1、第 九 章 .内 膜 系 统 与 膜 运 输真 核 细 胞 在 进 化 上 一 个 显 著 特 点 就 是 形 成 了 发 达 的 细 胞 质 膜 系 统 , 将 细 胞 分 成许 多 膜 结 合 的 区 室 ,包 括 细 胞 核 、 内 质 网 、 高 尔 基 体 、 溶 酶 体 、 内 体 和 分 泌 泡 等 。 虽 然 这些 区 室 具 有 各 自 独 立 的 结 构 和 功 能 ， 但 它 们 又 是 紧 密 相 关 的 ， 尤 其 是 它 们 的 膜 结 构 是 相 互转 换 的 ， 这 种 转 换 的 机 制 则 是 通 过 蛋 白 质 分 选 (protein sorting)和
2、 膜 运 输 实 现 的(图 9-1)。图 9-1 内 膜 系 统 和 膜 运 输9.1 细 胞 质 膜 系 统 及 其 研 究 方 法9.1.1 膜 结 合 细 胞 器 与 内 膜 系 统关 于 真 核 细 胞 中 具 有 膜 结 构 的 细 胞 器 的 总 体 描 述 通 常 有 三 个 概 念 : 膜 结 合 细 胞 器 (membrane-bound organelles)或 膜 结 合 区 室 (membrane-bound compartments) 细 胞 质 膜 系 统 (cytoplasmic membrane system) 内 膜 系 统 (endomembrane sy
3、stems)虽 然 这 三 个 概 念 都 是 指 真 核 细 胞 中 具 有 膜 结 构 的 细 胞 器 ,但 是 在 含 义 上 仍 有 一 些差 别 。 膜 结 合 细 胞 器 的 种 类 和 功 能 膜 结 合 细 胞 器 种 类 与 数 量原 核 细 胞 内 只 有 一 个 区 室 就 是 胞 质 溶 胶 (cytosol)。 真 核 细 胞 内 有 许 多 膜 结 合 的 区室 ， 但 与 胞 质 溶 胶 相 比 , 所 占 比 例 都 很 小 (表 9-1)。表 9-1 肝 细 胞 中 主 要 膜 结 合 细 胞 器 的 体 积 比细胞器 每细胞所含数量 细胞内的百分比胞质溶胶
4、1 54线粒体 1700 22内质网 1 12细胞核 1 6高尔基体 1 3过氧化物酶体 400 1溶酶体 300 1内体 200 1 膜 结 合 细 胞 器 的 功 能膜 结 合 细 胞 器 在 细 胞 的 生 命 活 动 中 具 有 重 要 作 用 (表 9-2)。表 9-2 真 核 细 胞 膜 结 合 区 室 的 主 要 功 能细胞器(区室) 主要功能胞质溶胶 代谢的主要场所；蛋白质合成部位细胞核 基因组存在场所，DNA 和 RNA 的合成地内质网 大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地高尔基体 蛋白质和脂的修饰、分选和包装溶酶体 细胞内的降解作用内体 内吞物质的分选线粒体 通过氧化磷酸
5、化合成 ATP叶绿体 进行光合作用过氧化物酶体 毒性分子的氧化在 这 些 膜 结 合 的 细 胞 器 中 ,线 粒 体 、 叶 绿 体 、 过 氧 化 物 酶 体 和 细 胞 核 等 的 独 立 性 很强 ,并 且 有 特 别 的 功 能 ； 其 他 几 种 膜 结 合 细 胞 器 ,如 内 质 网 、 高 尔 基 体 、 溶 酶 体 和 小 泡 ,虽然 有 不 同 的 结 构 和 功 能 ,但 是 它 们 都 参 与 蛋 白 质 的 加 工 、 分 选 和 膜 泡 运 输 ,形 成 了 一个 特 别 的 细 胞 内 系 统 。 膜 结 合 细 胞 器 在 细 胞 内 的 分 布膜 结 合 细
6、 胞 器 在 细 胞 内 是 按 功 能 、 分 层 次 分 布 的 (图 9-2)。 图 9-2 动 物 细 胞 中 膜 结 合 的 细 胞 器 及 分 布细 胞 内 的 空 间 为 胞 质 溶 胶 ,里 面 被 一 些 膜 结 合 的 细 胞 器 分 隔 成 许 多 区 室 ,每 个 区室 至 少 有 一 层 单 位 膜 包 裹 ,如 细 胞 核 、 高 尔 基 体 、 内 质 网 、 溶 酶 体 、 线 粒 体 等 。如何理解膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的?( 如何理解膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的?（答案） 答 : 从 功 能 上 看 , 细 胞 内 膜 结 合
7、 细 胞 器 的 分 布 是 功 能 越 重 要 越 靠 近 中 央 ; 从 层次 看 , 上 游 的 靠 内 , 下 游 的 靠 外 。 如 细 胞 核 位 于 细 胞 的 中 央 ,它 是 细 胞 中 最 重 要 的 细胞 器 ,有 两 层 膜 结 构 。 细 胞 核 的 外 膜 与 内 质 网 的 膜 是 联 系 在 一 起 的 , 细 胞 核 的 外 膜是 粗 面 内 质 网 的 一 部 分 。 粗 面 内 质 网 的 功 能 是 参 与 蛋 白 质 合 成 , 其 作 用 仅 次 于 细 胞核 , 所 以 内 质 网 位 于 细 胞 核 的 外 侧 。 高 尔 基 体 在 内 质 网
8、 的 外 侧 ,接 受 来 自 内 质 网 的蛋 白 质 和 脂 肪 ,然 后 对 它 们 进 行 修 饰 和 分 选 ,它 所 完 成 的 是 内 质 网 的 下 游 工 作 。 溶 酶 体是 含 有 水 解 酶 的 囊 泡 ,它 是 由 高 尔 基 体 分 泌 而 来 。 内 体 是 由 内 吞 作 用 产 生 的 具 有 分 选 作用 的 细 胞 器 ,它 能 向 溶 酶 体 传 递 从 细 胞 外 摄 取 的 物 质 , 这 种 细 胞 器 一 般 位 于 细 胞 质 的外 侧 。 另 外 还 有 线 粒 体 、 过 氧 化 物 酶 体 等 分 布 在 细 胞 的 不 同 部 位 。
9、如 果 是 植 物 细 胞 还 有 叶绿 体 和 中 央 大 液 泡 , 它 们 是 按 功 能 定 位 。) 内 膜 系 统 的 动 态 性 质内 膜 系 统 的 最 大 特 点 是 动 态 性 质 (图 9-3), 内 膜 系 统 中 的 结 构 是 不 断 变 化 的 ， 其 各自 的 位 置 是 处 于 流 动 状 态 。 正 是 这 种 流 动 状 态 ,将 细 胞 的 合 成 活 动 、 分 泌 活 动 和 内 吞活 动 连 成 了 一 种 网 络 结 构 , 在 各 内 膜 结 构 之 间 常 常 看 到 一 些 小 泡 来 回 穿 梭 ， 这 些 小 泡 分别 是 从 内 质
10、网 、 高 尔 基 体 和 细 胞 质 膜 上 产 生 的 ， 这 就 使 内 膜 系 统 的 结 构 处 于 一 个 动 态 平 衡 。图 9-3 真 核 细 胞 中 生 化 合 成 、 分 泌 和 内 吞 作 用 的 动 态 网 络内 膜 系 统 将 细 胞 中 的 生 化 合 成 、 分 泌 和 内 吞 作 用 连 接 成 动 态 的 、 相 互 作 用 的 网 络 。 在内 质 网 合 成 的 蛋 白 和 脂 通 过 分 泌 活 动 进 入 分 泌 小 泡 运 送 到 工 作 部 位 (包 括 细 胞 外 );细 胞 通 过 内 吞 途 径 将 细 胞 外 的 物 质 送 到 溶 酶
11、体 降 解 。内膜系统的动态特性是怎样引起的?( 内膜系统的动态特性是如何形成的?（答案） 答 : 造 成 内 膜 系 统 的 动 态 特 性 主 要 是 由 细 胞 中 三 种 不 同 的 生 化 活 动 引 起 的 : 蛋 白 质 和 脂 的 合 成 活 动 : 在 动 物 细 胞 中 主 要 涉 及 分 泌 性 蛋 白 的 合 成 和 脂 的 合 成 和 加 工 。脂 的 合 成 在 光 面 内 质 网 ,而 分 泌 蛋 白 的 合 成 起 始 于 粗 面 内 质 网 ,完 成 于 高 尔 基 体 。 分 泌 活 动 : 内 吞 活 动 (endocytosis pathway),是 分
12、 泌 的 相 反 过 程 , 细 胞 将 细 胞 外的 物 质 吞 进 内 体 和 溶 酶 体 。) 膜 结 合 细 胞 器 的 进 化 及 其 意 义原 核 细 胞 没 有 膜 结 合 细 胞 器 , 真 核 细 胞 是 由 原 核 细 胞 进 化 而 来 , 那 么 , 膜 结 合细 胞 器 是 如 何 进 化 的 呢 ?其 意 义 何 在 ? 内 膜 系 统 的 进 化真 核 细 胞 的 膜 结 合 细 胞 器 的 进 化 有 两 种 途 径 ， 一 种 是 线 粒 体 和 叶 绿 体 的 进 化 模 式 ， 即内 共 生 途 径 。 对 于 内 膜 系 统 来 说 ， 则 是 通 过
13、细 胞 质 膜 的 内 陷 分 化 途 径 形 成 的 。图 9-4 是 关 于 核 膜 和 内 质 网 膜 进 化 的 可 能 途 径 的 假 说 。 细 菌 中 的 DNA 是 同 膜结 合 在 一 起 的 ， 通 过 质 膜 的 内 陷 将 DNA 包 裹 在 一 个 膜 结 构 中 ， 并 逐 渐 形 成 两 层 核 膜 。在 古 代 的 细 菌 中 一 些 核 糖 体 也 是 附 着 在 质 膜 上 ， 随 着 质 膜 的 内 陷 和 核 膜 的 形 成 ， 核 糖 体 就结 合 在 核 膜 的 外 膜 上 逐 渐 进 化 形 成 内 质 网 。 这 一 模 型 较 好 地 说 明
14、了 为 什 么 核 膜 是 双 膜 结 构 ,而 且 在 外 膜 上 有 核 糖 体 的 存 在 。图 9-4 核 膜 和 ER 膜 进 化 的 可 能 途 径 内 膜 系 统 形 成 的 意 义内 膜 系 统 的 形 成 对 于 细 胞 的 生 命 活 动 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 内 膜 系 统 的 形 成 , 使 得 真 核 细 胞 内 部 结 构 复 杂 化 了 , 正 是 这 种 复 杂 化 , 保 证 了 细 胞 生 命 活 动 的 顺 利 进行 。请说明内膜系统的形成对于细胞的生命活动具有哪些重要的意义?( 请说明内膜系统的形成对于细胞的生命活动具有哪些重要的意义?
15、（答案） 答 : 至 少 有 六 方 面 的 意 义 : 首 先 是 内 膜 系 统 中 各 细 胞 器 膜 结 构 的 合 成 和 装 配 是 统 一 进 行 的 ， 这 不 仅 提 高 了 合成 的 效 率 ， 更 重 要 的 是 保 证 了 膜 结 构 的 一 致 性 ， 特 别 是 保 证 了 膜 蛋 白 在 这 些 膜 结 构 中 方 向的 一 致 性 。 内 膜 系 统 在 细 胞 内 形 成 了 一 些 特 定 的 功 能 区 域 和 微 环 境 ， 如 酶 系 统 的 隔 离 与 衔 接 , 细 胞 内 不 同 区 域 形 成 pH 值 差 异 , 离 子 浓 度 的 维 持
16、, 扩 散 屏 障 和 膜 电 位 的 建 立 等 等 ，以 便 在 蛋 白 质 、 脂 类 、 糖 类 的 合 成 代 谢 、 加 工 修 饰 、 浓 缩 过 程 中 完 成 其 特 定 的 功 能 。 内 膜 系 统 通 过 小 泡 分 泌 的 方 式 完 成 膜 的 流 动 和 特 定 功 能 蛋 白 的 定 向 运 输 ， 这 不 仅保 证 了 内 膜 系 统 中 各 细 胞 器 的 膜 结 构 的 更 新 ， 更 重 要 的 是 保 证 了 一 些 具 有 杀 伤 性 的 酶 类 在运 输 过 程 中 的 安 全 ， 并 能 准 确 迅 速 到 达 作 用 部 位 。 细 胞 内 的
17、 许 多 酶 反 应 是 在 膜 上 进 行 的 ,内 膜 系 统 的 形 成 ,使 这 些 酶 反 应 互 不 干扰 。 扩 大 了 表 面 积 ,提 高 了 表 面 积 与 体 积 的 比 值 。 区 室 的 形 成 ,相 对 提 高 了 重 要 分 子 的 浓 度 ,提 高 了 反 应 效 率 。)9.1.2 内 膜 系 统 与 蛋 白 质 分 选 (protein sorting)蛋 白 质 是 由 核 糖 体 合 成 的 ， 合 成 之 后 必 须 准 确 无 误 地 运 送 到 细 胞 的 各 个 部 位 。 在 进 化过 程 中 每 种 蛋 白 形 成 了 一 个 明 确 的 地
18、 址 签 (address target), 细 胞 通 过 对 蛋 白 质 地 址签 的 识 别 进 行 运 送 , 这 就 是 蛋 白 质 的 分 选 (protein sorting)。 细 胞 中 蛋 白 质 的 运 输 有两 种 方 式 :共 翻 译 运 输 和 翻 译 后 运 输 ,内 膜 系 统 参 与 共 翻 译 运 输 ,是 分 泌 蛋 白 质 分 选 的主 要 系 统 。为什么说蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一?( 为什么说蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一?（答案） 答 : 这 是 因 为 在 细 胞 生 命 周 期 的 各 个 阶 段
19、都 需 要 不 断 补 充 和 更 新 蛋 白 质 (或 酶 );细 胞 中 的 线 粒 体 、 叶 绿 体 和 过 氧 化 物 酶 体 等 细 胞 器 都 是 通 过 已 存 在 细 胞 器 的 分 裂 增 殖 的 ，新 形 成 的 细 胞 器 的 生 长 需 要 大 量 的 蛋 白 质 。 细 胞 本 身 也 是 通 过 分 裂 增 殖 的 ,新 形 成的 细 胞 为 了 增 大 体 积 ， 需 要 不 断 地 补 充 蛋 白 。 即 使 是 不 进 行 分 裂 的 细 胞 ， 由 于 细 胞 内 蛋 白质 的 寿 命 限 制 和 降 解 ， 也 需 要 不 断 地 补 充 蛋 白 质 ，
20、 取 代 细 胞 器 中 丧 失 功 能 的 蛋 白 ,所以 蛋 白 质 的 合 成 和 分 选 运 输 是 细 胞 中 最 重 要 的 生 命 活 动 之 一 。) 蛋 白 质 分 选 定 位 的 时 空 概 念所 谓 蛋 白 质 分 选 定 位 的 时 空 概 念 包 括 两 种 含 义 : 合 成 的 蛋 白 质 何 时 转 运 ? 合成 蛋 白 质 在 细 胞 中 定 位 空 间 及 转 运 中 所 要 逾 越 的 空 间 障 碍 是 什 么 ? 从 时 间 上 考 虑 ,蛋 白 质 的 合 成 分 选 有 两 种 情 况 :先 合 成 ,再 分 选 和 一 边 合 成 一 边分 选
21、。 为 了 适 于 蛋 白 质 分 选 的 时 间 上 的 需 要 ,核 糖 体 在 合 成 蛋 白 质 时 就 有 两 种 存 在 状态 :游 离 的 或 与 内 质 网 结 合 的 。 从 蛋 白 质 定 位 的 空 间 看 ,包 括 了 细 胞 内 各 个 部 分 ,即 使 是 具 有 蛋 白 质 合 成 机 器的 线 粒 体 和 叶 绿 体 也 需 要 从 细 胞 质 中 获 取 所 需 蛋 白 质 (图 9-5)。图 9-5 细 胞 质 中 蛋 白 质 合 成 和 空 间 定 位 路 线细 胞 中 各 部 位 (包 括 细 胞 质 )中 的 蛋 白 质 都 是 来 自 胞 质 溶 胶
22、 ,不 过 内 质 网 以 上 的 细胞 器 ,包 括 细 胞 核 、 线 粒 体 、 过 氧 化 物 酶 体 和 质 体 所 需 蛋 白 是 由 胞 质 溶 胶 直 接 运 送 的 。 而从 内 质 网 以 下 的 各 种 细 胞 器 ,包 括 内 质 网 、 高 尔 基 体 、 溶 酶 体 、 内 体 、 分 泌 泡 、 细 胞 质膜 以 及 细 胞 外 基 质 等 所 需 的 蛋 白 质 虽 然 起 始 于 胞 质 溶 胶 ,但 要 经 过 内 质 网 和 高 尔 基 体的 中 转 。 蛋 白 质 分 选 定 位 的 空 间 障 碍 及 运 输 方 式从 蛋 白 质 定 位 的 细 胞
23、内 空 间 部 位 结 构 来 看 ,可 分 为 三 种 类 型 : 没 有 膜 障 碍 的 ,如 胞 质 溶 胶 ,包 括 胞 质 溶 胶 中 的 细 胞 骨 架 蛋 白 和 各 种 酶 及 蛋 白 分 子 ； 有 完 全 封 闭的 膜 障 碍 ,如 线 粒 体 、 叶 绿 体 、 内 质 网 、 高 尔 基 体 等 ； 有 膜 障 碍 ,但 是 膜 上 有 孔 ,如 细 胞 核 。根 据 三 种 不 同 的 空 间 障 碍 , 合 成 的 蛋 白 质 通 过 三 种 不 同 方 式 进 行 运 输 定 位 (图9-6)。 核 孔 运 输 (transport through nuclear
24、 pore) 胞 质 溶 胶 中 合 成 的 蛋 白 质 穿 过 细 胞 核内 外 膜 形 成 的 核 孔 进 入 细 胞 核 ， 被 运 输 的 蛋 白 需 要 有 核 定 位 信 号 。 跨 膜 运 输 (across membrane transport) 胞 质 溶 胶 中 合 成 的 蛋 白 质 进 入 到 内 质 网 、线 粒 体 、 叶 绿 体 和 过 氧 化 物 酶 体 等 则 是 通 过 跨 膜 机 制 进 行 运 输 的 ， 需 要 膜 上 运 输 蛋 白(protein translocators)的 帮 助 ， 被 运 输 的 蛋 白 要 有 信 号 肽 或 导 肽 。
25、 小 泡 运 输 (transport by vesicles) 蛋 白 质 从 内 质 网 转 运 到 高 尔 基 体 以 及 从 高 尔 基体 转 运 到 溶 酶 体 、 分 泌 泡 、 细 胞 质 膜 、 细 胞 外 等 则 是 由 小 泡 介 导 的 ， 这 种 小 泡 称 为 运 输 小泡 (transport vesicles)。图 9-6 膜 结 合 细 胞 器 的 三 种 运 输 机 制蛋 白 质 在 核 孔 运 输 和 小 泡 运 输 中 可 保 持 折 叠 的 形 式 ,但 在 跨 膜 运 输 中 必 须 解 折 叠 ,定 位 后 再 进 行 折 叠 。 无 论 是 何 种
26、 运 输 方 式 都 需 要 消 耗 能 量 。 信 号 序 列 指 导 蛋 白 质 的 正 确 运 输 信 号 序 列 的 作 用虽 然 蛋 白 质 可 通 过 不 同 的 方 式 和 机 制 克 服 空 间 障 碍 , 定 位 到 膜 结 合 的 细 胞 器 中 ,但 就 其 定 位 的 准 确 性 来 说 , 无 论 何 种 运 输 机 制 都 是 通 过 信 号 引 导 实 现 的 ,换 句 话 说 ,信 号 序 列 决 定 蛋 白 质 的 正 确 运 输 方 向 (图 9-7)。图 9-7 信 号 序 列 在 蛋 白 质 分 选 中 的 作 用(a)具 有 ER 定 位 信 号 序
27、列 的 蛋 白 质 被 运 输 到 ER 中 ,而 没 有 引 导 序 列 的 蛋 白 质 存 在于 胞 质 溶 胶 中 。 (b)通 过 重 组 DNA 技 术 将 引 导 序 列 与 胞 质 溶 胶 的 蛋 白 基 因 重 组 ,表达 的 胞 质 溶 胶 蛋 白 被 定 位 到 ER, 相 反 ,被 剥 夺 了 ER 定 位 信 号 的 蛋 白 质 则 只 能 存 在 于胞 质 溶 胶 中 。 该 实 验 说 明 引 导 序 列 对 所 引 导 的 蛋 白 质 没 有 特 异 性 。 信 号 序 列 特 性通 常 为 15-60 个 氨 基 酸 长 度 ， 位 于 新 生 肽 的 N 端
28、。 通 过 基 因 工 程 的 方 法 证 明 信 号序 列 指 导 的 蛋 白 质 运 输 和 定 位 对 蛋 白 质 没 有 特 异 性 ,但 不 同 的 膜 结 合 细 胞 器 具 有 不 同的 蛋 白 质 定 位 的 信 号 序 列 (表 9-3)。 表 9-3 细 胞 内 某 些 典 型 蛋 白 运 输 信 号 及 功 能功能 信号序列组成输入内质网 +H3 N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu- Gln-Leu-Thr- Lys-Cys-Glu-Val-P
29、he-Gln滞留内质网 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO输入线粒体 +H3 N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe- Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser- Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu- 输入细胞核输入过氧化物酶体-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-Ser-Lys-Leu-说 明 : +H3N 代 表 氨 基 端 ; COO代 表 羧 基 端 。 信 号 序 列 的 类 型根 据 信 号 序 列 运 输 方 向 的 不 同 分 为 三 种 类 型 ， 即 入
30、核 信 号 、 引 导 肽 和 信 号 肽 。 入 核 信号 指 导 核 蛋 白 的 运 输 ， 引 导 肽 指 导 线 粒 体 、 叶 绿 体 和 过 氧 化 物 酶 体 蛋 白 的 运 输 ， 信 号 肽 则指 导 内 膜 系 统 的 蛋 白 质 运 输 。9.1.3 膜 结 合 细 胞 器 和 内 膜 系 统 的 研 究 方 法虽 然 电 子 显 微 镜 能 够 获 得 高 度 清 晰 的 细 胞 内 膜 系 统 的 结 构 ,但 是 不 能 研 究 单 个 膜结 合 细 胞 器 的 结 构 和 功 能 。 离 心 分 离 技 术 、 同 位 素 示 踪 技 术 和 突 变 技 术 是
31、有 效 的 研 究 内 膜系 统 的 方 法 。 放 射 自 显 影 术 (autoradiography)胰 腺 系 统 中 胰 泡 细 胞 具 有 最 发 达 的 内 膜 系 统 , 主 要 功 能 是 合 成 消 化 酶 类 。 这 些 酶类 合 成 之 后 要 从 胰 腺 系 统 经 由 导 管 分 泌 到 小 肠 中 行 使 功 能 。 这 些 酶 是 如 何 分 泌 出 去 的 ? Jamws Jamieson 和 George Palade 使 用 放 射 自 显 影 技 术 证 明 了 蛋 白 质 分 泌 起 始 于 内 质网 ,经 高 尔 基 体 到 达 细 胞 外 。Jam
32、ws Jamieson 和 George Palade 是如何用同位素示踪技术研究胰泡细胞中蛋白质分泌的?( Jamws Jamieson 和 George Palade 是如何用同位素示踪技术研究胰泡细胞中蛋白质分泌的?（答案） 答 : 胰 腺 系 统 中 胰 泡 细 胞 具 有 最 发 达 的 内 膜 系 统 , 主 要 功 能 是 合 成 消 化 酶 类 。 这些 酶 类 合 成 之 后 要 从 胰 腺 系 统 经 由 导 管 分 泌 到 小 肠 中 行 使 功 能 。 这 些 酶 是 如 何 分 泌 出 去 的 ? Jamws Jamieson 和 George Palade 使 用
33、放 射 自 显 影 技 术 得 到 了 答 案 。 他 们 将 一 小 块 胰 腺 组 织 放 在 加 有 放 射 性 同 位 素 标 记 氨 基 酸 的 培 养 液 中 进 行 短 暂 培 养 ，在 此 期 间 ,活 细 胞 就 会 摄 取 具 有 放 射 性 的 氨 基 酸 并 掺 入 到 核 糖 体 合 成 的 消 化 酶 中 ,然 后 立 即 将 组 织 进 行 固 定 ,通 过 切 片 和 放 射 自 显 影 检 测 ,发 现 放 射 性 出 现 在 内 质 网 ,说 明 蛋 白 质 的 合 成 始 于 内 质 网 。 为 了 检 查 蛋 白 质 合 成 后 的 运 输 路 线 ,他
34、 们 还 进 行 了一 系 列 脉 冲 追 踪 实 验 (pulse-chase experiment), 即 将 组 织 置 于 加 有 放 射 性 同 位 素 标 记氨 基 酸 的 培 养 液 中 进 行 短 暂 培 养 ， 然 后 将 组 织 洗 净 再 置 于 无 同 位 素 的 培 养 基 中 培 养 不 同 时间 再 进 行 组 织 固 定 和 放 射 自 显 影 术 检 测 。 检 测 的 结 果 表 明 追 踪 培 养 的 时 间 越 长 ，同 位 素 标 记 的 蛋 白 离 开 合 成 部 位 越 远 ,分 泌 蛋 白 在 内 质 网 合 成 后 转 移 到 经 高 尔 基
35、体 ,再转 移 到 分 泌 小 泡 和 细 胞 外 (图 E9-1)。图 E9-1 蛋 白 质 分 泌 的 同 位 素 示 踪 实 验 示 意 图(a)细 胞 与 同 位 素 接 触 3 分 钟 之 后 ,标 记 物 出 现 在 内 质 网 中 ; (b)细 胞 接 触 同 位 素3 分 钟 后 ,置 于 非 同 位 素 的 培 养 基 中 “跟 踪 ”17 分 钟 ,放 射 性 标 记 出 现 在 高 尔 基 体 和 部分 分 泌 泡 ; (c)细 胞 接 触 同 位 素 3 分 钟 后 ,置 于 无 同 位 素 的 培 养 基 中 “跟 踪 ”117 分钟 ,标 记 物 主 要 出 现 在
36、 分 泌 泡 中 。) 差 速 离 心 分 离 与 功 能 分 析 微 粒 体 (microsomes)分 离虽 然 放 射 自 显 影 技 术 证 明 了 分 泌 蛋 白 合 成 的 起 始 部 位 ， 但 不 能 证 明 合 成 分 泌 蛋 白 的 是何 种 细 胞 器 。 Albert Claude 和 Christian De Duve 发 展 了 细 胞 组 份 分 离 技 术 ， 分 离 到了 具 有 蛋 白 质 合 成 和 分 泌 功 能 的 结 构 。 这 些 结 构 称 为 微 粒 体 (图 9-8)。图 9-8 通 过 差 速 离 心 分 离 微 粒 体用 机 械 匀 浆
37、将 细 胞 破 碎 ,各 种 膜 细 胞 器 破 碎 ,并 且 重 新 自 我 融 合 形 成 各 种 球 形 膜 泡 ,通 过 较 高 速 度 离 心 除 去 细 胞 核 、 线 粒 体 、 过 氧 化 物 酶 体 等 细 胞 器 。 收 集 悬 浮 液 再 用 较 低 速度 离 心 ,然 后 用 电 子 显 微 镜 检 查 离 心 后 分 开 的 两 部 分 结 构 。 发 现 上 层 的 囊 泡 表 面 是 光 滑 的 ,沉 淀 下 的 囊 泡 表 面 有 核 糖 体 颗 粒 。 微 粒 体 的 功 能 研 究通 过 差 速 离 心 分 离 的 微 粒 体 不 仅 保 留 了 膜 的 结
38、 构 特 征 ,同 时 还 具 有 活 细 胞 中 的 生物 活 性 和 功 能 。 如 来 自 高 尔 基 体 的 囊 泡 具 有 将 蛋 白 质 和 脂 进 行 糖 基 化 修 饰 的 作 用 。 用 从 这些 囊 泡 中 分 离 的 特 殊 蛋 白 作 为 抗 原 制 备 抗 体 ,然 后 将 制 备 的 抗 体 与 特 定 的 颗 粒 如 金 颗粒 结 合 ,再 通 过 免 疫 电 镜 技 术 就 能 够 对 用 作 抗 原 的 酶 进 行 定 位 ,通 过 这 些 研 究 详 细 揭示 了 高 尔 基 体 在 复 杂 的 糖 装 配 中 的 具 体 过 程 。 用 突 变 体 研 究
39、 内 膜 系 统 的 功 能为 了 研 究 编 码 与 分 泌 途 径 相 关 蛋 白 的 基 因 ,科 学 家 们 筛 选 了 一 些 突 变 体 ,在 这 些突 变 体 中 ,内 膜 结 构 不 正 常 。 如 获 得 的 涉 及 ER 出 芽 小 泡 形 成 基 因 发 生 突 变 酵 母 突 变体 的 ER 就 特 别 大 ; 若 是 涉 及 与 高 尔 基 体 融 合 的 基 因 突 变 ,这 种 酵 母 突 变 体 中 就 会 积累 大 量 的 分 泌 泡 。 通 过 对 酵 母 突 变 体 的 研 究 , 揭 示 了 小 泡 运 输 的 过 程 (图 9-9)。图 9-9 与 分
40、 泌 相 关 的 不 同 酵 母 突 变 体野 生 型 是 分 泌 正 常 的 酵 母 ,A、 B、 C、 D、 E 是 五 类 不 同 的 sec 基 因 (secretory genes)突 变 ,代 表 了 蛋 白 质 分 泌 的 五 个 过 程 。 A:分 泌 蛋 白 不 能 进 入 内 质 网 ,B: 内 质网 出 芽 缺 陷 ,C:分 泌 小 泡 不 能 与 高 尔 基 体 融 合 :D:高 尔 基 体 不 能 形 成 分 泌 泡 ;E:分 泌泡 不 能 与 质 膜 融 合 。目 前 已 经 分 离 和 克 隆 了 几 十 个 与 分 泌 途 径 相 关 的 基 因 ,通 过 序
41、列 分 析 ,表 明 这 些基 因 与 哺 乳 动 物 分 泌 基 因 具 有 同 源 性 , 推 测 哺 乳 动 物 的 细 胞 分 泌 过 程 与 酵 母 相 似 。在蛋白质的合成与分泌的研究中分别使用了同位素示踪技术、分离技术和突变体研究技术, 说明这些技术的研究结果各说明了什么问题?( 在蛋白质的合成与分泌的研究中分别使用了同位素示踪技术、分离技术和突变体研究技术, 说明这些技术的研究结果各说明了什么问题?（答案） 答 : 同 位 素 示 踪 技 术 确 定 了 分 泌 的 路 线 , 从 内 质 网 开 始 经 高 尔 基 体 运 向 细 胞 外 ;分 离 技 术 确 定 了 参 与
42、 合 成 和 分 泌 的 主 要 细 胞 器 的 作 用 :内 质 网 是 参 与 蛋 白 质 合 成和 转 运 的 , 高 尔 基 体 不 仅 是 中 转 站 , 而 且 具 有 加 工 的 作 用 。突 变 体 研 究 揭 示 了 分 泌 活 动 的 相 关 基 因 及 分 泌 的 机 理 。)9.2 内 质 网 (endoplasmic reticulum, ER)内 质 网 是 由 K.R.Porter 和 A.D.Claude 等 在 1945 年 发 现 的 。 他 们 在 体 外 培 养 成 纤维 细 胞 时 得 到 了 薄 层 生 长 物 ， 这 种 薄 层 生 长 的 细 胞
43、 不 需 要 进 行 切 片 就 可 以 在 电 子 显 微 镜 下进 行 观 察 ， 从 而 得 到 第 一 张 培 养 细 胞 的 电 镜 照 片 。 发 现 细 胞 质 不 是 均 质 的 , 其 中可 见 有 一 些 形 状 和 大 小 略 有 不 同 的 网 状 结 构 , 并 集 中 在 内 质 中 , 所 以 建 议 称 作 内 质网 。 原 核 生 物 没 有 内 质 网 , 由 细 胞 质 膜 代 行 其 功 能 。9.2.1 形 态 结 构 和 化 学 组 成 形 态 结 构内 质 网 是 由 一 层 单 位 膜 所 形 成 的 囊 状 、 泡 状 和 管 状 结 构 ，
44、并 形 成 一 个 连 续 的 网 膜 系 统 。由 于 它 靠 近 细 胞 质 的 内 侧 ， 故 称 为 内 质 网 (图 9-10)。根 据 内 质 网 上 是 否 附 有 核 糖 体 ,将 内 质 网 分 为 两 类 :粗 面 内 质 网 和 光 面 内 质 网 。 由于 内 质 网 是 一 种 封 闭 的 囊 状 、 泡 状 和 管 状 结 构 ， 它 就 有 两 个 面 ， 内 质 网 的 外 表 面 称 为 胞 质溶 胶 面 (cytosolic space), 内 表 面 称 为 潴 泡 面 (cisternal space)。图 9-10 细 胞 中 内 质 网 与 细 胞
45、核 、 高 尔 基 体 的 立 体 结 构 粗 面 内 质 网 (rough endoplasmic reticulum, RER)多 呈 大 的 扁 平 膜 囊 状 , 在 电 镜 下 观 察 排 列 极 为 整 齐 (图 9-11a)。 它 是 核 糖 体 和 内质 网 共 同 构 成 的 复 合 机 能 结 构 , 普 遍 存 在 于 分 泌 蛋 白 质 的 细 胞 中 , 其 主 要 功 能 是 合成 分 泌 性 的 蛋 白 质 、 多 种 膜 蛋 白 和 酶 蛋 白 。 光 面 内 质 网 (smooth endoplasmic reticulum, SER)无 核 糖 体 附 着
46、的 内 质 网 称 为 光 面 内 质 网 (图 9-11b), 通 常 为 小 的 膜 管 和 小 的 膜 囊状 , 而 非 扁 平 膜 囊 状 ,广 泛 存 在 于 各 种 类 型 的 细 胞 中 ， 包 括 合 成 胆 固 醇 的 内 分 泌 腺 细 胞 、肌 细 胞 、 肾 细 胞 等 。 光 面 内 质 网 是 脂 类 合 成 的 重 要 场 所 ,它 往 往 作 为 出 芽 的 位 点 , 将 内 质 网 上 合 成 的 蛋 白 质 或 脂 类 转 运 到 高 尔 基 体 。图 9-11 超 薄 和 扫 描 电 镜 观 察 的 内 质 网 (a) 粗 面 内 质 网 ;(b)光 面
47、 内 质 网 ,上 半 部 是 超 薄 电 镜 照 片 ,下 半 部 是 扫 描 电 镜 照 片 。另 外 还 有 两 个 概 念 :微 粒 体 和 肌 质 网 ,可 将 它 们 看 成 是 特 殊 类 型 的 内 质 网 。 微 粒 体 (microsome) 在 细 胞 匀 浆 和 差 速 离 心 过 程 中 获 得 的 由 破 碎 的 内 质 网 自 我 融合 形 成 的 近 似 球 形 的 膜 囊 泡 状 结 构 ,在 体 外 实 验 中 ,具 有 蛋 白 质 合 成 、 蛋 白 质 糖 基 化 和脂 类 合 成 等 内 质 网 的 基 本 功 能 。 肌 质 网 (sarcoplas
48、mic reticulum) 心 肌 和 骨 骼 肌 细 胞 中 的 一 种 特 殊 的 内 质 网 ,其 功 能 是 参 与 肌 肉 收 缩 活 动 。 胞 质 溶 胶 (cytosol)与 细 胞 质内 膜 的 形 成 将 细 胞 质 中 可 流 动 的 部 分 分 成 了 两 半 :胞 质 溶 胶 和 潴 泡 腔 (cisternal space)。 胞 质 溶 胶 属 细 胞 质 的 可 流 动 部 分 ,并 且 是 膜 结 合 细 胞 器 外 的 流 动 部 分 ,它 含有 多 种 蛋 白 和 酶 以 及 参 与 生 化 反 应 的 因 子 。细 胞 质 是 细 胞 内 除 细 胞
49、核 以 外 的 所 有 生 活 物 质 ,包 括 可 流 动 的 部 分 和 不 可 流 动 的部 分 ,不 可 流 动 的 部 分 包 括 线 粒 体 、 叶 绿 体 、 过 氧 化 物 酶 体 和 内 膜 系 统 的 膜 结 构 ,可 流 动 的 部 分 包 括 胞 质 溶 胶 和 内 膜 系 统 的 潴 泡 腔 。 内 质 网 的 化 学 组 成 蛋 白 与 脂 内 质 网 是 膜 囊 结 构 ,所 以 构 成 内 质 网 的 主 要 化 学 成 份 是 蛋 白 质 和 脂 。 内 质 网 膜 的 化 学组 成 与 线 粒 体 外 膜 很 相 似 ， 磷 脂 占 50%-60%, 蛋 白 质 约 占 20%。 在 磷 脂 中 :磷 脂 酰胆 碱 占 55%-58%; 磷 脂 酰 乙 醇 胺 占 20%-25%; 磷 脂 酰 肌 醇 及 磷 脂 酰 丝 氨 酸 占 5%-10%;鞘 磷 脂 占 4%-7%。 代 谢 酶 系光 面 内 质 网 存 在 许 多 代 谢 酶 系 (表 9-4),主 要 有 NADH-细 胞 色 素 P450 还 原 酶 、NADH-细 胞 色 素 B5 还 原 酶 、 NADH-细 胞 色 素 C 还 原 酶 、 ATP 酶 、
