分子細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)課件：Chapter4-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

1、 細(xì)胞質(zhì)溶質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核糖體蛋白質(zhì)合成第六章真核細(xì)胞區(qū)別于原核細(xì)胞的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：細(xì)胞內(nèi)有膜性細(xì)胞器 內(nèi)膜系統(tǒng)endomembrane system 真核細(xì)胞內(nèi)，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、過(guò)氧化酶體等結(jié)構(gòu)、功能及發(fā)生上相關(guān)的膜性細(xì)胞器組成的系統(tǒng)。Intracellular compartment % of total cell volumeCytosol 胞質(zhì)溶膠 54Mitochondria 線粒體 22Rough ER cisternae 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 9Smooth ER cisternae plus Golgi cisternae 6（滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) ,高爾基體）Nucleus 細(xì)胞核 6P

2、eroxisome過(guò)氧化物酶體 1Lysosomes溶酶體 1Endosomes 內(nèi)體 1Relative volumes occupied by the major intracellular compartments in Liver Cell第二節(jié) 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum, ER）發(fā)現(xiàn)：1945年, 電鏡研究: 20世紀(jì)40-60年代，形態(tài)結(jié)構(gòu)和分布 20世紀(jì)70年代后，利用電鏡細(xì)胞化學(xué)、同位素標(biāo)記、免疫細(xì)胞化學(xué)等技術(shù)繼續(xù)研究其結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其生化組成及大分子合成功能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在蛋白質(zhì)、脂類(lèi)合成上起重要作用，同時(shí)也是細(xì)胞內(nèi)其它膜性細(xì)胞結(jié)構(gòu)的來(lái)源，因此在

3、內(nèi)膜系統(tǒng)中占中心地位。 一、形態(tài)結(jié)構(gòu)、類(lèi)型形態(tài)：?jiǎn)挝荒傻男」?、小泡、扁囊組成的三維網(wǎng)狀膜系統(tǒng)類(lèi)型：粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) （rough endoplasmic reticulum,RER） 滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) （smooth endoplasmic reticulum ,SER） ER forms hollow tubes and flattened sacs. The chambers are known as cisterna RERSER 分布：RER在分泌蛋白合成旺盛的細(xì)胞中豐富，在未分化或分化低的細(xì)胞中少（粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的分布及發(fā)達(dá)程度可作為判斷細(xì)胞功能狀態(tài)和分化程度的一個(gè)指標(biāo)）SER在合成類(lèi)固醇激素的

4、細(xì)胞中、肝細(xì)胞、平滑肌、橫紋肌細(xì)胞中豐富ER structure under TEM二、化學(xué)組成微粒體（microsome）： 應(yīng)用蔗糖密度梯度離心法從組織勻漿中分離出的由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜等膜性碎片斷裂形成的封閉小泡。 1. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜脂類(lèi)（1/3，30-40%）：磷脂: 磷脂酰膽堿(55%)、磷脂酰乙醇胺(20%)、磷脂酰絲氨酸(10%)、磷脂酰肌醇(10%)、 鞘磷脂（5%）中性脂縮醛磷脂神經(jīng)節(jié)苷脂極少膽固醇 蛋白質(zhì)（2/3, 60-70%）：30-40種酶內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的酶葡萄糖-6-磷酸酶（腔面）細(xì)胞色素P450(胞質(zhì)面)細(xì)胞色素b5 NADH-細(xì)胞色素b5還原酶NADPH-細(xì)胞色素C還原酶ATP酶

5、5-核苷酸酶核苷焦磷酸酶GDP-甘露糖基轉(zhuǎn)移酶-葡萄糖苷酸酶 2. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔含30多種蛋白，如：蛋白二硫鍵異構(gòu)酶協(xié)助蛋白折疊的酶 三、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能（一）粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能1、蛋白質(zhì)合成膜蛋白可溶性蛋白：分泌性蛋白 溶酶體酶蛋白 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中駐留蛋白 (C末端帶有KDEL序列,賴(lài)-天-谷-亮)蛋白質(zhì)合成終止：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留激酶使核糖體解聚 2、蛋白質(zhì)的修飾加工：肽鏈糖基化（N-連接）?；?、羥化、鏈間二硫鍵的形成肽鏈的折疊 N-連接糖基化 多萜醇磷酸酯連接寡糖鏈(最初7個(gè)糖基,后來(lái)14個(gè)) 轉(zhuǎn)移給蛋白質(zhì)的天冬酰胺殘基上 寡糖的轉(zhuǎn)移是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔面進(jìn)行的蛋白質(zhì)折疊：糖蛋白質(zhì)量調(diào)控 3、膜的生成粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合

6、成膜蛋白 膜分化（membrane differentiation）膜的生成由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成基本的膜脂和整合膜蛋白，依次添加酶、專(zhuān)一性的糖和脂類(lèi)等成分，逐步形成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜向高爾基體膜、高爾基體膜向質(zhì)膜或溶酶體膜的生成過(guò)程，稱(chēng)為膜分化。膜分化不僅在物質(zhì)運(yùn)輸上起作用，還使膜性細(xì)胞器的膜成分不斷得到補(bǔ)充和更新。 4、物質(zhì)的運(yùn)輸內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的蛋白質(zhì)有不同的去向駐留蛋白C末端有KDEL序列（賴(lài)-天-谷-亮）溶酶體酶蛋白分泌蛋白膜蛋白折疊錯(cuò)誤的被運(yùn)出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，被降解（二）滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能1、脂類(lèi)合成包括磷脂、膽固醇、脂肪、皮質(zhì)激素、糖脂等。 以卵磷脂（磷脂酰膽堿）為例描述脂類(lèi)的合成： 三步，三種酶，酶的活性部位位

7、于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的細(xì)胞質(zhì)面 膜脂的翻轉(zhuǎn)：新合成的脂類(lèi)分子嵌入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)胞質(zhì)面，由翻轉(zhuǎn)酶將其翻轉(zhuǎn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的腔面 2、解毒作用肝細(xì)胞中光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)多，合成脂類(lèi)多光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上細(xì)胞色素P450，細(xì)胞色素b5，NADPH-細(xì)胞色素C還原酶， NADH -細(xì)胞色素b5還原酶通過(guò)氧化、羥化有毒物質(zhì)，使毒性破壞、極性增強(qiáng)易溶于水排出體外磷酸化酶催化3、糖原的代謝參與糖原分解：肝細(xì)胞滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)胞質(zhì)面糖原 1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖SER膜上的葡萄糖-6-磷酸酶脫掉6-磷酸葡萄糖的磷酸根，葡萄糖轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，最后被釋放到血液 。 4、Ca2+貯存及調(diào)節(jié)肌質(zhì)網(wǎng): 高Ca2+庫(kù)， 鈣泵作用鈣網(wǎng)蛋白：平滑肌細(xì)胞及非肌細(xì)

8、胞捕鈣蛋白：骨骼肌、心肌細(xì)胞結(jié)合Ca2+能力很強(qiáng)：1分子結(jié)合40個(gè)Ca2+屬于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的內(nèi)表面。第三節(jié) 核糖體 (ribosome) 1953-1958年，電鏡下發(fā)現(xiàn)并命名存在：除哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞外的所有細(xì)胞及葉綠體、線粒體內(nèi)一、核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 電鏡下呈顆粒狀 15-25nm由大小兩個(gè)亞單位組成 70s 原核細(xì)胞 兩種類(lèi)型 80s 真核細(xì)胞核糖體的存在形式1、大小亞單位分離存在，Mg2+濃度小于1mM2、蛋白質(zhì)合成時(shí)以多聚核糖體形式存在： 多聚核糖體（polyribosome）：多個(gè)核糖體結(jié)合到一個(gè)mRNA分子上成串排列，形成蛋白質(zhì)合成的功能單位。 一條mRNA鏈上可同時(shí)有多

9、個(gè)核糖體進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，大大提高了合成效率。3、游離核糖體、膜結(jié)合核糖體： 前者合成細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)蛋白或某些特殊蛋白， 后者合成分泌性蛋白、膜蛋白、可溶性駐留蛋白、溶酶體酶蛋白 核糖體上的相關(guān)活性部位 mRNA結(jié)合位點(diǎn)（小亞單位） A位點(diǎn)：氨酰-tRNA結(jié)合部位（大亞單位） P位點(diǎn)：肽酰-tRNA結(jié)合部位（小亞單位） E位點(diǎn)：肽基 轉(zhuǎn)移后即將釋放的tRNA的結(jié)合位點(diǎn) （大亞單位） 肽基轉(zhuǎn)移酶催化位點(diǎn)：催化氨基酸間形成肽鍵rRNA （大亞單位） GTP酶（易位酶）結(jié)合位點(diǎn): 所結(jié)合的酶可催化肽酰-tRNA 從A位轉(zhuǎn)到P位，促使肽鏈的延伸核糖體以多聚核糖體的形式存在多聚核糖體（polyribosom

10、e）：多個(gè)核糖體結(jié)合到一個(gè)mRNA分子上成串排列，形成蛋白質(zhì)合成的功能單位。 一條mRNA鏈上可同時(shí)有多個(gè)核糖體進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，大大提高了合成效率。蛋白質(zhì)延伸二、核糖體的化學(xué)組成 rRNA 60% 兩類(lèi)成分 蛋白質(zhì) 40% 70s 原核細(xì)胞 兩種類(lèi)型 80s 真核細(xì)胞原核生物與真核生物核糖體成分的比較 原核生物與真核生物核糖體結(jié)構(gòu)對(duì)比圖解三、核糖體的功能蛋白質(zhì)合成機(jī)構(gòu)核糖體中的RNA的作用：為tRNA提供了A、P、E3個(gè)結(jié)合部位RNA催化劑（Ribozyme）：23sRNA具有肽基轉(zhuǎn)移酶催化形成肽鍵的活性。 美國(guó)科學(xué)家T.Cech和S.Altman發(fā)現(xiàn)了核酶(ribozyme)，獲得了1989

11、年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 四膜蟲(chóng)核糖體大亞基前rRNA的內(nèi)含子在不含蛋白的溶液中被切除，這種自剪接被發(fā)現(xiàn)是RNA具有催化活性導(dǎo)致的。核酶的發(fā)現(xiàn)對(duì)于所有酶都是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念提出了挑戰(zhàn)。 核酶(ribozyme）具有酶催化活性的RNA。核酶可切割RNA, 或DNA, 有些還具有RNA連接酶、磷酸酶等活性。有的核酶底物就是自身分子。 核酶與蛋白質(zhì)酶相比，核酶的催化效率較低，是一種較為原始的催化酶。 Albert Claude(內(nèi)質(zhì)網(wǎng))、George E. Palade(核糖體、線粒體結(jié)構(gòu)) Christian de Duve(溶酶體)共同獲1974年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 阿達(dá)約納特2009年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng):在

12、原子水平上揭 示了核糖體的形態(tài)和功能，他們利用X射線結(jié)晶學(xué)技術(shù)標(biāo)出了構(gòu)成核糖體的無(wú)數(shù)個(gè)原子中每一個(gè)所在的位置，構(gòu)建了核糖體的3D模型。這種3D模型在原子層面上 揭示了核糖體功能的機(jī)理，展示了不同的抗生素如何綁定到核糖體。這些模型如今被科學(xué)家應(yīng)用于開(kāi)發(fā)新的抗生素，直接幫助減輕人類(lèi)的病痛，拯救生命。拉馬克里希南托馬斯施泰茨 Venkatraman Ramakrishnan，1952年出生印度,美國(guó)公民，現(xiàn)英國(guó)劍橋Thomas A. Steitz，1940年出生于美國(guó)現(xiàn)為耶魯大學(xué)教授及霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究人員Ada E. Yonath，1939年出生于以色列現(xiàn)在以色列魏茨曼科學(xué)研究所。 抗生素是

13、主要的蛋白質(zhì)合成抑制劑,如氯霉素、鏈霉素、嘌呤霉素氯霉素抑制核糖體大亞基肽酰轉(zhuǎn)移酶活性鏈霉素抑制tRNA與核糖體的結(jié)合導(dǎo)致肽鏈提前終止。嘌呤霉素與tRNA末端結(jié)構(gòu)類(lèi)似能同氨基酸結(jié)合，然后結(jié)合到A位點(diǎn)，形成不成熟多肽第四節(jié) 蛋白質(zhì)合成的命運(yùn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)是怎樣合成的信號(hào)假說(shuō) 信號(hào)序列（signal sequence）：信號(hào)序列是由mRNA 鏈上5 端的信號(hào)密碼編碼的 16-30個(gè)氨基酸序列，其作用是與SRP結(jié)合，將游離核糖體引導(dǎo)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上繼續(xù)合成蛋白質(zhì)。信號(hào)識(shí)別顆粒（signal recognition particle ，SRP ）：由6個(gè)多肽亞單位和一個(gè)小的7SLRNA分子組成，能識(shí)別并結(jié)合

14、信號(hào)肽，將帶有信號(hào)肽的蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)引導(dǎo)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上繼續(xù)合成。 SRP（Signal Recogeniton Partical）信號(hào)識(shí)別顆粒 How signal sequences and SRP direct ribosomes to the ER membrane 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)移機(jī)制1) 信號(hào)肽合成，SRP與之結(jié)合 多肽鏈起始合成于游離核糖體，先合成信號(hào)肽。 SRP識(shí)別并結(jié)合信號(hào)肽，形成SRP-核糖體復(fù)合體，此時(shí)，蛋白質(zhì)合成暫停直至結(jié)合到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。2) 核糖體結(jié)合到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上 SRP-核糖體復(fù)合體附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜SRP受體上，SRP完成使命后，與SRP受體分離，可繼續(xù)被循環(huán)使用。此時(shí)，多肽鏈繼續(xù)合成。 3) 新生肽鏈經(jīng)膜穿入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔 信號(hào)肽及合成的新肽鏈通過(guò)中央管和轉(zhuǎn)移通道進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔4) 信號(hào)肽被切除 信號(hào)肽完成使命后即被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的信號(hào)肽酶切去并降解。與之相連的合成中的肽鏈繼續(xù)進(jìn)