细胞生物学之笔记

第 5 章 细胞的内膜系统与囊泡转运第一节 内质网#内质网膜的蛋白分析，表明膜中含有酶至少 30 多种，分三种类型与解毒相关的酶系 氧化反应电子传递酶系与脂类物质代谢功能相关 eg 脂肪酸 CoA 连接酶与碳水化合物代谢功能相关 葡萄糖-6 磷酸酶（内质网的主要标志酶）内质蛋白（reticulo-plasmin）#内质网的形态结构膜性三维管网结构系统，基本“结构单位”-小管（ER tubular）、小泡（ER vesicle）扁囊（ER lamina）平均厚度 56nm内质网向内与核膜沟通，向外与高尔基体、溶酶体等转换成分同一组织细胞中，内质网的数量和结构的复杂程度往往与细胞的发育程度成正相关#内质网的基本类型根据电镜观察，内质网分为 粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER) 和 滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER)糙面内质网表面有核糖体附着多呈扁平囊状，参与分泌型蛋白质和多种膜蛋白的合成、加工和转运分泌肽类激素和蛋白的细胞中，RER 高度发达；肿瘤细胞、未分化细胞 则很少光面内质网是呈表面光滑的管泡样网状形态结构滑面内质网 与粗面内质网 相通，是多功能细胞器；在不同细胞或不同生理期，结构分布和发达程度差别很大有的细胞以 RER 为主，有的以 SER 为主，随着生理状态改变，两者可以互相转换某些特殊的组织细胞中存在内质网的衍生结构髓样体（myeloid body）见于视网膜色素上皮细胞孔环状片层体（annulate lamellae）出现于生殖细胞、快速增值细胞、某些哺乳动物的神经 元和松果体细胞及一些癌细胞内质网的功能（1）糙面内质网的主要功能是进行蛋白质的合成、加工修饰、分选及转运1.信号肽指导的 分泌性蛋白 在糙面内质网中 合成 信号肽 是指导蛋白多肽链在糙面内质网上合成与穿膜转移的决定因素。核糖体与内质网的结合以及肽链穿越内质网膜的转移，还有赖于细胞质基质中 信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP ）的介导和内质网膜上 信号识别颗粒受体 （SRP-receptor，SRP-R）以及被称之为 转运体 （translocon）的易位蛋白质（易位子）的协助。新生多肽链的折叠与装配内质网腔中 氧化型 谷胱甘肽 多肽链上半胱氨酸残基之间二硫键形成的（GSSG） 必要条件内膜腔面 蛋白二硫键异构酶 PDIProtein disulfide isomerase加快二硫键形成及多肽链的折叠速度免疫球蛋白重链结合蛋白BiP阻止蛋白质聚集或发生不可逆变性，协助蛋白质折叠（与热激蛋白 70 同源）内质蛋白 endoplasmin 又称葡萄糖调节蛋白 94，内质网标志性分子伴侣，参与新生肽链的折叠和转运钙网蛋白 calreticulin 在钙平衡调节、蛋白质折叠和加工、抗原呈递、血管发生及凋亡与钙离子结合分子伴侣（molecular chaperone）在其羧基端有一 KDEL驻留信号肽。是细胞内蛋白质质量监控的重要因子。协助蛋白质的折叠转运，本身不参与最终产物的形成。钙连蛋白 calnexin 与未完成折叠的新生蛋白质的寡糖链结合，以避免蛋白质彼此的凝集和泛素化；组织折叠尚不完全的蛋白质离开内质网，并促使其完全折叠蛋白质的糖基化（glycosylation）主要是寡糖与天冬氨酸残基侧链上的氨基团的结合，（N-链接糖基化），糖基转移酶催化，始于一共同前体-14 寡糖（2 个 N-乙酰葡萄糖胺 +9 甘露糖+3 葡萄糖）最后，寡糖转移酶 催化 14 寡糖链 连接到 新生肽链 的特定 三肽序列：Asn-X-Ser 或 Asn-X-Thr（X 是 除 Pro 之外 的任何氨基酸）的 Asn 上。糖基化后的 新生肽链，寡糖链末端的 2 个葡萄糖残基被移去，残留的葡萄糖残基结合内质网膜上的 分子伴侣，然后在 分子伴侣帮助下 完成折叠，被移去最后一个葡萄糖残基，包装外送；错误折叠 导致肽链的疏水基团 外露，被 GT（监控酶）识别 并重新连接 1 个葡萄糖，重新结合分子伴侣 进行折叠蛋白质的胞内运输。“出芽”A.转运小泡进入高尔基复合体，加工浓缩，分泌颗粒排吐到细胞外。B.内质网膜泡大浓缩泡酶原颗粒排出细胞。（仅见于哺乳类胰腺细胞）2.信号肽指导的 穿膜驻留蛋白插入转移 的可能机制（1）单次穿膜蛋白插入转移机制A.新生肽链共翻译插入（cotranslation insertion）驻留蛋白含有位于肽链 N 端的起始转移信号肽，停止转移信号肽（特定氨基序列，疏水区段）。当停止转移肽 进入 转运体，转运体 与之作用，从活性状态 变为 失活状态，终停止对肽链的转移，停止转移肽 形成 -螺旋结构，当信号肽被切除，肽链的 N-端 朝向 内质网腔B.由内信号肽（internal signal peptide）介导的内开始转移肽（internal start-transfer peptide）插入转移机制。当 内信号肽 到达 移位子时，被保留在 内质网膜的脂双层中，成为跨膜-螺旋结构； 若 内信号肽 的 N-端 比 C-端 有更多 带正电氨基酸残基，则 C-端 插入 内质网腔；反之，肽链插入方向相反 。（书 P110 图）（2）多次穿膜蛋白质转移插入。2 个疏水性开始转移肽、停止转移肽 结构序列。认为多次跨膜蛋白石以内信号肽作为其开始转移信号的。3.糙面内质网是蛋白质 分选 的起始部位游离核糖体合成的胞内蛋白包括：A 非定位分布的细胞质溶质驻留蛋白。B 定性分布的胞质溶质蛋白 C 核蛋白 D 线粒体、质体等半自主性细胞器所必须的核基因编码蛋白。信号肽被视为蛋白质分选的初始信号。信号斑（signal patch） 是重要的蛋白质分选的分选转运信号。（二）光面内质网都是作为脂类物质合成主要场所的多功能细胞器1.光面内质网参与 脂质 的合成和转运2.光面内质网参与 糖原 的代谢3.光面内质网是细胞 解毒 的主要场所4.光面内质网是肌细胞钙离子 Ca2+ 的储存场所5.光面内质网与 胃酸、胆汁 的合成与分泌密切相关第 2 节 高尔基复合体（Golgi complex）1、高尔基复合体的形态结构（1）高尔基复合体是由三种不同类型的膜性囊泡组成的细胞器1.扁平囊泡（现统称潴泡 cisternae）最具特征的主体结构。每 38 个潴泡整齐排列高尔基体堆（Golgi stack）宽1520nm；囊泡相距 2030nm。朝细胞核=凸面= 顺面（cis-face）=形成面（forming face）6nm 内质网膜；朝细胞膜= 凹面=反面（trans-face ）=成熟面（mature face ）8nm细胞膜厚度。2.小囊泡（现统称小泡 vesicle）聚集于形成面，是直径 4080nm 的膜泡，多数是光滑小泡，较小的是有被小泡 内质网 芽生、分化而来，也称运输小泡（transfer-vesicle）功能完成从内质网向高尔基体的物质转运使潴泡的膜结构及其内含物不断地更新、补充3.大囊泡（现统称液泡 vacuole）见于成熟面的分泌小泡（secretory vesicle），直径 0.10.5nm，由扁平状高尔基潴泡末端膨大、断离形成。（2）高尔基复合体具有显著的极性形态结构、化学组成、功能不同，由顺面到反面以此分为三个组成部分1.顺面高尔基网（cis-Golgi network）连续分分支的管网状结构，显示嗜锇反应的化学特征（电镜下，用锇酸进行染色结合性强）功能分选来自内质网的蛋白质和脂类，A 大部分转入到高尔基中间膜囊 B 小部分重新送返内质网而成为驻留蛋白 进行蛋白质修饰的 O-链接糖基化&穿膜蛋白在细胞质基质侧结构域的酰基化2.高尔基中间膜囊（medial Golgi stack）多层间隔囊、管结构，糖基化修饰多糖& 糖脂的合成3.反面高尔基体网（trans-Golgi network ）分选，分泌到细胞外/溶酶体； 一些蛋白的修饰（3）高尔基复合体在不同的组织细胞中呈现不同的分布形式细胞 分布特征神经细胞 围绕细胞核分布具有生理极性的细胞 eg 输卵管内皮、肠上皮粘膜、甲状腺和胰腺趋向于一极分布肝细胞 沿胆小管分布在细胞边缘精、卵&绝大多数无脊椎动物的某些细胞中 分散的分布状态非极性的细胞间期 位于中心粒附近，与微管有关2、高尔基复合体的化学组成（1）脂类是高尔基复合体的基本成分高尔基体膜脂类成分，介于 内质网膜与质膜之间，脂类总含量45%（2）高尔基复合体含有以糖基转移酶为标志的多种酶蛋白体系#糖基转移酶 glycosyltransferas 是高尔基复合体中最具特征性的酶，主要参与糖蛋白和糖脂的合成。氧化还原酶 NADH-细胞色素 C 还原酶 NADPH-细胞色素还原酶磷酸酶类 5-核苷酸酶、腺苷三磷酸酶、硫胺素焦磷酸酶磷脂酶类 磷脂酶 A1、磷脂酶 A2参与磷脂合成的 溶血卵磷脂酰基转移酶、磷酸甘油磷脂酰转移酶酪蛋白磷酸激酶-甘露糖苷酶#生化区隔化/房室化：高尔基复合体 不同囊泡区间 分布不同 酶系#过渡性细胞器：高尔基复合体 蛋白与酶 的含量和复杂程度 介于内质网 和细胞膜 间3、高尔基复合体的功能（1）高尔基复合体是细胞内蛋白质运输分泌的中转站外源性分泌蛋白具有连续分泌 continuous secretion=恒定性分泌 constitutive secretion=外源性蛋白质在其分泌泡形成之后，随即排放出细胞的分泌形式。非连续性分泌 discontinuous secretion=先储存于分泌跑中，在需要时再排放到细胞外的分泌形式（2）高尔基复合体是胞内物质加工和成的重要场所1.糖蛋白的加工和成N-连接糖蛋白 糖链的合成和糖基化修饰始于内质网，完成于高尔基复合体O-连接糖蛋白 糖链的合成和糖基化修饰主要或完全在高尔基复合体完成N-连接糖蛋白& O-连接糖蛋白的主要差别N-连接糖蛋白 O-连接糖蛋白糖基化发生的部位 糙面内质网 高尔基复合体连接的氨基酸残基 天冬酰胺 丝、苏、酪、羟赖（脯）氨酸连接基团 -NH2 -OH第一个糖基 N-乙酰葡糖胺 半乳糖、N- 乙酰半乳糖胺糖链长度 525 个糖基 16 个糖基糖基化方式 寡糖链一次性连接 单糖基逐个添加蛋白质糖基化意义：保护蛋白质，免遭水解酶的降解糖基化具有运输信号的作用，引导蛋白质包装运输糖基化形成细胞膜表面的糖被，参与保护、识别、联络等重要生命活动 2.蛋白质的水解加工某些蛋白质或酶，只有在高尔基复合体被特异性水解后，才成熟或有活性；如 人胰岛素、胰高血糖素、血清白蛋白 等A 溶酶体酸性水解酶的磷酸化 ，B 蛋白聚糖的硫酸化，均在高尔基复合体发生和完成（3）高尔基复合体是胞内蛋白质的分选和膜泡定向运输的枢纽可能机制：对蛋白质修饰、加工，给蛋白质带上分选信号，进行选择、浓缩，形成不同去向的运输分泌小泡运输小泡的三个去向：溶酶体酶，以有被小泡 被转运到 溶酶体分泌蛋白，以有被小泡 运向 细胞膜/细胞外以分泌小泡形式 在胞质中暂存，被调控释放第 3 节 溶酶体 lysosome1、溶酶体的形态结构和化学组成（1）溶酶体是一种具有高度异质性的膜性结构细胞器溶酶体由一层单位膜包裹，膜厚 6nm，球形，直径 0.20.8m ，含 60 多种分解所有生物活性物质的酸性水解酶，最适 pH3.55.5一个动物细胞 通常含几百个溶酶体，不同溶酶体所含 酶的种类 不尽相同，导致形态大小、数量分布、理化性质的高度异质性（heterogeneous）（2）溶酶体的共同特征是含有酸性水解酶尽管高度异质性，溶酶体有许多 共同特征：均是一层单位膜包裹成的囊球小体均含丰富酸性水解酶，如 蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶、磷酸酶、溶菌酶等。酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶 溶酶体膜中两种高度糖基化的跨膜整合蛋白：lgpA 和 lgpB，（具有高度同源性）朝向溶酶体腔，防止酸性水解酶对自身膜的消化溶酶体膜上嵌有质子泵，依赖解 ATP 释放能量，逆浓度梯度，将 H+泵人溶酶体中，维持低 pH（3）溶酶体膜糖蛋白机组具有高度同源性脊椎动物中 鉴定出 一个溶酶体膜糖蛋白家族溶酶体结合膜蛋白 LAMP 或称 溶酶体整合膜蛋白 LIMP结构特点：一个较短 N-端信号肽序列 一个高度糖基化的腔内区 一个单次跨膜区C-端 10 个氨基酸残基的胞质尾区高度保守（同源性）不同物种溶酶体的不同蛋白，在功能结构区都高度保守（同源性）(氨基酸序列)蛋白质的极低等电点&呈酸性 溶酶体膜糖蛋白结构的糖基化蛋白核心的天冬酰胺残基上连接的寡糖成分占糖蛋白重量的 50%，寡糖链末端均有唾液酸，大大降低了此蛋白的等电点并呈酸性通用识别信号 溶酶体整合膜蛋白 高度保守的 C-端 胞质尾区，是该类蛋白 从高尔基体 向溶酶体运输的 识别信号2、溶酶体的类型（1）溶酶体以其功能状态的不同可区分为三种基本类型1.初级溶酶体 primary lysosome刚产生的溶酶体，膜厚 6nm，不含明显颗粒物质的透明圆球，其囊腔中的酶无活性。=原溶酶体（proto-lysosome）=前溶酶体（prelysosome）2.次级溶酶体 secondary lysosome#初级溶酶体 经过成熟，与其它细胞内外的膜泡融合，成为次级溶酶体，具有功能，又称消化泡（digestive lysosome ）#体积较大，外形不规则，囊腔中有正被消化分解的颗粒物质或残损膜碎片。根据所含底物的性质和来源，分为不同类型：由初级溶酶体经 X 所形成 底物自噬溶酶体=自体吞噬泡Autolysosome =autophagic vacuole融合自噬体 细胞内衰老蜕变或残损破碎的细胞器/糖原颗粒等胞内物质异噬溶酶体=异体吞噬泡Heterophagic lysosome胞吞作用 外来异物吞噬溶酶体 phagolysosome融合由吞噬细胞吞入胞外病原体或其他外来较大颗粒性异物所形成的吞噬体细胞外来异物。（吞噬溶酶体&异噬溶酶体二者之间无本质区别）3.三级溶酶体 tertiary lysosome又称 后溶酶体 post lysosome，是次级溶酶体完成底物消化、分解后，残留部分不能降解的物质于溶酶体中，是溶酶体功能的终末状态；也称残留小体 residual bodyA 这些残留小体，有的以胞吐方式 释放到细胞外被清除；B 有的沉积于细胞内，如神经细胞、肝细胞、心肌细胞的 脂褐质 lipofuscin或者肿瘤细胞、病毒感染细胞、大肺泡细胞、单核吞噬细胞中的 髓样结构 myelin、 含铁小体 siderosome（2）溶酶体以其形成过程的不同可区分为两种基本类型内体性溶酶体（endolysosome，也称内溶酶体）高尔基复合体 芽生小泡 结合 细胞吞饮形成的 内体 endosome 而来 初级溶酶体(前溶酶体)吞噬性溶酶体=内体性溶酶体+自噬体/异噬体3、溶酶体的形成和成熟过程（1）内体性溶酶体是由运输小泡和晚期内体合并形成溶酶体的形成是一个有内质网和高尔基复合体共同参与的过程溶酶体酶蛋白在附着型多聚核糖体上的合成为起始，在经过以下阶段1.酶蛋白的 N-糖基化与内质网转运酶蛋白前体进入内质网网腔，经过加工、修饰N-连接的甘露糖糖蛋白出芽运至高尔基复合体形成面2.酶蛋白在高尔基复合体内的加工与转移磷酸转移酶&N-乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶催化寡糖链上的甘露糖残基 甘露糖-6-磷酸磷酸化 （在高尔基复合体形成面的囊腔中） 甘露糖-6-磷酸（mannose-6-phosphate）=M-6-P=溶酶体水解酶分选的重要识别信号3.酶蛋白的分选与转运带有 M-6-P 的溶酶体水解酶前体，到达高尔基体成熟面，被高尔基体网膜囊腔面的 受体蛋白识别，介导