細胞質(zhì)功能區(qū)隔與蛋白質(zhì)分選課件

1、INTRACELLULAR COMPARTMENT AND PROTEINS SORTING,第六章細胞內(nèi)功能區(qū)隔與蛋白質(zhì)分選,1,學(xué)習(xí)交流PPT,第一節(jié) 蛋白質(zhì)分選的基本原理 第二節(jié) 膜泡運輸 第三節(jié) 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 第四節(jié) 高爾基體 第五節(jié) 溶酶體與過氧化物酶體,本章內(nèi)容提要,2,學(xué)習(xí)交流PPT,定義：結(jié)構(gòu)、功能和發(fā)生上相關(guān)的內(nèi)膜形成的細胞結(jié)構(gòu)稱為細胞內(nèi)膜系統(tǒng)。 功能：區(qū)隔化；增加表面積。 系統(tǒng)發(fā)生上內(nèi)膜起源于質(zhì)膜的內(nèi)陷和內(nèi)共生。 個體發(fā)生上內(nèi)膜來源于原有內(nèi)膜系統(tǒng)的分裂，具有epigenetic的特性。,3,學(xué)習(xí)交流PPT,第一節(jié) 蛋白質(zhì)分選的基本原理,細胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)之所以能夠定向

2、的轉(zhuǎn)運到特定的細胞器取決于兩個方面： 其一是蛋白質(zhì)中包含特殊的信號序列（signal sequence）。 其二是細胞器上具特定的信號識別裝置（分選受體，sorting receptor）。,4,學(xué)習(xí)交流PPT,一、蛋白質(zhì)分選信號,信號序列（signal sequence）：引導(dǎo)蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)移的線性序列，通常15-60個氨基酸殘基，對所引導(dǎo)的蛋白質(zhì)沒有特異性要求。 信號斑（signal patch）：存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中，構(gòu)成信號斑的信號序列之間可以不相鄰，折疊在一起構(gòu)成蛋白質(zhì)分選的信號。,5,學(xué)習(xí)交流PPT,signal sequence and signal patch,6,學(xué)習(xí)交流P

3、PT,二、蛋白質(zhì)分選運輸機制,1、門控運輸（gated transport）：如通過核孔復(fù)合體的運輸。 2、跨膜運輸（transmembrane transport）：蛋白質(zhì)通過跨膜通道進入目的細胞器。 3、膜泡運輸（vesicular transport）：蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體中被包裝成衣被小泡，選擇性地運輸?shù)桨屑毎鳌?7,學(xué)習(xí)交流PPT,第二節(jié) 胞內(nèi)膜泡運輸,內(nèi)膜系統(tǒng)之間的物質(zhì)傳遞常通過膜泡運輸進行。 多數(shù)運輸小泡在膜的特定區(qū)域以出芽的方式產(chǎn)生。表面具有一個籠子狀的由蛋白質(zhì)構(gòu)成的衣被（coat）。衣被在運輸小泡與靶細胞器的膜融合之前解體。,8,學(xué)習(xí)交流PPT,衣被小泡在細胞內(nèi)沿微管或

4、微絲運輸。 與膜泡運輸有關(guān)的馬達蛋白有3類，在這些馬達蛋白的牽引下，可將膜泡運到特定的區(qū)域。 動力蛋白（dynein），趨向微管負端； 驅(qū)動蛋白（kinesin），趨向微管正端； 肌球蛋白（myosin），趨向微絲的正極。,9,學(xué)習(xí)交流PPT,一、衣被類型,已知三類： 籠形蛋白（clathrin） COPI COPII 主要作用： 選擇性的將特定蛋白聚集在一起，形成運輸小泡； 如同模具一樣決定運輸小泡的外部特征。,10,學(xué)習(xí)交流PPT,三種衣被小泡的功能,11,學(xué)習(xí)交流PPT,（一）籠形蛋白衣被小泡,運輸途徑：質(zhì)膜內(nèi)體；高爾基體內(nèi)體；高爾基體溶酶體、植物液泡。 衣被結(jié)構(gòu)：3重鏈、3輕鏈，形如t

5、riskelion。clathrin的曲臂交織在一起，形成5邊形網(wǎng)孔的籠子。 銜接蛋白：連接衣被與受體。,12,學(xué)習(xí)交流PPT,Clathrin coated vesicles,13,學(xué)習(xí)交流PPT,Deep-etch view of a typical clathrin lattice,14,學(xué)習(xí)交流PPT,Selective transport by clathrin coated vesicles,15,學(xué)習(xí)交流PPT,當衣被小泡形成時，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈圍繞在芽的柄部，使柄部的膜盡可能地拉近（小于1.5nm），導(dǎo)致膜融合，pinch off衣被小泡。,16,學(xué)習(xí)交流PP

6、T,（二）COP I衣被小泡,功能：回收、轉(zhuǎn)運內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白（escaped proteins）返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；也可介導(dǎo)高爾基體不同區(qū)域間的蛋白質(zhì)運輸。 組成：由7種蛋白組成。 回收信號：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。,17,學(xué)習(xí)交流PPT,COP I Vesicles,18,學(xué)習(xí)交流PPT,Cop I and II Vesicles,19,學(xué)習(xí)交流PPT,Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）,20,學(xué)習(xí)交流PPT,（三）COP衣被小泡,介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸。形成于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出口位點，該處無核糖體。 主要亞基：Sar1GTP、Sec23/Sec24、Sec13/Sec31

7、。 多數(shù)跨膜蛋白直接與COP II結(jié)合，少數(shù)跨膜蛋白和多數(shù)可溶性蛋白通過受體與COP II結(jié)合。 分選信號：位于跨膜蛋白胞質(zhì)面，形式多樣，常包含雙酸性基序DEXDE ，如Asp-X-Glu。,21,學(xué)習(xí)交流PPT,COP II Vesicles,22,學(xué)習(xí)交流PPT,COPII Coated vesicle,23,學(xué)習(xí)交流PPT,二、衣被形成,衣被召集GTP酶：為G蛋白，活化狀態(tài)可引起衣被蛋白聚集，包括ARF和SAR 1。存在于細胞質(zhì)，激活后轉(zhuǎn)位到膜上。 ARF：參與clathrin和COP I衣被的形成。 SAR 1：參與COP II衣被的形成。,24,學(xué)習(xí)交流PPT,ER上形成COPII小

8、泡時，SAR1交換GDP/GTP而激活。 激活的SAR1暴露出脂肪酸鏈尾巴，插入ER膜，促進衣被蛋白的核化和組裝。 SAR1可激活磷脂酶D，將一些磷脂水解，使衣被蛋白牢固地結(jié)合在膜上。 當小泡從膜上釋放后，衣被很快就解體。,25,學(xué)習(xí)交流PPT,Coat assembly,26,學(xué)習(xí)交流PPT,三、膜泡運輸?shù)亩ㄏ驒C制,（一）SNAREs 功能：介導(dǎo)運輸小泡與靶膜的融合。 類型：v-SNAREs和t-SNAREs。 結(jié)構(gòu)：具有一個螺旋結(jié)構(gòu)域，相互纏繞形成跨SNAREs復(fù)合體，將小泡與靶膜拉在一起。,27,學(xué)習(xí)交流PPT,SNAREs,28,學(xué)習(xí)交流PPT,SNAREs in vesicle tr

9、ansport,29,學(xué)習(xí)交流PPT,神經(jīng)細胞中，SNAREs負責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SNAREs，阻斷神經(jīng)傳導(dǎo)。 病毒融合蛋白的工作原理與SNAREs相似，介導(dǎo)病毒與宿主質(zhì)膜的融合。,30,學(xué)習(xí)交流PPT,HIV fusion protein,31,學(xué)習(xí)交流PPT,（二）Rabs,也叫targeting GTPase，屬于G蛋白，起分子開關(guān)作用。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。 Rabs還有許多效應(yīng)因子，幫助運輸小泡聚集和靠近靶膜，觸發(fā)SNAREs抑制因子。,32,學(xué)習(xí)交流PPT,Rabs in docki

10、ng,33,學(xué)習(xí)交流PPT,四、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞,批量內(nèi)吞（Bulk-phase endocytosis）：非特異性的攝入細胞外物質(zhì)，穴樣內(nèi)陷（caveolae）是發(fā)生批量內(nèi)吞的部位。 受體介導(dǎo)的內(nèi)吞 (receptor mediated endocytosis)是一種選擇濃縮機制。LDL、運鐵蛋白、生長因子、胰島素等都通過RME轉(zhuǎn)運。,34,學(xué)習(xí)交流PPT,衣被小窩（coated pits）是質(zhì)膜內(nèi)凹的部位，相當于分子過濾器(約占肝細胞表面積2%)。受體、籠形蛋白和銜接蛋白大量集中于此處。 受體胞質(zhì)端的Tyr-X-X-是銜接蛋白識別的信號，X為任何氨基酸，為分子較大的疏水氨基酸(如Phe、Le

11、u、Met)。 受體同配體結(jié)合后啟動內(nèi)化作用，衣被開始組裝。,35,學(xué)習(xí)交流PPT,Clathrin coated pit on the cytosolic face of a cell,36,學(xué)習(xí)交流PPT,低密脂蛋白的吸收： 膽固醇主要在肝細胞中合成，以低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL）釋放到血液。 LDL顆粒芯部含有被長鏈脂肪酸酯化的膽固醇分子。周圍由磷脂和膽固醇構(gòu)成的脂單層包圍，有一個較大的Apo-B蛋白（配體）。,37,學(xué)習(xí)交流PPT,LDL Particle,38,學(xué)習(xí)交流PPT,LDL endocytosis,39,學(xué)習(xí)交流PPT,細胞需要膽固

12、醇時，合成LDL跨膜受體蛋白。 受體與LDL顆粒結(jié)合后，形成衣被小泡； 進入細胞質(zhì)的小泡隨即脫掉衣被，成為平滑小泡，同早期內(nèi)體融合，內(nèi)體中PH值低，使受體與LDL顆粒分離；再經(jīng)晚期內(nèi)體將LDL送人溶酶體。 在溶酶體中，LDL被水解成游離的膽固醇。,40,學(xué)習(xí)交流PPT,The receptor-mediated endocytosis of LDL,41,學(xué)習(xí)交流PPT,LDL Endocytosis,42,學(xué)習(xí)交流PPT,受體回收途徑： 大部分返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域，如LDL受體； 有些進入溶酶體被消化，如EGF的受體，稱為受體下行調(diào)節(jié)（receptor down-regulation）； 有

13、些被運至質(zhì)膜不同的結(jié)構(gòu)域，形成穿胞運輸（transcytosis）。,43,學(xué)習(xí)交流PPT,Transcytosis,44,學(xué)習(xí)交流PPT,五、外排作用,組成型外排途徑：由TGN區(qū)分泌囊泡向質(zhì)膜運輸，通過default pathway完成轉(zhuǎn)運。更新膜蛋白和膜脂、形成ECM、營養(yǎng)成分或信號分子。 調(diào)節(jié)型外排途徑：如激素或酶儲于分泌泡內(nèi)，當細胞在受到胞外信號刺激時，分泌泡釋放出去。,45,學(xué)習(xí)交流PPT,The constitutive and regulated secretory pathways,46,學(xué)習(xí)交流PPT,第三節(jié) 內(nèi)質(zhì)網(wǎng),Porter等于1945年發(fā)現(xiàn)于培養(yǎng)的小鼠成纖維細胞，因最

14、初看到的是位于細胞質(zhì)內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故名endoplasmic reticulum，ER。,47,學(xué)習(xí)交流PPT,一、形態(tài)與組成,約占細胞總膜面積的一半，是封閉的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 分為RER和SER。 RER呈扁平囊狀，排列整齊，有核糖體附著。 SER呈分支管狀或小泡狀，無核糖體附著。 細胞不含純粹的RER或SER，它們分別是ER連續(xù)結(jié)構(gòu)的一部分。,48,學(xué)習(xí)交流PPT,RER,49,學(xué)習(xí)交流PPT,SER,50,學(xué)習(xí)交流PPT,膜含60%的蛋白和40%的脂類，PC含量較高，SM含量較少，沒有或很少含膽固醇。 約30多種膜結(jié)合蛋白，另有30多種位于ER網(wǎng)腔。 葡糖-6-磷酸酶是ER標志酶，核糖體結(jié)合

15、糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。,51,學(xué)習(xí)交流PPT,二、ER的功能,（一）蛋白質(zhì)合成 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白主要有： 向細胞外分泌的蛋白、如抗體、激素； 膜的整合蛋白； 需要與其它細胞組分嚴格分開的酶，如溶酶體的各種水解酶； 需要進行修飾的蛋白，如糖蛋白。,52,學(xué)習(xí)交流PPT,Blobel等（1975）提出信號假說，認為蛋白質(zhì)N端的信號肽，指導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，獲1999年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。,Blobel with members of his laboratory,Gnter Blobel,53,學(xué)習(xí)交流PPT,蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成涉及以下

16、成分： 信號肽：位于N端，約1630個氨基酸，含有6-15個連續(xù)排列的帶正電荷的非極性氨基酸，又稱開始轉(zhuǎn)移序列。 信號識別顆粒（SRP）：6種多肽和1個7S RNA組成，屬RNP。與信號序列結(jié)合，導(dǎo)致Pr合成暫停。,54,學(xué)習(xí)交流PPT,AA Sequences of ER Signal Peptides,55,學(xué)習(xí)交流PPT,SRP受體，ER膜的整合蛋白，異二聚體，可與SRP特異結(jié)合。 停止轉(zhuǎn)移序列，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的親合力很高，阻止肽鏈繼續(xù)進入網(wǎng)腔，成為跨膜蛋白。 轉(zhuǎn)位因子，由3-4個Sec61蛋白構(gòu)成的通道，每個Sec61由3條肽鏈組成。,56,學(xué)習(xí)交流PPT,Translocation of

17、 proteins across ER,57,學(xué)習(xí)交流PPT,蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的過程：,信號肽與SRP結(jié)合肽鏈延伸終止SRP與受體結(jié)合SRP脫離肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號肽切除肽鏈延伸至終止。 這種肽鏈邊合成邊向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔轉(zhuǎn)移的方式，稱為co-translation。,58,學(xué)習(xí)交流PPT,Insertion of Transmembrane protein into the ER membrane,59,學(xué)習(xí)交流PPT,（二）蛋白質(zhì)的修飾與加工,包括糖基化、羥基化、?；?、二硫鍵形成等，幾乎所有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白最終都被糖基化。 糖基化的作用： 使蛋白質(zhì)能夠抵抗消化酶的作用； 賦予蛋白質(zhì)傳導(dǎo)信號的

18、功能； 某些蛋白只有在糖基化之后才能正確折疊。,60,學(xué)習(xí)交流PPT,糖基一般連接在4種氨基酸上，分為2種： N-連接的糖基化：與天冬酰胺殘基的NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。 O-連接的糖基化：與Ser、Thr和Hyp的OH連接，連接的糖為半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高爾基體上進行。,61,學(xué)習(xí)交流PPT,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上進行N-連接的糖基化。糖的供體為核苷糖，如GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺。 糖分子首先被糖基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移到膜上的磷酸長醇分子上，裝配成寡糖鏈。 再被寡糖轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)到Asn-X-Ser或Asn-X-Thr的Asn上。,62,學(xué)習(xí)交流PPT,Protein glycosylatio

19、n in RER,63,學(xué)習(xí)交流PPT,Protein glycosylation in RER,64,學(xué)習(xí)交流PPT,Protein glycosylation in RER,65,學(xué)習(xí)交流PPT,（三）新生肽鏈的折疊、組裝和運輸,蛋白的折疊在hsp70家族的ATP酶的作用下完成 。 無法正確折疊的蛋白被轉(zhuǎn)入溶酶體降解，約90%的新合成T細胞受體亞單位和Ach受體都被降解，而從未到達靶膜。 COP II介導(dǎo)由ER輸出的膜泡運輸。,66,學(xué)習(xí)交流PPT,（四）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其它作用,合成磷脂、膽固醇等。 解毒，如肝細胞的細胞色素P450酶系。 參與甾體類激素的合成。 使葡糖6-磷酸水解，釋放糖至血液

20、中。 儲存鈣離子，作為胞內(nèi)信號物質(zhì)，如肌質(zhì)網(wǎng)。 提供酶附著的位點和機械支撐作用。,67,學(xué)習(xí)交流PPT,第四節(jié) 高爾基體,發(fā)現(xiàn)于1855年，1889年，Golgi用銀染法，在貓頭鷹的神經(jīng)細胞內(nèi)觀察到了清晰的結(jié)構(gòu)，因此定名為高爾基體。,68,學(xué)習(xí)交流PPT,一、形態(tài)與組成,由扁平囊泡堆積而成，有極性。通常48個(某些藻類較多)扁平囊在一起，構(gòu)成Golgi stack。 分布于ER與細胞膜間，呈弓形或半球形。 凸出的一面對著ER稱為順面（cis face），凹進的一面對著質(zhì)膜稱為反面（trans face）。,69,學(xué)習(xí)交流PPT,Structure of the Golgi Complex,70

21、,學(xué)習(xí)交流PPT,Distribution，nucleus green，Golgi body red,71,學(xué)習(xí)交流PPT,膜含有約60%的蛋白和40%的脂類，具有一些和ER共同的蛋白成分。 主要的酶有糖基轉(zhuǎn)移酶、磺基-糖基轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、轉(zhuǎn)移酶和磷脂酶等。 標志酶為糖基轉(zhuǎn)移酶。,72,學(xué)習(xí)交流PPT,二、功能區(qū)隔,cis Golgi network，CGN是入口區(qū)域。 medial Golgi，多數(shù)糖基修飾，糖脂的形成以及與高爾基體有關(guān)的糖合成發(fā)生于此處。 trans Golgi network，TGN是出口區(qū)域，參與蛋白質(zhì)的分類與包裝，最后輸出。,73,學(xué)

22、習(xí)交流PPT,Golgi network,74,學(xué)習(xí)交流PPT,高爾基體不同區(qū)域的細胞化學(xué)反應(yīng)： 嗜鋨反應(yīng)：cis面膜囊被特異地染色； TPP酶：trans面的膜囊； NADP酶：顯示中間的膜囊； CMP酶：trans面的囊狀和管狀結(jié)構(gòu)。,75,學(xué)習(xí)交流PPT,三、主要功能,1、參與細胞分泌活動：RER合成PrER腔COPII小泡CGNmedial Gdgi加工TGN區(qū)形成運輸泡與質(zhì)膜融合、排出。 高爾基體依據(jù)信號序列或信號斑對蛋白質(zhì)分類。 2、O-連接的糖基化：糖的供體為核苷糖。,76,學(xué)習(xí)交流PPT,3、進行膜的轉(zhuǎn)化功能：ER合成膜脂轉(zhuǎn)移至高爾基體，經(jīng)過修飾和加工，形成運輸泡與質(zhì)膜融合。

23、4、將蛋白水解為活性物質(zhì)：如將胰島素C端切除；或?qū)⑸窠?jīng)肽前體降解為活性片段。 5、參與形成溶酶體。 6、植物細胞壁的形成，合成纖維素和果膠質(zhì)。,77,學(xué)習(xí)交流PPT,第五節(jié) 溶酶體與過氧化物酶體,Lysosome為de Duve與Novikoff 1955年發(fā)現(xiàn)。Peroxisome由Rhodin 1954在鼠腎小管上皮細胞中發(fā)現(xiàn)。,78,學(xué)習(xí)交流PPT,一、溶酶體的結(jié)構(gòu),含酸性水解酶（最適pH=5），執(zhí)行細胞內(nèi)消化。 具有異質(zhì)性，酸性磷酸酶是標志酶。 膜有質(zhì)子泵，溶酶體內(nèi)pH值低。 膜蛋白高度糖基化。,79,學(xué)習(xí)交流PPT,1、初級溶酶體（primary lysosome） 由高爾基體分泌形

24、成，含多種酸性水解酶。,80,學(xué)習(xí)交流PPT,2、次級溶酶體（secondary lysosome） 是正在進行或完成消化作用的溶酶體，分為自噬溶酶體和異噬溶酶體。 3、殘體（residual body） 又稱后溶酶體（post-lysosome），已失去酶活性，僅留未消化的殘渣，故名?？膳懦黾毎?，也可能留在細胞內(nèi)逐年增多，如表皮細胞的老年斑，肝細胞的脂褐質(zhì)。,81,學(xué)習(xí)交流PPT,Secondary lysosome,82,學(xué)習(xí)交流PPT,肝細胞脂褐質(zhì),83,學(xué)習(xí)交流PPT,二、溶酶體的功能,細胞內(nèi)消化：如從LDL釋放膽固醇，單細胞真核生物籍其消化食物。 自體吞噬：清除無用生物大分子，衰老細

25、胞、細胞器、個體發(fā)育中多余的細胞。 防御作用：如巨噬細胞。 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。,84,學(xué)習(xí)交流PPT,85,學(xué)習(xí)交流PPT,三、溶酶體的發(fā)生,在高爾基體的trans面以出芽的方式形成： 前溶酶體蛋白N-連接的糖基化高爾基體磷酸轉(zhuǎn)移酶識別信號斑將N-乙酰葡糖胺磷酸轉(zhuǎn)移在12個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M6P受體結(jié)合通過clathrin衣被包裝成運輸小泡與晚期的內(nèi)體融合，受體解離切除甘露糖殘基上的磷酸 。,86,學(xué)習(xí)交流PPT,The recognition of a lysosomal hydrolase in Golgi and mannose phosphorylation,87,學(xué)習(xí)交流PPT,Transport of newly synthesized hydrol