第七章 真核细胞内膜系统

第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输
细胞内被膜区：细胞质基质、细胞内膜系统、其他由膜包被的各种细胞器。

细胞内区室之间通过生物合成、蛋白质分选、膜泡运输和质量监控机制维系细胞内膜系统的动态平衡。

第一节细胞质基质的涵义与功能
细胞质基质：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。

一、细胞质基质的涵义
1.胞质溶胶：细胞质中除去细胞器和内膜系统留下的无一定形态结构的胶状物质。

2.细胞质基质主要是由微丝、微管和中间丝等形成的相互联系的结构体系，其中蛋白质和其他分子以凝集（或暂时凝集）状态存在，与周围溶液的分子处于动态平衡，包括作为细胞质基质主要成分的多种酶和代谢中间产物，以及呈溶解状态的微管蛋白。

3.用差速离心法获得的胞质溶胶的成分与细胞质基质周围的溶液成分有很大的不同。

二、细胞质基质的功能（理解）
1.许多中间代谢过程在细胞质基质中进行，如糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原合成。

2.细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，与维持细胞的形态、运动、细胞内的物质运输、能量传递有关，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。

3.蛋白质修饰、选择性讲解。

①蛋白质的修饰：发生蛋白质修饰的类型：A辅酶与辅基与酶的供价结合；B磷酸化与去磷酸化，用以调节蛋白质活性；C糖基化：主要在内质网和高尔基体中，细胞质基质是把N-乙酰葡糖胺分子加到蛋白质的丝氨酸羟基；D对N端甲基化修饰；E酰基化：内质网、高尔基体。

②控制蛋白质的寿命：蛋白质的泛素化是降解的重要标志，分三步，由泛素化多酶复合物（泛素活化酶、泛素结合酶、泛素连接酶）完成，每次添加一个泛素分子。

③讲解变性和错误折叠的蛋白质
④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）
第二节细胞内膜系统及其功能
细胞内膜系统：内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡
一、内质网的形态结构与功能
内质网：封闭、管状或扁平囊膜系统及其包被的腔形成的相互沟通的三维网络结构。

原核细胞无。

（一）内质网的类型
2种类型：
①糙面内质网RER：扁囊状，表面大量核糖体，功能是合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白。

存在易位子（核糖体结合蛋白），功能与新合成的多肽进入内质网有关。

②光面内质网SER：分支管状，表面没有核糖体，立体结构。

合成脂质。

细胞中几乎不含有纯的SER，它只是作为ER连续结构的一部分。

所占区域较小，作为出芽位点，将内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体。

（二）功能
1.糙面：
①蛋白质的合成：在核糖体上合成，起始于细胞质基质。

在RER上，多肽链一边延伸一边穿过内质网进入内质网腔：向细胞外分泌的蛋白质、膜的整合蛋白、构成内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白；需要进行复杂修饰的蛋白。

②蛋白质的修饰与加工：
化学修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键的形成。

糖基化：在内质网腔面，寡糖链连接在插入膜内的磷酸多帖醇上，当与糖基化有关的氨基酸残基出现后，在膜上的糖基转移酶的作用下，将寡糖基由磷酸多帖醇转移到相应的天冬酰胺残基上。

N-连接的糖基化：寡糖基转移到天冬酰胺残基，与天冬酰胺结合的是N-乙酰葡糖胺。

O-连接的糖基化(高尔基体)：发生在丝氨酸或苏氨酸残基上，或羟赖氨酸或羟脯氨酸，结合的糖是N-乙酰半乳糖胺。

酰基化：内质网的胞质侧，软质酸供价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上。

③新生肽链的折叠与组装：一、易位子将错误折叠或组装的蛋白质转运至细胞质基质进而被蛋白酶降解；二、蛋白二硫键异构酶（PDI）切断异构酶，帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并处于正确折叠的状态；三、组合蛋白（Bip）识别错误折叠或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。

2.光面：
①脂质合成：合成构成细胞需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂），合成脂质的酶定位在内质网膜上，活性部位在膜的细胞质基质侧。

磷脂由细胞质基质侧转向内质网腔面。

转运方式：A 出芽方式转运到高尔基体、溶酶体、细胞质膜上；B 借助磷脂转换蛋白PEP（水溶性载体蛋白）在膜之间转移磷脂。

转运模式：PEP 与磷脂分子结合形成水溶性复合物进入细胞质基质，通过自由扩散，直至遇到靶膜，PEP释放磷脂，并安插在膜上，结果磷脂从含量高的膜转移到缺少磷脂的膜上。

每种PEP识别一种磷脂。

②解毒、合成固醇类激素、参与糖原分解、肌质网储存钙离子。

解毒：细胞色素P450家族酶系。

使聚集在SER上的不溶于水的毒物或代谢物在P450多功能氧化酶作用下羟基化，完全溶于水，转送出细胞进入尿液排出体外。

二、高尔基体的形态结构与功能
（一）高尔基体的形态结构和特性
1.高尔基体：排列整齐、扁平膜囊（弓形、半球形、球形，直径1μm）堆叠，膜囊周围有囊泡。

有极性：①有比较恒定的位置和方向；②物质从一侧进入，另一侧输出。

顺面cis（形成面）：靠近细胞核的一面，膜囊弯曲成凸面。

反面trans（成熟面）：面向细胞质膜，成凹面。

2.4种标志反应：
①嗜锇反应，锇酸浸染，cis面膜囊被特异染色。

②焦磷酸硫胺素酶（TPP），特异显示trans面的1~2层膜囊。

③胞嘧啶单核苷酸酶（CMP）或核苷酸二磷酸酶，显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶是溶酶体的标志酶
④烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP)或甘露糖酶，中间几层扁平膜囊的标志反应。

3.高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构
Cis膜囊：位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，中间多孔呈连续分支状的管网结构。

CGN（顺面高尔基体管网状结构）：比其他部位略薄，它接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入中间膜囊，小部分蛋白质、脂质返回内质网。

含有其他生物活性：蛋白丝氨酸残基发生O-连接的糖基化，跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化，日冕病毒的组装。

4.高尔基体中间膜囊：由扁平膜囊和管道组成，形成不同的间隔，功能上是连续的、完整的膜囊体系。

功能：多数糖基修饰、糖脂的形成、与高尔基体有关的多糖的合成。

5.高尔基体反面膜囊以及高尔基体管网状结构（TGN）
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，形态成管网状，与囊泡相连。

pH比其他部位低，经C6-NBP-神经酰胺或C5-DMB-神经酰胺标记可在电镜下观察到。

功能：参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出；某些“晚期”蛋白质的修饰，如半乳糖（α）2，6位的唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化、蛋白原的水解加工。

高尔基体各个膜囊之间均由膜性结构连在一起。

（二）功能
1.细胞的分泌活动
除分泌性蛋白质外，很多细胞质膜上的膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶及胶原纤维等胞外基质成分都是通过高尔基体完成定向转运过程。

在内质网上合成时发生N-连接的糖基化修饰，在高尔基体的顺面膜囊中存在N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶和N-乙酰葡糖胺磷酸糖苷酶，在这两种酶的催化下，寡糖链中的甘露糖残基磷酸化形成M6P。

在高尔基体反面的膜囊上结合M6P的受体，由于溶酶体酶的许多位点上都可形成M6P，从而大大增加了与受体的亲和力，这种特异的亲和力使溶酶体的酶与其他蛋白质分离并起到局部浓缩的作用。

2.蛋白质的糖基化及其修饰
（1）糙面内质网上合成的大多数蛋白质都在内质网和高尔基体中发生糖基化。

糖蛋白中寡糖链的合成与修饰没有模板，靠不同的酶而且在细胞的不同间隔中经历复杂的加工过程才能形成。

（2）对多数由高尔基体分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号，主要的作用是有助于蛋白质在成熟过程中折叠成正确的构象和增加蛋白质的稳定性。

（3）真核细胞寡糖链结合在肽链的4种氨基酸残基上，分成2类糖基化修饰：
①N-连接糖基化：天冬酰胺的酰胺氮原子上。

反应起始发生在糙面内质网中，一个14个糖残基的寡糖链从供体磷酸多帖醇上转移到新生肽链的特定三肽序列的天冬酰胺残基上（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr，X是出Pro以外的任何氨基酸）。

因此所有的N-连接的寡糖链都有一个共同的前体，在糙面内质网以及在通过高尔基体各间隔转移过程中寡糖链经一系列酶的加工，切除和添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白。

所有成熟的N-连接的寡糖链都含有2个N-乙酰葡糖胺和3个甘露糖残基。

根据结构特征，分为高甘露糖N-连接寡糖（只含N-乙酰葡糖胺和甘露糖）、复杂的N-连接寡糖（N-乙酰葡糖胺、甘露糖、岩藻糖、半乳糖、唾液酸）。

②O-连接糖基化：丝氨酸或苏氨酸或胶原纤维中的羟赖氨酸或羟脯氨酸的羟基上。

在高尔基体中进行。

由于不同的糖基转移酶催化，每次加上一个单糖，最后一步加上唾液酸残基（发生在反面膜囊和TGN中），完成全部糖基的加工与修饰。

内质网和高尔基体中所有与糖基化及寡糖的加工有关的酶都是整合膜蛋白。

蛋白聚糖在高尔基体中组装。

它是由一个或多个糖胺聚糖结合到核心蛋白的丝氨酸残基上，直接与丝氨酸羟基结合的是木糖。

3.蛋白酶的水解和其他加工过程
（1）很多蛋白质经与高尔基体结合的蛋白水解酶的作用，经特异性的水解才成为有生物活性的多肽。

不同的蛋白质在高尔基体中酶解加工方式不同：
①没有生物活性的蛋白原进入高尔基体，将N端或两端的序列切除形成成熟的多肽，如胰岛素、胰高血糖素、血清蛋白。

②在糙面内质网合成时就是含有多个相同氨基酸序列的前体，在高尔基体中水解成同种有活性的多肽。

神经肽
③一个蛋白质分子的前体中含有不同的信号序列，加工形成不同的产物；同一种蛋白前体在不同细胞以不同方式加工产生不同的多肽，增加细胞信号分子的多样性。

（2）硫酸化作用：硫酸根供体是3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸(PAPS),它从细胞质基质中转入高尔基体膜囊内，在酶的催化下，将硫酸根转移到肽链中酪氨酸残基的羟基上。

硫酸化的蛋白质主要是蛋白聚糖。

三、溶酶体的形态结构与功能
（一）形态结构与类型
1.溶酶体：单层膜、内含多种酸性水解酶、囊泡状；基本功能：进行细胞内的消化作用；维持细胞正常代谢活动；防御。

2.溶酶体：异质性细胞器，指不同的溶酶体形态大小，甚至其中所包含的水解酶类的种类都可能有很大的不同。

根据处于完成其生理功能的不同阶段分为：
①初级溶酶体：球形，直径0.2~0.5μm，内容物均一，不含有明显的颗粒物质，外面由一层脂蛋白膜围绕，厚度7.5nm。

含有酸性水解酶，最适pH为5左右。

②次级~：是初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体，分别称为自噬溶酶体和异噬溶酶体。

二者都是进行消化作用的溶酶体。

③残余体：一段时间消化后，小分子物质可通过膜上的载体蛋白转运到细胞质基质中，供细胞代谢使用，未被消化的物质残存在溶酶体中形成残余体或后溶酶体。

通过类似胞吞的方式将内容物排出细胞。

3.溶酶体酶与其他生物膜不同：
①嵌有质子泵，借助水解ATP释放的能量将H+泵入溶酶体，使溶酶体中的H+浓度比细胞质中高100倍以上，形成和维持酸性的内环境。

②有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运。

③膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的讲解。

4.标志反应：辨认不同形态与大小的溶酶体。

标志酶：酸性磷酸酶。

5.少量的溶酶体酶泄漏到细胞质基质中，不会引起细胞损伤，原因：细胞质基质pH为7.0左右，溶酶体酶的最适pH为5左右，在这种环境中溶酶体酶活性降低。

（二）功能
溶酶体消化作用的3种途径:吞噬、胞饮、自噬作用。

1.清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞
（1）溶酶体病：溶酶体酶缺失或产生溶酶体酶的某个代谢环节出现故障，在发育中和成体中凋亡的细胞不能被水解，积累在溶酶体中，结果细胞成分与结构得不到更新，直接影响细胞的代谢，引起疾病。

①台-萨氏病：溶酶体中缺少ß-氨基己糖酯酶A；②储积症。

（2）溶酶体的酶对水解底物似乎没有选择性，暂不需要的大分子和衰老的细胞器选择性地进入自噬泡，溶酶体识别与之结合，这是一个调控过程。

对衰老细胞的清除：巨噬细胞。

2.防御功能
防御功能某些细胞的特有功能，它可以识别并吞噬入侵的病毒细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解。

巨噬细胞的寿命短？机体被感染后，单核细胞移至感染或发炎的部位，分化成巨噬细胞，巨噬细胞中溶酶体非常丰富，含有过氧化氢、超氧物等与溶酶体酶等共同作用杀死细菌，电镜下巨噬细胞常常可以见到较多残余体，这也是寿命短的原因。

3.其他功能：
①作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养，如降解内吞的血清脂蛋白，获得胆固醇等。

②在分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节。

甲状腺中，甲状腺球蛋白储存在腺体内腔，通过吞噬作用进入分泌细胞内并与溶酶体融合，甲状腺球蛋白被水解成甲状腺素，然后分泌到细胞外的毛细血管中。

免疫应答反应中：抗原呈递过程需要溶酶体的参加。

③细胞的自溶作用，清除动物发育过程中的细胞。

如无尾两栖类蝌蚪尾巴的退化，哺乳动物断奶后乳腺的退行性变化。

④在受精过程中，精子的顶体相当与特化的溶酶体，溶解卵细胞的外被及滤泡细胞，产生孔道，使精子进入卵细胞。

(三)溶酶体的发生（了解）
1溶酶体酶是在糙面内质网上合成并经N-连接的糖基化修饰，转至高尔基体，在顺面膜囊中寡糖链上的甘露糖残基被磷酸化形成M6P，在反面膜囊和TGN膜上存在M6P的受体，这样溶酶体的酶与其他蛋白质区分开来，并得以浓缩，最后以出芽的方式转运到溶酶体中。

2.溶酶体酶甘露糖残基的磷酸化先后由两种酶催化：N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶，磷酸葡糖苷酶。

（四）溶酶体与过氧化物酶体（微体）
1.过氧化物酶体：单层膜，内含一种或几种氧化酶类。

异质性细胞器。

标志酶：过氧化氢酶。

2.过氧化物酶体与溶酶体的区别。

过氧化物酶体中的尿酸氧化酶常形成晶格状结构，可以作为电镜下识别的主要特征。

3.过氧化物酶体的功能
①使毒性物质失活:氧化血液中的有毒成分，例如，饮进的酒精被氧化成乙醛。

过氧化物酶体中含有两种酶，依赖于黄素（FAD）的氧化酶，作用是将底物氧化成过氧化氢；过氧化氢酶，作用是将过氧化氢分解，形成水和氧气，这两种酶的耦联，使细胞免受过氧化氢的毒害。

②对氧浓度的调节作用：
③脂肪酸的氧化：向细胞直接提供热能。

绿色植物叶肉细胞中，过氧化物酶体催化二氧化碳固定反应副产物的氧化，即光呼吸反应；另外，在种子萌发过程中，过氧化物酶体讲解储存
在种子中的脂肪酸产生乙酰辅酶A，并进一步形成琥珀酸，后者离开过氧化物酶体转变为葡萄糖。

（这个过程伴随着乙醛酸循环的反应，因此过氧化物酶体又叫乙醛酸循环体，动物细胞没有乙醛酸循环反应，因此动物细胞不能将脂肪中的脂肪酸转化成糖。

）
4.过氧化物酶体的发生
从已有的过氧化物酶体经分裂后形成子代。

子代的过氧化物酶体需进一步组装形成成熟的细胞器，过氧化物酶体不含DNA。

第三节细胞内蛋白质的分选与膜泡运输
一、信号假说与蛋白质分选信号
1.信号假说：分泌性N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白质到内质网膜上合成，然后在信号肽引导下边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。

2.指导分泌性蛋白在糙面内质网上合成的决定因素是蛋白质N端的信号肽。

信号识别颗粒（SRP）和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（DP）协助完成这一过程。

3.信号识别颗粒：是一种核糖核蛋白复合体，由6种不同的蛋白和一个由300个核苷酸组成的7S RNA结合组成，一般存在于细胞质中，当新合成多肽的信号肽从多聚核糖体上延伸暴露出来，SRP既可与新生肽信号序列和核糖体结合，又可与内质网停泊蛋白SRP受体结合。

二、蛋白质粉选的基本途径与类型
1.细胞内的蛋白质分选：细胞内蛋白质按某种指令决定其在哪种细胞内合成部位并最终转至其行使功能的部位成为~，对构成高度有序的细胞结果体系及完成各种生命活动具有决定性作用。

2.蛋白质分选2条途径：
①翻译后转运途径：在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和支架蛋白。

②共翻译转运途径：蛋白质合成在游离核糖体上起始之后由信号肽引导转移至糙面内质网，然后新生肽边合成边转入糙面内质网中，再经高尔基体加工包装运至溶酶体、细胞质膜或分泌带细胞外。

内质网与高尔基体本身的蛋白质分选也是这一途径。

3.从蛋白质分选的转运方式或机制看，分为4类：
（1）蛋白质的跨膜转运：主要是指细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体（包括叶绿体）和过氧化物酶体等细胞器，但进入内质网与进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的机制又有所不同。

进入叶绿体等细胞器的蛋白质分选过程：多个不同的寻靶序列，定位到叶绿体的前体蛋白N端具有40~50个氨基酸组成的转运肽，用以指引多肽定位到叶绿体并进一步穿过叶绿体被膜进入基质中。

线粒体和过氧化物酶体靠的引导序列：线粒体蛋白N端的导肽或过氧化物酶体蛋白C端的内在引导信号。

通过翻译后转运转运途径进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的蛋白质，必须在分子伴侣的帮助下解折叠或维持非折叠状态，这有利于通过膜上的输入装置。

（2）膜泡运输：存在与真核细胞中，蛋白质运输的特有方式。

蛋白质通过不同类型的转运小泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体，进而分选转运至细胞的不同部位，其中涉及各种不同部位，其中涉及各种不同的运输小泡的定向转运，以及膜泡出芽与融合的过程。

①COPⅡ有被小泡的组装与转运：COPⅡ有被小泡介导细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输。

COPⅡ有被由5种蛋白亚基组成，包括Sec13p，Sec31p，Sec23p，Sec24p 和Sar1p。

COPⅡ有被小泡通过可溶性包被蛋白COPⅡ复合物在内质网上组装形成。

ER腔中的可溶性货物蛋白通过选择性跨膜蛋白腔面一端结合被募集，同时选择性跨膜蛋白胞质面一端的信号序列以及ER膜上的整合蛋白v-SNARE被COPⅡ蛋白识别，形成包含有货物蛋白和v-SNARE 的有被小泡。

在Sarl蛋白参与下脱被并定位到cis面，脱被暴露的v-SNARE与cis面膜上的同类蛋白t-SNARE配对，介导膜泡和靶膜融合，内含物释放进入高尔基体。

COPⅡ有被小泡组装模型：小分子GTP结合蛋白Sarl，具有GTPase活性，分子开关的作用。

无活性的Sarl-GDP在细胞质中，在ER膜蛋白鸟苷酸交换因子（GEF）作用下GTP置换GDP形成有活性的Sarl-GTP，GTP结合引发Sarl构象改变暴露出脂肪酸链并插入ER膜，膜结合的Sarl对包被蛋白的进一步起包被募集者作用。

Sarl蛋白伴随结合的GTP的水解形成Sarl-GDP也会导致构象改变，是Sarl蛋白脱离膜并引发包被去组装。

膜结合的
Sarl-GDP募集COPⅡ亚基，促进包被组装和出芽以及包装选择性膜蛋白，最后形成COPⅡ有被小泡。

②COPⅠ有被小泡的组装与运输：COPⅠ有被小泡介导细胞内膜泡逆向运输，负责从顺面高尔基体网状区到内质网膜泡转运，包括再循环的膜脂双层、某些蛋白质和回收错误分选的内质网逃逸蛋白返回内质网。

细胞器中的蛋白质通过2种基质维持:转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外；对逃逸蛋白的回收机制。

驻留信号序列的受体位于高尔基体CGN、COPⅠ和COPⅡ的小膜泡。

③网格蛋白有被小泡的组装与运输：网格蛋白有被小泡介导蛋白质从高尔基体TGN向质膜、胞内体、溶酶体或植物液泡的运输。

在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜运往细胞质，以及从胞内体到溶酶体的运输。

网格蛋白有被小泡的形成：A 募集结合素蛋白到TGN 的胞质面；B 结合素蛋白的存在引发网格蛋白网格的组装，驱动膜出芽。

（3）选择性的门控转运
（4）细胞质基质的蛋白质的转运
三、膜泡运输
四、细胞结构体系的组装。