第七章真核細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)、蛋白質(zhì)分選與膜泡運(yùn)輸

1、第七章 真核細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)、蛋白質(zhì)分選與膜泡運(yùn)輸,第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)及其功能第二節(jié) 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì),細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)(cytoplasmic matrix or cytomatrix)，是指在真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，除去可分辯的細(xì)胞器以外的膠狀物質(zhì)，其體積約占細(xì)胞一半，含有與中間代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類，與維持細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)的細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)，又稱胞質(zhì)溶膠(cytosol)。,

2、一、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的涵義,胞質(zhì)溶膠(cytosol)，用差速離心的方法分離細(xì)胞勻漿物中的各種細(xì)胞組分，最終得到的富含蛋白質(zhì)的成分。,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)不是簡單的酶溶液，其中的蛋白質(zhì)分子和顆粒性物質(zhì)的擴(kuò)散速率僅為水溶液中的1/5，說明它們并不是以溶解狀態(tài)存在的，mRNA在細(xì)胞中呈區(qū)域性分布，而更大的結(jié)構(gòu)如分泌泡和細(xì)胞器等則固定在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的某些部位上，或沿細(xì)胞骨架定向運(yùn)動(dòng)。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是高度有組織的體系，其中細(xì)胞質(zhì)骨架纖維貫穿在粘稠的蛋白質(zhì)膠體中，多

3、數(shù)蛋白質(zhì)直接或間接地與骨架結(jié)合，或與生物膜結(jié)合，一些功能相關(guān)的酶彼此可能一弱鍵結(jié)合形成多酶復(fù)合體，從而更好的完成特定的生物學(xué)功能。,二、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能,（1）是許多中間代謝過程完成的場所,蛋白質(zhì)的合成及其在細(xì)胞質(zhì)中的分選與轉(zhuǎn)運(yùn)脂肪酸的合成和糖原的合成等糖酵解及其他生物大分子的降解等代謝活動(dòng)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的很多步驟,（2）與細(xì)胞骨架和膜相結(jié)構(gòu)相關(guān)的功能：維持細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸及能量傳遞,（3）蛋白質(zhì)的修飾,（4）控制

4、蛋白質(zhì)的壽命,輔酶或輔基與酶的共價(jià)結(jié)合；磷酸化與去磷酸化，調(diào)節(jié)蛋白的活性；糖基化(N－乙酰葡萄糖胺連接到Ser殘基的羥基上)；甲基化，維持蛋白的壽命；?；?決定蛋白質(zhì)壽命的信號(hào)存在于其N端，若N端的第一個(gè)氨基酸殘基是Met, Ser, Thr, Ala, Val, Cys, Gly或Pro,則該蛋白穩(wěn)定；若是其它12種氨基酸，則不穩(wěn)定。,識(shí)別短命蛋白質(zhì)并將其降解的途徑是：泛素依賴的降解途徑(ubiquitin-depend

5、ent pathway) 。,泛素(ubiquitin)是含有76個(gè)氨基酸殘基的堿性蛋白質(zhì)，廣泛存在于真核細(xì)胞，在進(jìn)化中高度保守，酵母與哺乳動(dòng)物只差3個(gè)氨基酸。,Aaron Ciechanover,Avram Hershko,Irwin Rose,Israe,Israe,US,“for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation”　The Nobel Prize in

6、Chemistry 2004,泛素C末端Gly的羧基能與蛋白質(zhì)Lys殘基的ε氨基形成肽鍵，使泛素與蛋白質(zhì)末端共價(jià)結(jié)合，然后由一種26S的蛋白酶復(fù)合體(proteosome)將蛋白質(zhì)水解。,（5）降解變性和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì) 其降解涉及依賴泛素的蛋白降解途徑,（6）幫助變性或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)重新折疊，　　 形成正確的分子構(gòu)象 這一功能主要涉及熱休克蛋白(Hsp)等分子伴侶,內(nèi)膜系統(tǒng)是指在結(jié)構(gòu)、功能乃至發(fā)生上相互關(guān)聯(lián)、由單層

7、膜包圍形成的囊狀、管狀和泡狀的細(xì)胞器和結(jié)構(gòu)。包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，高爾基體，溶酶體和微體等。,第二節(jié) 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembrane system ）,一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (endoplasmic eticulum, ER),發(fā)現(xiàn)于1945年(Porter)，證實(shí)于1954年(Palade & Porter)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)由封閉的膜系統(tǒng)及其圍成的腔形成互相溝通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，占膜系統(tǒng)的一半，其體積占細(xì)胞體積的10%。,微粒體（microsom

8、e）細(xì)胞勻漿和超速離心過程中形成的近似球形的囊泡結(jié)構(gòu)，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜與核糖體組成。,（一）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本類型,糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(rough enndoplasmic reticulum，rER),光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(smooth endoplasmic reticulum，sER)。,糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是蛋白質(zhì)合成和運(yùn)輸?shù)闹匾獔鏊饷鎯?nèi)質(zhì)網(wǎng)是脂質(zhì)合成的重要場所 3.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是蛋白質(zhì)的修飾、加工的場所4.是新生多肽的折疊與裝配場所5. 其它功能,（二）

9、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能,向細(xì)胞外分泌的蛋白膜整合蛋白 構(gòu)成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等細(xì)胞器中的可溶性駐留蛋白,1. 蛋白質(zhì)的合成,2. 脂質(zhì)的合成,2脂酰輔酶A+3-磷酸甘油,?；D(zhuǎn)移酶,磷脂酸,磷酸酶,二?；视?膽堿磷酸轉(zhuǎn)移酶,磷脂酰膽堿,,,CoA,,,Pi,,,CMP,CDP膽堿,合成的磷脂在磷脂轉(zhuǎn)位酶的作用下由細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)轉(zhuǎn)向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面(翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))；以出芽的方式轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體、溶酶體和細(xì)胞膜上；或由磷脂轉(zhuǎn)換蛋白在膜之間轉(zhuǎn)移磷脂。,Synth

10、esis of membrane lipids,Most membrane lipids are synthesized enterly within the ER. There are two exceptions:sphingomyelin and glycolipids, (begins in ER; completed in Golgi); (2) some of the unique lipids of the Mit

11、 and Chl membranes (themself).The membranes of different 0rganelles have markedly different lipids composition.Transport by budding：ER→GC、Ly、PMTransport by phospholipid exchange proteins(PEP)：ER→other organelles（inclu

12、ding Mit and Chl）,The role of phospholipid translocators in lipid bilayer synthesis,The precursor of 14 residues is the same in plants, animals, and single-celled eukaryotes,then remove 3 glucoses and 1 mannose in the E

13、R,3. 蛋白質(zhì)的修飾與加工　　　　糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵的形成,Asn-X-Ser/Thr,N-連接的糖基化 Asn N-乙酰葡萄糖胺O-連接的糖基化 Ser/Thr N-乙酰半乳糖胺,磷酸多萜醇,糖基轉(zhuǎn)移酶,酰 基 化,軟脂酸共價(jià)結(jié)合在跨膜蛋白的Cys殘基上,PDI的作用,Protein disulfide isomerase(PDI)（二硫鍵異構(gòu)酶）,4. 新生多肽的折疊與裝配,BA

14、P regulates the ATPase cycle of BiP for proper protein folding.In healthy cells, ERdj recruits ATP-bound BiP to unfolded proteins and stimulates BiP's ATPase activity to hydrolyze ATP to ADP, thereby locking the ADP

15、-bound form of BiP onto the unfolded substrates. The nucleotide-exchange factor BAP catalyzes the release of ADP from BiP, which becomes free to rebind ATP. Once ATP-bound, BiP is released from the substrate, allowing th

16、e folding process to proceed to completion. In cells lacking BAP, the cycle is disrupted, and many ADP-bound BiP molecules will fail to be released and recycled, leaving many unfolded proteins unattended.,5. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其它作用,解毒

17、，細(xì)胞色素P450酶系(sER)。參與甾體類激素的合成(sER)。儲(chǔ)存鈣離子，作為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)物質(zhì)，如肌質(zhì)網(wǎng)。提供酶附著的位點(diǎn)和機(jī)械支撐作用。糖原分解。,糖原分解釋放游離的葡萄糖,,蛋白激酶A,附在sER上的糖原,葡萄糖-1-磷酸,,激素,cAMP,,,,葡萄糖-1-磷酸酶,,,葡萄糖和磷酸,葡萄糖磷酸變位酶,葡萄糖-6-磷酸,,sER上的葡萄糖-6-磷酸酶,,? 葡萄糖-6-磷酸酶是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的標(biāo)志酶,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與基因表達(dá)的調(diào)控人們

18、發(fā)現(xiàn)至少有3種不同的從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到細(xì)胞核的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑：1. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊蛋白的超量積累。2. 折疊好的膜蛋白的超量積累。3. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上膜脂成分的變化。,ATF6DC translocates to the nucleus to activate ER-stress inducible target genes that code for proteins involved in protein folding.,XBP1(S)

19、binds to the promoters of several genes involved in retrograde transport of misfolded proteins from the ER to the cytosol and in ER-induced protein degradation.,PERK-dependent phosphorylation of eIF2 on Ser 51 leads to

20、attenuation of protein translation and thereby reduces the workload of the ER.,Under normal conditions, BiP serves as a negative regulator of IRE1, PERK and ATF6 activation.,二、 高爾基體的結(jié)構(gòu)與功能,高爾基復(fù)合體(Golgi complex)，又稱高爾基體(Gol

21、gi body)，高爾基器(Golgi apparatus)。,1898年意大利醫(yī)生Camillo Golgi用鍍銀法首次在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)。,20世紀(jì)50年代證實(shí)。,（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性,由一些排列較為整齊的扁平囊(saccules)堆疊一起而成。靠近核的一面，扁囊彎曲成凸面，又稱形成面(forming face)或順面(cis face)；面向細(xì)胞膜的一面常呈凹面(concave)又稱成熟面(mature face)或反面(

22、trans face)。,四種標(biāo)志細(xì)胞化學(xué)反應(yīng),高爾基體是一種有極性的細(xì)胞器，這不僅表現(xiàn)在它在細(xì)胞中有比較恒定的位置與方向，而且物質(zhì)從高爾基體的一側(cè)進(jìn)入，從另一側(cè)輸出，因此每層膜囊各不相同。人們常用電鏡細(xì)胞化學(xué)法對(duì)高爾基體的極性進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定。Cis面囊膜的嗜鋨反應(yīng)；Trans面1-2層囊膜的焦磷酸硫胺素(TPP)酶反應(yīng)；靠近Trans面囊膜的胞嘧啶單核苷酸(CMP)酶反應(yīng)；中間幾層囊膜的煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADP)酶的

23、標(biāo)志反應(yīng)。,甘露糖苷酶,核苷二磷酸酶,高爾基體的分區(qū),1.高爾基體順面膜囊或順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cis Golgi network,CGN)，,5.高爾基體反面囊膜及反面高爾基體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(trans Golgi network,TGN),3.高爾基體中間囊膜,4.高爾基體反面囊膜,2.高爾基體順面囊膜,（二）高爾基體的功能,1、參與細(xì)胞分泌活動(dòng),RER上合成蛋白質(zhì)→進(jìn)入ER腔→COPII運(yùn)輸泡→進(jìn)入CGN→在medial Golgi中加

24、工→在TGN形成運(yùn)輸泡→運(yùn)輸與質(zhì)膜融合、排出。,高爾基體怎樣完成對(duì)蛋白質(zhì)的分類和轉(zhuǎn)運(yùn)功能1. 甘露糖-6-磷酸（M-6-P）是溶酶體酶的重要標(biāo)志2. 存在于編碼蛋白質(zhì)基因本身的分選信號(hào)，如流感病毒和水泡性口炎病毒包膜蛋白的分選，前者總是特異的轉(zhuǎn)運(yùn)到上皮細(xì)胞游離端的細(xì)胞膜上，后者則轉(zhuǎn)運(yùn)到基底面的細(xì)胞膜上。這是由于水泡性口炎病毒包膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)有雙酸分選信號(hào)（Asp-X-Gln，DXE）的存在。3. 但是，高爾基體對(duì)其他多種蛋

25、白的分選以及對(duì)各種蛋白質(zhì)所攜帶信號(hào)的識(shí)別機(jī)制還不很清楚。,Golgi complex also plays a key role in the assembly of the carbohydrate component of glycoproteins and glycolipids.,2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾,內(nèi)質(zhì)網(wǎng),高爾基體cis,高爾基體中間囊膜,trans,將蛋白質(zhì)N端或C端切除，成為有活性的物質(zhì),3、蛋白酶的水解和其他加

26、工過程,或?qū)⒑卸鄠€(gè)相同氨基序列的前體水解為有活性的多肽，如神經(jīng)肽。,硫酸化（Phosphorylation）,作為對(duì)分子的穩(wěn)定修飾，這種修飾主要發(fā)生在上蛋白聚糖上。3’－磷酸腺苷－5’－磷酸硫酸從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中轉(zhuǎn)入高爾基體膜囊內(nèi)，在酶的催化下，將硫酸根轉(zhuǎn)移到肽鏈中的酪氨酸殘基的羥基上。,蛋白聚糖的組裝　核心蛋白的糖基化,由一個(gè)或多個(gè)糖胺聚糖結(jié)合到蛋白聚糖的核心蛋白的絲氨酸殘基上，所不同的是直接與絲氨酸羥基結(jié)合的不是N-乙酰半乳糖胺

27、而是木糖。,三、溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能,溶酶體是含有（高濃度）能降解核酸、蛋白和多糖大分子的種種酸性水解酶的單層膜包裹的球形小泡，直徑約0.2µm－0.5µm,（一）溶酶體的結(jié)構(gòu)類型,存在于所有動(dòng)物細(xì)胞中，植物中與其對(duì)應(yīng)的細(xì)胞器為液泡和圓球體。屬異質(zhì)性(heterogenous)細(xì)胞器。,初級(jí)溶酶體(primary lysosome)、次級(jí)溶酶體(secondary lysosome)和殘余體(residual

28、body)。,初級(jí)溶酶體呈球形，不含有明顯的顆粒物質(zhì)，內(nèi)有多種水解酶，pH值為5左右。,次級(jí)溶酶體是初級(jí)溶酶體與細(xì)胞內(nèi)的自噬泡或異噬泡（胞飲泡或吞噬泡）融合形成的復(fù)合物，分別稱自噬溶酶體(autophago-lysosome)和異噬溶酶體(phagolysosome)。內(nèi)含多種生物大分子、顆粒性物質(zhì)、線粒體等細(xì)胞器和細(xì)胞等。,自噬溶酶體(autophagolysosome)和異噬溶酶體(phagolysosome),殘余體（resi

29、dual body）又稱后溶酶體（post-lysosome）已失去酶活性，僅留未消化的殘?jiān)?，故名。殘?bào)w可通過外排作用排出細(xì)胞，也可能留在細(xì)胞內(nèi)逐年增多，如表皮細(xì)胞的老年斑，肝細(xì)胞的脂褐質(zhì)。,溶酶體膜的特點(diǎn),膜的成分與其它生物膜也有所不同：嵌有質(zhì)子泵，維持其酸性環(huán)境；具有多種載體蛋白用于水解的產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運(yùn)；膜蛋白高度糖基化。,溶酶體的主要酶類,（二） 溶酶體的功能,1. 細(xì)胞內(nèi)消化：如高等動(dòng)物內(nèi)吞低密脂蛋白獲得膽固醇，單細(xì)胞真核

30、生物利用溶酶體的消化食物。,自體吞噬：清除無用的生物大分子，衰老細(xì)胞、細(xì)胞器、個(gè)體發(fā)育中多余的細(xì)胞。許多生物大分子的半衰期只有幾小時(shí)至幾天，肝細(xì)胞中線粒體的平均壽命約10天左右。,2. 防御作用：如巨噬細(xì)胞殺死病原體。,3. 其他重要的生理功能：如參與分泌過程的調(diào)節(jié)：如將甲狀腺球蛋白降解成有活性的甲狀腺素；形成精子的頂體，等等。,矽肺：二氧化硅塵粒（矽塵）吸入肺泡后被巨噬細(xì)內(nèi)吞噬，導(dǎo)致吞噬細(xì)胞溶酶體破裂，水解酶釋放，細(xì)胞崩解，矽塵釋

31、出，后又被其他巨噬細(xì)內(nèi)吞噬，如此反復(fù)進(jìn)行。激活成纖維細(xì)胞，導(dǎo)致膠原纖維沉積，肺組織纖維化。,典型的矽結(jié)節(jié)是由呈同心圓狀或旋渦狀排列的、已發(fā)生玻璃樣變的膠原纖維構(gòu)成,在兩肺遍布圓型陰影基礎(chǔ)上出現(xiàn)團(tuán)塊狀大陰影改變，有的大陰影在兩上肺出現(xiàn)，有的大陰影在兩肺上中下區(qū)連成一片,肺結(jié)核：結(jié)核桿菌不產(chǎn)生內(nèi)、外毒素, 也無莢膜和侵襲性酶。但是菌體成分硫酸腦苷脂能抵抗溶酶體的殺傷作用, 使結(jié)核桿菌在肺泡內(nèi)大量生長繁殖, 導(dǎo)致巨噬細(xì)胞裂解, 釋放出的結(jié)核桿

32、菌再被吞噬而重復(fù)上述過程，引起肺組織鈣化和纖維化。,類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎：溶酶體膜很易脆裂。,（三）溶酶體的發(fā)生,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上核糖體合成溶酶體蛋白→進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔進(jìn)行N-連接的糖基化修飾→進(jìn)入高爾基體cis面膜囊→磷酸轉(zhuǎn)移酶識(shí)別溶酶體水解酶的信號(hào)斑→將乙酰葡糖胺磷酸轉(zhuǎn)移在1~2個(gè)甘露糖殘基上→在中間膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配體→與trans膜囊上的受體結(jié)合→通過clathrin衣被包裝成初級(jí)溶酶體 。,,Transport of newly

33、 synthesized hydrolases to lysosomes,溶酶體酶蛋白甘露糖殘基磷酸化的生化反應(yīng),甘露糖6-磷酸分選途徑和溶酶體形成的主要過程,（四）溶酶體與過氧化物酶體(peroxisome),又稱微體(microbody)，Rhodin 1954發(fā)現(xiàn)于鼠腎小管上皮細(xì)胞。為異質(zhì)性的細(xì)胞器。直徑通常0.5um，呈圓形，橢圓形或啞呤形不等，由單層膜圍繞而成。,特點(diǎn)：含過氧化氫酶（標(biāo)志酶）和一至多種依賴黃素（flavin）

34、的氧化酶，已發(fā)現(xiàn)40多種氧化酶，各類氧化酶的共性是將底物氧化后生成過氧化氫。而過氧化氫酶又利用H2O2去氧化其它底物。RH2+O2→R+H2O2,在植物中：①參與光呼吸，將光合作用的副產(chǎn)物乙醇酸氧化為乙醛酸和過氧化氫，②在萌發(fā)的種子中，進(jìn)行脂肪的β-氧化，產(chǎn)生乙酰輔酶A，經(jīng)乙醛酸循環(huán)，由異檸檬酸裂解為乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循環(huán)，因涉及乙醛酸循環(huán)，又稱乙醛酸循環(huán)體。,在動(dòng)物中： ①參與脂肪酸的β-氧化； ②具有解毒作用，過氧化氫酶利用