《细胞学》教学课件：细胞的内膜系统13_10_11

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1、Endomembrane SystemCell Biology and GeneticsShantou University Medical College Huang dongyang (Huang dongyang (黄东阳黄东阳) 2013.10.11) 2013.10.11 复习 生物膜：n n组成n n构造n n基本功能膜成分和构造Lipids，proteins and sugarn n脂质双层构造 膜脂：磷脂，胆固醇和糖脂n n磷脂-磷脂酰乙醇胺，磷脂酰丝氨酸，磷脂酰胆碱，鞘磷脂n n两亲和性 amphipathic：hydrophilic head and two hydroph

2、obic tailFigure 10-3 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-17c Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 15-37 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-17a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 15-38 Molecular Bio

3、logy of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-17b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 15-39 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 10-11 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)n n脂质双层是双向流动脂质双层是双向流动脂质双层是双向流动脂质双层是双向流动 The fluidity depends

4、on both its composition The fluidity depends on both its composition and temperatureand temperaturen n脂质双层的不对称在功能上很重要脂质双层的不对称在功能上很重要脂质双层的不对称在功能上很重要脂质双层的不对称在功能上很重要 phosphatidylcholine and sphingomyelin-outer phosphatidylcholine and sphingomyelin-outer monolayer; phosphatidylethanolamine and monolayer

5、; phosphatidylethanolamine and phosphatidylserine-inner monolayerphosphatidylserine-inner monolayer。Many Many cytosolic proteins bind to specific lipid head cytosolic proteins bind to specific lipid head groups in the cytosolic monolayer.groups in the cytosolic monolayer.n n所有质膜表面都有糖脂所有质膜表面都有糖脂所有质膜表

6、面都有糖脂所有质膜表面都有糖脂 noncytosolic monolayer noncytosolic monolayer 膜蛋白n n占膜重量的25-75 脂质分子: 蛋白分子 =50:1 膜蛋白常常与寡糖链连接（外表面或非细胞浆侧），扮演着细胞膜大部分的特殊功能。Transmembrane protein, lipid-anchored protein and Transmembrane protein, lipid-anchored protein and peripheral proteinperipheral protein膜蛋白可以与脂质双层以各种方式结合Figure 10-19

7、Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)膜蛋白的平面内移动 (rotational diffusion and lateral diffusion)Figure 10-35 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)膜蛋白的功能运输蛋白：Na+ -K+泵，通道蛋白受体：生长因子受体酶：腺苷酸环化酶，接受细胞外信号，产生cAMP。连接蛋白：整联蛋白，连接细胞内肌动蛋白和细胞外基质蛋白糖 n n细胞表面被糖残基覆盖，称为细胞被或糖萼-Cell coat or glyco

8、calyx n n多以寡糖链的形式与脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。也可能作为多糖链与膜中蛋白成分构成蛋白多糖。n n功能：不是很清楚。糖蛋白有助于蛋白在膜上的定位及固定，以防止滑入细胞质或在脂质双层中翻转；细胞识别、粘着和迁移过程有关。n n细胞表面被糖残基覆盖，称为细胞被或糖萼-Cell coat or glycocalyx n n多以寡糖链的形式与脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。也可能作为多糖链与膜中蛋白成分构成蛋白多糖。n n功能：不是很清楚。糖蛋白有助于蛋白在膜上的定位及固定，以防止滑入细胞质或在脂质双层中翻转；细胞识别、粘着和迁移过程有关。蛋白聚糖细胞内膜系统Endomem

9、brane System2013诺贝尔生理学或医学奖得主2013诺贝尔生理学或医学奖得主James E. Rothman; Randy W. Schekman, Thomas C. Sdhof 耶鲁大学细胞生物学系 系主任和教授加州大学伯克利分校分子与 细胞生物学系教授斯坦福大学分子与细胞 生理学教授肝细胞主要区室相对于质膜而言，相对于质膜而言，相对于质膜而言，相对于质膜而言，把细胞内那些在结把细胞内那些在结把细胞内那些在结把细胞内那些在结构、功能乃至发生构、功能乃至发生构、功能乃至发生构、功能乃至发生上相互密切关联的上相互密切关联的上相互密切关联的上相互密切关联的所有膜性结构细胞所有膜性结构

10、细胞所有膜性结构细胞所有膜性结构细胞器统称为内膜系统器统称为内膜系统器统称为内膜系统器统称为内膜系统（endomembranendomembrane systeme system）。）。）。）。主要主要主要主要包括：内质网、高包括：内质网、高包括：内质网、高包括：内质网、高尔基复合体、溶酶尔基复合体、溶酶尔基复合体、溶酶尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体、体、过氧化物酶体、体、过氧化物酶体、体、过氧化物酶体、各种转运囊泡及核各种转运囊泡及核各种转运囊泡及核各种转运囊泡及核膜等功能结构。膜等功能结构。膜等功能结构。膜等功能结构。Endomembrane systemn n内膜系统的区室化内膜系统的

11、区室化内膜系统的区室化内膜系统的区室化（compartmentalizationcompartmentalization）效效效效应是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之应是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之应是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之应是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之一。一。一。一。 （1 1 1 1）有效地增加了细胞内有限空间的表面积。）有效地增加了细胞内有限空间的表面积。）有效地增加了细胞内有限空间的表面积。）有效地增加了细胞内有限空间的表面积。 （2 2 2 2）使得细胞内不同的生理、生化过程能够）使得细胞内不同的生理、生化过程能够）使得细胞内不同的生理、生

12、化过程能够）使得细胞内不同的生理、生化过程能够彼此相对独立地在一定的区域中进行，提高了细彼此相对独立地在一定的区域中进行，提高了细彼此相对独立地在一定的区域中进行，提高了细彼此相对独立地在一定的区域中进行，提高了细胞整体的代谢水平和功能效率。胞整体的代谢水平和功能效率。胞整体的代谢水平和功能效率。胞整体的代谢水平和功能效率。n n内膜系统的产生是细胞生物在其漫长历史演化进内膜系统的产生是细胞生物在其漫长历史演化进内膜系统的产生是细胞生物在其漫长历史演化进内膜系统的产生是细胞生物在其漫长历史演化进程中，内部结构不断分化完善、各种生理功能逐程中，内部结构不断分化完善、各种生理功能逐程中，内部结构不

13、断分化完善、各种生理功能逐程中，内部结构不断分化完善、各种生理功能逐渐提高的结果。渐提高的结果。渐提高的结果。渐提高的结果。Table 12-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)一、细胞内膜系统组成 Endomembrane System : The structural and functional relationship organelles including ER,Golgi complex, lysosome, peroxisomes, endosomes, secretory vesicles. Membr

14、ane-bound structures (organelles) are found in all eukaryotic cells.Table 12-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)(一)内质网 Endoplasmic Reticulum 1945 1945 1945 1945年，年，年，年，KR PorterKR PorterKR PorterKR Porter等人在对培养的小鼠成纤维等人在对培养的小鼠成纤维等人在对培养的小鼠成纤维等人在对培养的小鼠成纤维细胞进行电镜观察时发现，在细胞质的内质区分布细胞进行电镜

15、观察时发现，在细胞质的内质区分布细胞进行电镜观察时发现，在细胞质的内质区分布细胞进行电镜观察时发现，在细胞质的内质区分布着一些由小管、小泡相互连接形成的网状结构，并着一些由小管、小泡相互连接形成的网状结构，并着一些由小管、小泡相互连接形成的网状结构，并着一些由小管、小泡相互连接形成的网状结构，并根据其结构的分布及形态特征而命名为内质网。后根据其结构的分布及形态特征而命名为内质网。后根据其结构的分布及形态特征而命名为内质网。后根据其结构的分布及形态特征而命名为内质网。后又证实内质网是由膜性的囊泡构成，并可延伸至靠又证实内质网是由膜性的囊泡构成，并可延伸至靠又证实内质网是由膜性的囊泡构成，并可延伸

16、至靠又证实内质网是由膜性的囊泡构成，并可延伸至靠近细胞膜的外质区。近细胞膜的外质区。近细胞膜的外质区。近细胞膜的外质区。1. 1. 内质网的结构形态与类型内质网的结构形态与类型 内质网是由单位膜围成的相互连续的小管、小泡和扁内质网是由单位膜围成的相互连续的小管、小泡和扁囊样结构组成的三维网状膜系统。囊样结构组成的三维网状膜系统。内质网在发生上内质网在发生上与细胞膜和核膜关系密切。与细胞膜和核膜关系密切。内质网遍布整个细胞质喹啉蓝荧光染料染色显示内质网结构喹啉蓝荧光染料染色显示内质网结构内质网在细胞内呈网状分布，局部有聚集并形成一定走向。内质网在细胞内呈网状分布，局部有聚集并形成一定走向。该照片

17、显示在细胞伪足中有丰富的内质网结构。该照片显示在细胞伪足中有丰富的内质网结构。n n内质网的形态结构，分布状态和数量在不同的内质网的形态结构，分布状态和数量在不同的细胞有所不同，与细胞的种类、分化程度、功细胞有所不同，与细胞的种类、分化程度、功能状态有关。能状态有关。 粗面内质网粗面内质网(rER)(rER)n n多呈扁平囊状，外有核糖体附着，常与细胞核多呈扁平囊状，外有核糖体附着，常与细胞核的外核膜相连，使内质网腔与核周间隙相通。的外核膜相连，使内质网腔与核周间隙相通。n n分泌蛋白合成旺盛的细胞分布多：浆细胞、胰分泌蛋白合成旺盛的细胞分布多：浆细胞、胰腺细胞、侵袭性癌细胞。腺细胞、侵袭性癌

18、细胞。n n未分化或分化程度低的细胞分布少：如胚胎细未分化或分化程度低的细胞分布少：如胚胎细胞和干细胞。胞和干细胞。 滑面内质网滑面内质网(sER)(sER)n n多呈分支管、泡样网状结构，无核糖体附着n n在肝细胞、睾丸间质细胞、肾上腺皮质细胞分布多。rER has ribosomes on the cytosolic side of continuous, flattened sacs (cisternae); sER is an interconnecting network of tubular membrane elements.n n大部分细胞中大部分细胞中rERrER和和sERs

19、ER同时存在，只是比例不同时存在，只是比例不同。但在胰腺细胞中只有同。但在胰腺细胞中只有rERrER，在肌细胞中只，在肌细胞中只有有sERsER。微粒体 microsomeMicrosome(100-200nm)Microsomes are heterogeneous mixtures of similar-sized vesicles, formed from membranes of the ER and Golgi complex. Microsomes retain activity during purification, allowing studies of function a

20、nd composition2. 内质网的化学组成n n由蛋白质和脂类组成由蛋白质和脂类组成（1) 1) 膜蛋白：膜蛋白：3030种以上，主要三种类型：种以上，主要三种类型：1 1） 解毒和药物代谢相关的氧化反应电子传递体系解毒和药物代谢相关的氧化反应电子传递体系 细胞色素细胞色素P-450(P-450(cytochrome P450cytochrome P450);); NADPH- NADPH-细胞色素细胞色素P-450P-450还原酶还原酶( (NADPH-cytochrome NADPH-cytochrome P450 reductase)P450 reductase) ; ; 细胞色

21、素细胞色素b b5 5 ( (cytochrome b5)cytochrome b5) ; ; NADH- NADH-细胞色素细胞色素b b5 5还原酶还原酶( ( NADH-cytochrome b5 NADH-cytochrome b5 reductasereductase) )； 细胞色素细胞色素c (c (cytochrome c cytochrome c );); NADPH- NADPH-细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶( (NADPH-cytochrome c NADPH-cytochrome c reductasereductase) )2 2） 与碳水化合物代谢相关与碳水化

22、合物代谢相关 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸酶（磷酸酶（Glucose-6-phosphatase, Glucose-6-phosphatase, 膜标志酶）膜标志酶）3 3） 与脂类代谢相关与脂类代谢相关 脂肪酸脂肪酸CoACoA连接酶；连接酶；（2）内质网网质（腔）蛋白（reticulo- plasmin)： 1)免疫球蛋白重链结合蛋白（Immunoglobulin heavy chain- binding protein, BiP） belong to HSP70 family (molecular chaperone 分子伴侣） 2) Protein disulfide isomerase

23、, PDI*（蛋白质二硫键异构酶） 3) Calreticulin （钙网蛋白）3. 内质网的功能rERn n进行分泌蛋白、膜整合蛋白、细胞器中可溶性驻留蛋白的合成。n n新生多肽的折叠与装配n n进行蛋白的糖基化修饰（N-连接，天冬酰胺）n n蛋白质的胞内运输n n合成膜脂（？） sER的功能 n n参与固醇激素的合成和脂类代谢n n参与糖原的合成和分解n n药物代谢与解毒作用n n在肌细胞中特化成肌浆网，起钙库的作用。Flippase荧光素荧光素(fluorescein)，绿色荧光，绿色荧光四甲基罗丹明四甲基罗丹明(tetramethyrhodanmine)，红色荧光，红色荧光Cells

24、treated with CD437n nHeat shock protein 60, HSP60 (marker protein of Heat shock protein 60, HSP60 (marker protein of mitochondrian)mitochondrian)Cells treated with CD437Protein disulfide isomerase, PDI (marker protein of ER)(二)高尔基复合体 Golgi complex1.1.高尔基复合体的形态结构n n由光滑膜性扁平囊堆积在一起。n n高尔基复合体是具有极性的膜性细胞器:

25、 在细胞内存在一定的方向和位置； 物质从高尔基复合体的一侧进入，从另一侧输出。n n高尔基复合体可分成三个区室：靠近细胞核和内质网，顺面高尔基网(CGN)，又称形成面；高尔基膜囊(cisterna)；面向细胞膜，反面高尔基网 (TGN)，也称成熟面。n n在CGN可见许多由粗面内质网芽生的运输小泡（小囊泡），在反面常有数目不等，体积较大的分泌泡（大囊泡）。n n高尔基膜囊又可分为顺面扁囊、中间扁囊、反面扁囊三个亚区。n nCGN是中间多孔、连续的管网状结构。接受ER合成的物质，分类后转入中间膜囊，一小部分蛋白质和脂质返回ER。返回ER的蛋白具有KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu)。CG

26、N还可进行蛋白Ser，Thr，或hydroxlylysine残基的O-连接糖基化。Figure 13-32 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)n ncisternacisterna由功能由功能由功能由功能上连续的扁平上连续的扁平上连续的扁平上连续的扁平囊组成。多数囊组成。多数囊组成。多数囊组成。多数糖基化修饰、糖基化修饰、糖基化修饰、糖基化修饰、糖脂形成及与糖脂形成及与糖脂形成及与糖脂形成及与GolgiGolgi相关的多相关的多相关的多相关的多糖合成发生在糖合成发生在糖合成发生在糖合成发生在中间膜囊中。中间膜囊中。中间膜囊

27、中。中间膜囊中。n nTGN呈管网状分布，有囊泡与之相连。主要进行蛋白质的分类包装，使蛋白从Golgi输出。某些晚期的蛋白修饰发生在TGN中。TGN在蛋白和脂质的转运中起“瓣膜”作用，保证物质单方向转运。TGN形态变化大。2. 高尔基复合体的化学组成 蛋白质和脂类：糖基转移酶，糖苷酶。 标志性细胞化学反应：嗜锇反应-顺面扁囊焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)-反面扁囊烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶(NADP酶)中间扁囊 3. 高尔基复合体功能（1）蛋白的加工和修饰，包括蛋白的糖基化反应（N-连接的进一步修饰和O-连接，磷酸化）。（2）糖脂的生物合成质膜和细胞内膜的糖脂中的糖链主要在高尔基体合成。（3）参与细胞

28、蛋白和脂类的分选和运输，包括分泌蛋白、膜蛋白的转运，细胞器蛋白的分选（溶酶体），细胞中合成脂类的转运等，是细胞内膜泡转运的中心？。Continual,unregulated discharge of material from the cellsThe discharge of products stored in cytoplasmic granules, in response to appropriate stimuli.(三)溶酶体 Lysosome n n单位膜包被的细胞器，内含高浓度的各种酸性水解酶为主的60余种酶类，可以作用于几乎所有的大分子，是细胞的消化器官。n n异质性细胞器

29、: 同一细胞中，同一细胞的不同条件下，细胞器的形态、组成成分不同。n n溶酶体内pH值为5。其酸性环境靠溶酶体膜上的质子泵维持。n n标志酶是酸性水解酶。n n组成酶大多是糖蛋白，在rER中合成，经高尔基复合体加工（M6P标志）后出芽形成运输小泡，通过运输小泡转运到溶酶体。acidmatrixlysosomeThe pH in lysosomes (red) is about 5, while the pH in various types of endosomes (blue and green) ranges from 5.5 to 6.5.The low pH in lysosomes

30、and endosomes1. 溶酶体的类型分类一：依功能状态分类一：依功能状态n n初级溶酶体初级溶酶体 primary lysosomesprimary lysosomesn n次级溶酶体次级溶酶体 second lysosomessecond lysosomes 异噬溶酶体异噬溶酶体 heterophagic lysosomes: heterophagic lysosomes: 初级溶酶体与吞噬（饮）体融合而成初级溶酶体与吞噬（饮）体融合而成 自噬溶酶体自噬溶酶体autophagic lysosomesautophagic lysosomes 初级溶酶体与自噬泡融合而成初级溶酶体与自噬泡

31、融合而成n n三级溶酶体三级溶酶体tertiary lysosometertiary lysosome 残留小体残留小体 residual body:residual body:次级溶酶体在消化作用的最后次级溶酶体在消化作用的最后阶段，酶活性减低或消失，残留一些不易被消化、电子阶段，酶活性减低或消失，残留一些不易被消化、电子密度高的物质密度高的物质 Primary Lys.Second Lys1. 溶酶体的类型分类二：根据溶酶体形成过程内体性溶酶体：由高尔基复合体芽生的运输小泡和经由细胞胞吞（饮）作用形成的内体（endosome)合并而成；吞噬性溶酶体：内体性溶酶体与来自细胞内外的作用底物（自

32、噬体或吞噬体）相互融合而成。？ Figure 13-42b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)2. 溶酶体的功能n n细胞内物质消化细胞内物质消化n n细胞外物质消化细胞外物质消化n n营养作用营养作用n n机体防御机体防御n n溶酶体的自溶作用与器官发育：膜破裂导致水解酶释溶酶体的自溶作用与器官发育：膜破裂导致水解酶释放，细胞自身溶解、死亡。一定条件下是正常生理现放，细胞自身溶解、死亡。一定条件下是正常生理现象。如：在动物精子中，溶酶体特化为其头部最前端象。如：在动物精子中，溶酶体特化为其头部最前端的顶体（的顶体（acr

33、osome), acrosome), 当与卵子相遇、识别、接触时，当与卵子相遇、识别、接触时，精子释放顶体中的水解酶，溶解、消化围绕卵细胞的精子释放顶体中的水解酶，溶解、消化围绕卵细胞的滤泡细胞及卵细胞外被，从而使精核入卵。另外，两滤泡细胞及卵细胞外被，从而使精核入卵。另外，两栖类在发育过程中的蝌蚪尾巴的消失，是尾部细胞自栖类在发育过程中的蝌蚪尾巴的消失，是尾部细胞自溶的结果。溶的结果。溶酶体的异常与疾病n n泰泰泰泰- -萨氏病萨氏病萨氏病萨氏病（Tay-Sache disease):Tay-Sache disease):又称黑蒙性痴呆，是又称黑蒙性痴呆，是患者溶酶体中缺少氨基己糖酶患者溶酶

34、体中缺少氨基己糖酶A A，阻断了，阻断了GM2GM2神经节苷脂神经节苷脂的代谢，使其在脑及神经系统和心肝等组织的沉积所致。的代谢，使其在脑及神经系统和心肝等组织的沉积所致。n nIIII型糖原积累病型糖原积累病型糖原积累病型糖原积累病（glycogenosis, Pompeglycogenosis, Pompe s disease)s disease)：缺乏缺乏 - -糖苷酶导致的糖原代谢受阻，累及脑、肝、肾等。糖苷酶导致的糖原代谢受阻，累及脑、肝、肾等。n n矽肺矽肺矽肺矽肺(sillicosis)(sillicosis) ：矽尘：矽尘( (二氧化硅粉尘）被肺巨噬细胞二氧化硅粉尘）被肺巨噬细

35、胞吞噬，与溶酶体融合后，形成矽酸分子，与溶酶体膜分子吞噬，与溶酶体融合后，形成矽酸分子，与溶酶体膜分子之间形成氢键反应，破坏了膜稳定性而导致破裂，细胞死之间形成氢键反应，破坏了膜稳定性而导致破裂，细胞死亡。释放的矽颗粒再次作用导致大量巨噬细胞死亡，同时亡。释放的矽颗粒再次作用导致大量巨噬细胞死亡，同时刺激成纤维细胞分泌大量胶原，出现沉积使肺组织纤维化刺激成纤维细胞分泌大量胶原，出现沉积使肺组织纤维化而失去功能。而失去功能。n n痛风（痛风（痛风（痛风（gout) gout) ：血尿酸盐升高会以结晶形式沉积于关节：血尿酸盐升高会以结晶形式沉积于关节及周围多种组织，并被白细胞吞噬。尿酸盐结晶同样与

36、溶及周围多种组织，并被白细胞吞噬。尿酸盐结晶同样与溶酶体膜形成氢键，使膜稳定性遭破坏，导致水解酶和组胺酶体膜形成氢键，使膜稳定性遭破坏，导致水解酶和组胺等致炎性物质释放，引起白细胞死亡的同时，引发沉积组等致炎性物质释放，引起白细胞死亡的同时，引发沉积组织的急性炎症。织的急性炎症。(四)过氧化物酶体 peroxisomen n由由J. RhodinJ. Rhodin（19541954年）首次在鼠肾小管上皮年）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。直径约细胞中发现。直径约0.21.5um0.21.5um，通常为，通常为0.5um0.5um。呈圆形，椭圆形或哑呤形不等。呈圆形，椭圆形或哑呤形不等n n异质性

37、细胞器，在不同生物及不同发育阶段在不同生物及不同发育阶段有所不同。有所不同。n n组成酶在细胞质中合成，以天然构象转运至过氧化物酶体（线粒体是以非折叠状态转运的）。n n中央常含有电子密度较高、呈规则的结晶状结构，称类核体-尿酸氧化酶结晶。n nPeroxisomes use molecular oxygen and Peroxisomes use molecular oxygen and hydrogen peroxide to perform oxidative hydrogen peroxide to perform oxidative reactions reactions n n o

38、xidative enzymes oxidative enzymesn nRHRH2 2+O+O2 2 R + H R + H2 2OO2 2n nH H2 2OO2 2+R+R H H2 2 R R + 2H2H2 2OO catalase catalasen n2H2H2 2OO2 2 2H2H2 2OO +O+O2 2n n标志酶是过氧化氢酶（catalase)。n n功能： 对氧浓度的调节作用 氧化反应和过氧化物代谢 分解有毒成分 激素的合成n n过氧化物酶体通过分裂增殖？过氧化物酶体的产生二、细胞内蛋白的分选Protein Sorting是指蛋白质分子由细胞质基质合成是指蛋白质分子由

39、细胞质基质合成后，依赖自身的分选信号向特定靶后，依赖自身的分选信号向特定靶细胞器或细胞表面移动的过程。细胞器或细胞表面移动的过程。蛋白质转运的基本途径1. 1. 蛋白质的跨膜转运蛋白质的跨膜转运 transmembrane transporttransmembrane transport 包括包括: : 共转运共转运 (cotranslational translocation) (cotranslational translocation) 翻译后转运翻译后转运 (post-translational translocation)(post-translational translocati

40、on)2. 2. 膜膜( (囊）泡转运囊）泡转运 vesicular transportvesicular transport3. 3. 选择性的门控转运选择性的门控转运 gated transportgated transport Cell TrafficProtein sprting Road map of protein sortingRoad map of protein sorting (一)粗面内质网上蛋白合成和转移过程（共转运过程）1信号肽引导核糖体结合到内质网膜（1）信号肽 signal peptide/sequencen n分泌蛋白在合成时，首先在N端翻译的主要是由疏水性氨基

41、酸组成的信号肽段，可引导分泌蛋白跨内质网膜的转运。信号肽进入内质网腔后被信号肽酶切除。n n参与蛋白分选和定位的肽段。信号识别颗粒信号识别颗粒 Signal Recognition particleSignal Recognition particle，SRPSRPn n存在于细胞质基质中的由存在于细胞质基质中的由6 6个多肽和一条小的个多肽和一条小的7S7S的的RNARNA分子组成的颗粒。分子组成的颗粒。 7SRNA7SRNA7SRNA7SRNA含有约含有约含有约含有约300300300300个碱基。个碱基。个碱基。个碱基。 6 6 6 6个蛋白只有个蛋白只有个蛋白只有个蛋白只有P54P54

42、P54P54不与不与不与不与RNARNARNARNA结合。结合。结合。结合。 包含三个区域：信号肽结合包含三个区域：信号肽结合包含三个区域：信号肽结合包含三个区域：信号肽结合区区区区(P54)(P54)(P54)(P54)、核糖体结合区、核糖体结合区、核糖体结合区、核糖体结合区(P9/P14) (P9/P14) (P9/P14) (P9/P14) 、蛋白转位区、蛋白转位区、蛋白转位区、蛋白转位区(P68/P72)(P68/P72)(P68/P72)(P68/P72)。蛋白转位区协助。蛋白转位区协助。蛋白转位区协助。蛋白转位区协助信号肽进入内质网膜上的转信号肽进入内质网膜上的转信号肽进入内质网膜

43、上的转信号肽进入内质网膜上的转运通道。运通道。运通道。运通道。信号识别颗粒受体信号识别颗粒受体 SRP-Receptorn n存在于内质网的细胞质面，可以结合存在于内质网的细胞质面，可以结合SRPSRP。由。由2 2个亚单位组成：个亚单位组成：亚单位为膜亚单位为膜外周蛋白由外周蛋白由640640个氨基酸组成；个氨基酸组成；亚单亚单位是跨膜蛋白由位是跨膜蛋白由300300个氨基酸组成。个氨基酸组成。2. 2. 新生肽链到内质网腔的转运新生肽链到内质网腔的转运n n分泌蛋白以共翻译转运的方式进入内质分泌蛋白以共翻译转运的方式进入内质网腔，此过程消耗网腔，此过程消耗GTPGTP。分泌蛋白无停止。分泌

44、蛋白无停止转运信号，因而全部进入转运信号，因而全部进入ERER腔。腔。n n有些内质网上合成的蛋白可通过翻译后有些内质网上合成的蛋白可通过翻译后转运的方式进入内质网腔，此过程消耗转运的方式进入内质网腔，此过程消耗ATPATP。Figure 12-38 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)3 内质网跨膜蛋白n n一次性跨膜蛋白有内部一次性跨膜蛋白有内部ER信号序列（停止信号序列（停止转移信号，转移信号，stop-transfer signal），），将蛋白镶嵌在膜上作为跨膜将蛋白镶嵌在膜上作为跨膜螺旋结构留在螺旋结构留在脂质双

45、层中脂质双层中 Figure 12-46 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 12-47 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 12-48 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 12-49 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)3. 3. 蛋白质在内质网腔中的折叠蛋白质在内质网腔中的

46、折叠n n蛋白折叠需要分子伴侣的辅助。蛋白折叠需要分子伴侣的辅助。蛋白折叠需要分子伴侣的辅助。蛋白折叠需要分子伴侣的辅助。n n分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣(chaperone)(chaperone)或伴侣素或伴侣素或伴侣素或伴侣素(Chaperonin): (Chaperonin): 能特异地识别新生肽或部分折叠的多肽并与之能特异地识别新生肽或部分折叠的多肽并与之能特异地识别新生肽或部分折叠的多肽并与之能特异地识别新生肽或部分折叠的多肽并与之结合，帮助这些多肽进行折叠、装配和转运，结合，帮助这些多肽进行折叠、装配和转运，结合，帮助这些多肽进行折叠、装配和转运，结合，帮助这些多肽进行折叠、

47、装配和转运，但本身并不参与终产物的构成。但本身并不参与终产物的构成。但本身并不参与终产物的构成。但本身并不参与终产物的构成。n n分子伴侣具有热休克蛋白的特性，在各分子伴侣具有热休克蛋白的特性，在各种应激状态下可明显升高。种应激状态下可明显升高。n n参与共翻译转运的分子伴侣是参与共翻译转运的分子伴侣是Hsp70家族家族（ Bip ），是一种构成性表达的分子伴），是一种构成性表达的分子伴侣。侣。n n分子伴侣分子伴侣C端存在驻留信号肽端存在驻留信号肽（retention signal peptide)，氨基酸序列，氨基酸序列为为KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu)。Press Rele

48、ase: The 1999 Nobel Prize in Physiology or MedicineNOBELFRSAMLINGEN KAROLINSKA INSTITUTETTHE NOBEL ASSEMBLY AT THE KAROLINSKA INSTITUTE11 October 1999The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award the Nobel Prize in Physiology or Medicine for 1999 toGnter Blobelfor the discov

49、ery thatproteins have intrinsic signals that govern their transport and localization in the cellNobel Press Nobel Press ReleaseReleaseGnter Blobel, born in 1936, works at the Laboratory of Cell Biology, The Rockefeller University, New YorkGnter BlobelGnter Blobel1999 Nobel Physiology or Medicine Lau

50、reate Gnter Blobel receiving his Nobel Prize from His Majesty the King Gnter Blobel Prize Award PhotoPrize Award PhotoPrize Award PhotoGnter Blobel- Nobel DiplomaNobel DiplomaNobel DiplomaThe organization of a cell can be compared to that of a big city The organization of a cell can be compared to t

51、hat of a big city such as New York. In order to reach its correct destination, a letter such as New York. In order to reach its correct destination, a letter has to be provided with an address label and a zip code, similar to has to be provided with an address label and a zip code, similar to the ad

52、dress tags on proteins.the address tags on proteins.signalvProtein sorting: Protein molecules move from the cytosol to their target organelles or cell surface directed by the sorting signals in the proteins.（二）从内质网到高尔基体的输送（囊泡转运Vesicular Transport ）n n内质网、高尔基体、溶酶体、细胞膜以及各种细胞内体都由囊泡交通途径有机地连接起来，膜从一个细胞器转送

53、到另一个细胞器。一个囊泡由起源细胞器的膜形成后，移动并与接受方膜融合。因此，转运经过选择的脂质、蛋白质和囊泡腔的内容物到目的细胞器。 三种不同的有被小泡三种不同的有被小泡 ：网格蛋白网格蛋白(Clathrin)(Clathrin) ；COPI（coatmer-protein subunit I)，外被体蛋白，外被体蛋白I； COPII ，外被体蛋白，外被体蛋白II 。在合成。在合成-分泌和胞吞过程分泌和胞吞过程中，中，不同的包被蛋白选择不同的货物，构成不同的不同的包被蛋白选择不同的货物，构成不同的运输小泡。运输小泡。Figure 13-24b Molecular Biology of the

54、Cell ( Garland Science 2008)Clathrin(网格蛋白）衔接蛋白衔接蛋白可溶性货物可溶性货物n nCOPICOPI，首先被发现于高尔基体，由七个，首先被发现于高尔基体，由七个蛋白亚基构成。蛋白亚基构成。n n COPIICOPII：粗面内质网合成，：粗面内质网合成，5 5个亚基构成。个亚基构成。Figure 13-14 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)可溶性可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体Figure 13-18 Molecular Biology

55、 of the Cell ( Garland Science 2008)NSF: N-乙基马来酰亚胺敏感因子乙基马来酰亚胺敏感因子Figure 13-35 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 13-23b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)n n只有正确折叠和组装的蛋白才能离开内质只有正确折叠和组装的蛋白才能离开内质网网 n n囊泡管簇介导从内质网到高尔基体的转运囊泡管簇介导从内质网到高尔基体的转运n n内质网返回途径利用分选信号内质网返回

56、途径利用分选信号n n高尔基体是由一系列高度有序的区室构成高尔基体是由一系列高度有序的区室构成( (三三) )高尔基体到溶酶体的转运高尔基体到溶酶体的转运Figure 13-43 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（四） 高尔基体分泌蛋白途径受体介导的胞吞作用受体介导的胞吞作用（五）受体介导的入胞作用Figure 13-51 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Membrane flow1.囊泡转运是细胞物质定向运输和信号传囊泡转运是细胞物质定向运输和信

57、号传 递的重要途径和基本形式。递的重要途径和基本形式。2.囊泡转运是一个高度有序、受到严格选囊泡转运是一个高度有序、受到严格选择和精密控制的物质运输过程。择和精密控制的物质运输过程。3.特异性识别融合是囊泡物质定向转运和特异性识别融合是囊泡物质定向转运和准确卸载的基本保证。准确卸载的基本保证。4.囊泡转运是实现细胞膜及内膜系统功能囊泡转运是实现细胞膜及内膜系统功能结构转换和代谢更新的桥梁。结构转换和代谢更新的桥梁。5. 从新认识过氧化物酶体乃至线粒体的参从新认识过氧化物酶体乃至线粒体的参与与 。( (六六) )蛋白进入过氧化物酶体转运蛋白进入过氧化物酶体转运n n进入过氧化物酶体基质的蛋白有两

58、种特殊的靶信进入过氧化物酶体基质的蛋白有两种特殊的靶信号（号（peroxisomal targeting signal, PTSperoxisomal targeting signal, PTS）。）。一种是一种是C-C-末端的三肽序列末端的三肽序列SKL(-Ser-Lys-Leu-)SKL(-Ser-Lys-Leu-)，被称为，被称为PTS1PTS1，是过氧化物酶体基质蛋白的主要，是过氧化物酶体基质蛋白的主要定位信号；另一种是较为少见的定位信号；另一种是较为少见的PTS2PTS2，为靠近，为靠近N N末端的末端的9 9个氨基酸序列，基本构造为个氨基酸序列，基本构造为RLxxxxx(H/Q)L

59、 (xRLxxxxx(H/Q)L (x为任意氨基酸为任意氨基酸) )。这一九肽序。这一九肽序列进化上较为保守，哺乳动物、酵母和植物所共列进化上较为保守，哺乳动物、酵母和植物所共有。前后两个氨基酸是关键，特别是第一个碱性有。前后两个氨基酸是关键，特别是第一个碱性氨基酸氨基酸R R。蛋白以折叠的蛋白以折叠的构象进入过氧构象进入过氧化物酶体。转化物酶体。转运后定位信号运后定位信号不被切除。不被切除。Retinoic AcidCell DifferentiationImmunityReproductionEmbryo DevelopmentCarcinogenesisCell Proliferatio

60、nin vivo synthesis of retinoic acid Purification and characterization of a novel NADPH-dependent retinol dehydrogenase/reductase (NRDR)NRDR, A Multi-targeting Protein?Cytosole Rabbit liver, Huang BBA 1997Peroxisome mouse liver, Zhang Biochemistry 2003Mitochondria Bioinformatics, N-ternimal sequencin

61、gMHKARVLLGGCTRTWKAVRNADPH-binding site（七）胞浆中合成蛋白向线粒体输送（七）胞浆中合成蛋白向线粒体输送n n线粒体定位信号：通常位于前体多肽链线粒体定位信号：通常位于前体多肽链线粒体定位信号：通常位于前体多肽链线粒体定位信号：通常位于前体多肽链NN端，为相近的端，为相近的端，为相近的端，为相近的10-7010-70个氨基酸序列。这些靶向模序被称为前序列个氨基酸序列。这些靶向模序被称为前序列个氨基酸序列。这些靶向模序被称为前序列个氨基酸序列。这些靶向模序被称为前序列（presequencespresequences），因为它们通常在线粒体基质中被），因为它们

62、通常在线粒体基质中被），因为它们通常在线粒体基质中被），因为它们通常在线粒体基质中被蛋白酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶(proteolytic cleavage) (proteolytic cleavage) 除去。这些前序列多除去。这些前序列多除去。这些前序列多除去。这些前序列多为碱性、羟基化以及疏水性氨基酸，但没有共同序列。为碱性、羟基化以及疏水性氨基酸，但没有共同序列。为碱性、羟基化以及疏水性氨基酸，但没有共同序列。为碱性、羟基化以及疏水性氨基酸，但没有共同序列。n n大部分向线粒体输送的蛋白质与细胞浆中热休克蛋白家族大部分向线粒体输送的蛋白质与细胞浆中热休克蛋白家族大部分向线粒体输送的蛋白质与细

63、胞浆中热休克蛋白家族大部分向线粒体输送的蛋白质与细胞浆中热休克蛋白家族Hsp70Hsp70的分子伴侣结合。的分子伴侣结合。的分子伴侣结合。的分子伴侣结合。 这一反应维持了蛋白的非折叠这一反应维持了蛋白的非折叠这一反应维持了蛋白的非折叠这一反应维持了蛋白的非折叠构象适合向线粒体的转运。构象适合向线粒体的转运。构象适合向线粒体的转运。构象适合向线粒体的转运。n n很多线粒体膜蛋白的靶向序列位于多肽链的中央，在输入很多线粒体膜蛋白的靶向序列位于多肽链的中央，在输入很多线粒体膜蛋白的靶向序列位于多肽链的中央，在输入很多线粒体膜蛋白的靶向序列位于多肽链的中央，在输入后也不被切除。细胞色素后也不被切除。细

64、胞色素后也不被切除。细胞色素后也不被切除。细胞色素c c， 一个存在于膜间腔中的电子一个存在于膜间腔中的电子一个存在于膜间腔中的电子一个存在于膜间腔中的电子传递链成分，也有进入线粒体的内部信号。传递链成分，也有进入线粒体的内部信号。传递链成分，也有进入线粒体的内部信号。传递链成分，也有进入线粒体的内部信号。Figure 12-25 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（八）蛋白质的核内转运（八）蛋白质的核内转运 n n复杂的核孔复合体：门控转运复杂的核孔复合体：门控转运n n核定位信号引导核蛋白进入到细胞核：很多核蛋核定位信

65、号引导核蛋白进入到细胞核：很多核蛋核定位信号引导核蛋白进入到细胞核：很多核蛋核定位信号引导核蛋白进入到细胞核：很多核蛋白信号由白信号由白信号由白信号由1 1个或个或个或个或2 2个富含精氨酸和赖氨酸（带正电个富含精氨酸和赖氨酸（带正电个富含精氨酸和赖氨酸（带正电个富含精氨酸和赖氨酸（带正电荷）的短氨基酸序列（通常荷）的短氨基酸序列（通常荷）的短氨基酸序列（通常荷）的短氨基酸序列（通常4-84-8个氨基酸）构成，个氨基酸）构成，个氨基酸）构成，个氨基酸）构成，这个短序列组成随核蛋白不同而发生精确变化，这个短序列组成随核蛋白不同而发生精确变化，这个短序列组成随核蛋白不同而发生精确变化，这个短序列组

66、成随核蛋白不同而发生精确变化，没有很明确的保守序列存在。没有很明确的保守序列存在。没有很明确的保守序列存在。没有很明确的保守序列存在。几乎可以位于一个几乎可以位于一个蛋白质氨基酸序列中的任意位置，并在蛋百质表蛋白质氨基酸序列中的任意位置，并在蛋百质表面形成环袢或斑状。面形成环袢或斑状。n n大部分的核定位信号需要核输入受体的识别。大部分的核定位信号需要核输入受体的识别。核核核核输入受体同时结合核定位信号和核孔复合体蛋白输入受体同时结合核定位信号和核孔复合体蛋白输入受体同时结合核定位信号和核孔复合体蛋白输入受体同时结合核定位信号和核孔复合体蛋白 n n 需要能量需要能量GTPGTP。Figure

67、 12-9a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 12-13a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 12-13b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 12-15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)1. Compartmentalization in Eukaryotic Ce

68、lls; 2. The structural and functional relationship among the ER, Golgi complexes, lysosomes and plasma membranes of eukaryotic cells;3. The pathways of proteins targeting and sorting, and its mechanisms; 4. The ways of protein modifications and intracellular sites after they are synthesized;5. Types of vesicle transport and their functions.蛋白质定位的新进展1.蛋白质的双定位或多定位 （dual or multiple targeting of Protein)：1/3的线粒体蛋白质是线粒体和细胞浆双定位。2.由mRNA 分子决定的蛋白质靶向定位机制