真核细胞内膜系统结构和功能

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,*,第五章,真核细胞内膜系统、的结构和功能,真核细胞在进化上一个显著特点就是形成了发达的细胞质膜系统，将细胞内环境分割成许多功能,不同的区室,。虽然这些区室具有各自独立的结构和功能，但它们有是密切相关的，尤其是它们的膜结构式相互转换的，转换的机制则是通过,蛋白质分选,和,膜运输,实现的。,细胞内区室化是真核细胞结构和功能的基本特征之一。,细胞内区室化,The Compartmentalization in Eukaryotic Cells,细胞内被膜区分为,3,类结构：细胞质基质,(,cytoplasmic,matrix),、细胞内膜系统,(,endomembrane,system),和其他由膜包被的各种细胞器,(,诸如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核）。,一、 细胞质基质,（,cytoplasmic matrix or,cytosol,）,细胞质基质是细胞的重要结构成分，其体积约占细胞质的一半。,表,5-1,肝细胞中细胞质基质及细胞其他组分的数目及所占的体积比,细胞器,每细胞所含数量,细胞内的百分比,细胞质基质,1,54,线粒体,1700,22,内质网,1,12,细胞核,1,6,高尔基体,1,3,过氧化物酶体,400,1,溶酶体,300,1,胞内体,200,1,(,一,),细胞质基质的含义,1.,细胞质基质的概念,真核细胞的细胞质中除去细胞器和内含物以外的、较为均质半透明的液态胶状物质称为细胞质基质,（,cytoplasmic matrix,),。,2.,细胞质基质的组成,中间代谢有关的酶类、,细胞质骨架结构。,3.,特点,细胞质基质是一个高度有序的体系；,蛋白质与蛋白质之间、蛋白质与其它大分子之间都是通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系,。,Figure Internal membranes and the cytosol.,(B) The rest of the cell,excluding all these organelles, is called cytosol.,细胞质基质,为物质中间,代谢,提供场所,细胞内所有的中间代谢过程均发生在细胞质中，其中大部分是在细胞质基质中进行的，,如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等.,2.,与细胞质骨架,功能相关,维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等.,(,二,),细胞质基质的功能,3.,在,蛋白质的修饰,以及,选择性的降解,中发挥作用,蛋白质的修饰,：,磷酸化和去磷酸化、糖基化、,N-,端甲基化、酰基化,控制蛋白质的寿命,:,依赖于泛素的降解途径,（,ubiquitin-dependent pathway),2004,年诺贝尔化学奖,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：,主要靠热休克蛋白（,heat shock protein,stress-response protein),来完成。,泛素化蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径,2004,年,10,月,16,日瑞典皇家科学院将本年度诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙,切哈诺沃、阿夫拉姆,赫什科和美国科学家欧文,罗斯，以表彰他们在,泛素调节的蛋白质降解,研究领域中的卓越成就。,细胞内蛋白质标记及降解的理论模型,Cells carefully,monitor,the amount of misfolded proteins. An accumulation of misfolded proteins in the cytosol triggers a,heat-shock response, which stimulates the transcription of genes encoding cytosolic chaperones that help to refold the proteins.,二、膜结合细胞器,(Membrane-bounded organelles),在细胞内的分布,膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的,.,图,7-1,动物细胞中膜结合的细胞器及分布,Figure7-1 The major membrane-bounded organelles of an animal cell.,膜结合细胞器在细胞的生命活动中具有重要作用。,表,5-2,真核细胞膜结合区室的主要功能,细胞器（区室）,主要功能,内质网,大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地,高尔基体,蛋白质和脂的修饰、分选和包装,溶酶体,细胞内的降解作用,胞内体,内吞物质的分选,过氧化物酶体,毒性分子的氧化,线粒体,通过氧化磷酸化合成,ATP,叶绿体,进行光合作用,在这些膜结合的细胞器中,线粒体、叶绿体、过氧化物酶体,独立性很强,并且有特别的功能；其他几种膜结合细胞器,如,内质网、高尔基体、溶酶体和小泡,虽然有不同的结构和功能,但是它们都参与蛋白质的加工、分选和膜泡运输,形成了一个特别的细胞内系统。,定义：,位于细胞质内，在结构、功能和发生上相关的由膜围绕的细胞器或细胞结构称为细胞内膜系统，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。,三、细胞内膜系统（,Endomembrane System,）,及其功能,功能,：,区隔化；增加内表面积，提高代谢和调节能力。,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。,（一）内质网的形态结构与功能,K. R. Porter,和,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,）。,内质网是由,封闭的管状或扁平囊状膜系统,及其包被的腔形成互相沟通的三维网络结构。内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的,10,以上。,内质网是细胞内除核酸以外一系列重要的,大分子如蛋白质、脂质和糖类合成的基地,。,1.,内质网的结构,根据其结构和功能,内质网可分为两种基本类型,:,粗面内质网,(,RER),和滑面内质网,(,SER),。,粗面内质网,(rough endoplasmic reticulum, RER),多呈大的扁平膜囊状,在电镜下观察排列极为整齐。,它是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构,普遍存在于分泌蛋白质的细胞中,主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。,rER,滑面内质网,(smooth endoplasmic reticulum, SER),无核糖体附着的内质网称为光面内质网,通常为小的膜管和小的膜囊状,而非扁平膜囊状,广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。,脂类合成的重要场所,它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。,sER,内质网的功能,Functions of the ER,蛋白质的合成是粗面内质网的主要功能,细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细,胞质基质，但有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网膜,上，继续进行蛋白质合成。,这些蛋白主要有：,向细胞外分泌的蛋白,，如抗体、激素；,膜的整合蛋白；,构成内膜系统细胞器中的可驻留蛋白；,需要进行修饰的蛋白,，如糖蛋白。,Figure A common pool of ribosomes is used to synthesize both the proteins that stay in cytosol and those that are transported into membrane-enclosed organells, including the ER.,一个共同的核糖体库用于合成留在胞质溶胶内和转运到包括内质网在内的膜被细胞器中的蛋白质。,mRNA,编码的胞质蛋白质依然在细胞质内游离,细胞质内游离的多核糖体,细胞质内总核糖体亚基库,多核糖体通过多重新生肽链结合到内质网膜,mRNA,编码蛋白质靶向的内质网依然是膜结合的,内质网的信号序列,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。,糖基一般连接在,4,种氨基酸上，分为,2,种：,O-,连接的糖基化（,O-linked,glycosylation,）：,与,Ser,、,Thr,和,Hyp,的,-OH,连接，连接的糖为半乳糖或,N-,乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行。,O-linked: linked to the hydroxyl group serine or,threonine,via,GalNac,(in,Golgi,),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,。,N-linked: linked to the amide nitrogen of,asparagine,(ER),内质网上进行,N-,连接的糖基化。糖的供体为核苷糖，如,CMP-,唾液酸、,GDP-,甘露糖、,UDP-N-,乙酰葡糖胺。,Figure Many Proteins are glycosylated in the RER,粗面内质网的主要功能是进行膜结合核糖体合成的蛋白质的运输，并在运输的同时对这些蛋白质进行加工修饰和折叠，以帮助这些蛋白质准确到达目的地。,滑面内质网是脂质合成的重要场所,细胞膜所需要的最重要的磷脂是在光面内质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他的膜。,内质网中的磷脂不断合成，使得内质网的膜面积越来越大，必须有一种机制将磷脂转运到其它的膜才能维持内质网膜的平衡,这就是,磷脂转运,。,磷脂的转运有两种方式,:,一种是凭借一种水溶性蛋白,叫磷脂转换蛋白（,PEP,）的作用在膜之间转移蛋白,;,另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上。,膜磷脂转移的两种方式,滑面内质网的其他功能,肝细胞的解毒作用,类固醇激素的合成,Ca,2+,的调节作用,糖原分解释放游离的葡萄糖,（二）高尔基体的形态结构与功能,The structure and functions of Golgi complex,高尔基体（,Golgi,body,）又称高尔基器（,Golgi,apparatus,）或高尔基复合体（,Golgi,complex,） ，是比较普遍存在于真核细胞内的一种细胞器。,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。,1.,高尔基体（,Golgi body,）的形态结构与极性,电子显微镜所观察到的高尔基体最富有特征性的结构是由一些,(,通常是,4,8,个,),排列较为整齐的扁平膜囊,(,saccules,),堆叠在一起,构成了高尔基体的主体结构。扁囊多呈弓形,也有的呈半球形或球形,均由光滑的膜围绕而成,膜表面无核糖体颗粒附着,膜囊周围有大量的大小不等的囊泡结构。,高尔基体是有,极性,的细胞器：位置、方向、物质转运与生化极性,。,靠近细胞核的一面扁囊弯曲成凸面又称形成面或顺面,（,cis,face,），,面向细胞膜的一面常成凹面又称成熟面或反面,（,trans face,）。,顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡。,高尔基体的膜囊结构及其排列,高尔基体至少由互相联系的,3,个部分组成，每一部分可能又分化出更精细的间隔。,功能区室,高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构（,cis Golgi network,CGN),位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。,CGN,接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质（有,KDEL,或,HDEL,序列）与脂质再返回内质网。,高尔基体中间膜囊（,media Golgi,）,由扁平膜囊与管道组成，形成不同的间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。,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这。,高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构（,trans Golgi network,TGN),TGN,位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入反面的细胞质中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。,TGN,的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出。,小泡,(vesicle,),在扁平囊的周围有许多小囊泡,直径,400-800,。这些小囊泡较多地集中在高尔基复合体的形成面。一般认为它是由附近的粗面内质网出芽形成的运输泡,.,它们不断地与高尔基体的扁平膜囊融合,使扁平膜囊的膜成分不断得到补充。,The Golgi Apparatus,高尔基体的极性,结构上的极性,:,高尔基体的结构可分为几个层次的区室,; ,靠近内质网的一面称为顺面,(,cis,face),或称形成面,(forming face),；高尔基体中间膜囊,(medial,Golgi,); ,靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络,(trans,Golgi,network,，,TGN),。,功能上的极性,:,高尔基体执行功能时是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序。,2.,高尔基体的功能,The Functions of Golgi complex,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,并分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输。因此,高尔基体是,细胞内大分子运输,的一个主要交通枢纽。,Copyright 2009 John Wiley & Sons, Inc.,51,Processing and Packaging,在高尔基体中进行的物质运输,RER,上合成蛋白质进入,ER,腔,COPII,运输泡进入,CGN,在,medial,Gdgi,中加工在,TGN,形成运输泡运输与质膜融合、排出。,高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。,De Duve, A.Claude and G.Palade,1974 Nobel Plrize,蛋白质的糖基化及其修饰,Glycosylation,in the,Golgi,complex,高尔基体对蛋白质的修饰与加工，主要是对,糖蛋白寡糖链的修剪、蛋白质的糖基化和特异蛋白质水解,等。,N,-,连接,和,O,-,连接,的糖基化，是蛋白质两类不同的糖基化修饰。,N,-,连接,的寡糖蛋白的合成起始于糙面内质网，完成于高尔基体。,O,-,连接,的主要或全部是在高尔基体内进行的。,特 征,N-,连接,O-,连接,1.,合成部位,糙面内质网,糙面内质网或高尔基体,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,表,3 N-,连接与,O-,连接的寡糖比较,内质网和高尔基体中，所有与糖基化及寡糖的加工有关的酶都是,整合膜蛋白,。它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。,脊椎动物细胞糖蛋白,N-,连接寡糖在内质网和高尔基体各膜囊区间的加工过程,？,蛋白聚糖,(,proteoglycan,),的合成,除了蛋白质的糖基化以外，高尔基体中也可以进行多糖的合成。动物细胞中合成的多糖主要是透明质酸，这是一种氨基聚糖,是细胞外基质的主要成分。植物细胞壁中的几种多糖，包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。,蛋白酶的水解和其他加工过程,蛋白质在高尔基体中酶解加工的方式有三种：,一是将没有生物活性的蛋白原,N,端或两端的序列切除形成有活性的多肽，如胰岛素；,二是将含有重复氨基酸序列的前体切割成有活性的多肽，如神经肽；,三是根据前体中不同的信号序列或同一前体在不同细胞中的不同加工方式而加工成不同种的多肽。,举例：,胰岛素是在胰岛,B,细胞中合成的,刚从内质网合成的多肽在,N-,末端有信号肽链,称前胰岛素原,(preproinsulin),相对分子质量为,12,000,。随后在内质网的信号肽酶的作用下,切除信号肽,成为胰岛素原,(proinsulin),相对分子质量,9,000,含,84,个氨基酸。运输到高尔基体后,通过蛋白酶的水解作用,生成一个分子由,51,个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子,C,肽。,胰岛素分子的加工成熟和运输,小泡,(,Secretory,vesicle,),在扁平囊的周围有许多小囊泡,直径,400-800,。这些小囊泡较多地集中在高尔基复合体的形成面。一般认为它是由附近的粗面内质网出芽形成的运输泡,.,它们不断地与高尔基体的扁平膜囊融合,使扁平膜囊的膜成分不断得到补充。,(,三,),溶酶体的结构与功能,The structure and functions of Lysosomes,Christian de Duve,等（,1955,）用生化手段分析大鼠肝细胞匀浆的梯度组分时发现的一种颗粒。溶酶体是由一层单位膜包着丰富的,磷酸水解酶,而构成，存在于所有的动物细胞中。溶酶体是,细胞内消化的主要场所,，在维持细胞正常代谢活动、防御及细胞的分化与衰老等方面起着重要的作用。,1.,溶酶体,（,lysosome),的结构类型,（,1,）溶酶体的形态,溶酶体（,lysosome,),：,单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类，囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内消化作用。,溶酶体是一种异质性,(heterogeneous),的细胞器,.,不同来源的溶酶体形态、大小,甚至所含有酶的种类都有很大的不同。溶酶体呈小球状,大小变化很大，直径一般,，最大的可超过,1m,最小的直径只有,25,50nm,。,溶酶体膜的稳定性,溶酶体的外被是一层单位膜,内部没有任何特殊的结构。由于溶酶体中含有各种不同的水解酶类,所以溶酶体在生活细胞中必须是高度稳定的。,溶酶体膜的特征,：,嵌有质子泵，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,；,膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解,溶酶体的酶类,溶酶体内含有,60,多种酶类,这些酶的最适,pH,值是,5.0,故均为酸性水解酶,(acid hydrolases),。,溶酶体的酶都有一个,共同的特点,都是水解酶类，在酸性,pH,条件下具有最高的活性。溶酶体的酶包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶等,。,溶酶体的形态、大小、及所含主要酶类,及膜中的,V-,型质子泵,示意图,A,lysosome contains hydrolytic enzymes and a H+ pump,（,2,） 溶酶体的类型,由于溶酶体在形态上的多样性和异质性，曾发现各种不同类型的溶酶体。根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段,大致分为初级溶酶体（,primary lysosome),、次级溶酶体,(secondary lysosome),和残余体,(residual body),。,初级溶酶体（,primary,lysosome,）,呈球形，直径约,，是高尔基体分泌形成的，有多种酸性水解酶，但没有底物,，酶处于非活性状态,，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等,60,余种，反应的最适,PH,值为,5,左右。,次级溶酶体,(secondary,lysosome,),是初级溶酶体与细胞内的自噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体，,含有水解酶和相应的底物，是一种,将要或正在进行消化作用,的溶酶体。根据所消化的物质来源不同,分为自噬溶酶体和异噬溶酶体。,自噬溶酶体,(,autolysosome,),是一种自体吞噬泡,作用底物是内源性的,即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。这种溶酶体广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用。,异噬溶酶体,(,heterolysosome,),又称异体吞噬泡,它的作用底物是外源性的,即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。异噬性溶酶体实际上是初级溶酶体同内吞泡融合后形成的。,Secondary lysosome,残体（,residual body,）,又称后溶酶体（,post-,lysosome,）已失去酶活性，仅留未消化的残渣。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。,肝细胞脂褐质,动物细胞溶酶体系统示意图,2.,溶酶体的功能,消化和防御功能：,溶酶体的基本功能是,对生物大分子强烈的消化作用,，这对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的侵染都有重要的意义。,其消化底物的来源有三种途径,:,自体吞噬,吞噬的是细胞内原有的物质,;,通过吞噬形成的吞噬体提供的有害物质,;,通过内吞作用提供的营养物质。,由于吞噬作用和内吞作用提供的被消化的物质都是来自细胞外,又将这两种来源的物质消化作用统称为,异体吞噬,(heterophagy),。,溶酶体的类型及在细胞消化过程中的作用,图中简示了溶酶体的四种消化作用,:A.,吞噬作用,;B,自噬作用,;C.,自溶作用,;D.,细胞外消化作用。,3.,溶酶体的发生,Biogenesis of Lysosomes,溶酶体酶是在糙面内质网上合成并经,N-,连接的糖基化修饰，然后转至高尔基体，在高尔基体的顺面膜囊中寡糖链上的甘露糖残基被磷酸化形成,M6P,，在高尔基体的反面膜囊和,TGN,膜上存在,M6P,受体，这样溶酶体的酶与其他蛋白质区分开来，并得以浓缩，最后以出芽的方式转运到溶酶体中。,知识拓展：,The transport of newly synthesized,lysosomal,hydrolases,to,lysosomes,.,溶酶体的酶寻靶过程、涉及的细胞器及机理,在细胞器更新中的作用：,清除无用的生物大分子,、,衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞,在受精过程中的作用：,受精过程中的精子的顶体（,acrosome,）反应。,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,M6P,N-,乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶,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,磷酸葡萄糖苷酶,磷酸化识别信号：信号斑,发生过程,（,1,） 溶酶体酶蛋白的,M6P,标记,溶酶体的酶上都有一个特殊的标记,6-,磷酸甘露糖,(mannose 6-phosphate, M6P),。,这一标记是溶酶体酶合成后在粗面内质网和高尔基体通过糖基化和磷酸化添加上去的。,Phosphorylation,of mannose residues on,lysosomal,enzymes catalyzed by two enzymes,Recognition site binds to Signal patch,GlcNAc phosphotransferase,phosphodiesterase,（,2,）溶酶体酶的,M6P,分选途径,这一途径的两个关键是,:M6P,标记和,M6P,受体蛋白。,M6P,受体蛋白,(M6P receptor protein),M6P,受体蛋白是反面高尔基网络上的膜整合蛋白,能够识别溶酶体水解酶上的,M6P,信号并与之结合,从而将溶酶体的酶蛋白分选出来。,M6P,受体蛋白主要存在于高尔基体的反面网络，但在一些动物细胞的质膜中发现有很多,M6P,受体蛋白的存在,这是细胞的一种保护机制,可防止溶酶体的酶不正确地分泌到细胞外。,分选途径,溶酶体酶前体从粗面内质网转移到顺面高尔基体,并进行甘露糖残基的磷酸化。在反面高尔基网络,磷酸化的酶同,M6P,受体结合,通过该受体将溶酶体的酶包装到由纤维状网格蛋白包被的小泡中,然后网格蛋白外被很快解体。无包被的运输小泡很快与次级内体融合,由于次级内体中,pH,呈酸性,致使磷酸化的酶与,M6P,受体脱离,接着脱磷酸。通过次级内体的分选作用,.,溶酶体的酶进入从次级内体出芽形成的运输小泡,接着同溶酶体融合完成溶酶体酶的传递过程。而受体重新回到高尔基体再利用。,M6P,受体也位于细胞质膜中,它能够同偶尔分泌到细胞外磷酸化的溶酶体酶结合,并形成由网格蛋白包被的运输泡,最后同样被传递给溶酶体。,溶酶体酶的甘露糖,6-,磷酸分选途径和溶酶体形成的主要过程,M6P,分选途径的特点,:,M6P,作为分选信号,; ,包埋在高尔基体中的受体能够被网格蛋白包装成分泌小泡,; ,出芽形成的溶酶体酶的运输小泡只同酸性的次级内体融合,; ,通过次级内体的分选作用使受体再循环。,（四）,溶酶体与过氧化物酶体,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。,Rhodin 1954,年发现于小鼠肾近曲小管上皮细胞，称其为微体。,C.de Dube,建议把微体命名为过氧化物酶体。,鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（,P,）,和其它细胞器如线粒体（,M,）,等,（,Albert et al.,，,1989,）,1.,过氧化物酶体与溶酶体的区别,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,，可作为电镜下识别的主要特征。,通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体,过氧化物酶体和溶酶体的差别,Triton WR1339,过氧化物酶,体与初级溶酶体的特征比较,2.,过氧化物酶体的功能,解毒作用,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，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶,：,依赖于黄素（,FAD,）的氧化酶：其作用是将底物氧化形成,H,2,O,2,；,过氧化氢酶，作用是将,H,2,O,2,分解，形成水和氧气,。,对氧浓度的调节作用,过氧化物酶体中的氧化酶都是利用分子氧作为氧化剂，催化下面反应：,RH2 +O,2,R + H,2,O,2,过氧化物酶体具有使细胞免受高浓度氧的毒性作用。,脂肪酸的氧化,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,。,含氮物质的代谢,尿酸氧化酶对于尿酸的氧化是必需的。尿酸是核苷酸和某些蛋白质降解代谢的产物，尿酸氧化酶可将这种代谢废物进一步氧化去除。,3.,过氧化物酶体的发生,通过二裂法进行增殖：过,氧化物酶体经分裂后形成子代的细胞器，子代的过氧化物酶体还需要进一步装配形成成熟的细胞器。,组成过氧化物酶体的蛋白均由,核基因编码,，主要在,细胞质基质中合,成，然后转运到过氧化物酶体中。,过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后转运而来。,过氧化物酶体发生过程的示意图,除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，然后转运至细胞的特定部位，也只有转运至正确的部位并组装成结构和功能的复合体，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,蛋白质分选（,protein sorting),。,四、蛋白质的分选及运输,蛋白质的合成,Synthesis of Proteins,1,）,游离核糖体 （,on,“,free,”,ribosomes,）,(a),留在细胞质基质中的蛋白质,proteins destined to remain in the cytosol,(b),细胞质内表面的外周蛋白,peripheral proteins of the inner surface of the plasma membrane,(c),转移到细胞核的蛋白质,proteins that are transported to the nucleus,(d),转移到过氧化物体,叶绿体和线粒体的蛋白质,proteins to be incorporated into peroxisomes, chloroplasts, and mitochondria.,2,）,粗面内质网上的核糖体,（,on ribosomes attached to the RER membranes,）,(a),分泌性蛋白,proteins secreted from the cell (secretory proteins),跨膜蛋白,integral membrane proteins,(c),留在内膜系统的蛋白质,soluble proteins that reside within compartments of the,endomembrane,system,在细胞质基质中合成的蛋白质分子的命运都取决于其,自身的氨基酸序列,，这些氨基酸序列中包含指导蛋白质到所需的细胞器去的,分选信号,。 典型的蛋白质,分选信号,是一段连续的氨基酸序列，通常有,1560,个氨基酸长。这个,信号序列,经常（但不总是）在分选任务完成后从蛋白质上被切除。 信号序列对于指导一个蛋白质到达一个特定的细胞器是必要和足够的。,1.,蛋白质的分选信号,表,15-3,一些典型的信号序列,注：带正电荷氨基酸以红色表示，带负电荷氨基酸以蓝色表示。一个疏水氨基酸的延伸区段以绿色表示。,+H3N,表示蛋白质的氨基端，,COO-,表示羧基端，内质网滞留信号通常用它的单字母氨基酸缩写表示，,KDEL,。,“Signal Hypothesis”,信号假说,-G.Blobel & D.Sabatini,1975.,例如,:,分泌性蛋白在粗面内质网上的核糖体合成过程,(1),信号肽,(singnal peptide),与共转运,（,Cotranslational translocation,）,A model for the Signal Mechanism of Cotranslational Import,信号假说（,Signal Hypothesis,）,1975,年和,根据对信号序列的研究成果,正式提出了,信号假说,，即分泌性蛋白,N,端序列,作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。,现已确认，指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成的决定因素是蛋白质,N,端的信号肽,，,信号识别颗粒,和内质网膜上的,信号识别颗粒的受体,（又称停泊蛋白）等因子协助完成这一过程。,信号肽（,ER signal sequence,）,位于蛋白质的,N,端，一般有,16,26,个氨基酸残基，其中包括疏水核心区、信号肽的,C,端和,N,端等三部分。,信号肽的一级序列,信号肽一级序列由疏水核心（,h,）、,C,端（,c,）和,N,端（,n,）三个区域构成。以血清白蛋白和,HIV-1,型病毒的糖蛋白,gp160,信号肽为例，显示出两者的,n,区长度明显不同。,Signal peptides(,信号肽）,信号识别颗粒 （,Signal-recognition particle,SRP),1981,年,发现了信号识别颗粒,(signal recognition,partical, SRP),是一种,核糖核蛋白复合体,沉降系数为,11S,，含有分子量为,72kDa,、,68kDa,、,54kDa,、,19kDa,、,14kDa,及,9kDa,的,6,条多肽和一个由,300,个核苷酸组成的,7SRNA,它的,作用是识别信号序列,并将核糖体引导到内质网上,。,信号识别颗粒受体,(docking protein, DP),即,SRP,在内质网膜上的,受体蛋白,它能够与结合有信号序列的,SRP,牢牢地结合,使正在合成蛋白质的核糖体停靠到内质网上来。,表,5-4,在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与,SRP,、,DP,和微粒体的关系,实验,组别,含有编码信号,SRP DP,微粒体序列的,mRNA,结 果,1,+ - - -,产？生含信号肽的完整多肽,2,+ + - -,合成,70,100,氨基酸残基后，,肽链停止延伸,3,+ + + -,产生含信号肽的完整多肽,4,+ + + +,信号肽切除，多肽链进入,微粒体中,*,“,+,”,和,“,-,”,分别代表反应混合物中存在（,+,）或不存在（,-,）该物质,。,分泌性蛋白在内质网上合成的共翻译转运过程：,信号肽与,SRP,结合肽链延伸终止,SRP,与受体结合,SRP,脱离信号肽肽链在内质网上继续合成，同时信号肽打开易位子通道新生肽链进入内质网腔信号肽切除肽链延伸至终止 合成体系解散。,这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为,共翻译转运（,co-translational translocation,）,。,Figure A soluble protein crosses the ER membrane and enters the lumen.,可溶性蛋白穿过内质网膜进入腔内。,多肽链从核糖体脱离,关闭的转运通道,切除的信号肽,信号肽酶,在内质网腔内成熟的可溶性蛋白质,转运通道,信号肽,开始转移序列（,start transfer sequence),和终止转移序列 （,stop transfer sequence),起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数,知识拓展：,开始转移序列（,start transfer sequence),和停止转移序列 （,stop transfer sequence),起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数,单次跨膜蛋白,开始转移序列,终止转移序列,两次跨膜蛋白,多次跨膜蛋白,(,2),导肽,（,leader peptide),与翻译后转运（,post-translational translocation,）。,线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,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的。,在细胞质中合成的线粒体和叶绿体中的前体蛋白由成熟形式的蛋白质和,N,端的,导肽（,leader peptide),共同组成。,导肽（导向序列，导向信号，转运肽）,导肽的性质,长约,2080,个氨基酸，通常带,正电荷的碱性氨基酸,，含量较为丰富,序列中不含有或基本不含有带负电荷的酸性氨基酸,羟基氨基酸如丝氨酸含量也较高,可形成既具亲水性又具疏水性的,螺旋结构，这种结构特征有利于穿越线粒体的双层膜。,导肽的特异性,具有细胞结构的特异性,前导肽的不同片段含有不同的信息,翻译后转运（,post-translational translocation,）,蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称,翻译后转运（,post-translational translocation,）。,蛋白质跨膜转移过程需要,ATP,使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如,热休克蛋白,Hsp70,）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。,线粒体蛋白质的运送与组装, 定位于线粒体基质的蛋白质的运送,定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送,叶绿体蛋白质的运送及组装,定位于,线粒体基质的蛋白质的运送,定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送,叶绿体蛋白质的运送及组装,summary,决定新合成的多肽转移到细胞的哪个部位的信息存在于多肽本身：,信号肽,决定细胞质基质中开始合成的蛋白质转移到内质网膜上；,缺少信号肽,的多肽，只能在细胞质基质中完成蛋白质的合成，然后再根据,自身的信号,转移到细胞的其他部位；,信号序列对于指导一个蛋白质到达一个特定的细胞器是必要和足够的。,Figure Signal sequences direct proteins to the correct organelle.,信号序列指导蛋白质到正确的细胞器。,内质网信号序列结合到胞质溶胶蛋白质,胞质溶胶内的蛋白质（无信号序列）,有信号序列的内质网蛋白质转移,有内质网信号序列的胞质溶胶蛋白质,转移的信号序列,内质网信号序列,内质网蛋白质,新合成的多肽如何正确折叠成为有功能的蛋白质？,蛋白质氨基酸一级结构中的信号；,分子“伴侣”：,细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或组装，这一类分子本身并不参与最终产物的形成。,信号识别颗粒（,SRP);,热休克蛋白,Hsp70,家族,2.,蛋白质分选的基本途径与类型,（,1,） 蛋白质分选的基本途径,两条途径：,翻译后转运途径：,在细胞质基质游离核糖体中完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、过氧化物酶体、细胞核及细胞质基质的特定部位；,共翻译转运途径：,蛋白质合成在游离核糖体上起始后由信号肽引导转移至糙面内质网，新 生肽边合成边转入粗面内质网腔中，随后经高尔基体运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外。,Road map of protein sorting,共翻译转运途径,翻译后转运途径,成熟的胞质蛋白质,线粒体,叶绿体,过氧化物酶体,细胞核,内质网,高尔基体,细胞表面,溶酶体,质膜,（,2,）蛋白质分选的类型：,跨膜转运（,transmembrane transport),膜泡运输,(vesicular transport),选择性的,门控转运,(gated transport),细胞质基质中的蛋白质的转运,分选指令存在于多肽自身，,继信号肽假说提出与确证后，人们又发现了一系列的信号序列，指导蛋白质的定向转运。,Figure Three main mechanisms by which membrane-bounded organelles import proteins.,膜被细胞器通过三种机制之一输入蛋白质。,通过核孔转运,跨膜转运,膜泡转运,3.,蛋白质运输,膜泡运输是蛋白质运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。,Figure Proposed movement of materials by vesicular transport between membranous compartments of the biosynthetic/secretory pathway.,三种不同类型的有被小泡具有不同的物质运输作用,COP,有被小泡,(COP coated vesicle),的组装与运输,介导细胞内,顺向运输,，即负责从内质网到高尔基体的物,质运输；,COP,包被蛋白由五种蛋白亚基组成；,COPII,有被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。,COPII,包被小泡的装配,:,Sar-GTP,与内质网膜的结合起始,COPII,亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面捕获并富集被转运的可溶性蛋白,2.,COPI,有被小泡,(COP,I,coated vesicle),的组装与运输,介导细胞内膜泡,逆向运输,，,负责从顺面高尔基体网状区到内质网膜泡转运。,COPI,包被含有,7,种蛋白亚基和一种调节膜泡转运的,GTP,结合蛋白,ARF,细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：,一是,转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运,；,二是对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。,通过识别驻留蛋白,C-,端的回收信号的特异性受体，以,COPI-,包被小泡的形式,捕获逃逸蛋白,（,escaped proteins,）,。,内质网驻留蛋白的回收图解,3.,网格蛋白有被小泡,(clathrin-coated vesicles),负责蛋白质从高尔基体,TGN,向质膜、胞内体、溶酶,或植物液泡运输。,在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜,细,胞质以及胞内体,溶酶体 的运输。,高尔基体的,TGN,区是网格蛋白有被小泡形成的发源地。,The formation of clathrin-coated,pits in the TGN,Cis face or forming face,Trans face or mature face,膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、去组装的复杂调控,在细胞的膜泡运输中，,糙面内质网,相当于重要的物质供应站，而,高尔基体,是重要集散中心。由于内质网的驻留蛋白具有回收信号，即使有的蛋白发生逃逸，也会保留或回收回来，所以有人将内质网比喻成,“,开放的监狱,”,（,open prison,）。高尔基体在细胞的膜泡运输及其随之而形成的膜流中起枢纽作用。高尔基体不同的膜囊具有各自不同的成分。同样，内质网、溶酶体、分泌泡和细胞质膜及胞内体也都具有各自特异的成分，这是行使复杂的膜泡运输功能的物质基础，但是在膜泡中又必须保证各细胞器和细胞间隔本身成分特别是膜成分的相对恒定。,4.,细胞结构体系的装配,生物大分子的装配方式,自我装配、协助装配、直接装配。,装配的生物学意义,减少和校正蛋白质合成中出现的错误,可大大减少所需的遗传物质信息量,通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程,Summary,Endomembrane system,The Flow of Membrane,Lysosome,Destined forExport,Golgi,EndoplasmicReticulum,Destined forGolgi,Membrane flow,Questions,1.,下列哪些提法是正确的？并解释你的答案。,氨基酸序列,Leu-His-Arg-Leu-Asp-Ala-Gln-Ser-Lys-Leu-Ser-Ser,是一个指引蛋白质到内质网中去的信号序列。,转运膜泡将蛋白质和脂质运到细胞表面。,溶酶体只消化那些被细胞由胞吞所摄入的物质。,N-,连接的糖链见于面向细胞表面的糖蛋白以及面向内质网腔、反面高尔基体网状结构和线粒体腔的糖蛋白。,2.,请思考有这样一种蛋白质，,其氨基端含有一个内质网信号序列，其中部含有一个核定位序列。你认为这种蛋白质的命运会如何？请解释你的答案。,