第5章真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输优秀课件
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蛋白质分选与膜泡运输
COPⅠ有被小泡的形成 Ⅰ
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① 一种胞质溶胶中的 小分子GTP结合蛋白, GTP结合蛋白 小分子GTP结合蛋白,即 ARF,释放 释放GDP, GTP结 ARF,释放GDP, 同GTP结 形成ARF GTP复合物 ARF复合物, 合,形成ARF-GTP复合物, 并整合在高尔基体膜中。 并整合在高尔基体膜中。 COPⅠ同ARF以及高 ② COPⅠ同ARF以及高 尔基体膜蛋白的细胞质 部分结合； 部分结合； ③在脂酰CoA的帮助下 在脂酰CoA的帮助下 CoA 形成COPⅠ被膜小泡, COPⅠ被膜小泡 形成COPⅠ被膜小泡, 一旦COPⅠ COPⅠ小泡形成就 一旦COPⅠ小泡形成就 立即从供体膜释放出来， 立即从供体膜释放出来， COPⅠ包被去聚合 包被去聚合, COPⅠ包被去聚合, 并 与膜脱离, 与膜脱离, 这一过程是 由与ARF结合的GTP ARF结合的GTP水解 由与ARF结合的GTP水解 所触发。 所触发。
COPII有被小泡的组装与运输 COPII有被小泡的组装与运输
过程：
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• ER腔中可溶性货物蛋白 可溶性货物蛋白通过与选择性跨膜蛋白腔面一端 可溶性货物蛋白 结合而被募集 • 选择性跨膜蛋白胞质面一端的信号序列以及ER膜上整合 蛋白v-SNARE被COPII蛋白识别，形成有货物蛋白和 货物蛋白和v货物蛋白和 SNARE的有被小泡。 • 小分子GTP结合蛋白（Sar1蛋白，对包被组装和去组装起 调控作用）参与下脱被并定位到高尔基体的cis面。 • 暴露的v-SNARE与高尔基体cis面膜上的同类蛋白 t-SNARE配对，介导膜泡与靶膜融合，内含物进入高尔 基体。 • 被脱去的包被蛋白再循环利用。 11
网格蛋白有被小泡的形成 网格蛋白有被小泡的形成
a.配体同膜表面特异 受体结合, 网格蛋白 装配的亚基结合上去, 使膜凹陷成小窝状。 。 b.通过出芽的 方式形成小泡, 在发动蛋白 发动蛋白的 发动蛋白 作用下与质膜 割离。
细胞生物学膜泡运输与蛋白质分选
高尔基复合体与细胞内的膜泡运输高尔基符合体在分泌蛋白和细胞质膜蛋白的形成过程中不仅起着加工的作用，同时还有形成囊泡，进行包装和运输的作用。
分泌型蛋白、多数细胞质膜的膜蛋白都是在糙面内质网上合成后，经高尔基体的加工与分装通过膜泡运输的方式输送到细胞表面；而细胞质外的大分子和颗粒性物质及细胞质膜的膜蛋白也会通过胞饮或吞噬作用，以膜泡运输的方式进入细胞内。
高尔基复合体不论在向外运输的膜泡转移中，还是在内吞形成的膜泡转移中都起着重要的作用，且高尔基复合体中的G蛋白对高尔基复合体膜泡运输具有调控作用。
在细胞内的膜泡运输中，至少有10种以上的运输小泡参与膜泡运输过程，有三类。
COPl 有被小泡、COPll又被小泡、成笼蛋白有被小泡，前二者主要起始于内质网和高尔基复合体的运输，而后者主要调节起始于高尔基复合体和质膜的运输。
膜泡运输的类型1.成笼蛋白有被小泡起源于高尔基复合体的反面网状结构，其衣被主要成分为成笼蛋白和衔接蛋白。
结构上外层为由成笼蛋白构成的蜂巢样网络结构，内壳则由衔接蛋白构成，覆盖在细胞质基质侧的膜泡表面。
成笼有被小泡主要是负责蛋白质从高尔基体反面网状结构向质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。
此外，也参与胞内体到溶酶体的运输以及受体介导的内吞途径。
2.COPll有被小泡COPll有被小泡主要参与从内质网到高尔基复合体的物质运输，由五种蛋白亚基构成。
COPll蛋白能识别并结合跨膜内质网蛋白质膜一段的信号序列；而跨膜内质网蛋白的腔面一端作为受体与内质网腔中的可溶性蛋白结合。
COPll有被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。
3.COPl有被小泡主要负责回收与转运内质网逃逸蛋白返回内质网，而且在“糙面内质网-高尔基复合体-分泌泡-细胞表面”的蛋白质转运过程中，还行使非选择性批量运输的功能。
以上三种小泡介导的膜泡运输，需依赖于多种GTP结合蛋白对膜交换的时空变化进行调控。
膜泡运输的定向为了确保膜运输的有序进行，运输小泡在正确识别其将要与之融合的靶膜是必须具有高度选择性。
医学细胞生物学：第五章 细胞内膜系统与囊泡转运
目前，对内质网的化学特征与生理功能的了解和认识， 大多是通过对微粒体的生化、生理分析而获得的。
微粒体的形态及类型
A. 从细胞匀浆中分离出的微粒体电镜观察形态图； B. 运用蔗糖浓度梯度离心分离技术可获得颗粒型和光滑型两种不同的微粒体。
Endomembrane System
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第五章 内膜系统
二、内质网的化学组成
第三节 溶酶体（Lysosome)：
中国仓 鼠细胞 内的溶 酶体 （特异 的红色 染料所 示):
一.溶酶体具有不同的形态
二.溶酶体的结构：
1.包裹溶酶体的膜叫 生物膜
2.基质内含多种酸性 水解酶
3.膜上具有H+质子泵
4.溶酶体膜内存在着 特殊的转运蛋白
5. 溶酶体的膜蛋白高 度糖基化防止自身膜 蛋白降解
• 膜受体 • 溶酶体蛋白 • 分泌小泡
高尔基复合体与膜的转运
• 膜流：细胞内 功能相关的膜 性结构间的联 系和转移的现 象
• 通过小泡是在 膜的特定区域 以出芽的方式 产生
高尔基复合体与细胞的分泌
第五章 内膜系统
三、高尔基复合体的功能
(一)细胞内蛋白质分泌运输的中转站
外输性分泌蛋白两种不同的排放形式：
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第五章 内膜系统
二、内质网的化学组成
（三）网质蛋白
目前已知的网质蛋白： 免疫球蛋白重链结合蛋白，内质蛋白 ，钙网蛋白， 钙连蛋白 ，蛋白质二硫键异构酶。
Endomembrane System
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• 二、形态结构：小管、 小泡及扁平囊。可与核 膜外层相连。
高尔基复合体的发现
• 最早发现于1855 年
微粒体的形态及类型
A. 从细胞匀浆中分离出的微粒体电镜观察形态图； B. 运用蔗糖浓度梯度离心分离技术可获得颗粒型和光滑型两种不同的微粒体。
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第五章 内膜系统
二、内质网的化学组成
第三节 溶酶体（Lysosome)：
中国仓 鼠细胞 内的溶 酶体 （特异 的红色 染料所 示):
一.溶酶体具有不同的形态
二.溶酶体的结构：
1.包裹溶酶体的膜叫 生物膜
2.基质内含多种酸性 水解酶
3.膜上具有H+质子泵
4.溶酶体膜内存在着 特殊的转运蛋白
5. 溶酶体的膜蛋白高 度糖基化防止自身膜 蛋白降解
• 膜受体 • 溶酶体蛋白 • 分泌小泡
高尔基复合体与膜的转运
• 膜流：细胞内 功能相关的膜 性结构间的联 系和转移的现 象
• 通过小泡是在 膜的特定区域 以出芽的方式 产生
高尔基复合体与细胞的分泌
第五章 内膜系统
三、高尔基复合体的功能
(一)细胞内蛋白质分泌运输的中转站
外输性分泌蛋白两种不同的排放形式：
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第五章 内膜系统
二、内质网的化学组成
（三）网质蛋白
目前已知的网质蛋白： 免疫球蛋白重链结合蛋白，内质蛋白 ，钙网蛋白， 钙连蛋白 ，蛋白质二硫键异构酶。
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• 二、形态结构：小管、 小泡及扁平囊。可与核 膜外层相连。
高尔基复合体的发现
• 最早发现于1855 年
细胞生物学课程第5章(细胞内膜系统与膜泡转运)2015
滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum , SER)
多为小管和小囊状广泛存在于合成类固醇的细胞中， 有的细胞只有SER, 如平滑肌、横纹肌细胞
四、特殊类型的内质网
（一）微粒体 （二）肌质网 （三）髓样小体 （四）环孔片层
（一）微粒体
在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内膜系统(主要是内质网 和高尔基体)自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。 多数情况下,由破碎的内质网自我融合形成的微粒体,包含内质网膜和 核糖体两种基本成分,这些小囊泡的直径大约100 nm左右, 是异质性的 集合体.在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合上皮细胞中光滑内质网的特化结构。小管小囊 连接成网状，某些部位出现由膜层紧密排列形成的双凸透镜 形的髓样结构，称为髓样小体。结构上与光感受器相似，可 能依赖于光的刺激而进行功能活动。
（四）环孔片层
常见于生殖细胞或病理变化的细胞 等快速增殖的细胞中，环孔片层常 常平行排列成堆，极似薄内质网扁 囊，形态结构又相似于核膜片断。 有人认为是糙面内质网的特化 结构，因其存在于细胞质中且于粗 面内质网相连；也有人认为是核膜 的特化结构，因其上小孔与核孔复 合体非常相似。近年来，有人在细 胞核中也发现了环状片层，与内层 核膜及核仁相连。 环孔片层功能还有待进一步探讨。
羟基化涉及四个基本反应∶
被氧化的物质同细胞色素P-450结合→
细胞色素P-450中的铁原子被NADPH还原→
（2）内含信号序列与单次跨膜蛋白
内含信号序列又称内含信号 肽, 位于肽段中,故称为内 含信号序列。它可被SRP识 别,同时它也是起始转移信 号。 内含信号序列是不可切除的, 又具疏水性, 是膜蛋白的一 部分,如果共翻译转运的蛋 白质中只有一个内含信号序 列,那么合成的蛋白就是单 次跨膜蛋白。内含信号序列 始终保持具有较多正电荷氨 基酸的一端朝向胞质溶胶一 侧。它的方向决定了跨膜蛋 白的方向。
8-2 蛋白质的分选与膜泡运输 细胞生物学
• G蛋白具有两类重要的调节蛋白，即：鸟苷酸交换因子（guaninenucleotide exchange factor, GEF）和GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein, GAP）。GEF的作用是使G蛋白释放GDP，结合 GTP而激活。GAP的作用是激活G蛋白的酶活性，使GTP水解，G蛋白 失活，G蛋白本身的GTP酶活性不高。除单体G蛋白以外，三聚体G蛋白 也起分子开关的作用，控制衣被小泡的形成。
微管
膜泡运输的关键步骤：
1.供体膜的出芽、装配和断裂，形成不同的包被转运膜泡。 2.在细胞内由马达蛋白驱动，以围观为轨道的膜泡运输。 3.转运膜泡与特定靶膜的锚定和融合。（SNARE、RabGTP）
四、细胞结构体系的组装
生物大分子的组装方式
装配具有重要的生物学意义
生物大分子的组装方式
自我装配（self-assembly）：信息存在于装配 大分子复合物亚基本身，细胞提供装配环境。 协助装配（aided-assembly）：在大分子复合 物装配过程中，需要形成最终结构的亚基、其 他组分的介入；或者对装配亚基进行修饰，保 障装配过程或正确行使功能。 直接装配（direct-assembly）：某些亚基直接 装配到预先形成的基础结构上。
在细胞合成与分泌途径中，不同膜组分之间 三种不同的膜泡运输方式: 1. 网格蛋白有被小泡：介导从高尔基体TGN 质膜和胞内体及溶酶体的运输； 2. COPII有被小泡：介导顺向运输，从内质网 高尔基体的运输； 3. COPI有被小泡：介导逆向运输，即在高尔基 体内膜囊间和从cis膜囊、CGN RER。 (物质沿内吞途径的转运未表示在图中)。
跨膜受体
被运输蛋白
装配：
Sar1-GDP
Sec12
微管
膜泡运输的关键步骤：
1.供体膜的出芽、装配和断裂，形成不同的包被转运膜泡。 2.在细胞内由马达蛋白驱动，以围观为轨道的膜泡运输。 3.转运膜泡与特定靶膜的锚定和融合。（SNARE、RabGTP）
四、细胞结构体系的组装
生物大分子的组装方式
装配具有重要的生物学意义
生物大分子的组装方式
自我装配（self-assembly）：信息存在于装配 大分子复合物亚基本身，细胞提供装配环境。 协助装配（aided-assembly）：在大分子复合 物装配过程中，需要形成最终结构的亚基、其 他组分的介入；或者对装配亚基进行修饰，保 障装配过程或正确行使功能。 直接装配（direct-assembly）：某些亚基直接 装配到预先形成的基础结构上。
在细胞合成与分泌途径中，不同膜组分之间 三种不同的膜泡运输方式: 1. 网格蛋白有被小泡：介导从高尔基体TGN 质膜和胞内体及溶酶体的运输； 2. COPII有被小泡：介导顺向运输，从内质网 高尔基体的运输； 3. COPI有被小泡：介导逆向运输，即在高尔基 体内膜囊间和从cis膜囊、CGN RER。 (物质沿内吞途径的转运未表示在图中)。
跨膜受体
被运输蛋白
装配：
Sar1-GDP
Sec12
细胞生物学_10真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输结果
信号肽→信号识别颗粒（SRP）→信号识别颗 粒受体（停泊蛋白，DP）
在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与 P、DP和微粒体的关系
细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号：
①信号序列：存在于蛋白质一级结上的线性序列，通常1560个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移 后被信号肽酶切除。 ②信号斑：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。 ③每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。
由内质网到高尔基体的蛋白转运中，大多数跨膜蛋白是直 接结合在COP II衣被上，但是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，这些受体在完成转运后，通 过COP I衣被小泡返回内质网。
COP II衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构 域，形式多样。
COPⅡ小泡的装配需要一种称为Sar1的G蛋白的参与。 当Sar1中GDP与GTP进行了交换，诱导Sec23和Sec24蛋 白的结合，接着是Sec13和Sec31蛋白的结合，最后由一 种结合在ER表面的大蛋白质，Sec16与Sec23/Sec24复 合物、Sec13/Sec31复合物相互作用，装配成一个完整的 小泡。
四、细胞结构体系的组装
目前机理尚不清楚。 组装方式：自我组装、协助组装、直接组装。 组装具有重要的生物学意义： ⒈减少和校正蛋白质合成中出现的错误。 ⒉可大大减少所需的遗传物质信息量。 ⒊通过组装与去组装更容易调节与控制多种生物学过程。
分子伴侣：细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成 的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位结合，从 而帮助这些多肽转运、折叠或组装，这一类分子本身并 不参与最终产物的形成。
每种转运小泡都有特异的v-SNARE，能识 别并与靶膜上t-SNARE相互作用。通过vSNARE与t-SNARE两类蛋白间的互补性和相 互作用，决定供体膜泡在靶膜上的锚定与融合。
在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与 P、DP和微粒体的关系
细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号：
①信号序列：存在于蛋白质一级结上的线性序列，通常1560个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移 后被信号肽酶切除。 ②信号斑：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。 ③每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。
由内质网到高尔基体的蛋白转运中，大多数跨膜蛋白是直 接结合在COP II衣被上，但是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，这些受体在完成转运后，通 过COP I衣被小泡返回内质网。
COP II衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构 域，形式多样。
COPⅡ小泡的装配需要一种称为Sar1的G蛋白的参与。 当Sar1中GDP与GTP进行了交换，诱导Sec23和Sec24蛋 白的结合，接着是Sec13和Sec31蛋白的结合，最后由一 种结合在ER表面的大蛋白质，Sec16与Sec23/Sec24复 合物、Sec13/Sec31复合物相互作用，装配成一个完整的 小泡。
四、细胞结构体系的组装
目前机理尚不清楚。 组装方式：自我组装、协助组装、直接组装。 组装具有重要的生物学意义： ⒈减少和校正蛋白质合成中出现的错误。 ⒉可大大减少所需的遗传物质信息量。 ⒊通过组装与去组装更容易调节与控制多种生物学过程。
分子伴侣：细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成 的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位结合，从 而帮助这些多肽转运、折叠或组装，这一类分子本身并 不参与最终产物的形成。
每种转运小泡都有特异的v-SNARE，能识 别并与靶膜上t-SNARE相互作用。通过vSNARE与t-SNARE两类蛋白间的互补性和相 互作用，决定供体膜泡在靶膜上的锚定与融合。
第五章细胞内膜系统与蛋白质分选
（一）蛋白质合成
蛋白质都是在核糖体上合成的，但是有些蛋白质在合成开始不久后 便转在内质网上合成。包括：①向细胞外分泌的蛋白 ②跨膜蛋白 ③构成细胞器中的可溶性驻留蛋白
（二）蛋白质的修饰与加工
修饰包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化类型： N-连接的糖基化 ：起始于内质网，完成于高尔基体 O-连接的糖基化：主要发生在高尔基体上
2020/9/26
2020/9/26
图4-16 两类分选信号
二、蛋白质分选运输的途径与类型
1.蛋白质分选的两条基本途径 （1）翻译后转移：在细胞质基质中完成多肽链的
合成，再转运至细胞器（如线粒体、叶绿体、 微体、细胞核等）或细胞质基质的特定部位。 （2） 翻译共转移：在细胞质基质中多肽链的合成 起始后，边合成边转入内质网腔中，随后经高 尔基体运至溶酶体、质膜、分泌到细胞外。
• 动力素是一种GTP酶，它将小泡柄部的膜尽可能地 拉近，调节小泡以出芽形式脱离膜。
2020/9/26
2020/9/26
图4-18 笼形衣被小泡的组成
网格蛋白分子由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的 形状。许多网格蛋白的曲臂部分交织在一起，形成一个具有5边形 网孔的笼子。
202图0/94/2-619 网格蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型 ，C衣被模型
2020/9/26
图4-8 胰岛素分子的加工成熟
第三节 溶酶体与过氧化物酶体
一、溶酶体的结构 二、溶酶体的功能 三、溶酶体的发生 四、溶酶体与疾病 五、过氧化物酶体
2020/9/26
一、溶酶体的结构类型
溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细 胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。 • 溶酶体膜的特征：
蛋白质都是在核糖体上合成的，但是有些蛋白质在合成开始不久后 便转在内质网上合成。包括：①向细胞外分泌的蛋白 ②跨膜蛋白 ③构成细胞器中的可溶性驻留蛋白
（二）蛋白质的修饰与加工
修饰包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化类型： N-连接的糖基化 ：起始于内质网，完成于高尔基体 O-连接的糖基化：主要发生在高尔基体上
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图4-16 两类分选信号
二、蛋白质分选运输的途径与类型
1.蛋白质分选的两条基本途径 （1）翻译后转移：在细胞质基质中完成多肽链的
合成，再转运至细胞器（如线粒体、叶绿体、 微体、细胞核等）或细胞质基质的特定部位。 （2） 翻译共转移：在细胞质基质中多肽链的合成 起始后，边合成边转入内质网腔中，随后经高 尔基体运至溶酶体、质膜、分泌到细胞外。
• 动力素是一种GTP酶，它将小泡柄部的膜尽可能地 拉近，调节小泡以出芽形式脱离膜。
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图4-18 笼形衣被小泡的组成
网格蛋白分子由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的 形状。许多网格蛋白的曲臂部分交织在一起，形成一个具有5边形 网孔的笼子。
202图0/94/2-619 网格蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型 ，C衣被模型
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图4-8 胰岛素分子的加工成熟
第三节 溶酶体与过氧化物酶体
一、溶酶体的结构 二、溶酶体的功能 三、溶酶体的发生 四、溶酶体与疾病 五、过氧化物酶体
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一、溶酶体的结构类型
溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细 胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。 • 溶酶体膜的特征：