翟中和 细胞生物学 第三版详细笔记（六）
2011-11-10 11:36阅读：
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。
1、高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构
高尔基体顺面膜囊（cis-Golgi）或顺面网状结构（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枝状的管网结构。主要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。
2、高尔基体中间膜囊
高尔基体中间膜囊（medial
Golgi）：由扁平囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。多数糖基修饰、糖脂的形成、与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间囊膜中。
3、高尔基体方面膜囊以及方面高尔基体管网状结构
反面高尔基体管网状结构（trans
Golgi network，TGN）位于反面的最外层，与反面的扁平囊相连，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。
TGN主要功能是：参与蛋白质的分类与包装、运输；某些“晚期”的蛋白质修饰。
在高尔基体的周围常常有大小不等的囊泡。顺面一侧的囊泡可能是内质网与高尔基体之间的物质运输小泡，称之为ERGIC（endoplasmin reticulum-Golgi intermediate
compartment），或称VTCs（vesicular-tubular clusters）。
（二）高尔基体的功能
高尔基体的主要功能是（1）将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包裹，然后分门别类地运送到细胞特定部位或分泌到细胞外。（2）将内质网上合成的脂类运输到细胞膜和溶酶体膜上。（3）是细胞内糖类合成工厂。
1、高尔基体与细胞的分泌活动
（1）溶酶体酶的分选
高尔基体与细胞的分泌活动有关。最有力的证据是Caro的放射示踪实验。（P186）
溶酶体酶寡糖链中的甘露糖残基磷酸化产生6—磷酸甘露糖（M6P），这是溶酶体酶的标志，在高尔基体反面膜囊上有M6P受体，M6P与之结合，从而与其它酶分离开，而进入一个特殊区域，最后形成溶酶体。
在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。
除分泌性蛋白外，很多细胞膜上的膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶及胶原纤维等细胞外基质成分都是通过高尔基体完成其定向转动过程。
对溶酶体发生过程的认识有助于了解高尔基体完成其分选功能的作用机制。
（2）蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身
2、蛋白质的糖基化及修饰
在粗面内质网上合成的糖蛋白在内质网和高尔基体中发生了糖基化。
真核细胞中寡糖链一般结合在肽链的4种氨基酸残基上，由此可分为两大类不同的糖基化修饰，即N－连接（连接到天冬酰胺的N原子上）和O－连接（连接到丝氨酸、苏氨酸或在羟赖氨酸或羟脯氨酸的羟基上）糖基化。（P188）
高尔基体中含有糖基转移酶，其主要作用是对糖基的寡糖链进行修饰。
3、蛋白酶的水解和其他加工过程
很多蛋白质经与高尔基体结合的蛋白水解酶的作用,经特异地水解才成为有生物活性的多肽。
蛋白質在高尔基体中酶解加工的类型：
①比较简单的形式是沒有生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，将蛋白原N端或两端的序列切除形成成熟的多肽。
②有些蛋白质分子在糙面内质网中合成时便是含有多个相同氨基酸序列的前体，然后再高尔基体中水解成同种诱惑性的多肽。
③一个蛋白质分子的前体中含有不同的信号序列，最后加工成不同的茶花女巫；有些情况下，同一种的那白脂分子前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工而产生不同的多肽，这样大大增加了细胞信号分子的多样性。
不同多肽采用不同的加工方式，推测其原因是：①有些多肽分子太小，在核糖体上难以有效的合成；②有些可能缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；③更重要的是可以有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。
硫酸化作用也在高尔基体进行。
三、溶酶体的形态与结构
（一）溶酶体的形态结构与类型
溶酶体（lisosome）是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是消化作用。
溶酶体是一种异质性（heterogeneous）细胞器，根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段分为：
1、初级溶酶体（primary lysosome）
初级溶酶体呈球形，直径约0.2－0.5μm，内容物均一，外面由一层脂蛋白膜围绕，其中含有多种水解酶类，包括蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、磷酸酯酶和硫酸酸酶等。它们都是酸性水解酶，最适PH为5左右。
2、次级溶酶体（secondary lysosome）
次级溶酶体为消化泡，是初级溶酶体与细胞内的自噬泡、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。
3、残余体（residual body）
这些小体己失掉了酶，仅余留未消化的残渣在内，又叫残体。残体可通过类似胞吐的方式将内容物排出细胞。
溶酶体膜在成分上与其它生物膜有所不同。
次级溶酶体是初级溶酶体与细胞膜内的自噬泡或异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体，分别称之为自噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体（phagolysosome），二者都是进行消化作用的溶酶体。
（二）溶酶体的功能
溶酶体消化作用的3种途径：吞噬作用、胞饮作用、自噬作用。
1、清除无用的大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞。
2、防御功能是某些细胞特有的功能，它可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，形成异噬溶酶体。在溶酶体的作用理将其杀死并降解。
3、其它功能
①正常的消化作用，为细胞提供营养。
②在分泌细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，可能参与分泌过程的调节。
③细胞的自溶作用。清除动物发育过程中的某些细胞。
④在受精中的作用。
（三）溶酶体的发生
溶酶体酶在粗面内质网上合成并经N－连接的糖基化修饰，转至高尔基体后，在高尔基体的顺面膜囊中寡糖上的甘露糖残基发生磷酸化形成6－磷酸甘露糖（M6P），在高尔基体的反面膜囊和TGN膜上存M6P的受体，这样溶酶体的酶就与其它蛋白分开并得以浓缩，以出芽的方式形成溶酶体。但M6P分送途经并非溶酶体分选的唯一方式。
溶酶体酶甘露糖残基的磷酸化先后由两种酶催化：一种是N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶（N-acetylglucosamine
phosphotransferase，GlcNAc-P-transferase），另一种是磷酸葡糖苷酶（phosphoglycosidase）。
（四）溶酶体与过氧化物酶体
过氧化物酶体（peroxisome）又称微体（microbody），是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的细胞器，普遍存在于所有的动物细胞和很多植物细胞中。
1、过氧化物酶体与溶酶体的区别。
过氧化物酶体与初级溶酶体的特征比较
特征
溶酶体
微体
形态大小
大，球形变
小，球形，有酶晶体
酶种类
酸性水解酶
含有氧化酶类
pH
5左右
7左右
是否需要O2
不需要
需要
功能
细胞内的消化作用
多种功能
发生
在粗面内质网合成
在细胞质基质中合成
识别的标志酶
酸性水解酶等
过氧化氢酶
2、过氧化物酶体的功能
过氧化物酶体也是一种异质性的细胞器，在不同生物的细胞中，甚至单细胞生物的不同个体中所含酶的种类及其行使的功能有所不同。
过氧化物酶体中常含有两种酶：一是依赖于黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2；二是过氧化氢酶，它将H2O2分解。
植物细胞中的过氧化物酶体又叫乙醛酸循环体，参与光呼吸和乙醛酸循环反应。
3、过氧化物酶体的发生（P199）
过氧化物酶体的发生与线粒体和叶绿体相似，即已有的过氧化物酶体的分裂形成子代的细胞器。
第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡转运
由于蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种膜区或组分，因此存在不同的机制确保蛋白质分选、转运至细胞的特定部位。这一过程称蛋白质的定向转运（protein
targeting）或蛋白质分选（protein sorting）。
一、信号假说与蛋白质分选信号
1972年G.Blobel和D.Sabatini等提出信号假说（signal
hypothesis），即分泌蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体浸入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。
指导分泌蛋白在粗面内质网上合成的决定因素是蛋白质N端的信号肽（signal sequence或signal
peptide）。信号识别颗粒（signalrecognition particle，SRP）和内质网膜上的信号识别颗粒受体等因子协助完成这一过程。肽链上的信号序列决定了多肽在细胞质中的合成部位，并最终决定成熟蛋白的去向。分子伴侣在这些过程中起重要作用。
继信号假说提出与确证后，人门又发现了一系列的信号序列。指导蛋白的定向运转。
分子伴侣（molecular
chaperones）：细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位结合，从而帮助这些多肽转动、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称这分子伴侣。信号识别颗粒就是一种分子伴侣，它可与信号肽结合，帮助多肽转动。
二、蛋白质分选的基本途径与类型
蛋白质分选途径：①翻译后转运途径；②共翻译转运途径。
从蛋白质分选的转运方式或机制角度分为：1、蛋白质的跨膜转运（transmembrane transport）；2、膜泡转运（vesicle
transport）；3、选择性的门控转运（gated transport）；4、细胞质基质中的蛋白质转运。
三、膜泡运输
膜泡运输是蛋白质运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。
目前发现三种类型的有被小泡具有不同的物质运输作用，包括有网格被小泡、CopⅠ有被小泡和CopⅡ有被小泡等。
1、COPⅡ有被小泡的组装与运输
COPⅡ有被小泡介导细胞内顺向运输（anterograde
transport），即负责从内质网到高尔基体的物质运输。（P205）
COPⅡ包被蛋白由5种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的；
COPⅡ包被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。
2、COPⅠ有被小泡的组装与运输
COPⅠ有被小泡介导细胞内逆向运输（retrograde
transport），负责从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、某些蛋白如v-SNAREs和回收错误分选的内质网逃逸蛋白（escape
proteins）返回到内质网。
COPⅠ包被含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于ARF(GTP-binding
protein)；
COPⅠ-包被小泡在非选择性的批量运输( bulk flow)中行使功能,
负责 rER→Golgi →分泌泡细胞表面。
COPⅠ包被小泡除行使Golgi→ER逆行转运外，也可行使顺行转运功能, 从ER→ER-Golgi IC→Golgi。
3、网格蛋白有被小泡的组装与运输（207）
负责蛋白质从高尔基体TGN→质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输
在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜→内吞泡（细胞质)）→胞内体→溶酶体运输
高尔基体TGN是网格蛋白有被小泡形成的发源地
细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：
（1）转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止被包被在出芽形式的转运泡中而被排出；
（2）通过识别驻留蛋白C-端的回收信号(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特异性受体，以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。
四、细胞结构体系的组装
1、生物大分子的组装方式：
（1）自我装配（self-assembly）：信息存在于装配亚基的本身，同时也不排除细胞提供的装配环境；
（2）协助装配（aided-assembly）：除需要形成最终结构亚基，还需要其他成分介入，或对装配的亚基进行修饰；
（3）直接装配（direct-assembly）：直接装配到已形成的结构上。
（4）复合物与细胞结构体系的组装
2、装配具有重要的生物学意义：
（1）减少和校正蛋白质合成中出现的错误
（2）减少所需的遗传物质信息量
（3）通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程
膜围绕的细胞器大体分为两类：一类是与细胞内膜系统相关的，如内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体等；另一类是含有遗传物质DNA的细胞器，即细胞核、线粒体、叶绿体。
膜骨架体系在整个细胞结构体系中起了重要的的组织作用：一方面，起到支持和联系使整个细胞结构体系称为结构与功能上统一整体的作用；另一方面，提供很大的表面积，并通过细胞质基质与核基质进一步使细胞结构区域化分布。
