2010秋季细胞生物学课件-5-6章-王晓娟

第五章 物质的跨膜运输与信号传递l 物质的跨膜运输 被动运输（简单扩散、协助扩散） 主动运输 膜泡运输（胞吞作用、胞吐作用）学习重点：了解以上三种跨膜运输方式，比较其运输机理一、跨膜运输概述1.1 物质跨膜运输l 细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的1530%l 细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3l 细胞膜上存在两类主要的转运蛋白 载体蛋白（carrier protein） 通道蛋白（channel protein1.2 人工膜对各类物质的通透率 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小； 非极性分子比极性分子容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢； 小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过； 人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的1.3 通透性计算方法 某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算： P=KD/t t为膜的厚度1.4 物质跨膜运输的四种类型 简单扩散 协助扩散 主动运输 膜泡运输二、被动运输2.1 被动运输的定义 Passive transport 通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运 动力来自物质的浓度梯度或电化学梯度，不需要细胞提供代谢能量2.2 简单扩散定义 Simple diffusion 疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单扩散的方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助。2.3 简单扩散的特点 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散 不需要提供能量 没有膜蛋白的协助2.4 协助扩散定义 Facilitated diffusion 协助扩散是各种极性分子和无机离子，沿着其浓度梯度或电化学梯度减小的方向进行跨膜转运，在此过程中有特异的膜蛋白“协助”物质转运，从而使其转运速率增加，转运特异性增强，但不需要细胞提供能量2.5 协助扩散特点 比自由扩散转运速率高 运输速率同物质浓度成非线性关系 具有特异性、饱和性2.6 膜转运蛋白 载体蛋白（carrier protein） 通道蛋白（channel protein）2.6.1 载体蛋白（carrier protein） 相当于结合于质膜上的酶 载体蛋白需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输。 载体蛋白的特点 具有高度的特异性 既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输 对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。 不同点: 载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰2.6.2 通道蛋白（channel protein） 一类横跨质膜，通过疏水的氨基酸链进行重排，形成亲水性通道，允许适宜的分子通过 具有离子选择性 离子通道是门控的 参与的只是被动运输 通道蛋白的类型 离子通道 电压门通道 配体通道 压力激活通道2.6.3 水通道蛋白（aquaporin） 水通道蛋白AQP1是人红细胞膜上的一种主要蛋白。它能够让水自由通过（不必结合），但是不允许离子或是其他的小分子（包括蛋白质）通过三、主动运输3.1 主动运输的定义 Active transport 主动运输是由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度，由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式。3.2 主动运输的特点 主动运输的特点 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输 需要能量 都有载体蛋白的参与3.3 主动运输的能量来源 ATP直接提供能量 ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量 ATP间接提供能量 协同运输中的离子梯度动力 光能驱动- 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌3.3.1 由ATP直接供能 钠钾泵（P-class type） 钙泵 质子泵1）钠钾泵 由和两个亚基组成 Na+-K+ ATP酶 分布于动物细胞的质膜 通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。 钠钾泵的工作原理 在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。 K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。 钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做P-type Na+K+泵的功能 维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； 维持低Na+高K+的细胞内环境； 维持细胞的静息电位。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性2）钙 泵 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M） 位置：质膜和内质网膜。 钙泵的类型 P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90% 钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子3）质子泵 质子泵即运输H+的泵，可以分为三种类型： P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸） V-type：存在于各类小泡(vacuole) 膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上 F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫H+-ATP酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上4）ABC转运器 ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器 每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。3.3.2 协同运输（cotransport） 一类靠ATP间接提供能量完成的主动运输方式 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵 动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。 植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动 协同运输的类型 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为:u 同向协同（symport） 物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入u 反向协同（antiport） 物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的pH值。还有一种机制是Na+驱动的Cl-HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。 四、膜泡运输4.1 概 述 原核生物、真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。 在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。 4.2 吞噬作用 Phagocytosis 细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用4.3 胞饮作用 Pinocytosis 细胞吞入液体或极小的颗粒物质4.4 外排作用 exocytosis 包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出细胞之外。4.5 穿胞运动 在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如： 肝细胞从血窦中吸收免疫球蛋白A（IgA），通过穿胞运输输送到胆微管； 大鼠中，母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。4.6 胞内膜泡运输 细胞内膜系统各个部分之间的物质传递也通过膜泡运输方式进行。如： 从内质网到高尔基体； 高尔基体到溶酶体l 细胞通讯与信号传递 细胞通讯与细胞识别 细胞内受体介导的信号传递 细胞表面受体介导的信号跨膜传递 细胞表面整联蛋白介导的信号传递 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息学习重点：了解细胞信号传递通路，理解细胞信号传递的基本特征一、细胞通讯和细胞识别1.1 细胞通讯 细胞通讯（Cell communication） 一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应 细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长和分裂是必须的1.2 细胞通讯的方式l 细胞通讯方式： 分泌化学信号进行通讯l 内分泌（endocrine）l 旁分泌（paracrine）l 自分泌（autocrine）l 化学突触（chemical synapse） 接触性依赖的通讯l 信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白 间隙连接实现代谢偶联或电偶联 1）内分泌 endocrine 由内分泌细胞分泌信号分子（激素）到血液中，通过血液循环运送到体内各个部位，作用于靶细胞的方式2）旁分泌 paracrine 细胞通过分泌化学介质到细胞外液中，经过局部扩散作用于邻近靶细胞 在创伤恢复和感染组织修复上具有重要意义3）自分泌 autocrine 细胞对自身分泌的物质产生反应 自分泌是肿瘤细胞失控增殖的重要原因4）化学突触 Neuronal signaling 神经细胞传递化学信号向电信号转换的主要形式1.3 细胞识别 细胞识别（cell recognition） 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体生物学效应的过程。1.4 信号通路 信号通路（signaling pathway） 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。 二、细胞的信号分子与受体2.1 细胞的信号分子 细胞的信号分子（signal molecule） 细胞内或细胞外存在的一些能够引起细胞生理功能反应的物质分子，可以直接进入细胞内产生作用，也可以通过激发细胞膜上的相关蛋白产生作用。2.2 信号分子的种类 亲脂性信号分子 甾类激素和甲状腺素 亲水性信号分子 神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素 气体性信号分子 NO2.3 受体（receptor） 受体是一种能够识别和选择性结合某种信号分子的大分子，当与信号分子结合后， 通过信号转导作用将胞外信号转换为胞内化学或物理信号，启动一系列化学反应， 进而引起生物学效应的发挥 细胞表面受体（cell-surface receptor） 胞外亲水性信号分子所激活 细胞内受体（intracellular receptor） 胞外亲脂性信号分子所激活（激素激活的基因调控蛋白） 不同的细胞对同一种化学信号分子可能具有不同的受体，因此，不同的靶细胞产生不同的应答反应。 不同的细胞具有相同的受体，可以产生相同或不同的应答反应 不同细胞对不同的信号和受体能够产生相同的应答反应2.4 第二信使 第二信使学说 胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。l cAMP、cGMPl IP3（三磷酸肌醇）、DG（二酰基甘油）l Ca2.5 分子开关 细胞内存在的一类能够调控信号传递的蛋白 开关蛋白的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启 由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活三、细胞内受体介导的信号传递3.1甾类激素介导的信号通路 两步反应阶段： 初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录，发生迅速 次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用 细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白（p 128 图5-17）。3.2 NO介导的信号通路3.3 NO的信使作用l 内皮细胞中NO合成酶被Ca2+离子激活后可利用精氨酸生成NOl NO能够跨过细胞质膜扩散到邻近的平滑肌细胞，并将鸟苷酸环化酶激活，该酶催化GTP生成cGMPl cGMP是非常重要的第二信使，可引起肌细胞松弛和血管舒张反应。四、细胞表面受体介导的信号跨膜传递4.1 类型 离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递 G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递 细胞表面其它与酶偶联的受体 离子型通道受体（ion-channel-linked receptor） 受体本身既为信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤 存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。4.2 离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递 特点： 受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白 可兴奋细胞间的突触信号传递 有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性4.3 G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递 根据引起的级联放大反应的不同： cAMP信号通路 磷脂酰肌醇信号通路 受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路G-蛋白-具备酶活性的受体l 受体蛋白既是受体又是酶，一旦与配体结合即激活受体胞内段的酶活性，又称催化受体（Catalytic receptor）l 具有GTP酶活性 GDP（三磷酸鸟苷） GTP（二磷酸鸟苷）4.3.1 G-蛋白的组成 能与GTP或GDP结合的一类蛋白质 位于质膜内胞浆一侧，由三个亚基构成异三聚体 与G蛋白偶联的受体多为激素类受体4.3.2 G-蛋白的作用 是一类分子开关 亚基结合GDP处于关闭状态 亚基结合GTP处于开启状态4.3.3 cAMP信号通路 cAMP 环化腺苷一磷酸 真核细胞应答激素反应的主要机制之一 细胞外信号与相应受体结合，导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而引起反应的信号通路 主要效应酶为腺苷酸环化酶（A-cyclase，AC）1）cAMP信号通路的组分 信号受体 激活型受体（Rs） 抑制型受体（Ri） 效应酶腺苷酸环化酶 催化ATP形成cAMP（Mg2+/Mn2+） G-蛋白 活化型调节蛋白（Gs） 抑制型调节蛋白（Gi）2）cAMP信号通路 反应链 激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录4.3.4 磷脂酰肌醇信号通路 组成成分 信号受体 G-蛋白 效应酶l 磷脂酶C（PLC）磷脂酰肌醇信号通路效应1）磷脂酰肌醇信号通路 双信使 IP3-Ca2+途径 DG-PKC途径 钙调蛋白（calmodulin，CaM）可结合钙离子将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化 蛋白激酶C位于细胞质，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DG活化，PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶 IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4。Ca2+被质膜上的钙泵和Na+- Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网 DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油 双信使通路 以磷脂酰肌醇代谢为基础的信号通路在细胞外信号被膜受体接受后，同时产生两个胞内信使，分别激动两个信号传递途径，即IP3Ca2+和DGPKC途径，实现细胞对外界信号的应答，这种信号传递系统称为双信使通路2）磷脂酰肌醇信号通路意义 钙调蛋白在肌体内的重要功能 蛋白激酶的活化不仅可以活化蛋白，而且可以增强基因的转录4.6 细胞表面其它与酶偶联的受体（自学内容） 受体酪氨酸激酶 受体丝氨酸/苏氨酸激酶 受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶 酪氨酸蛋白激联系的受体六、细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息6.1 细胞信号传递的基本特征 信号的汇集、趋异与窜扰 信号终止与受体钝化第六章 细胞质基质与细胞内膜系统一、细胞质基质1.1 细胞质基质的概念 又称胞液 Cytoplasmic matrix or cytomatrix 在真核细胞的细胞质中，除去可分辩的细胞器以外的胶状物质。n 其体积约占细胞质的一半；n 细胞物质运输、能量交换、信息传递等过程均在细胞质中进行。1.2 细胞质基质的成分 又称为胞质溶胶n 小分子n 水和无机离子n 中等分子n 脂类、糖类（葡萄糖、果糖、蔗糖）、氨基酸、核苷酸及其衍生物n 大分子n 蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖1.3 细胞质基质高效、有序的复杂结构体系 与糖酵解有关的一些酶结合在微丝上或结合于肌原纤维的特异位点上 多数蛋白质直接或间接地与细胞骨架结合，或与生物膜结合，完成特定的生物学功能 蛋白质之间或蛋白质与其它大分子之间可能通过非常弱的键相互作用1.4 细胞质基质的功能 在细胞的物质代谢中起重要作用n 糖酵解、核苷酸、脂肪酸和氨基酸代谢的一定阶段均在基质中完成n 目前对于以上代谢途径在基质中反应的底物和产物如何定向转运的机制还了解不多n 蛋白质的合成及其转运n 蛋白质分选机制的研究取得一些进展 与细胞骨架功能密切相关n 微管蛋白约一半组装成微管，一半存在于胞液中n 微丝、微管的聚合组装和解聚去组装与液相中的骨架蛋白经常处于动态平衡中，如果离开胞液的特定环境，骨架系统就失去了其功能 蛋白质的修饰n 辅酶或辅基与酶的共价结合n 调节蛋白质的磷酸化和去磷酸化n 蛋白质的糖基化n 某些蛋白质N-端进行甲基化修饰n 蛋白质的酰基化 控制蛋白质寿命n 决定蛋白质寿命（稳定/不稳定）的信号位于蛋白质N端的第一个氨基酸残基：n Met, Ser, Thr, Ala, Val, Cys, Gly, Pro：蛋白稳定；n 如为其他12种氨基酸：则为不稳定的。 降解变性和错误折叠的蛋白质n 对畸形蛋白质暴露出的氨基酸疏水基团的识别，启动对N-端第一个氨基酸残基的作用，形成不稳定的氨基酸，泛素降解途径水解 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正常的分子构象二、细胞内膜系统2.1 内膜系统简介 真核细胞在进化上一个显著特点就是形成了发达的细胞质膜系统，将细胞分成许多膜结合的区室 包括细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等 虽然这些区室具有各自独立的结构和功能，但它们又是紧密相关的，尤其是它们的膜结构是相互转换的 这种转换的机制是通过蛋白质分选和膜运输实现的 具有界膜的细胞器，有些学者称其为房室（compartment） 几乎所有的蛋白质的合成都是开始于胞液中，然后被分送到需要它的细胞器 细胞内膜系统是真核细胞所特有的，是细胞完成各种复杂生命过程所必需的结构2.2 内膜系统的分类 细胞内膜系统n 细胞器中有界膜的细胞器，如内质网、高尔基复合体、胞内体、溶酶体、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等与细胞核的核膜一起，统称为内膜系统（internal membrane） 不具界膜的细胞器n 核糖体、中心粒、微管、微丝和中间纤维等在内膜的生物发生中，内质网占有重要地位：高尔基体、微体、溶酶体、液泡甚至质膜，在它们形成时都必须依赖于内质网。2.3 蛋白质的分选与运输途径 控制运输或孔门运输；n 蛋白质在胞液和核之间的运输 跨膜运输n 蛋白质运入内质网腔或进入线粒体等 小泡运输n 内质网到高尔基体等2.3.1 蛋白质的分选途径 蛋白质的合成一般起始于胞液中的核糖体上，其后它们的命运决定于其氨基酸序列 在氨基酸序列中包含有分选信号的，则被引导到胞液外的相应部位 大部分蛋白质没有分选信号的则保留在胞液中作为“永久”的成分2.3.2 信号序列的功能 虽然蛋白质可通过不同的方式和机制克服空间障碍，定位到膜结合的细胞器中，但就其定位的准确性来说，无论何种运输机制都是通过信号引导实现的，换句话说，信号序列决定蛋白质的正确运输方向。 2.3.3 分选信号的类型 信号肽（signal peptide） 信号斑（signal patch）1） 信号肽 15-60氨基酸残基长 引导蛋白质从胞液到内质网、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和核中。2） 信号斑 蛋白质折叠起来时，其表面的一些原子特异的三维排列构成 指导蛋白质从高尔基体到溶酶体三、内质网3.1 内质网的发现 Endoplasmic reticulum（ER） Porter KR & Claude AD （1945） 小鼠成纤维细胞培养细胞的电镜照片观察，发现细胞质不是均质的, 其中可见有一些形状和大小略有不同的网状结构, 并集中在内质中, 所以建议称作内质网。 研究发现，内质网普遍存在于动、植物细胞中 20世纪50年代，Palay等使用改进的超薄切片技术后提出，内质网有光面内质网和糙面内质网两种类型 Palade等将生化超离心技术与电镜工作结合，证明微粒体就是破碎的内质网（附有核糖体）3.2 内质网的形态结构 3.3 内质网的类型 糙面内质网（rER）rough endoplasmic reticulum扁囊状，排列较为整齐表面分布大量核糖体合成分泌性的蛋白和膜蛋白胰腺腺泡细胞浆细胞（分泌抗体） 光面内质网（sER） smooth endoplasmic reticulum 分支管状，形成立体结构 表面没有核糖体 脂质合成 合成固醇类激素的细胞 肝细胞 1）糙面内质网 核糖体和内质网共同构成的复合机能结构，普遍存在于分泌蛋白质的细胞中，其主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白；n 多呈大的扁平膜囊状, 在电镜下观察排列极为整齐2）光面内质网 是脂类合成的重要场所，它往往作为出芽的位点，将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。3.4 内质网的化学组成 蛋白与脂 代谢酶系 细胞色素P450与电子传递链光面内质网上的代谢酶系催化类型酶作用部位碳水化合物代谢葡萄糖-6-磷酸酶腔中-葡糖醛酸酶腔中葡糖醛酸转移酶腔中糖基转移酶胞质溶胶脂代谢脂肪酸CoA连接酶胞质溶胶磷脂醛磷酸酶胞质溶胶胆固醇羟基化酶胞质溶胶转磷酸胆碱酶胞质溶胶磷脂转位酶胞质溶胶和腔中与药物脱毒相关的氧化酶细胞色素P-450胞质溶胶NADPH-细胞色素P-450还原酶胞质溶胶细胞色素 b5胞质溶胶 NADH-细胞色素b5还原酶胞质溶胶蛋白质的加工信号肽酶蛋白二硫异构酶腔中3.5 内质网的功能 蛋白质合成、加工、修饰和转运 脂类的合成 糖类代谢 解毒作用 Ca2+离子的调节作用3.5.1蛋白质合成、加工、修饰和转运 蛋白质的合成和转移 蛋白质的修饰与加工 新生肽链的折叠、组装和运输信号肽 信号肽（signal peptide），位于新合成肽链的N端，一般为1630个氨基酸残基，含有615个连续排列的带正电荷的非极性氨基酸n 由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列（start transfer sequence）1）蛋白质的合成和转移 信号肽假说 （Signal hypothesis） G. Blobel（1975）提出了信号假说，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成，1999年获诺贝尔生理医学奖。 ER信号肽指导多肽到ER膜上，至少需要两种成分： 信号识别颗粒（signal-recognition particle，SRP）n 1981年发现，是一种核糖核酸蛋白复合体，沉降系数为11S，含有分子量为72kD、68kD、54kD、19kD、14kD及9kD的6条多肽和一个7S（长约300个核苷酸）的scRNA，它的作用是识别信号序列，并将核糖体引导到内质网上。 信号识别受体（SRP receptor）信号肽假说 核糖体同内质网的结合受制于mRNA中特定的密码序列（可以翻译成信号肽），具有这种密码序列的新生肽才能连同核糖体一起附着到内质网膜的特定部位。因此，核糖体同内质网的结合是功能性结合，具有功能性和暂时性，并受时间和空间的限制。正是由于这种结合保证了新合成蛋白的矢量释放。 信号序列的两个基本作用是:n 通过与SRP的识别和结合，引导核糖体与内质网结合; n 通过信号序列的疏水性，引导新生肽跨膜转运。蛋白质转入内质网合成的过程n 信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与受体结合SRP脱离信号肽肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔信号肽切除肽链延伸至终止。n 这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为协同翻译的转移（co-translational translocation）。2）蛋白质的修饰与加工 新生肽进入ER腔之后除了要进行正确的折叠之外，还要经过各种不同的修饰之后才能运送到其它的部位。 包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。 N-N-连接糖基化N-linked glycosylation n 糖基化的第一步是将一个 14 糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的天冬氨酸上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr（X代表任何一种氨基酸）, 由于糖是同天冬酰胺的自由NH2连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化。糖基化的作用 使蛋白质能够抵抗消化酶的作用； 赋予蛋白质传导信号的功能； 某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠3）新生肽链的折叠、组装和运输 不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同，这主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间，这一过程是在属于hsp70家族的ATP酶的作用下完成的，需要消耗能量。 有些无法完成正确折叠的蛋白质被输出内质网，转入溶酶体中降解掉，大约90%的新合成的T细胞受体亚单位和乙酰胆碱受体都被降解掉，而从未到达靶细胞膜。3.5.2 脂质的合成 磷脂的合成n 细胞膜所需要的最重要的磷脂是在光面内质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其它的膜上。 1）磷脂转位蛋白与翻转酶 磷脂转位蛋白与翻转酶n 磷脂的合成都是在内质网的胞质溶胶面，但在内质网上合成的磷脂几分钟之后就由胞质溶胶面转向膜的另一面，即内质网腔面, 磷脂的转位是由内质网膜中磷脂转位蛋白（或翻转酶）帮助的。2）磷脂转运 磷脂转运n 磷脂交换蛋白(phospholipid exchang proteins, PEP)n 以出芽的方式转运3.5.3 糖原分解释放葡萄糖 肝细胞的一个重要功能是维持血液中葡萄糖水平的恒定, 这一功能与葡萄糖-6-磷酸酶的作用密切相关。 光面内质网中的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液。n 在肝细胞中，糖原裂解释放葡萄糖-1-磷酸，然后再转变成葡萄糖-6-磷酸，由于磷酸化的葡萄糖不能通过细胞质膜，光面内质网上的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解为葡萄糖和磷酸后，葡萄糖就可穿过细胞质膜进入血液。3.5.4 解毒作用（detoxification） 光面内质网能够对外来的有毒物质，如农药、毒素和污染物进行解毒 多数解毒反应与氧化作用有关，有些也涉及还原和水解，或者三者结合，使有毒物质由脂溶性转变成水溶性而被排出体外，此过程称为肝细胞的解毒作用，主要在肝细胞的光面内质网中进行。3.5.5 Ca2+离子的调节作用 肌质网是细胞内特化的光面内质网, 是贮存Ca2+的细胞器 肌质网膜上重要的膜蛋白是Ca2+ATP酶，光面内质网可构成心肌和骨胳肌肌原纤维周围的肌质网 当肌细胞膜的兴奋信号传递到肌质网时则引起肌质网释放Ca2+，从而导致肌细胞的收缩活动 当肌肉松弛时, 钙离子又重新泵回肌质网 所以肌质网实际上是作为钙库，其内有钙结合蛋白，每个钙结合蛋白可以结合30个左右的Ca2+四、高尔基复合体n 最早发现于1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到一种网状结构，命名为内网器。后来在很多细胞中相继发现并最后定名为高尔基体。n 20世纪50年代以后随着电镜技术的应用和超薄切片技术的发展，证实高尔基体不仅存在于动、植物细胞中，而且也存在于原生动物和真菌细胞中。4.1 高尔基体的形态结构 由数个扁平囊泡堆在一起，呈弓形或半球形 高度有极性的细胞器 凸出的一面靠近细胞核称为形成面或顺面 凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面 顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡4.2 高尔基体的组成 扁平囊直径约1 um，单层膜构成，中间为囊腔，周缘多呈泡状，48个扁平囊在一起（某些藻类可达一二十个），构成高尔基体的主体（Golgi stack）。4.3 高尔基体的染色反应 嗜锇反应锇酸染色顺面膜囊被特异性的染色焦磷酸硫胺素酶（TTP酶）细胞化学反应反面膜囊的1-2层膜胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应靠近反面的一些膜囊和管状结构烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）细胞化学反应中间几层扁平囊的标志酶4.4 高尔基体的结构 顺面膜囊（cis Golgi network，CGN）n 靠近内质网的一面，是高尔基体的入口区域 中间膜囊（medial Golgi）n 多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处 反面膜囊（trans Golgi network，TGN）n 靠近细胞质膜的一面，是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出4.5 高尔基体的极性 结构上的极性u 顺面膜囊（cis Golgi network，CGN）：CGN被认为是初级分选站（primarily sorting station），负责对从ER转运来的蛋白质进行鉴别，决定哪些需要退回，哪些可以进入下一站u 中间膜囊（medial Golgi）：多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处u 反面膜囊（trans Golgi network，TGN）：蛋白质的运输信号在此被特异的受体接受，进行分选、集中，形成不同的分泌小泡，被运送到不同的地点。因此, 它的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，并输出高尔基体 功能上的极性u 高尔基体虽然是由膜囊构成的复合体，但是不同的膜囊有不同的功能，执行功能时又是“流水式”操作，上一道工序完成了，才能进行下一道工序，这是高尔基体功能上的极性4.6 高尔基体的数量 不同细胞中扁囊的数目差异大 在分泌功能旺盛的细胞中, 高尔基复合体都很多（如胰腺外分泌细胞、唾液腺细胞和上皮细胞等）4.7 高尔基体的分布 动、植物细胞，原生动物和真菌中 在一定类型的细胞中, 高尔基复合体的位置比较恒定（如外分泌细胞中高尔基体常位于细胞核上方，其反面朝向细胞质膜） 神经细胞的高尔基体有很多膜囊堆分散于细胞核的周围4.8 高尔基体的化学组成 蛋白质n 高尔基体蛋白质含量高于内质网和质膜: n 质膜（40%），内质网（20%）， 高尔基体（60%） 脂类n 从总磷脂看，高尔基体介于内质网和质膜之间n 酶类n 高尔基体的膜上含有丰富的酶类，如糖基转移酶、磺化糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、激酶、甘露糖苷酶、磷脂酶等n高尔基体不同区室酶的分布比较酶顺面中间膜囊反面脂肪酰基转移酶+甘露糖苷酶 +乙酰葡萄糖胺转移酶 +甘露糖苷酶 +NADPase+磷酸酶+腺苷酸环化酶+5核苷酶+酸性磷酸酶+核苷二磷酸酶+唾液酸转移酶+硫胺素焦磷酸酶+半乳糖基转移酶+4.9 高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是参与细胞的分泌活动，将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，并分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外 内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜等部位运输 因此，高尔基体是细胞内物质运输的交通枢纽对蛋白质的作用 蛋白质的运输n 高尔基体位于内质网和质膜之间, 是膜结合核糖体合成蛋白质分选和运输的中间站 蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白质的水解和其他加工过程1） ER与高尔基体顺面间的蛋白质运输 内质网滞留信号（ER retention signal） n 内质网结构和功能蛋白羧基端的一个四肽序列：Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL信号序列是内质网的滞留信号n KDEL信号在高尔基复合体各个部分的膜上都有相应的受体。如果ER滞留蛋白质在出芽时被错误地包进分泌泡而离开了ER，高尔基复合体膜上的这种信号受体蛋白就会与逃出的ER蛋白结合，并形成小泡，将这些ER蛋白押送回到ER。2）蛋白质从顺面高尔基网络向反面高尔基网络运输 从ER分泌出来的小泡同顺面高尔基网络融合后成为高尔基体的一个部分 然后经过中间膜囊出芽形式分泌小泡（又称穿梭小泡）逐步向反面高尔基体网络转运 转运时，分泌小泡与高尔基体膜囊的融合和出芽都是发生在两侧，该过程伴随有蛋白质的各种加工3）蛋白质的糖基化及其修饰 N-连接糖基化的修饰n 连接到天冬酰胺的酰胺氮原子上（rER） O-连接糖基化的修饰n 连接到丝氨酸、苏氨酸或在胶原纤维中的羟赖氨酸或羟脯氨酸的羟基上（rER和高尔基体）4）蛋白质的水解及其他加工过程 没有生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，将蛋白原N端或两端的序列切除形成成熟的多肽。n 胰岛素分子的加工和成熟n 胰高血糖素n 血清蛋白 某些蛋白质分子在rER中含有不同的信号序列，最后在高尔基体中加工成不同的产物。 胰岛素是在胰岛B细胞中合成的，刚从内质网合成的多肽在N- 末端有信号肽链， 称前胰岛素原（preproinsulin），相对分子质量为12000 D。 随后在内质网的信号肽酶的作用下，切除信号肽，称为胰岛素原（proinsulin），相对分子质量9000 D，含84个氨基酸。 运输到高尔基体后， 通过蛋白酶的水解作用，生成一个分子由51个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子C肽5）高尔基体与细胞内的膜泡运输蛋白质的合成从胞液中的核蛋白体（核糖体）上开始，运输到ER，穿过ER膜，新合成的蛋白质在ER中进入生物合成分泌途径。其后的运输，从ER运输至高尔基体，并从高尔基体到细胞表面或其他部位，都是通过运输囊泡进行的。通过囊泡出芽和融合的循环，它运输蛋白从膜到膜、从腔到腔（或到细胞外空间）五、溶酶体5.1 溶酶体的概念 溶酶体（Lysosome）是动物细胞中一种膜结构的细胞器，含有多种水解酶类，在细胞内起消化和保护作用，可与吞噬泡或胞饮泡结合，消化和利用其中的物质。 溶酶体也可以消化自身细胞破损的细胞器或残片，有利于细胞器的重新组装、成分的更新及废物的消除。5.1.1 溶酶体的发现 Christian de Duve（1955）发现 溶酶体是一种异质性的细胞器 不同来源的溶酶体形态、大小, 甚至所含酶的种类都有很大的不同。5.1.2 溶酶体的形态结构 溶酶体呈小球状, 大小变化很大，直径一般0.25-0.8m，最大的可超过1m，最小的直径只有25-50nm。 5.1.3 溶酶体中的酶类 含有50多种酶类，这些酶的最适pH值是5.0，故均为酸性水解酶。5.2 溶酶体膜的稳定性 溶酶体的外被是一层单位膜, 内部没有任何特殊的结构。溶酶体在生活细胞中必须是高度稳定的。维持其稳定性的机理如下：n 质子运输泵（H+-ATPase）n 膜整合蛋白（高度糖基化）n 多种载体蛋白转运水解产物 质子运输泵（H+-ATPase）n 将H+ 泵入溶酶体内, 使溶酶体中的H+ 浓度比细胞质中高；n 在溶酶体膜上有Cl-离子通道蛋白，可向溶酶体中运输Cl-离子；n 两种运输蛋白作用的结果，就等于向溶酶体中运输了HCl，以此维持溶酶体内部的酸性环境（pH约为4.64.8） 膜整合蛋白n 溶酶体膜含有各种不同酸性的、高度糖基化的膜整合蛋白，这些膜整合蛋白的功能可能是保护溶酶体的膜免遭溶酶体内酶的攻击，有利于防止自身膜蛋白的降解n 溶酶体膜含有多种载体蛋白，将水解产物转运出去5.3 植物溶酶体 圆球体（spherosome）n 是植物细胞中由一层单位膜包裹的含有细微结构的球形颗粒，直径为0.51m，内含酸性水解酶，相当于动物细胞的溶酶体。 液泡（vacuoles）n 植物中由膜包裹的结构，几乎占据了细胞总体积的90%。植物细胞的液泡也含有多种水解酶类，具有与动物细胞溶酶体酶类似的功能。液泡膜上具有H+-ATPase，能够将H+运输到液泡中，同时在液泡膜上还有一些运输蛋白，帮助液泡行使一些特殊的功能。 5.4 溶酶体的类型 初级溶酶体（primary lysosome）n 此类溶酶体是刚刚从反面高尔基体形成的小囊泡, 仅含有水解酶类，但无作用底物，外面只有一层单位膜，其中的酶处于非活性状态。n 如果从细胞的分泌活动考虑，初级溶酶体是一种刚刚分泌的含有溶酶体酶的分泌小泡 次级溶酶体（secondary lysosome）n 此类溶酶体中含有水解酶和相应的底物，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体n 根据所消化的物质来源不同, 次级溶酶体可以分为： 自噬性溶酶体（autolysosome） 是一种自体吞噬泡，作用底物是内源性的，即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。这种溶酶体广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用。 异噬性溶酶体 （heterolysosome） 又称异体吞噬泡，作用底物是外源性的，即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质 后溶酶体（Residual body） 也称残余体 （Residual body） 未被消化的物质残存在溶酶体中形成残余小体（或后溶酶体）。残余小体可通过类似胞吐的方式将内容物排出细胞 内体 Endosome 酸性的、不含溶酶体酶的小囊泡 初级内体：由于细胞的内吞作用而形成的含有内吞物质的膜结合的细胞器 次级内体：pH呈酸性， 且具有分拣作用5.5 溶酶体的功能 吞噬作用（phagocytosis） 自噬作用（autophagy） 自溶作用（autolysis） 细胞外的消化作用5.5.1吞噬作用 外来的有害物质被吞入细胞后, 即形成由膜包裹的吞噬小体(phagosome) 初级溶酶体很快同吞噬体融合形成次级溶酶体，此时溶酶体中的底物是从细胞外摄取的，故为异噬性的溶酶体 在异噬性的溶酶体中吞噬物被酶水解 水解后，那些可溶性小分子可通过溶酶体膜进入胞质溶胶，为细胞再利用或成为废物被排出吞噬作用 吞噬作用也是细胞获取营养的一种方式 细胞通过内吞作用将一些营养物质包进内吞体，最后与溶酶体融合，在溶酶体酶的作用下，将吞进的营养物质消化形成可直接利用的小分子用于合成代谢。 一些单细胞的生物更是靠吞噬作用来获取营养5.5.2 自噬作用 自噬作用主要是清除降解细胞内受损伤的细胞结构、衰老的