第五章細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其毒性機(jī)制

第五章細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其毒性機(jī)制第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一用差速離心的方法分離細(xì)胞勻漿物中的各種細(xì)胞組分，先后除去細(xì)胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體和細(xì)胞質(zhì)膜等細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)后，存留在上清液中的主要是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的成分。主要成分：中間代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類和細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)。主要特點(diǎn)：細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是一種高度有序的體系，通過各種弱鍵的相互作用處于動態(tài)平衡。第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一為某些蛋白合成和脂肪酸合成提供場所與細(xì)胞骨架相關(guān)功能與細(xì)胞膜相關(guān)功能與蛋白質(zhì)修飾和選擇性降解相關(guān)功能蛋白質(zhì)的修飾控制蛋白質(zhì)的壽命降解變性和錯誤折疊的蛋白質(zhì)（泛素依賴的降解途徑）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(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的基本功能第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一決定著蛋白質(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。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解的蛋白質(zhì)?？刂频鞍踪|(zhì)的壽命第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一細(xì)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(yùn)、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。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)象第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)膜系統(tǒng)(endomembranesystem)

細(xì)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(xì)胞器或細(xì)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。內(nèi)膜系統(tǒng)將細(xì)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)。第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum,ER)

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)。在不同類型的細(xì)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(xì)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。在細(xì)胞分裂時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)要經(jīng)歷解體與重建的過程。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)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。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的存在增加了細(xì)胞內(nèi)膜的表面積，為酶反應(yīng)提供了結(jié)合位點(diǎn)。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(xì)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(yùn)輸。在細(xì)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結(jié)構(gòu)稱為微粒體。第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一（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(dá)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)的其他功能第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一粗面內(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(xì)胞器內(nèi)的可溶性蛋白。因此在分泌細(xì)胞和分泌抗體的漿細(xì)胞中，糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)達(dá)，一些未分化的細(xì)胞與腫瘤細(xì)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(diǎn)。往往作為出芽位點(diǎn)，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。合成固醇類激素的細(xì)胞及肝細(xì)胞中更為發(fā)達(dá)。第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一蛋白質(zhì)的合成細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成都是起始于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中游離核糖體。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(xì)胞器中的可溶性駐留蛋白（需要隔離或修飾）。其它的多肽是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是游離核糖體上合成的。包括細(xì)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(yùn)到線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的蛋白。脂質(zhì)合成ER合成細(xì)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。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(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)。在磷脂轉(zhuǎn)位因子的作用下，新合成的脂類分子會由細(xì)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(qiáng)，因此導(dǎo)致了磷脂分子在膜上分布的不對稱性。第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留時間取決于正確折疊所需的時間。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(xì)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蛋白質(zhì)錯誤折疊引起疾病的機(jī)制大體可以分為兩類：一是正確折疊和轉(zhuǎn)運(yùn)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。第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一內(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(proteindisulfideisomerase，PDI)切斷二硫鍵，幫助新合成的蛋白重新形成二硫鍵并產(chǎn)生正確折疊的構(gòu)象。結(jié)合蛋白(Bindingprotein，Bip，chaperone)作用：一是Bip同進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jìn)入高爾基體。第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一高爾基體(Golgi

body)

高爾基體的極性不僅表現(xiàn)在它在細(xì)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(jìn)入，從另一側(cè)輸出?？拷?xì)胞核一側(cè)膜囊彎曲成凸面，又稱形成面(formingface)或順面(cisface)。面向質(zhì)膜的一側(cè)膜囊呈凹面，又稱成熟面(matureface)或反面(transface)。第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一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(jìn)行加工、分類與包裝，然后分門別類地運(yùn)送到細(xì)胞特定的部位或分泌到細(xì)胞外。高爾基體與細(xì)胞的分泌活動蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾蛋白酶的水解和其他加工過程高爾基體與細(xì)胞內(nèi)的膜泡運(yùn)輸?shù)?4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一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?？烧{(diào)節(jié)性分泌途徑：特化類型的分泌細(xì)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引發(fā)分泌活動。組成型分泌途徑：TGN的3條分選途徑第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一糖基化修飾溶酶體中的水解酶類、多數(shù)細(xì)胞膜上的膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白，而在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞核中絕大多數(shù)蛋白質(zhì)缺少糖基化修飾。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(xì)胞的不同間隔中經(jīng)歷復(fù)雜的加工過程才能完成。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(jìn)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。

第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

糖基化的蛋白質(zhì)寡糖鏈具有促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊和增強(qiáng)蛋白穩(wěn)定性的作用。細(xì)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(xì)胞間的雙向通訊。寡糖鏈可作為分子標(biāo)志參與機(jī)體細(xì)胞間識別，以及宿主細(xì)胞與病原微生物之間的識別。

進(jìn)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(xì)胞表面的膜蛋白，這就可能使真核細(xì)胞的祖先具有一個保護(hù)性的外被，同時又不象細(xì)胞壁那樣限制細(xì)胞的形狀與運(yùn)動。糖基化修飾第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一溶酶體(lysosome)

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(xì)胞器，其主要功能是行使細(xì)胞內(nèi)的消化作用。溶酶體是一種異質(zhì)性(heterogeneous)的細(xì)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。溶酶體的類型初級溶酶體(primarylysosome)次級溶酶體(secondarylysosome)殘質(zhì)體(residualbody)第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一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(xì)胞器，其主要功能是行使細(xì)胞內(nèi)的消化作用。溶酶體是一種異質(zhì)性(heterogeneous)的細(xì)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。溶酶體的類型形態(tài)結(jié)構(gòu)與類型初級溶酶體(primarylysosome)次級溶酶體(secondarylysosome)殘質(zhì)體(residualbody)第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容物均一，不含明顯的顆粒物質(zhì)；60余種溶酶體的酶類，都屬于酸性水解酶；溶酶體的膜在成分上的特點(diǎn)：嵌有質(zhì)子泵，形成和維持溶酶體中酸性的內(nèi)環(huán)境；

具有多種載體蛋白用于水解產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運(yùn)；

膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶體的標(biāo)志酶：酸性磷酸酶(acidphosphatease，ACP）初級溶酶體次級溶酶體自噬溶酶體(autophagolysosome)異噬溶酶體(heterophagiclysosome)第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一清除無用的生物大分子、衰老的細(xì)胞器及衰老損傷和死亡的細(xì)胞。防御功能：識別并吞噬入侵的病毒或細(xì)菌。其他重要的生理功能作為細(xì)胞內(nèi)的消化“器官”為細(xì)胞提供營養(yǎng)；分泌腺細(xì)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(xì)胞；在受精過程中的頂體反應(yīng)。溶酶體功能第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一過氧化物酶體(perioxisome)

動物細(xì)胞（肝細(xì)胞或腎細(xì)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。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(xì)胞免受H2O2的毒害。過氧化物酶體分解脂肪酸等高能分子向細(xì)胞直接提供熱量。在植物細(xì)胞中過氧化物酶體的功能：

在綠色植物葉肉細(xì)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。第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一過氧化物酶體與初級溶酶體的作用比較特征溶酶體過氧化物酶體形態(tài)大小多為球形，直徑0.2-0.5μm，無酶晶體球形，哺乳動物中直徑多為0.15-0.25μm，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(xì)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(xì)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第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一信號序列(signalsequence)：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。信號斑(signalpatch)：存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中，構(gòu)成信號斑的信號序列之間可以不相鄰，折疊在一起構(gòu)成蛋白質(zhì)分選的信號。每一種信號序列決定特殊的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方向。信號序列第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

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(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的一段序列，又稱開始轉(zhuǎn)移序列(starttransfersequence)；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(signalpeptide)第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

由6種不同的蛋白和一個7SRNA(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(diǎn)(P54)、翻譯暫停結(jié)構(gòu)域(P9/P14)、SRP受體蛋白結(jié)合位點(diǎn)(P68/P72)。信號識別顆粒信號識別顆粒受體(SRPreceptor)定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，是異二聚體的膜整合蛋白。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。當(dāng)SRP的p54亞基和SRP受體的α亞基與GTP結(jié)合時，會增強(qiáng)SRP/新生肽/核糖體復(fù)合物與SRP受體結(jié)合的強(qiáng)度。第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一開始轉(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。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(qiáng)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。只有N端信號序列而沒有停止轉(zhuǎn)移序列的多肽進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。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)。第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

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(jìn)入這些細(xì)胞器中，這些序列稱