第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输.ppt

第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输,第一节 细胞质基质的涵义与功能,1 细胞质基质的涵义（cytoplasmic matrix or cytomatrix）2 细胞内膜系统概述（endomembrane system）,第二节 细胞内膜系统及其功能,1 内质网(endoplasmic reticulum,ER)的形态结构2 ER的功能3 内质网与基因表达的调控,一 内质网的形态结构与功能,二 高尔基体的形态结构与功能,1 高尔基体(Golgi body,Golgi complex)的形态结构与极性2 高尔基体的功能3 高尔基体与细胞内的膜泡运输,三 溶酶体的形态结构与功能,1 溶酶体(Lysosome)2 过氧化物酶体(Peroxisome)或 微体（microbody),第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,分泌蛋白合成的模型-信号假说 蛋白质分选与分选信号膜泡运输 细胞结构体系的组装,一、细胞质基质的涵义（cytoplasmic matrix or cytomatrix）,细胞质基质的概念在真核细胞中除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其 体积约占细胞质的一半细胞质基质的涵义,二 细胞质基质的功能,主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构，以及其他小分子、离子等。主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；蛋白质、mRNA等大分子相对区域化；大分子通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。水：结合态水；游离态水 细胞器、酶、mRNA等区域性分布或与细胞骨架及膜结合。,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 蛋白质的分选与运输 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 控制蛋白质的寿命(Met,Val,Pro,Gly,Ala,Ser,Thr,Cys)（依赖于泛素的降解途径）降解变性和错误折叠的蛋白质(泛素化降解途径）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,细胞质基质的功能,细胞内膜系统概述,概念 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。主要结构 内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体等细胞内的膜相结构-细胞器（organelles）。细胞内膜系统的研究方法,细胞内膜系统的研究方法,放射自显影（Autoradiography）;生化分析（Biochemical analysis）;遗传突变分析（Genetic mutants）,1、内质网的形态结构,发现（1945，Porter等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）内质网的形态结构 内质网的两种基本类型 糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER）光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）内质网的化学组成 微粒体（microsome）,2、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装配,sER的功能,脂类的合成 类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）肝的解毒作用（Detoxification）System of oxygenases-cytochrome p450 family；储存钙离子（胞内钙库）：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,蛋白质合成,内质网上合成的蛋白 分泌蛋白；整合膜蛋白；内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋 白（需要隔离或修饰）。细胞质基质中“游离”核糖体上合成的蛋白：包括：细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入 蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。注意：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“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。几乎所有内质网上合成的蛋白最终都被糖基化。糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔面N-linked glycosylation（Asn）O-linked glycosylation（Ser/Thr or Hylys/Hypro）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。酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸Cys,新生肽的折叠与装配,新生肽的折叠、装配：ER腔特性：非还原性的内腔，易于二硫键形成；参与的蛋白：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）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。,蛋白的折叠在hsp70家族的ATP酶的作用下完成。无法正确折叠的蛋白被转入溶酶体降解，约90%的新合成T细胞受体亚单位和Ach受体都被降解，而从未到达靶膜。COP II介导由ER输出的膜泡运输。KDEL或HDEL 内质网滞留序列,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）。两种例外：鞘磷脂和糖脂（ER开始Golgi complex完成）；Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。各种不同的细胞器具有明显不同的脂类组成：phosphatidylcholine（PC）：ERGCPM（高低）phosphatidylserine（PS）：PMGCER（高低）phospholipid translocator(磷脂转位因子）/flippase（转位酶）与膜脂 转位 磷脂的转运:transport by budding：ERGC、Ly、PM transport by phospholipid exchange proteins（PEP）：ERother organelles（including Mit and Chl）。,3、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,1 高尔基体的发现 发现于1855年，1898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。2 形态由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成，是有极性的细胞器并形成不同间隔。3 结构 4个部分组成4 各部膜囊标志细胞化学反应：5 高尔基体的化学组成,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层膜囊；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 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（trans Golgi network，TGN）周围大小不等的囊泡 顺面囊泡称ERGIC/VTC-ERGIC53/58蛋白（结合Mn）反面体积较大的分泌泡与分泌颗粒,高尔基体的4个组成部分,高尔基体顺面网状结构,rER（蛋白质和脂类）（蛋白质KDEL或HDEL）CGN；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；,高尔基体反面网状结构,TGN中的低pH值；标志酶胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）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）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,高尔基体与细胞的分泌活动 蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白酶的水解和其它加工过程,高尔基体与细胞的分泌活动,完成内质网合成蛋白质的分选与转运，细胞分泌活动的枢纽。rER合成PrER腔COPII小泡CGNmedial Gdgi加工TGN区形成运输泡与质膜融合、排出。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 例1 某些病毒蛋白的转运 流感病毒囊膜蛋白特异性地转运 上皮细胞游离端的质膜 水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞基底面的质膜 例2 溶酶体酶的分选：M6P反面膜囊M6P受体（除此之外，还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。）,蛋白质的糖基化及其修饰,蛋白质糖基化类型 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,糖基化的功能：1 为各种蛋白质打上不同标志，以利于高尔基体的分类和包装，同时保证糖蛋白从rER至GC膜囊单方向进行转移。2 影响多肽的构象。3 增强了糖蛋白的稳定性。4 多羟基糖侧链还可能影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。,蛋白质糖基化的特点及其生物学意义,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加工过程才能完成。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。,蛋白聚糖在高尔基体中组装 一个或多个糖胺聚糖结合到核心蛋白的Ser残基上,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。,进行膜的转化功能：ER合成膜脂转移至高尔基体，经过修饰和加工，形成运输泡与质膜融合。参与形成溶酶体。植物细胞壁的形成，合成纤维素和果胶质。,高尔基体其他功能,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,溶酶体,1 溶酶体的一般特性2 溶酶体的结构类型3 溶酶体的功能4 溶酶体的发生5 溶酶体与疾病,溶酶体（lysosome）是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状异质性细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。,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）,初级溶酶体（primary lysosome）次级溶酶体（secondary lysosome）初级溶酶体与次级溶酶体的比较 自噬溶酶体（autophagolysosome）异噬溶酶体（phagolysosome）残余小体（residual body），又称后溶酶体。残体(Residual body)：是次级溶酶体消化作用的最后阶段，由于酶的活力降低或消失，残留一些不被消化的物质，称为。,二、溶酶体的结构类型,按所处生理功能阶段分为：,三、溶酶体的功能,phagocytosis phagosomeendocytosis early endosome late endosomelysosome 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,其它重要的生理功能,作为细胞内的消化“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）矽肺病 某些病原体（麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细 胞摄入，进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖（抑制吞 噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境）,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 糖侧链的部分水解、膜蛋白等,溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（rER）,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,依赖于M6P 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，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perforin和granzyme）,分选途径多样化,过氧化物酶体,过氧化物酶体(peroxisome)又称微体(microbody)，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。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,动物细胞（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，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶：依赖于黄素（FAD）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。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CO2固定反应副产物的氧化，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。,过氧化物酶体的发生,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、分泌蛋白合成的模型-信号假说,信号假说(Signal hypothesis)GBlobel et al：Signal hypothesis,1975 信号肽：分泌蛋白N端的一段指导蛋白到内质网膜上合成的特殊序列，一般有1626个氨基酸组成，包括核心疏水区、C区、N区。信号肽（Signal peptide）与共转移（Cotranslocation）导肽（Leader peptide）与后转移（Post translocation）,信号假说,信号假说内容：分泌蛋白等到内质网上合成的蛋白在细胞基质中首先合成一段含信号肽的肽链；在信号肽的指导下，由基质中的SRP和内质网膜上的DP等因子协助将蛋白合成转移到内质网膜上继续进行；在蛋白合成结束前信号肽被切除。指导因子：蛋白质N-端的信号肽（signal peptide）参与的主要蛋白：信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白docking protein，DP）等,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。,信号肽与共转移,共转移 开始转移序列和终止转移序列 开始转移序列和终止转移序列的数目 决定多肽跨膜次数,导肽与后转移,基本的特征：蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细 胞器中，称后转移（post translocation）。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（protein sorting）与分选信号（sorting signals）,分选途径,分选途径（Road map）,两条分选途径：1.在细胞质基质中完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器（线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核）及细胞质基质的特定部位；2.蛋白质合成起始后转移至糙面内质网，新生肽边合成边转运RER腔内，随后经高尔基体转运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外，另外，内质网和高尔基体本身蛋白成分的分选也是此途径。根据蛋白的运输机制分为四种基本类型：1.跨膜运输（transmembrane transport）；2.膜泡运输（vesicular transport）；3.门控运输（gated transport）；4.细胞质基质中的蛋白运输,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，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。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,网格蛋白包被小泡 COPII包被小泡 COPI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的物质运输；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）返回 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(bulk flow)中 行使功能,负责 rER Golgi SV PM。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，涉及多种蛋白识别、组装-去组装的复杂调控,膜泡融合是特异性的选择性融合，从而指导细胞内膜流的方向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（如神经细胞质膜的syntaxin特异结合突触小泡膜上的VAMP vesicle-associated membrane protein)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，即使有的蛋白发生逃逸，也会保留或回收回来，所以有人将内质网比喻成“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。同样，内质网、溶酶体、分泌泡和细胞质膜及胞内体也都具有各自特异的成分，这是行使复杂的膜泡运输功能的物质基础，但是在膜泡中又必须保证各细胞器和细胞间隔本身成分特别是膜成分的相对恒定。,四、细胞结构体系的组装,生物大分子的组装方式：有些装配过程需ATP或GTP提供能量或其它成份的介入或对装配亚基的修饰 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装配的层次：生物大分子 反应复合物 膜系统及细胞骨架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）协助装配（aided-assembly）直接装配（direct-assembly）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）,Peroxisome,Nucleus,Nucleolus,Rough ER,Smooth ER,Golgi complex,Lysosome,Cytoskeletal fibers,Nuclear pore,Mitochondrion,Structure of animal cells,NuclearMembrane,内质网的基本类型：糙面内质网；光面内质网,ER约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统细胞不含纯粹的rER或sER，它们分别是ER连续结构的一部分,微粒体：内质网破碎形成的囊泡。在生化研究中等同看待。微体：过氧化物酶体,Blobel等（1975）提出信号假说，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白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 laboratory,Gnter Blobel,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，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,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,停止转移序列：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。,Insertion of Transmembrane protein into the ER membrane,在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.网格蛋白有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返回内质网。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,COPII包被小泡的装配Sar-GTP与内质网膜的结合起始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性蛋白,内质网驻留蛋白的回收图解,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,共转移：蛋白边合成边转移的内质网腔中的方式。,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与受体结合SRP脱离肽链进入内质网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。,胰腺细胞,精巢间质细胞,肝细胞,扁囊,小泡,小管,粗面内质网(Rough Endoplsmic Reticulum,RER)又称为颗粒内质网（Granular Endoplasmic Reticulum GER）,滑面内质网(Smooth Endoplsmic Reticulum,SER)又称为无颗粒内质网（Agranular Endoplasmic Reticulum AER）,(二)ER的类型：,把核糖体牢固地结合到ER膜上；,分化完善的细胞rER发达，而未成熟或未分化好的细胞，例如：干细胞、胚胎细胞则不发达。,参与形成Pr运输通道，帮助Pr通过ER膜进入到ER腔中。,形态上多为平行排列的扁囊构成，少数是小管和小泡；,核糖体以多聚体的形式附着在ER膜上；其主要功能是合成分泌性蛋白质和多种膜蛋白,在rER膜上特有两种核糖体受体蛋白(Ribophorin I和II)均为跨膜蛋白，其复合物形成11nm的颗粒。作用：,rER在分泌细胞中特别丰富，例如：胰腺细胞、浆细胞等,粗 面 内 质 网,1.,形态上多为分支的小管组成的网状结构；,膜表面无核糖体附着；其是脂质合成的重要场所,在一些细胞中SER非常丰富，例如：横纹肌细胞、肾上腺皮质细胞、睾丸间质细胞等,胰腺细胞,精巢间质细胞,膜脂：主要是磷脂，约占细胞干重的3040%；磷脂 酰胆碱（PC）含量较多，其次是磷脂酰乙醇氨（PE）,膜蛋白：约占细胞干重的6070%，主要是酶和结构 蛋白。其中葡萄糖-6磷酸酶是ER的标志酶。其次是 细胞色素P450，在ER膜上最为丰富，是一种跨膜蛋 白，在肝中具有解毒作用。,(三)ER的化学组成：,(1)主要合成蛋白质(2)对蛋白质进行糖基化的作用(3)对新生多肽链进行折叠和组装的作用,(四)ER的功能：,1.RER的功能：,合成蛋白质的种类主要有以下几种:,分泌蛋白:包括酶、抗体、肽类激素和细胞外 基质等；,膜蛋白：包括ER、GC、Ly的膜以及质膜等的 内在蛋白；,内膜系统腔内的一些可溶性蛋白质：包括ER、GC、Ly腔内的蛋白质等。,主 要 合 成 蛋 白 质,(1),信号肽假说(Signal hypothesis)：是1975年 G.Blober等人提出的。,RER合成蛋白质的机制,信号肽：是指在mRNA的N-端起始密码子(AUG)之后，存在 一段编码特殊氨基酸序列的密码子，称为信号密码(Signal codon)或称信号序列(Signal sequence)。由信号密码子翻译出 的一段肽链，称信号肽。,作用：引导核糖体与ER膜结合并启动多肽链向ER腔内转移。,各种蛋白质的信号肽结构相似，约1630个aa残基，内含612 个疏水性aa，易形成螺旋，有利于与磷脂双分子层相互作用。,信号肽在肽链成熟过程中常常被ER膜内侧面的信号肽酶剪切。,几个重要的结构和组分,信号识别颗粒(Signal Recognition Particle,SRP)：为一种细长形的RNA蛋白，由6条多肽链和一个小的7SL RNA(300bp)分子组成。含有信号肽识别和核糖体结合两个结构域。,识别信号肽区域,与核糖体A位点结合的区域,信号识别颗粒（SRP）模式图,7SL RNA,SRP受体(SRP receptor,SRPR)：为ER膜上的跨膜蛋白，含有、两个亚基。亚基含有SRP的结合部位，亚 基以疏水区锚定在ER膜上。,信号肽,SRP,SRP和SRPR都有结合GTP和GTP酶的活性，SRP与SRPR结合后，GTP水解释放的能量，启动新生肽链跨ER膜向ER腔内转移，同时SRP和SRPR分离，暂时终止的蛋白质合成又重新开始。,跨膜通道(Transmembrane channel)：又称为蛋白转移器或移位子(Translocon)，使新生的肽链通过ER膜进入到ER腔中。,Translocon(closed),Translocon(open),实验证明跨膜通道是由许多蛋白形成的复合体，呈五角形桶状体，高56nm，直径8.5nm，中间有一个直径为2nm的“通道”。,分泌蛋白、膜整合蛋白的合成与跨膜过程,分泌蛋白、ER腔中的驻留蛋白的合成与跨膜过程,膜整合蛋白的跨膜形成过程,膜整合蛋白是指存在于质膜和其它细胞器上的蛋白质。这些蛋白质是在RER上合成，然后经过GC的加工，运输到细胞特定部位。,膜整合蛋白具有方向性：其方向在RER上合成时就已经确定。相应的关系是，ER腔侧的结构域最终定位于质膜的胞外侧；而ER细胞质侧的结构域定位于质膜的细胞质侧。,膜整合蛋白的存在形式：一次跨膜蛋白、多次跨膜蛋白和GPI(糖基化的磷脂酰肌醇)连接的蛋白质。,一次跨膜蛋白,多次跨膜蛋白,通过GPI连接形成的跨膜蛋白,靠近停止转移肽的Pr结构域被内蛋白酶水解，则剪下来的Pr肽链转移到GPI上，形成跨膜蛋白。,一 次跨膜蛋白的形成过程,跨膜片段一般由2025个疏水性aa组成，形成-helix结构锚定在膜上。,大多数一次跨膜蛋白，N-端位于ER腔面，C-端位于细胞质面(Type I)；其它的跨膜蛋白，N-端位于细胞质面，C-端位于ER腔面(Type II)。,跨膜蛋白含有一个N-端的信号肽和一个内部的停止锚定序列(Stop-transfer anchor sequence)，或称为停止转移肽(Stop-transfer peptide)。,N-端的信号肽是开始转移信号，最终要被信号肽酶剪切；停止转移肽是停止转移信号，当它进入ER膜时，肽链停止转移，形成单一的跨膜-helix片段。,这类蛋白质N-端位于ER腔面，C-端位于细胞质面。,一 次跨膜蛋白的形成有两种情况,第 一 种,信号肽不在肽链的N-端，而在肽链的内部，称为内信号肽(Internal signal peptide)。内信号肽与N-端的信号肽一样，可被SRP识别，并携带核糖体到ER膜上，作为开始转移信 号，又称为内开始转移肽。,内信号肽不被剪切，而锚定在膜上，形成单一跨膜螺旋。,这类蛋白质有的N-端位于细胞质面，C-端位于ER腔面；有的 方向相反。,第 二 种,N-端与C-端的方向性一般取决于跨膜片段两侧所带 电荷残基的分布,若N-端带有正电荷，C-端带负电荷，则N-端位于细胞质侧，C-端位于ER腔侧；,若N-端带有负电荷，C-端带正点荷，则N-端位于ER腔侧，C-端位于细胞质侧。,一 般 规 律,多次跨膜蛋白的形成过程,是多肽链来回重复地跨过磷脂双分子层。形成多个跨膜的-helix结构，锚定在膜上。,含有多个内信号肽和停止转移肽：第一个为内信号肽，既起始肽链的转移又锚定在膜上；第二个为停止转移肽，只具有锚定在膜上的作用；第三个又为内信号肽；第四个为停止转移肽；以此类推，就形成了多次跨膜的-helix片段。,对蛋白质进行糖基化作用,(2),糖与蛋白质的连接有两种方式：,N-连接的糖蛋白：是蛋白质的Asn残基侧链的-NH2与寡 糖链共价相连。与Asn直接相连的糖都是N-乙酰葡萄糖胺。这种糖基化过程开始于ER腔，完成于GC。,O-连接的糖蛋白：是蛋白质的Ser和Thr残基（或羟赖氨 酸和羟脯氨酸）侧链的-OH与寡糖链共价相连。与之直 接相连的糖是N-乙酰半乳糖胺。其糖基化过程全部或 主要在GC内完成。,蛋白质的糖基化(Glycosylation)：是指寡糖链与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程。,寡糖的组成：2个N-乙酰氨基葡萄糖(N-Acetylglucosamine,GlcNAc)、9个甘露糖(Mannose,Man)、和3个葡萄糖(Glucose,Glc)组成。,2 GlcNAc,9 Man,Protein,3 Glc,ER腔中N-连接的糖蛋白的形成,N-连接的寡糖必需在ER膜上多萜醇(Dolichol)介导下才能转移到蛋白质上。,在ER腔中新合成的糖蛋白都具有相同的寡糖链2GlcNAc+8Man,转移后，寡糖中的3个Glc和一个甘露糖分子很快被切去。,ER glucosidases I&II,ER mannosidase,以连续不断的方式进行分泌活动；,rER合成蛋白质经GC加工后，形成的分泌泡以连续不断的方式与质膜相互融合，结果囊泡膜的蛋白质和脂类成为质膜的新成分，囊泡内的可溶性蛋白质则分泌到细胞外。把这种分泌途径称为。,不需要外界信号的刺激；,结构性分泌途径,特点：,举例：,白蛋白、转铁蛋白、脂蛋白、一些细胞外基质蛋白等,存在于所有的细胞中。,对新生的肽链进行折叠和组装的作用,(3),蛋白二硫异构酶(Protein Disulfide Isomerase,PDI)：它能切断不正确的二硫键，帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并处于正确的折叠状态。,分子伴侣(Chaperones)：因它能与IgG重链作用，故又称 为重链结合蛋白(Binding proein,BiP)。,BiP能识别不正确折叠的蛋白质或未装配好的蛋白质，并 促进它们重新折叠和装配。,一旦蛋白质形成正确构象或装配完成，便与BiP分离，进 入GC进一步加工。,结构性分泌途径(Constitutive secretory pathway),调节性分泌途径(Regulated secretory pathway),rER合成蛋白质的运输：有两条运输途径,调节性分泌途径,一些可溶性蛋白质和其它物质经GC加工、修饰后，先贮存 在分泌囊泡中，等待获得分泌信号后释放，把这种途径称为。,分泌信号常常是一个化学信使，例如激素，神经递质等。,需要外界信号的刺激,只存在于特化的细胞中，例如分泌激素、神经递质、消化酶的细胞中。,特点：,举例：,肽类激素(胰岛素)、消化酶(胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶)等。,2.sER的功能,(1)膜磷脂的合成(2)类固醇的合成（甾类激素）(3)参与糖原的代谢过程(4)参与解毒作用(5)参与横纹肌的收缩(6)参与脂肪的合成和运输(7)胆汁的生成,膜 磷 脂 的 合 成,包括磷脂和胆固醇几乎所有的膜脂。其中最重要的是磷脂酰胆碱(PC)。,以PC为例说明磷脂的合成过程：,合成原料：2脂肪酸+1甘油+1胆碱,催化反应的酶：酰基转移酶、磷酸酶、胆碱磷酸转移酶,在酰基转移酶作用下，将脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷 脂酸使膜的面积增加。,在磷酸酶的作用下，脱去磷酸基团，形成二脂酰甘油。,在胆碱磷酸转移酶的作用下，二脂酰甘油与CDP-胆碱 反应生成PC。,2CoA,酰基转移酶,脂酰CoA,OH,磷酸酶,胆碱磷酸 转移酶,胆碱,CDP-胆碱,胆碱,磷脂酸,二酰基甘油,卵磷脂,细胞质基质,ER腔面,卵磷脂在ER膜上合成的过程,以出芽的方式运输到GC、Ly和细胞质膜上等；,磷脂由sER向其它生物膜转运的方式,借助于一种水溶性载体蛋白磷脂交换蛋白(Phosphlipid exchange proteins,PEP)，在膜之间转 运磷脂。,sER膜上含有合成胆固醇全套酶系和使胆固醇转化为类固醇激素的酶系。,例如：肾上腺素、雌激素、雄激素等,类 固 醇 的合 成（甾类激素