第五章細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其毒性機制

1、內(nèi)膜系統(tǒng)及其相關(guān)毒性機制 細胞內(nèi)區(qū)室化是真核細胞結(jié)構(gòu)和功能的基本特征之一，細胞內(nèi)被膜區(qū)分為3類結(jié)構(gòu)：細胞質(zhì)基質(zhì)、細胞內(nèi)膜系統(tǒng)和其他由膜包被的各種細胞器（諸如線粒體、葉綠體、過氧化物酶體和細胞核）。細胞質(zhì)基質(zhì)(cytosol) n 真核細胞的細胞質(zhì)中，除去可分辨的細胞器以外的膠狀物質(zhì)，占據(jù)著細胞膜內(nèi)、細胞核外的細胞內(nèi)空間，稱細胞質(zhì)基質(zhì)。n用差速離心的方法分離細胞勻漿物中的各種細胞組分，先后除去細胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體和細胞質(zhì)膜等細胞器或細胞結(jié)構(gòu)后，存留在上清液中的主要是細胞質(zhì)基質(zhì)的成分。n主要成分：中間代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類和細胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)。n主要特點：細胞質(zhì)基質(zhì)是一種高度有序的體系，通過

2、各種弱鍵的相互作用處于動態(tài)平衡。n 為某些蛋白合成和脂肪酸合成提供場所n 與細胞骨架相關(guān)功能n 與細胞膜相關(guān)功能n 與蛋白質(zhì)修飾和選擇性降解相關(guān)功能1.蛋白質(zhì)的修飾2.控制蛋白質(zhì)的壽命3.降解變性和錯誤折疊的蛋白質(zhì)（泛素依賴的降解途徑）4.幫助變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)重新折疊，形成正確的分子構(gòu)象細胞質(zhì)基質(zhì)的基本功能n 決定著蛋白質(zhì)壽命的信號存在于蛋白質(zhì)N端的第一個氨基酸殘基。若N端的第一個氨基酸是Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，則蛋白質(zhì)是穩(wěn)定的，反之則是不穩(wěn)定的。n 泛素依賴的降解途徑：泛素是一個由76個氨基酸殘基組成、具有熱穩(wěn)定性的小肽，它的作用主要是識別要被降

3、解的蛋白質(zhì)?？刂频鞍踪|(zhì)的壽命n 細胞中的某些蛋白質(zhì)分子可以識別正在合成的多肽或部分折疊的多肽并與多肽的某些部位相結(jié)合，從而幫助這些多肽轉(zhuǎn)運、折疊或裝配，這一類分子本身并不參與最終產(chǎn)物的形成，因此稱為分子伴侶。n 熱休克蛋白就是一類具有分子伴侶功能的蛋白質(zhì)。幫助變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)重新折疊形成正確的分子構(gòu)象內(nèi)膜系統(tǒng)(endomembrane system) n 細胞內(nèi)膜系統(tǒng)是指在結(jié)構(gòu)、功能及至發(fā)生上相互關(guān)聯(lián)、由單層膜包被的細胞器或細胞結(jié)構(gòu)，主要包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、胞內(nèi)體和分泌泡等。n 內(nèi)膜系統(tǒng)將細胞內(nèi)的生化合成、分泌和胞吞作用連接形成動態(tài)的、相互作用的網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (endoplas

4、mic reticulum, ER) n 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)由封閉的管狀或扁平囊狀膜系統(tǒng)及其包被的腔形成互相溝通的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。n 在不同類型的細胞中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的數(shù)量、類型與形態(tài)差異很大，同一細胞在不同發(fā)育階段和不同生理狀態(tài)下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與功能也隨之顯著變化。n 在細胞分裂時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)要經(jīng)歷解體與重建的過程。n 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)除核酸以外的生物大分子如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和糖類的合成基地。n 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的存在增加了細胞內(nèi)膜的表面積，為酶反應(yīng)提供了結(jié)合位點。n 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的封閉體系，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的物質(zhì)與細胞質(zhì)基質(zhì)中合成的物質(zhì)分隔開來，更有利于它們的加工和運輸。在細胞勻漿和超速離心過程中，由破碎的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的近似球形的囊泡

5、結(jié)構(gòu)稱為微粒體。（一）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本類型（二）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能（三）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與基因表達的調(diào)控 蛋白質(zhì)的合成是糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能 光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是脂類合成的重要場所 蛋白質(zhì)的修飾與加工 新生多肽的折疊與組裝 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其他功能粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：扁囊狀、排列整齊，膜表面附著大量核糖體，合成多種分泌蛋白和膜蛋白和內(nèi)膜系統(tǒng)細胞器內(nèi)的可溶性蛋白。因此在分泌細胞和分泌抗體的漿細胞中，糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)達，一些未分化的細胞與腫瘤細胞中則比較稀少光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：分支管狀，常作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)連續(xù)結(jié)構(gòu)的一部分存在，膜表面沒有核糖體附著，合成脂質(zhì)的位點。往往作為出芽位點，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)或脂質(zhì)轉(zhuǎn)移到高爾基體。合成固醇類

6、激素的細胞及肝細胞中更為發(fā)達。蛋白質(zhì)的合成n細胞中蛋白質(zhì)的合成都是起始于細胞質(zhì)基質(zhì)中游離核糖體。n在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白包括分泌蛋白，膜整合蛋白、細胞器中的可溶性駐留蛋白（需要隔離或修飾）。n其它的多肽是在細胞質(zhì)基質(zhì)是游離核糖體上合成的。包括細胞質(zhì)基質(zhì)中的駐留蛋白、質(zhì)膜外周蛋白、核輸入蛋白、轉(zhuǎn)運到線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的蛋白。脂質(zhì)合成n ER合成細胞所需的絕大多數(shù)膜脂，包括磷脂和膽固醇，但鞘磷脂和糖脂及部分線粒體和葉綠體的單一脂類除外。n 磷脂合成酶定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，其活性部位在膜的細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)。n 在磷脂轉(zhuǎn)位因子的作用下，新合成的脂類分子會由細胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)轉(zhuǎn)向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面。它對含膽堿的

7、磷脂（鞘磷脂和磷脂酰膽堿）要比對含絲氨酸、乙醇胺和肌醇的磷脂轉(zhuǎn)位能力強，因此導(dǎo)致了磷脂分子在膜上分布的不對稱性。n 蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留時間取決于正確折疊所需的時間。n 不能正確折疊的畸形肽鏈或未組裝的蛋白亞基從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔轉(zhuǎn)到細胞質(zhì)基質(zhì)，通過泛素依賴的降解途徑被蛋白酶體降解。新生多肽的折疊與組裝n 蛋白質(zhì)錯誤折疊引起疾病的機制大體可以分為兩類：一是正確折疊和轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)減少，無法保障功能需求，即功能缺失；二是錯誤折疊蛋白質(zhì)可以異常地獲得功能。n 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔是非還原性的環(huán)境，極易形成二硫鍵。蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(protein disulfide isomerase，PDI)切斷二硫鍵，幫助新合成的蛋白重

8、新形成二硫鍵并產(chǎn)生正確折疊的構(gòu)象。n 結(jié)合蛋白(Binding protein，Bip，chaperone)作用：一是Bip同進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的為未折疊蛋白質(zhì)的疏水氨基酸結(jié)合，防止多肽鏈不正確地折疊和聚合，或者識別錯誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進它們重新折疊與組裝；二是防止新合成的蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)運過程中變性或斷裂，一旦這些蛋白質(zhì)形成正確構(gòu)象或完成裝配，便與Bip分離，進入高爾基體。高爾基體 (Golgi body) n 高爾基體的極性不僅表現(xiàn)在它在細胞中往往有比較恒定的位置和方向，而且物質(zhì)從高爾基體的一側(cè)進入，從另一側(cè)輸出。n 靠近細胞核一側(cè)膜囊彎曲成凸面，又稱形成面(forming fac

9、e)或順面(cis face)。n 面向質(zhì)膜的一側(cè)膜囊呈凹面，又稱成熟面(mature face)或反面(trans face)。高爾基體功能高爾基體的主要功能是將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的多種蛋白質(zhì)進行加工、分類與包裝，然后分門別類地運送到細胞特定的部位或分泌到細胞外。1. 高爾基體與細胞的分泌活動2. 蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾3. 蛋白酶的水解和其他加工過程4. 高爾基體與細胞內(nèi)的膜泡運輸n 溶酶體酶的包裝與分選途徑：具有M6P標(biāo)記的溶酶體酶與相應(yīng)受體結(jié)合，通過出芽方式形成網(wǎng)格蛋白/AP包被膜泡。n 可調(diào)節(jié)性分泌途徑：特化類型的分泌細胞，新合成的可溶性分泌蛋白在分泌泡聚集，儲存并濃縮，只在特殊刺激條件下才

10、引發(fā)分泌活動。n 組成型分泌途徑：TGN的3條分選途徑糖基化修飾n 溶酶體中的水解酶類、多數(shù)細胞膜上的膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白，而在細胞質(zhì)基質(zhì)和細胞核中絕大多數(shù)蛋白質(zhì)缺少糖基化修飾。n 糖蛋白中寡糖鏈的合成與修飾都沒有模板，靠不同的酶在細胞的不同間隔中經(jīng)歷復(fù)雜的加工過程才能完成。n 糖基化修飾的生物學(xué)功能： 蛋白質(zhì)糖基化修飾使不同蛋白質(zhì)攜帶不同標(biāo)志，以利于在高爾基體進行分類與包裝，同時保證糖蛋白從糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體膜囊單向轉(zhuǎn)移。 糖基化的蛋白質(zhì)寡糖鏈具有促進蛋白質(zhì)折疊和增強蛋白穩(wěn)定性的作用。 細胞表面的寡糖鏈可通過與凝集素之間的特異性作用，直接介導(dǎo)細胞間的雙向通訊。 寡糖鏈可作為分子標(biāo)志參

11、與機體細胞間識別，以及宿主細胞與病原微生物之間的識別。 進化上的意義：寡糖鏈具有一定的剛性，從而限制了其它大分子接近細胞表面的膜蛋白，這就可能使真核細胞的祖先具有一個保護性的外被，同時又不象細胞壁那樣限制細胞的形狀與運動。 糖基化修飾溶酶體 (lysosome) n 溶酶體是單層膜圍繞、內(nèi)含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，其主要功能是行使細胞內(nèi)的消化作用。n 溶酶體是一種異質(zhì)性(heterogeneous)的細胞器 ，不同溶酶體的形態(tài)大小、甚至其中所包含的水解酶的種類都有很大的不同。n 溶酶體的類型1.初級溶酶體(primary lysosome)2.次級溶酶體(secondary lysos

12、ome)3.殘質(zhì)體(residual body)n 溶酶體是單層膜圍繞、內(nèi)含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，其主要功能是行使細胞內(nèi)的消化作用。n 溶酶體是一種異質(zhì)性(heterogeneous)的細胞器 ，不同溶酶體的形態(tài)大小、甚至其中所包含的水解酶的種類都有很大的不同。n 溶酶體的類型形態(tài)結(jié)構(gòu)與類型1.初級溶酶體(primary lysosome)2.次級溶酶體(secondary lysosome)3.殘質(zhì)體(residual body)n內(nèi)容物均一，不含明顯的顆粒物質(zhì)；n60余種溶酶體的酶類，都屬于酸性水解酶；n溶酶體的膜在成分上的特點： 嵌有質(zhì)子泵，形成和維持溶酶體中酸性的內(nèi)環(huán)境； 具

13、有多種載體蛋白用于水解產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。n溶酶體的標(biāo)志酶：酸性磷酸酶(acid phosphatease，ACP）初級溶酶體次級溶酶體n自噬溶酶體(autophagolysosome)n異噬溶酶體(heterophagic lysosome)n 清除無用的生物大分子、衰老的細胞器及衰老損傷和死亡的細胞。n 防御功能：識別并吞噬入侵的病毒或細菌。n 其他重要的生理功能 作為細胞內(nèi)的消化“器官”為細胞提供營養(yǎng)； 分泌腺細胞中，溶酶體攝入分泌顆粒參與分泌過程的調(diào)節(jié)。 參與清除贅生組織或退行性變化的細胞； 在受精過程中的頂體反應(yīng)。溶酶體功能過氧化物酶體

14、(perioxisome) n 動物細胞（肝細胞或腎細胞）中的過氧化物酶體過氧化物酶體可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒的作用。n 過氧化物酶體中常含有兩種酶：一是依賴于黃素(FAD)的氧化酶，其作用是將底物氧化形成H2O2；二是過氧化氫酶，這兩種酶催化的反應(yīng)相互偶聯(lián)，從而使細胞免受H2O2的毒害。n 過氧化物酶體分解脂肪酸等高能分子向細胞直接提供熱量。n 在植物細胞中過氧化物酶體的功能： 在綠色植物葉肉細胞中，它催化CO2固定反應(yīng)副產(chǎn)物的氧化，即光呼吸反應(yīng)。 乙醛酸循環(huán)反應(yīng)，在種子萌發(fā)過程中，過氧化物酶體降解儲存的脂肪酸乙酰輔酶A琥珀酸葡萄糖。 過氧化物酶體與初級溶酶體的作用比較特征溶酶體

15、過氧化物酶體形態(tài)大小多為球形，直徑0.2-0.5m，無酶晶體球形，哺乳動物中直徑多為0.15-0.25m，內(nèi)常有酶晶體酶種類酸性水解酶含氧化酶類pH值5左右7左右是否需氧不需要需要功能細胞內(nèi)的消化作用多種功能發(fā)生酶在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成經(jīng)高爾基體出芽形成酶在細胞質(zhì)中合成，經(jīng)分裂裝配形成標(biāo)志酶酸性磷酸酶過氧化氫酶n信號序列(signal sequence)：存在于蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)上的線性序列，通常由15-60個氨基酸殘基組成，有些信號序列在完成蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)移后被信號肽酶切除；通常信號序列對所引導(dǎo)的蛋白質(zhì)沒有特異性要求。n信號斑(signal patch)：存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中，構(gòu)成信號斑的信號序列

16、之間可以不相鄰，折疊在一起構(gòu)成蛋白質(zhì)分選的信號。n每一種信號序列決定特殊的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運方向。信號序列 引導(dǎo)新合成的肽鏈轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的信號序列稱為信號肽，位于合成肽鏈的N端，一般有16-26個氨基酸殘基，包括疏水核心區(qū)(h)、信號肽的C端和N端三部分。由于信號肽又是引導(dǎo)肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的一段序列，又稱開始轉(zhuǎn)移序列(start transfer sequence)；信號肽沒有嚴(yán)格的專一性，目前尚未發(fā)現(xiàn)共同的信號序列。信號肽(signal peptide) 由6種不同的蛋白和一個7S RNA(長約300bp)組成的復(fù)合物，SRP上有3個功能部位：信號肽識別結(jié)合位點(P54)、翻譯暫停結(jié)構(gòu)域(P9

17、/P14)、SRP受體蛋白結(jié)合位點(P68/P72)。信號識別顆粒信號識別顆粒受體(SRP receptor)n 定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，是異二聚體的膜整合蛋白。n 其作用是與SRP發(fā)生特異結(jié)合，將多肽鏈從胞質(zhì)拉到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。n 當(dāng)SRP的p54亞基和SRP受體的亞基與GTP結(jié)合時，會增強SRP/新生肽/核糖體復(fù)合物與SRP受體結(jié)合的強度。n 開始轉(zhuǎn)移序列：蛋白質(zhì)N端的信號序列除作為信號被SRP識別外，還具有引導(dǎo)新生肽穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜易位子的作用。n 停止轉(zhuǎn)移序列：肽鏈中還有某些序列與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜有很強的親和力從而使之結(jié)合在脂雙層之中，這段序列不再轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，稱為停止轉(zhuǎn)移序列或內(nèi)在信號錨定序列。n 只有

18、N端信號序列而沒有停止轉(zhuǎn)移序列的多肽進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。n 起始轉(zhuǎn)移序列和停止轉(zhuǎn)移序列的數(shù)目決定多肽跨膜次數(shù)。 線粒體、葉綠體中的絕大多數(shù)蛋白質(zhì)以及過氧化物酶體中的蛋白質(zhì)也是在某種信號序列的指導(dǎo)下進入這些細胞器中，這些序列稱為導(dǎo)肽。其基本的特征是蛋白質(zhì)在細胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后再轉(zhuǎn)移到這些細胞器中，稱為后翻譯轉(zhuǎn)運(post translocation)。蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移過程需要ATP使多肽去折疊，還需要一些蛋白質(zhì)的幫助（如熱休克蛋白Hsp70）使其能夠正確地折疊成有功能的蛋白。 后翻譯轉(zhuǎn)運n翻譯后轉(zhuǎn)運途徑：在細胞質(zhì)基質(zhì)游離核糖體上完成多肽鏈合成，然后轉(zhuǎn)運至膜圍繞的細胞器，如線粒體、葉綠體、過氧化物酶體及細

19、胞核，或者成為細胞質(zhì)基質(zhì)的可溶性駐留蛋白和支架蛋白；n共翻譯轉(zhuǎn)運途徑：蛋白質(zhì)合成在游離核糖體上起始之后，由信號肽及其與之結(jié)合的SRP引導(dǎo)轉(zhuǎn)移至糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，然后新生肽邊合成邊轉(zhuǎn)入粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔或定位在ER膜上，經(jīng)轉(zhuǎn)運膜泡運至高爾基體加工包裝再分選至溶酶體、細胞質(zhì)膜或分泌到細胞外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體本身的蛋白也是通過這條途徑分選的。蛋白質(zhì)分選的基本途徑301.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷時會出現(xiàn)：腫脹、破裂和解體以及包含物的形成等，在細胞受到低氧刺激時引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹、擴張以及脫顆粒。病毒性肝炎：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脫顆粒，同時內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔出現(xiàn)大量水分，蛋白質(zhì)合成中斷。2.高爾基體損傷：正常情況下高爾基體參與分泌物的貯存、濃縮和聚集以及運輸，同時也進行糖蛋白、糖脂和多糖的合成及蛋白質(zhì)氨基酸的硫化，在間質(zhì)腫瘤細胞中，高爾基體很不發(fā)達，分化較好的惡性腫瘤細胞中，高爾基體比較發(fā)達，如肝細胞腫瘤。細胞器異常 肝細胞的解毒作用(De