INTRACELLULAR COMPARTMENT AND PROTEINS SORTING第六章细胞内功能区隔与蛋白质分选第一节 蛋白质分选的基本原理一、蛋白质分选信号二、蛋白质分选运输的途径第二节 膜泡运输一、衣被类型二、衣被的形成三、膜泡运输的定向机制四、细胞的内吞与外排第三节 内质网一、形态与组成二、RER的功能三、ER的其它功能第四节 高尔基体一、形态与组成二、功能区隔三、主要功能第五节 溶酶体与过氧化物酶体定义：结构、功能和发生上相关的内膜形成的细胞结构称为细胞内膜系统，如核被膜、内质网、高尔基体等。功能：区隔化；增加内表面积，提高代谢和调节能力。从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。一、蛋白质分选信号信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signal peptidase）切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特异性要求，每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。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。signal sequence and signal patch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地。如细胞质中合成的蛋白质通过线粒体上的转位因子（translocator）进入线粒体。3、膜泡运输（vesicular transport）：被运输的物质在内质网或高尔基体中加工成衣被小泡，选择性地运输到靶细胞器。第二节 胞内膜泡运输细胞内膜系统之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要取决于膜的表面识别特征。大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被小泡在细胞内沿微管运输。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、衣被类型已知三类：1.笼形蛋白（clathrin）2.COPI3.COPII主要作用：1.选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；2.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衣被类型 GTP酶组成与衔接蛋白运输方向clathrinARFClathrin重链与轻链，AP2质膜内体Clathrin重链与轻链，AP1高尔基体内体Clathrin重链与轻链，AP3高尔基体溶酶体，植物液泡COP IARFCOP高尔基体内质网COP IISar 1Sec23/Sec24复合体，Sec 13/31复合体，Sec 16内质网高尔基体（一）笼形蛋白衣被小泡相关运输途径：质膜内体，高尔基体内体，高尔基体溶酶体、植物液泡。结构：由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼子。衔接蛋白(adaptin)：介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4种，分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。 Clathrin coated vesiclesSelective transport by clathrincoated vesicles当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断（pinch off）衣被小泡。 （二）COP I衣被小泡功 能 ： 负 责 回 收 、 转 运 内 质 网 逃 逸 蛋 白 （ escaped proteins）返回内质网，由7种蛋白组成。回收信号：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号Lys-Lys-X-X。COP I还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。 Cop I VesiclesCop I and II VesiclesLys-Asp-Glu-Leu（KDEL）（三）COP衣被小泡介导从内质网到高尔基体的物质运输。由多种蛋白质构成，Sar1GTP酶与Sec23/Sec24复合体结合在一起，Sec13/Sec31复合体覆盖在外层。衣被小泡形成的部位，称为内质网出口（exit sites），该处没有核糖体。大多数跨膜蛋白是直接结合在COP II衣被上，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II衣被结合。分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域，形式多样，有些包含双酸性基序DEXDE ，如Asp-X-Glu序列 。二、衣被形成衣被是在一类叫作衣被召集GTP酶（coat-recruitment GTPase）作用下形成的，为单体GTP酶（monomeric GTPase），即G蛋白。调节因子有：鸟苷酸交换因子（guanine-nucleotide exchange factor, GEF）GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein, GAP）。衣被召集GTP酶包括ARF蛋白和SAR 1蛋白。ARF参与高尔基体上笼形蛋白衣被与COP I衣被的形成。SAR 1参与内质网上COP II衣被的形成。衣被召集GTP酶存在于细胞质中，但处于结合GDP的失活状态。内质网上形成COPII衣被小泡时，SAR1释放GDP，结合GTP而激活。激活的SAR 1暴露出一条脂肪酸的尾巴，插入内质网膜，促进衣被蛋白的核化和组装，形成运输小泡。活化的SAR1还可以激活磷脂酶D（phospholipase D），将一些磷脂水解，使形成衣被的蛋白牢固地结合在膜上。当衣被小泡从膜上释放后，衣被很快就解体。Coat assembly三、膜泡运输的定向机制（一）SNAREs soluble NSF attachment protein receptor的作用是介导运输小泡与靶膜的融合。动物细胞中已发现20多种SNAREs，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。v-和t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体（trans-SNAREs complexes），将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合。SNAREsSNAREs in vesicle transport在神经细胞中SNAREs负责突触小泡的停泊和融合。破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地降解SNAREs，从而阻断神经传导。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 proteinNSF催化 SNAREs的分离，它能利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptor protein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开，以便开始下一轮的转运。（二）RabsRabs也叫targeting GTPase，属于单体GTP酶，已知30余种，不同膜上具有不同的Rabs。Rabs作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。Rabs与衣被召集GTP酶相似，起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中，结合GTP激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNAREs复合体的形成。Rabs还有许多效应因子（effector）。 Rabs in docking四、受体介导的内吞内吞可分为两类，批量内吞（Bulk-phase endocytosis）和受体介导的内吞(Receptor mediated endocytosis, RME)，批量内吞是非特异性的摄入细胞外物质，细胞表面的内陷（caveolae）是发生非特异性内吞的部位。受体介导的内吞作用是一种选择浓缩机制。低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的内吞作用进行的。 衣被小窝（coated pits）是质膜向内凹陷的部位，相当一个分子过滤器（molecular filter）。约占肝细胞表面积的2%。受体、笼形蛋白和衔接蛋白大量集中于此处。受体胞质端有一个由4个氨基酸残基组成的序列（Tyr-X-X-），X为任何一种氨基酸，为分子较大的疏水氨基酸，如Phe、Leu、Met等，衔接蛋白对此序列有识别能力。受体同配体结合后启动内化作用，笼形蛋白开始组装。在dynamin的作用下掐断后形成衣被小泡。Clathrin coated piton the cytosolic face of a cell低密脂蛋白的吸收：胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL），释放到血液中。LDL颗粒的质量为3X106Da，芯部含有被长链脂肪酸酯化胆固醇分子。周围由磷脂和胆固醇构成的脂单层包围，并且还有一个较大的Apo-B蛋白（配体）。LDL ParticleLDL endocytosis当细胞进行膜合成需要胆固醇时，细胞即合成LDL跨膜受体蛋白，并将其嵌插到质膜中。受体与LDL颗粒受体结合后，形成衣被小泡；进入细胞质的衣被小泡随即脱掉成笼蛋白衣被，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颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇而被利用。Recycling of LDL receptorsLDL Endocytosis受体回收途径：大部分受体返回它们原来的质膜结构域，如LDL受体；有些进入溶酶体，在那里被消化，如EGF的受体，称为受体下行调节（receptor down-regulation）；有 些 被 运 至 质 膜 不 同 的 结 构 域 ， 形 成 穿 胞 运 输（transcytosis）。如母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄人体内，都是通过穿胞运输完成的。 Transcytosis五、外排作用组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway）：由高尔基体TGN区分泌囊泡向质膜运输的过程，其作用在于更新膜蛋白和膜脂、形成细胞外基质、或作为营养成分和信号分子。通过default pathway完成蛋白质转运过程。调节型外排途径（regulated exocytosis pathway）：分泌物（如激素、或酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。第三节 内质网K. R. 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，故名内质网（endoplasmic reticulum，ER）。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。分为粗面型内质网（rough endoplasmic reticulum，RER）和光面型内质网（smooth endoplasmic reticulum，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。 ERRERSERER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RE