细胞生物学-07真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输概述

第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输,细胞内区室化是真核细胞结构和功能的基本特征之一。细胞内被膜区分为3类结构：细胞质基质、细胞内膜系统和其他由膜包被的各种细胞器。各细胞内区室之间通过生物合成、蛋白质分选、膜泡运输和各种质量监控机制维系细胞内膜系统的动态平衡。,第一节细胞质基质与功能一、细胞质基质的涵义细胞质基质指细胞质中除去细胞器和内膜系统留下的无一定形态结构的胶状物质。有的学者称为胞质溶胶。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类以及与维持细胞形态和物质运输有关的细胞质骨架结构。已有的证据显示，细胞质基质可能是一个高度有序且又不断变化的结构体系，细胞骨架纤维贯穿其中。,肝细胞中细胞质基质和细胞其他组分的数目及所占的体积比,二、细胞质基质的功能完成各种中间代谢过程如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原合成与分解、蛋白质与脂肪的合成等。蛋白质的分选与运输与细胞质骨架相关的功能细胞质骨架是细胞基质的主要结构成分，参与维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等，也是细胞质基质结构体系的组织者，为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点。与蛋白质的修饰及选择性降解有关。,蛋白质的修饰在细胞质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：辅酶或辅基与酶的共价结合；磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性；糖基化；对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰；酰基化。控制蛋白质的寿命,降解变性和错误折叠的蛋白质帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠形成正确的分子构象主要依靠热休克蛋白来完成。在正常细胞中，热休克蛋白选择性地与畸形蛋白质结合成聚合物，利用水解ATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解，并进一步折叠成正确构象的蛋白质。,第二节细胞内膜系统及其功能细胞内膜系统是指在结构、功能或发生上相关的膜围绕的细胞器或细胞结构，主要指内质网、高尔基体、溶酶体和分泌泡等。,结构、功能和发生上相关的内膜形成的细胞结构称为细胞内膜系统，如核被膜、内质网、高尔基体等。功能：区隔（室）化；增加内表面积，提高代谢和调节能力。从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。,一、内质网的形态结构与功能K.R.Porter（波特）等在1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（ER）。内质网是由封闭的膜系统及围成的腔形成互相沟通的网状结构。在不同类型细胞中或同一细胞不同生理状态下，内质网的数量、类型与形态差异很大。内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积占细胞体积的10%以上。,细胞分裂时，内质网要经历解体与重建的过程。内质网的存在，大大增加了细胞内膜的表面积，为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点。形成的完整封闭体系，将内质网上合成的物质与细胞质基质中合成的物质分隔开来，更有利于它们的加工和运输。原核细胞内没有内质网，由细胞质膜代行其某些类似的职能。微粒体是在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的囊泡结构，它包括内质网与核糖体两种基本成分。,内质网的两种基本类型内质网是连续的整体结构，可分为两种基本类型。粗面内质网（rER）rER多呈扁囊状，表面附有核糖体。其主要功能是合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白等。光面内质网（sER）光面内质网常由分支的管道形成复杂的网状，膜上无核糖体附着。sER是合成脂类的重要场所。,另外：内质网与细胞质膜、内质网与细胞核膜的关系。,内质网的功能内质网是细胞蛋白质与脂质合成的基地，几乎全部的脂质和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的。蛋白质的合成蛋白质的合成都起始于细胞质基质中的核糖体上。有些蛋白质合成开始不久即转至内质网上，这些蛋白包括：向细胞外分泌的蛋白；膜的整合蛋白；,构成内膜系统细胞器中可溶性驻留蛋白脂类的合成sER合成了几乎全部的膜脂。其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂），膜脂在光面内质网的细胞质基质膜面上合成，随后部分膜脂转移到内质网腔面膜上。合成的磷脂由内质网向其他膜转运主要有两种方式：出芽的方式或磷脂转换蛋白(PEP)转移。,卵磷脂在内质网膜上合成过程的示意图合成磷脂所需要的3种酶定位于内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基质侧，合成磷脂的底物来自于细胞质基质。,蛋白质的修饰与加工蛋白质在内质网中的化学修饰主要有：糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化伴随着多肽合成同时进行，是内质网中最常见的蛋白质修饰。,在糖基转移酶的作用下，寡糖基从磷酸多萜醇载体转移到肽链的天冬酰胺残基上。,新生的多肽折叠与装配其它功能（主要指光面内质网）肝细胞中的光面内质网具有解毒功能、固醇类激素的合成、与糖原分解有关等。肌质网肌细胞中含有发达的特化的光面内质网，能释放和摄入钙离子来调节肌肉的收缩活动。肌质网的主要功能是贮存Ca2+。为细胞质基质蛋白、酶提供了附着位点。,二、高尔基体的形态结构与功能1889年意大利医生高尔基在光镜下，在猫头鹰神经细胞中发现。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。高尔基体的形态结构与极性高尔基体由一些（常常48个）排列较为整齐的扁平的膜囊堆叠在一起，这些扁囊均由光滑的膜围成，构成高尔基体的主体结构。膜囊周围有大量的大小不等的囊泡结构。高尔基体是一种有极性的细胞器，表现在它在细胞中有恒定的位置，物质从高尔基体的一侧进入，从,另一侧输出；扁囊堆常明显地具一凸面和一凹面。凸面（形成面、顺面）靠近细胞核，凹面（成熟面、反面）面向细胞质膜。,成熟面(matureface)反面（transface),形成面(formingface)顺面(cisface),GolgiComplex(Gc),凸面：形成（顺）面；,由rER芽生而来。,凹面：成熟（反）面,Gc囊泡来源：,近年来，借助超高压电镜技术，高尔基体的结构有更清晰的认识。归起来，高尔基体至少由互相联系的几部分组成：高尔基体的顺面网状结构（CGN）与膜囊位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，呈连续分支状的管网结构，接受来自内质网新合成的物质，并将其分类后转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂类再返回内质网。高尔基体中间膜囊由扁平膜囊与管道组成，多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊里。,高尔基体的反面网状结构（TGN）与膜囊TGN与反面的扁平囊相连，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出。,高尔基复合体(Gc)的化学组成从ER到Gc到质膜，蛋白质种类逐渐减少。Gc所含卵磷脂也介于ER与质膜之间。说明Gc是处于ER和细胞膜之间的一种过渡性细胞器。研究表明Gc各部分呈不同的细胞化学反应：它的顺面扁平囊呈嗜锇反应反面扁平囊呈焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）反应反面管网结构呈胞嘧啶单核苷酸酶反应烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADP)酶是高尔基复合体中间几层扁平囊的标志反应。,上述几种酶为高尔基复合体的标志酶,定位于Gc的特殊区室(compartment)中，可作为鉴别高尔基体极性的标准。,高尔基体的功能高尔基体为细胞提供一个内部的运输系统，来完成蛋白质和脂类的运输。同时合成糖蛋白，是分泌多糖和合成多糖的场所。在植物细胞中有沉积细胞壁的功能。在细胞的膜流中起重要作用。高尔基体与细胞的分泌活动高尔基体与细胞的分泌活动有关。最有力的证据是Caro的放射示踪实验。,3H标记亮氨酸,3分钟,20分钟,120分钟,高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。20世纪70年代初，Caro(卡罗）用3H标记亮氨酸对胰腺的腺泡细胞进行脉冲标记，发现：,溶酶体的酶是由rER上的核糖体合成,rER腔内,运输小泡,高尔基复合体（加工修饰）,溶酶体的酶内含有甘露糖-6-磷酸，高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并出芽离开高尔基复合体形成溶酶体。,高尔基复合体与溶酶体的形成,内吞体,溶酶体酶的磷酸化,rER,顺面管网,反面管网,高尔基复合体,溶酶体水解酶前体,加入磷酸基团,M-6-P,溶酶体酶,前溶酶体,ATP,ADP+Pi,H+,去除磷酸,pH=6,成熟溶酶体,除分泌性蛋白、溶酶体中酸性水解酶外，很多细胞膜上的膜蛋白及胶原蛋白、弹性纤维等细胞外基质成分都是通过高尔基体完成其定向转动过程。,蛋白质的合成与转运,在粗面内质网上合成的糖蛋白在内质网和高尔基体中发生了糖基化。糖基化类型真核细胞中寡糖链一般结合在肽链的4种氨基酸残基上，由此可分为两大类不同的糖基化修饰，即：N连接（主要在内质网中合成）连接到天冬酰胺的N原子上O连接（主要在高尔基体中合成）连接到丝氨酸、苏氨酸或在羟赖氨酸或羟脯氨酸的羟基上,高尔基复合体对蛋白质的修饰加工,参与糖蛋白的合成和修饰N连接寡糖链O连接寡糖链高尔基体中含有糖基转移酶，其主要作用是对糖基的寡糖链进行修饰。,糖蛋白,蛋白质合成,溶酶体寡聚糖磷酸化,切除甘露糖,加N-乙酰葡萄糖胺,加半乳糖,加唾液酸；分选,溶酶体,顺面网状结构,中间膜囊,反面膜囊,反面网状结构,大泡（分泌颗粒）,rER,高尔基复合体,顺面膜囊,切除甘露糖,rER合成的蛋白质在Gc加工中，被加上不同的分选信号（磷酸、半乳糖、唾液酸等），被反面Gc膜上的专一受体识别、浓缩、分选后，形成不同运输小泡运到细胞的不同部位。,高尔基复合体对蛋白质的分选运输,3H标记甘露糖,3H标记半乳糖；唾液糖,3H标记N-乙酰葡萄糖胺,高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有严格的顺序性。,用电镜放射自显影方法，显示在内质网和高尔基体各间隔中寡糖合成的活性。,Gc的扁平囊堆具有三个生化区室，分别为顺面膜囊、中间膜囊和反面膜囊，每一区室含13个扁平囊，分别依次包含对蛋白质进行逐步加工的特异性酶。如顺面膜囊中有磷酸转移酶（磷酸化）；中间膜囊有N-乙酰葡糖胺转移酶I，可将N-乙酰葡萄糖胺加到蛋白质上；反面膜囊含有对糖蛋白的糖链末端进一步修饰的半乳糖转移酶等。因此有人将扁平囊堆比喻成一个工厂，而不同的生化区室就如工厂中的不同车间或工段，蛋白质必须依次通过所有的工段才能被正确地修饰加工和选择包装。蛋白质在不同区室间的运输是通过出芽方式将在该区室已完成加工的蛋白质集中形成小泡向下一个区室的扁平囊转移，与下一个区室扁平囊膜相融合。在此过程中扁平囊本身保持相对稳定。,高尔基复合体的区域化,参与蛋白质的改造很多蛋白质经与高尔基体结合的蛋白水解酶的作用，经特异地水解才成为有生物活性的多肽。如胰岛素、神经肽。硫酸化作用也在高尔基体进行。,无活性前体物(某些肽类激素),加工改造,有活性的物质(激素),三、高尔基体与膜的转变（膜泡运输）,膜流：细胞的各种膜性结