【细胞生物学】内膜系统与蛋白质分选和膜运输1
9内膜系统与蛋白质分选和膜运输
幻灯片70
作业
●1、何谓信号肽假说？其主要内容是什么？
●2、简述分泌蛋白的运输过程。
幻灯片71
1、何谓信号肽假说？其主要内容是什么？
●信号肽假说指分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，
然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。
●其主要内容是：
●信号肽与S R P结合→肽链延伸终止→S R P与受体结合→S R P脱离信号肽→肽链在内
质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔→信号肽切除→肽链延伸至终止→翻译体系解散
幻灯片72
2、简述分泌蛋白的运输过程。
●分泌蛋白的运输过程如下：
●①核糖体阶段。
分泌性蛋白质起始合成并发生蛋白的跨内质网膜转运。
●②内质网阶段。
蛋白糖基化加工和形成运输小泡。
●③细胞质基质运输阶段。
运输小泡脱离糙面内质网并移向高尔基体，与其顺面膜囊融
合。
●④高尔基复合体加工修饰阶段。
分泌蛋白进行加工修饰，并在反面膜囊中分选和包装，
形成较大囊泡进入细胞质基质。
●⑤细胞质基质运输阶段。
大囊泡接近质膜。
●⑥胞吐阶段。
分泌泡与质膜融合，将分泌蛋白释放出胞外。
第九章 内膜系统与蛋白质分选和膜运输 细胞生物学(王金发版)章节总结
第九章内膜系统与蛋白质分选和膜运输9.1内膜系统9.1.1内膜系统概述9.1.2内质网9.1.3高尔基体9.1.4溶酶体9.2细胞的分泌和内吞作用9.2.1细胞分泌过程9.2.2细胞内吞过程9.2.3膜泡运输机制9.3膜的生物发生9.3.1膜脂9.3.2膜整合蛋白和外周蛋白9.3.3脂锚定蛋白形成9.1内膜系统9.1.1内膜系统概述（1）内膜系统的组成内质网、高尔基体、溶酶体、细胞核、液泡。
功能上紧密联系，形成协调统一的整体。
（2）内膜系统的结构特点既相互独立，又相互间处于动态平衡状态。
通过三种途径：生化合成途径；分泌途径；内吞途径。
（3）内膜系统的重要功能—蛋白质分选蛋白质分选三种途径：核孔运输；跨膜运输；膜泡运输。
信号肽指导内膜系统蛋白质的运输，其对蛋白质没有特异性，对不同的膜结合细胞器具有特异性。
（4）内膜系统的进化与生物学意义原因：遗传信息量增大；细胞体积增大；表面积与体积比下降；物质代谢速度受限。
途径：内共生途径；质膜内陷。
生物学意义：形成了特定的功能区域与微环境，有不同的物质浓度及代谢系统，合理利用了资源，工作效率上升；通过各种活动，形成统一整体。
（5）内膜系统的研究方法放射性自显影；差速离心分离与功能分析；突变技术；绿色荧光蛋白定位法。
9.1.2内质网（1）结构与组成平行扁平囊泡（粗面内质网）或管状囊泡（光面内质网）组成。
粗面内质网可与核膜、质膜结构连续，外表面称为胞质溶胶面，内表面为潴泡面。
标志酶为葡萄糖-6-磷酸酶。
（2）功能①光面内质网糖原分解释放葡萄糖；类固醇激素的合成；脂的合成与转运；解毒作用（P450）；钙库。
②粗面内质网膜结合核糖体的蛋白质运输：信号假说。
信号序列，SRP识别信号肽、停止翻译、识别停靠蛋白，停靠蛋白，蛋白质运输通道，袢环状过膜。
起始转移信号（信号序列及内部信号序列）与蛋白质运输通道受体位点结合，停止转运信号和内部信号序列决定穿膜次数。
信号序列被信号肽酶切除，内部信号序列保留。
第九章 内膜系统与蛋白质分选和膜运输
第九章内膜系统与蛋白质分选和膜运输教学目的1、掌握信号肽假说和蛋白质转运的机制。
2、掌握高尔基体参与细胞分泌活动的作用。
3、掌握细胞内蛋白质的分选。
教学内容本章从以下6个方面讨论了细胞质质基质与内膜系统:1．细胞质膜系统及其研究方法2．内质网3．高尔基复合体4．溶酶体5．细胞的分泌与内吞作用6．小泡运输的分子机理计划学时及安排本章计划6学时。
教学重点和难点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，将细胞内环境分割成许多功能不同的区室。
内膜系统是指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)等四类膜结合细胞器，因为它们的膜是相互流动的，处于动态平衡，在功能上也是相互协同的，其中包括膜运输系统。
本章是细胞生物学的重点章，包括六个方面的内容，其中内质网及信号肽假说、小泡运输的分子机理是本章的关键内容。
1．内质网是内膜系统中的重要膜结合细胞器，主要分清光面内质网和粗面内质网在功能上的差异。
对于粗面内质网，重点是信号肽假说和蛋白质转运的机制。
2．高尔基复合体是内膜系统中参与蛋白质加工与分选的细胞器，要求了解和掌握高尔基体参与细胞分泌活动的作用，即将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。
理解高尔基体在细胞内物质运输中所起的交通枢纽作用。
3．关于溶酶体，要求掌握溶酶体膜的稳定性、溶酶体的类型及特点、溶酶体的功能、溶酶体的生物发生。
4．细胞内蛋白质的分选是本章的核心内容之一，重点学习和掌握运输小泡的类型和分选信号、披网格蛋白小泡形成的机理、COP-被膜小泡形成的机理、小泡的定向运输、停靠和融合机理。
通过本章的学习要充分了解细胞内部结构的动态关系，蛋白质合成和分选的机制和“流水”作业的模式，从中获得启发。
教学方法讲授、讨论教学过程9．内膜系统与蛋白质分选和膜运输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■ 膜结合细胞器的种类和功能● 膜结合细胞器种类与数量(表)● 膜结合细胞器的功能（表）● 膜结合细胞器在细胞内的分布（图）■ 内膜系统的动态性质内膜系统的最大特点是动态性质(图),这就使内膜系统的结构处于一个动态平衡。
细胞生物学真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输
① 蛋白质的修饰、分选、包装、转运。 ② 充当阀门，保证单向运输。
4. 高尔基体周围的小泡
高尔基复合体的结构成分
高尔基复合体的功能
蛋白质加工
• 蛋白质的糖基化 • 蛋白质的酶解加工 • 其它
细胞分泌
蛋白质的糖基化：
糖基化的种类 糖基化的特征和生物学作用
糖基化的种类：
➢ 高尔基复合体（GC）
高尔基复合体的形态特征 高尔基体复合体的结构成分 高尔基复合体的功能
➢ 溶酶体（Lys）和过氧化物酶体
溶酶体的形态和结构特征 溶酶体的功能 溶酶体的生物发生 过氧化物酶体（微体）
§7.3 蛋白质的分选和细胞结构体系的组装
蛋白质的分选
➢ 蛋白质的分选及其种类 ➢ 蛋白质分选途径
膜蛋白的拓扑结构是如何形成的？
开始转移序列和停止转移序列的的数目决定了跨膜次数
导肽和翻译后转移
导肽
• 指导蛋白进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体。
翻译后转运
• 蛋白质在细胞质中完全合成后再进入线粒体、叶绿 体和过氧化物酶体。
• 特征：
在蛋白质跨膜转运和去折叠过程（需要Hsp70 的协助） 中需要消耗ATP。
细胞结构体系的组装
➢ 细胞质基质的涵义
在膜性细胞器外面的、由流体的细胞质构成的区域。
主要成分：
• 和细胞中间代谢相关的酶类 • 细胞骨架
主要特征：
• 高度有序性 • 由弱键维持的动态平衡
细胞质基质
➢ 细胞质基质的功能
蛋白质合成、降解和修饰
细胞中间代谢
诸如：糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等
网格蛋白包被小泡:
路径：
➢ 高尔基复合体反面管网→ 细胞膜、胞内体、溶酶体或液泡 ➢ 受体介导的内吞：质膜→内吞泡→胞内体→溶酶体
内膜系统与蛋白质分选-细胞生物学
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。
■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：①合成的蛋⽩质何时转运？②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。
细胞中各部位（包括细胞质）中的蛋⽩质都是来⾃胞质溶胶，不过内质以上的细胞器，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。
⽽从内质以下的各种细胞器，包括内质、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：①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；②有完全封闭的膜障碍，如线粒体、叶绿体、内质、⾼尔基体等；③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（transport 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。
细胞生物学 第7章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜
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 提供离子环境、提供底物、物质运输通路、细胞分化等
在基质中合成的蛋白质命运不同：
a、具N端信号肽的（分泌蛋白）合成后→内质网；
b、N端具导肽的分别被转送到各种细胞器（线粒体、叶绿 体、微体、细胞核等）中；
磷酸多萜醇
(3) 新生肽的折叠与组装
非还原性的内腔，易于二硫键形成；������
正确折叠涉及驻留蛋白：二硫键异构酶
（proteindisulfide isomerase，PDI）切断二硫 键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于 正确折叠的状态������
结合蛋白（Bindingprotein，Bip，chaperone）识
别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位， 并促进重新折叠与装配。
2. sER的功能
(1) 脂类的合成
(2) 肝的解毒作用：如肝细胞的细胞色素P450酶系； (3) 肝细胞葡萄糖的释放：使葡糖6-磷酸水解，释放 糖至血液中。 (4) 作为分泌蛋白的运输通路 (5) 储存钙离子：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞 质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中 (6) 参与甾体类激素的合成。
光镜下可见结构以外的部分 质
—→ 胞质溶胶
离心沉淀物以外部分
—→细胞质基质
可分辩结构以外的胶状物
Cytoplasmicmatrix：指除去能分辩的细胞器和颗粒以外的细胞质 部分，是一复杂的高度有组织的胶体系统。
主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质
骨架结构。
主要特点： 细胞质基质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。
细胞生物学 第七章 细胞内膜系统及蛋白质分选与泡膜运输
❖ 2、内质网的功能 （2）sER的功能 合成细胞所需的包括磷脂和胆固醇的绝大多数膜脂 ，
其中最主要的是卵磷脂。
两种例外：鞘磷脂和糖脂（ER开始→Golgi complex 完成）；
Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。 合成磷脂的三种酶：酰基转移酶、磷酸酶、磷酸转移
酶。定位于内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基 质侧。
第二节 细胞内膜系统及其功能
细胞内膜系统（ endomembrane system ） 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。 包括：内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、
分泌泡等
细胞内膜系统
❖ 一、内膜系统的研究方法 ❖ 1、电镜技术 ❖ 研究细胞内膜系统的超微结构 ❖ 2、免疫标记与放射自显影技术 ❖ 用于功能定位 ❖ 3、 生化分析 ❖ 组分分离与分析 ❖ 4、遗传突变分析 ❖ 膜泡运输与功能机制研究
N-连接蛋白质糖基的过程
新生肽的折新叠组生装肽：的折叠与组装
非还原性的内腔，易于二硫键形成；
◎正确折叠：蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）切断二硫键，帮助新合成的蛋白重 新形成二硫键并处于正确折叠的状态（蛋白质处于自 由能最低的状态）
◎ 结合蛋白（Binding protein，Bip，chaperone）： 识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促 进重新折叠与装配。
(chaperones) : that recognize and bind to unfolded or misfolded proteins and give them correct conformation; ❖ Protein disulfide isomerase ( PDI ) ; ❖ GT(glucosyl-transferase, monitoring enenzyme ) recognize unfolded or misfolded proteins and adds a glucose to the end of oligo..
第5章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输
21
糖原分解与游离葡萄糖
释放
➢ 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
光面内质网的功能
22
光面内质网的功能 解毒作用(detoxification)
27
粗面内质网的功能
新生多肽的折叠与装配
➢ 二硫键异构酶（protein disulfide isomerase ，PDI ：ER 驻留蛋白）催化新合成的蛋白形成和改组二硫键，形成正 确的折叠状态。
➢ 分子伴侣BiP（Binding protein ）识别错误折叠的蛋白或 未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。
➢ 水解 ➢ 糖基化 ➢ 硫酸化：蛋白聚糖
膜循环：内质网上合成的脂质一部分转移至高尔基体 后，经过修饰和加工，形成运输泡，向细胞膜和溶酶 体膜等部位运输。
36
高尔基体的主要功 能是将内质网合成 的多种蛋白质进行 加工、分类与包装， 然后分门别类地运 送到细胞特定的部 位或分泌到细胞外。 (见第三节)
37
2、高尔基体的功能
O-连接的糖基化
➢ O-连接的糖基化在高尔基体中进行，糖的供体为核苷 糖（半乳糖或N-乙酰半乳糖胺）。将糖链转移到多肽 链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上。
➢ 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。这些多肽一旦被识别，便从内质 网腔转至细胞质基质（通过Sec61p复合体），被蛋白酶体 （proteasomes－protein-degrading machine）所降解。 （see next）
第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输
◆扁平囊泡(sacuules)
◆小囊泡(vesicle) ◆大囊泡(vacuoles)
The Golgi Apparatus
培养的上皮细胞中高尔基体的分布 （高尔基体为红色，核为绿色）
高尔基体的形态结构
高尔基体的极性
◆高尔基内侧网络 (cis-Golgi network, CGN) 顺面、形成面 ◆中间潴泡 (medial cisternae) ◆高尔基外侧网络 (trans Golji network,TGN) 外侧面、成熟面
磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很 少含胆固醇。
ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔， 这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存
在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白
（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。
内质网的模式图
解毒作用
2+ Ca 离子浓度的调节作用
磷脂的合成
磷脂交换蛋白的作用
解毒作用
◆光面内质网含有丰富的氧化酶系统(如细 胞色素P450、NADH细胞色素C还原酶等)能 使许多有害物质解毒 ,转化为易于排出的 物质。
粗面内质网的功能 --信号肽与蛋白质运输
核糖体循环
?
二、ER的功能（RER）
第二节
细胞内膜系统及其功能
定义：指在结构、功能乃至发生上相互关联、由膜包被的 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。
功能：区隔化；增加内表面积，提高代谢和调节能力。 从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。 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。
细胞生物学总结(复习重点)——7.内膜系统、蛋白质分选、膜泡运输
1、细胞质基质：真核细胞的细胞质中除去细胞器和内含物以外的、较为均质半透明的液态胶状物称为细胞质基质或胞质溶胶。
4、内膜系统：细胞内在结构、功能乃至发生上相关的、由膜围绕的细胞器或细胞结构的统称，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡等。
2、微粒体：为了研究ER的功能，常需要分离ER膜，用离心分离的方法将组织或细胞匀浆，经低速离心去除核及线粒体后，再经超速离心，破碎ER的片段又封合为许多小囊泡（直径约为100nm），这就是微粒体。
3、糙面内质网：细胞质内有一些形状大小略不相同的小管、小囊连接成网状，集中在胞质中，故称为内质网。
内质网膜的外表面附有核糖体颗粒，则为糙面内质网，为蛋白质合成的部位。
核糖体附着的膜系多为扁囊单位成分，普遍存在于分泌蛋白质的细胞中，其数量随细胞而异，越是分泌旺盛的细胞中越多。
5、分子伴侣：细胞中，这类蛋白能识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽，并与多肽的一定部位相结合，帮助这些多肽的转移、折叠或组装，但其本身并不参与最终产物的形成。
6、溶酶体：溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中，是由单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类、形态不一、执行不同生理功能的囊泡状细胞器，主要功能是进行细胞内的消化作用，在维持细胞正常代谢活动及防御方面起重要作用。
7、残余小体：在正常情况下，被吞噬的物质在次级溶酶体内进行消化作用，消化完成，形成的小分子物质可通过膜上的载体蛋白转运至细胞质中，供细胞代谢用，不能消化的残渣仍留在溶酶体内，此时的溶酶体称为残余小体或三级溶酶体或后溶酶体。
残余小体有些可通过外排作用排出细胞，有些则积累在细胞内不被排出，如表皮细胞的老年斑、肝细胞的脂褐质。
8、蛋白质分选：细胞中绝大多数蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，随后或在细胞质基质中或转至糙面内质网上继续合成，然后，通过不同途径转运到细胞的特定部位并装配成结构与功能的复合体，参与细胞的生命活动的过程。
又称定向转运。
细胞生物学_10真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输结果
在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与 P、DP和微粒体的关系
细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号：
①信号序列：存在于蛋白质一级结上的线性序列，通常1560个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移 后被信号肽酶切除。 ②信号斑：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号 序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。 ③每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。
由内质网到高尔基体的蛋白转运中，大多数跨膜蛋白是直 接结合在COP II衣被上，但是少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋 白通过受体与COP II衣被结合，这些受体在完成转运后，通 过COP I衣被小泡返回内质网。
COP II衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构 域，形式多样。
COPⅡ小泡的装配需要一种称为Sar1的G蛋白的参与。 当Sar1中GDP与GTP进行了交换，诱导Sec23和Sec24蛋 白的结合，接着是Sec13和Sec31蛋白的结合，最后由一 种结合在ER表面的大蛋白质，Sec16与Sec23/Sec24复 合物、Sec13/Sec31复合物相互作用，装配成一个完整的 小泡。
四、细胞结构体系的组装
目前机理尚不清楚。 组装方式：自我组装、协助组装、直接组装。 组装具有重要的生物学意义： ⒈减少和校正蛋白质合成中出现的错误。 ⒉可大大减少所需的遗传物质信息量。 ⒊通过组装与去组装更容易调节与控制多种生物学过程。
分子伴侣：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结合，从 而帮助这些多肽转运、折叠或组装，这一类分子本身并 不参与最终产物的形成。
每种转运小泡都有特异的v-SNARE，能识 别并与靶膜上t-SNARE相互作用。通过vSNARE与t-SNARE两类蛋白间的互补性和相 互作用，决定供体膜泡在靶膜上的锚定与融合。
(细胞生物学(王金发版)章节总结)第九章 内膜系统与蛋白质分选和膜运输
第九章内膜系统与蛋白质分选和膜运输9.1内膜系统9.1.1内膜系统概述9.1.2内质网9.1.3高尔基体9.1.4溶酶体9.2细胞的分泌和内吞作用9.2.1细胞分泌过程9.2.2细胞内吞过程9.2.3膜泡运输机制9.3膜的生物发生9.3.1膜脂9.3.2膜整合蛋白和外周蛋白9.3.3脂锚定蛋白形成9.1内膜系统9.1.1内膜系统概述（1）内膜系统的组成内质网、高尔基体、溶酶体、细胞核、液泡。
功能上紧密联系，形成协调统一的整体。
（2）内膜系统的结构特点既相互独立，又相互间处于动态平衡状态。
通过三种途径：生化合成途径；分泌途径；内吞途径。
（3）内膜系统的重要功能—蛋白质分选蛋白质分选三种途径：核孔运输；跨膜运输；膜泡运输。
信号肽指导内膜系统蛋白质的运输，其对蛋白质没有特异性，对不同的膜结合细胞器具有特异性。
（4）内膜系统的进化与生物学意义原因：遗传信息量增大；细胞体积增大；表面积与体积比下降；物质代谢速度受限。
途径：内共生途径；质膜内陷。
生物学意义：形成了特定的功能区域与微环境，有不同的物质浓度及代谢系统，合理利用了资源，工作效率上升；通过各种活动，形成统一整体。
（5）内膜系统的研究方法放射性自显影；差速离心分离与功能分析；突变技术；绿色荧光蛋白定位法。
9.1.2内质网（1）结构与组成平行扁平囊泡（粗面内质网）或管状囊泡（光面内质网）组成。
粗面内质网可与核膜、质膜结构连续，外表面称为胞质溶胶面，内表面为潴泡面。
标志酶为葡萄糖-6-磷酸酶。
（2）功能①光面内质网糖原分解释放葡萄糖；类固醇激素的合成；脂的合成与转运；解毒作用（P450）；钙库。
②粗面内质网膜结合核糖体的蛋白质运输：信号假说。
信号序列，SRP识别信号肽、停止翻译、识别停靠蛋白，停靠蛋白，蛋白质运输通道，袢环状过膜。
起始转移信号（信号序列及内部信号序列）与蛋白质运输通道受体位点结合，停止转运信号和内部信号序列决定穿膜次数。
信号序列被信号肽酶切除，内部信号序列保留。
真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输 复
• 1954年,Palade和Porter等,证实内质网是由膜围绕的囊泡 所组成。
• 2.内质网形态结构和发生
•
封闭管状或扁平囊状膜系统及其
包被的腔，形成互相沟通的三维网络
• 依赖于泛素的26S蛋白酶体(proteosome)：
•
结构：一个筒状20S催化核心(core，14种多肽，28个亚
基)，两端各一个19S调节部分(cap，15个亚基)。
•
含量：占细胞蛋白总量1％。
•
存在：细胞质基质和细胞核。
• 蛋白质的泛素化过程
• 蛋白质的泛素化过程：三步
• ATP供能，泛素C端与非特异性 泛素活化酶E1的Cys共价结合， 形成E1-泛素复合物。
结构。
•
一端通过与核膜联系，另一端沿 大小通常占细胞膜
微管向外延伸。
系统一半，体积占细胞
• 结构稳定性：细胞周期内，经历解体 总体积10％以上。
与重建，变化复杂；不同类型细胞、
同一细胞在不同发育阶段和生理状态，
其结构也有明显变化。
• 发生：可能起源于细胞质膜，与核膜 同源；自我组装，rER合成膜蛋白、s ER合成膜脂。
•
GroEL-GroES分子伴侣系统对于新合成蛋白的折叠是
非常重要的。这两种蛋白质组成了一个由两个穴（GroEL）
和一个盖子（GroES）组成的圆柱，底物进入这个圆柱，
进行折叠，然后释放。
第二节细胞内膜系统及其功能
• 细胞内膜系统(endomembrane system)的研究方法：电镜
技术(超微结构)；免疫标记和放射自显影技术(功能定位)；
真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输
真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输
细胞质基质的涵义与功能 细胞内膜系统及其功能 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输
一、细胞质基质的概念
在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。细 胞质基质是细胞的重要的组分，其体积占细胞质的一半。
主要成分： 中间代谢有关的数干种酶类，细胞质骨架结构，糖原、脂滴
酶、抗体、多肽类激素等。以分泌泡的形式通过胞吐作用 输送到细胞外。 • 膜的整合蛋白
质膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜上的膜蛋白。
3.1.1 蛋白质合成是糙面内质网的主要功能
• 构成内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白 内质网、高尔基复合体、溶酶体、胞内体、小泡和植物液
泡
蛋白质合成
其它的蛋白质是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的： (a)细胞质基质中的驻留蛋白,如糖酵解酶和细胞骨架蛋白。 (b)质膜内表面的外周蛋白, 如血影蛋白和锚蛋白。 (c)核输入蛋白。 (d)将掺入到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体中的蛋白。
在ER腔面，寡糖链连接在插入膜内的磷酸多萜醇上。当与糖基 化有关的氨基酸残基出现后，通过位于膜上的糖基转移酶的作用 下，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬酰胺残基上。
糖基化的类型与发生部位
N—连接的糖基化：发生在内质网中 （天冬酰胺残基Asn）+（N—乙酰葡糖胺） O—连接的糖基化：发生在高尔基中 （丝氨酸/苏氨酸 or羟赖氨酸/羟脯氨酸）+（N—乙酰半乳糖胺）
网常为分支管状、形成较为复杂的立体结构。 主要功能：是脂质合成的重要场所。所占的区域通常较小
，往往作为出芽的位点，将内质网上合成的蛋白质或脂质转 移到高尔基体内。
3.1 RER的功能
第九章 内膜系统与蛋白质分选和膜运输
第九章内膜系统与蛋白质分选和膜运输1. 如何理解膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的?答: 从功能上看, 细胞内膜结合细胞器的分布是功能越重要越靠近中央; 从层次看, 上游的靠内, 下游的靠外。
如细胞核位于细胞的中央,它是细胞中最重要的细胞器,有两层膜结构。
细胞核的外膜与内质网的膜是联系在一起的, 细胞核的外膜是粗面内质网的一部分。
粗面内质网的功能是参与蛋白质合成, 其作用仅次于细胞核, 所以内质网位于细胞核的外侧。
高尔基体在内质网的外侧,接受来自内质网的蛋白质和脂肪,然后对它们进行修饰和分选,它所完成的是内质网的下游工作。
溶酶体是含有水解酶的囊泡,它是由高尔基体分泌而来。
内体是由内吞作用产生的具有分选作用的细胞器,它能向溶酶体传递从细胞外摄取的物质, 这种细胞器一般位于细胞质的外侧。
另外还有线粒体、过氧化物酶体等分布在细胞的不同部位。
如果是植物细胞还有叶绿体和中央大液泡, 它们是按功能定位。
2. 内膜系统的动态特性是如何形成的?答: 造成内膜系统的动态特性主要是由细胞中三种不同的生化活动引起的: ①蛋白质和脂的合成活动: 在动物细胞中主要涉及分泌性蛋白的合成和脂的合成和加工。
脂的合成在光面内质网,而分泌蛋白的合成起始于粗面内质网,完成于高尔基体。
②分泌活动: ③内吞活动(endocytosis pathway),是分泌的相反过程, 细胞将细胞外的物质吞进内体和溶酶体。
3. 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?答: 至少有六方面的意义: ①首先是内膜系统中各细胞器膜结构的合成和装配是统一进行的，这不仅提高了合成的效率，更重要的是保证了膜结构的一致性，特别是保证了膜蛋白在这些膜结构中方向的一致性。
②内膜系统在细胞内形成了一些特定的功能区域和微环境，如酶系统的隔离与衔接, 细胞内不同区域形成pH值差异, 离子浓度的维持, 扩散屏障和膜电位的建立等等，以便在蛋白质、脂类、糖类的合成代谢、加工修饰、浓缩过程中完成其特定的功能。
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七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选和膜泡运输名词解释1、胞内体endosome动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是转运由胞吞作用新摄取的物质到溶酶体被降解。
胞内体被认为是胞吞物质的主要分选站。
2、胞吐作用exocytosis携带有内容物的膜泡与质膜融合，将内容物释放到胞外的过程。
3、胞吞作用endocytosis通过质膜内陷形成膜泡，将细胞外或细胞质膜表面的物质包裹到膜泡内并转运到细胞内（胞饮和吞噬作用）4、糙面内质网rough endoplasmic reticulum，RER附着有核糖体的内质网。
糙面内质网由许多扁平膜囊组成，主要功能包括合成分泌性蛋白质、溶酶体蛋白、膜整合蛋白以及膜脂分子。
5、蛋白质分选protein sorting依靠蛋白质自身信号序列，从蛋白质起始合成部位转运至其功能发挥部位的过程。
蛋白质分选不仅保证了蛋白质的正确定位，也保证了蛋白质的生物学活性。
6、反面高尔基体管网状结构trans Golgi network，TGN处于高尔基体反面的管网状结构，主要功能是负责对蛋白质进行分选，并定向将蛋白质转运到胞内或胞外的最终位置。
7、分泌途径secretory pathway经内质网、高尔基体到细胞表面、溶酶体或植物细胞液泡等的物质分泌路径。
其中涉及分泌物的合成、修饰和分泌物外排等过程。
该过程包括组成型分泌和可调控型分泌。
8、分子伴侣chaperone/molecular chaperone一种与其他多肽或蛋白质结合的蛋白质，以防止蛋白质错误折叠、变性或聚集沉淀，对蛋白质的正确折叠、组装以及跨膜转运有意义。
9、甘露糖-6-磷酸mannose-6-phosphate，M6P溶酶体酶的寡糖链甘露糖残基被磷酸化形成的一个分选标记。
10、高尔基复合体Golgi complex一种由管网结构和多个膜囊组成的极性细胞器，主要功能是对ER 转运来的脂分子及蛋白质进行加工、修饰以及分选。
9内膜系统与蛋白质分选和膜运输中山大学研究生入学考试细胞生物学真题各章节专项整理
D. 来自顺面高尔基体的蛋白质比来自反面高尔基体的蛋白质短35. （）转运内吞是一种特殊的内吞作用，受体和配体在内吞过程中并未作任何处理，只是从一个部位转运到另一个部位。
（99年）36. ()膜脂是在内质网上合成的，它的运送也是靠小泡运输的方式完成的.(00年)50. （）所有的细胞都含有糙面和滑面内质网。
（06年）51. （）所有进入早期内体的分子都毫无例外地进入后期内体，在那里与新合成的酸性水解酶会和并最终在溶酶体中被水解。
（09年）52. （）溶酶体的膜含有蛋白质泵，可用ATP水解释放的能量将质子泵出溶酶体，从而维持了溶酶体腔的低pH。
（09年）59. 导肽引导的蛋白质运输没有特异性（99年）60. 核定位信号和分泌蛋白的运输机理是不同的，请设想能否利用分泌蛋白的运输机制来运输核定位蛋白？反之亦然（00年）61. 溶酶体是如何发生的？其基本功能是什么？（01年）62. 胰岛素在胰腺的胰岛细胞合成时，首先得到的是它的前体胰岛素原；然后由一种酶催化水解切除一段短肽形成成熟胰岛素•你的实验室有胰岛素原抗体和胰岛素的抗体•两种抗体都能与电子密度大的金粒子形成复合物，可以在电子显微镜下看到它们作为一些黑点，你可以用两种抗体分别处理一个胰组织样品的薄切片，然后在电子显微镜下观察•下表的+号表示有黑点出现的地方：（01年）请问：①胰岛素原的水解反应在哪里进行？②如果你用抗网格蛋白的抗体处理第三个样品。
如果会发生的话，表中的哪种小泡对网格蛋白会出现阳性结果？63. 请设计一个离体实验证明SRP和SRP受体的功能。
（02年）68. 如果用碱性物质（如氨或氯喹）处理细胞，将会使细胞器中pH升高接近中性。
请预测此时M6P受体蛋白位于何种细胞器质膜中，原因是什么？（09年）69. 假定您已经获得多个工程基因，每一个都能编码一个蛋白质，但具有相互冲突的两种定位信号。
如果将这些基因在细胞中表达，请推测各种蛋白质在细胞中最终去向。
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同位素示踪实验
A.无微粒体
蛋白质定位细胞器的运输方式
◆核孔运输
◆跨膜运输
◆小泡运输
信号序列
◆ 决定蛋白质的正确运输方向，通
常为 15-80 个氨基酸，位于新生
肽的N端。 ◆信号序列指导蛋白质运输和定位 对蛋白质没有特异性。 ●不同细胞器具有不同的定位信号 ▲入核信号 ▲引导肽 ▲信号肽
信号序列 在蛋白质定位中的作用
◆蛋白质的两种运输方式
●翻译后转运(post-tranlational translocation)
在游离核糖体上进行蛋白质合成，完成后转运到胞质 溶胶、核、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体。
●共翻译转运(co-translational translocation)
在游离核糖体开始蛋白质合成，中止并转运到内质网
上形成膜旁核糖体继续合成，最终转运至内质网、
B.加微粒体
无微粒体体系合成蛋白
蛋白质入RER实验
◆信号肽的证实
G.Blobel 等用核糖体、微粒体无细胞 蛋白合成体系进行离体实验证实了 信号肽的存在:
●RER小泡对产物的影响 ●蛋白水解酶实验 ●多聚核糖体的离体翻译
R E R 小 泡 实 验
蛋 白 水 解 酶 水 解 实 验
多聚核糖体离体 翻译实验
◆对策:细胞内部结构区域化
◆途径：
●细胞质膜内陷途径
●内共生途径
真核细胞的进化
内膜系统的生物学意义
特定的功能区域和微环境 ●合理使用资源、分工明确 ●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” ●特殊酶类的安全性 表面积/体积提高 ●提高了反应效率
9.2 蛋白质分选和内质网
H2O的光解 NADP+ 类囊体/基质 CF0-CF1 ATP合酶 3个
2
信号合成？
线粒体蛋 白定位？
3
CHAPTER 9
内膜系统与蛋白质 分选和膜运输
OUTLINE
9.1 核糖体和蛋白质合成 9.2 内膜系统简介 9.2 内质网和蛋白质分选 9.3 高尔基体和蛋白质加工 9.4 溶酶体 9.5 细胞分泌与内吞作用 9.6 小泡运输的分子机制
◆蛋白质转运通道——易位子( translocon)
●易位子是分泌蛋白质的跨膜通道，高5～6 nm，
直径为 8.5 nm, 中央孔径为 2 nm
●哺乳动物细胞中有三种类型的Sec61, 即α、β和γ ●Sec61α有10个跨膜α螺旋
补 充 的 信 号 假 说
1. ER蛋白质在游离核糖体起始合成； 2. 信号肽与SRP结合，蛋白合成中止； 3. SRP和DP介导核糖体附着到ER上； 4. SRP释放，蛋白质转运通道的打开； 5. 信号肽引导蛋白质进入ER，合成重新开始； 6. 信号肽酶切除信号肽； 7. 蛋白质合成结束。
6
核糖体的化学组成
7
核糖体的装配
核糖体是一种自我组装的结构。 原核生物核糖体亚基的装配在细胞质；真核
生物核糖体亚基的装配地点在细胞核核仁部位。
rRNA和蛋白质的装配关系:
组成核糖体的蛋白质和 rRNA 在大小亚基中 均有一定的空间排布和先后顺序。
8
核糖体的合成与装配
核仁 细胞核 细胞质
9
核糖体的功能——蛋白质合成
体外实验证明SRP和DP的作用
跨膜信号与膜蛋白的定向
◆单次跨膜蛋白
●起始转移信号(start transfer signal)
可切割的信号序列 (N-端) ●内部信号序列(internal signal sequence) 不可切割 ●终止转移序列(stop transfer sequence)
具有膜结构的细胞器，细胞核、线粒体、叶绿体、
过氧化物酶体、内膜系统
◆内膜系统(endomembrane system)
指内质网、高尔基体、溶酶体、液泡和细胞核5
类膜结合细胞器，它们的膜是相互流动的，处
于动态平衡，功能上也相互协同。
内膜系统
内膜系统的种类和功能
细胞核：产生mRNA 内质网：蛋白质合成 高尔基体：蛋白质加工 溶酶体：蛋白质分解 分泌泡和内体：与质膜关联，参与分泌和内吞
高尔基体、溶酶体、分泌蛋白和膜蛋白。
26
核糖 体蛋 白质 翻译 后的 运输 方式
27
线粒体和叶绿体前导肽介导的蛋白转运
●前导肽通常长约 20-80 个氨基酸，通常带 正电荷的碱性氨基酸 (特别是精氨酸和赖氨 酸)含量较为丰富; ●有形成两性(既亲水又疏水)α螺旋的倾向。 ●需要受体、从接触点进入、解折叠、能量、 需要转运肽酶、需要分子伴侣。 ●不同的前导肽没有序列同源性。
36
信号肽的特性
◆序列特征
15-35个氨基酸残基，1个或多个带正电氨
基酸，其中含有4-12个疏水残基。
◆信号序列无特异性:
◆位置: ●N-端信号肽 ●内部信号肽
早期信号假说(signal hypothesis)
1975年，Blobel等正式提出了信号假说: ◆合成始于游离核糖体;
◆N端信号序列靠自由碰撞与内质网膜接触，然 后靠N端信号序列的疏水区插入内质网的膜;
核酶
具有催化活性的
RNA。与蛋白质 酶相比，核酶的
催化效率较低，
是一种较为原始 的催化酶。
13
反义RNA
◆反义RNA：是指与mRNA互补的RNA分子。 可控制mRNA的翻译，一种基因表达调控方式。
14
9.2 内膜系统
内膜系统与膜结合细胞器
◆膜结合细胞器(membrane-bounded organelles)
◆二次与多次跨膜蛋白 多次跨膜有多次跨膜信号与多个终止 信号。蛋白跨膜的次数是由其内部信号 序列和终止转移信号序列的数目决定的。
多个起始与终止跨膜信号
28
线粒体基质蛋白转运
（单个前导肽）
29
线粒体内/外膜蛋白的转运
（单个前导肽，停止转运序列）
与Tim（内膜转运酶）结合就成为内膜蛋白 与Tom（外膜转运酶）结合就成为外膜蛋白
30
线粒体膜间隙蛋白的转运
（单个前导肽，停止转运序列）
31
糙面内质网的功能 --信号肽与蛋白质运输
信号序列(signal sequence) ◆研究过程
叶绿体与线粒体结构和功能的比较
结构区室的差别 功能 氧化磷酸化和光合磷酸化
ATP合成酶
电子传递链
氧化磷酸化
光合磷酸化
细胞器部位
电子供体 电子受体 H+质子浓度差 偶联因子 产生1个ATP 需要的H+
线粒体内膜
NADH或FADH2 ½ O2 膜间间隙/基质 F0-F1 ATP合酶 2个
类囊体膜
●一条300bp的7S RNA (scRNA)。
●六条多肽
信号肽识别结合位点
◆三个功能域:
▲翻译暂停结构域 ▲信号肽识别结合位点 ▲SRP受体蛋白结合位点
SRP受体蛋白结合位点 翻译暂停结构域
◆停靠蛋白（Docking protein, DP）
●是SRP在内质网膜上的受体蛋白
●两个亚基:亲水的α亚基, 疏水的β亚基
◆蛋白质继续合成，以袢环形式穿过内质网的膜; ◆蛋白的存在方式:
？
？
●若是分泌蛋白，信号肽被信号肽酶切除， 其余完全进入腔； ●若是膜蛋白，停止转移信号锚定在膜上。
信号假说的补充 ——信号识别颗粒与停靠蛋白
◆信号识别颗粒（signal recognition particle, SRP） ●SRP 核糖核蛋白复合体。
17
内膜系统的动态性质
◆独立性 ●内膜封闭的区室 ●执行独立的功能 ◆动态性质(穿梭小泡)
●Biosynthetic pathway
●Secretory pathway ●Endocytic pathway
膜结合细胞器的进化
◆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
9.1 核糖体和蛋白质合成
◆核糖体(ribosome)是细胞内一种核糖核蛋白颗粒是
细胞内合成蛋白质的细胞器。
◆核糖体的主要成分是核糖体RNA(rRNA), 占60%,
蛋白质(r蛋白质), 占40%。
真核细胞由60S大亚基和40S小亚基组成；
原核细胞由50S大亚基和30S小亚基组成；
细胞质中的核糖体有两种存在状态∶ ●游离核糖体(free ribosome)； ●膜旁核糖体(membranous ribosomes)。
A位点：氨酰tRNA结合位点；
P位点：肽酰tRNA结合位点；
E位点：脱氨酰tRNA结合位点；
mRNA结合位点：SD序列。
10
多聚核糖体
在蛋白质合成过程 中，同一条mRNA
分子能够同多个核
糖体结合，同时合 成若干条蛋白质多 肽链。
11
蛋白质的寿命和蛋白质降解
N端规则 蛋白酶体对蛋白质的降解
12