第七章細胞質(zhì)基質(zhì)與內(nèi)膜系統(tǒng)

第七章細胞質(zhì)基質(zhì)與內(nèi)膜系統(tǒng)第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選與膜泡運輸一、信號假說與蛋白質(zhì)分選信號

蛋白質(zhì)是由核糖體合成的，合成之后必須準(zhǔn)確無誤地運送到細胞的各個部位——蛋白質(zhì)分選。蛋白質(zhì)的分選作用是由信號序列和受體之間的相互作用決定的。

為什么有些蛋白質(zhì)在細胞質(zhì)中合成，有些則在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成？第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一游離核糖體與附著核糖體在結(jié)構(gòu)和功能上是相同的，為何附著核糖體要與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合？而游離核糖體不能與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合？第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一★信號序列的發(fā)現(xiàn)與證實二十世紀六十年代，Colvin和David用分離的RER小泡研究附著核糖體合成的蛋白質(zhì)的去向第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一實驗結(jié)果表明附著核糖體合成的蛋白質(zhì)能夠跨過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔是什么原因指導(dǎo)新生肽跨過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜？又是什么原因決定核糖體在合成蛋白時是游離存在還是附著到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上？第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

1971年美國洛克菲勒大學(xué)Blobel、David等推測：蛋白質(zhì)合成的地點是由多肽N－末端一段氨基酸序列決定的，這一段氨基酸序列在蛋白質(zhì)合成時最先出現(xiàn)在核糖體上。提出◆分泌蛋白的N-端含有一段特別的信號序列，可將正在合成的多肽引導(dǎo)到ER膜上。◆多肽通過ER膜上的轉(zhuǎn)運通道進入ER腔中，并推測多肽是在合成的同時轉(zhuǎn)移的第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1972年，Milstein和他的同事用無細胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)研究免疫球蛋白(IgG)輕鏈合成時獲得了信號序列存在的直接證據(jù)：

用分離純化的核糖體在無細胞體系中用編碼免疫球蛋白輕鏈的mRNA指導(dǎo)合成多肽，發(fā)現(xiàn)合成的多肽比分泌到細胞外的成熟的免疫球蛋白在N端有一段多出的肽鏈，有20個氨基酸。第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一◆加與不加RER小泡，產(chǎn)物不同將分泌蛋白的mRNA在無細胞體系中進行翻譯時，如果不加微粒體，得到的翻譯產(chǎn)物比從細胞中分泌出來的蛋白質(zhì)要長，但添加RER小泡后，翻譯的產(chǎn)物與從活細胞分泌的蛋白質(zhì)相同。其他實驗推測：信號序列在引導(dǎo)蛋白進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)后被切除第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一信號肽的共同特征：長度為16～26個氨基酸殘基，N-末端含有一個或多個帶正電荷的氨基酸，其后是6～12個連續(xù)的疏水殘基；在蛋白質(zhì)合成中將核糖體引導(dǎo)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)后通常被切除；無嚴格的特異性。＋＋＋帶正電荷的N-末端疏水區(qū)切割信號N第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一定位信號序列核定位信號引導(dǎo)肽信號肽信號序列的種類◆與生俱來的三種信號序列●壽命信號●加工信號●定位信號第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1975年Bloble提出信號假說，認為附著核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合與核糖體本身無關(guān)，而與跟核糖體結(jié)合的mRNA，也就是要合成的蛋白質(zhì)的種類有關(guān)，分泌蛋白等的mRNA起始密碼子AUG之后含有信號密碼，蛋白質(zhì)合成時，先在游離的核糖體上由信號密碼翻譯一段16－26個氨基酸組成的肽鏈，稱信號肽。★信號假說（signalhypothesis）第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一◆如果合成的是分泌蛋白，信號序列被切除，進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔，如果是膜蛋白，則由一個或多個停止轉(zhuǎn)移信號將蛋白質(zhì)錨定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。信號假說的要點

◆分泌蛋白的合成始于細胞質(zhì)中的游離核糖體◆合成的N端信號序列露出核糖體后，靠自由碰撞與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)接觸，然后靠N端信號序列的疏水性氨基酸插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜◆蛋白繼續(xù)合成，并以絆環(huán)形式穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一信號假說（signalhypothesis,Bloble1975)信號序列信號肽酶第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一信號假說的證明實驗第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一★新蛋白復(fù)合物的發(fā)現(xiàn)

與信號肽假說的補充◆信號識別顆粒（SRP）：核糖核酸蛋白復(fù)合體，6條多肽+7SRNA，有三個功能位點：

●翻譯暫停結(jié)構(gòu)域●信號肽識別結(jié)合位點●SPR受體結(jié)合位點

功能：引導(dǎo)信號肽到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔；第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一◆停泊蛋白（dockingprotein，DP)是SRP在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體蛋白，能夠與結(jié)合有信號序列的SRP結(jié)合，使正在合成蛋白質(zhì)的核糖體?？康絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)上。是一種G蛋白。第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一信號序列與SPR引導(dǎo)核糖體附著到ER膜第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一★補充修改后的信號肽假說(1)ER蛋白質(zhì)合成的起始

始于胞質(zhì)溶膠中的游離核糖體，蛋白質(zhì)合成地點由其mRNA決定.(2)SRP-核糖體復(fù)合體的形成

SRP的信號識別位點識別新生肽的信號肽并與之結(jié)合,蛋白質(zhì)合成暫時停止。（SRP為G蛋白）

(3)核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合

結(jié)合有信號肽的SRP-核糖體復(fù)合體與SRP受體（停泊蛋白DP）結(jié)合，

DP也為G蛋白第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一（5）信號肽酶切除信號肽，肽鏈繼續(xù)延伸（6）蛋白質(zhì)合成結(jié)束蛋白轉(zhuǎn)運通道關(guān)閉，核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脫離進入胞質(zhì)溶膠開始新的蛋白質(zhì)的合成。(4)SRP釋放與蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運通道（易位子）的打開，新生肽插入通道，信號肽與通道中受體結(jié)合，引導(dǎo)肽鏈以絆環(huán)形式進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一分泌性蛋白合成的信號肽學(xué)說信號肽轉(zhuǎn)運通道易位子分子伴侶胞質(zhì)溶膠內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一起始轉(zhuǎn)移序列(starttransfersignal)

停止轉(zhuǎn)移序列(stoptransfersignal)

內(nèi)信號序列(internalsignalpeptide)：不位于N-末端，不被切除，也是起始轉(zhuǎn)移信號序列膜整合蛋白的共翻譯轉(zhuǎn)運機制在RER合成的蛋白質(zhì)有兩類：分泌蛋白和膜蛋白，分泌蛋白合成后通過對信號肽切除，就可釋放到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中成為可溶蛋白，再進行下游的運輸。而膜蛋白需要保持在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，其共翻譯轉(zhuǎn)運較為復(fù)雜。涉及以下幾種信號序列第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一分泌蛋白的共轉(zhuǎn)移第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一單次跨膜蛋白的共轉(zhuǎn)移機制第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一二次跨膜蛋白的共轉(zhuǎn)移機制內(nèi)信號序列第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移的方式共轉(zhuǎn)移:肽鏈在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上邊合成邊轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中后轉(zhuǎn)移:蛋白質(zhì)在細胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后在某種信號指導(dǎo)下再轉(zhuǎn)移到線粒體、葉綠體、過氧化氫體等細胞器中的轉(zhuǎn)移方式.這類信號序列稱導(dǎo)肽.需要ATP使多肽去折疊；需要一些蛋白質(zhì)（如熱休克蛋白Hsp70）幫助其正確地折疊成有功能的蛋白.第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一幾種典型的蛋白質(zhì)分選信號序列信號功能舉例蛋白進入ER+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Ler-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-滯留在ER中-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-蛋白進入線粒體+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-進入細胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-進入過氧化物酶體-Ser-Lys-Leu-第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體細胞表面溶酶體分泌顆粒核糖體

線粒體過氧化物酶體

細胞核胞質(zhì)溶膠二、細胞內(nèi)蛋白質(zhì)分選途徑和類型葉綠體游離核糖體附著核糖體兩條途徑：翻譯后轉(zhuǎn)運途徑共翻譯途徑第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1、在細胞質(zhì)蛋白質(zhì)分選基本途徑共轉(zhuǎn)移后轉(zhuǎn)移第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一蛋白質(zhì)分選的類型3、選擇性門控轉(zhuǎn)運：細胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)選擇性穿過核孔復(fù)合體進入細胞核或從細胞核返回細胞質(zhì)。1、跨膜轉(zhuǎn)運：胞質(zhì)溶膠中合成的蛋白質(zhì)進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等是通過跨膜進行運輸?shù)?，需要膜上運輸?shù)鞍椎膸椭?、膜泡運輸：蛋白質(zhì)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運到高爾基體及從高爾基體轉(zhuǎn)運到溶酶體、分泌泡、細胞質(zhì)膜、細胞外是由小泡介導(dǎo)的。4、蛋白質(zhì)在細胞基質(zhì)中的運輸（細胞骨架體系）。第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一三、膜泡運輸細胞內(nèi)膜系統(tǒng)之間的物質(zhì)傳遞常常通過膜泡運輸方式進行。大多數(shù)運輸小泡是在膜的特定區(qū)域以出芽的方式產(chǎn)生。其表面具有一個籠子狀的由蛋白質(zhì)構(gòu)成的衣被（coat）。這種衣被在運輸小泡與靶細胞器的膜融合之前解體。第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一三種不同類型的包被小泡

具有不同的物質(zhì)運輸作用

COPⅡ包被小泡COPI包被小泡網(wǎng)格蛋白包被小泡第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一網(wǎng)格蛋白包被小泡負責(zé)蛋白質(zhì)從高爾基體TGN質(zhì)膜、胞內(nèi)體或溶酶體和植物液泡運輸在受體介導(dǎo)的細胞內(nèi)吞途徑也負責(zé)將物質(zhì)從質(zhì)膜內(nèi)吞泡(細胞質(zhì))

胞內(nèi)體溶酶體運輸高爾基體TGN是網(wǎng)格蛋白包被小泡形成的發(fā)源地

第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一成纖維細胞質(zhì)面的網(wǎng)格蛋白衣被電子顯微鏡照片

第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一通過網(wǎng)格蛋白有被小泡介導(dǎo)的選擇性運輸示意圖第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

COPⅡ包被小泡

負責(zé)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體的物質(zhì)運輸； COPⅡ包被蛋白由5種蛋白亞基組成；

包被蛋白的裝配是受控的； COPⅡ包被小泡具有對轉(zhuǎn)運物質(zhì)的選擇性并使之濃縮。第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一COPI包被小泡

COPI包被含有7種蛋白亞基，包被蛋白復(fù)合物的裝配與去裝配依賴于ARF(GTP-bindingprotein)；介導(dǎo)細胞內(nèi)膜泡逆向運輸，負責(zé)回收、轉(zhuǎn)運內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白(escapedproteins）

ER。

第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一細胞器中保留及回收蛋白質(zhì)的兩種機制：

1.轉(zhuǎn)運泡將應(yīng)被保留的駐留蛋白排斥在外，防止出芽轉(zhuǎn)運；

2.通過識別駐留蛋白C-端的回收信號(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特異性受體，以COPI-包被小泡的形式捕獲逃逸蛋白。第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一研究發(fā)現(xiàn)：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和功能蛋白的羧基端有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號：Lys-Asp-Glu-Leu-coo-(KDEL信號）KDEL信號在高爾基體各個部分的膜上都有相應(yīng)的受體。如果ER滯留蛋白質(zhì)在出芽時被錯誤地包進分泌泡離開了ER，高爾基體膜上的KDEL信號受體就會與之結(jié)合將其遣送回ER。第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白的回收圖解第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一運輸小泡的形成、轉(zhuǎn)運及與靶膜的融合是特異性過程，涉及多種蛋白識別、組裝、去組裝的復(fù)雜調(diào)控膜泡融合是特異性的選擇性融合，從而指導(dǎo)細胞內(nèi)膜流的方向。選擇性融合基于供體膜蛋白與受體膜蛋白的特異性相互作用第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一膜泡運輸?shù)亩ㄏ驒C制（一）SNARE介導(dǎo)運輸小泡與靶膜的融合。分為v-SNARE和t-SNARE。具有一個螺旋結(jié)構(gòu)域，相互纏繞形成跨膜SNARE復(fù)合體，將小泡與靶膜拉在一起。第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一SNAREinvesicletransport第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一神經(jīng)細胞中，SNARE負責(zé)突觸小泡的停泊和融合。破傷風(fēng)毒素和肉毒素能選擇性地降解SNARE，阻斷神經(jīng)傳導(dǎo)。病毒融合蛋白的工作原理與SNARE相似，介導(dǎo)病毒與宿主質(zhì)膜的融合。第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一（二）RabsRabs屬于G蛋白，已知30余種，不同膜上具有不同的Rabs。Rabs促進和調(diào)節(jié)運輸小泡的停泊和融合。第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一膜融合模型①兩種膜蛋白相互接觸;②兩種膜之間形成一個封閉的孔,并逐漸擴大;③由于膜脂的擴散,兩種膜的脂雙層融合成一體第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一四、細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝（自學(xué)）生物大分子的組裝方式：有些裝配過程需ATP或GTP提供能量或其它成份的介入或?qū)ρb配亞基的修飾自我裝配的信息存在于裝配亞基的自身，細胞提供的裝配環(huán)境裝配具有重要的生物學(xué)意義：分子“伴侶”（molecularchaperones）

第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一生物大分子的組裝方式自我裝配（self-assembly）協(xié)助裝配（aided-assembly）直接裝配（direct-assembly）復(fù)合物與細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一裝配具有重要的生物學(xué)意義

減少和校正蛋白質(zhì)合成中出現(xiàn)的錯誤

減少所需的遺傳物質(zhì)信息量通過裝配與去裝配更容易調(diào)節(jié)與控制多種生物學(xué)過程第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一分子“伴侶”（molecularchaperones）

細胞中