1、第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输,真核细胞的细胞质结构复杂，包括细胞器、细胞质基质和内含物等。细胞内膜系统是指在结构、功能或发生上相关的膜围绕的细胞器或细胞结构，主要指内质网、高尔基体、溶酶体和分泌泡等。,细胞内区室化Compartmentalization 细胞内被膜区分为3类结构(1) the endomembrane system: ER, Golgi complex, Lys., secretory vesicles. (2) cytoplasmic matrix.(3) mitochondria, chloroplasts, peroxisomes, and the n
2、ucleus.,3,第一节 细胞质基质的涵义与功能,一、细胞质基质的涵义 细胞质基质指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。,4,Relative volumes occupied by the major intracellular compartments in Liver Cell,主要含有与中间代谢有关的数千种酶类以及与维持细胞形态和物质运输有关的细胞质骨架结构。有的学者称为胞质溶胶。已有的证据显示，细胞质基质可能是一个高度有序且又不断变化的结构体系，细胞骨架纤维贯穿其中。,最近有人提出细胞质基质主要是由微管、微丝和中等纤维等形成的相互联系的结构体系。其中蛋白质和
3、其它分子以凝聚状态或暂时的凝聚状态存在，它与周围溶液中的分子处于动态平衡。,二、细胞质基质的功能1、许多中间代谢过程在细胞质基质中进行。包括糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原合成与分解以及蛋白质与脂酸肪的合成等。 2、细胞质骨架是细胞基质的主要结构成分，与维持细胞形态、细胞运动、物质运输及能量传递有关，同时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。,8,3、与蛋白质的修饰及选择性降解有关。（1） 蛋白质的修饰在细胞质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：辅酶或辅基与酶的共价结合；磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性；糖基化；对某些蛋白质的N端进行甲
4、基化修饰；酰基化；,9,（2）控制蛋白质的寿命 （3）降解变性和错误折叠的蛋白质 （4）帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠形成正确的分子构象,10,The protein synthesis, degradation and modification.,11,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。,13,一、内质网的形态结构与功能内质网是由封闭的膜系统及围成的腔形成的互相沟通的网状结构。在不同类型细胞中或同一细胞不同生理状态下，内质网的数量、类型与形态差异很大。,14,从细胞中分离出的微粒体实际上是在细胞匀浆和超速离心过程中，
5、由破碎的内质网形成的囊泡结构，它包括内质网与核糖体两种基本成分。,(一)内质网是连续的整体结构，可分为两种基本类型。 1、粗面内质网（rER）rER多呈扁囊状，表面附有核糖体。其主要功能是合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白。 2、光面内质网（sER）光面内质网常由分支的管道形成复杂的网状，膜上无核糖体附着。 sER是合成脂类的重要场所。,（二）、内质网的功能内质网是细胞蛋白质与脂质全成的基地，几乎全部的脂质和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的。 1、蛋白质的合成所有蛋白质的合成都起始于细胞质基质中的核糖体上。有些蛋白质合成开始不久即转至内质网上，这些蛋白包括：分泌蛋白；膜蛋白；需要与其它细胞组分
6、严格隔离的蛋白（如内质网、高尔基体和溶酶体中的蛋白质）；需要进行复杂修饰的蛋白。,18,2、脂类的合成 sER合成了几乎全部的膜脂。膜脂在光面内质网的细胞质基质膜面上合成，随后部分膜脂转移到内质网腔面膜上，进而通过出芽的方式或磷脂转换蛋白的协助，运送到其他部位。,3、蛋白质的修饰与加工 蛋白质在内质网中的化学修饰主要有：糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化伴随着多肽合成同时进行，是内质网中最常见的蛋白质修饰。糖基化分：N连接糖基化（主要发生在内质网中）O连接糖基化（主要发生在高尔基体中） 4、新生的多肽折叠与装配,The precursor of 14 residues is the
7、 same in plants, animals, and single-celled eukaryotes,then remove 3 glucoses and 1 mannose in the ER,5、其它功能：（主要指光面内质网）肝细胞中的光面内质网具有解毒功能、固醇类激素的合成、与糖原分解有关等。 肝细胞中含有发达的特化的光面内质网，称肌质网。肌质网的主要功能是贮存Ca 2。,（三）内质网与基因表达的调控内质网腔内未折叠蛋白的超量积累折叠好的膜蛋白超量积累内质网膜上膜脂成分的缺乏（主要是胆固醇缺乏）,二、高尔基体的形态结构与功能（一）高尔基体由一些（常常48个）排列较为整齐的扁平的膜
8、囊堆叠在一起，这些扁囊均由光滑的膜围成，构成高尔基体的主体结构。高尔基体是一种有极性的细胞器，表现在它在细胞中有恒定的位置，物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出；扁囊堆常明显地具一凸面和一凹面。凸面（形成面、顺面）靠近细胞核，凹面（成熟面、反面）面向细胞质膜。,24,近年来，借助超高压电镜技术，高尔基体的结构有更清晰的认识。归起来，高尔基体至少由互相联系的几部分组成： 高尔基体的顺面网状结构（CGN）与膜囊：位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，呈连续分支状的管网结构，接受来自内质网新合成的物质，并将其分类后转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂类再返回内质网。,25,高尔基体中间膜囊：由扁平膜
9、囊与管道组成，多数 糖基的修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在这里。 高尔基体的反面网状结构（TGN）与膜囊： TGN与反面的扁平囊相连，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。 TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出。,26,（二）、高尔基体的功能高尔基体蛋白质的加工、分选、包装与运输以及在细胞“膜流”中起重要作用。此外，蛋白质的糖基化及其复杂的加工与修饰。多肽的酶解加工以及多糖合成等也发生在高尔基体中。 1、高尔基体与细胞分泌活动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。,29,除分泌性蛋白外，很多细胞膜上的膜蛋白、溶酶体中的酸性
10、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。,30,Mannose 6-phosphate residues target proteins to lysosomes,Targeting of soluble lysosomal enzymes to endosomes and lysosomes by M-6-P tag,2、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。 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
11、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。 寡糖基会发生一系列有序的加工与修饰,32,功能,1.为蛋白质打上不同的标志，有利于分类包装； 2.影响多肽的构象，如：抗生素阻断蛋白质糖基化，多肽不能正确折叠而滞留在内质网中； 3.增强多肽的稳定性； 4.多羟基糖侧链还影响蛋白质水溶性及所带电荷性质。,N-连接的糖基化在RER和Glogi中进行 0-连接的糖基化在Glogi中进行在糙面内质网内及高尔基体各间隔转移，寡糖链经系列酶加工，切除和添加特定的单糖，最后形成成熟的糖蛋白,The core carboh
12、ydrate of N-linked oligosaccharides is assembled in the rER.Modifications to N-linked oligosaccharides are completed in the Golgi complex.O-linked oligosaccharides takes place in Golgi complex.,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：蛋白原进入Glogi体后，切除N端或两端的序列，形成成熟多肽；蛋白质合成时，含有多个相同的氨基酸序列
13、，水解成多个同种有活性的多肽；,一个蛋白质前体含有不同的信号序列，被加工成不同的产物；同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工，形成不同多肽,（三）、高尔基体与细胞内的膜泡运输分泌性蛋白，多数质膜的膜蛋白都是在粗面内质网上合成，经高尔基体的加工与分装通过膜泡运输的方式进入细胞表面，同样通过内吞作用质膜外的复杂物质及质膜的膜蛋白以膜泡运输的方式进入细胞内。在这种膜泡运输过程中，细胞内形成复杂的“膜流”，高尔基体在膜流的调控中起着枢纽作用。高尔基体膜无论在厚度上或是化学组成上均介于内质网与质膜之间，说明从高尔基体的形成面到成熟面必然存在着膜的转化过程。,Golgi是细胞中的交通警察,三、
14、溶酶体的形态结构与功能溶酶体是外包单层膜、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞消化。溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中，植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器圆球体、糊粉粒及中央液泡。,（一）、溶酶体的结构类型溶酶体是一种多样性和异质性的细胞器。根据溶酶体处于其生理功能的不同阶段，一般可分为以下几类。 1、初级溶酶体初级溶酶体呈球形，直径约0.20.5m，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 以包括蛋白酶、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。,溶酶体膜在成分上与其它生物膜有所不同,嵌有质子泵：以形成和维持酸性的内环境
15、。 有多种载体蛋白：用于水解产物的向外转运。 膜蛋白高度糖基化：有利于防止自身膜蛋白的降解。,2、次级溶酶体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、残余小体（后溶酶体）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。酸性磷脂酶为溶酶体的主要标志酶，以此可辨认不同形态与大小的溶酶体来。,（二）、溶酶体的功能 1、消化无用的生物大分子、衰老的细胞器及细胞。自噬现象是真核细胞中细胞成分的更新和转化的基本特征。由于溶酶体功能缺陷而引起的多种病症。使人们越来越多地关注与研究溶酶
16、体在细胞内的清道夫作用。 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、其它功能正常的消化作用，为细胞提供营养。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。细胞的自溶作用。清除动物发育过程中的某些细胞。在受精中的作用：精子的顶体相当于特化的溶酶体,糖原贮积症（GLYCOGEN STORAGE DISEASE TYPE）:一个隐形基因突变引起。溶酶体缺乏葡萄糖苷酶，多余的糖原不能被水解，储藏在溶酶体中。 矽肺病（CILICOSIS）:二氧化硅-硅酸-其羧基与溶酶体受体分子形成氢键-溶酶体破裂-细胞死亡-
17、肺组织弹性下降。,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。,（四）、溶酶体与过氧化物酶体过氧化物酶体又称微体，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。过氧化物酶体也是一种异质性的细胞器，但在酶的种类、功能和发生等方面都与溶酶体在很大区别。,特征 溶酶体 微体 形态大小 大，球
18、形变 小，球形，有酶晶体 酶种类 酸性水解酶 含有氧化酶类 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 在细胞质基质合成 识别的标志酶 酸性水解酶等 过氧化氢酶,过氧化物酶体与初级溶酶体的特征比较,过氧化物酶体的功能 解毒作用：动物细胞中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分。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。其他功能：分解脂肪酸等，向细胞直接提供热能，不必通过水解ATP的途径。,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。过氧化物酶体的发生与线粒体
19、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。,第五节 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的装配,绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中开始合成。随后，或在细胞质基质或在糙面内质网上继续合成。然后通过不同的途径转动到细胞的特定部位，这一过程称为蛋白质的分选或定向运转。,一、信号假说与蛋白质分选信号为什么有些蛋白在细胞质基质中合成而有些在内质网外合成？Blobel等提出信号假说，即指导分泌性蛋白合成的mRNA在AUG起始密码子之后有一信号密码子顺序，可指导合成一段疏水性氨基酸序列称为信号肽。信号肽有引导合成中的分泌蛋白多肽链穿过内质网膜进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前切除信号肽。,分子伴侣：细
20、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。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。 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。,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。信号识别颗粒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。,1.信号识别颗粒:一种核糖核蛋白复合体，沉降系数为11S，含有6条多肽和一个7S的RNA。 功能： 识别刚从游离核糖体上合成出来的肽，并与之结合； 暂时终止新肽的合成； 与内质
21、网上的DP相结合，使核糖体附着在内质网膜上，并进行新生肽的转移,2.停靠蛋白（Docking protein） 是SRP在内质网膜上的受体蛋白； 两个亚基：亲水的a亚基，疏水的 亚基； 功能： 与结合有信号序列的SRP牢固结合，使正确在合成蛋白质的核糖体停靠在内质网上。,二、蛋白质分选的基本途径与类型 蛋白质的跨膜转运：细胞质基质中合成的蛋白质转运到细胞器。 选择性的门控运输：在细胞质基质中合成的蛋白质通过核孔复合体输入到细胞核或从细胞核返回到细胞质。 细胞质基质中的蛋白质转运：转运蛋白分子及信号传递方式了解少。 膜泡运输：蛋白质通过不同类型转运小泡从内质网转运到高尔基体，进而分选到细胞不同位
22、置,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。 细胞内至少需要10种以上运输小泡。普遍存在于真核细胞中；涉及蛋白质修饰、加工和组装；涉及膜泡定向运输及其调控。,三种不同类型的膜泡,目前发现三种类型的有被小泡具有不同的物质运输作用，包括有网格蛋白包被小泡，Cop有被小泡，和Cop有被小泡等。,网格蛋白包被小泡,负责蛋白质从高尔基体TGN到质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。受体介导的细胞内吞：将物质从质膜运到细胞质，从胞内体到溶酶体。高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地。,COP包被小泡,从内质网到高尔基体的物质运输。COP包被由5种蛋白亚基组成。具有对转运
23、物质的选择、浓缩作用。,COP包被小泡,COP包被由8种蛋白亚基组成。 负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网 细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：转运泡将驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；通过特异性受体，识别驻留蛋白C-端回收信号，捕获逃逸蛋白。,信号序列 Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)-内质网驻留蛋白 Lys-Lys-X-X（KKXX）-内质网膜驻留蛋白在非选择性的批量运输中行使功能。,2. 小泡的定向运输、停靠和融合机理 SNARE hypothesis NSF:N-乙基马来酰亚胺敏感融合蛋白。 SNAP：可溶性NSF附着蛋白。（二者介导膜融合，无明显特异性） V-SNARE：
24、 （vesicle-SNAP receptor）：作为SNAP的附着点。 T-SNARE: （ target-SNAP receptor ）（二者介导识别，锚定。有特异性）,Rab-protein,GTP结合蛋白，大约200个氨基酸组成 Rab蛋白通过GTP-GDP的循环来调节小泡的融合 有30多种Rab蛋白被发现 膜泡融合：帮助膜锚定，帮助T-SNARE和V-SNARE配对。,四、细胞结构体系的装配蛋白质的装配（自我组装、协助组装和直接组装）与去装配不仅存在于蛋白质分选的过程中，而且普遍存在于整个细胞生命活动中，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问题；2、减少所需的遗传物质信息量；3、容易调节与控制多种生物学过程。,思考题,1、谈谈你对细胞质基质的结构组成及在细胞生命活动中的理解。 2、比较糙面内质网和光面内质网的形态结构与功能？ 3、糙面内质网上合成哪几类蛋白质？ 4、结合高尔基体的结构特征，谈谈它是怎样行使其生理功能的？ 5、蛋白质糖基化的基本类型、特征及生物学意义是什么？ 6、溶酶体是怎样发生的？它有哪些基本功能？ 7、过氧化物酶体与溶酶体有哪些区别？ 8、何谓蛋白质的分选？已知膜泡运输有哪几种类型？,
