第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

N-连接与O-连接的寡糖比较
特 征 N-连接 粗面内质网 来自同一个寡糖前体 O-连接
1.合成部位 2.合成方式
3.与之结合的 天冬酰胺 氨基酸残基
4.最终长度
5.第一个糖残 基
至少5个糖残基
N—乙酰葡萄糖胺
粗面内质网或高尔 基体 一个个单糖加上去 丝氨酸、苏氨酸、 羟赖氨酸、羟脯氨 酸 一般1～4个糖残基， 但ABO血型抗原较长
细胞质基质含酶
蛋白质合成：几乎所有参与蛋白质合成的氨基酸激酶。 核酸合成： 所有使胸腺嘧啶核苷酸掺入到 DNA 中必须 的酶，也有不少合成核酸所需要的酶。
脂肪代谢的合成： 大部分脂肪酸合成的酶。 糖酵解及戊糖磷酸过程：这两个反应过程所需的酶。 糖原代谢作用：合成和分解糖原的两个最重要的酶，即 尿苷二磷酸葡萄糖 α - 葡聚糖葡萄糖转 移酶和葡萄糖磷酸化酶。
信号肽假说——分泌蛋白合成模型
蛋白质首先在细胞质游离核糖体上起始合成，当多肽链延 伸至80个aa左右后，N端信号序列与SRP结合使肽链延伸暂时 停止，并防止新生肽N端损伤和成熟前折叠，直至SRP颗粒与 ER膜上的停泊蛋白（SRP受体）结合，核糖体与ER膜的易位 子（translocon）结合。此后，SRP颗粒脱离信号序列和核糖 体，返回细胞质基质中重复使用，肽链又开始延伸。以环化构 象存在的信号肽与易位子组分结合并使孔道打开，信号肽穿入 ER膜并引导肽链以袢环的形式进入ER腔中，这是一个需GTP 的耗能过程。与此同时，腔面上的信号肽酶切除信号肽。肽链 延伸直至完成整个多肽链的合成。如果一种多肽只有N端信号 序列而没有停止转移序列，该多肽合成后则进入ER腔中；如 果一种多肽的停止转移序列位于分子的中部，该多肽最终则成 为跨膜蛋白。含有多个起始转移序列和多个停止转移序列的多 肽则成为多次跨膜蛋白。
信号肽结构
N端或接近N端极性区为1-7个亲水的极 性残基（如Arg、Ser、Thr、Lys）组成，带 正电荷。 紧接亲水区由15-19个AA残基组成 疏水核心，主要为Pro和Gly，无酸性AA。 疏水中心的结尾由甘氨酸和丙氨酸等侧链较 短的氨基酸残基组成。疏水核心形成两个不 连续的α-螺旋区。该两个α -螺旋区如被破坏， 则会抑制蛋白质分泌。
可与外层核膜相连；在靠近质膜的部位，
可与质膜内褶相连。
已分化细胞中，内质网较发达。 未分化细胞中，内质网较不发达， 而游离核糖体却非常丰富。故内质 网发达与否可作为判断细胞分化程 度和功能状态的一种形态学指标。
二、基本类型
粗面内质网： rough endoplasmic reticulum， rER 光面内质网： smooth endoplasmic reticulum， sER
3
1
胞内体
过氧化物酶体 线粒体
200
400 1700
1
1 22
1、 细胞质基质的概念 用差速离心法分离细胞匀浆物组分， 先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔 基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后， 存留在上清液中的主要是细胞质基质的成 分。生物化学家多称之为胞质溶胶。
2、化学组成
成分极为复杂，按分子量大小大致可分三类：
信号肽假说——分泌蛋白合成模型
蛋白质首先在细胞质游离核糖体上起始合成。当多肽 链延伸至80个aa左右后，N端信号序列与SRP结合使肽链 延伸暂时停止，并防止新生肽N端损伤和成熟前折叠，直 至SRP颗粒与ER膜上的停泊蛋白（SRP受体）结合，核糖 体与ER膜的易位子（translocon）结合。此后，SRP颗粒 脱离信号序列和核糖体，返回细胞质基质中重复使用，肽 链又开始延伸。以环化构象存在的信号肽与易位子组分结 合并使孔道打开，信号肽穿入ER膜并引导肽链以袢环形式 进入ER腔中，这是一个需GTP的耗能过程。与此同时， 腔面上的信号肽酶切除信号肽。肽链延伸直至完成整个多 肽链的合成。如果一种多肽只有N端信号序列而没有停止 转移序列，该多肽合成后则进入ER腔中；如果一种多肽的 停止转移序列位于分子的中部，该多肽最终则成为跨膜蛋 白。含有多个起始转移序列和多个停止转移序列的多肽则 成为多次跨膜蛋白。
（2）蛋白质修饰与加工
主要化学修饰有：糖基化、羟基化、酰基化、 二硫键形成等。 糖基化是ER最常见的蛋白质修饰。糖基 化发生在ER腔面，伴随着多肽合成同时进行。 酰基化发生在ER的细胞质基质侧，通常 是软脂酸共价结合在跨膜蛋白的Cys残基上。
寡糖基转移到蛋白质有两种方式：
N-连接（ N-linked glycosylation ） AA: Asn 糖基：Ｎ-乙酰葡萄糖胺 O-连接（ O-linked glycosylation ） AA：Ser/Thr or Hylys/Hypro 糖基：Ｎ-乙酰半乳糖（主要 发生在高尔基体中）。
分子“伴侣”
（molecular chaperones）
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 与多肽的某些部位相结合，从而帮助这 些多肽转运、折叠或装配，这一类分子 本身并不参与最终产物的形成，因此称 为分子“伴侣”。
蛋白质酶体（proteosome）
1）蛋白酶体结构
蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠， 还需要一些蛋白质帮助（如热休克蛋白Hsp70）使 其能够正确地折叠成有功能的蛋白。
（3）新生肽的折叠与组装
新生肽需要进一步折叠组装。有些 多肽还要进一步装配成寡聚体。不能正确 折叠的畸形肽链或未装配成寡聚体的蛋白 质亚单位，不论是在ER膜上还是在ER腔 中，一般都不能进入高尔基体。 这类多 肽一旦被识别，便通过Sec61p复合体从 ER腔转移至细胞质基质，进而被蛋白酶 体所降解。
3、细胞质基质的生物学特性
（ 1 ）细胞质基质在生长时期，由于质同化作用大于 异化作用，故其体积增加，到一定程度就进行 分裂。 （ 2 ）细胞质基质是物质反应的场所。细胞内的一些 生化反应主要在细胞内外环境或主要细胞器的 接触面进行，同时，也在整个细胞质内进行。 （ 3 ）细胞质基质的激应性。细胞质对外界环境的影 响，将产生不同的反应，如细胞质的运动、收 缩等特性。 （ 4 ）细胞质基质本身还具有外部运动和内部运动的 特性。如变形虫伸出伪足和不断改变形状；胞 质环流等。
正确折叠涉及驻留蛋白—蛋白二硫键异构酶
（protein disulfide isomerase，PDI）
非还原性的 ER 内腔易于二硫键形成。 PDI附于腔面，可切断二硫键，形成自 由能最低的蛋白构象，以帮助新合成的蛋白 质重新形成二硫键并处于正确折叠状态。
结合蛋白（Binding protein，Bip，chaperone） ER含有结合蛋白Bip，可识别不正确折叠 的蛋白质或未装配好的蛋白亚单位，并促使其 重新折叠与装配。一旦这些蛋白质形成正确构 象或装配完成，即可与Bip 分离，进入高尔基 体。 PDI 和 Bip 具有KDEL（赖天谷亮）或 HDEL（组天谷亮）信号。 Bip还可与Ca2+结 合，属于热休克蛋白70家族成员，遍布ER中， 进化上非常保守。
细胞内膜系统概念：
细胞内，在结构、功能及发生上有一定联 系的膜性结构的总称。
内膜系统的区域化衍生形成各种细胞 器（organelles）
第二节 内 质 网
endoplasmic reticulum, ER 一、 形态结构
一层单位膜围成的管状、泡状和囊状
的结构。相互连接形成一个连续的内腔相
通的膜性管道系统。在靠近细胞核的部位，
1）分泌性蛋白质（外输性蛋白质）
rER主要合成外输性蛋白质。
2）膜整合蛋白质
包括质膜蛋白、驻留在rER、 sER、高尔 基体、溶酶体膜上的蛋白质。
3）内膜系统构成的各种细胞器中的可溶性 蛋白
包括定位于高尔基复合体、滑面内质网、 溶酶体的蛋白质（这些蛋白需要隔离或修 饰）。
注意：
上述几类蛋白质在rER上合成，是边合成 边转移至rER腔中。 其它多肽是在细胞质基质中的“游离”核糖 体上合成的。包括：细胞质基质中的驻留 蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运 到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。 细胞中所有蛋白质的合成都在核糖体上进 行，并都是起始于细胞质基质中“游离”核 糖体。
N—乙酰半乳糖胺等
Baidu Nhomakorabea
N-连接机制 供体：磷酸多萜醇 糖基：14个糖残基的寡糖链从供体磷酸多 萜醇上转移到新生肽链的特定三肽 序列的Asn残基上。
特定三肽序列为： Asn-X-Ser 或 Asn-X-Thr （其中X为除以外的任何氨基酸）
信号肽假说 （G.Blobel et al，1975）
信号肽（signal peptide）概念 分泌型蛋白质在其合成过程中其N端所 带的、一般含15-30AA残基的一小段肽 链。
3）蛋白质降解标记——泛素化 ① 泛素（ubiquitin） 是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋 白，具有多种功能。在蛋白质降解过程中，多 个泛素分子共价结合到含有不稳定氨基酸残基 的蛋白质的N端，然后，被26S的蛋白酶体 （proteosome）完全水解。 ② 蛋白质泛素化 被降解蛋白质赖氨酸残基上单个或连续多 个附着泛素分子的过程。
SRP：信号识别颗粒
（signal recognition particle） 信号识别颗粒受体：
又称停泊蛋白（ docking protein， DP ）
信号肽与共转移
共转移：肽链边合成边转移至ER腔中。 起始转移序列: 引导肽链穿过ER的信号肽 称为起始转移序列。 终止转移序列：肽链中与ER膜有很强亲合 力的那段肽链序列。 起始转移序列和终止转移序列的数目决 定多肽跨膜次数
2）能被蛋白酶体降解的蛋白质具有特征序列 （蛋白质降解信号）： 如：人IkB、 -catenin、HIV-Vpu等: -Asp-Ser-Gly-X-X-Ser-
Cyclin A、B1、B2等: -Arg-Leu-Gly-X-X-X-Ile-Gly酵母多种蛋白： N端降解子（N-degron），PEST(脯谷 丝苏，位蛋白质内部)
为多亚基结构，沉降系 数为26S，由一个中空的 20S催化核心（为圆柱体， 由14种多肽，28个亚基组成， 分4个环层，每层7个亚基， 中间2层蛋白分别称为1-7， 具酶活性；上下两层命名为 1-7 ，无酶切活性）和两 个19S的帽子（为调节部分， 又称PA700，由15个亚基组 成）组成。蛋白酶体含量占 细胞总蛋白的1%。
导肽与后转移
线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧 物酶体中的蛋白质是在细胞质基质中合成以后再 转移到细胞器中的，称为后转移（post translocation）。其转移也需要某些信号序列指导 才能进入细胞器。这些对蛋白质多肽链的转移起 指导作用的信号序列称为导肽或前导肽（leader peptide）。
第七章 真核细胞内膜系 统、蛋白质分选 与膜泡运输
第一节 一、细胞质基质
细胞质基质
细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其 体积约占细胞质的一半 。
肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比
细胞组分 细胞质基质 细胞核 内质网 数 1 1 1 目 体积比 54 6 12
高尔基体
溶酶体
1
300
4、细胞质基质的功能
（1）完成各种中间代谢过程：如糖酵解过 程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 蛋白质合成与脂肪酸合成也在细胞质 基质中完成。 （2）维持细胞形态、细胞运动、胞内物质 运输及能量传递等。这些与细胞质骨 架相关。 （3）在蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降 解等方面也起重要作用。
二、细胞内膜系统（endomembrane system）
原核生物细胞内无内质网，而由细 胞膜代行其某些类似职能。
三、ER的功能
ER是细胞内蛋白质与脂类合成 的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋
白都是在内质网上合成的。
1、rER的功能
（1）蛋白质合成
（2）蛋白质的修饰与加工
（3）新生肽的折叠与组装 （4）脂类的合成（脂类合成的场所）
（1） 合成蛋白质
rER 合成的蛋白质主要有：
（1）小分子类：
如水、无机离子（ K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl- 等）和 溶解的气体。 （2）中分子类： 如脂类、糖（葡萄糖、果糖、蔗糖等）、氨基酸、核 苷酸及其衍生物。 （3）大分子类： 如蛋白质、多糖、脂蛋白及RNA等。同时，也含有很多 酶，特别是一些与大分子物质合成和参与主要代谢过 程所必需的酶。