细胞生物学第七章.ppt

第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输,主要内容,第一节 细胞质基质的涵义和功能 一、细胞质基质的涵义 二、细胞质基质的功能 第二节 细胞内膜系统的形态结构和功能 一、内质网的形态结构与功能 二、高尔基体的形态结构与功能 三、溶酶体的形态结构与功能 第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 一、信号假说与蛋白质分选信号 二、蛋白质分选的基本途径与类型 三、膜泡运输 四、细胞结构体系的组装,第一节 细胞质基质的涵义和功能,真核细胞的细胞内膜将细胞质分隔成不同的区域： 细胞质基质（cytoso，cytoplasmic matrix）： 真核细胞的细胞质中，除去可分辨的膜性细胞器以 外的胶状物质，其体积约占细胞质的一半。 细胞内膜系统：内质网、高尔基体、溶酶体、胞 内体、分泌泡 其他膜包被的细胞器：线粒体、叶绿体、过氧化 物酶体、细胞核,一、细胞质基质的涵义,细胞质基质（cytoso，cytoplasmic matrix）： 真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的 胶状物质，其体积约占细胞质的一半。 用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、 线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构 后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学 家多称之为胞质溶胶。,成分：中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构、水分等 。 化学组分：小分子物质：水分子、无机离子等； 生物中等分子：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸等； 生物大分子：蛋白质、RNA、脂蛋白、多糖等。 特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。,二、细胞质基质的功能,许多代谢过程的场所（糖酵解、糖原合成、蛋白质脂质的合成等）； 与细胞骨架的选择性结合（细胞内功能的区域化）； 蛋白质修饰（糖基化、去/磷酸化、酰基化、甲基化、共价结合）； 控制蛋白质的寿命（由N端第一个氨基酸决定稳定性，泛素水解） 降解变性和错误识别的蛋白质； 帮助变性和错误折叠的蛋白质 重新折叠；（热休克蛋白）,细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联、由 膜包被的细胞器或细胞结构，主要包括内质网、高尔基体、 溶酶体、胞内体和分泌泡等。 内膜系统形成了一种胞内网络结构，其功能主要在于两个 方面： 扩大膜的总面积，为酶提供附着的支架，如脂肪 代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上； 是将细 胞内部区分为不同的功能区域，保证各种生化反应所需的独 特的环境。,第二节 细胞内膜系统及其功能,一、内质网的形态结构与功能 内质网（ER）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，体积占细胞 总体积的10%以上。 内质网是典型的异质性细胞器，在细胞分裂时，内 质网要经历解体和重建的过程。 内质网的存在大大增加了细胞内膜的表面积，为酶反 应提供了结合位点；,内质网形成的封闭体系，将内质网上合成的物质与细 胞质基质中合成的物质分隔开来，更有利于它们的加工 和运输； 内质网是细胞内除核酸以外的生物大分子如蛋白质、 脂质和糖类的合成基地。,（一）内质网的两种基本类型 粗面内质网（RER）和光面内质网（SER） 1、粗面内质网（RER） 多扁平囊状，膜表面有大量核糖体附着 功能是合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白 易位子：直径8.5nm, 通道2nm，内质网膜上的蛋白复合体通道，与新合成的多肽进入内质网有关,2、光滑内质网（SER） 常为分支管状，形成较为复杂的立体结构，表面没有核糖体附着 脂质合成的重要场所。,注意： 细胞中几乎没有纯的光面内质网，它们只是作为内质网这 一连续结构的一部分。 密度梯度离心技术将肝细胞的RER和SER分离开来，发现 粗面内质网上有20种以上蛋白与光滑内质网不同。 二者是一连续的整体，可能是有某些特殊的装置，将RER 和SER得部位隔开来，并维持其形态。,3、内质网与细胞内其它细胞器的关系 （1）、与细胞膜相连：甚至有管道相通 （2）、与外层核膜相接：内质网腔与核周隙相通 （3）、与高尔基体在结构、功能与发生上关系密切 （4）、rER与线粒体紧密相依： 过去：供能 最近：与脂质的相互交换及Ca2+释放的调节关系密切 （5）、ER的分布与微管走向一致 （核膜内质网高尔基体质膜）,（二）内质网的功能 内质网是细胞内蛋白与脂质合成的基地，几乎全部的脂质 和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的。其中最主要的 是卵磷脂。 蛋白质合成 蛋白质合成始于细胞质基质，但部分很快转至内质网膜 上。 在内质网上合成的蛋白质包括： 向细胞外分泌的蛋白质 膜的整合蛋白 构成细胞器中的可溶性驻留蛋白 蛋白质合成后的修饰,（卵磷脂）磷脂酰胆碱在内质网膜上的合成过程, 脂质合成 内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的全部膜脂。 合成磷脂的三种酶都定位在内质网膜上，活性部位在膜的细胞质基质一侧； 合成磷脂的底物来自细胞质基质，反应的第一步是增大面积；第二三步确定新合成磷脂的种类； 除卵磷脂外其他几种磷脂都已类似的方式合成。 合成的磷脂有内质网向其他膜的转运主要有两种方式： A、通过出芽方式转运到高尔基体，溶酶体和细胞膜上; B、 凭借磷脂转换蛋白（PEP）在膜之间转移磷脂；首 先PEP与磷脂分子结合成水溶性的复合物进入细胞质基质， 通过自由扩散，直至遇到靶膜时，PEP释放出来，并安插在 膜上。,蛋白质的修饰加工,糖基化: 在内质网的腔面，寡糖链连接在插入膜内的磷酸多萜醇上，当与糖基化有关的氨基酸残基出现后，通过膜上的糖基转移酶，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬氨酸残基上。,N连接的糖基化 糖:N乙酰葡萄糖胺 氨基酸：天冬氨酸 发生部位：内质网(rER) O连接的糖基化 糖：N乙酰半乳糖胺 氨基酸：丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸 发生部位：高尔基体（主要） 细胞质基质中只发现少数几种简单的糖基化,N-连接的糖基化过程,多萜醇,葡萄糖,甘露糖,N-乙酰葡糖胺,酰基化 发生在内质网的胞质侧 软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上 高尔基体、膜蛋白向细胞膜的转移中也发生类似 的酰基化 另外，在内质网上还发生羟基化和二硫键形成等,新生多肽的折叠与装配,1、蛋白二硫键异构酶 切断二硫键，帮助其重新形成 二硫键，并处于正确的状态,2、结合蛋白（Bip） 能识别不正确的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进其重新折叠与组装,3、4肽信号 滞留在内质网中的蛋白质的信号（KDEL）（-Lys-Asp-Glu-Leu-COO） 如 蛋白二硫键异构酶 结合蛋白（Bip）,折叠错误、畸形肽链、未装配等,胞质,通过Sec61p复合体,被蛋白酶体降解,内质网的其他功能,1）合成脂蛋白（外输性）肝细胞中的sER 2）解毒功能肝细胞中的sER 如：细胞色素P450家族酶系（又称加单氧酶系、羟化酶系） 由一些氧化还原酶构成，是电子传递系统，但不与 ATP合成相偶连 不溶于水的废物、代谢产物 细胞色素P450家族酶系 羟基化 尿液排出 3）合成固醇类激素睾丸间质细胞的sER 4）储存Ca2+肌细胞中的sER 5）为细胞质基质中的Pr、酶提供附着点 6）储存、运输物质，能量与信息传递，细胞的支持和运动 等作用。,三、内质网与基因表达的调控,粗面内质网的形态,光滑内质网的形态,内质网,二、高尔基体的形态结构与功能 高尔基体又称高尔基器或高尔基复合体。从发现至今已有百年历史，其中一半以上时间是进行关于其形态甚至是否真实存在的争论。20世纪50年代随着电镜技术的应用和超薄切片技术的发展，才证实了高尔基体的存在。这不仅由于当时研究手段光景的限制性，而且也反映了高尔基体的自身结构特征。高尔基体是有大小不一、形态多变的囊泡体系组成，在不同细胞中，甚至细胞生长的不同阶段都有很大的区别。,（一）高尔基体的形态结构与极性 1、结构：电镜下最富有特征的结构是由一些（常4 8）排列较为整齐的扁平膜囊堆叠成，构成其主 体，膜囊多呈弓形，也有的呈半球形。膜囊周围又 有大量的大小不等的囊泡结构。,高尔基体,高尔基体,高尔基体与内质网,2、有极性 很多细胞中，高尔基体靠近细胞核的一面，膜囊弯曲成凸面，又称形成面(forming face)或顺面(cis face)，面向胞质膜的一面常呈凹面，又称成熟面(mature face)或反面(trans face)。 顺面膜囊；中间膜囊；反面膜囊；泡囊,3、化学反应 嗜锇反应（形成面） 焦磷酸硫胺素酶反应（成熟面的12层膜） 胞嘧啶单核苷酸酶反应（靠近trans face面上的一些膜囊状，管状结构） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应 （中间几层扁平膜囊）,4、高尔基体的间隔区室 高尔基体至少由互相联系的4个部分组成，每一部分又 可能划分出更精细的间隔 （1）高尔基体顺面膜囊（cis ）或顺面网状结构（CGN） 接受内质网新合成的物质，分类后转入中间膜囊，小部分返回（驻留蛋白）； 丝氨酸O-连接的糖基化，跨膜蛋白胞质侧的酰基化 （2）高尔基体中间膜囊（medial Golgi） 由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。 多数糖基化修饰，膜质形成，多糖合成,（3）高尔基体反面的膜囊（trans）及反面高尔基体网状结构（TGN） 位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入 反面的细胞之中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。TGN 的形态更是处于不断的动态变化之中。 TGN的主要功能： 参与蛋白质的分类与包装、运输； 某些“晚期”的蛋白质修饰（如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工）在蛋白质与脂类的转运过程中的“瓣膜”作用，保证单向转运 。,（4）周围大小不等的囊泡 高尔基体周围常见大小不等的囊泡。其顺面一侧的囊泡可 能是内质网与高尔基体之间的物质运输小泡，称之为ERGIC （endoplasmic reticulum-Golgi intermediatecompartment）或称管状小泡丛VTCs （vesicular-tubular clusters）。,5、化学组成 高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类。 膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于ER和质膜之间，中性脂类主要包括胆固醇，胆固醇酯和甘油三酯。 高尔基体中的酶主要有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、 氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷 脂酶等不同的类型。,扁囊,（二）高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是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或分泌 到细胞外。 1、蛋白质的糖基化及其修饰 溶酶体中的水解酶类、多数细胞质膜上的膜蛋白和分泌蛋 白都是糖蛋白，而在细胞质基质和细胞核中绝大多数蛋白质 缺少糖基化修饰，这就说明，ER上合成的大多数蛋白质在 内质网和高尔基体中发生了糖基化。,与细胞内其他生物大分子如DNA、RNA和蛋白质合成不 同，糖蛋白中寡糖链的合成与修饰都没有模板，靠不同的酶 而且在细胞的不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。故 人们推测，真核细胞中普遍存在的糖基化一定具有某种重要 的功能。首先就是为各种蛋白质打上不同的标志，以利于高 尔基体的分类与包装，同时保证糖蛋白从ER至高尔基体膜囊 单方向转移。糖基化另一种功能是影响多肽的结构。,但很多糖蛋白的分选与行使功能并不需要糖基化修饰。 对多数由高尔基体分选的蛋白质来说，糖基化并非作为 蛋白质分选信号，更主要可能是有助于蛋白质成熟过程的折 叠成正确的构象和增加蛋白质稳定性,2、高尔基体参与细胞的分泌活动 负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过 程是SER上合成蛋白质，进入ER腔，出芽形成囊泡，进入 CGN，在medial Gdgi中加工，在TGN形成囊泡，囊泡与胞 质体融合、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。 分选：每一类蛋白质都有特异的标识（溶酶体中的酶带有 M6P, 6-磷酸甘露醇）；分选主要与蛋白质有关，分选和转 运的信息存在于编码该蛋白质的基因本身。,3、进行膜的转化功能 高尔基体的膜无论是厚度还是在化学组成上都处于内质网 和质膜之间，因此高尔基体在进行着膜转化的功能，在内质 网上合成的新膜转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成 运输泡与质膜融合，使新形成的膜整合到质膜上。 4、将蛋白水解为活性物质 如将蛋白质N端或C端切除，成为有活性的物质（胰岛素C 端）或将含有多个相同氨基序列的前体水解为有活性的多 肽，如神经肽。,5、参与形成溶酶体。 6、参与植物细胞壁的形成。 7、合成植物细胞壁中的纤维素和果胶质。,三、溶酶体的形态结构与功能 （一）溶酶体的形态结构与类型 1955年de Duve与Novikoff首次证明溶酶体 （lysosome）的存在。它是单层膜围绕、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 细胞内消化。它在维持细胞正常代谢活动及防御等 方面起着重要作用，特别是在病理学中具有重要意 义，故引起人们的高度重视。,溶酶体几乎存在于所有动物细胞中，植物细胞有与之功 能类似的细胞器圆球体、糊粉粒及植物中央液泡，原生 动物细胞也有类似溶酶体的结构。 具有异质性，不同的溶酶体其形态大小及内含的水解酶 种类都可能有很大的不同，标志酶为酸性磷酸酶。根据完成 其生理功能的不同阶段可分为初级溶酶体（primary lysosome），次级溶酶体（secondary lysosome）和残体 （residual body）。,后溶酶体（溶酶体残体）,1、初级溶酶体 直径约0.20.5um，膜厚7.5nm，内含物均一，无明显颗粒，外由一层脂蛋白膜围绕。含有多种水解酶，如蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酯酶、磷脂酶类，已知60余种，这些酶均属于酸性水解酶。如将可穿入细胞质膜的碱性物质加入细胞培养液中，则可使溶酶体酶失去活性。 溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同，主要区别是：膜上有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低，膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解，具有多种载体蛋白用于将水解的产物向外转运。,2、次级溶酶体 是初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体，分别称之为自噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体（phagolysosome），是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，前者消化的物质来自外源，后者消化的物质来自细胞本身的各种组分。 3、残体 又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，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，如肝细胞中的脂褐质。 溶酶体可以看做是以含有大量酸性水解酶为共同特征的，不同形态大小、执行不同生理功能的一类异质性细胞器。少量的溶酶体泄露到细胞质基质中，并不会引起细胞损伤，主要原因是细胞质基质中的PH值为7左右，在这种环境中溶酶体酶的活性大大降低。,（二）溶酶体的功能 溶酶体的基本功能是对生物大分子的强烈的消化作用，是细胞内的消化“器官”，只对于维持细胞的正常的代谢活动及防御微生物的侵染都有重要的意义。 1.清除无用的生物大分子,衰老的细胞器及其衰老损伤和死亡的细胞 不同细胞周期、不同分化阶段及不同省里状态下的细胞，都需要一系列特定的酶系统。细胞生理状态常常是通过酶系统的改变而改变。原核细胞的快速增殖可稀释不需要的酶。但真核细胞则需要通过降解的方式来清除暂时不需要的酶或代谢产物，溶酶体参与完成这一功能。 衰老的细胞器和生物大分子需不断清除一保证细胞正常的代谢活动。,2.防御作用 是某些细胞特有的功能，它可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其进一步降解。如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解。 有些病毒可以利用溶酶体的酸性环境释放核壳。,参与分泌过程的调节：如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素 细胞内消化：对高等动物而言细胞的营养物质主要来源于血液中的水分子物质，而一些大分子物质通过内吞作用进入细胞，如内吞低密度脂蛋白获得胆固醇，对一些单细胞真核生物，溶酶体的消化作用就更为重要。 细胞凋亡：个体发生过程中往往涉及组织或器官的改造或重建，如昆虫和蛙类的变态发育等等。这一过程是在基因控制下实现的，称为程序性细胞死亡，注定要消除的细胞以出芽的形式形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬并消化。 形成精子的顶体：顶体相当于一个化学钻，可溶穿卵子的皮层，使精子进入卵子。,3.其他功能,动物细胞溶酶体系统示意图,胞内体,溶酶体的消化作用一般可概括成3种途径：吞噬作用、胞饮作用、自噬作用每种途径都将导致不同来源的物质在细胞内消化。,（三）溶酶体的发生 初级溶酶体是在高尔基体的trans面以出芽的形式形成的，其形成过程如下： 内质网上核糖体合成溶酶体蛋白，进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰，进入高尔基体Cis面膜囊，N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑，将N-乙酰葡糖胺磷酸转移在12个甘露糖残基上，在中间膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成甘露糖-6-磷酸（M6P）配体，与trans膜囊上的M6P受体结合，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。,溶酶体的发生,（四）溶酶体与过氧化物酶体,过氧化物酶体（peroxisome）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细胞器。由J. Rhodin（1954）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。是一种具有异质性的细胞器，在不同生物及不同发育阶段有所不同。直径约0.2-1.5um，通常为0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等。 共同特点是内含一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urate oxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心。,人肝细胞过氧化物酶体,烟草叶肉细胞的过氧化物酶体,1、过氧化物酶体与溶酶体的区别,过氧化物酶体与初级溶酶体的特征比较 特征 溶酶体 微体 形态大小 大，球形,无酶晶体 小，球形，有酶晶体 酶种类 酸性水解酶 含有氧化酶类 是否需要O2 不需要 需要 功能 细胞内的消化作用 多种功能 发生 在粗面内质网合成 在细胞质基质中合成 识别的标志酶 酸性水解酶等 过氧化氢酶 PH 5左右 7左右,2、过氧化物酶体的功能 各类氧化酶的共性是将底物氧化后，生成过氧化氢。 RH2+O2R+H2O2 过氧化氢酶又可以利用过氧化氢，将其它底物（如醛、醇、酚）氧化。 RH2+H2O2R+2H2O 此外，当细胞中的H2O2过剩时，过氧化氢酶亦可催化以下反应： 2H2O2 2H2O + O2,在动物中过氧化物酶体参与脂肪酸的氧化（另一细胞器是线粒体），大鼠肝细胞过氧化物酶体在服用降脂灵后，酶浓度升高10倍。此外，过氧化物酶体还具有解毒作用，因为过氧化氢酶能利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在过氧化物酶体中氧化为乙醛。 在植物中过氧化物酶体主要有：参与光呼吸作用，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，在萌发的种子中，进行脂肪的-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体（glyoxysome）。,过氧化物酶体发生示意图,3、过氧化物酶体的发生,第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 蛋白质的分选（protein sorting）：又称蛋白质的定向 转运（protein targeting），指绝大多数的蛋白质均在细胞 质基质中的核糖体上开始合成，然后转运到细胞的特定部 位，装配成结构与功能的复合体，才能参与细胞的生命活动 这一过程。,一、信号假说与蛋白质分选信号 （一）信号假说 1975年Blobel和sabatini等提出了信号假说（signal hypothesis），即分泌性蛋白N端作为序列信号肽（signal sequence或signal peptide），指导分泌性蛋白到内质网膜 上合成，在蛋白合成结束前信号肽被切除。信号识别颗粒 (SRP)和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（停泊蛋白,DP） 等因子协助完成这一过程。,蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分： 1、信号肽（signal peptide） 引导新合成的肽链转移到内质网上合成的信号序列称为 信号肽，位于新合成肽链的N端，一般16-26个氨基酸残 基，含有6-15个连续排列的带正电荷的非极性氨基酸，包括 疏水核心区、信号肽的C端和N端三部分。 作用：通过与SRP的识别和结合, 引导核糖体与内质网 结合; 通过信号序列的疏水性，引导新生肽跨膜转运。 又 称开始转移序列（start transfer sequence）。 信号肽没有严格的专一性，目前尚未发现共同的信号序列。,细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号： （1）信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一 级结构上的线性序列，通常由15-60个氨基酸残基组成，有 些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（ signal peptidase）切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特 异性要求。,（2）信号斑（signal patch）：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 构成蛋白质分选的信号。 每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。如输入内质 网的蛋白质通常N端具有一段信号序列，含有6-15个带正电 荷的非极性氨基酸。目前对于信号斑了解较少，主要是因为 它存在于复杂的三维结构中，很难将其分离出来研究。,三种信号序列（signal sequence）,信号肽(signal peptide),指导内膜系统的蛋白质运输：内,质网，高尔基体，溶酶体 引导肽(leader peptide) 指导线粒体、叶绿体和过氧化 物酶体蛋白的运输,入核信号(Nuclear Localization Signal,NLS) 出核信号(Nuclear Export Signal,NES),指导核蛋白的运输,两类蛋白质分选信号,2、信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP） 组成：11S的核糖核蛋白质，由6条不同的肽链和 一个7s的RNA所组成。 3个功能域：识别信号肽；与SRP受体蛋白结合；翻译暂停结构域。干扰氨酰tRNA和肽酰基移位酶的反应，使多肽链的延伸终止。,3、SRP受体（停泊蛋白，docking protein） ER膜的整合蛋白，异二聚体：亚基亲水性位于细胞质 面；亚基疏水性嵌入内质网膜内。 可使SRP信号肽新生肽链核糖体的复合体连接到 ER膜上，使正在合成蛋白质的核糖体停泊在ER上。,4. 易位子（ translocon） 由3-4个Sec61蛋白构成的通道，直径2 nm 。哺乳动物细 胞中有三种类型的Sec61, 即、和。 5. 停止转移序列（stop transfer sequence） 又称终止转移肽，与内质网膜的亲合力很高，阻止肽链继 续进入网腔，成为跨膜蛋白。,分泌性蛋白在内质网上的合成的共翻译转运过程：,二、蛋白质分选的基本途径与类型 （一）蛋白质分选的两条基本途径： 1、共翻译转运Co-translation translocation 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，随后经高尔基体运至溶酶体、质膜、分泌到细胞外 （还包括内质网和高尔基体中的蛋白质）。 2、翻译后转运Post-translation translocation： 在细胞质基质中完成多肽链的合成（翻译），再转运至膜 结合的细胞器（如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核 等）或细胞质基质的特定部位。,（二）蛋白质转运的类型 1、跨膜运输（transmembrane transport）：在细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体和过氧化物酶体等细胞器； 2、膜泡运输（vesicular transport）：通过不同类型的转运小泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体，进而分选转运至细胞的不同部位； 3、选择性的门控转运（gated transport）：通过核孔复合体选择性的核输入和输出 4、细胞基质中的蛋白的转运。,三、膜泡运输 内膜系统之间的物质传递常通过膜泡运输进行。 多数运输小泡在膜的特定区域以出芽的方式产生。表面具 有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。 衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被具有 两个主要作用：选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运 输小泡；如同模具一样决定运输小泡的外部特征，相同性 质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积。,有被小泡在细胞内沿微管或微丝运输。,与膜泡运输有关的马达蛋白有3类，在这些马达蛋白,的牵引下，可将膜泡运到特定的区域。,动力蛋白（dynein），趋向微管负端；,驱动蛋白（kinesin），趋向微管正端；,肌球蛋白（myosin），趋向微丝的正极。,（一）衣被类型 已知三类具有代表性的衣被蛋白，即：笼形蛋白 （clathrin）、COPI和COPII，各介导不同的运输途径。,1、笼形蛋白（网格蛋白）有被小泡 笼形蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到 内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜 泡运输。 笼形蛋白分子由3个重链和3个轻链组成，形成一 个具有3个曲臂的形状（triskelion）。许多笼形蛋白的曲臂 部分交织在一起，形成一个具有5边形网孔的笼子。,笼形蛋白衣被小泡(电镜照片，分子模型，衣被模型),笼形蛋白衣被小泡的形态,笼形蛋白形成的衣被中还有衔接蛋白（adaptin），介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4种不同类型的衔接蛋白，可分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。 当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白动力素（dynamin）聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜拉近（小于1.5nm），导致膜融合，动力素是一种GTP酶，调节小泡以出芽形式脱离膜的速率。动力素可以召集其它可溶性蛋白在小泡的颈部聚集，通过改变膜的形状和膜脂的组成，促使小跑颈部的膜融合，形成衣被小泡。 当衣被小泡从膜上释放后，衣被很快就解体，属于hsp70家族的一种分子伴侣充当衣被解体的ATP酶。,笼形衣被小泡的组成,Clathrin衣被小泡的掐断过程,2、COP I有被小泡 负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。 内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体。内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡 ：一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。,内质网的正常驻留蛋白，不管在腔中还是在膜上，它们在C端含有一段回收信号序列（retrieval signals），如果它们被意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体cis面，则cis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COPI衣被小泡将它们返回内质网。内质网腔中的蛋白，如蛋白二硫键异构酶和协助折叠的分子伴侣，均具有典型的回收信号Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号，通常是Lys-Lys-X-X（KKXX，X：任意氨基酸），同样可保证它们的回收。 COP I衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。,COPI衣被小泡,3、COP有被小泡 介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形成类似于COP I的衣被小泡，某些温度敏感型的酵母，由于COP II衣被蛋白发生变异，在特定温度下会在内质网中积累蛋白质。 COP II衣被由多种蛋白质构成，其中Sar1GTP酶与Sec23/ Sec24复合体结合在一起，形成紧紧包围着膜的一层衣被。真核生物的COP II衣被蛋白亚单位具有一些横向同源物（Paralog），这些同源物可能介导不同的蛋白质转运，具有不同的调节机制。,COP II衣被小泡形成于内质网的特殊部位，称为内质网出口（exit sites），这些部位没有核糖体，由交织在一起的管道和囊泡组成网络结构。 由内质网到高尔基体的蛋白转运中，大多数跨膜蛋白是直接结合在COP II衣被上，但是少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II衣被结合，这些受体在完成转运后，通过COP I衣被小泡返回内质网。 COP II衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样。,内质网驻留蛋白回收示意图,（二）衣被的形成 衣被是在一类叫作衣被召集GTP酶（coat-recruitment GTPase）作用下形成的。衣被召集GTP酶通常为单体GTP酶（monomeric GTPase），也叫G蛋白，起分子开关的作用，结合GDP的形式没有活性，位于细胞质中，结合GTP而活化，转位至膜上，能与衣被蛋白结合，促进组装。 衣被召集GTP酶包括Arf蛋白和Sar 1蛋白，Arf参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COP I衣被的形成，Sar 1参与内质网上COP II衣被的形成，两者的作用方式大体相似。质膜上笼形蛋白衣被的形成也与GTP酶有关，但其成分尚不明确。,衣被召集GTP酶大量存在于细胞质中，但处于结合GDP的失活状态。当内质网上要形成COPII衣被小泡时，Sar 1释放GDP结合GTP而激活，激活的Sar 1暴露出一条脂肪酸的尾巴，插入内质网膜，然后开始召集衣被蛋白，以衣被蛋白为模型形成运输小泡。活化的衣被召集GTP酶还可以激活磷脂酶D（phospholipase D），将一些磷脂水解，使形成衣被的蛋白质牢固地结合在膜上。 衣被召集GTP酶对衣被的形成其动态调节作用，当多数衣被召集GTP酶处于结合GTP的状态时，它催化衣被的形成；反之当多数衣被召集GTP酶处于结合GDP的状态时，它催化衣被的解体。因此衣被的形成过程是边形成便解体的动态过程，只有在组装速率大于解体速率时，才能形成衣被小泡。,COPII衣被小泡的组装,膜泡锚定与融合的特异性是通过转运泡膜上的蛋白和靶膜上的蛋白相互作用获得的,（三）膜泡运输的定向机制 衣被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，马达蛋白水解ATP提供运输的动力。各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs（soluble NSF attachment protein receptor）和Rabs（targeting GTPase）。其中SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合，Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜。,1、SNAREs SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合。动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。v-SNAREs和 t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体（trans-SNAREs complexes），并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。 在SNAREs接到新一轮的运输小泡停泊之前，SNAREs必须以分离的状态存在，NSF（N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein, NSF）催化 SNAREs的分离，它是一种类似分子伴娘的ATP酶，能够利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptor protein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开,T 和 V SNAR,SNAR复合体,SNAR复合体的解离,在神经细胞中SNAREs负责突触小泡的停泊和融合，破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地降解SNAREs，从而阻断神经传导 精卵的融合、成肌细胞的融合均涉及SNAREs，另外病毒融合蛋白的工作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。,病毒融合蛋白的工作原理,2、Rabs Rab也叫targeting GTPase，属于单体GTP酶，结构类似于Ras，已知30余种。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。与衣被召集GTP酶相似的是，起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中，结合GTP激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNAREs复合体的形成。Rabs的调节蛋白与其它G蛋白的相似。Rabs还有许多效应因子（effector），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAREs释放它的抑制因子。许多运输小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。,Rab的作用,四、细胞结构体系的组装,生物大分子的装配方式：,自我装配（self-assembly）：装配信息存在于装配亚基本身； 协助装配（aided-assembly）：其装配除装配亚基外还需其它成分的介入； 直接装配（direct-assembly）：亚基直接装配到已形成的结构上。,生物大分子装配的生物学意义 ：,减少和校正蛋白质合成中出现的错误； 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 。,