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Ⅰ.蛋白质合成:
运送蛋白质的路线:
胞质——内质网——高尔基体——各个部分
ⅰ.分泌蛋白合成
内质网如何合成这些蛋白质?
按“Signalpeptidehypothesis”所阐述的原则过程合成。
所谓信号肽假说,是G.Blobel和D.Sabatini等1975研究secretoryproteins合成中依据所发现的事实提出的。
后来的研究证明,这个假说是正确的,并且把它原来不清楚的地方研究的更清楚了,原来不足的地方丰富发展了。
现在,按大大丰富和发展了的这个假说,内质网如何合成上述蛋白的过程可以叙述和图示如下:
(1)合成的开始是在胞质溶液内的游离核糖体上进行的。
(2)粗面内质网膜上有(SRP-mRNA-新生肽段)复合体中SRP的受体(又称dockingprotein),同时有核糖体大亚基单位的受体。
通过与这两种受体的结合,整个复合体便附着到内质网上。
(3)这时,在信号肽“诱导”下,ER膜上分离的Proteintranslocator亚基聚合成亲水性通道,信号肽即以形成环样的方式引导其后的肽链由此通道进入ER腔(lumen).由于信号肽同时起引导后面肽链转移到ER腔的作用,所以其特殊序列又被称为“starttransfersignalsequence”(开始转移序列)。
(4)SRP脱离,合成继续,继续合成肽链源源不断进入ER腔。
SRP的脱离和肽的进入lumen分别需水解GTP和ATP提供能量。
肽链一边合成一边转移进入ER腔这种情况,称为“cotranslocalion”(共转移)。
(5)合成完毕,新生肽全部转入ER内,ER内腔面的信号肽酶切下信号肽并迅速将之完全降解。
因此,成熟的蛋白中无信号肽。
生长激素(growthhormone)的信号肽
ⅱ.膜蛋白的合成
膜蛋白,至少跨膜蛋白也是由ER参与下合成的,并且边合成边就留在膜内。
跨膜蛋白的合成,其开始阶段亦在游离核糖体上进行,之后也是在SRP介道下再转而附着到ER上进行。
但是由于是跨膜的膜蛋白,整个肽链必须有一段或多段停留在脂双层中,其余的露在膜的表面,于是其合成过程便与上述两类蛋白有所不同。
其最大的不同是涉及肽链自身具有两种超信号作用的aa序列。
一种是“starttransfersignalsequence”,即开始转移序列,引导肽链穿过内质网膜;
另一种是“stoptransfersequence”,即停止转移序列,当这类序列穿越膜移动到脂双层时,其后的肽链即暂时的或永久的停止在ER膜上,不进入ER腔。
除个别“开始转移信号序列”外,实际上所有的这两种信号序列都是跨膜蛋白的留埋在脂双层中的疏水性区段(肽段)。
现把不同类跨膜蛋白所含这两种序列的情况和合成情况综合如下:
一次跨膜的蛋白,分三种不同情况:
(1)开始转移序列位于N′端,且N端是进入ER腔内的:
这里的开始序列,不是说完全与前述的信号肽等同。
停止转移序列则位于膜链内部。
在停止序列及其之前部分的合成和转移完全与分泌蛋白的相同。
其开始序列即信号肽最后亦被切除分解。
但停止序列以后的肽链一般都不转移进ER腔。
(2)“开始”序列不在N′末端部位,且N端进入ER腔的:
这里N端部最先合成,合成了“开始序列”以及其以后相当长一段(加“起始”亦应大约70aa)肽后才附到ER上。
而与下述情况的不同之处则在于:
“开始转移序列”本身的N端相对更富含带电的疏水性氨基酸。
因此它此端插入膜脂双层,并引导蛋白合成的N端转移到ER膜内。
“开始序列”同时又是蛋白合成其余部分(C′端的部分)的“停止转移序列”!
所以其之后的整个肽链直至C′末端,全被留在cytosol中。
(3)与
(2)所不同点仅在于“开始”序列本身的C′端更富含疏水aa,因此,整个蛋白的N′端被留在cytosol中,C′端则进入ER。
多次跨膜蛋白
MultipassmembraneProtein的不同之处是,它们显然有多个信号序列。
它七次穿膜,N′端进入ER腔内(lumen,含四个“开始转移序列”三个“停止转移序列”。
不同的跨膜次数以及其N′端进入ER还是C′端进入ER,显然其“开始序列”和“停止序列”的数量,先后顺序自然有别,合成中的情况包括转移情况自然也就不相同。
这些请自己思考去理解。
整合蛋白的多向性:
整合蛋白的方向性在内质网上合成时已确定,转运中保持不变。
ER自身蛋白的存留:
ER自身蛋白进入cis高尔基体中,会通过膜泡运输,回到ER中,一种在cis高尔基中膜受体会抓住ER蛋白并送它们回ER。
1脂类合成
Ⅱ.蛋白质的修饰和加工
最主要的一种修饰(modification)和加工(processing)是糖基化(glycosylation).几乎所有分泌蛋白,溶酶体酶和许多膜蛋白都是受糖基化修饰。
糖基化分N-连接糖基化和D-连接糖基化两类。
在ER中发现的是N-连接糖基化,是把已有特定组成和结构的一类寡聚糖(oligosaccharide)加连到蛋白质特定天冬酰胺(asparagines)氨基(NH-)上的糖基化。
此糖基化是蛋白质合成过程中就发生的。
这种糖基化最终的形式,到高尔基体时经受进一步的改造。
运到胞外的蛋白质,在ER膜上新完成合成后,由15-20aa固定在ER膜上,在一分钟之内,ER上的一种酶把蛋白质从膜固定的C-端切下,马上连接在糖基磷脂酰基醇的N端,最后运到细胞膜的外侧。
除糖基化外,在ER还有羟基化,酰基化等修饰和加工。
Ⅲ.帮助新生肽正确折叠和组装。
像其他地方合成的一样,ER合成并转移到ER腔内的各种新生肽,都会在合成过程中自身进行折叠,有的在折叠之后还相互结合,组装成多聚体的蛋白质。
然而这样的折叠和结合有时可能不正确,尤其是ER腔内,其中的非还原性的环境极易形成二硫键,这对肽链的正确折叠带来了很大困难。
ER中存在着帮助新生肽不发生不正确折叠和组装的机制,也有把不正确组装和折叠的蛋白质重新折叠和重组装的机制,以及把不能重新折叠和重组装的错误的蛋白加以消除的机制。
Proteindisulfideisomerase(PDI)(二硫键异构酶)和Bindingprotein(BIP)(结合蛋白)两种停留蛋白就是这些机制中的两种!
这两种蛋白所以能够被留位于ER,则是因为它们都具有能使自己滞留在ER的特殊aa序列,即所谓KDEL信号序列(赖氨酸,天冬氨酸,谷氨酸,亮氨酸)。
Bip也被视为MolecularChaperone,所谓“分子伴侣”或“分子红娘”,就是能(专门)帮助其他肽链(无论是在合成过程中,合成后还是在运输过程中)最终实现正确折叠(folding)和组装(assembly)形成正确构象的一大类蛋白分子。
这大类分子共有两个家族,分别称为hsp60和hsp70.(hsp=healshockprotein)。
Bip属于hsp70家族!
ubiquitin介导的蛋白质降解途径:
折叠错误的多肽被送到细胞质中,被ubiquitin结合,然后送到蛋白酶体(proteosome)中降解。
第三节高尔基器(复合体)(GolgiApparutusorGolgiBody)
高尔基器是细胞中在显微水平用硝酸银显染方法(也可用中性红活体染色法或合成酸显染法)染上色的一种网状结构,其功能过去认为与细胞分泌活动直接有关。
因为由意大利医生和细胞学家C.Golgi1898年首次在猫头鹰神经细胞中发现,因而以其名字命名,并且也有人称之为高尔基体或高尔基复合体。
由于在植物细胞上用各种显微方法都不能显示,因此,长期认为植物细胞无高尔基器。
电子显微镜技术出现后人们发现,所谓高尔基器原来是一堆一堆聚集分布的成群扁囊(像内质网一样被称为潴泡或扁囊,即现在一般称谓的Golgibody)。
电子显微镜技术同时也揭示,过去认为不存在的高尔基器的植物细胞其实也存在大量的dictuyosomes,这样高尔基体便成为所有真核细胞都具有的一种细胞器。
一、高尔基体的形态结构和细胞化学特征
组成高尔基体的扁囊即潴泡,大体上呈圆形盘状(或饼状)表面光滑,彼此间有间隔,其周边部分往往或多或少膨大。
潴泡的数量一般5-8个,但也有多至30,少至1-2个的,依物种和细胞种类而异。
高尔基体是一个极性分化突出的结构。
包括如下三部分:
1.形成面或顺面的囊膜和管网(cistern),主要是指与ER接近的一面,一般也是面向细胞核的一面。
此面的1-2个(也有人说3个)囊膜的特征更像内质网的囊膜,但是可为酸浸染染色方法特异地着色。
其中尤其最外边的一个,由于有大量的或多或少的穿孔,以及有从内质网来的转运蛋白质等物质到高尔基体的小泡的不断并入,因此实际上是一个由连通的管形成的,外表有突出的管网,特称为顺面膜囊(cisGolgi)或顺面网状结构(cisGolginetwork,CGN)。
2.成熟面或反面的囊膜和管网。
与形成面相反的一个面即称为成熟面,亦称为反面(transface)。
此面的1-2个囊膜即称为成熟面膜囊或反面膜囊。
可用显示焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学方法特异地着色。
其中,尤其是最外边的一个,由于高尔基体对分泌蛋白,溶酶体酶等的加工最后在此完成,并在此形成各种膜包裹小泡,因此被解离和分割成支离破碎的管网样结构,特称为反面高尔基网(transGolginetwork,TGN)。
某些区域或突起部分的膜,其外表有*形蛋白包被,因此显得被格外加厚,这也是成熟面和形成面扁囊的一种形态学标志。
3.中间的囊膜是除上述两部分而外余下的属于它们之间的部分。
这些膜囊可用显示烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶(NADP酶=辅酶II)的细胞化学方法特异地显色。
关于高尔基体各相邻囊膜之间是否直接通连的问题,目前一种新的看法是:
无相互通连;
物质在它们之间的依次转运,以及CGN形成的分泌小泡和溶酶体而造成的膜面积减少,都以留下层次的扁囊在其周围部分形成小泡,然后融合于上层平面的边沿,这样一种方式来完成和得到补充。
二、高尔基体的功能
总体上讲,高尔基体是主要对ER合成和转运来的大分子物质进行加工、分类和浓缩包装的一个场所。
包装形成的小泡,再分别转运到细胞的特定部位,或通过胞吐分泌到细胞外。
可以说,在大分子转运中,高尔基体是胞内的一个重要交通枢纽。
具体讲,它有如下功能:
1.分泌作用
2.蛋白质的糖基化和修饰
3.蛋白酶的水解
1.蛋白质的修饰加工
1)糖基化(Glycosylation)
(1)N-linkedoligosaccharide的进一步改造。
(最普遍的糖基化)
在ER已开始,但主要由高尔基体进行。
如图:
(2)O-linked的糖基化由高尔基体进行。
发生在有关蛋白某些特定的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸侧链的OH上,而与之脱水共价结合的第一个糖基为N-乙酰半乳糖胺(GalNAc),偶尔为半乳糖(Gal)。
再加到这个残基上的糖残基数一般是1-3个。
也有更多的,例如连接在蛋白作为ABO血型的寡糖即由11-13个糖残组成。
总的讲,O-连接糖基化远不如N-连接的普遍。
其整个过程也还不清楚。
(3)蛋白聚糖(Proteoglycans)的组装(核心蛋白的糖基化)。
蛋白聚糖又称为粘多糖结合蛋白,它是由一个或多个糖胺聚糖结合到核心蛋白的丝氨酸残基上形成。
它与一般糖蛋白不同之处在于:
a.糖含量极高可达90-95%,而一般糖蛋白则为1-60%;
b.糖基形成直链多糖,与一般O-linked的糖基化不同,与蛋白聚糖核心蛋白的丝氨酸结合的不是N-乙酰半乳糖胺,而是木糖。
2)硫酸化(Phosphorylation)
作为对分子的稳定修饰,这种修饰主要发生在上蛋白聚糖上。
3)肽链的剪切(trimming)
2.蛋白酶的水解
白蛋白和胰岛素前体加工
3.膜脂的Glycosylation
质膜有一类膜脂为糖脂,这些糖脂的糖基化,估计也像糖蛋白一样,除少数外,可能主要在高尔基体进行和完成。
4.合成某些多糖并参与形成细胞板
除糖基化中的各种多糖类,一些纯多糖类物质是由细胞的不同结构合成。
其中,纤维素是植物细胞在胞外由质膜合成的;
淀粉(starchoramylum)是由叶绿体基质合成的;
糖原(glucogen)是由动物细胞的胞质溶胶合成的。
除这些外,至少我们还知道两种植物多糖即半纤维素(hemicellulose)和果胶(pectin),肯定是由高尔基体合成。
在高尔基体,多糖的合成涉及从顺面的高尔基体管网到反面高尔基体管网的各部囊膜,其中,中间部分的囊膜,被认为是最主要的场所。
5.加工产物与合成产物的分拣,包装和靶向运输
经ER合成与加工然后再经高尔基体进一步在TGN形成膜包裹小泡的包装形式运到质膜经胞土吐外排或形成前溶酶体。
(主要运向两种方向;
一是质膜,在此,其内容物通过胞吐被排到细胞外,而小泡的膜则并入质膜,成为质膜的一部分。
这就是分泌作用。
二是形成前溶酶体,这里由TGN形成的专门包装溶酶体的转运小泡与lateendosome融合。
)
对高尔基体来说,显然存在一个如何把各类物质加以分选,分别包装和定向转运的问题,这种分选与包装,显然只能是由高尔基体,特别是它的反面管网来完成。
高尔基体的TGN何以能完成这样的任务或者说如何完成这样任务?
总体看,这还是一个基本上悬而未决的课题。
不过,自70年代尤其80年代以来,在这课题的研究上也取得一定的突破或进展。
这种突破或进展主要有以下两点:
a.溶酶体酶的分选和包装,是通过其糖链上一个磷酸化的甘露糖与TGN膜上相应受体特异的识别结构,以及相应膜区外表包被的笼形蛋白的作用来实现的。
溶酶体的寡聚糖链属N-连接寡聚糖。
其中一个甘露糖是磷酸化的,整个结构如右边图所示。
而磷酸化的甘露糖为该类酶的特异标志信号基因,简称M6P基因。
由于除组织蛋白酶B1(cathepsinB1)以外,所有的溶酶体都具如上述的寡聚链结构,且一个分子有多个这样的多糖,而TGN膜的一些特定区域又专门聚集分布了M6P基因的受体;
同时这些区域的膜之外被有笼形蛋白(clathrin)因此,通过酰基-受体相互特异识别结合以及笼形蛋白的成芽论作用,溶酶体不仅与其他蛋白分开。
而且可高浓度聚集并包装成膜包裹小泡。
b.非溶酶体蛋白,据初步研究,至少其中的许多分泌性的酶、激素、神经递质等,它们也是在高尔基体的TGN中被各各分选包装成各自的分泌小泡的,但是这些蛋白的分组类聚,就其本身而言完全不象溶酶体酶那样完全依赖于其糖链上的M6P基因,而是依赖于肽链本身,因为除去其糖链并不影响它们的分选和包装。
然而肽链本身到底有何分组类聚之信号,现还不清楚。
有人推测,(Alberts1994)信号也不是某一特定序列的肽段,而是蛋白质主体构像表面的某个小区域,即所谓“SignalPatch”,在TGN的膜上也有其受体;
通过信号斑与受体的结合以及膜外笼形蛋白的作用,使分泌物达到分选和被*成分泌小泡的目的。
其中情况与吞噬作用有些类似。
有些质膜蛋白的靶向转运,其本身具有肽链可能含有分选和靶向转运的信号序列。
瞿氏教材P134所述的流感病毒,水泡性口炎病毒和多聚免疫球蛋白受体(PigR)的基因重复和表达技术所进行的研究和结果证明了这一点。
6.细胞分化作用的调节。
由高尔基形成的分泌小泡,因所含分泌物和膜组份的不同而分为两类,相应地,它们向细胞外排放的方式和途径也分为两种。
一种是以补充和更新质膜为主要目的而以运送膜成份到质膜为主的。
因为胞纳作用,尤其胞饮作用是经常性的连续进行的,因此这种分子作用也相应是经常性连续性的,称为连续分泌途径。
谈连续途径是指从ER合成膜蛋白到高氏体加工包装成分泌小胞,到转运到质膜,这一过程连续不停在进行和经常进行的。
另一种是专门装载的转运各种激素、神经递质的消脂酶等的。
由于这些物质分子不需经常进行,而是受外来信号的控制,因此称为调节性分泌途径。
在这一种分泌方式或途径中,由高尔基的TGN形成的分化小泡一般都暂时存在于细胞内,在受到外来信号刺激时才排放,而外界信号一般则又是通过胞内Ca2+进行调节的。
高尔基体把这种分化方式或途径所分泌的不同物质分子选开和分别包装成不同的小泡,这本身证明高尔基体在细胞分化中间环节中起重要作用。
(在高尔基体对胰腺分泌调节中,最近发现了一种参与调节的特殊蛋白,这种蛋白在PH=7时,与调节性分泌当中的不仅蛋白质有高度的亲合力,而与及者结合,不与连续性分脂的蛋白结合。
在PH=5.5时,它便与调节性分化蛋白分离,而胰岛素分化小论中的PHG是5.5?
)。
第四节溶酶体(Lysosomes)
一、形态结构特征与发生形成
1.形态结构特征和化学组成特点
原来只在动物细胞上发现,0.2µ
m-0.5µ
m,后来证明植物(和真菌)细胞中的圆球体(Spherosomes)、糊粉粒(aleurones),甚至中央液泡等都是具溶酶性质和功能的小泡。
溶酶体与其他单层膜包裹小泡的最本质区别,是含有(高浓度)能解降核酸、蛋白和多糖大分子的种种酸化水解酶(acidhydrolyticenzymes)。
现已知的此类酸约40种,最近PH为5±
。
无论酶形态大小还是酶的种类,溶酶体都具有高度特异性。
溶酶体还有三个特点是:
1其膜上具有依赖于ATP水解供能的H+泵。
2膜蛋白的高度酚基化。
3膜具有选择性转运氨基酸分子的能力。
2.溶酶体的发生和形成。
就其所含的水解酶而言,是ER合成,由高尔基体进一步修饰加工而成,最后在TGN包装成膜包裹的小泡。
这些小泡,过去认为即是溶酶体,但现在看来,还不是这样。
据Alberts等(1994),转运溶酶体酶转运小胞先定向移到lateendosome所在部位与后者融合,把酶交付给后者,然后才由后者转变为溶酶体。
此过程可图示为下:
Endosome一词,原用于指核内的一种小体。
后有人译为胞纳泡或内容体胞。
现在看来(Aver1986.Alkerls1994),Endosomes也并非胞纳泡或胞纳体,而是一类专门的小泡并分为earlyendosomes和lateendosomes两组。
它们为何来源,至今未知。
它们的最大特点是膜上具有依赖于ATP水解供能的H+泵。
在功能上它们似有相辅相成的两个方面。
一方面它们能外界的胞饮泡融合,使被吞物与胞纳的膜分离开,同时又吸收它的膜返回质膜以供缩改利用,另一方面又能与酶和转运小胞融合,总的看,endosomesq是起一种分选作用,同时在与融酶体酶及直接转变成或给出溶酶体的作用。
Lateendosome在接收了溶酶体酶和胞内物及可能直接转运或产生出变成溶酶体,也可能在只按溶酶体酶后就能直接转变成或间接转变成溶酶体!
其机理还不完全清楚!
Early-和Late-间的关系也还不清楚!
二、溶酶体的功能
各种溶酶体都共有的功能就是消化(digestion),亦称细胞内消化。
依据目的意义的不同,分两类:
1.防御消化(Defensivedigestion)
这是专司吞噬作用的单核细胞和巨嗜细胞中的溶酶体对被吞噬或胞饮入胞内的细菌、病毒及抗原抗体复合物等进行的消化作用。
因消化的对象一般为异种的细胞(包括微生物)或体内发生了病变的细胞,所以这类消化具防卫意义。
整个过程是以胞饮泡与早endosome的融合,后者转变为晚endosome,再与溶酶体转运小胞融合,或者是以吞噬体与晚endsome融合,再与溶酶体转小胞融合而开收的,以及由溶酶体酶的被溶化(因包括H+泵作用使用泡内PH降至5±
)而正式进行并完成。
消化的产物aa、核苷酸和单糖等小分子被转运到cytosel中,以作为营养物重利用。
2.自体消化
这是所有类型细胞都能进行的消化作用。
通过这种消化作用,使细胞自身一些陈旧衰老的的结构部分,胞器和大分子及以被清除,细胞可以不断自我更新以保持正常的生命活动,同样,消化系统的小分子产物也可得到再循环利用。
一般认为,这一类消化作用,是以ER的某些部位先把须消化的细胞器或结构部分先包围,形成双层膜包裹的吞噬体,吞噬体再与lateendosome融合,经过与消化异物体类的过程,最后由于溶酶体可进行消化和完全消化的。
3.其它重要功能:
在特殊情况下的功能:
①分解细胞内的生物大分子为细胞提供营养和能量;
②参与某些分泌物的修饰和“分泌调节”;
③程序性死亡细胞的消除;
④受精过程的作用;
⑤植物细胞中央液泡,糊粉粒和圆球体的特殊的功能:
储存营养物(后两者);
细胞膨胀压的产生的调节(中央液泡)。
三、溶酶体亚类的划分问题
依据所处消化作用的不同阶段,习惯上把溶酶体划分为几种不同的亚类或亚型:
1.初级溶酶体PrimaryLysosomes。
传统的说法是指那些刚从高尔基体或内质网产生出来,含有溶酶体酶,但是未与胞饮泡或吞噬泡融合,还未开始进行消化作用的溶酶体,现在看来,这种说法显然还有问题。
且不说ER是否有使溶酶体酶糖链改造成具M6P基团的最终形成,就高尔基体形成溶酶体酶转运小胞而言,为前已述,并非由它直接转变成溶酶,它只起一种转运的作用,其膜也不具溶酶体膜的特性。
lateendosome“才是”最后产生的场所,而且lateendosome又可能是先引已与胞内泡或吞噬体融合,其内部基质已不可能还是均一的。
2.次级溶酶体SecondaryLysosomes
3.残余小体或后溶酶体ResidualbodyorpostLysosomes
四、溶酶体与疾病(LysosomesandDisease)
几个例子:
1.Tay-Sachs病(β-氨基己糖酯酶A缺乏
2.储积症(教材P184-185)
3.矽肺病(Silicosiderosis)
肺吸入矽粉末(SiO2)
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