第六章 真核细胞内膜系统
第六章内膜系统
血型糖蛋白：
N-连接糖基化
O-连接糖基化
内质网的N-连接糖基化：
寡糖组成（约14个）：N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖 活化：多萜醇 连接部位：Asn-X-Ser/Thr
内质网的羟基化：
（3）蛋白质的折叠与装配：
分子伴侣（molecular chaperon）： 内质网腔的一类可溶性驻留蛋 白，能识别正在合成的或一部 分折叠的多肽并与之结合，辅 助其正确折叠，其本身并不参 与最终产物的形成。
（Endoplasmic Reticulum，ER）
ER约占细胞整 个膜成分的1/2
由一层单位膜包裹形成的相互连通的囊状、泡状和管状结 构，它们形成一个连续的封闭网膜系统。
内质网内容：
内质网化学组成
粗面内质网的功能
滑面内质网的功能
内质网的来源
1、内质网的化学组成
微粒体（microsome）：细胞匀浆后，内质网破裂，由内质网 膜围成的封闭小泡结构，仍具有内质网的基本特征
细胞膜 内质网 高尔基复合体 细胞核 线粒体 溶酶体 过氧化氢体
膜相结构
功能：
形成功能独立的区域性房室化
增加内表面积，提高代谢和调节能力
【目的要求】
掌握内膜系统各成员的功能 掌握信号肽假说的内容 掌握跨膜蛋白的膜转移机制 掌握N-连接、O-连接糖基化区别 掌握溶酶体发生过程 了解溶酶体膜的特性
糖原贮积症-Ⅰ型
葡萄糖-1-磷酸
缺乏葡萄糖-6-磷酸酶
葡萄糖-6-磷酸酶
糖原
葡萄糖-6-磷酸
葡萄糖
遗传方式：AR 发病率：1/200,000
基因：17q21，5外显子、4内含子
肝肿大
低血糖，发育不良、消瘦，身体矮小
05-2-内膜系统-内质网
第六章细胞内膜系统同学们好！每个细胞都拥有一个缤纷多彩的生命世界。
上一讲我们谈到细胞质基质的网络结构和水溶胶状态，为细胞的生命活动提供了良好的微环境。
同时也提到，在细胞质基质中分布着多种多样的细胞器和亚细胞结构，那么，这些细胞器都有哪些呢？今天我们所要讨论的主题“内膜系统(endomembrane system)”，就是其中主要的一类细胞器和细胞结构。
所谓内膜是针对细胞表面的细胞膜而言的。
而内膜系统，指的是真核细胞内所物有的、在功能上连续的、由膜形成的细胞器或结构。
其中包括细胞组分中的核被膜、核孔、内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化酶体、囊泡和液泡等。
其主要功能是执行细胞内生物合成这一重要的生命活动，同时还完成对这些物质的加工、分选、包装和运输，它是机体完成新陈代谢的重要结构基础之一。
我们可以把内膜系统比作细胞内部社会的物质生产和物流系统。
大量实验证据表明，在各个分离的内膜系统组分之间，存在连续性的发生、塑形和交融等相互关系，因而，我们目前所看到的所有那些不同细胞器或结构的膜，都是统一的、相互联系的膜系统在细胞内功能区域化的结果。
接下来，我们将按照细胞内膜系统中主要的细胞器类型进行介绍。
但核被膜和核孔结构将在细胞核章节中再讲。
6.1 内膜系统：内质网内质网(endoplasmic reticulum, 简称ER)，是真核细胞中膜含量最多的细胞器，约占动物细胞总膜量的一半以上。
它是由细胞质中相互联系的分枝管状和扁平囊状膜所组成的封闭的网状复杂结构，因而得名内质网。
在两层膜之间，形成扁平的膜囊或内质网腔。
一、内质网的形态结构与类型内质网的基本形态结构是由一层单位膜围成的管状、泡状和囊状结构，相互连接形成连续的、内腔相通的膜性管道系统。
内质网膜可与细胞核核膜外层相连，也可与细胞膜的内褶相连。
根据内质网膜上是否附着核糖体，将内质网分为粗面内质网(rough ER, RER)和光面内质网(smooth ER, SER)两种基本类型。
细胞生物学课件：第六章+内质网和蛋白合成
A.分泌蛋白；
B.输入溶酶体腔的溶酶体酶蛋白（讲溶酶体时讲其 筛选运输机制）；
C.插入到内质网膜中的整合蛋白。
D. 内 质 网 驻 留 蛋 白 （ 讲 高 尔 基 体 时 介 绍 其 回 运 机 制）。
内质网上核糖体合成的蛋白的特点：
跨膜蛋白：插入膜中成为膜蛋白，多数随膜流转换成 质膜和其它细胞器的成分；
由K. R. Porter、A. Claude 和 E. F. Fullam等 人于1945年发现，他们在观察培养的小鼠成纤维 细胞时，发现细胞质内部具有网状结构，建议叫做 内质网endoplasmic reticulum，ER，后来发现 内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还与 质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切。
一．内质网的形态结构
内质网膜约占细胞总膜面积的一半，是真核细胞中最 多的膜。内质网是由单层单位膜围成的封闭的网状管道 系统。根据形态的不同可分为糙面内质网和光面内质网 两类。
糙面内质网（RER）呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体 附着。
光面内质网（SER）呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。
细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构 的一部分。
蛋白占总重的1/3，大都定位于核糖体的表面和间插在 rRNA折叠形成的缝隙中。核糖体蛋白的作用是使核心 RNA保持稳定，同时允许rRNA在蛋白合成时发生必要 的构型变化。
2.核糖体的RNA催化剂 为tRNA提供结合位点（A、P、E
结合位点） 催化氨基酸间肽键的形成（核糖体
大亚单位中的rRNA）。
第四节蛋白合成的命运
5、废弃蛋白的降解：一些变性的和错误折 叠的蛋白，可通过蛋白降解途径进行清除。 如内质网中错误折叠的蛋白就是在细胞质 溶质中通过蛋白的泛素化降解途径被降解。
第6章-内膜系统PPT课件
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1）RER与蛋白质合成
① 合成的蛋白质 a.膜蛋白——载体蛋白、受体蛋白、膜抗原、抗体； b.需要进行复杂修饰的蛋白质； c.需要与其它细胞组份严格隔离的蛋白质 ； d.分泌蛋白（输出蛋白）
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2）新合成蛋白质的粗加工
① 新生多肽链的折叠和组装： a.蛋白二硫键易构酶 b.结合蛋白（binding protein，Bip）
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6.2 高尔基复合体（Golgi complex，GC）
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高尔基复合体超微结构
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1、形态
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2) 结构
① 扁平囊（cisternae） ② 小囊泡（vesicle） ③ 大囊泡（vacuole）
21 ①高尔基体顺面的网状结构（cis-Golgi network，CGN） ② 高尔基体中间膜囊（medial Golgi） ③ 高尔基体反面的管网结构（trans Golgi network，TGN）
C．在某些情况下，粗面内质网上htt合成的Pr在囊
腔中浓缩，使蛋白质形成中等或高度致密的颗粒，
有时甚至形成结晶体贮存在囊腔中。
6
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（2）滑面内质网（SER）
① 形态 ②分布
胃壁细胞、骨骼肌细胞、汗腺细胞、皮脂腺细胞 以及分泌淄类激素的细胞内含量丰富。
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6.1.2 内质网的功能
1、RER的功能 1) 为核糖体提供支架； 2) 新合成蛋白质的粗加工； 3) 蛋白质的转运；
一个个单糖加上去
丝氨酸、苏氨酸、 羟赖氨酸、羟脯氨酸 一般1～4个糖残基， 但ABO血型抗原较长 N—乙酰半乳糖胺等
功能：
a. 为各种蛋白质打上不同的标志； b.影响多肽的构象； c. 增强糖蛋白的稳定性；
真核细胞内膜系统的结构和功能
mRNA编码的胞 质蛋白质依然在 细胞质内游离
细胞质内游离的 多核糖体
内质网的信号 序列
mRNA编码蛋白 质靶向的内质网 依然是膜结合的
细胞质内总核糖 体亚基库
多核糖体通过多 重新生肽链结合 到内质网膜
Figure A common pool of ribosomes is used to synthesize both the proteins
粗面内质网的主要功能是进行膜结合核 糖体合成的蛋白质的运输，并在运输的同 时对这些蛋白质进行加工修饰和折叠，以 帮助这些蛋白质准确到达目的地。
滑面内质网是脂质合成的重要场所
细胞膜所需要的最重要的磷脂是在光面内 质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先 作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他 的膜。
高尔基体是有极性的细胞器：位置、方向、物 质转运与生化极性。
靠近细胞核的一面扁囊弯曲成凸面又称形成面或顺面 （cis face），面向细胞膜的一面常成凹面又称成熟面或 反面（trans face）。顺面和反面都有一些或大或小的运 输小泡。
高尔基体的膜囊结构及其排列
功能区室
高尔基体至少由互相联系的3个部分组成，每一部分 可能又分化出更精细的间隔。
的分裂，具有核外遗传的特性。
（一）内质网的形态结构与功能
K. R. Porter和A.D.Claude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，故名内质网（endoplasmic reticulum，ER）。
内质网是由封闭的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结构。内质网通常占细胞膜系 统的一半左右，体积约占细胞总体积的10％以上。
2. 与细胞质骨架功能相关
第六章 生物膜的结构与功能
生物膜上糖类
细胞外被(糖萼)—质膜外的一层糖残基形成
(二)生物膜结构的几个主要特征
1,膜组分在脂双层两侧分布的不对称性 膜蛋白的不对称性 膜脂的不对称性 膜糖不对称——多分布质膜外侧 膜组分在脂双层两侧分布的不对称性,保证了膜 功能的方向性. 2,生物膜的流动性 生物膜的流动性包括:膜脂,膜蛋白的运动状 态(有时也称"运动性") ——是生物膜的主要结构特征.
细胞外侧
寡聚糖类
细胞内侧
内嵌蛋白 外周蛋白
流动镶嵌模型结构要点
1,主体是极性的脂质双分子层 脂质双分子层 2,流动性 , 3,不对称性 , 4,生物膜中分子间作用力 主要3种:静电力,疏水力和范德华力 即脂质分子之间或蛋白质与蛋白质之间或蛋白质 与脂质之间无共价结合. 与脂质之间无共价结合.
第三节 生物膜的物质运送功能
了解"区域化"的概念P164
第二节
生物膜的化学组成和结构
一,生物膜的组成 蛋白质(包括酶),约占50% 蛋白质 脂类(主要是磷脂,糖脂,胆固醇,占40%) 脂类 糖(多以糖蛋白和糖脂存在)2-10% 不同生物膜的成分比例有很大差异 一般膜的功能越复杂其膜蛋白的种类和含量越 多.如线粒体内膜
(一)膜脂质
脂 双 分 子 层 内嵌膜蛋白
膜蛋白的功能
膜蛋白参与物质代谢(酶蛋白) 物质传送(转运蛋白,通道蛋白) 细胞运动(鞭毛等) 细胞的形态(膜骨架) 信息的接受与传递(受体蛋白) 支持与保护均有重要意义
(三)糖类
膜糖蛋白和膜糖脂 糖蛋白和糖脂与细胞的抗原结构,受体, 细胞免疫反应,细胞识别,血型及细胞癌 变等均有密切关系
CH (CH2)12 CH3
R
脂肪酸 酰基
真核细胞内膜系统
质膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜
内膜系统各种细胞器内的可溶性驻留蛋白
内质网、高尔基复合体、溶酶体、内体、小泡和植物液泡
需要与其他细胞组分严格隔离的蛋白：酸性水解酶 合成后需要进行修饰与加工的蛋白
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
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。
正确折叠涉及驻留蛋白结构特征：具有4肽信号 KDEL 或 HDEL ，保证滞留在内质网腔中，并维持很高的浓度。
错误折叠的多肽链会被降解
(a)位点：ER外细胞质基质中。 (b)错误折叠的蛋白以逆转运 (reverse translocation)
细胞质基质 （ cytosol or cytoplasmic matrix ）
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。
一、细胞质基质的涵义
主要成分： 中间代谢有关的数千种酶类 细胞质骨架结构 糖原、脂滴
结构体系：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。
闭合型腔：细胞内的膜相结构— 细胞器 （organelles）。
真核细胞内的交通路线——统一的相互联系的网络
二、细胞内膜系统组成
内 质 网 高尔基体 溶酶体与过氧化物酶体
细胞内膜系统的研究方法
De Duve, A.Claude and G.Palade,1974 Nobel Plrize 放射自显影（Autoradiography）; 生化分析（Biochemical analysis）; 遗传突变分析（Genetic mutants）
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第六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第二节细胞内膜系统2.1 内质网2.2 高尔基体2.3 溶酶体与过氧化物酶体第三节细胞内蛋白质的分选与膜泡运输第六章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输第三节细胞内蛋白质的分选与膜泡运输3.1 蛋白质分选概念和类型3.2 分泌蛋白合成的模型---信号假说3.3 蛋白质分选信号3.4 膜泡运输蛋白质分选的基本概念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)。
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（翻译后转运）一边合成一边分选（翻译同步转运）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:游离的或与内质网结合的。
蛋白质转运的两种机制翻译后转运：游离核糖体上合成的蛋白质释放到胞质溶胶后被运送到不同的部位，即先合成，后运输。
由于在游离核糖体上合成的蛋白质在合成释放之后需要自己寻找目的地，因此又称为蛋白质寻靶翻译转运同步机制：膜结合核糖体上合成的蛋白质通过定位信号，一边翻译，一边进入内质网，由于这种转运定位是在蛋白质翻译的同时进行的，故称为共翻译转运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质中蛋白质合成和空间定位路线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、内质网、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, 合成的蛋白质通过四种不同方式进行运输定位1、门控运输（gated transport）：如通过核孔复合体的运输。
2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的细胞器。
3、膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质在内质网或高尔基体中被包装成衣被小泡，选择性地运输到靶细胞器。
4、细胞质基质中的蛋白质转运：1、门控运输（gated transport）：即是核孔运输，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。
2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的细胞器。
胞质溶胶中合成的蛋白质进入到内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等则是通过跨膜机制进行运输的，需要膜上运输蛋白(protein translocators)的帮助，被运输的蛋白要有信号肽或导肽。
3、膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质从内质网转运到高尔基体以及从高尔基体转运到溶酶体、分泌泡、细胞质膜、细胞外等则是由小泡介导的，这种小泡称为运输小泡蛋白质分选的基本原理细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence）。
其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor）。
蛋白质分选信号①信号序列（signal sequence）：引导蛋白质定向转移的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，对所引导的蛋白质没有特异性要求。
②信号斑（signal patch）：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。
signal sequence and signal patch3.4 膜泡运输内膜系统之间的物质传递常通过膜泡运输进行。
多数运输小泡在膜的特定区域以出芽的方式产生。
表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。
衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。
衣被小泡在细胞内沿微管或微丝运输。
与膜泡运输有关的马达蛋白有3类，在这些马达蛋白的牵引下，可将膜泡运到特定的区域。
动力蛋白（dynein），趋向微管负端；驱动蛋白（kinesin），趋向微管正端；肌球蛋白（myosin），趋向微丝的正极。
VTC＝vesicular-tubular clusterThe three types of coated vesicles一、衣被类型已知三类：笼形蛋白（clathrin）COPICOPII主要作用：选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；如同模具一样决定运输小泡的外部特征。
三种衣被小泡的功能（一）笼形蛋白衣被小泡运输途径：质膜→内体；高尔基体→内体；高尔基体→溶酶体、植物液泡。
衣被结构：3重链、3轻链，形如triskelion。
clathrin的曲臂交织在一起，形成5边形网孔的笼子。
衔接蛋白：连接衣被与受体。
Clathrin coated vesiclesDeep-etch view of a typical clathrin latticeSelective transport by clathrin coated vesicles当衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的柄部，使柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），导致膜融合，pinch off衣被小泡。
（二）COP I衣被小泡功能：回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网；也可介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。
组成：由7种蛋白组成。
回收信号：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。
COP I VesiclesCop I and II Vesicles内质网驻留蛋白的回收图解Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）（三）COPⅡ衣被小泡介导内质网到高尔基体的物质运输。
形成于内质网出口位点，该处无核糖体。
主要亚基：Sar1GTP、Sec23/Sec24、Sec13/Sec31。
多数跨膜蛋白直接与COP II结合，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COP II结合。
分选信号：位于跨膜蛋白胞质面，形式多样，常包含双酸性基序[DE]X[DE] ，如Asp-X-Glu。
COP II VesiclesCOPII Coated vesicle二、衣被形成衣被召集GTP酶：为G蛋白，活化状态可引起衣被蛋白聚集，包括ARF和SAR 1。
存在于细胞质，激活后转位到膜上。
ARF：参与clathrin和COP I衣被的形成。
SAR 1：参与COP II衣被的形成。
ER上形成COPII小泡时，SAR1交换GDP/GTP而激活。
激活的SAR1暴露出脂肪酸链尾巴，插入ER膜，促进衣被蛋白的核化和组装。
SAR1可激活磷脂酶D，将一些磷脂水解，使衣被蛋白牢固地结合在膜上。
当小泡从膜上释放后，衣被很快就解体。
Coat assembly三、膜泡运输的定向机制（一）SNAREs功能：介导运输小泡与靶膜的融合。
类型：v-SNAREs和t-SNAREs。
结构：具有一个螺旋结构域，相互缠绕形成跨SNAREs复合体，将小泡与靶膜拉在一起。
SNAREsSNAREs in vesicle transport神经细胞中，SNAREs负责突触小泡的停泊和融合。
破伤风毒素和肉毒素能选择性地降解SNAREs，阻断神经传导。
病毒融合蛋白的工作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。
HIV fusion protein（二）Rabs也叫targeting GTPase，属于G蛋白，起分子开关作用。
已知30余种，不同膜上具有不同的Rabs。
Rabs促进和调节运输小泡的停泊和融合。
Rabs还有许多效应因子，帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAREs抑制因子。
Rabs in docking四、受体介导的内吞批量内吞（Bulk-phase endocytosis）：非特异性的摄入细胞外物质，穴样内陷（caveolae）是发生批量内吞的部位。
受体介导的内吞(receptor mediated endocytosis)是一种选择浓缩机制。
LDL、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等都通过RME转运。
衣被小窝（coated pits）是质膜内凹的部位，相当于分子过滤器(约占肝细胞表面积2%)。
受体、笼形蛋白和衔接蛋白大量集中于此处。
受体胞质端的Tyr-X-X-Φ是衔接蛋白识别的信号，X为任何氨基酸，Φ为分子较大的疏水氨基酸(如Phe、Leu、Met)。
受体同配体结合后启动内化作用，衣被开始组装。
Clathrin coated piton the cytosolicface of a cell低密脂蛋白的吸收：胆固醇主要在肝细胞中合成，以低密脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL）释放到血液。
LDL颗粒芯部含有被长链脂肪酸酯化的胆固醇分子。
周围由磷脂和胆固醇构成的脂单层包围，有一个较大的Apo-B蛋白（配体）。
LDL ParticleLDL endocytosis细胞需要胆固醇时，合成LDL跨膜受体蛋白。
受体与LDL颗粒结合后，形成衣被小泡；进入细胞质的小泡随即脱掉衣被，成为平滑小泡，同早期内体融合，内体中PH值低，使受体与LDL颗粒分离；再经晚期内体将LDL送人溶酶体。
在溶酶体中，LDL被水解成游离的胆固醇。
The receptor-mediated endocytosis of LDLLDL Endocytosis受体回收途径：①大部分返回原来的质膜结构域，如LDL受体；②有些进入溶酶体被消化，如EGF的受体，称为受体下行调节（receptor down-regulation）；③有些被运至质膜不同的结构域，形成穿胞运输（transcytosis）。
Transcytosis五、外排作用组成型外排途径：由TGN区分泌囊泡向质膜运输，通过default pathway完成转运。
更新膜蛋白和膜脂、形成ECM、营养成分或信号分子。
调节型外排途径：如激素或酶储于分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡释放出去。
The constitutive and regulated secretory pathways思考题何为蛋白质分选？细胞内蛋白质分选的基本途径是怎样的？已知的膜泡运输有哪几种类型？各自主要功能是什么？。