《质膜和细胞质》PPT课件.ppt

质膜和细胞质(plasma membrane&cytoplasma),细胞生物学系甄红英,质膜(plasma membrane),概述质膜的化学组成与分子结构质膜的特性,质膜（plasma membrane，PM）,概述是细胞的支架，有特定的结构质膜是包围在细胞表面的一层极薄的膜。电镜下厚度为610nm。为细胞的生命活动提供了相对恒定的内环境内膜系统：内质网、高尔基体、胞内体、溶酶体、微体（过氧化物酶体）以及各种膜性小泡等双层膜包绕的细胞器：线粒体、细胞核生物膜(biomembrane)细胞内的所有膜相结构,一、质膜的化学组成与分子结构,膜质的脂类质膜的蛋白质质膜的复合糖类质膜的分子结构模型,一、质膜的化学组成与分子结构,膜质的脂类生物膜上的脂类称为膜脂（membrane lipid）主要有三类:磷脂(phospholipid)胆固醇(cholesterol)糖脂(glycolipid)膜脂形成生物膜的基本骨架,一、质膜的化学组成与分子结构,膜质的脂类,糖脂亦为双亲性分子，其极性头为一个或 数个糖基，非极性的尾部为两条烃链。不同类型糖脂的主要区别在于其极性头部的不同，它 有一个或几个糖残基。,膜质的脂类,一、质膜的化学组成与分子结构,一、质膜的化学组成与分子结构,膜质的脂类人工膜-脂质体脂单层(monolayer)脂微囊(micelles)脂双层(bilayer),一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的蛋白质膜蛋白承担和执行质膜的各种功能，不同的细胞其膜蛋白的含量有极大差别。动物细胞质膜上包含各种酶蛋白、载体和通道蛋白、受体蛋白等。内在蛋白(intrinsic proteins):整合蛋白(integral proteins)、跨膜或镶嵌蛋白;外在蛋白(extrinsic proteins):外周蛋白(peripheral proteins)脂锚定膜蛋白(lipid anchored membrane proteins),蛋白质与膜脂的结合方式：、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白,一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的蛋白质,GPI(glycosyl phosphotidylinositol)锚定膜蛋白：蛋白质的C端通过磷酸乙醇胺与GPI共价结合，并借其烃链插入于质膜的外层中。例如，癌胚抗原（CEA）,酰化蛋白质：蛋白质在N端的Gly残基发生酰化，并以烃链插入于质膜的内层。如 Src蛋白。异戊烯化蛋白质：蛋白质C端或附近的半胱氨酸残基的SH基与异戊二烯形成硫酯键，生成不饱和烃链插入于质膜的内层。如 Ras蛋白。,一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的蛋白质,一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的复合糖类糖蛋白(glycoprotein,GP)蛋白聚糖(proteoplycan,PG)糖脂(glycolipid,GL),一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的复合糖类糖蛋白(glycoprotein,GP)为共价结合糖的蛋白质，其糖链为分支的寡糖链，可分为：N-连接的糖蛋白：天冬酰胺残基的氮原子（-NH2）与N-乙酰氨基葡萄糖的寡糖链共价结合形成-糖苷键的糖蛋白；糖基化位点：Asn-X-Ser/ThrO-连接的糖蛋白：Ser/Thr残基中的羟基氧(O)原子与N-乙酰氨基半乳糖寡糖链共价相连形成-糖苷键的糖蛋白；糖基化位点：GalNAc Ser/Thr,一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的复合糖类蛋白聚糖(proteoplycan,PG)由核心蛋白质与一至数百条糖链共价结合构成，其糖链为无分支的直链多糖，主要由重复的二糖单位构成，由于其二糖单位中普遍含有氨基糖（GlcNAc或GalNAc）故称为氨基聚糖(Glycosaminoglycan,GAG)。,一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的复合糖类糖脂(glycolipid,GL)为共价结合糖链的脂质高等动物的糖脂主要为鞘糖脂(glycosphingolipid,GSL)脂质部分为神经酰胺(ceramide,Cer)神经酰胺由神经鞘氨醇(sphingosine)与脂肪酸构成含唾液酸的鞘糖脂称为神经节苷脂(ganglioside,Gg),一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的复合糖类脂双分子层的结构与特性脂分子均具有亲水的极水性头部和疏水的非极性尾部形成兼性分子,细胞外被(cell coat):富含糖类物质，故又称为糖萼（glycocalyx）。,一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的复合糖类糖萼的糖链结构复杂多变，可编码大量信息。糖萼所携带的密码可能和遗传密码一样重要，因为它负责着细胞赖以生存的无数种识别功能。动物细胞糖萼的特点是含有大量的唾液酸、硫酸化糖基、糖醛酸等带负电荷的糖残基，因而使细胞表面呈现为负电性。,一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的复合糖类膜糖类的功能：提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性；参与细胞的信号识别、细胞的粘着；细菌和病毒感染时的识别和结合位点。,质膜的分子结构模型流动镶嵌模型(fluid mosaic model)Singer,S.J.and Nicolson,G.L.,Science 1972;175,一、质膜的化学组成与分子结构,一、质膜的化学组成与分子结构,质膜的分子结构模型流动镶嵌模型(fluid mosaic model)膜脂分子的极性头向外、非极性尾向内，尾对尾排列，形成脂质双分子层；膜蛋白由内在蛋白和外在蛋白构成；内在蛋白通过疏水区镶嵌在脂质双分子层中；外在蛋白主要靠静电力与膜的内或外表面相互作用；生物膜具有“流动性”和不对称性。,二、质膜的特性,质膜的不对称性膜脂的不对称性膜蛋白的不对称性质膜上复合糖的不对称性质膜功能的不对称性质膜的流动性膜脂分子的运动膜蛋白分子的运动影响膜脂流动性和膜蛋白运动性的各种因素,二、质膜的特性,质膜的流动性膜脂分子的运动1.侧向扩散(lateral diffusion)：在同一个单分子层内脂类分子与其邻近的分子交换位置。2.自旋运动(rotation)：脂分子围绕与膜平面垂直的纵轴进行的旋转运动。3.弯曲运动(flexion)或摆动：膜脂分子尾部的左右摆动4.伸缩振荡运动5.翻转运动(flip-flop)：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层的运动。6.碳氢链的异构化互变,二、质膜的特性,质膜的流动性膜蛋白分子的运动侧向扩散：许多膜蛋白在膜脂中自由漂浮和在膜表面扩散旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动,二、质膜的特性,质膜的流动性影响膜流动性的因素脂肪酸链的长度与不饱和度的影响：脂肪酸链越短、不饱和度越高，流动性越大。胆固醇的影响：降低细胞膜的流动性卵磷脂和鞘磷脂比例的影响：卵磷脂不饱和程度高，卵磷脂和鞘磷脂比例升高，膜的流动性增加。蛋白质的影响：膜蛋白与膜脂分子的相互作用影响了膜的流动性。膜内在蛋白越多，膜的流动性就越小。其它因素：温度、离子浓度等。,三、质膜的生物学功能,质膜的保护和屏障作用质膜内外物质的交换：选择性物质运输质膜与细胞的识别和粘合、连接和通讯质膜的跨膜信号转导质膜中的酶参与物质代谢和信号转导,四、质膜与疾病,HIV感染T细胞,HIV通过表面糖蛋白gp120和膜蛋白gp41多聚体与CD4分子结合，在CXCR4或CCR5帮助下，病毒外膜与宿主细胞膜融合，进入宿主细胞内。,CXCR4,gp41,HIV/TCell,细胞质(cytoplasma),细胞质基质(cytosol)核糖核蛋白体(ribosome)蛋白酶体(proteasome),细胞质基质(cytosol),细胞质基质的化学组成主要成分有水、无机离子等小分子脂类糖类氨基酸核苷酸及其衍生物等中等分子蛋白质、RNA、多糖等大分子蛋白质约占2030,细胞质基质(cytosol),细胞质基质的功能 1.中间代谢过程 糖酵解过程磷酸戊糖途径糖醛酸途径糖原的合成与部分分解过程 2.蛋白质的合成与脂肪酸的合成 多数蛋白质在细胞质基质中的核糖核蛋白体上开始合成;3.蛋白质的修饰 4.蛋白质的选择性降解 5.细胞质骨架相关,蛋白酶体(proteasome),真核生物中蛋白质的降解有两条途径,溶酶体内降解过程,不依赖ATP利用组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白膜蛋白长寿命的细胞内蛋白,依赖泛素(Ubiquitin-proteasome pathway，UPP)的降解过程,依赖ATP降解异常蛋白短寿命蛋白需要进行数量调控的蛋白质,The ubiquitin-proteasome system,Nobel prize in chemistry,2004,Avram Hershko,Aaron Ciechanover,Irwin Rose,真核细胞中蛋白酶体存在于细胞质和细胞核,是真核细胞中分解内源性蛋白质的主要酶系统真核细胞中蛋白酶体在密度梯度离心中的沉降系数为26S，故又称其为26S蛋白酶体26S蛋白酶体由一个20S核心颗粒（CP）和1-2个19S调节颗粒（RP）组成,活性部位,26S蛋白酶体,蛋白酶体的结构,26S蛋白酶体核心颗粒的沉降系数为20S，又称20S蛋白酶体，是26S蛋白酶体的催化核心20S蛋白酶由4个环组成，每个环有7个亚单位中间两个内环是亚单位环，组成中心腔（central cavity,CC），腔内侧是催化活性位点所在外环是亚单位环，组成外腔(antechamer,AC)，形成入口，控制底物的进出，仅允许解折叠的多肽通过。中心腔通过一狭窄缢痕，缢痕与亚单位和亚单位相连,真核20S 蛋白酶体由两个旋转方向相反的环形成二聚体结构。,1)20S蛋白酶体,亚单位真核生物中，20S蛋白酶体的亚单位环上各有3个活性位点(b5/K33，b2/D17，b1/T1)，共6个活性位点3个活性-亚单位以前体形式存在，经自身剪切，使活性中心的苏氨酸残基暴露于成熟亚单位的N-端亚单位环上3个活性位点分别对蛋白质的疏水性、碱性、酸性氨基酸残基的羧基端进行水解，即分别具有糜蛋白酶样（chymotrypsin-like）活性胰蛋白酶样（trypsin-like）活性肽-谷氨酰-肽水解(peptidylglutamyl-peptide hydrolysing，PGPH)活性,1)20S蛋白酶体,亚单位,1)20S蛋白酶体,1)20S蛋白酶体,亚单位控制被降解底物进入蛋白酶体环中央口被亚单位N末端肽链所占据，这使外侧的环完全关闭，防止细胞内不应被水解的蛋白质进入圆筒状结构内部与酶的催化部位相接触而遭到水解破坏3亚单位控制环的关闭，与其它亚单位的N末端相互作用环的7个亚单位均无催化活性，但它们可提供不同调节亚单位复合体（19S或11S复合体等）的锚定位点亚单位含核定位信号，可标定蛋白酶体进入核内允许降解产物出蛋白酶体,2)19S调节颗粒,19S调节颗粒位于20S蛋白酶体的一端或两端，与20S蛋白酶体结合后可显著提高其活性19S复合体由17个不同的亚单位构成，这些亚单位又分为两部分：盖部(lid subcomplex)基底部(base subcomplex),去泛素化作用,连接基底部和盖部,参与靶蛋白的识别,泛素蛋白酶体系统对蛋白质的降解,N端原则(N-end rule):蛋白质的半寿期与N-末端的氨基酸残基的关系。蛋白质开始合成时，N端的第一个氨基酸都是甲硫氨酸(细菌中为甲酰甲硫氨酸)，合成后被特异的氨基肽酶水解，然后由氨酰-tRNA蛋白质转移酶(aminoacyl-tRNA-protein transferase)把一个信号氨基酸加到某些蛋白质的N端，最终在蛋白质的N端留下一个不稳定的或稳定的氨基酸残基。N-末端氨基酸为蛋氨酸的蛋白质半衰期大于20小时N-末端氨基酸为精氨酸的蛋白质半衰期仅2分钟,1)靶蛋白的选择,蛋白质半寿期与N末端氨基酸序列的关系,1)靶蛋白的选择,降解信号（泛素化降解的对象）：周期蛋白（M期周期蛋白和G1期周期蛋白）破坏框(destruction box)Arg-X-X-Leu-Gly-X-Ile-Gly-Asp/Asn(X：任意氨基酸)PEST序列（Pro-Glu-Ser-Thr）蛋白质疏水核心中的信号：当发生变性、非正常折叠、被氧化或其他非正常修饰时，则可暴露在分子表面，从而被泛素蛋白连接酶E3作为降解信号识别,1)靶蛋白的选择,在真核细胞的细胞质基质中，识别蛋白质中不稳定的氨基酸残基信号，准确的将该种蛋白质降解，依赖于泛素。在蛋白质降解过程中，多个泛素分子共价结合到含有降解信号的蛋白质分子，然后26S蛋白酶体将靶蛋白完全水解。,2)靶蛋白的泛素化,泛素(Ubiquitin,Ub)一种普遍存在于真核细胞中的小分子蛋白质，由76个氨基酸残基组成。真核细胞中，泛素分子结构高度保守。酵母和人类的泛素分子仅有3个氨基酸残基的差异。X线衍射分析，泛素呈紧密的球状结构，包括4个片层和1个螺旋，共形成三个半转角。热稳定蛋白质,2)靶蛋白的泛素化,泛素(Ubiquitin,Ub)泛素通过共价键与其它蛋白质相结合。泛素本身并不降解蛋白质，它仅作为一个标签标记需要被降解的靶蛋白。泛素羧基端的 C-Gly76 与蛋白质或下一个泛素分子 lys-的-氨基共价连接，形成异肽键(-isopeptide bond)，由ATP供能。泛素分子有7个赖氨酸残基（K6，K11，K27，K29，K33，K48 和K63），一旦有泛素分子连接到靶蛋白上，下一个泛素分子的羧基端又可以连接到前一个泛素分子的赖氨酸残基上，形成多聚泛素链。K48 型泛素链和 K29 型泛素链进入蛋白酶体降解途径。各个泛素分子单体之间连接的位点主要是 lys48，在某些情况下也可能是 lys63、lys29。,2)靶蛋白的泛素化,泛素(Ubiquitin,Ub)依赖ATP的酶促反应过程，涉及：泛素活化酶(E1)泛素结合酶(E2)泛素蛋白质连接酶(E3)泛素包括三个步骤化E1激活泛素分子活化的泛素转移到E2上E2负责提供与靶蛋白结合的泛素分子E2不识别靶蛋白E3具有识别靶蛋白的功能-在E3的作用下，泛素分子转移到靶蛋白上靶蛋白标记了多个泛素分子，泛素化后，通过蛋白酶体的作用被水解进一步的循环产生多聚泛素,2)靶蛋白的泛素化,1.E1的作用下，泛素活化；,2.泛素分子由E1转到E2；,3.E3将泛素转移到靶蛋白分子赖氨酸残基的-NH2侧链上；,4.通过重复步骤1 2 3，使靶蛋白多聚泛素化,靶向蛋白酶体；,5.靶蛋白被降解成小的肽片段；,靶蛋白的泛素化,分解信号：26S 的蛋白酶体识别多聚泛素化的蛋白质最少含4个G76-K48 异肽键的泛素链26S蛋白酶体对底物的降解：processive方式，没有降解中间产物的释放降解产物：325个氨基酸残基，其长度的分布呈对数正态分布。在细胞内的环境中，蛋白酶体的肽产物是不稳定的，其绝大部分被一系列下游的蛋白酶和氨基肽酶水解，形成自由氨基酸。,3)蛋白质酶体对泛素化蛋白质的降解,26S蛋白酶体对靶蛋白的降解过程,26S蛋白酶体中19S调节颗粒基底部的Rpt5等亚单位识别 与靶蛋白连接的多聚泛素链；,b.在ATP水解供能的条件下，靶蛋白变性、进入基底部。,c.靶蛋白通过基底部Rpt2亚单位调节的20S复合体的环口。,d.靶蛋白在催化腔内降解，生成短肽。,e.短肽穿出催化腔。,f.在19S调节颗粒盖部Rpn11的作用下，靶蛋白与多聚泛素 链发生去泛素化。,去泛素化酶（deubiquitinating enzymes），属于半胱氨酸蛋白酶家族，可分为两个结构上互不相关的基因家族：泛素C端水解酶家族(ubiquitin C-terminal hydrolases,UCH)泛素特异性蛋白酶家族（ubiquitin-specific processing protease,UBP）去泛素化酶具有以下功能：调节泛素前体产生有功能的泛素；在26S蛋白酶体降解蛋白质的过程中分解出泛素，促进泛素再循环。去泛素化酶纠正被错误泛素化的蛋白质，逆转泛素化反应，或修饰异常的多聚泛素结构，促进26S蛋白酶体的蛋白降解过程正常化。,4)去泛素化,通过特异性的激活E3分子，E3分子活化以后，可识别靶蛋白，使靶蛋白发生相应的泛素化，从而靶蛋白成为26S蛋白酶体降解的靶向性信号。当细胞接受来自细胞内、外的信号刺激后，在蛋白质中造成降解信号，被E3识别。降解信号有多种方式：通过蛋白质特异位点发生磷酸化，暴露隐藏的降解信号；蛋白质的亚单位受调节分离，暴露降解信号；蛋白质的肽键被切割，产生可被E3识别的“失稳”（destabilizing）的N端残基，造成强大的降解信号。,5)靶蛋白降解的调控,泛素连结酶的活化,降解信号的活化,靶蛋白降解的两种调控机制,蛋白质磷酸化,与配体结合构象改变,结合蛋白质亚单位构象改变,蛋白质磷酸化,蛋白质亚单位分离后暴露降解信号,肽键被切割后产生失稳的N端残基,靶蛋白的泛素化需要E1、E2、E3等多种酶的参与，E3在选择靶蛋白的特异性中起关键作用。靶蛋白泛素化可调节细胞周期、免疫应答、信号转导及分化进程等。靶蛋白的种类广泛涉及细胞周期调节因子转录因子细胞骨架调节因子细胞表面受体,泛素蛋白酶体途径参与的生物学作用,思 考 题,1.质膜的特性2.蛋白酶体的结构3.靶蛋白泛素识别的信号(N端原则及降解信号)4.泛素-蛋白酶体对靶蛋白降解的过程,