中科院考研细胞生物学-细胞器的结构与功能

中科院考研细胞生物学-细胞器的结构与功能
1．细胞器的结构与功能
4.1. 内膜系统的概念及其组成成员
是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构，主要包括：核膜？、内质网、高尔基体、溶酶体及各种分泌小泡和液泡。

意义：使真核细胞细胞内区域化（compartmentalization）内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特点之一，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；酶系统的隔离与连接；蛋白质、糖、脂肪的合成、加工和包装；运输分泌物；扩散屏障及膜电位建立；离子梯度的维持等。

3、细胞内膜系统的研究方法
1、超微结构观察：电镜技术；
2、功能定位研究：免疫标记和放射自显影（Autoradiography）；
3、组分分离与分析：离心技术；
4、研究膜泡运输和功能机制研究：遗传突变分析（Genetic mutants）。

4.2. 内质网（ER）
4.2.1.掌握内质网的形态结构特征和类别(粗面内质网和光面内质网)
形态结构：封闭的管状或扁平囊膜系统及其包被的腔形成的相互沟通的三维网络结构。

原核细胞无。

微粒体（microsome）：细胞匀浆和离心过程中，破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，包括内质网和核糖体。

生化研究中，将其与内质网等同看待。

在体外实验中，有蛋白合成、蛋白质糖基化和脂质合成等内质网的基本功能。

2种类型：
①糙面内质网RER：扁囊状，表面大量核糖体，功能是合成分泌
性的蛋白质和多种膜蛋白。

存在易位子（translocon）（哺乳动物细胞中，主要成分是与蛋白分泌相关的多肽Sec61p 等组成的复合体），功能与新合成的多肽进入内质网有关。

②光面内质网SER：分支管状，表面没有核糖体，立体结构。

合成脂质。

细胞中几乎不含有纯的SER，它只是作为ER连续结构的一部分。

所占区域较小，作为出芽位点，将内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体。

The endoplasmic reticulum is a series of double membranes that loop back and forth between the cell membrane and the nucleus. These membranes fill the cytoplasm but you cannot see them because they are very transparent. There are two distinct types of E.R.: The rough E.R. has ribosomes and is the site of protein synthesis; the smooth E.R. has no ribosomes.
4.2.2.理解并熟练掌握粗面内质网的主要功能
（二）功能
1.糙面：
①蛋白质的合成：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中―游离‖核糖体，有些蛋白在刚起始合成不久便转移到糙面型内质网上继续进行蛋白的合成，这类蛋白一边合成一边进入内质网腔内，以这种方式合成的蛋白主要有：
1）向细胞外分泌蛋的白；
2）膜的整合蛋白；
3）构成细胞器中的可溶性驻留蛋白蛋白（需要隔离或修饰）。

其它的多肽是在细胞质基质中―游离‖核糖体上合成的，包括：细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。

●掌握按信号肽假说参与分泌蛋白和溶酶体酶等蛋白合成.
●信号假说（signal hypothesis）与蛋白质分选信号
●1、信号假说：分泌性N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白质到内质网膜上合成，
然后在信号肽引导下边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除
●蛋白质定向运输（蛋白分选）（protein targeting/sorting）：蛋白质在细胞基质中核糖体上
合成，然后转运到细胞的特定部位进行装配成结构和功能复合体，参与细胞的生命活动。

●2、指导蛋白质在内质网上合成的决定因素：
●1）N端信号肽、
●2）信号识别颗粒（SRP）：6种pro和7S RNA。

●3）SRP受体（停泊蛋白DP）
●3、信号假说：
●（1）编码分泌蛋白的mRNA，在起始密码子AUG之后，紧跟着一组特定的信号
密码子，由此编码一段多肽。

●（2）多肽链的开始合成在游离核糖体上，信号密码子转译信号肽，约有15-30个
氨基酸（16-26）。

●（3）在RER膜上有信号识别蛋白（SRP），可以释放到细胞质中去，识别正在合
成信号肽的核糖体，并与之结合，合成暂停，引导核糖体与ER膜上的易位子结合，而SRP 则与SRP受体（又称停泊蛋白，docking.P）结合，合成继续。

SRP脱离释放返回基质重复利用。

●（4）信号肽与易位子作用并使RER形成孔道，合成的多肽链通过孔道进入内质网池。

【耗能】
●（5）信号肽已无用，被位于RER膜内表面的信号肽酶（Signal peptidase）切掉。

●（6）多肽链继续生长，直至合成完毕。

●（7）最后在一种分离因子作用下，核糖体脱离开膜，孔道封闭。

●4、分泌蛋白合成过程
●游离的核糖体→蛋白质开始合成→多肽链延伸为80氨基酸→蛋白质N端信号
肽与信号识别颗粒结合肽链停止延伸，并防止新生肽N端损伤和成熟前折叠→信号识别颗粒与内质网上的信号识别受体结合，核糖体与内质网上的易位子结合→肽链开始延伸，信号识别颗粒脱离→信号肽与易位子结合，在耗能状态下使内质网上孔道打开→信号肽引导肽链以绊环形式进入内质网腔→信号肽被切除→肽链继续，直至完整肽链合成。

●5、共转移：肽链边合成边转移至内质网腔中的方式
●6、开始转移序列（start transfer sequence）：引导肽链穿过内质网膜的信号肽。

●7、停止转移序列：肽链中与内质网有很强亲和力而结合在脂双层之中的序列，这段序
列不再转入内质网腔中。

若此序列位于多肽中部，则会成为跨膜蛋白。

●8、后转移：蛋白质在细胞质合成之后，在前导肽的指引下转移到特定细胞器中的方式●9、跨膜次数决定因素：起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数
线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入细胞器的，有人称之为导肽（leader peptide）。

其特征是pro在细胞质中合成后再转移到细胞器，为翻译后转运。

在跨膜过程中不仅需要ATP使多肽去折叠，还需一些蛋白的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能正确折叠。

一、蛋白质分选的基本途径与类型
1.细胞内的蛋白质分选：细胞内蛋白质按某种指令决定其在哪种细胞内合成部位并最终转至其行使功能的部位成为~，对构成高度有序的细胞结果体系及完成各种生命活动具有决定性作用。

2.蛋白质分选2条途径：
①翻译后转运途径：在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋
白和支架蛋白。

②共翻译转运途径：蛋白质合成在游离核糖体上起始之后由信号肽引导转移至糙面内质网，然后新生肽边合成边转入糙面内质网中，再经高尔基体加工包装运至溶酶体、细胞质膜或分泌带细胞外。

内质网与高尔基体本身的蛋白质分选也是这一途径。

3.从蛋白质分选的转运方式或机制看，分为4类：
（1）蛋白质的跨膜转运（transmembrane transport）：主要是指细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体（包括叶绿体）和过氧化物酶体等细胞器，但进入内质网与进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的机制又有所不同。

进入叶绿体等细胞器的蛋白质分选过程：多个不同的寻靶序列，定位到叶绿体的前体蛋白N端具有40~50个氨基酸组成的转运肽，用以指引多肽定位到叶绿体并进一步穿过叶绿体被膜进入基质中。

线粒体和过氧化物酶体靠的引导序列：线粒体蛋白N端的导肽或过氧化物酶体蛋白C端的内在引导信号。

通过翻译后转运转运途径进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的蛋白质，必须在分子伴侣的帮助下解折叠或维持非折叠状态，这有利于通过膜上的输入装置。

（2）膜泡运输（vesicular transport）：存在与真核细胞中，蛋白质运输的特有方式。

【未看】蛋白质通过不同类型的转运小泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体，进而分选转运至细胞的不同部位，其中涉及各种不同部位，其中涉及各种不同的运输小泡的定向转运，以及膜泡出芽与融合的过程。

①COPⅡ有被小泡的组装与转运：COPⅡ有被小泡介导细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输。

COPⅡ有被由5种蛋白亚基组成，包括Sec13p，Sec31p，Sec23p，Sec24p 和Sar1p。

COPⅡ有被小泡通过可溶性包被蛋白COPⅡ复合物在内质网上组装形成。

ER腔中的可溶性货物蛋白通过选择性跨膜蛋白腔面一端结合被募集，同时选择性跨膜蛋白胞质面一端的信号序列以及ER膜上的整合蛋白v-SNARE被COPⅡ蛋白识别，形成包含有货物蛋白和v-
SNARE 的有被小泡。

在Sarl蛋白参与下脱被并定位到cis面，脱被暴露的v-SNARE与cis面膜上的同类蛋白t-SNARE配对，介导膜泡和靶膜融合，内含物释放进入高尔基体。

COPⅡ有被小泡组装模型：小分子GTP结合蛋白Sarl，具有GTPase活性，分子开关的作用。

无活性的Sarl-GDP在细胞质中，在ER膜蛋白鸟苷酸交换因子（GEF）作用下GTP置换GDP形成有活性的Sarl-GTP，GTP结合引发Sarl构象改变暴露出脂肪酸链并插入ER 膜，膜结合的Sarl对包被蛋白的进一步起包被募集者作用。

Sarl蛋白伴随结合的GTP的水解形成Sarl-GDP也会导致构象改变，是Sarl蛋白脱离膜并引发包被去组装。

膜结合的
Sarl-GDP募集COPⅡ亚基，促进包被组装和出芽以及包装选择性膜蛋白，最后形成COPⅡ有被小泡。

②COPⅠ有被小泡的组装与运输：COPⅠ有被小泡介导细胞内膜泡逆向运输，负责从顺面高尔基体网状区到内质网膜泡转运，包括再循环的膜脂双层、某些蛋白质和回收错误分选的内质网逃逸蛋白返回内质网。

细胞器中的蛋白质通过2种基质维持:转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外；对逃逸蛋白的回收机制。

驻留信号序列的受体位于高尔基体CGN、COPⅠ和COPⅡ的小膜泡。

③网格蛋白有被小泡的组装与运输：网格蛋白有被小泡介导蛋白质从高尔基体TGN向质膜、胞内体、溶酶体或植物液泡的运输。

在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜运往细胞质，以及从胞内体到溶酶体的运输。

网格蛋白有被小泡的形成：A 募集结合素蛋白到TGN 的胞质面；B 结合素蛋白的存在引发网格蛋白网格的组装，驱动膜出芽。

（3）选择性的门控转运（gated transport）蛋白质通过核孔复合物完成核输入或核输出。

（4）细胞质基质的蛋白质的转运
三、膜泡运输
膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。

在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜定向运输及其复杂的调控过程。

1、具有不同的物质运输作用的有被小泡类型：
1）网格蛋白小泡：
①负责蛋白质从高尔基体TGN 质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输
②在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜内吞泡(细胞质) 胞内体溶酶体运输
③高尔基体TGN是网格蛋白有被小泡形成的发源地
2）COPII有被小泡
①负责从内质网高尔基体的物质运输；
② COPII包被蛋白由5种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的；
③ COPII包被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。

3）COPI包被小泡：
①负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins）返回ER。

②COPI包被含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于ARF(GTP-binding protein)；
③COPI-包被小泡在非选择性的批量运输( bulk flow)中行使功能, 负责rER?Golgi ?分泌泡?细胞表面。

④COPI-包被小泡除行使Golgi→ER逆行转运外，也可行使顺行转运功能, 从ER→ER-Golgi IC→Golgi。

2、细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制
1）转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止被包被在出芽形式的转运泡中而被排出；
2）通过识别驻留蛋白C-端的回收信号(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特异性受体，以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。

四、细胞结构体系的组装
1、生物大分子的组装方式：
1）自我装配（self-assembly）：信息存在于装配亚基的本身，
同时也不排除细胞提供的装配环境；
2）协助装配（aided-assembly）：除需要形成最终结构亚基，还需要其他成分介入，或对装配的亚基进行修饰；
3）直接装配（direct-assembly）：直接装配到已形成的结构上。

4) 复合物与细胞结构体系的组装
2、装配具有重要的生物学意义：
1）减少和校正蛋白质合成中出现的错误
2）减少所需的遗传物质信息量
3）通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程
3、分子―伴侣‖（molecular chaperones）：
细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子―伴侣‖。

●掌握蛋白质的修饰(包括N-连接糖基化、酰基化等)和正确折叠
●②蛋白质的修饰与加工：
●化学修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键的形成。

●糖基化：在内质网腔面，寡糖链连接在插入膜内的磷酸多帖醇上，当与糖基化有关的氨
基酸残基出现后，在膜上的糖基转移酶的作用下，将寡糖基由磷酸多帖醇转移到相应的天冬酰胺残基上。

N-连接的糖基化：寡糖基转移到天冬酰胺残基，与天冬酰胺结合的是N-乙酰葡糖胺。

O-连接的糖基化(高尔基体)：发生在丝氨酸或苏氨酸残基上，或羟赖氨酸或羟脯氨酸，结合的糖是N-乙酰半乳糖胺。

●酰基化：内质网的胞质侧，软质酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上。

●③新生肽链的折叠与组装：一、易位子（Sec61p）将错误折叠或组装的蛋白质转运至细
胞质基质通过泛素依赖性降解途径被蛋白酶体降解；二、蛋白二硫键异构酶（PDI）切断二硫键，帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并处于正确折叠的状态，加速蛋白质的正确折叠；三、结合蛋白（Bip）
识别错误折叠或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。

装配完成后，立即与Bip分离，进入高尔基体。

●PDI和Bip等蛋白都具胡4肽信号（KDEL或HDEL）以保证它们滞留在内质网中，并维
持很高的浓度。

Bip还可与Ca2+结合，可能通过Ca2+与带负电的磷脂头部基团相互作用，使Bip结合到内质网中。

4.2.3.掌握光面内质网的功能：膜脂类和甾类激素合成、胞质溶胶Ca2+水平调节、解
毒和参与糖元合成与分解等
①脂质合成：合成构成细胞需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂），合成脂质的酶定位在内质网膜上，活性部位在膜的细胞质基质侧。

（三步：1、增大膜面积；2、3确定新合成磷脂种类）。

在内质网上合成的磷脂由细胞质基质侧转向内质网腔面（借助磷脂转位因子或称转位酶的帮助）。

转运方式：A 出芽方式转运到高尔基体、溶酶体、细胞质膜上；B 借助磷脂转换蛋白PEP（水溶性载体蛋白）在膜之间转移磷脂。

转运模式：PEP与磷脂分子结合形成水溶性复合物进入细胞质基质，通过自由扩散，直至遇到靶膜，PEP释放磷脂，并安插在膜上，结果磷脂从含量高的膜转移到缺少磷脂的膜上，即从合成部位转移到线粒体或过氧化物酶体部位。

每种PEP识别一种磷脂。

②解毒、合成固醇类激素、参与糖原分解、肌质网储存钙离子。

解毒：细胞色素P450家族酶系。

使聚集在SER上的不溶于水的毒物或代谢物在P450多功能氧化酶作用下羟基化，完全溶于水，转送出细胞进入尿液排出体外。

肌质网：肌细胞内特化的SER称为肌质网。

1、其膜上有-ATP酶将基质中Ca2+的泵入肌质网腔中储存起来，肌质网中存在钙结合蛋白，（一分子可结合30分子Ca2+）；2、受神经冲动刺激后，Ca2+释放，肌肉收缩；
ER中发现Bip等至少四种钙结合蛋白。

高浓度的Ca2+及与之结合的钙结合蛋白，可能阻止ER以出芽的形式形成运输小泡，从而
Ca2+调节运输小泡的形成。

内质网与基因表达的调控【不考？】
内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。

影响内质网细胞核信号转导的三种因素：
1 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。

2 折叠好的膜蛋白的超量积累。

3 内质网膜上膜脂成份的变化——主要是固醇缺乏
这些变化将通过不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达
4.3. 高尔基体
4.3.1.掌握高尔基体的形态结构特点，结构分区，及各区的标志性酶。