真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输.ppt

<p>*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输,真核细胞在进化上一个显著特点就是出现了细胞内的区隔（,intracellular compartment,），细胞质被分隔成不同的由膜包裹的区室，即,被膜细胞器,（,Membrane Bound Organelles,）。,蛋白质的分选大体可分为两条途径：,粗面内质网呈扁平囊状，排列整齐,细胞色素P-450家族酶系能使聚集在光面内质网上的不溶于水的废物或代谢产物羟基化而完全溶于水转运出细胞进入尿液中。,将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上。,残体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。,降解变性和错误折叠的蛋白质,溶酶体几乎存在于所有动物细胞中，植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器圆球体及液泡。,这就是1975年，美国纽约洛克菲勒大学的Gunter Blobel等提出的信号肽假说（G.,Translocation of soluble proteins across ER,光面内质网呈分支管状或小泡状,包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。,糖原分解与游离葡萄糖释放,如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等,一是在细胞质基质中完成多肽的合成，然后转运至膜围绕的细胞器；,如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。,O-连接的糖基化在高尔基体中进行，糖的供体为核苷糖（半乳糖或N-乙酰半乳糖胺）。,内质网合成构成细胞所需的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。,内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体,和,分泌泡,等虽然具有各自独立的结构和功能，但它们之间又紧密相关，每个细胞器都作为相互协调的功能单位的一部分而发挥作用。因而被总称为,细胞内膜系统,（,endomembrane system,）。,(see next),Endosymbiosis,Evolution of Nuclear Membrane and ER,从系统发生来看,内膜系统,起源于质膜的内陷和内共生。,从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。,真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，称,细胞质基质,（,cytoplasmic matrix or cytomatrix,）。,本章内容,第一节 细胞质基质的涵义与功能,第二节 细胞内膜系统及其功能,第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,第一节 细胞质基质的涵义与功能,也被称为：细胞液,(cell sap),，透明质,(hyaloplasm),，,胞质溶胶,(cytosol),成分：主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨架。,水和无机离子（,K,、,Na,、,Mg,、,Ca,、,Cl),脂、糖、氨基酸、核苷酸及其衍生物,蛋白质、脂蛋白、多糖、,RNA,糖原等一些处于贮存状态的重要化合物,细胞质基质的功能,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,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,降解变性和错误折叠的蛋白质,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,第二节,细胞内膜系统及其功能,内质网,高尔基体,溶酶体,一、内质网,K.R.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,内质网,（,endoplasmic reticulum,，,ER,）。,分类,组成,功能,根据是否附有核糖体：,粗面内质网（糙面内质网,，,routh endoplasmic reticulum,rER,),有核糖体附着,光面内质网（滑面内质网,，,smooth endoplasmic reticulum,sER,),无核糖体附着,光面内质网往往作为出芽的位点,将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。,1,、分类,2,、结构和组成,形态结构,ER,由封闭的膜系统及其形成的腔构成,相互沟通,的网状结构。它从核膜延伸至细胞质中，靠近细胞质内侧。,（,next,）,ER,是真核细胞中,最大,的细胞器,ER,的膜占细胞膜系统的,一半,所包围的体积占细胞总体积的,10%,超薄和扫描电镜观察的内质网,上部介透射电镜照片,下部是扫描电镜照片,粗面内质网呈扁平囊状，排列整齐,光面内质网呈分支管状或小泡状,特征：,大大增加了细胞内膜的表面积，为多种酶体系提供了大面积的结合位点。,完整的封闭体系将其上合成的物质与细胞基质中合成的物质分隔开，利于它们的加工和运输。,组成：内质网是膜囊结构，所以构成内质网的主要化学成份是蛋白质和脂。,葡萄糖,-6-,磷酸酶,，普遍存在于内质网，被认为是,标志酶,微粒体,(microsome),：内质网的一种特化类型,在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。,在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。,3,、内质网的功能,（,1,）,蛋白质的合成,分泌性蛋白质；,膜整合蛋白；,细胞器中的可溶性驻留蛋白。,（,2,）,脂质的合成,（,3,）,蛋白质的修饰与加工,（,4,）,新生多肽的折叠与装配,（,5,）内质网的解毒功能,（,6,）内质网具有储存,Ca,2+,的功能,脂质的合成,内质网合成构成细胞所需的包括磷脂和胆固醇在内的,几乎全部的膜脂,，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。,合成磷脂所需要的,3,种酶（如酰基转移酶，磷酸酶，胆碱磷酸转移酶）都,定位在内质网膜,上，其活性部位在膜的,细胞质基质一侧,。,The synthesis of phosphatidylcholine.This phospholipid is synthesized from fatty acyl-coenzyme A(fatty acyl CoA),glycerol 3-phosphate,and cytidine-bisphosphocholine(CDP-choline),转位,：在内质网上合成的磷脂几分钟之后就由胞质溶胶面转向膜的另一面，即内质网腔面,磷脂的转位是由内质网膜中磷脂转位蛋白(phospholipid translocator)或称翻转酶（,flippase,）,帮助的。,转运,:,内质网中的磷脂向其它膜的转运有两种方式：,出芽(budding)：ERGC、Ly、PM,磷脂转换蛋白(phospholipid exchange proteins,PEP）：磷脂分子+PEP细胞质基质靶膜（线粒体、过氧化物酶体的膜）,(see next),糖原分解与,游离葡萄糖释放,在,肝细胞,中,糖原裂解释放葡萄糖,-1-,磷酸,然后再转变成葡萄糖,-6-,磷酸,由于磷酸化的葡萄糖不能通过细胞质膜,光面内质网上的,葡萄糖,-6-,磷酸酶,将葡萄糖,-6-,磷酸水解为葡萄糖和磷酸后,葡萄糖就可穿过细胞质膜进入血液,解毒作用,(detoxification),肝细胞,中的光面内质网很丰富，其中含有一些酶，用以清除脂溶性废物和代谢产生的有害物质。如,细胞色素,P-450,家族酶系能使聚集在光面内质网上的不溶于水的废物或代谢产物羟基化而完全溶于水转运出细胞进入尿液中。,贮,Ca,2+,功能：,肌质网,(sarcoplasmic reticullum),是,肌细胞,内特化的光面内质网,是贮存,Ca,2+,的细胞器。,Translocation of soluble proteins across ER,蛋白质的合成,向细胞外分泌的蛋白质,膜的整合蛋白质,细胞器中可溶性驻留蛋白质（,soluble proteins that reside within compartments of the endomembrane system,）,蛋白质的修饰与加工,包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。,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。,在进化上，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,。,内质网上进行,N-,连接的糖基化,。,N-linked glycosylation,：与天冬酰胺残基的,NH,2,连接，糖为,N-,乙酰葡糖胺。,Protein glycosylation in RER,新生多肽的折叠与装配,二硫键异构酶,（,protein disulfide isomerase，PDI：ER,驻留蛋白,）催化新合成的蛋白形成和改组二硫键，形成正确的折叠状态。,分子伴侣BiP,（,Binding protein）,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。,不能正确折叠的畸形肽链或未装配成寡聚体的蛋白质亚单位，不能进入高尔基体。这些多肽一旦被识别，便从内质网腔转至细胞质基质（通过Sec61p复合体），被蛋白酶体（proteasomesprotein-degrading machine）所降解。（,see next,）,二、高尔基体,高尔基体（,Golgi body,），也称高尔基器,(Golgi apparatus),或高尔基复合体,(Golgi complex),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。,1909,年诺贝尔奖。,Golgi Apparatus in a plant parenchyma cell from,Sauromatum guttatum,(TEM x145,700).,组成：,高尔基体膜含有大约,60%,的蛋白,和,40%,的脂类,。,从蛋白质含量看,高尔基复合体高于内质网和质膜（分别为,20%,和,40%,）。从总磷脂看,高尔基体介于内质网和质膜之间。,标志酶为,糖基转移酶,。,还有磺基,-,糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等不同的类型。,1,、形态和组成,功能区隔：,CGN,Medial Golgi,TGN,CGN,最内侧称高尔基体顺面网络结构（,cis Golgi network,，,CGN,），呈相互连接的管网结构（,interconnected network of tubules,）,是高尔基体的入口区域。,Diagram of Golgi body.Vesicles arrive at the cis face and leave from trans face.The internal compartment of each membrane sac is called a“cisterna”(pl.cisternae).,Golgi Stack,：,高尔基体的主体由一系列大的、扁平膜囊和管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的。可分为,顺面膜囊,（,cis,cisternae,）、,中间膜囊,（,medial,cisternae,）和,反面膜囊,（,trans,cisternae,）。多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在此。,还有磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等不同的类型。,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。,分泌性蛋白在内质网上的合成过程如下：,（3）残体（residual body）,这种序列称为导肽或前导肽，其基本特征是蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，因此称后转移。,根据完成其生理功能的不同阶段可分为:,降解变性和错误折叠的蛋白质,2、过氧化物酶体的功能,N-连接,特 征,内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等虽然具有各自独立的结构和功能，但它们之间又紧密相关，每个细胞器都作为相互协调的功能单位的一部分而发挥作用。,（3）选择性门控转运（通过核孔复合体的转运）,TGN,：,反面最外侧称高尔基体,反面网络结构,（,trans,Golgi network,，,TGN,），呈管网状，并有囊泡与之相连。是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。,2,、高尔基体的功能,蛋白质运输和分选（,sorting,）,蛋白质修饰,水解,糖基化,硫酸化：蛋白聚糖,膜循环：内质网上合成的脂质一部分转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成运输泡，向细胞膜和溶酶体膜等部位运输。,高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行,加工、分类与包装,，然后分门别类地,运送,到细胞特定的部位或分泌到细胞外。,(,见第三节,),糖基化,O-,连接的糖基化在高尔基体中进行,，糖的供体为核苷糖（半乳糖或,N-,乙酰半乳糖胺）。将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上。,N-,连接的寡聚糖进一步加工,内质网上：磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天冬酰胺（,Asn,）上；,高尔基体：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白。,蛋白质糖基化类型,特 征,N-,连接,O-,连接,1.,合成部位,粗面内质网,高尔基体,2.,合成方式,来自同一个寡糖前体,一个个单糖加上去,3.,与之结合的,氨基酸残基,天冬酰胺,丝氨酸、苏氨酸、,羟赖氨酸、羟脯氨酸,4,最终长度,至少,5,个,糖残基,一般,1,4,个糖残基，,但,ABO,血型抗原较长,5.,第一个糖残基,N,乙酰葡萄糖胺,N,乙酰半乳糖胺等,蛋白质在高尔基体中酶解加工,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。,三、溶酶体与过氧化物酶体,（一）溶酶体及其,类型,1955,年,de Duve,与,Novikoff,首次发现溶酶体,(,lysosome,),。它是,单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。,溶酶体几乎存在于所有动物细胞中，植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器,圆球体及液泡,。,溶酶体膜,虽然与质膜厚度相近，但成分不同，主要区别是：,膜,有质子泵,，将,H,+,泵入溶酶体，使其,pH,值降低。,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降解。,溶酶体是一种异质性的细胞器，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同，标志酶为酸性磷酸酶。根据完成其生理功能的,不同阶段,可分为,:,（,1,）,初级溶酶体,(primary lysosome),（,2,）次级溶酶体,(secondary lysosome),（,3,）残余小体,(residual body),内含物,均一,，无明显颗粒，由高尔基体分泌形成，含有多种水解酶，已知,60,余种，,均属于酸性水解酶,，反应的最适,PH,值为,（,）,左右。,（,1,）初级溶酶体（,primary lysosome,）,Secondary lysosome,是正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为：,自噬溶酶体,（autophagolysosome）和,异噬溶酶体,(phagolysosome)。,（2）次级溶酶体（secondary lysosome）,肝细胞脂褐质,又称后溶酶体（,post-lysosome,）,已失去酶活性,，仅留未消化的,残渣,，故名。,残体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,。,（3）残体（residual body）,（二）溶酶体的,功能,1,、,清除,无用的生物大分子、衰老细胞器、衰老损,伤和死亡的细胞、,个体发育中多余的细胞,；,2,、,防御,作用,(,如巨噬细胞杀死病原体,),；,3,、通过细胞内消化为细胞,提供营养,（,如高等动物,内吞低密度脂蛋白获得胆固醇，单细胞真核生,物利用溶酶体消化食物。,4,、参与,分泌过程,的调节（,如将甲状腺球蛋白降解,成有活性的甲状腺素）,；,5,、在,受精过程,中的作用。,动物细胞溶酶体系统示意图,（三）溶酶体的发生,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,N-,乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶,磷酸葡萄糖苷酶,M6P,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,溶酶体的发生,（四）溶酶体与,疾病,1,、矽肺,2,、肺结核,3,、类风湿性关节炎,4,、各类贮积症,（五）过氧化物酶体,过氧化物酶体,(,peroxisom),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。,1、过氧化物酶体与溶酶体的区别,2、过氧化物酶体的功能,3、过氧化物酶体的发生,第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,蛋白质分选（,Protein sorting,）,:,绝大多数蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，随后，或在细胞质基质中或运至糙面内质网上继续合成。然后，通过不同的途径转运到细胞的特定部位，也只有转运到正确的部位并装配成结构与功能复合体，才能参与细胞的生命活动。这一过程称,蛋白质的定向转运或分选,。,一、信号假说与与分泌性蛋白质的合成,（一）信号假说,为什么有些蛋白质在细胞质基质中合成，而有些在糙面内质网上合成呢？,Blobel,推,测,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膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。这就是1975年，美国纽约洛克菲勒大学的Gunter Blobel等提出的,信号肽假说,（G.Blobel因此而获得1999年诺贝尔生理学/医学奖）。,现已确认，指导分泌性蛋白在糙面内质网上合成的决定因素除了蛋白质,N,端的信号肽（,signal sequence,或,signal peptide,）,外，还有,信号识别颗粒（,signal recognition particle,SRP,）,以及位于内质网膜上的,信号识别颗粒受体（又称停泊蛋白,docking protein,DP,）,和,易位子,等组分。,分泌性蛋白在内质网上的合成过程如下：,蛋白质首先在细胞质基质游离核糖体上起始合成，当多肽链延伸至,80,个氨基酸左右后，,N,端的信号肽与信号识别颗粒结合,使肽链延伸暂时停止，并防止新生肽,N,端损伤和成熟前折叠，直至信号识别颗粒与内质网膜上的,停泊蛋白,结合，核糖体与内质网膜上的,易位子,结合。,核糖体结合到内质网膜上后，信号识别颗粒脱离信号序列和核糖体，,返回细胞质基质中重复使用,，肽链又开始延伸。,信号肽与易位子结合并使孔道打开，信号肽穿入内质网膜并引导肽链以袢环形式进入内质网腔中，与此同时，,腔面上的信号肽酶切除信号肽,。肽链继续延伸直至完成整个多肽链的合成。,（二）信号肽与共转移,信号肽（,signal peptide),：信号肽位于蛋白质的,N,端，一般有,16,26,个氨基酸残基，分三个区：,N,端为亲水区含碱性氨基酸,带正电荷。中间疏水区含中性或疏水性氨基酸。,C,端是信号肽酶切割信号肽的部位。,以上这种肽链边合成边转移至内质网腔中的方式称共转移，信号肽可以看作为开始转移序列。,（三）信号肽与后转移,线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质,也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中。这种序列称为导肽或前导肽，其基本特征是,蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，因此称后转移。,二、蛋白质分选的基本途径与类型,蛋白质的分选大体可分为两条途径：,一是在细胞质基质中完成多肽的合成，然后转运至膜围绕的细胞器；,另一条蛋白质合成起始后转移至糙面内质网，新生肽边合成边转入糙面内质网腔中，随后经高尔基体运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外。,细胞质基质,线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核,粗面内质网,溶酶体、细胞膜、分泌到细胞外、留在高尔基体和内质网中,高尔基体,根据分选的类型或机制，可将蛋白质转运分为四种基本类型：,（,1,）蛋白质的跨膜转运,（,2,）膜泡运输,（,3,）选择性门控转运（通过核孔复合体的转运）,（,4,）细胞质基质中的蛋白质转运（与细胞质骨架系统有关的转运）,三、膜泡运输,糙面内质网上合成的各种蛋白质通过不同的转运泡运至高尔基体以不同的方式进一步加工、修饰和装配后被分选、包装,以膜泡的形式,运往细胞的特定部位，发挥其特殊功能。这就是膜泡运输。,膜泡运输是蛋白质运输的一种特有方式，普遍存在于真核细胞中。,完成细胞内的膜泡运输至少需要,10,种以上的运输小泡。目前发现,三种不同类型的有被小泡,具有不同的物质运输作用。,谢谢观看,谢谢观看,</p>