第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、(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
6、(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-li
7、nked 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)
8、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)phosphatid
9、ylserine(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
10、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 fa
11、ce),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-E
12、RGIC53/58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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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(acro
19、some)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
20、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
21、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,
22、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
23、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)
24、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
25、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 ma
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- 第七 真核细胞 内膜 系统 蛋白质 分选 运输
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