第五章真核細胞內(nèi)膜系統(tǒng)蛋白質分選與膜泡運輸

1、第五章 真核細胞內(nèi)膜系統(tǒng)、蛋白質分選與膜泡運輸 真核細胞在進化上一個顯著特點就是出現(xiàn)了細胞內(nèi)的區(qū)隔（intracellular compartment），細胞質被分隔成不同的由膜包裹的區(qū)室，即被膜細胞器（ Membrane Bound Organelles ）。內(nèi)質網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、胞內(nèi)體和分泌泡等雖然具有各自獨立的結構和功能，但它們之間又緊密相關，每個細胞器都作為相互協(xié)調的功能單位的一部分而發(fā)揮作用。因而被總稱為細胞內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembrane system）。(see next)EndosymbiosisEvolution of Nuclear Membrane and ER從系

2、統(tǒng)發(fā)生來看內(nèi)膜系統(tǒng)起源于質膜的內(nèi)陷和內(nèi)共生。從個體發(fā)生來看新細胞的內(nèi)膜系統(tǒng)來源于原有內(nèi)膜系統(tǒng)的分裂，具有核外遺傳的特性。真核細胞的細胞質中，除去可分辨的細胞器以外的膠狀物質，稱細胞質基質（cytoplasmic matrix or cytomatrix）。本章內(nèi)容第一節(jié) 細胞質基質的涵義與功能第二節(jié) 細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能第三節(jié) 細胞內(nèi)蛋白質的分選與膜泡運輸?shù)谝还?jié) 細胞質基質的涵義與功能也被稱為：細胞液(cell sap)，透明質(hyaloplasm)，胞質溶膠(cytosol)成分：主要含有與中間代謝有關的數(shù)千種酶類，與維持細胞形態(tài)和細胞內(nèi)物質運輸有關的細胞質骨架。水和無機離子（K、Na、M

3、g、Ca、Cl)脂、糖、氨基酸、核苷酸及其衍生物蛋白質、脂蛋白、多糖、RNA糖原等一些處于貯存狀態(tài)的重要化合物細胞質基質的功能 完成各種中間代謝過程如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等與細胞質骨架相關的功能維持細胞形態(tài)、細胞運動、胞內(nèi)物質運輸及能量傳遞等 蛋白質的修飾、蛋白質選擇性的降解蛋白質的修飾 控制蛋白質的壽命降解變性和錯誤折疊的蛋白質幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新折疊，形成正確的分子構象 第二節(jié)細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能內(nèi)質網(wǎng)高爾基體溶酶體一、內(nèi)質網(wǎng)K. R. Porter等于1945年發(fā)現(xiàn)于培養(yǎng)的小鼠成纖維細胞，因最初看到的是位于細胞質內(nèi)部的網(wǎng)狀結構，故名內(nèi)質網(wǎng)（endoplasmic

4、 reticulum，ER）。分類組成功能根據(jù)是否附有核糖體：粗面內(nèi)質網(wǎng)（糙面內(nèi)質網(wǎng)，routh endoplasmic reticulum, rER)有核糖體附著光面內(nèi)質網(wǎng)（滑面內(nèi)質網(wǎng)，smooth endoplasmic reticulum, sER)無核糖體附著光面內(nèi)質網(wǎng)往往作為出芽的位點, 將內(nèi)質網(wǎng)上合成的蛋白質或脂類轉運到高爾基體。1、分類2、結構和組成形態(tài)結構ER 由封閉的膜系統(tǒng)及其形成的腔構成相互溝通的網(wǎng)狀結構。它從核膜延伸至細胞質中，靠近細胞質內(nèi)側。（next）ER 是真核細胞中最大的細胞器 ER的膜占細胞膜系統(tǒng)的一半所包圍的體積占細胞總體積的10%超薄和掃描電鏡觀察的內(nèi)質網(wǎng)

5、上部介透射電鏡照片,下部是掃描電鏡照片粗面內(nèi)質網(wǎng)呈扁平囊狀，排列整齊光面內(nèi)質網(wǎng)呈分支管狀或小泡狀特征：大大增加了細胞內(nèi)膜的表面積，為多種酶體系提供了大面積的結合位點。完整的封閉體系將其上合成的物質與細胞基質中合成的物質分隔開，利于它們的加工和運輸。組成：內(nèi)質網(wǎng)是膜囊結構，所以構成內(nèi)質網(wǎng)的主要化學成份是蛋白質和脂。葡萄糖-6-磷酸酶，普遍存在于內(nèi)質網(wǎng)，被認為是標志酶微粒體(microsome) ：內(nèi)質網(wǎng)的一種特化類型在細胞勻漿和差速離心過程中獲得的由破碎的內(nèi)質網(wǎng)自我融合形成的近似球形的膜囊泡狀結構。在體外實驗中,具有蛋白質合成、蛋白質糖基化和脂類合成等內(nèi)質網(wǎng)的基本功能。3、內(nèi)質網(wǎng)的功能（1）蛋白

6、質的合成 分泌性蛋白質； 膜整合蛋白； 細胞器中的可溶性駐留蛋白。（2）脂質的合成（3）蛋白質的修飾與加工（4）新生多肽的折疊與裝配（5）內(nèi)質網(wǎng)的解毒功能（6）內(nèi)質網(wǎng)具有儲存Ca2+的功能脂質的合成內(nèi)質網(wǎng)合成構成細胞所需的包括磷脂和膽固醇在內(nèi)的幾乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰膽堿（卵磷脂）。合成磷脂所需要的3種酶（如?；D移酶，磷酸酶，膽堿磷酸轉移酶）都定位在內(nèi)質網(wǎng)膜上，其活性部位在膜的細胞質基質一側。 The synthesis of phosphatidylcholine. This phospholipid is synthesized from fatty acyl-coenz

7、yme A (fatty acyl CoA), glycerol 3-phosphate, and cytidine-bisphosphocholine (CDP-choline) 轉位：在內(nèi)質網(wǎng)上合成的磷脂幾分鐘之后就由胞質溶膠面轉向膜的另一面，即內(nèi)質網(wǎng)腔面, 磷脂的轉位是由內(nèi)質網(wǎng)膜中磷脂轉位蛋白(phospholipid translocator)或稱翻轉酶（flippase）幫助的。轉運: 內(nèi)質網(wǎng)中的磷脂向其它膜的轉運有兩種方式：出芽( budding)：ERGC、Ly、PM 磷脂轉換蛋白(phospholipid exchange proteins, PEP）：磷脂分子+PEP細胞質基

8、質靶膜（線粒體、過氧化物酶體的膜）(see next)糖原分解與游離葡萄糖釋放在肝細胞中,糖原裂解釋放葡萄糖-1-磷酸,然后再轉變成葡萄糖-6-磷酸,由于磷酸化的葡萄糖不能通過細胞質膜,光面內(nèi)質網(wǎng)上的葡萄糖-6-磷酸酶將葡萄糖-6-磷酸水解為葡萄糖和磷酸后,葡萄糖就可穿過細胞質膜進入血液解毒作用(detoxification)肝細胞中的光面內(nèi)質網(wǎng)很豐富，其中含有一些酶，用以清除脂溶性廢物和代謝產(chǎn)生的有害物質。如細胞色素P-450家族酶系能使聚集在光面內(nèi)質網(wǎng)上的不溶于水的廢物或代謝產(chǎn)物羥基化而完全溶于水轉運出細胞進入尿液中。貯Ca2+功能：肌質網(wǎng)(sarcoplasmic reticullum)

9、是肌細胞內(nèi)特化的光面內(nèi)質網(wǎng), 是貯存Ca2+的細胞器。Translocation of soluble proteins across ER蛋白質的合成向細胞外分泌的蛋白質膜的整合蛋白質細胞器中可溶性駐留蛋白質（soluble proteins that reside within compartments of the endomembrane system ）蛋白質的修飾與加工包括糖基化、羥基化、?；⒍蜴I形成等，其中最主要的是糖基化，幾乎所有內(nèi)質網(wǎng)上合成的蛋白質最終被糖基化。糖基化的作用：使蛋白質能夠抵抗消化酶的作用；賦予蛋白質傳導信號的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正確折疊。在

10、進化上，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。內(nèi)質網(wǎng)上進行N-連接的糖基化。N-linked glycosylation：與天冬酰胺殘基的NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。Protein glycosylation in RER新生多肽的折疊與裝配二硫鍵異構酶（protein disulfide isomerase，PDI：ER駐留蛋白）催化新合成的蛋白形成和改組二硫鍵，形成正確的折疊狀態(tài)。分子伴侶BiP（Binding protein）識別錯誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促

11、進重新折疊與裝配。不能正確折疊的畸形肽鏈或未裝配成寡聚體的蛋白質亞單位，不能進入高爾基體。這些多肽一旦被識別，便從內(nèi)質網(wǎng)腔轉至細胞質基質（通過Sec61p復合體），被蛋白酶體（proteasomesprotein-degrading machine）所降解。（see next）二、高爾基體高爾基體（Golgi body），也稱高爾基器(Golgi apparatus)或高爾基復合體(Golgi complex)最早發(fā)現(xiàn)于1855年，1889年，Golgi用銀染法，在貓頭鷹的神經(jīng)細胞內(nèi)觀察到了清晰的結構，因此定名為高爾基體。20世紀50年代以后才正確認識它的存在和結構。1909年諾貝爾獎。Gol

12、gi Apparatus in a plant parenchyma cell from Sauromatum guttatum (TEM x145,700).組成：高爾基體膜含有大約60%的蛋白和40%的脂類。從蛋白質含量看, 高爾基復合體高于內(nèi)質網(wǎng)和質膜（分別為20%和40%）。 從總磷脂看, 高爾基體介于內(nèi)質網(wǎng)和質膜之間。標志酶為糖基轉移酶。還有磺基-糖基轉移酶、氧化還原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、轉移酶和磷脂酶等不同的類型。 1、形態(tài)和組成功能區(qū)隔：CGNMedial GolgiTGNCGN最內(nèi)側稱高爾基體順面網(wǎng)絡結構（cis Golgi network，CGN），呈相互連接的管

13、網(wǎng)結構（interconnected network of tubules）,是高爾基體的入口區(qū)域。Diagram of Golgi body. Vesicles arrive at the cis face and leave from trans face. The internal compartment of each membrane sac is called a “cisterna” (pl. cisternae).Golgi Stack：高爾基體的主體由一系列大的、扁平膜囊和管道組成，形成不同間隔，但功能上是連續(xù)的?？煞譃轫樏婺つ遥╟is cisternae）、中間膜囊（med

14、ial cisternae）和反面膜囊（trans cisternae）。多數(shù)糖基化修飾、糖脂的形成以及與高爾基體有關的多糖的合成都發(fā)生在此。TGN：反面最外側稱高爾基體反面網(wǎng)絡結構（trans Golgi network，TGN），呈管網(wǎng)狀，并有囊泡與之相連。是高爾基體的出口區(qū)域，功能是參與蛋白質的分類與包裝，最后輸出。2、高爾基體的功能蛋白質運輸和分選（sorting）蛋白質修飾水解糖基化硫酸化：蛋白聚糖膜循環(huán)：內(nèi)質網(wǎng)上合成的脂質一部分轉移至高爾基體后，經(jīng)過修飾和加工，形成運輸泡，向細胞膜和溶酶體膜等部位運輸。高爾基體的主要功能是將內(nèi)質網(wǎng)合成的多種蛋白質進行加工、分類與包裝，然后分門別類地

15、運送到細胞特定的部位或分泌到細胞外。(見第三節(jié))糖基化O-連接的糖基化在高爾基體中進行，糖的供體為核苷糖（半乳糖或N-乙酰半乳糖胺）。將糖鏈轉移到多肽鏈的絲氨酸、蘇氨酸或羥賴氨酸的羥基上。N-連接的寡聚糖進一步加工內(nèi)質網(wǎng)上：磷酸多萜醇上的糖基轉移到多肽的天冬酰胺（Asn）上；高爾基體：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的單糖，形成成熟的糖蛋白。蛋白質糖基化類型 特 征 N-連接 O-連接1. 合成部位 粗面內(nèi)質網(wǎng) 高爾基體2. 合成方式 來自同一個寡糖前體一個個單糖加上去3. 與之結合的 氨基酸殘基 天冬酰胺 絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸、羥脯氨酸4 最終長度 至少5個 糖殘基一般14個糖

16、殘基，但ABO血型抗原較長5.第一個糖殘基N乙酰葡萄糖胺N乙酰半乳糖胺等蛋白質在高爾基體中酶解加工無生物活性的蛋白原（proprotein）高爾基體切除N-端或兩端的序列成熟的多肽。如胰島素、胰高血糖素及血清白蛋白等。蛋白質前體高爾基體水解同種有活性的多肽，如神經(jīng)肽等。含有不同信號序列的蛋白質前體高爾基體加工成不同的產(chǎn)物。同一種蛋白質前體不同細胞、以不同的方式加工不同的多肽。三、溶酶體與過氧化物酶體（一）溶酶體及其類型1955年, de Duve與Novikoff首次發(fā)現(xiàn)溶酶體(lysosome)。它是單層膜圍繞、內(nèi)含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，其主要功能是進行細胞內(nèi)消化。溶酶體幾乎存在于

17、所有動物細胞中，植物細胞內(nèi)也有與溶酶體功能類似的細胞器圓球體及液泡。溶酶體膜雖然與質膜厚度相近，但成分不同，主要區(qū)別是： 膜有質子泵，將H+泵入溶酶體，使其pH值降低。 具有多種載體蛋白用于水解的產(chǎn)物向外轉運。 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。 溶酶體是一種異質性的細胞器，形態(tài)大小及內(nèi)含的水解酶種類都可能有很大的不同，標志酶為酸性磷酸酶。根據(jù)完成其生理功能的不同階段可分為: （1）初級溶酶體(primary lysosome) （2）次級溶酶體 (secondary lysosome) （3）殘余小體 (residual body)內(nèi)含物均一，無明顯顆粒，由高爾基體分泌形成，含

18、有多種水解酶，已知60余種，均屬于酸性水解酶，反應的最適PH值為4.6（5.0）左右。（1）初級溶酶體（primary lysosome）Secondary lysosome是正在進行或完成消化作用的溶酶體，內(nèi)含水解酶和相應的底物，可分為： 自噬溶酶體（autophagolysosome）和異噬溶酶體(phagolysosome) 。（2）次級溶酶體（secondary lysosome）肝細胞脂褐質又稱后溶酶體（post-lysosome）已失去酶活性，僅留未消化的殘渣，故名。殘體可通過外排作用排出細胞，也可能留在細胞內(nèi)逐年增多，如表皮細胞的老年斑，肝細胞的脂褐質。（3）殘體（residua

19、l body）（二）溶酶體的功能1、清除無用的生物大分子、衰老細胞器、衰老損 傷和死亡的細胞、個體發(fā)育中多余的細胞；2、防御作用 (如巨噬細胞殺死病原體)；3、通過細胞內(nèi)消化為細胞提供營養(yǎng)（如高等動物 內(nèi)吞低密度脂蛋白獲得膽固醇，單細胞真核生 物利用溶酶體消化食物。4、參與分泌過程的調節(jié)（如將甲狀腺球蛋白降解 成有活性的甲狀腺素）；5、在受精過程中的作用。動物細胞溶酶體系統(tǒng)示意圖（三）溶酶體的發(fā)生溶酶體酶的合成及N-連接的糖基化修飾（rER） 高爾基體cis膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉移酶磷酸葡萄糖苷酶M6P高爾基體trans-膜囊和TGN膜（M6P受體）溶酶體酶分選與

20、局部濃縮以出芽的方式轉運到前溶酶體溶酶體的發(fā)生（四）溶酶體與疾病1、矽肺2、肺結核3、類風濕性關節(jié)炎4、各類貯積癥（五）過氧化物酶體過氧化物酶體(peroxisom)又稱微體(microbody)，是由單層膜圍繞的內(nèi)含一種或幾種氧化酶類的異質性細胞器。 1、過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別 2、過氧化物酶體的功能 3、過氧化物酶體的發(fā)生第三節(jié) 細胞內(nèi)蛋白質的分選與膜泡運輸?shù)鞍踪|分選（Protein sorting）:絕大多數(shù)蛋白質均在細胞質基質中的核糖體上開始合成，隨后，或在細胞質基質中或運至糙面內(nèi)質網(wǎng)上繼續(xù)合成。然后，通過不同的途徑轉運到細胞的特定部位，也只有轉運到正確的部位并裝配成結構與功能復合

21、體，才能參與細胞的生命活動。這一過程稱蛋白質的定向轉運或分選。一、信號假說與與分泌性蛋白質的合成（一）信號假說為什么有些蛋白質在細胞質基質中合成，而有些在糙面內(nèi)質網(wǎng)上合成呢？Blobel 推測分泌性蛋白N端序列作為信號肽，指導分泌性蛋白到內(nèi)質網(wǎng)膜上合成，在蛋白合成結束之前信號肽被切除。這就是1975年，美國紐約洛克菲勒大學的Gunter Blobel等提出的信號肽假說（G. Blobel因此而獲得1999年諾貝爾生理學/醫(yī)學獎）?，F(xiàn)已確認，指導分泌性蛋白在糙面內(nèi)質網(wǎng)上合成的決定因素除了蛋白質N端的信號肽（signal sequence或signal peptide）外，還有信號識別顆粒（sig

22、nal recognition particle, SRP）以及位于內(nèi)質網(wǎng)膜上的信號識別顆粒受體（又稱停泊蛋白docking protein, DP）和易位子等組分。 分泌性蛋白在內(nèi)質網(wǎng)上的合成過程如下：蛋白質首先在細胞質基質游離核糖體上起始合成，當多肽鏈延伸至80個氨基酸左右后，N端的信號肽與信號識別顆粒結合使肽鏈延伸暫時停止，并防止新生肽N端損傷和成熟前折疊，直至信號識別顆粒與內(nèi)質網(wǎng)膜上的停泊蛋白結合，核糖體與內(nèi)質網(wǎng)膜上的易位子結合。核糖體結合到內(nèi)質網(wǎng)膜上后，信號識別顆粒脫離信號序列和核糖體，返回細胞質基質中重復使用，肽鏈又開始延伸。信號肽與易位子結合并使孔道打開，信號肽穿入內(nèi)質網(wǎng)膜并引導

23、肽鏈以袢環(huán)形式進入內(nèi)質網(wǎng)腔中，與此同時，腔面上的信號肽酶切除信號肽。肽鏈繼續(xù)延伸直至完成整個多肽鏈的合成。 （二）信號肽與共轉移信號肽（signal peptide)：信號肽位于蛋白質的N端，一般有1626個氨基酸殘基，分三個區(qū)：N端為親水區(qū)含堿性氨基酸,帶正電荷。中間疏水區(qū)含中性或疏水性氨基酸。C端是信號肽酶切割信號肽的部位。以上這種肽鏈邊合成邊轉移至內(nèi)質網(wǎng)腔中的方式稱共轉移，信號肽可以看作為開始轉移序列。 （三）信號肽與后轉移線粒體、葉綠體中絕大多數(shù)蛋白質以及過氧化物酶體中的蛋白質也是在某種信號序列的指導下進入這些細胞器中。這種序列稱為導肽或前導肽，其基本特征是蛋白質在細胞質基質中合成以后再轉移到這些細胞器中，因此稱后轉移。 二、蛋白質分選的基本途徑與類型蛋白質的分選大體可分為兩條途徑： 一是在細胞質基質中完成多肽的合成，然后轉運至膜圍繞的細胞器； 另一條蛋白質合成起始后轉移至糙面內(nèi)質網(wǎng)，新生肽邊合成邊轉入糙面內(nèi)質網(wǎng)腔中，隨后經(jīng)高爾基體運至溶酶體、細胞膜或分泌到細胞外。 細胞質基質線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、細胞核粗面內(nèi)質網(wǎng)溶酶體、細胞膜、