性蛋白N-端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成便通过易位复合子进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。 决定分泌性蛋白到ER上合成的完成 因子： 指导因子： 蛋白质N-端的信号肽（sig

26、nal peptide） 信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）由6种多肽和一个7S的RNA组成复合物 信号识别颗粒的受体（ SRP receptor又称停泊蛋白docking protein，DP）等,位于内质网上。 供能分子 GTP,1981年,发现了信号识别颗粒(signal recognition partical, SRP),是一种核糖核酸蛋白复合体,沉降系数为11S，含有分子量为72kd、68kDa、54kDa、19kDa、14kDa及9kDa的6条多肽和一个7S(长约300个核苷酸)的scRNA(图9-18), 它的作用是识别信号序列,并将

27、核糖体引导到内质网上。,在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系,* “+”和“-”分别代表反应混合物中存在（+）或不存在（-）该物质。,信号肽与共翻译转移,信号肽（Signal peptides） 蛋白质一级结构N-端的一段多肽序列 信号斑（Signal patches） 蛋白质折叠后二级构象上存在的信号结构 共翻译转移 肽链边合成边转移至内质网中的方式 起始转移序列和终止转移序列 起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数,导肽与后转运,导肽：指在细胞质基质中合成的蛋白质N端多肽序列，其作用是引导蛋白质转送到细胞特定的部位信号序列。 特征： 蛋白质在细胞质基质中合成

28、完成以后，再转移到蛋白质执行功能的那些细胞器中，称后转运（post translocation）。例：核蛋白，过氧化物酶体蛋白，部分线粒体蛋白。 蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还 需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能 够正确地折叠成有功能的蛋白。,（二）蛋白质分选信号（protein sorting signals ）,几种典型的蛋白质分选信号序列（或信号斑）,二、蛋白质合成分选途径与转运类型,依据蛋白质分选的转运机制不同分四种类型： 门控运输（gated transport） 跨膜运输（transmembrane transport） 膜泡运输（vesicular

29、 transport） 细胞基质中的蛋白质转运,第六章 线粒体和叶绿体,线粒体和叶绿体蛋白质跨膜运送与组装,本章重点内容,掌握各种电子载体复合物和电子传递链的概念、特点。 理解并掌握氧化磷酸化偶联机制和光合磷酸化偶联机制化学渗透假说。 总结比较线粒体与叶绿体中ATP合酶磷酸化ATP的异同点 掌握线粒体和叶绿体内、外膜及类囊体膜的结构特点 线粒体与叶绿体蛋白的跨膜运输要点,思考题,线粒体内膜上的标记酶是 （1）单氨氧化酶 （2）腺苷酸激酶 （3）苹果酸脱氢酶 （4）细胞色素氧化酶 下列各种膜中，蛋白/脂类比值最高的膜是 （1）质膜 （2）类囊体膜 （3）线粒体内膜 （4）线粒体外膜 线粒体和叶绿

30、体都含有 （1）DNA和核糖体 （2）外膜和类囊体膜 （3）外膜和嵴 （4）基质和基粒 在电子传递链中,下列哪个复合物不是质子移位体( ) (1)复合物 (2)复合物 (3)复合物 (4)复合物,思考题,线粒体中ATP的合成是在_上进行的,ATP合成所需能量的直接来源是_ 在线粒体内膜上的呼吸链复合体之间，有两个移动速度较快的电子载体，分别为-和-。 当由核基因编码的线粒体蛋白进入线粒体时，需要-和-提供能量来推动 叶绿体中全部产能系统都定位在-，叶绿体非环式光合磷酸化的产物是-、-和分子氧。,线粒体和叶绿体蛋白质跨膜运送与组装,线粒体蛋白质的运送与组装 定位于线粒体基质的蛋白质的运送 定位于

31、线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送 进入线粒体的蛋白并非都含导肽，这些蛋白 质的靶向信息可能存在它们分子内的氨基酸 序列中（外膜孔蛋白、内膜上的ADP/ATP转运 载体等等）。 叶绿体蛋白质的运送及组装,线粒体导肽运送蛋白质时需要的因子： 需要受体; 消耗ATP; 需要分子伴侣; 要电化学梯度驱动; 要信号肽水解酶（MPP、PEP）切除信号肽; 通过外膜的插入蛋白（GIP）和接触点进入; 非折叠形式运输。,P160,导肽：又称转运肽(transit peptide)或导向序列(targeting sequence)，它是细胞质基质游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号。,导肽特征,导肽是新生蛋白N-

32、端一段大约2080个氨基酸的肽链,含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸(特别是精氨酸和赖氨酸), 如果它们被不带电荷的氨基酸取代就不起引导作用； 羟基氨基酸含量高（特别是Ser）； 转运肽序列中不含有或基本不含有带负电荷的酸性氨基酸； 并且形成两性螺旋的倾向。转运肽的这种特征的结构有利于穿过线粒体的双层膜。 同一植物输入到线粒体或叶绿体中不同前体蛋白的N端序列不具有同源性。,进入线粒体内膜和膜间隙的蛋白具有以下情况：蛋白N端具有两个信序列，首先被运送到基质，然后N端信号肽被切除，暴露出导向内膜的信号序列，引导插入内膜。如果第二段信号序列被内膜外表面的异二聚体内膜蛋白酶切除，则成为膜间隙蛋白。N端信号

33、序列的后面有一段疏水序列，扮演停止转移序列的角色，当进入基质的信号序列被切除后，脱离转位因子复合体而进入内膜，如果插入膜中的部分不被酶切除，侧成为定位于内膜蛋白。,线粒体蛋白分选信号类型图示,定位基质序列：位于N端，富含带正电荷的和疏水的氨基酸，形成两性螺旋，完成转运后被切除。,定位外膜序列：不被切除，含疏水性的停止转移序列，被安插到外膜。,含两个信号序列，首先转运到基质，第一个信号序列被切除，第二个信号序列引导蛋白进入内膜或膜间隙。,结构类似于N端信号序列，但位于蛋白质内部。,为线粒体代谢物的转运蛋白，如腺苷转位酶，具有多个内部信号序列和停止转移序列，形成多次跨膜蛋白。,叶绿体蛋白的转运,叶

34、绿体大约含2000-2500 种蛋白，叶绿体基因组编码的不足100 种，因此大量的蛋白质也是由核基因编码，在细胞质中合成，然后定向转运到叶绿体。 叶绿体蛋白的转运机理与线粒体的相似。 叶绿体前体蛋白的N端信号序列长度为20150 个氨基酸残基，同一植物不同前体蛋白的N端序列不具有同源性，分为3 个部分：N 端缺乏带正电荷的氨基酸，以及甘氨酸和脯氨酸；C 端形成两性折叠；中间富含羟基化的氨基酸，如丝氨酸和苏氨酸。,转运到叶绿体基质的前体蛋白含有1个N端氨基酸序列又称转运肽。 转运到叶绿体内膜和类囊体的前体蛋白含有两个N端信号序列，第一个被切除后，暴露出第二个信号序列，将蛋白导向内膜或类囊体膜。

35、叶绿体转运肽运送蛋白质时的因子与线粒体要求类似。,蛋白质合成分选的途径,.翻译后转运途径,.信号肽指引的共翻译转运途径,门控转运,跨膜转运,膜泡转运,蛋白质转运分选类型：,三膜泡运输,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内膜系统细胞器的功能或发生。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。 大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。 衣被（运输标签）具有两个主要作用： 选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡； 如

36、同模具一样，衣被决定运输小泡的外部特征。相同性质的运输小泡具有相同的形状和体积，与衣被蛋白的组成有关。,膜泡运输,三种不同类型的包被小泡具有不同的物质运输作用 。 膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、 去组装的复杂调控,三种不同类型的包被小泡具有不同的物质运输作用, COPII包被小泡 COPI包被小泡 网格蛋白包被小泡,网格蛋白包被小泡,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 在受体介导的细胞内吞途径也负责将物 质从质膜内吞泡(细胞质) 胞内体溶酶体运输 高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地,COPII包被小泡,负责从内质网高尔基体顺面的物质运输；

37、COPII包被蛋白由5种蛋白亚基组成； 包被蛋白的装配是受控的； COPII包被小泡具有对转运物质的选择 性并使之浓缩。,COPI包被小泡, COPI包被含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配 与去装配依赖于ARF(GTP-binding protein)； 负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins） ER。 细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制： 转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运； 通过识别驻留蛋白C-端的回收信号(lys-asp-glu-leu,KDEL) 的特异性受体，以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。 COPI-包被小泡在非选择性的批量运输(

38、bulk flow)中 行使功能。 COPI-包被小泡除行使GolgiER逆行转运外，也可行 使顺行转运功能, 从ERER-Golgi ICGolgi。,膜泡运输是特异性过程，膜泡融合涉及多种蛋白识别、组装-去组装的复杂调控,选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相互作用（如神经细胞质膜突出融合蛋白syntaxin，特异性结合突触小泡膜上的VAMP vesicle-associated membrane protein) 膜泡融合是特异的选择性融合，从而指导细胞内膜流的方向 在细胞的膜泡运输中，粗面内质网相当于重要的物质供应站，而高尔基体是重要集散中心。由于内质网的驻留蛋白具有回收信号，

39、即使有的蛋白发生逃逸，也会保留或回收回来，所以内质网可比喻成“开放的监狱”（open prison）。高尔基体在细胞的膜泡运输及其随之而形成的膜流中起枢纽作用，因此高尔基体聚集在微管组织中心(MTOC)附近并在高尔基体膜囊上结合有类似动力蛋白的蛋白质，从而使高尔基体维持其极性。,四、细胞结构体系的组装,生物大分子的组装方式： 装配具有重要的生物学意义： 分子“伴侣”（molecular chaperones）,生物大分子的组装方式,自我装配（self-assembly） 自我装配的信息存在于装配亚基的自身，细胞提供的装配环境，有些装配过程需ATP或GTP提供能量或其它环境条件 协助装配（aid

40、ed-assembly） 协助装配需要其它成份介入或对装配的亚基进行修饰 直接装配（direct-assembly） 某种亚基直接装配到预先形成的结构上例：核糖体的某些蛋白组装到核糖体RNA上 复合物与细胞结构体系的组装,装配具有重要的生物学意义,减少和校正蛋白质合成中出现的错误 减少所需的遗传物质信息量 通过装配与去装配更容易调节与控制 多种生物学过程,分子“伴侣”（molecular chaperones）,细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子“伴侣”。,肝

41、细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比 （引自Albert.1998）,粗面内质网膜上有一种称为移位子（蛋白质复合体）形成的“通道”,起始： 细胞质基质,粗面内质网,细胞质基质,蛋白质合成场所,磷酸多萜寡糖,内核结构,最早发现于1855 年，1889 年，Golgi 用银染法在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20 世纪50 年代以后才正确认识它的存在和结构。,a.锇酸着色的顺面膜囊,b.甘露糖苷酶反应标志中间膜囊,c.核苷酸二磷酸酶反应标志反面膜囊,20世纪70年代发现,小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体 用电镜细胞化学技术显示其中含有的酸性磷酸酶， M：线粒体，

42、L：溶酶体（朴英杰）,动物细胞溶酶体系统示意图,溶酶体的发生过程,二氨基联苯染色,晶核,比重小的Triton-WR1339集中在溶酶体上，使溶酶体比重变轻，易于分离,直接用蔗糖作分离介质，粘度大,血红素四聚体过氧化氢酶（有活性的）,过氧化氢酶多肽单体,血红素,信号肽的一级序列 信号肽一级序列由疏水核心（h）、C端（c）和N端（n）三个区域构成。 以血清白蛋白和HIV-1型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，显示出两者的n区长度明显不同,引导肽链穿过内质网膜的信号肽可以看作起始转移序列； 肽链中还可能存在某些序列与内质网膜有很强的亲和力，从而使之结合在脂双层中，这段序列不转移，称为停止转移序列,在

43、细胞合成与分泌途径中不同膜组分之间三种不同的 膜泡运输方式: 1. 网格蛋白包被小泡介导从高尔基体TGN质膜和胞内体 及溶酶体的运输； 2. COPII包被小泡介导从内质网高尔基体的运输； 3. COPI包被小泡负责将蛋白从高尔基体 内质网。 在从内质网高尔基体和/或从高尔基体的cis面trans 面的物质转运中也可能涉及到COPI包被小泡 (物质沿内吞途径的转运未表示在图中)。,在高尔基体TGN区笼形蛋白有被小泡的形成示意图,电镜下网格蛋白小泡,COP II衣被小泡的组装 Sar-GTP与内质网膜的结合，起始募集COPII亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面捕获并富集被转运的可溶

44、性蛋白,载运的货物蛋白,内质网驻留蛋白的回收图解,可溶性质 膜融合蛋白,可溶性质膜 融合蛋白SNF的结合蛋白,特异性识别,非特异性加入,细胞质膜融合的特异性识别与组装,ARF:GTP结合蛋白(Rab),靶膜-可溶性质膜 融合蛋白的结合蛋白SNAP的受体,膜泡-可溶性质膜 融合蛋白的结合蛋白SNAP的受体,膜泡锚定与融合的特异性是通过转运泡膜上的蛋白和靶膜上的蛋白相互作用获得的,分子伴侣解折叠,另种分子伴侣帮助重折叠,二聚体,螺旋结构,环状结构,蛋白质分子形成的两个不同结构域,折叠,二级结构,-螺旋,单一的多肽,流感病毒包膜蛋白,水泡性口炎病毒包膜蛋白,顶端 pro,返回,SRP受体,细胞质,核

45、糖体结合蛋白,内质网腔,信号识别颗粒,(SRP),A,信号肽,tRNA,信号假说,核糖体结合蛋白,内质网腔,SRP受体,细胞质,tRNA,A,信号肽,信号识别颗粒,(SRP),信号假说,胞外消化,自噬体,次 级 溶 酶 体,吞饮溶酶体,吞噬溶酶体,自噬溶酶体,分泌溶酶体,内体,初级溶酶体,异噬作用,吞饮体,自噬作用,吞噬体,残质体,在CGN中，切除部分甘露糖（溶酶体酶保留全部甘露糖）、生成溶酶体酶M6P标记、O连接的糖基化修饰； 在中间膜囊中，糖蛋白支链上的N-乙酰葡萄糖胺、岩藻糖修饰； 在TGN中，糖蛋白支链继续完成半乳糖、唾液酸（常为最后一个糖）的修饰； 所有糖基化酶活性部位位于高尔基体膜

46、囊腔内，它们均为膜整合蛋白； 高尔基体膜囊的每一区隔（囊）中，排列着一套有序的蛋白质修饰的特定酶系，像糖链组装流水线，依次完成蛋白质一道一道糖基化加工。,概念： 蛋白质分选：指细胞内各种蛋白质合成的定位，以及各种蛋白质转运到细胞各个特定部位，这一过程的机制称蛋白质分选或定向转运。 （主要包括合成定位、何时转运、定向转运等机制） 细胞中蛋白质合成场所 ? 为什么一些蛋白质在细胞质基质核糖体上合成？而有些蛋白质在内质网核糖体上合成？,思考题,细胞基质是一个高度有序的结构体系，其中_起主要的组织作 用。 光面内质网是合成_的主要场所,粗面内质网是合成_的主要场所 粗面内质网是合成_的场所,其合成的产物在粗面内质网中可能发生的修饰和变化有_,_,_和_,折叠成正确的空间结构. 经高尔