第5章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

第五章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输真核细胞在进化上一个显著特点就是出现了细胞内的区隔（intracellularcompartment），细胞质被分隔成不同的由膜包裹的区室，即被膜细胞器（MembraneBoundOrganelles）。内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等虽然具有各自独立的结构和功能，但它们之间又紧密相关，每个细胞器都作为相互协调的功能单位的一部分而发挥作用。因而被总称为细胞内膜系统（endomembranesystem）。(seenext)Anoverviewofthebiosynthetic/secretoryandendocyticpathwaysthatuniteendomembranesintoadynamic,interconnectednetwork.EndosymbiosisEvolutionofNuclearMembraneandER从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，称细胞质基质（cytoplasmicmatrixorcytomatrix）。本章内容第一节细胞质基质的涵义与功能第二节细胞内膜系统及其功能第三节细胞内蛋白质的分选与膜泡运输第一节细胞质基质也被称为：细胞液(cellsap)，透明质(hyaloplasm)，胞质溶胶(cytosol)成分：主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨架。水和无机离子（K、Na、Mg、Ca、Cl)脂、糖、氨基酸、核苷酸及其衍生物蛋白质、脂蛋白、多糖、RNA糖原等一些处于贮存状态的重要化合物细胞质基质的功能完成各种中间代谢过程如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解蛋白质的修饰降解变性和错误折叠的蛋白质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第二节细胞内膜系统及其功能内质网高尔基体溶酶体一、内质网K.R.Porter等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（endoplasmicreticulum，ER）。分类组成功能根据是否附有核糖体：粗面内质网（糙面内质网，routhendoplasmicreticulum,rER)有核糖体附着光面内质网（滑面内质网，smoothendoplasmicreticulum,sER)无核糖体附着光面内质网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。1、分类2、结构和组成形态结构ER由封闭的膜系统及其形成的腔构成的相互沟通的网状结构。它从核膜延伸至细胞质中，靠近细胞质内侧。（next）ER是真核细胞中最大的细胞器ER的膜占细胞膜系统的一半所包围的体积占细胞总体积的10%超薄和扫描电镜观察的内质网上部是透射电镜照片,下部是扫描电镜照片粗面内质网呈扁平囊状，排列整齐光面内质网呈分支管状或小泡状特征：大大增加了细胞内膜的表面积，为多种酶体系提供了大面积的结合位点。完整的封闭体系将其上合成的物质与细胞基质中合成的物质分隔开，利于它们的加工和运输，组成：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。葡萄糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶2、结构和组成微粒体(microsome)：内质网的一种特化类型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。3、内质网的功能光面内质网的功能：脂类合成类固醇激素的合成脱毒作用糖原分解释放葡萄糖调节钙功能粗面内质网的功能：蛋白质合成蛋白质的修饰和加工新生肽链的折叠和装配脂质与类固醇激素的合成几乎全部的膜脂都由内质网来合成，如磷脂（磷脂酰胆碱）、胆固醇将胆固醇氧化、还原、水解,转变成各种类固醇激素。合成：磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol，因而磷脂的合成都是在内质网的胞质溶胶面进行(seenext)。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他的膜。光面内质网的功能Thesynthesisofphosphatidylcholine.Thisphospholipidissynthesizedfromfattyacyl-coenzymeA(fattyacylCoA),glycerol3-phosphate,andcytidine-bisphosphocholine(CDP-choline)脂质的合成转位：在内质网上合成的磷脂几分钟之后就由胞质溶胶面转向膜的另一面，即内质网腔面,磷脂的转位是由内质网膜中磷脂转位蛋白(phospholipidtranslocator)或称翻转酶（flippase）帮助的。转运:内质网中的磷脂向其它膜的转运有两种方式：出芽(budding)：ER→GC、Ly、PM磷脂转换蛋白(phospholipidexchangeproteins,PEP）：磷脂分子+PEP→细胞质基质→靶膜（线粒体、过氧化物酶体的膜）(seenext)光面内质网的功能糖原分解与游离葡萄糖释放在肝细胞中,糖原裂解释放葡萄糖-1-磷酸,然后再转变成葡萄糖-6-磷酸,由于磷酸化的葡萄糖不能通过细胞质膜,光面内质网上的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解为葡萄糖和磷酸后,葡萄糖就可穿过细胞质膜进入血液光面内质网的功能解毒作用(detoxification)肝细胞中的光面内质网很丰富，其中含有一些酶，用以清除脂溶性废物和代谢产生的有害物质。如细胞色素P-450家族酶系能使聚集在光面内质网上的不溶于水的废物或代谢产物羟基化而完全溶于水转运出细胞进入尿液中。光面内质网的功能贮Ca2+功能：肌质网(sarcoplasmicreticullum)是肌细胞内特化的光面内质网,是贮存Ca2+的细胞器。光面内质网的功能TranslocationofsolubleproteinsacrossER粗面内质网的功能蛋白质的合成向细胞外分泌的蛋白质膜的整合蛋白质细胞器中可溶性驻留蛋白质（solubleproteinsthatresidewithincompartmentsoftheendomembranesystem）蛋白质的修饰与加工包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用：使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；赋予蛋白质传导信号的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。在进化上，寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。粗面内质网的功能内质网上进行N-连接的糖基化。N-连接的糖基化（N-linkedglycosylation）：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。ProteinglycosylationinRER粗面内质网的功能新生多肽的折叠与装配二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase，PDI：ER驻留蛋白）催化新合成的蛋白形成和改组二硫键，形成正确的折叠状态。分子伴侣BiP（Bindingprotein）识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。不能正确折叠的畸形肽链或未装配成寡聚体的蛋白质亚单位，不能进入高尔基体。这些多肽一旦被识别，便从内质网腔转至细胞质基质（通过Sec61p复合体），被蛋白酶体（proteasomes－protein-degradingmachine）所降解。（seenext）粗面内质网的功能二、高尔基体高尔基体（Golgibody），也称高尔基器(Golgiapparatus)或高尔基复合体(Golgicomplex)最早发现于1855年，1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。1909年诺贝尔奖。GolgiApparatusinaplantparenchymacellfromSauromatumguttatum(TEMx145,700).组成：高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类。从蛋白质含量看,高尔基复合体高于内质网和质膜（分别为20%和40%）。从总磷脂看,高尔基体介于内质网和质膜之间。标志酶为糖基转移酶。还有磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等不同的类型。1、形态和组成功能区隔：CGNMedialGolgiTGN1、形态和组成1、形态和组成CGN最内侧称高尔基体顺面网络结构（cisGolginetwork，CGN），呈相互连接的管网结构（interconnectednetworkoftubules）,是高尔基体的入口区域。DiagramofGolgibody.Vesiclesarriveatthecisfaceandleavefromtransface.Theinternalcompartmentofeachmembranesaciscalleda“cisterna”(pl.cisternae).GolgiStack：高尔基体的主体由一系列大的、扁平膜囊和管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的。可分为顺面膜囊（ciscisternae）、中间膜囊（medialcisternae）和反面膜囊（transcisternae）。多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在此。1、形态和组成TGN：反面最外测称高尔基体反面网络结构（transGolginetwork，TGN），呈管网状，并有囊泡与之相连。是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。1、形态和组成2、高尔基体的功能蛋白质运输和分选（sorting）蛋白质修饰水解糖基化硫酸化：蛋白聚糖膜循环：内质网上合成的脂质一部分转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成运输泡，向细胞膜和溶酶体膜等部位运输。高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。(见第三节)2、高尔基体的功能O-连接的糖基化O-连接的糖基化在高尔基体中进行，糖的供体为核苷糖（半乳糖或N-乙酰半乳糖胺）。将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上。N-连接的寡聚糖进一步加工内质网上：磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天冬酰胺（Asn）上高尔基体：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白蛋白质在高尔基体中酶解加工无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体切除N-端或两端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物。同一种蛋白质前体不同细胞、以不同的方式加工不同的多肽。2、高尔基体的功能三、溶酶体溶酶体（lysosome）是单层膜围绕、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内消化。溶酶体为C.deDuve与B.Novikoff1955年首次发现。酸性磷酸酶是标志酶Lysosomemembrane:Glycosylatedproteins，mayprotectthelysosomefromselfdigestion.初级溶酶体（primarylysosome）直径约0.2~0.5