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1 第六章内质网和蛋白质合成

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3 细胞组分数目体积比 细胞质基质细胞核内质网高尔基体溶酶体胞内体过氧化物酶体线粒体 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 ( 引自 Albert.1998)

4 * 概念 : 1 胞质溶质: 细胞质内除细胞器和内含物以外的 较为均质和半透明的胶状物质, 在为各种生化反应提供适宜环境和维持细胞内环境稳定性等方面具有非常重要的作用

5 2 内膜系统 (Endomembrane system): 真核细胞胞质中除线粒体和叶绿体外由其它细胞器相互关联而组成的庞大 精密而复杂的膜系统称为内膜系统, 主要包括核膜 内质网 高尔基复合体三部分, 质膜 溶酶体和分泌泡均可看作是它的衍生物

6 3 半自主性细胞器: 线粒体和叶绿体因其含有自身的 DNA, 故其功能活动和装配受到核 DNA 和其自身 DNA 的共同调控, 因而称其为半自主性细胞器

7 第一节细胞质溶质 (cytosol) 细胞质溶质 : 细胞质中除去膜性细胞器和有形结构以外的无定形胶状体系 无定形 流动性 不均一性 黏滞性 : 蛋白质 ( 含量为 20%-30%) 和水

8 一 细胞质溶质的化学组成 小分子 : 无机离子 :K + Na + Ca 2+ Mg 2+ Cl - 水单体 : 脂肪酸 氨基酸 寡糖 核苷酸大分子 : 蛋白质 酶 RNA 多糖 脂蛋白

9 二 细胞质溶质的基本属性 酸度稳定 结构有序 代谢秩序

10 三 细胞质基质的功能 :( P ) 1 中间代谢反应的进行 2 与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态提供锚定位点 参与胞内物质运输等 3 蛋白质的合成, 修饰与选择性降解修饰 磷酸化 糖基化 羟基化 (-OH) 等降解 变性或错误折叠蛋白质 ( 热休克蛋白 ) 4 维持细胞内环境 (ph 离子环境 ) 的稳定性

11 第二节内质网 (Endoplasmic Reticulum) 发现 :1945 年, 电镜 研究 : 20 世纪 年代, 形态结构和分布 20 世纪 70 年代后, 利用电镜细胞化学 同位素标记 免疫细胞化学等技术继续研究其结构, 同时对其生化组成及大分子合成功能进行研究, 发现内质网在蛋白质 脂类合成上起重要作用, 同时也是细胞内其它膜性细胞结构的来源, 因此在内膜系统中占中心地位

12 Albert Claude( 内质网 ) George E. Palade( 核糖体 线粒体结构 ) Christian de Duve( 溶酶体 ) 共同获 1974 年诺贝尔生理医学奖

13 一. 内质网的形态结构 内质网是内膜构成的封闭的网状管道系统 粗面型内质网 ( Rough ER, RER): 呈扁平囊状, 排列整齐, 有核糖体附着 光面型内质网 ( Smooth ER,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

14 RER SER

15 ER 腔 胞质面 腔面 ER 立体结构示意图

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17 分布 : RER 在分泌蛋白合成旺盛的细胞中丰富, 在未分化或分化低的细胞中少 ( 粗面内质网的分布及发达程度可作为判断细胞功能状态和分化程度的一个指标 ) SER 在合成类固醇激素的细胞中 肝细胞 平滑肌 横纹肌细胞中丰富

18 内质网与其他细胞器的关系 : 与细胞核外核膜相连 与微管平行分布, 微管解聚, 内质网改变其在细胞内的遍布状态, 向细胞周围聚集, 微管重新合成后内质网又恢复原来的结构和分布状态, 说明微管对内质网在细胞内的分布有定位作用 与线粒体靠近, 线粒体直接向内质网提供完成其功能所需的能量

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20 ER structure under TEM

21 二 化学组成 微粒体 (microsome): 应用蔗糖密度梯度离心法从组织匀浆中分离出的由内质网膜等膜性碎片断裂形成的封闭小泡, 有粗面微粒体和滑面微粒体

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23 内质网膜蛋白质含量比细胞膜的多脂类 (30-40%): 磷脂 : 磷脂酰胆碱 (55%) 磷脂酰乙醇胺 (20%) 磷脂酰丝氨酸 (10%) 磷脂酰肌醇 (10%) 鞘磷脂 (5%) 中性脂 缩醛磷脂 神经节苷脂 极少胆固醇 蛋白质 (60-70%):33 种以上

24 内质网膜上的酶 葡萄糖 -6- 磷酸酶细胞色素 P450 细胞色素 b5 NADH- 细胞色素 b5 还原酶 NADPH- 细胞色素 C 还原酶 ATP 酶 表面位置 腔面细胞质面细胞质面细胞质面细胞质面细胞质面 5 - 核苷酸酶细胞质面 核苷焦磷酸酶 GDP- 甘露糖基转移酶 细胞质面 细胞质面 Β- 葡萄糖苷酸酶腔面

25 内质网腔中的蛋白, 如 : 蛋白二硫键异构酶 免疫球蛋白重链结合蛋白 (Bip) 有防止蛋白质聚集, 协助蛋白折叠的作用.

26 三 内质网的功能 : 1.RER 的功能 : (1) 进行蛋白质合成 : 分泌蛋白 整合膜蛋白 溶酶体酶蛋白等 内质网驻留蛋白 : 网质蛋白,C 末端序列 KDEL 序列 ( 赖 - 天 - 谷 - 亮 )

27 其它的多肽是在细胞质基质中 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 注意 : 细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的, 并都是起始于细胞质基质中 游离 核糖体

28 (2) 合成蛋白的修饰与加工 包括糖基化 羟基化 酰基化 二硫键 形成, 肽链的正确折叠

29 糖基化 : 内质网中 :Asn (-H2N*) N- 乙酰葡萄糖胺 N- 连接糖基化 高尔基体 :Ser Thr(-*OH) N- 乙酰半乳糖胺 O- 连接糖基化 : 胶原和血型糖蛋白 N- 连接糖基化的过程 : 多萜醇磷酸酯连接寡糖链 ( 最初 7 个糖基, 后来 14 个 ) 转移给蛋白质的天冬酰胺残基上寡糖的转移是在内质网的腔面进行的

30 多萜醇磷酸 核心糖基 N- 乙酰葡萄糖胺甘露糖葡萄糖

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34 酰基化

35 新生肽的折叠组装 : 非还原性的内腔, 易于二硫键形成 ; 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI ) : 切断二硫键, 帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态结合蛋白 (Binding protein,bip,chaperone): 识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位, 并促进重新折叠与装配

36 (3) 膜的生成 粗面内质网合成膜蛋白 滑面内质网合成膜脂 依次添加专一性的酶 糖 脂质等, 逐步转变为不同功能的各种膜 ---- 膜分化 (P80) 膜整合蛋白的嵌插机制 停止转移序列 (stop transfer sequence) 肽链中疏水序列

37 一次穿膜蛋白整合到内质网膜中的示意图

38 (4) 物质的运输 内质网合成的蛋白质有不同的去向 驻留蛋白 C 末端有 KDEL 序列 ( 赖 - 天 - 谷 - 亮 ) 溶酶体酶蛋白 分泌蛋白 膜蛋白 折叠错误的被运出内质网腔, 被降解

39 糙面内质网上合成的蛋白质被运往特定的部位

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41 ( 二 ) 滑面内质网的功能 1 脂类合成包括磷脂 胆固醇 脂肪 皮质激素 糖脂等 以卵磷脂 ( 磷脂酰胆碱 ) 为例描述脂类的合成 : 三步, 三种酶, 酶的活性部位位于内质网膜的细胞质面

42 乙酰辅酶 A 甘油磷酸 磷脂酸 二酰甘油 磷脂酰胆碱 翻转酶

43 合成磷脂 胆固醇等膜脂, 合成后以出芽的方式转运至高尔基体 溶酶体和质膜上, 或借磷脂转换蛋白形成水溶性复合物, 转至其它膜上

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45 2 解毒作用 肝细胞中滑面内质网上细胞色素 b5, 细胞色素 P450, NADPH- 细胞色素 C 还原酶, NADH - 细胞色素 b5 还原酶通过氧化 羟化有毒物质, 使毒性破坏 极性增强易溶于水排出体外

46 3 参与糖原的代谢 参与糖原分解 : 肝细胞滑面内质网胞质面糖原 磷酸化酶催化 1- 磷酸葡萄糖 6- 磷酸葡萄糖,SER 膜上的葡萄糖 -6- 磷酸酶脱掉 6- 磷酸葡萄糖的磷酸根, 葡萄糖转移到内质网腔中, 最后被释放到血液

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48 4 Ca 2+ 贮存及调节 膜上有钙泵, 如肌质网 捕钙蛋白 ( 可结合 >40 个钙离子 ) 和钙网蛋白可以结合储存钙离子 肌质网 : 高 Ca 2+ 细胞质 : 低 Ca 2+

49 第三节核糖体 (ribosome) 年, 电镜下发现并命名 存在 : 除哺乳动物红细胞外的所有细胞及叶绿体 线粒体内

50 一 核糖体 结构 的结构 类型 大亚单位 : 半圆形, 三个突起, 中央有一凹陷 小亚单位 : 长条形,1/3 处有一缢痕

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52 大小亚单位结合成核糖体, 中间隧道为 mrna 穿行通道 大亚单位中有一垂直于该隧道的通道, 为新合成的蛋白质肽链穿出 通道

53 核糖体上的相关活性部位 mrna 结合位点, 小亚基 A 位点 : 氨酰 -trna 结合部位, 大亚基 P 位点 : 肽酰 -trna 结合部位, 小亚基 E 位点 : 肽基转移后即将释放的 trna 的结合位点, 大亚基 肽基转移酶催化位点 : 催化氨基酸间形成肽键, 大亚基中的 rrna 具有此功能 GTP 酶结合位点 : 所结合的酶可催化肽酰 -trna 从 A 位转到 P 位

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56 蛋白质延伸

57 二 核糖体的化学组成 rrna 60% 两类成分蛋白质 40% 70s 原核细胞 两种类型 80s 真核细胞

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59 原核生物与真核生物核糖体结构对比图解 原核生物与真核生物核糖体成分的比较

60 三 核糖体的存在形式 1 大小亚基分离存在,Mg 2+ 浓度小于 1mM 2 蛋白质合成时以多聚核糖体形式存在 : 多聚核糖体 (polyribosome): 多个核糖体结合到一个 mrna 分子上成串排列, 形成蛋白质合成的功能单位 一条 mrna 链上可同时有多个核糖体进行蛋白质合成, 大大提高了合成效率 3 游离核糖体 膜结合核糖体 : 前者合成细胞内的结构蛋白或某些特殊蛋白, 后者合成分泌性蛋白 膜蛋白 可溶性驻留蛋白 溶酶体酶蛋白

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63 四 核糖体的功能 蛋白质合成场所 RNA 催化剂 (Ribozyme) 具有催化活性的 RNA 序列 23sRNA 具有肽基转移酶活性和催化形成肽键的作用 催化 RNA 自我剪接 (p.47)

64 抗生素是主要的蛋白质合成抑制剂, 如氯霉素 链霉素 嘌呤霉素 氯霉素抑制大亚基的肽酰转移酶活性 链霉素抑制 trna 与核糖体的结合导致肽链提前终止 嘌呤霉素与 trna 末端结构类似能同氨基酸结合, 然后结合到 A 位点, 形成不成熟多肽

65 2009 年度诺贝尔化学奖 : 因为在原子水平发现核糖体的形态和功能而获奖抗生素是通过阻断核糖体杀死细菌的 弄清楚抗生素作用于细菌核糖体的机理, 对于解决细菌抗药性的问题非常重要 文卡特拉曼 - 拉马克里希南 托马斯 - 施泰茨 阿达 约纳特

66 Venkatraman Ramakrishnan,1952 年出生印度, 美国公民 现为英国剑桥 Thomas A. Steitz,1940 年出生于美国, 美国公民 现为耶鲁大学教授及霍华德 休斯医学研究所研究人员 Ada E. Yonath,1939 年出生于以色列 现在以色列魏茨曼科学研究所

67 第四节蛋白质合成的命运 蛋白质可以由游离核糖体在细胞质中合成, 也可以由膜结合核糖体在内质网中合成 但是所有蛋白质合成的起始都是由游离核糖 体介导的

68 一 信号假说 信号肽 (signal peptide): 信号肽是由 mrna 链上 5 端的信号密码编码的 个疏水氨基酸序列, 其作用是与 SRP 结合, 将游离核糖体引导到内质网膜上继续合成蛋白质 信号识别颗粒 (signal recognition particle, SRP ): 由 6 个多肽亚单位和一个小的 7SLRNA 分子组成, 能识别并结合信号肽, 将带有信号肽的蛋白质从细胞质引导到内质网膜上继续合成

69 SRP(Signal Recogeniton Partical) 信号识别颗粒

70 Cotranslational translocation

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72 内质网合成蛋白质的转移机制 1) 信号肽合成,SRP 与之结合 多肽链起始合成于游离核糖体, 先合成信号肽 SRP 识别并结合信号肽, 形成 SRP- 核糖体复合体, 此时, 蛋白质合成暂停直至结合到内质网膜上 2) 核糖体结合到内质网膜上 SRP- 核糖体复合体附着于内质网膜 SRP 受体上, SRP 完成使命后, 与 SRP 受体分离, 可继续被循环使用 此时, 多肽链继续合成

73 3) 新生肽链经膜穿入内质网腔信号肽及合成的新肽链通过中央管和转移通道进入内质网腔 4) 信号肽被切除信号肽完成使命后即被内质网膜上的信号肽酶切去并降解 与之相连的合成中的肽链继续进入内质网腔直到合成完整的多肽 5) 肽链合成完成合成的肽链在内质网腔中加工, 核糖体也脱离内质网, 大小亚基分离, 重新进行 核糖体循环

74 分泌蛋白的合成 Post-translational translocation

75 分子伴娘 (chaperone protein): 特异性地 识别新生肽链或部分折叠的多肽并与之结合, 帮助这些多肽进行转运 折叠 装配, 而本身并不参与最终产物的形成 例 Bip(binding protein)

76 Action of chaperones during translation

77 二 穿膜蛋白的形成 唾液酸糖蛋白受体运铁蛋白受体 golgi 半乳糖基转移酶唾液酸基转移酶

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81 名词 : 内膜系统, 细胞质溶质, 微粒体, 信号肽, 多聚核糖体 思考题 : 1 内质网有哪些功能 2 粗面内质网合成哪几类蛋白质? 如何合成? 3 细胞质溶质在细胞生命活动中的作用 4 核糖体有几种类型? 在细胞中的分布如何? 5 核糖体上与蛋白质合成有关的 6 个活性位点是什么?

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