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

细胞内区室化（compartmentalization）是真核细胞结构和功能的基本特征之一。细胞内被膜区分为3类结构：细胞质基质（cytoplasmic matrix）、细胞内膜系统（endomembrane system）和其他由膜包被的各种细胞器。

第一节细胞质基质的涵义与意义

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，称细胞质基质（cytosol，cytoplasmic matrix），约占细胞质体积的一半。

一、细胞质基质的涵义

细胞与环境，细胞质与细胞核，以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等都要通过细胞质基质来完成，很多重要的中间代谢反应也发生在细胞质基质中。

在细胞质基质中蛋白质含量占20%~30%，形成一种黏稠的胶体，多数的水分子是以水化合物的形式紧密的结合在蛋白质和其他大分子表面的极性部位，只有部分水分子以游离态存在，起溶质作用。

细胞质基质中蛋白质分子和颗粒性物质的扩散速率仅为水溶液中的1/5，更大的结构则固定在细胞质基质的某些部位上，或沿细胞骨架定向运动。

细胞质基质是蛋白质和脂肪合成的重要场所。

在细胞质基质中，各种代谢活动高效有序的进行，各种代谢途径之间的协调有序以及所涉及的物质、能量与信息的定向转移和传递，这些复杂的生命过程都不是简单的“酶溶液”所能完成的。

二、细胞质基质的功能

许多中间代谢过程都在细胞质基质中进行。

细胞质基质另一方面的功能是与细胞质骨架相关。细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，不仅与维持细胞的形态、细胞运动、细胞内的物质运输及能量传递有关，而且也是细胞质基质结构体系的组织者，为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点。

除此之外，细胞质基质在蛋白质的修饰、蛋白质的选择性降解方面也起着重要作用。

1、蛋白质的修饰

在细胞质基质中发生蛋白质修饰的类型主要有：（P173）

①辅酶或辅基与酶的共价结合。

②磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性。

③糖基化作用。

④对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰。

⑤酰基化。

2、控制蛋白质的寿命

3、降解变性和错误折叠的蛋白质

4、帮助变形或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象。

第二节细胞内膜系统及其功能

细胞内膜系统是指在结构、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、分泌泡等。

主要研究技术：超微结构的电镜技术、组分分离与分析的离心技术和用于研究膜泡运输和功能机制研究的遗传突变体分析技术。

一、内质网的形态结构与功能

内质网（endoplasmic retuculum，ER）由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成相互沟通的三维结构。内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积占细胞总体积的10%以上。

（一）内质网的两种基本类型

糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER）：多呈扁囊状，排列较为整齐，并附着有大量核糖体。

光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）：多为分支管状，是复杂的立体结构。

微粒体（microsome）：是在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，它包含内质网膜和核糖体两种成分。

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。

（二）内质网的功能

1、蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能

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）。

2、光面内质网是脂质合成的重要场所

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，其中主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。

两种例外：（1）鞘磷脂和糖脂（ER开始→Golgi complex完成）；

（2）某些单一脂类是在Mit/Chl的膜上合成的。

合成磷脂由内质网向其他膜的转运主要有两种方式：一种是以出芽的方式转运到高温计提、溶酶体、细胞质膜上；另一种方式是凭借一种水溶性的载体蛋白，磷脂转移蛋白（phospholipid exchange protein，PEP）在膜之间转移磷脂。

3、蛋白质的修饰与加工

修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等。

糖基化在糖基转移酶（glycosyltransferase）作用下发生在ER腔面。

酰基化发生在ER的细胞质基质侧。

4、新生肽的折叠组装

（1）非还原性的内腔，易于二硫键形成；

（2）正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL or HDEL信号

（3）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

（4）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。

5、内质网的其他功能

解毒作用：光面内质网可以产生一种能够清除脂溶性底物和代谢产生的有害毒物的酶类

储存功能：储存Ca2+的功能

（三）内质网与基因表达的调控

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

二、高尔基体的形态结构与功能

高尔基体（Golgi apparatus）或高尔基复合体（Golgi complex），是比较普遍存在于真核细胞，由扁平囊，大囊泡、小囊泡构成的细胞器。

（一）高尔基体的形态结构与极性

高尔基体做富有特征的结构是由一些（常常4~8个）排列较为整齐的扁平膜囊（saccules）堆叠在一起，构成了高尔基体的主体结构，膜囊多呈弓形，也有的呈半球形或球形。

在细胞中，其靠近细胞核侧的扁平囊弯曲呈凸面，称为形成面（forming）或顺面（cis face)，其面向细胞膜侧的常呈凹面(concave），称为成熟面（mature face）或反面（trans face)。

高尔基各部膜囊标志的细胞化学反应

（1）嗜锇反应，发生在高尔基体cis面膜囊；

（2）焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示trans面1～2层膜囊；

（3）胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构

（4）烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊。