第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

第一节细胞质基质的涵义与功能 在真核细胞的细胞质中，除去光镜和电镜下可分辨的细胞器和颗粒以外的细胞质中胶态基底物质，称细胞质基质。

一、细胞质基质的涵义 由于细胞质基质的独特结构特征及较大的研究难度，以至于现在对细胞质基质还没有一个统一而确切的概念，目前常用的名称是细胞质基质和胞质溶胶，二者虽有差异但常常等同使用。

细胞质基质与胞质溶胶 • 有些学者认为细胞质基质主要是由微管、微丝和中间纤维等形成的相互联系的结构体系。其中蛋白质和其他分子以凝聚态或暂时的凝聚态存在，与周围溶液的分子处于动态平衡。 • 用差速离心法分离细胞匀浆中的各种细胞组分，最终可获得富含蛋白质的组分，称之为胞质溶胶。胞质溶胶中的多数蛋白质，特别是相对分子质量较大的蛋白质，可能通过较弱的次级键直接或间接地结合在细胞质基质的骨架纤维上。

细胞质基质的基本组成成分 • 小分子物质：无机离子、水、气体等 • 中等大小的分子：多种糖类、脂类、氨基酸、核苷酸、核苷酸衍生物等 • 大分子物质：蛋白质、RNA、多糖、酶 • 有人认为细胞骨架成分，如微管、微丝、中等纤维等应包括在细胞质基质内

细胞质基质的主要特点 • 是一个高度有序的体系； • 通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。

二、细胞质基质的功能 • 为蛋白质、核酸、脂肪酸等生化代谢提供大部分酶、底物、离子环境、合适的空间； • 参与信号在胞内的转导（信号通路与网络存在于基质内）； • 蛋白质的分选与运输； • 与细胞质骨架一起维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等；

蛋白质修饰和选择性降解 • 蛋白质的修饰 • 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

蛋白质的修饰 • 辅酶或辅基与酶的共价结合 • 磷酸化与去磷酸化 • 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 • 蛋白质N端的第一个氨基酸是Met、Ser、 Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，则蛋质是稳定的； • N端是其他12种氨基酸，不稳定； • 不稳定氨基酸残基能被泛素识别； • 多个泛素分子共价结合到含有不稳定氨基酸残基的蛋白质的N端，然后由蛋白酶体将蛋白质完全水解。

降解变性和错误折叠的蛋白质 推测在变性和错误折叠的蛋白质N端会添加上不稳定的氨基酸残基信号，启动泛素依赖的蛋白质降解途径。

帮助变性或者错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象帮助变性或者错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象这一功能主要依赖热休克蛋白（Hsp）来完成。有证据表明，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 细胞的内膜系统是在结构、功能乃至发生上相关的，由膜围绕的细胞器或细胞结构。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。

内膜系统

内膜系统的进化 ◆起因∶ ●遗传信息的扩大 ●体积的增大 ●表面积与体积比值失调 ●物质代谢速度受限 ◆对策:细胞内部结构区域化 ◆途径： ●内共生途径 ●细胞质膜内陷途径。

细胞核、内质网、线粒体的进化

内膜结构特点与动态性质 ◆独立性 ●内膜封闭的区室 ●执行独立的功能 ◆协作性:动态性质 ● 生物合成途径 ● 分泌途径 ● 膜泡运输途径

内膜系统的动态特性

内膜系统的生物学意义 ◆形成了一些特定的功能区域和微环境(细胞内功能分化) ●合理使用资源 ●集团化管理 ●提高工作效率 ◆动态性质 ●保证了膜结构的一致性 ●使细胞“青春常在”

内膜系统的研究方法 ◆放射自显影术(autoradiography) ●胰泡细胞 ●脉冲示踪实验(pulse-chase experiment) ◆亚细胞组分的分离 ●微粒体(microsomes) ◆突变体使用

微粒体分离 ?

一、内质网的形态结构与功能 • Porter等于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endoplasmic reticulum，ER。 • 内质网是由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构，存在于真核细胞中，是蛋白质、脂质和糖类合成的基地。

（一）内质网的两种基本类型 根据结构与功能，内质网可以分为两种基本类型： • 糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER） • 光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）

糙面内质网（rER） • 特点：多呈扁囊状，膜表面分布着大量的核糖体，是内质网与核糖体共同形成的复合机能结构。 • 主要功能：合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白。 • 内质网膜上有一种称为易位子的蛋白复合体，其功能与新合成的多肽进入内质网有关。

rER

光面内质网（rER） • 表面没有核糖体结合的内质网称光面内质网。常为分支管状，形成较为复杂的立体结构。 • 光面内质网是脂质合成的重要场所。 • 细胞中几乎不含有纯的光面内质网，它们只是作为内质网这一连续结构的一部分。

sER

内质网的模式图

内质网与其他细胞器的关系 • 与细胞膜的关系 • 与核膜的关系 • 光面内质网与高尔基体在结构、功能和发生上的关系更为密切 • 糙面内质网与线粒体的关系

内质网的形态结构

内质网与核膜的关系

（二）内质网的功能 内质网是细胞内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。

1. 蛋白质的合成 内质网上合成的蛋白质主要有： • 向细胞外分泌的蛋白质 • 膜的整合蛋白 • 构成细胞器中的可溶性驻留蛋白

2. 脂质的合成 • 内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。 • 在内质网上合成的磷脂由细胞质基质侧转向内质网腔面，借助一种磷脂转位因子或称转位酶的帮助来完成。

合成的磷脂由内质网向其他膜的转运主要有两种方式：合成的磷脂由内质网向其他膜的转运主要有两种方式：－以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；－凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂转换蛋白在膜之间转移磷脂

3. 蛋白质的修饰与加工 进入内质网腔中的蛋白质发生的主要化学修饰作用有： • 糖基化 • 羟基化 • 酰基化 • 二硫键的形成

N-连接的糖基化

4. 新生多肽的折叠与装配 • 不能正确折叠的畸形肽链或未装配成寡聚体的蛋白质亚单位不能进入高尔基体，通过Sec61p复合体从内质网腔转至细胞质基质中，进而被蛋白酶体所降解。 • 蛋白二硫键异构酶可以帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠状态。 • 结合蛋白可以识别不正确折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与装配。

BiP蛋白在ER中的作用

5. 内质网的其他功能 • 解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。 • 参与甾体类激素的合成。 • 使葡糖6-磷酸水解，释放糖至血液中。 • 储存钙离子，作为细胞内信号物质，如肌质网。 • 提供酶附着的位点和机械支撑作用。

光面内质网的氧化作用

二、高尔基体的形态结构与功能 高尔基体（Golgi body）又称高尔基器（Golgi apparatus）或高尔基复合体（Golgi complex），是1898年由意大利医生Camillo Golgi用银渡法首次在神经细胞内观察到的一种网状结构，命名为内网器。

高尔基体的形态结构

（一）高尔基体的形态结构 • 形态一些排列较为整齐的扁平膜囊堆叠在一起，构成了高尔基体的主体结构。 • 高尔基体结构上的极性： • GB靠近细胞核的一面——形成面(forming face)或顺面(cis face) • 面向细胞膜的一面——成熟面(mature face)或反面(trans face)

Regions of the Golgi apparatus

各种膜囊的标志反应 • cis面膜囊：嗜锇反应 • trans面：焦磷酸硫胺素酶（TPP酶） • 中间膜囊：烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）

1. 高尔基体顺面膜囊(cis Golgi)或顺面网状结构(cis Golgi network, CGN) • 位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，又称cis膜囊，是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。 • 与内质网膜厚度接近，一般认为，CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂质再返回内质网。

2. 高尔基体中间膜囊 • 由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。 • 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中。 • 扁平膜囊特殊的形态使其具有很大的膜面积，从而大大增加了进行糖的合成与修饰的有效面积。

3.高尔基体反面的膜囊以及反面高尔基体网状结构（TGN）3.高尔基体反面的膜囊以及反面高尔基体网状结构（TGN） • TGN位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入反面的细胞质中，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，某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN中。 • 有人认为TGN在蛋白质与脂质的转运过程中还起到“瓣膜”的作用，保证这些物质向单方向运输。

化学组成 ◆蛋白质和脂质膜: 蛋白质 40%, 脂 60%; 内质网: 蛋白质 20%, 脂 50-60%; 高尔基体: 蛋白质 60%, 脂 40%;

第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输