第五章细胞内膜系统与蛋白质分选课件.ppt

1、第五章第五章 细胞内膜系统与蛋白质分选细胞内膜系统与蛋白质分选第一节第一节 内质网内质网第二节第二节 高尔基体高尔基体第三节第三节 溶酶体与过氧化物酶体溶酶体与过氧化物酶体第四节第四节 蛋白质分选的基本原理蛋白质分选的基本原理.细胞内膜系统指在结构，功能或发生上细胞内膜系统指在结构，功能或发生上相关的由膜围绕的细胞器或细胞结构。相关的由膜围绕的细胞器或细胞结构。图图4-1 细胞内主要的胞质膜细胞内主要的胞质膜.第一节第一节 内质网内质网一、一、内质网的形态与组成内质网的形态与组成二、二、内质网内质网的功能的功能.一、内质网的形态与组成一、内质网的形态与组成v内质网是由封闭的膜系统及其围成的腔构

2、成内质网是由封闭的膜系统及其围成的腔构成互相沟通的网状结构互相沟通的网状结构。v类型类型：粗面型内质网（粗面型内质网（RER）：）：呈扁平囊状，排列呈扁平囊状，排列整齐，膜围成的空间称为整齐，膜围成的空间称为ER腔腔，膜外有核糖膜外有核糖体附着。体附着。光面型内质网（光面型内质网（SER）：呈分支管状或小泡）：呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。状，无核糖体附着。.二、二、ERER的功能的功能（一）蛋白质合成（一）蛋白质合成 蛋白质都是在核糖体上合成的，但是有些蛋白质在合成开始不久后蛋白质都是在核糖体上合成的，但是有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成。便转在内质网上合成。包括：包括：向细

3、胞外分泌的蛋白向细胞外分泌的蛋白 跨膜蛋白跨膜蛋白 构成细胞器中的可溶性驻留蛋白构成细胞器中的可溶性驻留蛋白（二）蛋白质的修饰与加工（二）蛋白质的修饰与加工 修饰包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等修饰包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化类型：糖基化类型：N-连接的糖基化连接的糖基化 ：起始于内质网，完成于高尔基体：起始于内质网，完成于高尔基体 O-连接的糖基化：主要发生在高尔基体上连接的糖基化：主要发生在高尔基体上（三）新生肽链的（三）新生肽链的折叠与装配折叠与装配（四）（四）ERER的其它功能的其它功能.图图4-2 内质网蛋白质的合成内质网蛋白质的合成.内质网中的糖基化内质

4、网中的糖基化.ERER的其它功能的其它功能 v合成合成膜脂膜脂 v合成甾体类激素合成甾体类激素v形成一些特殊结构形成一些特殊结构 v支撑作用支撑作用.图图4-2 超薄和扫描电镜观察的内质网超薄和扫描电镜观察的内质网(a)粗面内质网粗面内质网;(b)光面内质网光面内质网,上半部是超薄电镜照片上半部是超薄电镜照片,下半部是扫描电镜照片下半部是扫描电镜照片.卵磷脂在内质网膜上合成过程的示意图卵磷脂在内质网膜上合成过程的示意图.膜脂的转运膜脂的转运.第二节第二节 高尔基体高尔基体一、高尔基体的形态与组成一、高尔基体的形态与组成二、高尔基体的功能区隔二、高尔基体的功能区隔三、高尔基体的主要功能三、高尔基

5、体的主要功能.一、高尔基体的形态与组成一、高尔基体的形态与组成 v 高尔基体是由数个扁平囊泡堆在一起形成高尔基体的主体结高尔基体是由数个扁平囊泡堆在一起形成高尔基体的主体结构。扁囊周围又有大小不等的囊泡结构。构。扁囊周围又有大小不等的囊泡结构。v 高尔基体分布于内质网与细胞膜之间。高尔基体分布于内质网与细胞膜之间。v 高尔基体是有极性的细胞器：高尔基体是有极性的细胞器：靠近细胞核的一面，扁囊弯曲成凸面称为形成面或顺面；靠近细胞核的一面，扁囊弯曲成凸面称为形成面或顺面；靠近细胞膜的一面呈凹面称为成熟面或反面靠近细胞膜的一面呈凹面称为成熟面或反面 .二、高尔基体的功能区隔二、高尔基体的功能区隔 v

6、 高尔基体顺面膜囊或网络结构（高尔基体顺面膜囊或网络结构（CGN）：）：是高尔基是高尔基体的入口区域，接受由内质网合成的物质并分类后体的入口区域，接受由内质网合成的物质并分类后转入中间膜囊。转入中间膜囊。v 高尔基体中间膜囊（高尔基体中间膜囊（medial Gdgi）：）：多数糖基修饰，多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。处。v 高尔基体反面膜囊与网络结构（高尔基体反面膜囊与网络结构（TGN）：）：由反面一由反面一侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域，功侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包

7、装，最后输出。能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。.图图4-5 高尔基体的三个功能区域高尔基体的三个功能区域.三、高尔基体的功能三、高尔基体的功能 高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。或分泌到细胞外。1、蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化 2、参与细胞分泌活动、参与细胞分泌活动 3、进行膜的转化功能、进行膜的转化功能 4、将蛋白水解为活性物质、将蛋白水解为活性物质 5、其他功能、其他功能.蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化 vN-连接的糖

8、链合成起始于内质网，完成于高尔基体。在内连接的糖链合成起始于内质网，完成于高尔基体。在内质网形成的糖蛋白具有相似的糖链，由质网形成的糖蛋白具有相似的糖链，由Cis面进入高尔基面进入高尔基体后，在各膜囊之间转运过程中，发生了一系列加工和修体后，在各膜囊之间转运过程中，发生了一系列加工和修饰，原来糖链中的甘露糖被切除，又被多种糖基转移酶依饰，原来糖链中的甘露糖被切除，又被多种糖基转移酶依次加上了不同类型的糖分子，形成了结构各异的寡糖链。次加上了不同类型的糖分子，形成了结构各异的寡糖链。vO-连接的糖基化在高尔基体中进行，通常第一个连接上去连接的糖基化在高尔基体中进行，通常第一个连接上去的糖单元是的

9、糖单元是N-乙酰半乳糖，连接的部位为乙酰半乳糖，连接的部位为Ser、Thr和和Hyp的的OH基团，然后逐次将糖基转移到上去形成寡糖链基团，然后逐次将糖基转移到上去形成寡糖链 。.N-N-连接的蛋白质糖基化连接的蛋白质糖基化图图4-6 N-连接的连接的蛋白质糖基化蛋白质糖基化.参与细胞分泌活动参与细胞分泌活动 负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出其过程是出其过程是ER上合成蛋白质上合成蛋白质进入进入ER腔腔以出以出芽形成囊泡芽形成囊泡进入进入CGN在在medial Gdgi中加工中加工在在TGN形成囊泡形成囊泡囊泡与质膜融合、排出囊泡与质膜融合、

10、排出.图图4-7 高尔基体参与细胞的分泌活动高尔基体参与细胞的分泌活动.蛋白质的水解加工蛋白质的水解加工 无生物活性的蛋白原无生物活性的蛋白原高尔基体高尔基体切除切除N-N-端或两端的序列端或两端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素等。成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素等。图图4-8 胰岛素分子的加工成熟胰岛素分子的加工成熟.第三节第三节 溶酶体与过氧化物酶体溶酶体与过氧化物酶体一、溶酶体的结构一、溶酶体的结构二、溶酶体的功能二、溶酶体的功能三、溶酶体的发生三、溶酶体的发生四、溶酶体与疾病四、溶酶体与疾病五、过氧化物酶体五、过氧化物酶体.一、溶酶体的结构一、溶酶体的结构类型类型溶酶体是单层膜围

11、绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细溶酶体是单层膜围绕、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的消化作用。胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。v溶酶体膜的特征溶酶体膜的特征：嵌有质子泵嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境，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，利于防止自身膜蛋白膜蛋白高度糖基化，利于防止自身膜蛋白的的降解。降解。v溶酶体的类型溶酶体的类型.溶酶体类型溶酶体类型v 初级溶酶体（初级溶酶体（Ply）：）：内含物均一，无明显颗粒，是高内含物均一，无明显颗粒，是高尔

12、基体分泌形成的，含有多种水解酶。标志酶是酸性磷尔基体分泌形成的，含有多种水解酶。标志酶是酸性磷酸酶。酸酶。v 次级溶酶体（次级溶酶体（Sly）：）：正在进行或完成消化作用的溶酶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，分为两种：体，内含水解酶和相应的底物，分为两种：自噬溶酶体：作用底物为内源性自噬溶酶体：作用底物为内源性 异噬溶酶体：作用的底物来自外源异噬溶酶体：作用的底物来自外源 v 残体又称后溶酶体：已失去酶活性，仅留未消化的残渣残体又称后溶酶体：已失去酶活性，仅留未消化的残渣 .图图4-9 动物细胞溶酶体系统示意图动物细胞溶酶体系统示意图.二、溶酶体的功能二、溶酶体的功能

13、溶酶体的主要作用消化作用，是细胞内的消化器官。溶酶体的主要作用消化作用，是细胞内的消化器官。1.对细胞进行新陈代谢对细胞进行新陈代谢 2.细胞内消化细胞内消化 3.防御作用防御作用 4.参与分泌过程的调节参与分泌过程的调节 5.自溶作用自溶作用 6.形成精子的顶体形成精子的顶体 .图图4-10 溶酶体的防御作用溶酶体的防御作用.三、溶酶体的发生三、溶酶体的发生 溶酶体酶的合成及溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（连接的糖基化修饰（RER）高尔基体高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶高尔基体高尔基体tr

14、ans-膜囊和膜囊和TGN膜（膜（M6P受体）受体）溶酶体酶分选与局部浓缩溶酶体酶分选与局部浓缩以出芽的方式转运到前溶酶体以出芽的方式转运到前溶酶体磷酸葡萄糖苷酶磷酸葡萄糖苷酶磷酸化识别信号：磷酸化识别信号：信号斑信号斑.图图4-11 溶酶体的发生过程溶酶体的发生过程.四、溶酶体与疾病四、溶酶体与疾病 1.矽肺矽肺：二氧化硅（矽尘）引起的肺组织纤维化二氧化硅（矽尘）引起的肺组织纤维化2.贮积症贮积症 ：是由遗传缺陷引起的，导致溶酶体的：是由遗传缺陷引起的，导致溶酶体的酶发生变异。酶发生变异。3.类风湿性关节炎类风湿性关节炎 .图图4-12 台台-萨氏综合征神经元中同心圆状的溶酶体萨氏综合征神经

15、元中同心圆状的溶酶体.五、过氧化物酶体五、过氧化物酶体 过氧化物酶体又称微体是由单层膜过氧化物酶体又称微体是由单层膜围绕的围绕的内含一种或几种氧化酶类的细胞器。标志酶为内含一种或几种氧化酶类的细胞器。标志酶为过氧化氢酶。过氧化氢酶。v过氧化物酶体的形态结构过氧化物酶体的形态结构 v过氧化物酶体的功能过氧化物酶体的功能 v过氧化物酶体的发生过氧化物酶体的发生.过氧化物酶体的形态结构过氧化物酶体的形态结构v 过氧化物酶体是一种异质性的细胞器，在不同生物及过氧化物酶体是一种异质性的细胞器，在不同生物及 不同发育阶段有所不同。直径约不同发育阶段有所不同。直径约0.21.5um，通常为通常为0.5um，

16、呈圆形，椭圆形或哑呤形不等。呈圆形，椭圆形或哑呤形不等。v 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。别的主要特征。.图图4-13 鼠肝细胞超薄切片的过氧化物酶体（鼠肝细胞超薄切片的过氧化物酶体（P）和其它和其它细胞器如线粒体（细胞器如线粒体（M）等等.过氧化物酶体的功能过氧化物酶体的功能v 动物细胞（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解动物细胞（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

17、作用。过氧化物酶体中常含血液中的有毒成分，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶：有两种酶：依赖于黄素（依赖于黄素（FADFAD）的氧化酶，作用是将底物氧化形成。的氧化酶，作用是将底物氧化形成。过氧化氢酶，作用是将过氧化氢酶，作用是将H H2 2O O2 2分解，形成水和氧气。分解，形成水和氧气。v 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。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。.过氧化物酶体的发生过氧化物酶体的发生 v过氧化物酶体来源于已存在过氧化物酶体的分过氧化物酶体来源于已存在过氧化物酶体的分裂，子代的过氧化物酶体还需要进一步装配形裂，子代的过氧化物酶体还需要进

18、一步装配形成成熟的细胞器。成成熟的细胞器。v 组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下转运在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下转运到过氧化物酶体中。到过氧化物酶体中。v引导蛋白质进入过氧化物酶体的信号序列是引导蛋白质进入过氧化物酶体的信号序列是-Ser-Lys-Leu-COO-。.图图4-14 过氧化物酶体发生过程的示意图过氧化物酶体发生过程的示意图.第四节第四节 蛋白质分选的基本原理蛋白质分选的基本原理一、信号假说与蛋白质分选信号一、信号假说与蛋白质分选信号二、蛋白质分选运输的途径与类型二、蛋白质分选运输的途径与类型三、

19、胞内膜泡运输三、胞内膜泡运输 蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。在进化过程中每种蛋白形成运送到细胞的各个部位。在进化过程中每种蛋白形成了一个明确的地址签，细胞通过对蛋白质地址签的识别了一个明确的地址签，细胞通过对蛋白质地址签的识别进行运送，这就是进行运送，这就是蛋白质的分选蛋白质的分选。.一、信号假说与蛋白质分选信号一、信号假说与蛋白质分选信号1.信号假说信号假说vGBlobel et al：Signal hypothesis，1975。获。获1999年年Nobel prize(M&P).v核心内容：分泌性蛋白质在

20、核心内容：分泌性蛋白质在N端具有信号肽，指导端具有信号肽，指导它到内质网膜上合成。它到内质网膜上合成。v这一过程涉及：这一过程涉及：信号识别颗粒（信号识别颗粒（SRP）；）；信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白，信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白，DP）；）；ER膜上的易位子膜上的易位子.图图4-15 分泌性蛋白在内质网上合成的过程分泌性蛋白在内质网上合成的过程.v引导肽链穿过内质网膜的信号肽称为引导肽链穿过内质网膜的信号肽称为开始转移序列开始转移序列；v肽链中还有一些序列和肽链中还有一些序列和ER膜有较强亲和力而结合在脂双层膜有较强亲和力而结合在脂双层中，不再转入内质网腔中，称为中，不再转入内质网

21、腔中，称为停止转移序列停止转移序列。图图4-16 跨膜蛋白的形成机制跨膜蛋白的形成机制.2.蛋白质分选信号蛋白质分选信号v细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号 v信号序列信号序列：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常通常15-60个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶切除白质的定向转移后被信号肽酶切除。v信号斑信号斑：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋

22、白质分选的信号。白质分选的信号。.图图4-16 两类分选信号两类分选信号.二、蛋白质分选运输的途径二、蛋白质分选运输的途径与类型与类型1.蛋白质分选的两条基本途径蛋白质分选的两条基本途径（1）翻译后转移：在细胞质基质中完成多肽链的）翻译后转移：在细胞质基质中完成多肽链的合成，再转运至细胞器（如线粒体、叶绿体、合成，再转运至细胞器（如线粒体、叶绿体、微体、细胞核等）或细胞质基质的特定部位。微体、细胞核等）或细胞质基质的特定部位。（2）翻译共转移：在细胞质基质中多肽链的合成翻译共转移：在细胞质基质中多肽链的合成起始后，边合成边转入内质网腔中，随后经高起始后，边合成边转入内质网腔中，随后经高尔基体运

23、至溶酶体、质膜、分泌到细胞外。尔基体运至溶酶体、质膜、分泌到细胞外。.2.蛋白质分选的运输类型蛋白质分选的运输类型 蛋白质的分选运输类型主要有三类：蛋白质的分选运输类型主要有三类：（1）门控运输）门控运输（2）跨膜运输）跨膜运输（3）膜泡运输）膜泡运输（4）细胞质基质中的蛋白质运输）细胞质基质中的蛋白质运输 .图图4-17 膜结合细胞器的运输类型膜结合细胞器的运输类型.三、胞内膜泡运输三、胞内膜泡运输 v细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。通过膜泡运输方式进行。v大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式大多数运输小泡是在膜

24、的特定区域以出芽的方式产生的。已知三种不同的衣被小泡：网格蛋白产生的。已知三种不同的衣被小泡：网格蛋白、COPII和和 COPI，分别介导不同的运输途径。分别介导不同的运输途径。v膜泡运输的定向机制膜泡运输的定向机制.（一）网格蛋白衣被小泡（一）网格蛋白衣被小泡 v 负责蛋白质从高尔基体负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体、溶酶质膜、胞内体、溶酶体和植物液泡运输。体和植物液泡运输。v 高尔基体的反面是网格蛋白衣被小泡形成的场所。高尔基体的反面是网格蛋白衣被小泡形成的场所。其结构包括两部分：其结构包括两部分：1、由网格蛋白构成的外层网络、由网格蛋白构成的外层网络 2、由接合素蛋白构成的内壳、由

25、接合素蛋白构成的内壳v 动力素是一种动力素是一种GTP酶，它将小泡柄部的膜尽可能地酶，它将小泡柄部的膜尽可能地拉近，调节小泡以出芽形式脱离膜。拉近，调节小泡以出芽形式脱离膜。.图图4-18 笼形衣被小泡的组成笼形衣被小泡的组成.图图4-19 网格蛋白的结构，网格蛋白的结构，A电镜照片，电镜照片，B分子模型分子模型，C衣被模型衣被模型 网格蛋白分子由网格蛋白分子由3个重链和个重链和3个轻链组成，形成一个具有个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的个曲臂的形状形状。许多网格蛋白的曲臂部分交织在一起，形成一个具有许多网格蛋白的曲臂部分交织在一起，形成一个具有5边形边形网孔的笼子。网孔的笼子。.图图4-20

26、 Clathrin衣被小泡的掐断过程衣被小泡的掐断过程.（二）（二）COPCOP衣被小泡衣被小泡 v相关运输途径：介导从内质网到高尔基体的物相关运输途径：介导从内质网到高尔基体的物质运输。质运输。v结构：结构：COP衣被由衣被由5蛋白质亚基构成蛋白质亚基构成Sec23/Sec24复合体，复合体，Sec 13/31复合体，复合体，Sec16。vCOP II衣被小泡形成于内质网的特殊部位，衣被小泡形成于内质网的特殊部位，称为内质网出口称为内质网出口。.（三）（三）COPICOPI衣被小泡衣被小泡v相关运输途径：相关运输途径：COPI衣被小泡负责回收、转衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网

27、运内质网逃逸蛋白返回内质网。v结构：结构：COPI衣被由多种蛋白亚基衣被由多种蛋白亚基(COP)组成，装配与去装配有赖于组成，装配与去装配有赖于ARF（装配反应因子（装配反应因子)。.（三）（三）COPICOPI衣被小泡衣被小泡v 回收蛋白质的两种机制：回收蛋白质的两种机制：一是一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运。防止出芽转运。二二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回 正常驻留的部位正常驻留的部位。v 回收机制：回收机制：内质网内质网驻留蛋白的驻留蛋白的C-端端含有一段含有一段回收信号回收信号序列序列(l

28、ys-asp-glu-leu，KDEL)如果它们意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体如果它们意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体cis 面，则面，则cis面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋面的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋白的回收信号，形成白的回收信号，形成COPI衣被小泡将它们返回内质网衣被小泡将它们返回内质网。.图5-17 COPI和COPII衣被小泡 图图4-21 三种类型的被膜小泡及运输途径三种类型的被膜小泡及运输途径.图图4-22 KDEL信号及其受体维持信号及其受体维持ER蛋白的稳定蛋白的稳定.膜泡运输的定向机制膜泡运输的定向机制 v 膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白的胞质面具有特殊的膜标志蛋白 v 涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是Rab和和SNARE Rab：使运输小泡靠近靶膜：使运输小泡靠近靶膜 SNARE：介导运输小泡特异性停泊和融合：介导运输小泡特异性停泊和融合 .图图4-23 Rab和和SNARE的作用的作用.