第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输——翟中和细胞生物学报告

第二节 细胞内膜系统及其功能
细胞内膜系统概述 细胞内膜系统组成
一、细胞内膜系统概述
概念：是指细胞内在结构、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）
研究内膜系统的有效技术主要包括： 揭示超微结构的电镜技术 用于功能定位研究的免疫标记和放射自显影技术 用于组分分离与分析的离心技术 用于研究膜泡运输和功能机制研究的遗传突变分 析技术
在很多细胞中相继发现了类似的结构并称之为高 尔基体。
很多人认为是由于固定和染色产生的人工假象。 20世纪50年代电子显微镜技术的应用和超薄切片
的发展，证实了高尔基体的存在。
高尔基体的概念
高尔基体又称高尔基器或高尔基复合体，是态多变的囊泡体系 组成的。在不同的细胞，甚至在细胞生长的不 同阶段都有很大的区别。
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)
的形式从它们进入ER腔的路线返回。一旦进入 细胞质基质，就会被降解蛋白质的装置蛋白酶 体（proteasomes)所降解。
(c)这个过程称为质量控制(quality control),以确保畸
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)将掺人到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体中的蛋白。
3.1.2 蛋白质的修饰与加工
磷酸多萜醇
氨基酸残基
寡糖链
糖基转移酶
寡糖链
糖基化 (GLYCOSYLATION)
糖基化的类型与发生部位
N—连接的糖基化（N- linked glycosylation） 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（O- linked glycosylation） 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） 此外，在细胞质中也可进行糖基化修饰，但糖基化修 饰较简单，种类少。
蛋白质合成 蛋白质的修饰与加工 新生肽的折叠与组装
3.1.1 蛋白质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。有些蛋白质刚起始 合成不久便转移到内质网膜上，继续进行蛋白 质合成。在糙面内质网上，多肽链一边延伸一 边穿过内质网膜进人内质网腔中，以这种方式 合成的蛋白质主要包括以下三类：
1、内质网的概述
微粒体（细胞质中分离）
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 膜与核糖体两种基本组分。
原核细胞内没有内质网
由细胞膜代行其类似的职能。
2、内质网的类型及形态结构
根据结构与功能，内质网可分为两种基本类型：
糙面内质网（RER）：
多呈扁囊状，排列较为整齐，因在其膜表面分布着大量 的核糖体而命名。 是内质网与核糖体共同形成的复合机能 结构。
变蛋白不会运到细胞的其它部位。
3.2 SER的功能
脂质的合成
肝的解毒功能
肝细胞中SER含有一些酶，用以清除脂溶性废物和代谢产生的有害 性物质。
固醇类激素的合成
某些合成固醇类激素的细胞中SER含有制造胆固醇并进一步产生固醇 类激素的一系列酶。
储存钙离子的功能
肌细胞中含有发达的特化的SER，称肌质网。
高尔基体的4个组成部分
高尔基体至少由互相联系的4个部分组成，每一部分 又可能划分出更精细的间隔：
高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构（cis-Golgi network，CGN）
位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，又称cis膜囊，是中间多 孔而呈连续分支的管网结构。
CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔 基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂质再返回内质网。
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
（一）内 质 网
(ENDOPLASMIC RETICULUM,ER)
内质网的概述 内质网的类型及形态结构 内质网的空间分布 内质网的功能 内质网与基因表达的调控
1、内质网的概述
内质网 是真核细胞重要的细胞器，它由封闭的管状或扁平囊状
主要功能：合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白。
光面内质网（SER）：
表面没有核糖体结合的内质网称光面内质网。光面内质 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。
内质网的空间分布
在间期细胞中，内质网的分布与微管的走向一致，且总是 延微管向细胞周缘延伸。
高尔基体是由较为整齐的扁平膜囊堆叠在一起，膜囊多呈弓形。 膜囊周围有大量的大小不等的囊泡结构。 在不同的细胞中囊膜的数目差异很大。
高尔基体的极性
高尔基体是有极性的细胞器：
靠近细胞核的一面，膜囊弯曲成凸面又称形成面 或顺面（cis face）。
形态、组成和化学性质与ER相似。
面向质膜的一面凹面又称成熟面或反面（trans face）。
二、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。
细胞质基质与胞质溶胶
用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除 去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞 质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中 的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称 之为胞质溶胶。
3.2.1 脂类的合成
磷脂合成与磷脂转运
在ER的细胞质基质侧合成
合成磷脂所需要的3种酶都定位在内质网膜上，活性部位在膜的细胞 质基质侧。合成磷脂的底物来自细胞质基质。
过程：增大膜面积——确定新合成磷脂的种类。
磷脂的转位
合成磷脂几分钟后由细胞质基质侧转向内质网的腔面 借助磷脂转位因子/转位酶（phospholipid translocator / flippase）
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。 内质网的发现
比线粒体和高尔基体等细胞器晚得多。
1945年，Porter （波特 ）等人，在组织培养细胞中初次 观察到细胞质的内质部分有网状结构，建议叫内质网。 1954年，Palade（帕拉德 ）和Porter（波特 ）等人证实 内质网是由膜围绕的囊泡所组成。
形态、组成和化学性质逐渐改变最终达到与细胞膜相似。
高尔基体各部膜囊的４种标志细胞化学反应
根据高尔基体的各部分膜囊特有的成分，可用电镜细胞化学的方法对 高尔基体的结构成分作进一步的分析。常用的4 种标志细胞化学反应是： 嗜锇反应，经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示trans面1～2层膜囊； 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； GERL结构：60年代初，诺维克夫（Novikoff）发现CMP和酸性磷酸酶存在 于高尔基体的一侧，称这种结构为GERL ， 意为与高尔基体（G ） 密切相关 ，但它是内质网（ER）的一部分，参与溶酶体（L）的生成。 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 。
在糙面内质网合成并进入内质网腔的蛋白质发 生的主要化学修饰作用有： 糖基化 酰基化
发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸→ 跨 膜 蛋 白 的 半 胱 氨 酸 残基
高尔基体、膜蛋白向细胞质膜转移过程中。
羟基化 二硫键的形成
糖基化 (GLYCOSYLATION)
糖基化（伴随着多肽合成同时进行）
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（glycosyltransferase）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。 （例：书P180页图7-8）
肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+泵入肌质网腔中 ， 储 存 起来。
3.2.1 脂类的合成
细胞内脂类合成的场所（细胞器） ER（主要是SER) 合成 构 成 细胞所需 的 包括磷脂和胆固醇 在 内 的
绝大多数膜脂,其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵 磷脂）。
两种例外 鞘磷脂和糖脂（ER开始→Golgi complex完成） 某些单一脂类是在它们的膜上合成的
已发现一种微管马达蛋白——驱动蛋白与内质网结合，推 测内质网的一端固定在核膜上，另一端在驱动蛋白牵引下沿 着微管向外延伸形成复杂的网状结构。
3、内质网的功能
ER是细胞内蛋白质与脂质合成的基地，几乎 全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。
3.1 RER的功能 3.2 SER的功能
3.1 RER的功能
高尔基体中间膜囊（medial Golgi）
由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、 完整的膜囊体系。
多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合 成都发生在中间膜囊中。
高尔基体的4个组成部分
高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构（trans Golgi network，TGN）
蛋白质合成
向细胞外分泌的蛋白质
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。
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
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
TGN位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入 反面的细胞质中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。
3.1.3 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类型
蛋白二硫键异构酶（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（Bip） 识别错误折叠的蛋白或未组装好的蛋白亚单位，并促进重新 折叠与组装。 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。
三、
完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、蛋白质合
成、脂肪酸的合成等。 蛋白质在细胞基质中的分选及其转运机制的研究 与细胞质骨架相关的功能
维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递细 胞质基质结构体系的组织者，提供锚定位点。 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解
蛋白质的修饰：类型 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(热休克蛋白）
磷脂的转运
膜出芽
磷脂转换蛋白（PEP）：水溶性的载体蛋白。
4、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 细胞核的信号转导的三种因素： 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。 折叠好的膜蛋白的超量积累。 内质网膜上膜脂成份的变化——主要是固醇缺乏 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
高尔基体的形态结构 高尔基体的功能
1、高尔基体的形态结构
高尔基体的发现 高尔基体的概念 高尔基体的形态 高尔基体的极性 高尔基体各部膜囊的４种标志细胞化学反应 高尔基体4个组成部分 高尔基体的空间分布
高尔基体的发现
1898年，意大利医生Golgi用镀银法首次在神经元 内观察到一种网状结构，命名为内网器。
第七章 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
第一节 细胞质基质的涵义与功能
细胞质基质的概念 细胞质基质的涵义 细胞质基质的功能
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。