内膜系统与膜运输

1、9内膜系统与膜运输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、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，这种转换的机制则是通过蛋白质分选(protein sorting)和膜运输实 现的(图 9-1)。细胞核细胞质膜高尔基器溶酶体分泌细胞质膜勰.粗面 内质网顺面 咼尔 基网络Si顺面 潴泡彎 反面3 卄腔细胞核细胞质膜高尔基器溶酶体分泌细胞质膜勰.粗面 内质网顺面 咼尔 基网络Si顺面 潴泡彎 反面3 卄腔嬲I基网络图 9-1 内膜系统和膜

2、运输9.1 细胞质膜系统及其研究方法 9.1.1膜结合细胞器与内膜系统 关于真核细胞中具有膜结构的细胞器的总体描述通常有三个概念:膜结合细胞器 (membrane-bound organelles)或膜结合区室(membrane-bound compartments)细胞质膜系统(cytoplasmic membrane system)内膜系统(endomembrane systems)虽然这三个概念都是指真核细胞中具有膜结构的细胞器 ,但是在含义上仍有一些差别。膜结合细胞器的种类和功能膜结合细胞器种类与数量原核细胞内只有一个区室就是胞质溶胶（cytosol）。真核细胞内有许多膜结合的区 室，

3、但与胞质溶胶相比, 所占比例都很小（表 9-1）。表9-1肝细胞中主要膜结合细胞器的体积比细胞器每细胞所含数量细胞内的百分比胞质溶胶154线粒体170022内质网112细胞核16高尔基体13过氧化物酶体4001溶酶体3001内体2001膜结合细胞器的功能 膜结合细胞器在细胞的生命活动中具有重要作用（表9-2）。表9-2真核细胞膜结合区室的主要功能细胞器（区室）主要功能胞质溶胶 细胞核 内质网 高尔基体 溶酶体 内体线粒体 叶绿体 过氧化物酶体代谢的主要场所；蛋白质合成部位 基因组存在的场所，DNA和RNA的合成地 大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地 蛋白质和脂的修饰、分选和包装 细胞内的降

4、解作用 内吞物质的分选 通过氧化磷酸化合成 ATP进行光合作用毒性分子的氧化在这些膜结合的细胞器中,线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核等的独立性 很强,并且有特别的功能；其他几种膜结合细胞器,如内质网、高尔基体、溶酶体和小 泡,虽然有不同的结构和功能,但是它们都参与蛋白质的加工、分选和膜泡运输,形成 了一个特别的细胞内系统。膜结合细胞器在细胞内的分布膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的（图 9-2）。c?内体15 pm过氧化物酶体胞质溶胶溶酶体咼尔基器线粒体游离核糖体具有膜结合多聚 核糖体的内质网二质膜细胞核图 c?内体15 pm过氧化物酶体胞质溶胶溶酶体咼尔基器线粒体游离核糖体具有膜

5、结合多聚 核糖体的内质网二质膜细胞核图 9-2 动物细胞中膜结合的细胞器及分布细胞内的空间为胞质溶胶,里面被一些膜结合的细胞器分隔成许多区室,每个区室至少有一层 单位膜包裹,如细胞核、高尔基体、内质网、溶酶体、线粒体等。如何理解膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的?内膜系统的动态性质内膜系统的最大特点是动态性质（图 9-3）, 内膜系统中的结构是不断变化的，其 各自的位置是处于流动状态。正是这种流动状态,将细胞的合成活动、分泌活动和内 吞活动连成了一种网络结构, 在各内膜结构之间常常看到一些小泡来回穿梭，这些 小泡分别是从内质网、高尔基体和细胞质膜上产生的，这就使内膜系统的结构处于 一个

6、动态平衡。TGN中间膜囊分泌小泡分泌粒咼小基复合体CGNTGN中间膜囊分泌小泡分泌粒咼小基复合体CGN图 9-3 真核细胞中生化合成、分泌和内吞作用的动态网络 内膜系统将细胞中的生化合成、分泌和内吞作用连接成动态的、相互作用的网络。在内质网 合成的蛋白和脂通过分泌活动进入分泌小泡运送到工作部位（包括细胞外）;细胞通过内吞途径将细 胞外的物质送到溶酶体降解。内膜系统的动态特性是怎样引起的？膜结合细胞器的进化及其意义原核细胞没有膜结合细胞器, 真核细胞是由原核细胞进化而来, 那么, 膜结合 细胞器是如何进化的呢?其意义何在?内膜系统的进化 真核细胞的膜结合细胞器的进化有两种途径，一种是线粒体和叶绿

7、体的进化模式，即内共生途径。对于内膜系统来说，则是通过细胞质膜的内陷分化途径形成的。 图 9-4 是关于核膜和内质网膜进化的可能途径的假说。细菌中的 DNA 是同膜结 合在一起的，通过质膜的内陷将DNA包裹在一个膜结构中，并逐渐形成两层核膜。 在古代的细菌中一些核糖体也是附着在质膜上，随着质膜的内陷和核膜的形成，核糖体就结合在核膜的外膜上逐渐进化形成内质网。这一模型较好地说明了为什么核膜是双膜结构，而且在外膜上有核糖体的存在。古代原核细胞古代真核细胞古代原核细胞古代真核细胞图9-4核膜和ER膜进化的可能途径内膜系统形成的意义 内膜系统的形成对于细胞的生命活动具有十分重要的意义。内膜系统的形成

8、， 使得真核细胞内部结构复杂化了， 正是这种复杂化， 保证了细胞生命活动的顺利进 行。请说明内膜系统的形成对于细胞的生命活动具有哪些重要的意义？9.1.2内膜系统与蛋白质分选(protein sorting) 蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。在进化过程中每种蛋白形成了一个明确的地址签(address target),细胞通过对蛋白质 地址签的识别进行运送，这就是蛋白质的分选(protein sorting)。细胞中蛋白质的运输 有两种方式:共翻译运输和翻译后运输,内膜系统参与共翻译运输,是分泌蛋白质分选 的主要系统。为什么说蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重

9、要的生命活动之一？ 蛋白质分选定位的时空概念所谓蛋白质分选定位的时空概念包括两种含义:合成的蛋白质何时转运?合 成蛋白质在细胞中定位空间及转运中所要逾越的空间障碍是什么？从时间上考虑，蛋白质的合成分选有两种情况:先合成，再分选和一边合成一边 分选,为了适于蛋白质分选的时间上的需要,核糖体在合成蛋白质时就有两种存在状 态:游离的或与内质网结合的。从蛋白质定位的空间看，包括了细胞内各个部分,即使是具有蛋白质合成机器 的线粒体和叶绿体也需要从细胞质中获取所需蛋白质(图 9-5)。图 9-5 细胞质中蛋白质合成和空间定位路线细胞中各部位(包括细胞质)中的蛋白质都是来自胞质溶胶 ，不过内质网以上的细胞器

10、 ，包括细 胞核、线粒体、过氧化物酶体和质体所需蛋白是由胞质溶胶直接运送的。而从内质网以下的各种 细胞器，包括内质网、高尔基体、溶酶体、内体、分泌泡、细胞质膜以及细胞外基质等所需的蛋白 质虽然起始于胞质溶胶，但要经过内质网和高尔基体的中转。蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式从蛋白质定位的细胞内空间部位结构来看，可分为三种类型:没有膜障碍的，如 胞质溶胶,包括胞质溶胶中的细胞骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；有完全封闭的膜 障碍，如线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体等；有膜障碍，但是膜上有孔,如细胞 核。根据三种不同的空间障碍， 合成的蛋白质通过三种不同方式进行运输定位 (图 9-6)。核孔运输(tra

11、nsport through nuclear pore)胞质溶胶中合成的蛋白质穿过细 胞核内外膜形成的核孔进入细胞核，被运输的蛋白需要有核定位信号。跨膜运输(across membrane transport)胞质溶胶中合成的蛋白质进入到内质 网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等则是通过跨膜机制进行运输的，需要膜上运 输蛋白(protein translocators)的帮助，被运输的蛋白要有信号肽或导肽。小泡运输(transport by vesicles)蛋白质从内质网转运到高尔基体以及从高尔 基体转运到溶酶体、分泌泡、细胞质膜、细胞外等则是由小泡介导的，这种小泡称为运输小泡(transpo

12、rt vesicles)。 通过核 孔运端跨膜运输小泡运输图 9-6 通过核 孔运端跨膜运输小泡运输图 9-6 膜结合细胞器的三种运输机制蛋白质在核孔运输和小泡运输中可保持折叠的形式 ,但在跨膜运输中必须解折叠 ,定位后再进 行折叠。无论是何种运输方式都需要消耗能量。信号序列指导蛋白质的正确运输信号序列的作用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(图 9-7)。有ER信号的胞质溶胶蛋白ER有ER信号的胞质溶胶蛋白ER蛋白质(b)重组后的情况(a)

13、正常情况图 9-7 信号序列在蛋白质分选中的作用(a)具有ER定位信号序列的蛋白质被运输到ER中,而没有引导序列的蛋白质存在于胞质溶胶 中。(b)通过重组DNA技术将引导序列与胞质溶胶的蛋白基因重组，表达的胞质溶胶蛋白被定位到 ER, 相反,被剥夺了 ER 定位信号的蛋白质则只能存在于胞质溶胶中。该实验说明引导序列对所引 导的蛋白质没有特异性。信号序列特性通常为15-60个氨基酸长度，位于新生肽的N端。通过基因工程的方法证明信 号序列指导的蛋白质运输和定位对蛋白质没有特异性 ,但不同的膜结合细胞器具有 不同的蛋白质定位的信号序列(表 9-3)。功能信号序列组成输入内质网+H3 N-Met-Me

14、t-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- Gly-Ile-Leu -Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu- Gln-Leu-Thr- Lys-Cys-Glu -Val-Phe-Gln滞留内质网-Lys-Asp-Glu-Leu-COO输入线粒体+H3 N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe- Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser- Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-输入细胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-输入过氧化物酶体-S

15、er-Lys-Leu-说明：+H3N代表氨基端;COO-代表羧基端。信号序列的类型 根据信号序列运输方向的不同分为三种类型，即入核信号、引导肽和信号肽。入核信号指导核蛋白的运输，引导肽指导线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白的运 输，信号肽则指导内膜系统的蛋白质运输。9.1.3 膜结合细胞器和内膜系统的研究方法 虽然电子显微镜能够获得高度清晰的细胞内膜系统的结构 ,但是不能研究单个 膜结合细胞器的结构和功能。离心分离技术、同位素示踪技术和突变技术是有效的 研究内膜系统的方法。盼放射自显影术(autoradiography) 胰腺系统中胰泡细胞具有最发达的内膜系统, 主要功能是合成消化酶类。这些 酶

16、类合成之后要从胰腺系统经由导管分泌到小肠中行使功能。这些酶是如何分泌出 去的 ? Jamws Jamieson 和 George Palade 使用放射自显影技术证明了蛋白质分泌起始 于内质网,经高尔基体到达细胞外。Jamws Jamieson 禾口 George Palade 是如何用同位素示踪技术研究胰泡细胞中蛋白质 分泌的？睁差速离心分离与功能分析微粒体(microsomes)分离虽然放射自显影技术证明了分泌蛋白合成的起始部位，但不能证明合成分泌蛋 白的是何种细胞器。Albert Claude和Christian De Duve发展了细胞组份分离技术， 分离到了具有蛋白质合成和分泌功能的

17、结构。这些结构称为微粒体(图9-8)。图 9-8 通过差速离心分离微粒体用机械匀浆将细胞破碎,各种膜细胞器破碎,并且重新自我融合形成各种球形膜泡,通过较高 速度离心除去细胞核、线粒体、过氧化物酶体等细胞器。收集悬浮液再用较低速度离心,然后用电 9累大量的分泌泡。 野生型蛋白质正常分泌的命运缺陷的原因向ER运输积累在累大量的分泌泡。 野生型蛋白质正常分泌的命运缺陷的原因向ER运输积累在RERER小泡出芽积累在ER到高尔基体小泡中祝累在 咼尔基体第榦泡从高尔基体到 务泌彳、泡的运输从分泌小泡到细胞 夷面關运输子显微镜检查离心后分开的两部分结构。发现上层的囊泡表面是光滑的,沉淀下的囊泡表面有核糖 体

18、颗粒。微粒体的功能研究通过差速离心分离的微粒体不仅保留了膜的结构特征 ,同时还具有活细胞中的 生物活性和功能。如来自高尔基体的囊泡具有将蛋白质和脂进行糖基化修饰的作用 用从这些囊泡中分离的特殊蛋白作为抗原制备抗体 ,然后将制备的抗体与特定的颗 粒如金颗粒结合 ,再通过免疫电镜技术就能够对用作抗原的酶进行定位 ,通过这些研 究详细揭示了高尔基体在复杂的糖装配中的具体过程。用突变体研究内膜系统的功能 为了研究编码与分泌途径相关蛋白的基因 ,科学家们筛选了一些突变体,在这些 突变体中，内膜结构不正常。如获得的涉及ER出芽小泡形成基因发生突变酵母突变 体的 ER 就特别大; 若是涉及与高尔基体融合的基

19、因突变,这种酵母突变体中就会积通过对酵母突变体的研究，揭示了小泡运输的过程(图9-9)。图 9-9 与分泌相关的不同酵母突变体野生型是分泌正常的酵母A B、C、D、E是五类不同的sec基因(secretory genes)突变，代表 了蛋白质分泌的五个过程。A:分泌蛋白不能进入内质网,B:内质网出芽缺陷,C:分泌小泡不能与高 尔基体融合:D:高尔基体不能形成分泌泡;E:分泌泡不能与质膜融合。目前已经分离和克隆了几十个与分泌途径相关的基因 ，通过序列分析，表明这些 基因与哺乳动物分泌基因具有同源性， 推测哺乳动物的细胞分泌过程与酵母相似。在蛋白质的合成与分泌的研究中分别使用了同位素示踪技术、分离

20、技术和突变体研究技术，说明这些技术的研究结果各说明了什么问题？9.2 内质网(endoplasmic reticUum, ER)内质网是由K.R.Porter和A.D.Claude等在1945年发现的。他们在体外培养成纤维细胞时得到了薄层生长物，这种薄层生长的细胞不需要进行切片就可以在电子显微镜下进行观察，从而得到第一张培养细胞的电镜照片。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。原核生物没有内质网, 由细胞质膜代行其功能。9.2.1 形态结构和化学组成形态结构内质网是由一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连

21、续的网 膜系统。由于它靠近细胞质的内侧，故称为内质网(图 9-10)。根据内质网上是否附有核糖体,将内质网分为两类:粗面内质网和光面内质网。由 于内质网是一种封闭的囊状、泡状和管状结构，它就有两个面，内质网的外表面称 为胞质溶胶面(cytosolic space),内表面称为潴泡面(cisternal space)。溶酶体细胞核顺面图9-10细胞中内质网与细胞核、高尔基体的立体结构米冃面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER)多呈大的扁平膜囊状，在电镜下观察排列极为整齐(图9-11a)。它是核糖体和内 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,

22、其主要功能是合 成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。光面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER)无核糖体附着的内质网称为光面内质网(图9-11b),通常为小的膜管和小的膜囊状, 而非扁平膜囊状,广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细 胞、肌细胞、肾细胞等。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。(a)粗面内质网(b)光面内质网图 9-11 超薄和扫描电镜观察的内质网(a)粗面内质网;(b)光面内质网，上半部是超薄电镜照片，下半部是扫描电镜照片。另外还有两个概念:微粒体和肌质网,可将

23、它们看成是特殊类型的内质网。微粒体(microsome)在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自 我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构，在体外实验中，具有蛋白质合成、蛋白质糖基 化和脂类合成等内质网的基本功能。肌质网(sarcoplasmic reticulum)心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网，其 功能是参与肌肉收缩活动。胞质溶胶(cytosol)与细胞质内膜的形成将细胞质中可流动的部分分成了两半：胞质溶胶和潴泡腔(cisternal space)。胞质溶胶属细胞质的可流动部分，并且是膜结合细胞器外的流动部分,它含有 多种蛋白和酶以及参与生化反应的因子。细胞质是细胞内除细胞核以外的

24、所有生活物质 ，包括可流动的部分和不可流动 的部分，不可流动的部分包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和内膜系统的膜结构 ， 可流动的部分包括胞质溶胶和内膜系统的潴泡腔。内质网的化学组成蛋白与脂内质网是膜囊结构,所以构成内质网的主要化学成份是蛋白质和脂。内质网膜的 化学组成与线粒体外膜很相似，磷脂占50%-60%, 蛋白质约占20%。在磷脂中:磷脂 酰胆碱占 55%-58%; 磷脂酰乙醇胺占 20%-25%; 磷脂酰肌醇及磷脂酰丝氨酸占 5%-10%;鞘磷脂占 4%-7%。代谢酶系光面内质网存在许多代谢酶系（表9-4），主要有NADH-细胞色素P450还原酶、 NADH-细胞色素B5还原酶、NAD

25、H-细胞色素C还原酶、ATP酶、5核苷酸酶、核 苷焦磷酸酶、细胞色素b5、细胞色素P450、核苷二磷酸酶、B -葡萄糖醛酸苷酶、酯 酶以及合成甘油、脂酸、胆固醇的酶。表9-4微粒体上检测到的光面内质网上存在的酶类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B -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

26、工信号肽酶腔中蛋白二硫异构酶腔中细胞色素P450与电子传递链内质网膜中有丰富的细胞色素P450。占微粒体膜蛋白的10%,是跨膜蛋白。细胞 色素 P450 是内质网电子传递链中的一个组成部分， 这条电子传递链中还含有NADPH-细胞色素P450还原酶和磷脂酰胆碱。参与这一电子转移的另一种重要的酶 是细胞色素 b5, 它也是还原酶,含有 NADH。 标志酶内质网的标志酶是葡萄糖-6-磷酸酶。9.2.2 光面内质网的功能光面内质网具有很多重要的功能,如类固醇激素的合成、肝细胞的脱毒作用、糖 原分解释放葡萄糖、肌肉收缩的调节等。盼糖原分解释放游离的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

27、, 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（图 9-12），供细胞之用在肝细胞中,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。光面内质网是如何参与肝细胞维持血液中葡萄糖水平的恒定？盼类固醇激素的合成分泌类固醇激素的细胞如肾上腺细胞、睾丸间质细胞和黄体细胞都有丰富的光 面内质网，并在光面内质网上含有合成胆固醇和将胆固醇转化为激素的

28、全套酶系； 所以光面内质网能够合成胆固醇，然后将胆固醇氧化、还原、水解进一步转变成各 种类固醇激素。类固醇激素的合成涉及多个途径中的酶，包括存在于胞质溶胶和光 14面内质网中的酶类。但是合成的起始物质是胆固醇前体物质甲羟戊酸 (mevalonate),它的合成是由光面内质网中的HMG-CoA还原酶催化的。脂的合成与转运磷脂的合成 细胞膜所需要的最重要的磷脂也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，然后再转运给其他的膜。图 9-13 是光面内质网合成磷脂酰胆碱的过程,反应中最先形成的磷脂被包埋在 内质网的膜中,但朝向胞质溶胶；合成的终产物磷脂酰胆碱仍然存在于内质

29、网膜中。 催化反应的酶类既有存在于胞质溶胶中的，也有存在于内质网中的膜蛋白。ER腔磷脂酰胆碱ER腔磷脂酰胆碱诰转移酶图 9-13 在光面内质网膜中合成磷脂酰胆碱首先，内质网膜中脂肪酸与胞质溶胶中的磷酸甘油结合 ，然后脱磷，并在内质网膜中胆碱磷脂 转移酶的作用下，将胞质溶胶中的CDP-胆碱与内质网膜中的甘油脂肪酸结合形成磷脂酰胆碱。新 合成的磷脂酰胆碱朝向胞质溶胶一侧 ，但可在内质网膜中磷脂转位酶的作用下翻转到内质网的腔 面。磷脂转位蛋白与翻转酶(flippase)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(phospholipid translocator)或称翻转酶帮助的。翻转酶催化的磷脂移动也是 有选择性的，如能够翻转磷脂酰胆碱的翻转酶则不能催化其他的磷脂翻转， 这样保证 了膜中磷脂分布的不对称。磷脂交换蛋白(phospholipid exchang proteins, PEP)与磷脂转运内质网中的磷脂不断合成，使得内质网的膜面积越来越大，必须有一种机制将 磷脂转运到其它的膜才能维持内质网膜的平衡， 这就是磷脂转运。磷脂的转运有两种方式。一种是凭借一种水溶性蛋白 , 叫磷脂交换蛋白的作用 (图 9-14); 另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上，详