null第一节 蛋白质分选的基本原理第一节 蛋白质分选的基本原理细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面:
其一是蛋白质中包含特殊的信号序列(signal sequence)。
其二是细胞器上具特定的信号识别装置(分选受体,sorting receptor)。signal sequence and signal patchsignal sequence and signal patch一、蛋白质分选信号一、蛋白质分选信号①信号序列(signal sequence):引导蛋白质定向转移的线性序列,通常15-60个氨基酸残基,对所引导的蛋白质没有特异性
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。
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。null二、蛋白质分选运输机制二、蛋白质分选运输机制1、门控运输(gated transport):如通过核孔复合体的运输。
2、跨膜运输(transmembrane transport):蛋白质通过跨膜通道进入目的细胞器。
3、膜泡运输(vesicular transport):蛋白质在内质网或高尔基体中被包装成衣被小泡,选择性地运输到靶细胞器。第二节 胞内膜泡运输第二节 胞内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
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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。null衣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、衣被类型一、衣被类型已知三类:
笼形蛋白(clathrin)
COPI
COPII
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。三种衣被小泡的功能三种衣被小泡的功能(一)笼形蛋白衣被小泡(一)笼形蛋白衣被小泡运输途径:质膜→内体;高尔基体→内体;高尔基体→溶酶体、植物液泡。
衣被结构:3重链、3轻链,形如triskelion。clathrin的曲臂交织在一起,形成5边形网孔的笼子。
衔接蛋白:连接衣被与受体。 nullClathrin coated vesiclesnullDeep-etch view of a typical clathrin latticenullSelective transport by clathrin coated vesiclesnull当衣被小泡形成时,可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的柄部,使柄部的膜尽可能地拉近(小于1.5nm),导致膜融合,pinch off衣被小泡。 (二)COP I衣被小泡(二)COP I衣被小泡功能:回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins)返回内质网;也可介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。
组成:由7种蛋白组成。
回收信号:Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)。nullCOP I VesiclesnullCop I and II VesiclesnullLys-Asp-Glu-Leu(KDEL)(三)COPⅡ衣被小泡(三)COPⅡ衣被小泡介导内质网到高尔基体的物质运输。形成于内质网出口位点,该处无核糖体。
主要亚基:Sar1GTP、Sec23/Sec24、Sec13/Sec31。
多数跨膜蛋白直接与COP II结合,少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II结合。
分选信号:位于跨膜蛋白胞质面,形式多样,常包含双酸性基序[DE]X[DE] ,如Asp-X-Glu。nullCOP II VesiclesnullCOPII Coated vesicle二、衣被形成二、衣被形成衣被召集GTP酶:为G蛋白,活化状态可引起衣被蛋白聚集,包括ARF和SAR 1。存在于细胞质,激活后转位到膜上。
ARF:参与clathrin和COP I衣被的形成。
SAR 1:参与COP II衣被的形成。nullER上形成COPII小泡时,SAR1交换GDP/GTP而激活。
激活的SAR1暴露出脂肪酸链尾巴,插入ER膜,促进衣被蛋白的核化和组装。
SAR1可激活磷脂酶D,将一些磷脂水解,使衣被蛋白牢固地结合在膜上。
当小泡从膜上释放后,衣被很快就解体。Coat assemblyCoat assembly三、膜泡运输的定向机制三、膜泡运输的定向机制(一)SNAREs
功能:介导运输小泡与靶膜的融合。
类型:v-SNAREs和t-SNAREs。
结构:具有一个螺旋结构域,相互缠绕形成跨SNAREs复合体,将小泡与靶膜拉在一起。nullSNAREsnullSNAREs in vesicle transportnull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能选择性地降解SNAREs,阻断神经传导。
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。 HIV fusion proteinHIV fusion protein(二)Rabs(二)Rabs也叫targeting GTPase,属于G蛋白,起分子开关作用。已知30余种,不同膜上具有不同的Rabs。
Rabs促进和调节运输小泡的停泊和融合。
Rabs还有许多效应因子,帮助运输小泡聚集和靠近靶膜,触发SNAREs抑制因子。 nullRabs in docking四、受体介导的内吞四、受体介导的内吞批量内吞(Bulk-phase endocytosis):非特异性的摄入细胞外物质,穴样内陷(caveolae)是发生批量内吞的部位。
受体介导的内吞 (receptor mediated endocytosis)是一种选择浓缩机制。LDL、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等都通过RME转运。 null衣被小窝(coated pits)是质膜内凹的部位,相当于分子过滤器(约占肝细胞表面积2%)。受体、笼形蛋白和衔接蛋白大量集中于此处。
受体胞质端的Tyr-X-X-Φ是衔接蛋白识别的信号,X为任何氨基酸,Φ为分子较大的疏水氨基酸(如Phe、Leu、Met)。
受体同配体结合后启动内化作用,衣被开始组装。nullClathrin coated pit
on the cytosolic
face of a cellnull低密脂蛋白的吸收:
胆固醇主要在肝细胞中合成,以低密脂蛋白(low-density lipoproteins,LDL)释放到血液。
LDL颗粒芯部含有被长链脂肪酸酯化的胆固醇分子。周围由磷脂和胆固醇构成的脂单层包围,有一个较大的Apo-B蛋白(配体)。nullLDL ParticlenullLDL endocytosisnull细胞需要胆固醇时,合成LDL跨膜受体蛋白。
受体与LDL颗粒结合后,形成衣被小泡;
进入细胞质的小泡随即脱掉衣被,成为平滑小泡,同早期内体融合,内体中PH值低,使受体与LDL颗粒分离;再经晚期内体将LDL送人溶酶体。
在溶酶体中,LDL被水解成游离的胆固醇。nullThe receptor-mediated endocytosis of LDLnullLDL Endocytosisnull受体回收途径:
①大部分返回原来的质膜结构域,如LDL受体;
②有些进入溶酶体被消化,如EGF的受体,称为受体下行调节(receptor down-regulation);
③有些被运至质膜不同的结构域,形成穿胞运输(transcytosis)。nullTranscytosis五、外排作用五、外排作用组成型外排途径:由TGN区分泌囊泡向质膜运输,通过default pathway完成转运。更新膜蛋白和膜脂、形成ECM、营养成分或信号分子。
调节型外排途径:如激素或酶储于分泌泡内,当细胞在受到胞外信号刺激时,分泌泡释放出去。nullThe constitutive and regulated secretory pathways第三节 内质网第三节 内质网Porter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endoplasmic reticulum,ER。一、形态与组成一、形态与组成约占细胞总膜面积的一半,是封闭的网络系统。
分为RER和SER。
RER呈扁平囊状,排列整齐,有核糖体附着。
SER呈分支管状或小泡状,无核糖体附着。
细胞不含纯粹的RER或SER,它们分别是ER连续结构的一部分。 RERRERnullSERnull膜含60%的蛋白和40%的脂类,PC含量较高,SM含量较少,没有或很少含胆固醇。
约30多种膜结合蛋白,另有30多种位于ER网腔。
葡糖-6-磷酸酶是ER标志酶,核糖体结合糖蛋白(ribophorin)只分布在RER,P450酶系只分布在SER。 二、ER的功能二、ER的功能(一)蛋白质合成
内质网上合成的蛋白主要有:
向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素;
膜的整合蛋白;
需要与其它细胞组分严格分开的酶,如溶酶体的各种水解酶;
需要进行修饰的蛋白,如糖蛋白。nullBlobel等(1975)提出信号假说,认为蛋白质N端的信号肽,指导蛋白质转至内质网上合成,获1999年诺贝尔生理医学奖。Blobel with members of his laboratoryGünter Blobelnull蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分:
信号肽:位于N端,约16~30个氨基酸,含有6-15个连续排列的带正电荷的非极性氨基酸,又称开始转移序列。
信号识别颗粒(SRP):6种多肽和1个7S RNA组成,属RNP。与信号序列结合,导致Pr合成暂停。AA Sequences of ER Signal PeptidesAA Sequences of ER Signal PeptidesnullSRP受体,ER膜的整合蛋白,异二聚体,可与SRP特异结合。
停止转移序列,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。
转位因子,由3-4个Sec61蛋白构成的通道,每个Sec61由3条肽链组成。 nullTranslocation of proteins across ER蛋白质转入内质网合成的过程:蛋白质转入内质网合成的过程:信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→SRP脱离→肽链进入内质网→信号肽切除→肽链延伸至终止。
这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式,称为co-translation。nullInsertion of Transmembrane protein into the ER membrane(二)蛋白质的修饰与加工(二)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,几乎所有内质网上合成的蛋白最终都被糖基化。
糖基化的作用:
①使蛋白质能够抵抗消化酶的作用;
②赋予蛋白质传导信号的功能;
③某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。null糖基一般连接在4种氨基酸上,分为2种:
N-连接的糖基化:与天冬酰胺残基的NH2连接,糖为N-乙酰葡糖胺。
O-连接的糖基化: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。null内质网上进行N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖,如GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺。
糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇分子上,装配成寡糖链。
再被寡糖转移酶转到Asn-X-Ser或Asn-X-Thr的Asn上。 nullProtein glycosylation in RERnullProtein glycosylation in RERnullProtein glycosylation in RER(三)新生肽链的折叠、组装和运输(三)新生肽链的折叠、组装和运输蛋白的折叠在hsp70家族的ATP酶的作用下完成 。
无法正确折叠的蛋白被转入溶酶体降解,约90%的新合成T细胞受体亚单位和Ach受体都被降解,而从未到达靶膜。
COP II介导由ER输出的膜泡运输。(四)内质网的其它作用(四)内质网的其它作用合成磷脂、胆固醇等。
解毒,如肝细胞的细胞色素P450酶系。
参与甾体类激素的合成。
使葡糖6-磷酸水解,释放糖至血液中。
储存钙离子,作为胞内信号物质,如肌质网。
提供酶附着的位点和机械支撑作用。第四节 高尔基体第四节 高尔基体发现于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。一、形态与组成一、形态与组成由扁平囊泡堆积而成,有极性。通常4~8个(某些藻类较多)扁平囊在一起,构成Golgi stack。
分布于ER与细胞膜间,呈弓形或半球形。
凸出的一面对着ER称为顺面(cis face),凹进的一面对着质膜称为反面(trans face)。nullStructure of the Golgi ComplexnullDistribution,nucleus green,Golgi body rednull膜含有约60%的蛋白和40%的脂类,具有一些和ER共同的蛋白成分。
主要的酶有糖基转移酶、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。
标志酶为糖基转移酶。二、功能区隔二、功能区隔cis Golgi network,CGN是入口区域。
medial Golgi,多数糖基修饰,糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成发生于此处。
trans Golgi network,TGN是出口区域,参与蛋白质的分类与包装,最后输出。 nullGolgi networknull高尔基体不同区域的细胞化学反应:
①嗜锇反应:cis面膜囊被特异地染色;
②TPP酶:trans面的膜囊;
③NADP酶:显示中间的膜囊;
④CMP酶:trans面的囊状和管状结构。三、主要功能三、主要功能1、参与细胞分泌活动:RER合成Pr→ER腔→COPII小泡→CGN→medial Gdgi加工→TGN区形成运输泡→与质膜融合、排出。
高尔基体依据信号序列或信号斑对蛋白质分类。
2、O-连接的糖基化:糖的供体为核苷糖。null3、进行膜的转化功能:ER合成膜脂转移至高尔基体,经过修饰和加工,形成运输泡与质膜融合。
4、将蛋白水解为活性物质:如将胰岛素C端切除;或将神经肽前体降解为活性片段。
5、参与形成溶酶体。
6、植物细胞壁的形成,合成纤维素和果胶质。第五节 溶酶体与过氧化物酶体第五节 溶酶体与过氧化物酶体Lysosome为de Duve与Novikoff 1955年发现。Peroxisome由Rhodin 1954在鼠肾小管上皮细胞中发现。 一、溶酶体的结构一、溶酶体的结构含酸性水解酶(最适pH=5),执行细胞内消化。
具有异质性,酸性磷酸酶是标志酶。
膜有质子泵,溶酶体内pH值低。
膜蛋白高度糖基化。null1、初级溶酶体(primary lysosome)
由高尔基体分泌形成,含多种酸性水解酶。null2、次级溶酶体(secondary lysosome)
是正在进行或完成消化作用的溶酶体,分为自噬溶酶体和异噬溶酶体。
3、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,故名。可排出细胞,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。nullSecondary lysosomenull肝细胞脂褐质二、溶酶体的功能二、溶酶体的功能细胞内消化:如从LDL释放胆固醇,单细胞真核生物籍其消化食物。
自体吞噬:清除无用生物大分子,衰老细胞、细胞器、个体发育中多余的细胞。
防御作用:如巨噬细胞。
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。
形成精子的顶体。 null三、溶酶体的发生三、溶酶体的发生在高尔基体的trans面以出芽的方式形成:
前溶酶体蛋白→N-连接的糖基化→高尔基体→磷酸转移酶识别信号斑→将N-乙酰葡糖胺磷酸转移在1~2个甘露糖残基上→在中间膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配体→与trans膜囊上M6P受体结合→通过clathrin衣被包装成运输小泡→与晚期的内体融合,受体解离→切除甘露糖残基上的磷酸 。nullThe recognition of a lysosomal hydrolase in Golgi and mannose phosphorylation nullTransport of newly synthesized hydrolases to lysosomes四、溶酶体与疾病四、溶酶体与疾病矽肺:二氧化硅尘粒(矽尘)吸入肺泡后被巨噬细内吞噬,导致吞噬细胞溶酶体破裂。激活成纤维细胞,导致胶原纤维沉积,肺组织纤维化。
肺结核:结核杆菌引起肺组织钙化和纤维化。
类风湿性关节炎:溶酶体膜易脆裂。null3.各类贮积症
台-萨氏综合症:缺少氨基已糖酯酶A。
II型糖原累积病:缺乏α-1,4-葡萄糖苷酶。
Gaucher病:缺乏β- 葡萄糖苷酶。
细胞内含物病:N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变。null台-萨氏综合症溶酶体的同心圆结构五、过氧化物酶体五、过氧化物酶体Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。
具有异质性,由单层膜围绕而成。
特点:含过氧化氢酶(标志酶)和一至多种依赖黄素(flavin)的氧化酶,已发现40多种氧化酶。酶特点是将底物氧化后生成过氧化氢,而过氧化氢酶又利用H2O2去氧化其它底物。
RH2+O2→R+H2O2nullPeroxisome of hepatocytenull烟草叶肉细胞的过氧化物酶体(中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心) null在动物中: ①参与脂肪酸的β-氧化; ②具有解毒作用,过氧化氢酶氧化有害物质,饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。
在植物中:①参与光呼吸,将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢,②在萌发的种子中,进行脂肪的β-氧化。null酶由核基因编码,在细胞质基质中合成,信号序列为-Ser-Lys-Leu-COO-。
膜脂在内质网上合成,通过磷脂转移蛋白PTP转移而来。
已有的过氧化物酶体在细胞分裂时,以分裂方式传给子代细胞。nullZellweger综合征:
也叫脑肝肾综合征;
患者细胞的过氧化物酶体中,酶蛋白输入有关的蛋白质变异,酶体是“空的”;
脑、肝、肾异常,出生3-6个月后死亡。