1、第六章 真核细胞内膜系统、蛋白质 分选与运输(1),College of Life Science and Technology, XINJIANG University,本章教学要点 细胞质基质 细胞内膜系统及其功能 细胞内蛋白质的分选与运输 小结,肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占体积的百分比（引自Albert.1998）,第一节 细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix）,细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半,一、细胞质基质的涵义,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
2、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。 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架成分。 主要特点：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。, 完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等 蛋白质的合成、分选与运输 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解,二、细胞质基质的功能, 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解 蛋白质的修饰 P173 控制蛋白质的寿命（决定蛋白质寿命的信号） 降解变性和错误折叠的蛋白质泛素 蛋白酶体 帮助变性或错误
3、折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象热休克蛋白（分子伴侣）,细胞内膜系统概述,细胞内膜系统（endomembrane system）是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、微体、胞内体和分泌泡。膜将细胞内环境分割成许多功能不同的区室，通过蛋白质分选和膜运输实现膜结构的相互转换。真核细胞胞内的区域化（compartmentalization）,真核细胞功能区隔的主要功能,细胞质 代谢通路；蛋白质的合成 细胞核 含有核基因组; DNA 和 RNA 合成 内质网 脂类的合成；蛋白质合成和运输 高尔基体 分泌到细胞外或运输到其他细胞器的
4、蛋 白质和脂类的修饰，分选及包装 溶酶体 细胞内物质降解 胞内体 被内吞物质的分选 线粒体 氧化磷酸化合成ATP 叶绿体 光合作用进行ATP合成和碳固定 过氧化酶体 有毒物质氧化分解和再利用,一、 内质网(endoplasmic reticulum,ER),1、内质网的两种基本类型粗面内质网（ rough endoplasmic reticulum，rER）光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）微粒体（microsome）研究内质网化学组成和功 能的好材料肌质网（sarcoplasmic reticulum）特化的内质网内质网与多种细胞器在进化上有密切关
5、系。,2、ER的功能,ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。, rER的功能 蛋白质合成 蛋白质的修饰与加工 新生肽的折叠与组装,蛋白质合成,分泌性蛋白；整合膜蛋白；内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白（需要隔离或修饰）。 分泌性蛋白：酶、酶原、抗体、细胞外基质、多肽激素、细胞因子、神经递质、生长因子及粘蛋白等。 膜蛋白：指内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜、胞内体膜及质膜上的膜蛋白，具有方向性。 细胞器驻留蛋白 注意：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中“游离”核糖体。,蛋白质的修饰与加工,修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成
6、等 糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER膜上的N- linked glycosylation（Asn） 供糖体是什么分子？ 寡糖链的合成方式有何特点？ 怎样移交和连接？ 酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸Cys,新生肽的折叠与组装,非还原性的内腔，易于二硫键形成； 正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL 或 HDEL信号蛋白。 二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键，并处于正确折叠的状态 结合蛋白（Binding protein，Bip，chaperone） 识别错误折叠的蛋白或未装配好
7、的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。, sER的功能, 脂类的合成例：卵磷脂的合成类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质） 肝细胞的解毒作用（Detoxification） System of oxygenases-cytochrome p450 family； 肝细胞糖原分解，释放葡萄糖（G-6PG） 储存钙离子：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中,脂类的合成,ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇） 两种例外鞘磷脂和糖脂（ER开始Golgi complex完成）Mit/Chl某些单一脂类是在它们自己的膜上合成的 各种不同的细胞器具有明显不同
8、的脂类组成： phosphatidylcholine:ERGCPM（高低）phosphatidylserine:PMGCER（高低） phospholipid translocator / flippase与膜脂转位 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol； 磷脂的转运: transport by budding：ERGC、Ly、PMtransport by phospholipid exchange proteins（PEP）ERother organelles（including Mit and Chl）。,合成的磷脂以出芽方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；或借磷脂转换
9、蛋白形成水溶性复合物，转至其他膜上。,3、内质网与基因表达的调控,内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔 基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。主要涉及三个因素： 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。 折叠好的膜蛋白的超量积累。 内质网膜上膜脂成份的变化主要是固醇缺乏通过不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达， 保证内质网正常行使其功能,二、 高尔基复合体（Golgi complex）,1、高尔基体的形态结构与极性, 电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成 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 高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应：
10、 高尔基体至少由互相联系的4个部分组成 高尔基体的位置与细胞骨架关系密切高尔基的膜囊上存在微管的动力蛋白（cytoplasmic dynein和kinesin）和微丝的马达蛋白（myosin），还发现特异的血影蛋白（spectrin）网架 。它们在维持高尔基体动态空间结构以及复杂的膜泡运输中起重要的作用。,扁囊弯曲成凸面又称形成面（forming face）或顺面（cis face）面向质膜的凹面（concave）又称成熟面（mature face）或反面（trans face）,高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应, 嗜锇反应显示高尔基体cis面膜囊； 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）
11、或甘露糖酶细胞化学反应，显示中间几层扁平囊 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应显示trans面12层膜囊； 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）或核苷二磷酸酶细胞化学反应显示靠近trans面膜囊和管状结构, 高尔基体顺面网状结构（cis-Golgi network，CGN）又称cis膜囊 高尔基体中间膜囊（medial Golgi）蛋白质的糖基化修饰；糖脂的形成； 高尔基体反面管网结构（trans Golgi network，TGN） 周围大小不等的囊泡顺面的囊泡称内质网转运小泡反面的体积较大的囊泡称分泌泡或分泌颗粒,高尔基体的4个组成部分,高尔基体顺面网状结构, RER（蛋白质和脂类）（蛋白质K
12、DEL或HDEL）CGN；蛋白丝氨酸残基发生O-连接糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；,高尔基体反面网状结构, TGN中的pH值可能较低； 标志酶：CMP酶阳性 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） TGN在蛋白质与脂类的转运过程中起“瓣膜”作用，保证单向转运 。,2、 高尔基体的功能, 高尔基体与细胞的分泌活动 蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白酶的水解和其它加工过程,高尔基体与细胞的分泌活动,例1 用3H亮氨酸对分泌性蛋白的代谢过程进行追踪观察蛋白质的合成和流向 例2 蛋白质在高尔基体
13、中的分选现象溶酶体酶的分选：M6P反面膜囊M6P受体与M6P形成相关的两种酶 例3 蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因中在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。,流感病毒囊膜蛋白特异性地转运 上皮细胞游离端的质膜 水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞基底面的质膜 水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号 Asp-X-Gln或DXE）起重要的作用,蛋白质的糖基化及其修饰,糖蛋白：溶酶体中大多数水解酶、多数质膜的膜蛋白、分泌性蛋白（细胞外基质、分泌性抗体、酶原等） 蛋白质糖基化类型 蛋白质糖基化的特点及其生物学意义 蛋白聚糖在高尔基体中组装
14、植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖 糖脂的合成-类似于糖蛋白,蛋白质糖基化类型,N-连接与O-连接的寡糖比较,蛋白质糖基化所需的酶 酶分布的规律 甘露糖基转移酶 主要在rER中 岩藻糖、半乳糖基转移酶 主要在GC中 唾液酸转移酶 主要在TGN中 糖蛋白的寡糖链的合成和加工就像在一条装配流水线，前一反应的产物就是后一反应的底物。,蛋白质糖基化的特点及其生物学意义, 特点：糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。, 糖基化的生物学意义：使蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性；改变蛋白质的水溶性和荷电性； 改变蛋白质的空间构象。对多
15、数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。, 进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面，这就可能使真核细胞具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动,蛋白聚糖在高尔基体中组装 一个或多个糖胺聚糖（通过木糖）结合到核心蛋白的Ser残基上，形成蛋白聚糖。,蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型, 无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体切除N-端或两端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。 蛋白质前体高尔基体水解多个相同的有活性的多肽，如神经肽等。 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物。 同一种蛋白质前体在不同细胞以不同的方式加工不同的多肽。,加工方式多样性的可能原因：确保小肽分子的有效合成；弥补缺少包装并转运到分泌泡所必要的信号；有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。,3、高尔基体与细胞内的膜泡运输,高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用膜泡运输的主要途径多数与高尔基体直接相关,
