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

1、第七章第七章 真核细胞内膜系统、真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输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：细胞质基质细胞质基质、细胞内膜系统细胞内膜系统和其他由膜包被的各种细胞器细胞器。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。第一节第一节 细胞质基质与功能细胞质基质与功能一、细胞质基质的涵义一、细胞质基质的涵义 细胞质基质指细胞质基质指细胞质中除去细胞器和内膜系统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留下的无一定形态结构的胶状物质。有的学者称为。有的学者称为

2、胞质溶胶。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类胞质溶胶。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以及与维持细胞形态和物质运输有关的细胞质骨架结构。结构。 已有的证据显示，细胞质基质可能是一个高度已有的证据显示，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，细胞骨架纤维贯穿有序且又不断变化的结构体系，细胞骨架纤维贯穿其中。其中。二、细胞质基质的功能二、细胞质基质的功能 完成各种中间代谢过程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。原合成与分解、蛋白质与脂肪

3、的合成等。 蛋白质的分选与运输蛋白质的分选与运输与细胞质骨架相关的功能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。细胞器提供锚定位点。 与蛋白质的修饰及选择性降解有关。与蛋白质的修饰及选择性降解有关。 蛋白质的修饰蛋白质的修饰 在细胞质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：在细胞质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：

4、 辅酶或辅基与酶的共价结合；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磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性；的生物活性； 糖基化；糖基化； 对某些蛋白质的对某些蛋白质的N N端进行甲基化修饰；端进行甲基化修饰； 酰基化。酰基化。 控制蛋白质的寿命控制蛋白质的寿命降解变性和错误折叠的蛋白质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，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，热休克蛋白选择性地与

5、畸形蛋白质结合成聚合物，利用水解利用水解ATPATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解，并进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。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。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。称为细胞内膜系统

6、，如核被膜、内质网、高尔基体等。 功能：区隔（室）化；增加内表面积，提高代谢和功能：区隔（室）化；增加内表面积，提高代谢和调节能力。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从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。生。 从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜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。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一、内质网的形态结构与功能 K. R. PorterK. R. Porter（波特）（波特）等在等在19451945年发现于培养的年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细

7、胞质内小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（部的网状结构，故名内质网（ERER）。）。 内质网是由封闭的膜系统及围成的腔形成互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。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。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，体积内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积占细胞体积的占细胞体积的10%10%以上。以上。 细胞分裂时，内质网要经历解体与重建的过程。细胞分裂时，内质网要经历解体与重建的过程。 内

8、质网的存在，大大内质网的存在，大大增加了细胞内膜的表面积增加了细胞内膜的表面积，为，为多种酶多种酶特别是多酶体系提特别是多酶体系提供了大面积的结合位点供了大面积的结合位点。 形成的完整封闭体系形成的完整封闭体系，将内质网上合成的物质与细，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，更有利于它们的胞质基质中合成的物质分隔开来，更有利于它们的加工加工和运输和运输。 原核细胞内没有内质网，由细胞质膜代行其某些类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。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

9、内质网与核糖体两种基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。本成分。内质网的两种基本类型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。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（粗面内质网（rERrER） rERrER多呈多呈扁囊状扁囊状，表面附有核糖体。，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。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（光面内质网（sERsER） 光面内质网常由分支的光面内质网常由分支的管道管道形成复杂的网状，膜上形成复杂的网状，膜上无核糖体附着。无核糖体附着。 sERsER是合成脂类的

10、重要场所。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。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的功能 内质网是细胞蛋白质与脂质合成的基地，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。质网上合成的。 蛋白质的合成蛋白质的合成 蛋白质的合成都起始于细胞质基质中的核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：网上，这些蛋白包括： 向细胞外分泌的蛋白；向细胞外分泌的蛋白； 膜

11、的整合蛋白；膜的整合蛋白；构成内膜系统细胞器中可溶性驻留蛋白构成内膜系统细胞器中可溶性驻留蛋白脂类的合成脂类的合成 sERsER合成了几乎全部的膜脂。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，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两种方式：出芽的方式或磷脂转换蛋白(PEP)(PEP)转移。转移。卵磷脂在内质网膜上合成过

12、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、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。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。常见的蛋白质修饰。在糖基转移酶的作在糖基转移酶的作用下，寡糖基从磷用下，寡糖基从磷酸多萜醇载体转移酸多萜醇载体转移到肽链的天冬酰胺到肽链的天冬酰胺残基上。残基上。新生的多肽折叠与装配新生的多肽折叠

13、与装配 其它功能其它功能 （主要指光面内质网）肝细胞中的光面（主要指光面内质网）肝细胞中的光面内质网具有内质网具有解毒功能解毒功能、固醇类激素的合成、固醇类激素的合成、与糖原分解有关等。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收缩活动。肌质网的主要功能是贮存CaCa2+2+。 为细胞质基质蛋白、酶提供了附着位点。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二、高尔基体的形态结构与功能 18891889年意大利医生高尔基在

14、光镜下，在猫头鹰神年意大利医生高尔基在光镜下，在猫头鹰神经细胞中发现。经细胞中发现。2020世纪世纪5050年代以后才正确认识它的存年代以后才正确认识它的存在和结构。在和结构。高尔基体的形态结构与极性高尔基体的形态结构与极性 高尔基体由一些（常常高尔基体由一些（常常4 48 8个）排列较为整齐个）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。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。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，表现在它在细高尔基体是一种有极性的细

15、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。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、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。反面）面向细胞质膜。成熟面成熟面(mature face)反面（反面（trans face)形成面形成面(forming face)顺面顺面( cis face)Golgi Complex(Gc) 凸面：凸面：形成（顺）面；形成（顺）面；由由rER芽生芽生而来。而来。凹凹 面：面：成熟（反

16、）面成熟（反）面 Gc囊泡来源：来源： 近年来，借助超高压电镜技术，高尔基体的结构近年来，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：几部分组成： 高尔基体的顺面网状结构（高尔基体的顺面网状结构（CGNCGN）与膜囊）与膜囊 位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，呈连续分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其分类后转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂类

17、再返回内质网。再返回内质网。 高尔基体中间膜囊高尔基体中间膜囊 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。膜囊里。 高尔基体的反面网状结构（高尔基体的反面网状结构（TGNTGN）与膜囊）与膜囊 TGNTGN与反面的扁平囊相连，形态呈管网状，并有囊与反面的扁平囊相连，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。泡与之相连。 TGNTGN的主要功能是参与蛋白质的分类与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。包装，最后从高尔基体中输出。 高尔基复合体

18、高尔基复合体(Gc(Gc) )的化学组成的化学组成 从从ERER到到GcGc到质膜，蛋白质种类逐渐减少。到质膜，蛋白质种类逐渐减少。GcGc所所含卵磷脂也介于含卵磷脂也介于ERER与质膜之间。与质膜之间。说明说明GcGc是处于是处于ERER和和细胞膜之间的一种过渡性细胞器。细胞膜之间的一种过渡性细胞器。 研究表明研究表明GcGc各部分呈不同的细胞化学反应：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它的顺面扁平囊呈嗜锇反应 反面扁平囊呈反面扁平囊呈焦磷酸硫胺素酶（焦磷酸硫胺素酶（TPPTPP酶）酶）反应反应 反面管网结构呈反面管网结构呈胞嘧啶单核苷酸酶胞嘧啶单核苷酸酶反应反应 烟酰胺

19、腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADP)(NADP)酶酶是高尔基复是高尔基复合体中间几层扁平囊的标志反应。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上述几种酶为高尔基复合体的标志酶, ,定位定位于于GcGc的特殊区室的特殊区室(compartment)(compartment)中，可作为鉴别中，可作为鉴别高尔基体极性的标准。高尔基体极性的标准。 高尔基体的功能高尔基体的功能 高尔基体为细胞提供一个内部的运输系高尔基体为细胞提供一个内部的运输系统，来完成统，来完成蛋白质蛋白质和和脂类脂类的运输的运输。同时。同时合成合成糖蛋白糖蛋白，是，是分泌多糖和合成分泌多糖和合成

20、多糖多糖的场所。在的场所。在植物细胞中有植物细胞中有沉积细胞壁沉积细胞壁的功能。在细胞的的功能。在细胞的膜流中起重要作用。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 高尔基体与细胞的分泌活动有关。最高尔基体与细胞的分泌活动有关。最有力的证据是有力的证据是CaroCaro的放射示踪实验。的放射示踪实验。3 3H H标记亮氨酸标记亮氨酸3分钟分钟20分钟分钟120分钟分钟 高尔基复合体在高尔基复合体在细胞分泌活动中起着细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、中起着浓缩、修饰、加工等作用。加工等作用。202

21、0世纪世纪7070年代初，年代初，Caro(Caro(卡罗）用卡罗）用3 3H H标记亮标记亮氨酸对胰腺的腺泡细胞氨酸对胰腺的腺泡细胞进行脉冲标记，发现：进行脉冲标记，发现：溶酶体的酶是由溶酶体的酶是由rERrER上的核糖体合成上的核糖体合成rERrER腔内腔内运输小泡运输小泡 高尔基复合体（加工修饰）高尔基复合体（加工修饰） 溶酶体的酶内含有甘露糖溶酶体的酶内含有甘露糖-6-6-磷酸，高尔基磷酸，高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-6-磷酸受体，能磷酸受体，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并出芽出芽离开高尔基复合体形成溶酶体。离开高

22、尔基复合体形成溶酶体。高尔基复合体与溶酶体的形成高尔基复合体与溶酶体的形成内吞体内吞体溶酶体酶的磷酸化溶酶体酶的磷酸化rER顺面管网顺面管网反面管网反面管网高尔基复合高尔基复合体体 溶酶体水解酶前体溶酶体水解酶前体加入磷酸基团加入磷酸基团M-6-P溶酶体酶溶酶体酶前前 溶溶 酶酶 体体ATPADP+PiH+ 去除磷酸去除磷酸pH=6成熟溶酶体成熟溶酶体 除分泌性蛋白、溶酶体中酸性水解酶外，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。

23、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。高尔基体中发生了糖基化。 糖基化类型糖基化类型 真核细胞中寡糖链一般结合在肽链的真核细胞中寡糖链一般结合在肽链的4 4种种氨基酸残基上，由此可分为两大类不同的糖基氨基酸残基上，由此可分为两大类不同的糖基化修饰，即：化修饰，即： N N连接连接（主要在内质网中合成）（主要在内质网中合成） 连接到天冬酰胺的连接到天冬酰胺的N N原子上原子上 O O连接连接（主要在高尔基体中合成）（主要在高尔基体中合成） 连接到丝氨酸、苏氨酸或在羟赖连接到丝氨酸、苏氨酸或在羟赖 氨酸或羟

24、脯氨酸的羟基上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参与糖蛋白的合成和修饰 N N连接寡糖链连接寡糖链 O O连接寡糖链连接寡糖链 高尔基体中含有糖基转移酶，其主要作用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。是对糖基的寡糖链进行修饰。 糖蛋白糖蛋白蛋白质合成蛋白质合成溶酶体寡聚糖磷酸化溶酶体寡聚糖磷酸化切除甘露糖切除甘露糖加加N-N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺加半乳糖加半乳糖加唾液酸；分选加唾液酸；分选溶酶体溶酶体顺面网状结构顺面网状结构中间膜囊中间膜囊反面膜囊反面膜囊反面网状结构反面网状结构大泡（分泌颗粒）

25、大泡（分泌颗粒）rERrER高尔基复合体高尔基复合体顺面膜囊顺面膜囊切除甘露糖切除甘露糖rERrER合成的蛋白质在合成的蛋白质在GcGc加工中，被加上不同的分选信号（磷加工中，被加上不同的分选信号（磷酸、半乳糖、唾液酸等），被反面酸、半乳糖、唾液酸等），被反面GcGc膜上的专一受体识别、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。浓缩、分选后，形成不同运输小泡运到细胞的不同部位。高尔基复合体对高尔基复合体对蛋白质的分选蛋白质的分选运输运输3 3H H标记甘露糖标记甘露糖3 3H H标记半乳糖；唾液糖标记半乳糖；唾液糖3 3H H标记标记N-N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺

26、高尔基复合体对糖蛋白的合成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。和修饰过程具有严格的顺序性。用电镜放射自显影方法，用电镜放射自显影方法，显示在内质网和高尔基体显示在内质网和高尔基体各间隔中寡糖合成的活性。各间隔中寡糖合成的活性。 Gc Gc的扁平囊堆具有三个生化区室，分别为的扁平囊堆具有三个生化区室，分别为顺面膜囊顺面膜囊、中间膜囊中间膜囊和和反面膜囊反面膜囊，每一区室含，每一区室含1 13 3个扁平囊，分别个扁平囊，分别依次包含对蛋白质进行逐步加工的特异性酶。依次包含对蛋白质进行逐步加工的特异性酶。 如顺面膜囊中有如顺面膜囊中有磷酸转移酶磷酸转移酶（磷酸化）；中间膜囊（磷酸化）；中间膜囊有有N-N-乙酰葡糖胺转移酶乙酰葡糖胺转移酶I I，可将，可将N-N-乙酰葡萄糖胺加到蛋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白质上；反面膜囊含有对糖蛋白的糖链末端进一步修饰的的半乳糖转移酶半乳糖转移酶等。因此有人将等。因此有人将扁平囊堆扁平囊堆比喻成一个工比喻成一个工厂，而不同的生化区室就如工厂中的不同车间或工段，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蛋白质必须依次通过所有的工