医学细胞生物学5-细胞的内膜系统.ppt

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1、细胞内膜系统Endomembrane System,肝细胞主要区室,Endomembrane system,Cell traffic,细胞的内膜系统包括：内质网、高尔基复合体、溶酶体和过氧化物酶体等细胞器。每种细胞器都是相对封闭的区室(compartment)，各种细胞器在细胞都有相对固定的毗邻关系。内膜系统的出现大大提高了细胞代谢反应的效率。,内膜系统中蛋白合成、分选、降解的一般途径,一、细胞内膜系统组成,(一)内质网 Endoplasmic Reticulum,1.内质网的结构形态与类型 内质网是由单位膜围城的相互连续的小管、小泡和扁囊样结构组成的三维网状膜系统。内质网在发生上与细胞膜和核

2、膜关系密切。,内质网遍布整个细胞质,ER,宋今丹教授惠允。,对外界因素刺激敏感。粗面内质网最普遍的病理变化是内质网腔扩大形成空泡，核糖体从内质网脱落，蛋白合成受阻。,间期细胞中内质网的分布常与微管的走向一致，且总沿微管向细胞周缘延伸。已发现微管马达蛋白驱动蛋白(kinesin)与内质网结合，推测内质网一端固定在核膜上，另一端在驱动蛋白的牵引下沿微管向外延伸形成复杂的网络结构。,伪足中ER,宋今丹教授惠允,粗面内质网(rER),多呈扁平囊状，外有核糖体附着分泌蛋白合成旺盛的细胞分布多：B细胞、胰腺细胞、侵袭性癌细胞。未分化或分化程度低的细胞分布少：胚胎细胞和干细胞。,rER,rER膜上存在与蛋白

3、跨膜转运有关的蛋白如Sec61p、Sec63等，它们构成蛋白复合体，形成外径8.5nm，内径2nm的跨膜转运通道 Translocon。,Translocon,光面内质网(sER),多呈分支管状，无核糖体附着参与解毒代谢、脂类合成、类固醇类激素的合成。在肝细胞、睾丸间质细胞、肾上腺皮质细胞分布多。在肌细胞中特化成肌浆网，起钙库的作用。,sER,大部分细胞中rER和sER同时存在，只是比例不同。但在胰腺细胞中只有rER，在肌细胞中只有sER。rER与sER蛋白组成不同。在内质网中存在一定的机制，限制这些蛋白的流动。,sER and rER,微粒体 microsome,细胞内膜性细胞器破裂形成的单

4、位膜封闭的小体，可作为研究相应细胞器的模板。,microsome,microsome,2.内质网的化学组成,由蛋白质和脂类组成标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶Sec61p，Bip，PDI,3.内质网的功能,rER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。进行蛋白的糖基化修饰合成膜脂p160,sER的功能,参与固醇激素的合成和脂类代谢参与糖原的合成和分解解毒作用4.内质网的病理变化,(二)高尔基复合体 Golgi complex,高尔基复合体的形态结构由光滑膜组成，扁平囊堆积在一起高尔基复合体是具有极性的膜性细胞器: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

5、。,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；高尔基中间膜囊(cisterna)；面向细胞膜，反面高尔基网(TGN)，也称成熟面。在CGN可见许多由粗面内质网芽生的运输小泡，在反面常有数目不等，体积较大的分泌泡。,高尔基中间膜囊又可分为顺面扁囊、中间扁囊、反面扁囊三个亚区。,CGN是中间多孔、连续的管网状结构。接受ER合成的物质，分类后专入中间膜囊，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)。CGN还可进行蛋白Ser残基的O-连接糖基化。,cisterna由功能上连续的扁平囊组成。多数糖基化修饰、糖脂形成

6、及与Golgi相关的多糖合成发生在中间膜囊中。,TGN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。,Golgi,2.高尔基复合体的化学组成,蛋白质和脂类 标志性细胞化学反应：CGN嗜锇反应TGN焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)cisterna烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 酶(NADP酶),Golgi marker,3.高尔基复合体功能,参与细胞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，细胞中合成脂类的转运等，是细胞内膜泡转运的中心。

7、参与蛋白的加工和修饰，包括蛋白的糖基化反应、蛋白前体的加工水解等。,(三)溶酶体 Lysosome,单层膜包被的细胞器，内含高浓度的酸性水解酶，是细胞的消化器官。异质性细胞器:同细胞中，同一细胞的不同条件下，细胞器的形态、组成成分不同。,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。标志酶是酸性水解酶。组成酶在rER中合成，经高尔基复合体出芽形成运输小泡，通过运输小泡转运到溶酶体。,lysosome,acidmatrix,pH sensitive probe,1.溶酶体的类型,吞噬,自噬,2.溶酶体的功能,细胞内物质消化细胞外物质消化溶酶体的自溶作用与器官发育溶酶体与激素分泌的调节3

8、.溶酶体与疾病,(四)过氧化物酶体 peroxisome,呈圆形或卵圆形，由单位膜包绕，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。异质性细胞器组成酶在细胞质中合成，以天然构象转运至过氧化物酶体。,标志酶是过氧化氢酶。功能：参与过氧化物代谢 参与分解有毒成分 参与激素的合成过氧化物酶体通过分裂增殖,二、细胞内蛋白的分选Protein Sorting,(一)蛋白质转运的基本途径,1.蛋白质的跨膜转运transmembrane transport 包括:共转运(cotranslational translocation)和翻译后转运(post-translational t

9、ranslocation),2.膜泡转运 vesicular transport3.选择性的门控转运 gated transport4.细胞质基质中的蛋白质的转运,Cell Traffic,Protein sprting,(二)信号假说,1.信号假说 signal hypothesis,Press Release:The 1999 Nobel Prize in Physiology or MedicineNOBELFRSAMLINGEN KAROLINSKA INSTITUTETTHE NOBEL ASSEMBLY AT THE KAROLINSKA INSTITUTE11 October 1

10、999The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award the Nobel Prize in Physiology or Medicine for 1999 toGnter Blobel for the discovery thatproteins have intrinsic signals that govern their transport and localization in the cell,Nobel Press Release,Gnter Blobel,born in 1936,wor

11、ks at the Laboratory of Cell Biology,The Rockefeller University,New York,Gnter Blobel,1999 Nobel Physiology or Medicine Laureate Gnter Blobel receiving his Nobel Prize from His Majesty the King,Gnter Blobel Prize Award Photo,Prize Award Photo,Gnter Blobel-Nobel Diploma,Nobel Diploma,An adult human b

12、eing is made up of approximately 100,000 billion cells.A cell contains many different compartments,organelles,each surrounded by a membrane.The organelles are specialized to carry out different tasks.The cell nucleus,for instance,contains the genetic material(DNA)and thus governs all functions of th

13、e cell.The mitochondria are the power plants producing energy needed by the cell,and the endoplasmic reticulum is,together with the ribosomes,responsible for synthesizing proteins.,Several important functions,All living organisms are made up of cells.The eukaryotic cell contains a number of differen

14、t types of organelles each of which is surrounded by a tightly sealed memberane,compartments,The organization of a cell can be compared to that of a big city 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 the add

15、ress tags on proteins.,signal,In many inherited diseases,proteins are mislocalized in the cell due to errors in targeting signals and transport.One example is primary hyperoxaluria,a rare disease,which results in kidney stones already at an early age.A signal in the enzyme alanine:glyoxylate aminotr

16、ansferase normally directs it to the peroxisome.In patients,this signal is altered and the protein is mislocalized to the mitochondrion where it is unable to perform its normal function.,Diseases,Today many important protein drugs(e.g.growth hormone,erythropoetin,insulin)are produced in living cells

17、.To facilitate easy purification,the proteins are provided with a signal peptide causing them to be secreted out of the cell.,For scale-up production,cells are grown in bioreactors.,Industrial Synthesis,(三)分泌蛋白跨内质网膜转运,1.信号肽引导核糖体结合到内质网膜p155,信号肽 signal peptide/sequence分泌蛋白在合成时首先在N端翻译的主要由疏水性氨基酸组成的肽段，可引

18、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。参与蛋白分选和定位的肽段。,Signal peptide/patch,信号识别颗粒 Signal Recognition particle，SRP,存在于细胞质基质中的由6个多肽和一条小的7SLRNA分子组成的颗粒。,SRP,7SLRNA含有约300个碱基。6个蛋白 只有P54不与RNA结合。包含三个区域：信号肽结合区(P54)、核糖体结合区(P9/P14)、蛋白转位区(P68/P72)。蛋白转位区协助信号肽进入内质网膜上的转运通道。,信号识别颗粒受体 SRP-Receptor,存在于内质网的细胞质面，可以结合SRP。由2个亚单位

19、组成：亚单位为膜外周蛋白由640个氨基酸组成；亚单位是跨膜蛋白由300个氨基酸组成。,用少量的蛋白酶处理可以在亚单位靠近ER膜处断裂SRP-Receptor，形成可溶性SRP-Receptor。它可以在无细胞体系(Cell-free System)中恢复由SRP阻断的蛋白合成。,SRP中的P54亚单位可以和SRP-Receptor中的亚单位共同作用水解GTP。,Srp srp-r ribosome,Effection of SRP,2.新生肽链到内质网腔的转运,分泌蛋白的以协同翻译转运的方式进入内质网腔，此过程消耗GTP。分泌蛋白无停止转运信号，因而全部进入ER腔。有些内质网上合成的蛋白可通过

20、翻译后转运的方式进入内质网腔，此过程消耗ATP。,Co-translational translocation,Post translational translocation,3.蛋白质在内质网腔中的折叠p156,蛋白折叠需要分子伴侣的辅助。分子伴侣(chaperone)或伴侣素(Chaperonin):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，但本身并不参与终产物的构成。,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。参与协同翻译转运的分子伴侣是Hsp70，是一种组成性表达的分子伴侣。参与翻译后转运的分子伴侣是Bip。分子伴侣C端存在驻留信

21、号肽，氨基酸序列为KDEL。,4.膜整合蛋白的嵌插机制p158,多次跨膜蛋白通常存在交替排列的开始转运信号和停止转运信号。,跨膜区域或锚定区域通常富含-螺旋。跨膜的方向取决于跨膜区域富含正电荷的部分是位于N-端或C-端，带正电荷的部分一般在细胞质基质侧。,5.蛋白合成的质量控制p159,Chaperon eand chaperonin,(四)内质网到高尔基复合体的转运p158,1.COPI and COPII,2.蛋白的糖基化修饰p164,(五)高尔基复合体到溶酶体的转运p166,(六)蛋白进入过氧化物酶体转运,蛋白以折叠的构象进入过氧化物酶体。转运后定位信号不被切除。,(七)蛋白入线粒体转运

22、p133,signal,(八)膜泡转运,蛋白内部存在分选信号，可以被ER和Golgi中的特异性受体识别。包被蛋白激发运输小泡的形成。运输小泡形成后包被蛋白与之脱离，暴露出运输小泡表面的识别分子。运输小泡与靶膜的融合通过特异性的识别分子介导。,Coated vesicles involved in trafficking,Life Cycle of a protein,与膜泡转运有关的分子p67,N-乙基顺烯二酰亚胺敏感性融合蛋白N-ethylmalermide sensitive fusion protein,NSF2.可溶性NSF附着蛋白Soluble NSF-attachment protein，SNAP3.SNAP受体 SNAP receptor，SNARE,NSF是一种ATP酶。SNAP是一组胞质内可溶性蛋白，SNAP与NSF结合后可增加NSF的ATP酶活性。SNARE是一组膜结合蛋白，它是SNAP的受体，NSF只有在SNARE存在的前提下才能与SNAP相结合。,