细胞生物学 细胞的分泌与内吞作用学习资料

细胞的分泌与内吞作用细胞的分泌与内吞作用细胞的分泌与内吞作用将蛋白质运送给细胞质膜或细胞外是通过细胞的胞吐作用（exocytosis），也称细胞的分泌活动。与分泌过程相反的是细胞的内吞作用。9.5.1细胞分泌（cellsecretion）动物细胞和植物细胞将在粗面内质网上合成而又非内质网组成部分的蛋白和脂通过小泡运输的方式经过高尔基体的进一步加工和分选运送到细胞内相应结构、细胞质膜以及细胞外的过程称为细胞的分泌。■细胞分泌活动的过程细胞分泌活动是非常重要的生命现象，整个过程涉及三种不同的细胞器和细胞结构（图9-50）∶内质网、高尔基体、细胞质膜。这三部分相当于三道关卡，严格地控制着产品的质量。这三个部分的职能又是不同的，内质网相当于生产基地，高尔基体相当于产品的精加工和质量检测分配部门，而细胞质膜相当于海关。图9-50细胞的分泌与内吞作用图中显示了由ER合成的蛋白质经分泌小泡通过高尔基体复合物运向各目的地，包括溶酶体。分泌泡分泌途径：①核糖体合成的蛋白质与粗面内质网外表面的结合，并在ER腔中糖基化；②从内质网形成的小泡携带新合成并经糖基化的蛋白到达顺面高尔基体；③通过膜融合，蛋白质进入高尔基体，并在高尔基体中进一步加工后通过小泡转运到反面高尔基体，经浓缩并经出芽形成④分泌小泡或⑤溶酶体小泡；分泌小泡移向质膜，或通过组成型（4a）或通过调节型（4b）释放小泡内容物；⑥内吞作用从细胞外摄取蛋白质或其他物质，内吞泡或是与反面高尔基体融合（6a）或是与溶酶体融合（6b）。［医学教育网

搜集整理］■组成型和调节型的分泌蛋白质从内质网经高尔基体到细胞表面的物质运输是通过运输小泡和胞吐作用不断进行的。这种分泌活动分为两种类型，组成型和调节型（图9-51）。图9-51组成型和调节型分泌活动●组成型分泌途径（constitutivesecretorypathway）这种分泌途径中运输小泡持续不断地从高尔基体运送到细胞质膜，并立即进行膜的融合，将分泌小泡中的蛋白质释放到细胞外，此过程不需要任何信号的触发，它存在于所有类型的细胞中。组成型分泌途径除了给细胞外提供酶、生长因子和细胞外基质成分外，也为细胞质膜提供膜整合蛋白和膜脂。组成型分泌小泡通常称为运输泡（transportvesicles），是由高尔基体反面网络对组成型分泌蛋白的识别分选后形成的。●调节型分泌途径（regulatedsecretorypathway）又称诱导型，见于某些特化的细胞，如\o"内分泌"内分泌细胞。调节型分泌小泡通过出芽离开反面高尔基网络并聚集在细胞质膜附近，当细胞受到细胞外信号刺激时，就会与细胞质膜融合将内含物释放到细胞外。如血糖的增加，细胞会发出信号释放胰岛素。调节型途径中形成的小泡称为分泌泡（secretoryvesicles）。调节型分泌有两个特点：一是具有选择性；第二个特点是具有浓缩作用，可使被运输的物质浓度提高200倍。■极性细胞中的蛋白质分选运输●极性细胞中膜蛋白的选择性分泌在极性细胞中，细胞质膜蛋白的分泌具有选择性，主要是通过反面高尔基网络进行选择性包装，将不同部位膜蛋白包装到不同的小泡，然后运送到不同的部位。或是通过转胞吞作用（transcytosis）（图9-52）。图9-52表皮细胞的顶部和基底侧质膜蛋白的分选培养的MDCK表皮细胞同时被VSV和流感病毒感染，VSV糖蛋白（G蛋白）只存在基底侧质膜中，而流感病毒的HA糖蛋白仅在顶部质膜中发现。如同这些病毒蛋白，某些细胞质膜的蛋白在反面高尔基体分选后通过特殊的运输小泡运输到顶部和基底部的细胞质膜。在其他的一些极性细胞中，基底和顶部质膜蛋白先一起运输到基底部，然后通过内吞作用再将顶部质膜蛋白分选出来运输到顶部。■分泌过程中的蛋白质加工●对于细胞质膜蛋白和大多数分泌蛋白而言，开始合成的是相当长的没有活性的前体，称为前蛋白（proprotein），这些蛋白需要进一步加工才能成为成熟的、有活性的蛋白质，如血清白蛋白（serumalbumin）、胰岛素、胰高血糖素、酵母的α交配因子以及所有的分泌蛋白和膜蛋白，包括流感病毒的HA蛋白。●一般说来，前体蛋白被酶解转变成成熟的分子是在离开高尔基体后的分泌小泡中进行的。正常情况下，成熟的分泌小泡是由几个不成熟的小泡融合而成的，然后通过加工使蛋白质成熟。●某些前蛋白质，包括前白蛋白（proalbumin）在C-末端的某一位点切割一次，产生两个碱性的识别序列，如∶Arg-Arg或者Lys-Arg（图9-53a）；另外一些前蛋白，在N-端切除几个氨基酸或在N-端和C-端同时切除几个氨基酸。在前胰岛素中，多余的氨基酸称为C肽，位于多肽的内部，加工时要将C肽切除，并将两端的A肽和B肽通过二硫键连接起来（图9-53b）才有功能。图9-53前白蛋白和前胰岛素在组成型和调节型分泌过程中的加工在加工过程中由内切蛋白酶切割C-末端，产生两个连接在一起的碱性氨基酸。（a）内切蛋白酶——成对碱性氨基酸蛋白酶（furin）切割组成型分泌蛋白的前体；（b）两个内切蛋白酶PC2和PC3作用于调节型分泌蛋白的前体。多数此类蛋白的最后一步加工是由羧肽酶（carboxypeptidase）切除多肽链C-末端的两个碱性氨基酸。■胞吐作用（exocytosis）与膜的融合●胞吐作用胞吐作用是指真核细胞中含有待分泌物的包被小泡与质膜融合，从而将内含物排出胞外的过程。在组成型分泌活动中，胞吐作用是自发进行的，但是在调节型的细胞中，胞吐作用必需有信号的触发。胞吐作用的结果一方面将分泌物释放到细胞外，另一方面小泡的膜融入质膜，使质膜得以补充。●膜的融合在胞吐过程中，分泌泡同细胞质膜的融合只发生在局部细胞质膜上。融合作用是通过融合蛋白（fusionprotein）介导的，这些融合蛋白位于膜的表面和膜内，它们的作用是使两种不同的膜靠近、接触、最后融合。两种膜接触导致小的融合孔（fusionpore）的形成（图9-54），最后两种膜融为一体。图9-54胞吐作用与膜融合模型①两种膜蛋白相互接触；②两种膜之间形成一个封闭的孔，并逐渐扩大；③由于膜脂的扩散，两种膜的脂双层融合成一体。溶酶体的功能溶酶体的功能溶酶体的功能溶酶体的主要功能是消化作用（图9-39）。其消化底物的来源有三种途径：①自体吞噬（autophagy），吞噬的是细胞内原有的物质；②通过吞噬形成的吞噬体（phagosome）提供的有害物质；③通过内吞作用（endocytosis）提供的营养物质。由于吞噬作用和内吞作用提供的被消化的物质都是来自细胞外，又将这两种来源的物质消化作用统称为异体吞噬（heterophagy）。图9-39溶酶体的类型及在细胞消化过程中的作用图中简示了溶酶体的四种消化作用：A.吞噬作用；B自噬作用；C.自溶作用；D.细胞外消化作用。■吞噬作用（phagocytosis）●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（图9-40）。图9-40吞噬作用吞噬作用的第一阶段是细胞质膜上的受体与细菌结合，然后将被感染的细菌包裹起来形成吞噬体，接着是溶酶体与吞噬体融合，通过溶酶体酶的作用将被吞噬的细菌降解。●吞噬细胞多细胞的动物具有专门的吞噬细胞，即巨噬细胞（macrophages）和中性粒细胞（neutrophils）担任机体中的保护防御任务。［医学教育网搜集整理］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。吞噬作用也包括对衰老的、进入编程死亡的细胞的吞噬。■自噬作用（autophagy）●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、衰老的细胞器、以及不再需要的生物大分子等（图9-41）。图9-41自噬作用电镜照片所示是衰老的线粒体和过氧化物酶体被包裹在一个双层膜结构中，该膜来自于内质网。被ER膜包裹而成的自噬体将会与溶酶体融合，进而被溶酶体酶降解。●自噬作用的意义●吞噬过程被吞噬的细胞器和生物大分子先要被内质网的膜包裹起来形成自噬泡（autophagicvacuole，图9-42），然后与初级溶酶体融合形成次级溶酶体，即自噬性的溶酶体，融合后的底物被溶酶体酶消化。图9-42自体吞噬泡形成的机制内质网形成一个双膜的杯形结构（a，b），衰老的细胞器（线粒体）从杯口进入（c），然后封口（d），形成双膜的小泡。小泡与成熟的溶酶体融合（e），或与来自溶酶体分泌小泡融合（f），溶酶体的酶降解融合泡中的底物（g）。■自溶作用（autolysis）自溶作用是细胞的自我毁灭（cellularself-destruction），即溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解。在正常情况下，溶酶体的膜是十分稳定的，不会对细胞自身造成伤害。如果细胞受到严重损伤，造成溶酶体破裂，那么细胞就会在溶酶体酶的作用下被降解，如某些红细胞常会有这种情况发生。在多细胞生物的发育过程中，自溶对于形态建成具有重要作用。吞噬作用与内吞作用（endocytosis）吞噬作用与内吞作用（endocytosis）吞噬作用与内吞作用（endocytosis）细胞通过胞吐作用将细胞内的物质运送到细胞外，又通过内吞作用将细胞外的营养物质等摄取到细胞内以维持正常的代谢活动。细胞的内吞有两种类型，一种是吞噬细胞完成的对有害物质的吞噬，另一种类型是通过细胞质膜受体介导的对细胞外营养物质的内吞。■吞噬作用（phagocytosis）又称胞吃作用（cellulareating）。吞噬作用只限于几种特殊的细胞类型，如变形虫（Amoebae）和一些单细胞的真核生物通过吞噬作用从周围环境中摄取营养。在大多数高等动物细胞中，吞噬作用是一种保护措施而非摄食的手段。高等动物具有一些特化的吞噬细胞，包括巨噬细胞（macrophages）和中性粒细胞（neutrophils）。它们通过吞噬菌体摄取和消灭感染的细菌、病毒以及损伤的细胞、衰老的红细胞（图9-55）。图9-55巨噬细胞正在吞噬衰老的红细胞■吞饮作用（pinocytosis）又称胞饮作用（cellulardrinking），胞吞作用的一种类型。它是一种非选择性的连续摄取细胞外基质中液滴的内吞过程。吞入的物质通常是液体或溶解物。所形成的小囊泡的直径小于150nm.根据细胞外物质是否吸附在细胞表面，将胞饮作用分为两种类型：液相内吞（fluid-phaseendocytosis）和吸附内吞（absorptionendocytosis）。■受体介导的内吞作用（receptor-mediatedendocytosis）一种特殊类型的内吞作用，主要是用于摄取特殊的生物大分子。●吞入的物质大约有50种以上的不同蛋白，包括激素、生长因子、淋巴因子和一些营养物都是通过这种方式进入细胞（表9-9）。表9-9通过受体介导的内吞作用进入细胞的配体激素（hormones）胰岛素（insulin）黄体生成素（luteinizinghormone,LH）促卵泡激素（follicle-stimulatinghormone,FSH）生长激素（growthhormone）催乳素（prolactin）生长因子（growthfactors）表皮生长因子（epidermalgrowthfactor）血小板衍生生长因子（platelet-derivedgrowthfactor）转化生长因子（transforminggrowthfactor）神经生长因子（nervegrowthfactor）淋巴因子（lymphokines）白细胞介素（interleukins）肿瘤坏死因子（tumornecrosisfactor）干扰素（interferon）集落刺激因子（colonystimulatingfactor）营养物（nutrients）低密度脂蛋白（LDL，cholesterol）转铁蛋白（transferrin，iron）●配体（ligand）同受体结合的物质称为配体（ligand）。配体可分为四大类：Ⅰ。营养物，如转铁蛋白、低密度脂蛋白（LDL）等；Ⅱ。有害物质，如某些细菌；Ⅲ。免疫物质，如免疫球蛋白、抗原等；Ⅳ。信号物质，如胰岛素等多种肽类激素等。●受体介导内吞的基本特点有两个特点：①配体与受体的结合是特异的，具有选择性；②要形成特殊包被的内吞泡。将成纤维细胞培养在加有转铁蛋白-铁标记的低密度脂蛋白（LDL）的培养基中，可清楚地观察到这一过程（图9-56）。图9-56低密度的脂蛋白（LDL）经受体介导的内吞作用的起始阶段的电镜照片图中所示是培养的成纤维细胞质膜对LDL的内吞作用。LDL颗粒与含铁的转铁蛋白共价相连，电子显微镜下所见的黑点是小分子的铁。（a）LDL与细胞表面的受体结合并形成有网格蛋白包被的小窝；（b）含有LDL的被膜小窝向下凹陷逐渐形成被膜小泡；（c）含有转铁蛋白标记的LDL被膜小泡；（d）含有转铁蛋白标记的LDL颗粒的无被小泡（初级内体）。●基本过程大致分为四个基本过程∶①配体与膜受体结合形成一个小窝（pit）；②小窝逐渐向内凹陷，然后同质膜脱离形成一个被膜小泡；③被膜小泡的外被很快解聚，形成无被小泡，即初级内体；④初级内体与溶酶体融合，吞噬的物质被溶酶体的酶水解（图9-57）。图9-57受体介导的内吞作用●配体和受体的命运在受体介导的内吞中，配体基本被降解，少数可被利用。大多数受体能够再利用，少数受体被降解。通常受体有四种可能的去向（图9-58）。●膜成分的命运被内吞进来的膜成分有三种可能的去向（图9-58）。图9-58受体介导的内吞作用所涉及的途径受体介导的内吞中，内吞泡中的配体、受体和膜成分的去向如何？■受体介导的低密度脂蛋白（low-densitylipoprotein，LDL）内吞作用●LDL的结构LDL是一种球形颗粒的脂蛋白（图9-59），直径为22nm，核心是1500个胆固醇酯；外面由800个磷脂和500个未酯化的胆固醇分子包裹，由于外被脂分子的亲水头露在外部，使LDL能够溶于血液中；最外面有一个相对分子质量为55kDa的蛋白，叫辅基蛋白B——100（apolipoproteinB-100），它能够与特定细胞的表面受体结合。图9-59LDL颗粒结构示意图（a）由磷脂和未酯化的胆固醇单层构成LDL的外膜结构，在外膜上结合一个亲水的apo-B蛋白，该蛋白可以介导LDL与细胞表面的受体结合。（b）四种类型脂蛋白的电镜照片●LDL受体蛋白LDL受体蛋白是一个单链的糖蛋白，由839个氨基酸组成，跨膜区由22个疏水的氨基酸组成，为单次跨膜蛋白。LDL受体蛋白合成后被运输到细胞质膜，即使没有相应配体的存在，LDL受体蛋白也会在细胞质膜集中浓缩并形成被膜小窝，当血液中有LDL颗粒，可立即与LDL的apoB-100结合形成LDL-受体复合物。●LDL的内吞一旦LDL与受体结合，就会形成被膜小泡被细胞吞入，接着是网格蛋白解聚，受体回到质膜再利用，而LDL被传送给溶酶体，在溶酶体中蛋白质被降解，胆固醇被释放出来用于质膜的装配，或进入其他代谢途径（9-60）。图9-60受体介导的LDL内吞过程简述LDL经受体介导的内吞作用被吞入细胞和被利用过程。■铁离子的内吞运输铁是细胞内的金属离子，对细胞的生命活动具有重要作用，它是通过转铁蛋白和受体介导的内吞作用被输入细胞的。●转铁蛋白（transferrin）转铁蛋白是细胞中铁结合蛋白，负责将肝组织（是铁贮藏的主要场所）和肠组织的铁向其它细胞的运输。没有结合铁的转铁蛋白称作脱铁转铁蛋白（apotransferrin），它能够紧紧结合两个Fe3+，此时称为铁结合转铁蛋白（ferrotransferrin）。●铁的运输所有生长中的细胞表面都有铁结合转铁蛋白的受体，在中性pH条件下与铁结合转铁蛋白与铁结合，然后通过内吞作用进入细胞。在细胞内，在内体的酸性环境中，转铁蛋白释放出铁，但是转铁蛋白仍然同膜受体结合，并与受体一起回到质膜；当细胞外环境变成中性时，转铁蛋白同受体脱离，并自由地结合铁，然后又开始新一轮循环。实际上，转铁蛋白穿梭于细胞外液体和内体之间，避开了溶酶体，快速传递细胞生长所需的铁（图9-61）。图9-61生长细胞中转铁蛋白的循环■转胞吞作用（transcytosis）转胞吞作用是一种特殊的内吞作用，受体和配体在内吞中并未作任何处理，只是经细胞内转运到相反的方向，然后通过胞吐作用，将内吞物释放到细胞外，这种内吞主要发生在极性细胞中，如抗体转运到血液和奶汁就是这种运输（图9-62）。图9-62母体IgG免疫球蛋白跨过新生鼠表皮细胞的转胞吞作用配体跨细胞的转运同时涉及胞吞作用与胞吐作用。在新生的小鼠中，肠腔内的pH=6，而表皮的相对一侧（朝向血管）的pH=7，表皮细胞质膜上的Fc受体在pH=6或更低时与IgG的Fc结合，在pH=7时不能结合。在腔面形成的含有Fc受体-IgG复合物的内吞体跨细胞移动并与基膜融合，释放出IgG，卸载的受体通过转胞吞作用回到原来的质膜运输小泡的类型和分选信号。运输小泡的类型和分选信号小泡运输的分子机理（molecularmechanismofvesiculartraffic）膜结合核糖体合成的蛋白质进入内质网后的运输是通过小泡转运实现的，其机理涉及三个基本问题：①小泡是怎样形成的？②不同类型小泡如何准确到达作用部位？③小泡与细胞质膜、小泡与小泡之间是怎样融合的？运输小泡的类型和分选信号在细胞分泌和内吞过程中，从膜上形成的小泡通常由不同的蛋白质包被，因此称为被膜小泡（coatedvesicles），有三种类型的被膜小泡（图9-63）。图9-63在细胞分泌和内吞途径中三种类型的被膜小泡及运输途径■分泌小泡的类型●披网格蛋白小泡（clathrin-coatedvesicle）由网格蛋白形成的被膜小泡，介导从反面高尔基体网络到细胞质膜、从细胞质膜到反面高尔基网络的运输。从高尔基体反面网络形成的披网格蛋白小泡与从细胞质膜形成的披网格蛋白小泡所用的衔接蛋白（adaptin）是不同的。在披网格蛋白小泡形成过程中，网格蛋白同膜受体结合，形成被膜小窝，并逐渐使被膜小窝下陷，最后同膜脱离形成一个包有网格蛋白外被的小泡。据估计，在培养的成纤维细胞中，每分钟大约有2500个披网格蛋白小泡从质膜上脱离下来。医学教育网●COPⅡ被膜小泡（COPⅡcoatedvesicle）这种类型的小泡是介导非选择性运输的小泡，它参与从ER到顺面高尔基体、从顺面高尔基体到高尔基体中间膜囊、从中间膜囊到反面高尔基体的运输。这种小泡的外被是外被蛋白COPⅡ（coatproteinⅡ，COPⅡ），外被蛋白是一个大的复合体，称为外被体（coatomer），●COPⅠ被膜小泡（COPⅠcoatedvesicle），主要介导蛋白质从高尔基体运回内质网，包括从反面高尔基体运向顺面高尔基体，以及将蛋白质从反面高尔基体运回到内质网。虽然已经发现了三种类型的运输小泡介导不同途径的运输，但还不清楚组成型运输小泡是如何包被的。三种不同小泡虽然有很多差异，但在小泡形成的方式和所需的成份基本一致（图9-64）。图9-64参与被膜小泡出芽形成的一些组分出芽形成被膜小泡时需要小GTP结合蛋白、外被体和衔接蛋白、膜受体蛋白等。●三种类型小泡间的差异三种类型小泡不仅外被蛋白不同，小泡形成时所需的小GTP结合蛋白和衔接蛋白也不相同（表9-10）。表9-10三种不同类型小泡的外被蛋白、衔接蛋白及运输路线■小泡运输的分选信号三种不同类型运输小泡的形成和定向运输都是由信号指导的。如KDEL信号是内质网蛋白的滞留信号，因此KDEL是COPⅠ型小泡形成的信号。小泡形成不仅需要信号，同时也需要衔接蛋白和信号受体，表9-11综合了三种类型运输小泡的一些信号、受体和衔接分子。披网格蛋白小泡形成的机理披网格蛋白小泡形成的机理披网格蛋白小泡形成的机理在大量进行内吞活动的细胞（如肝细胞、成纤维细胞）中，细胞质膜有许多网格蛋白小窝（图9-65）。这些小窝的形成需要很多衔接子（adapter）和网格蛋白，小泡最后与质膜的脱离还需要一种称作发动蛋白（dynamin）的GTP结合蛋白。图9-65成纤维细胞质面的网格蛋白被膜小窝的电子显微镜照片■网格蛋白（clathrin）及包被亚基（coatsubunits）典型的披网格蛋白小泡的直径为50～100nm.网格蛋白由相对分子质量为180kDa的重链和