细胞生物学 第五章 细胞的内膜系统

（三）rER与脂类及蛋白的运输
• 参与脂类代谢 参与脂类合成，合成的量与sER可能有差异
• 过渡型内质网无核糖体的一面以芽生方式生出 运输小泡，将ER合成的分泌蛋白、可溶性蛋
白、膜蛋白、膜脂运送到靶部位
新生的膜脂和膜蛋白
芽生小泡 与靶膜融合
靶细胞器 或分泌到细胞外
芽生小泡
与ER分离
运输小泡
经G
ER驻留蛋白（resident proteins）
在C-端有4个aa（Lys-Asp-Glu-Leu，即赖-天冬谷-亮）的ER滞留信号肽（KDEL），使该蛋白质 最终留在ER内。作为催化剂，帮助许多进入ER的 蛋白质正确的折叠和装配。
• 免疫球蛋白重链结合蛋白（Bip）：
阻止蛋白质聚集或发生不可逆变形，协助蛋白质折叠
大部分在rER合成的蛋白通过N-连接寡糖糖基化
• ER的主要功能之一就是将糖共价连接到蛋白
• 寡糖前体 (由 N-乙酰葡萄糖胺，甘露糖, 和葡萄糖 组成，共含有 14个糖) ，转移到蛋白的天冬酰胺侧百度文库链-NH2基团，即N-连接或者是天冬酰胺连接
• 催化该反应的酶：寡糖基转移酶，是一种膜结合酶， 其活性位点暴露在内质网的腔面。
Free ribosome (游离核糖体)
Attached ribosome (附着核糖体)
研究ER的材料
微粒体（microsome）： 梯度超速离心， ER断裂形成的封闭小泡
• Rough microsome • smooth microsome
微粒体的形成
rER分布特点
• 可占整个细胞的膜成分一半以上 • 与细胞类型、生理状态、分化程度密切相
脂类代谢
• 如小肠中， 脂肪酸、草酸甘油等 →甘油三酯 →与
磷脂、固醇、蛋白质结合 →乳糜颗粒 → 高 尔基复合体 →细胞侧面进入淋巴管
磷脂酰胆碱的合成 • 乙酰转移酶催化2分子脂肪酸连续加到磷酸
甘油，产生 磷脂酸 (非水溶性)
• 磷脂酶去除磷脂酸上的1分子磷酸基团生成 二脂酰甘油脂
第五章 细胞的内膜系统与囊泡转运
Internal membrane system and vesicular transport
一、内质网 二、高尔基复合体 三、溶酶体 四、过氧化物酶体 五、囊泡转运
真核细胞（eucaryotic cells）基本结构
• 细胞膜（plasma membrane） • 细胞核(nucleus) • 细胞质 (cytoplasm)
• 信号识别颗粒（signal recognition particle， SRP)
6条多肽链亚单位和一个7S的RNA分子组成， 能识别并结合信号肽
SRP结构模式图
• SRP受体/停泊蛋白(dorking protein )：
位于rER膜上
• 移位子 内质网移位子蛋白通道与蛋白转运有关
• 核糖体连接蛋白（ribophorin) ：
Internal membrane system
溶酶体 过氧化物酶体 高尔基体
粗面内质网 细胞核
第一节 内质网 (Endoplasmic Reticulum, ER)
• 1897年，C.Garnier用光镜观察唾液腺和胰腺细胞 时发现丝条状形态结构的嗜碱性特化区域，丝条 状结构随细胞生理或活动状态而改变，称动质
关，可作为细胞分化程度和功能状态的指 标，如
胰腺外分泌细胞分泌旺盛时与分泌静止活动期 相应成熟细胞与未分化或未成熟细胞 分化程度高的细胞与分化程度低的细胞
rER的解聚和脱粒
细胞中毒时， • 膜上的多聚核糖体解聚为单个，并失去正
常而有规律的排列，该现象称为解聚； • 进而脱离内质网膜，称为脱粒。
三、ER的化学组成
• 译后转运（post-translational translocation） 多肽链翻译完成后被转运进入内质网腔
新生肽进入ER腔
ER中与新生肽进入以及折叠有关的蛋白
网质蛋白：
在内质网内对蛋白质进行折叠和转运的蛋白质。 如结合蛋白、葡萄糖调节蛋白94、蛋白二硫键异 构酶、钙网蛋白和钙连蛋白等。
粗面内质网
滑面内质网
• 两种类型的内质网在不同组织细胞中的分布状况 各不相同 皆为粗面内质网，或全为滑面内质网，还可 以不同比例共同存在细胞中
• 过渡型内质网(transitional elements) ER膜一半有核糖体附着，另一半没有核糖体附
着，常在此形成运输小泡
rER电镜超微结构图
(ER腔)
• 大多数蛋白的转入内质网腔与蛋白的翻译同步，所 以，N-连接的寡糖总是在蛋白质合成过程中加入
• 寡糖前体先由一种特殊的脂类分子：多萜醇 dolichol连接
• 当新生肽转移进内质网腔过程中一旦出现天冬酰 胺，寡糖通过一个酶促反应转移到天冬酰胺上
O-连接寡糖
• 发生在高尔基体内
• 发生在丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基侧链上的OH上
• 1945年，K.R.Porter用电镜观察动质发现是些小 管、小泡相互吻合的网状结构，易名为内质网
• 1954年，内质网被证实是膜性囊泡构成的细胞器 • 20世纪60年代以后，对内质网的形态结构和功能
有了全面的了解
一、内质网的基本形态 • 小管（tubules) Φ50～100nm • 小泡 (vesicles ) • 扁囊 (lamina)
只位于rER膜上， 有I、II两型，与核糖体大 亚基结合
信号假说要点
• 信号肽的生成 分泌蛋白mRNA起始密码后的信号密码被翻
译成信号肽 • SRP-信号肽→SRP-核糖体复合物
SRP占据核糖体大亚基A位, 蛋白质合成暂停 • SRP-SRP受体(在ER膜上) 结合
大亚基-ribophorin →核糖体与rER膜结合 • SRP/SRP受体分离， SRP回到细胞质基质，进入
SRP循环，暂停状态的肽链重新开始合成，新生 肽链尾随信号肽 进入内质网腔
翻译完成后
信号肽被信号肽酶(rER膜腔面)降解，临时通 道关闭，核糖体/ER，大小亚基分离，重新进入 “核糖体循环”
信号肽假说图示
肽链进入内质网腔
• 协同转运翻译（co-translational translocation） 多肽链的翻译以及进入内质网腔同时进行
• 蛋白质
占2/3，含量比细胞膜丰富，含有大量的酶 （30～40种），细胞色素P450，多种合成酶，各 种网质蛋白（内质蛋白、网钙蛋白等） 标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶
• 脂类：
占1/3，磷脂、中性脂、缩醛脂、神经节苷 脂。（磷脂含量最多）
内质网膜磷脂含量
• 磷脂酰胆碱 • 磷脂酰乙醇胺 • 磷脂酰丝氨酸 • 磷脂酰肌醇 • 鞘磷脂
蛋白二硫键异构酶 (PDI ) 催化胱氨酸游离巯基 （ –SH）的氧化，形成二硫键(S-S)
葡萄糖调节蛋白94（Grp94）
• 又称内质蛋白，是内质网的标志分子伴侣 • 受蛋白激酶激活 • 参与新生肽链的折叠和转运 • 与c-myc癌基因相关 • 在高侵袭力的癌细胞表达增多
内质网参与合成的两类蛋白 （1）内源性蛋白
▪ 连接成网状膜系统 ▪ 膜厚约5-6nm，围成内质网腔(ER lumen) ▪ 合成蛋白质和脂类
LLaammininaa
vesicles
rER的扁囊、小管、小泡
• 鼠肝细胞 扁囊状粗面内质网，叠层排列
• 睾丸间质细胞 众多小管或小泡，呈网状结构
• 横纹肌细胞 连成网状分布于肌原纤维之间，称肌质网
溶酶体蛋白等 • 信号假说 1975年 Blobel & Doberstein
提出
信号假说中的几个名词概念
• 信号密码（signal codon） mRNA5 ’端编码特殊氨基酸序列的密码子
• 信号肽（signal peptide)：
由信号密码翻译的一段多肽链，约由18-30个 疏水氨基酸组成，能引导“游离”的核糖体与ER 膜结合
细胞器(organelles) 细胞质基质（cytoplasmic matrix / cytosol ） 内含物(inclusions) ：一些有形成分， 如糖原
真 核 细 胞 结 构 模 式 图
细胞器
• 非膜结构细胞器: 核糖体、中心体、细胞骨架
• 膜性结构细胞器: 线粒体/叶绿体、内质网、高尔基复合
直接形成 （情况很少）
浓缩泡
与膜融合
排到细胞外
线粒体和过氧化物酶体的蛋白质和脂类补充
• 蛋白质由细胞质基质直接输入； • 膜脂通过磷脂交换蛋白（一种可溶性载体
蛋白）来实现输入
滑面内质网：一种多功能的细胞器
• 与脂类的代谢 • 与类固醇激素的生成 • 与糖原代谢 • 与横纹肌的收缩 • 解毒作用 • 其它
• 卵细胞和胚胎细胞 含量少，随发育与分化内质网增加，结构逐
步复杂化
荧光抗体显示的ER显微图像
A cultured mammalian cell
A living plant cell
横纹肌上的肌质网
rER & sER模式图
rER sER
附着 核糖体 (attached Ribosome)
二、 ER分类 • 粗面内质网（rough endoplasmic reticulum, rER）
膜的外表面附着核糖体（胰腺细胞），与外输性 蛋白和多种膜蛋白的合成有关
（游离核糖体主要合成细胞本身所需的结合蛋白质 和某些特殊蛋白质）
• 滑面内质网（smooth endoplasmic reticulum, sER）
膜的外表光滑，无核糖体附着（肝细胞），具有 脂质合成、糖原代谢、解毒等多种功能
在肝细胞，通过葡萄糖-6-磷酸酶（标志 酶）将葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖
特点：自始至终都是在游离核糖体上进行的。 种类及去向： ①非定位分布的胞质溶质驻留蛋白 ②定位性分布的胞质溶质蛋白 ③合成后通过核孔复合体输送转运并定位于细 胞核中的核蛋白 ④ 线粒体、质体等半自主性细胞器所必需的 核基因组编码蛋白
（2）外输性蛋白
特点： 合成起始后，随同核糖体一起转移附着于糙面内质
55％ 20％～25％ 5％～10％ 5％～10％ 4％～7％
• 磷脂酰胆碱（卵磷脂）丰富 • 鞘磷脂含量很少
膜流动性大
四、 rER功能
主要功能： • 参与蛋白质合成 激素、膜蛋白、驻留蛋白等 • 蛋白质的糖基化 N-连接（天冬酰胺的氨基） • 运输蛋白质和脂类
（一）参与蛋白质合成
• 核糖体如何结合到内质网膜上？ 游离核糖体：主要合成细胞自身所需的蛋白 附着核糖体：主要合成分泌蛋白、膜蛋白、
过程 糖与蛋白的2种连接方式： • N-连接
主要发生在ER腔，寡糖链与天冬酰胺侧链-NH2 连接 • O-连接
发生在高尔基复合体
蛋白质N-连接寡糖的过程
➢ 寡糖与ER膜上的一种脂质分子多萜醇连接而 活化
➢ 在糖基转移酶的作用下，转移到天冬酰胺 （Asn）残基上
• 糖基转移酶活性部位只存在于ER膜腔，游离 核糖体合成的蛋白质不能进入ER腔，故不能 糖基化
• 钙连蛋白
Bip是ER的驻留蛋白，能和折叠不正常的肽链结合， 并予以滞留，待折叠成正确的蛋白质后才被转运。
• 蛋白二硫键异构酶（PDI）：
蛋白二硫键异构酶，催化 – Cys – SH 生成 –S-S- ， 完成合成蛋白的修饰
• 内质蛋白
即葡萄糖调节蛋白94
• 钙网蛋白 有钙离子结合位点，协助蛋白质折叠和加工
网上而得以为继并最终完成 种类及去向： ①膜整合蛋白： 插入到内质网膜，随着功能结构 的转换进入内膜系统各个区域以及细胞膜中 ②可溶性驻留蛋白：最终定位于RER、SER、高 尔基复合体、溶酶体等细胞器中 ③分泌蛋白：通过出胞作用转运到细胞外
（二）rER与蛋白质的糖基化
蛋白质的糖基化 （glycosylation）： 单糖或低聚糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的
胃底腺壁细胞sER与盐酸分泌、渗透压 肝细胞与胆汁的生成
1.脂类合成的主要部位：合成磷脂与胆固醇
• 原料：来自细胞质基质 • 脂类合成酶：位于脂质双层，活性部位都
朝向细胞质基质面，新合成的磷脂也位于 此 • 磷脂转位蛋白 (转位酶) ：位于ER膜的细胞 质基质面，协助磷脂分子翻转, 使脂双层的 磷脂分子达到平衡
体、溶酶体、过氧化物酶体、核膜等
细胞的内膜系统(internal membrane system)
• 内膜系统：
细胞内结构、功能及发生上密切相关的膜性 结构细胞器通称为内膜系统，主要包括内质网、 高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体和核膜等 膜性结构。
• 内膜系统形成的意义：
区室化Compartmentaliztion 分隔式区域，互不干扰地执行特定的功能， 提高细胞的代谢效率