5细胞的内膜系统与囊泡转运.

医学细胞生物学第五章细胞的内膜系统与囊泡转运高级讲师王波[e-mail]中山大学中山医学院生物教研室•内膜系统endomembranesystem：细胞内在结构、功能、发生上密切相关的膜性细胞器的总称；包括内质网、高尔基体、溶酶体、各种运输小泡、核膜等•19世纪末光镜下在唾液腺和胰腺细胞中观察到丝条状结构，饥饿后消失进食后增多•1945年，K.R.Porter电镜观察丝条状结构，实为核附近小泡小管、网状结构，命名内质网endoplasmicreticulumER•内质网的化学组成•内质网膜常占细胞全部膜结构50%，体积占10%以上•超速离心分级分离，从细胞浆中分理出直径100nm囊状小泡，称“微粒体”Microsome•生化分析等证明，微粒体由内质网和核糖体组成，具有内质网的基本功能内质网内质网•内质网膜脂类：磷脂、中性脂、缩醛脂、神经节苷脂等•各种磷脂百分比：卵磷脂55%、磷脂酰乙醇胺20～25%、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸各占5～10%、鞘磷脂4～7%•内质网膜蛋白分析，表明膜中含酶至少30种，分三种类型：•①氧化反应电子传递酶系与解毒功能相关细胞色素P450•②与脂类代谢相关的酶类脂肪酸CoA连接酶•③与碳水化合物代谢相关酶类葡萄糖-6-磷酸酶——内质网膜的标志酶•内质网的形态结构•内质网膜厚度5～6nm，由小管、小泡、扁囊组成；这些结构相互连通，构成连续三维管状网络结构•内质网向内与核膜沟通，向外与高尔基体、溶酶体等转换组分•细胞根据发育阶段和生理状态，内质网形态结构数量分布均有不同内质网•内质网的基本类型•根据电镜观察，内质网分为粗面内质网(roughendoplasmicreticulum,RER)和滑面内质网(smoothendoplasmicreticulum,SER)•粗面内质网表面有核糖体附着•多呈扁平囊状，参与分泌型蛋白质和多种膜蛋白的合成、加工和转运•分泌肽类激素和蛋白的细胞中，RER高度发达；肿瘤细胞、未分化细胞则很少•滑面内质网是表面光滑的管泡样网状结构•滑面内质网与粗面内质网相通，是多功能细胞器；在不同细胞或不同生理期，结构分布和发达程度差别很大•有的细胞以RER为主，有的以SER为主，随着生理状态改变，两者可以互相转换内质网•某些特殊组织细胞存在内质网衍生结构•视网膜色素上皮细胞的髓样体；生殖细胞、快速增殖细胞、神经元与松果体中的孔环状片层内质网•内质网的功能•粗面内质网与外输性蛋白质的合成、加工及转运密切相关•1.作为核糖体附着的支架•许多肽链的合成必须随核糖体转移、附着于粗面内质网才能完成•附着型核糖体合成的蛋白质有：•①外输性或分泌性蛋白：肽类激素、细胞因子、抗体、消化酶、细胞外基质蛋白等•②膜整合蛋白质：膜抗原、膜受体等•③细胞器的驻留蛋白：定位内质网、高尔基体、溶酶体等的可溶性驻留蛋白，需要粗面内质网的修饰加工和转运•2.新生多肽链的折叠与装配•内质网腔中有丰富的氧化型谷胱甘肽，便于肽链上半胱氨酸残基间内质网氧化形成二硫键；内质网，膜腔面附着的蛋白二硫键异构酶，使二硫键的形成及多肽链的折叠速度大大加快•内质网中的重链结合蛋白(heavy-chainbindingprotein,BiP)能与折叠错误的多肽和未完成装配的蛋白亚单位识别结合，予以滞留；促进重新折叠、装配与运输•BiP属于热休克蛋白70(HSP70)家族；帮助多肽链转运、折叠和组装，也称“分子伴侣”(molecularchaperone)•分子伴侣协助多肽链折叠组装转运，但是不参与终产物形成；内质网中分子伴侣还有：钙网素、葡萄糖调节蛋白94(GRP94)——内质网素，内质网标志性分子伴侣•分子伴侣共同特点：羧基端有Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)——四氨基酸滞留信号肽，结合于内质网膜受体蛋白，从而驻留于内质网腔，又称驻留蛋白•分子伴侣是蛋白质质量监控因子，避免错误蛋白的运输内质网•3.蛋白质的糖基化•糖基化：单糖或寡糖与蛋白质间，通过共价键结合成糖蛋白的过程•由附着在内质网上的核糖体合成的蛋白质多数进行糖基化•粗面内质网中的糖基化：寡糖与蛋白质天冬酰胺残基侧链的氨基基团结合，即N-糖基化•催化糖基化的酶——糖基转移酶，RER内膜整合蛋白•多萜醇:以多萜为母体的醇，属多异戊二烯醇衍生物(n3；常为13～23)。如双萜的叶绿醇、视黄醇、三萜的羊毛固醇、四萜的类胡萝卜素等。多萜醇的磷酸酯在维持细胞膜的正常功能中具有重要作用内质网•供糖分子通常是核苷糖；如：CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡萄糖胺糖基转移反应均由糖基转移酶催化内质网多萜醇•内质网中的N-连接糖基化，起始于一个14寡糖，由2个N-乙酰葡萄糖胺、9个甘露糖、3个葡萄糖•最后，寡糖转移酶催化14寡糖链连接到新生肽链的特定三肽序列：Asn-X-Ser或Asn-X-Thr（X是除Pro之外的任何氨基酸）的Asn上内质网糖基化后的新生肽链，寡糖链末端的2个葡萄糖残基被移去，残留的葡萄糖残基结合内质网膜上的分子伴侣，然后在分子伴侣帮助下完成折叠，被移去最后一个葡萄糖残基，包装外送；错误折叠导致肽链的疏水基团外露，被GT（监控酶）识别并重新连接1个葡萄糖，重新结合分子伴侣进行折叠•4.蛋白质的胞内运输•正确修饰加工的蛋白质，被内质网膜包裹，以“出芽”方式形成膜性小泡而转运•粗面内质网的膜泡转运有两种形式：①形成转运小泡进入高尔基体②仅见某些哺乳类胰腺外分泌细胞——内质网膜泡进入大浓缩泡，发育成酶原颗粒，排出细胞内质网•信号肽介导分泌性蛋白在粗面内质网合成•胞质中核糖体附着内质网的秘密？•1.信号肽与信号肽假说•1975年G.Blobel提出信号肽假说signalHypothesis•附着在内质网上的核糖体，合成的肽链的N端，有一段特殊氨基酸序列，称信号肽；信号肽普遍存在于分泌蛋白，由不同数目不同种类氨基酸组成疏水氨基酸序列•核糖体与内质网膜的结合，还有赖于胞质中的信号识别颗粒signalrecognitionparticle,SRP，内质网膜上信号识别颗粒受体SRP-receptor，内质网膜上移位子translocon(通道蛋白)•信号肽假说内容：•①胞质中游离核糖体，翻译出有信号肽的多肽后，即被胞质中的SRP识别、结合内质网•SRP由6个多肽亚单位和1个7SRNA小分子组成，可结合信号肽序列、也可部分插入核糖体，暂停翻译，形成：SRP-核糖体复合物•②与信号肽结合的SRP识别并结合内质网膜上的SRP-R，介导核糖体结合内质网膜的移位子(通道蛋白)；此结合导致SRP被释放，返回胞质重新被利用；而多肽链进入移位子通道内，翻译重新开始•③核糖体与移位子的结合，使得核糖体大亚基的中央管与移位子的通道相对，继续合成的肽链在信号肽牵引下进入移位子通道，到达内质网腔；信号肽被信号肽酶切除；多肽合成结束，核糖体撤离内质网内质网移位子是内质网膜上的亲水通道，外径8.5nm，内径2nm，与信号肽结合时，处于开放的活性状态；多肽链合成转移完毕，转为无活性关闭状态•2.跨膜驻留蛋白的插入与转移•单次跨膜蛋白插入内质网膜的两种机制：•①新生肽链协同翻译插入机制：跨膜蛋白除了N-端转移信号肽，肽链中存在停止转移肽stop-transferpeptide，也是一段特定氨基酸序列组成的疏水区段；当停止转移肽进入移位子，移位子与之作用，从活性状态变为失活状态，终停止对肽链的转移，停止转移肽形成α-螺旋结构，当信号肽被切除，肽链的N-端朝向内质网腔内质网•②内信号肽介导的内开始转移肽插入转移机制：内信号肽即信号肽位于肽链中而不是N-端；当内信号肽到达移位子时，被保留在内质网膜的脂双层中，成为跨膜α-螺旋结构；若内信号肽的N-端比C-端有更多带正电氨基酸残基，则C-端插入内质网腔；反之，肽链插入方向相反内质网•多次跨膜蛋白质的转移插入更复杂，但机制相同•多次跨膜蛋白通常以内信号肽作为起始转移信号•滑面内质网是胞内脂类物质合成的主要场所•1.滑面内质网参与脂质的合成和转运•小肠吸收的甘油、脂肪酸等，进入细胞后，在内质网中被重新合成甘油三酯•滑面内质网合成的脂类常与粗面内质网合成的蛋白质结合成脂蛋白，经由高尔基体分泌出去；分泌出去后常运输血液中的胆固醇、甘油三酯等到脂肪组织•分泌类固醇激素的细胞，有发达滑面内质网，其中存在类固醇代谢的关键酶•除线粒体特有的两种磷脂，几乎全部膜脂由内质网合成；底物来源于细胞质中，催化酶定位于内质网膜上内质网•内质网膜上的脂质合成过程：•①脂酰基转移酶acyltransferase催化2分子脂酰辅酶A(fattyacylCoA)与甘油-3-磷酸反应，形成磷脂酸；•②磷酸酶催化磷脂酸脱磷酸，生成双酰甘油；•③胆碱磷酸转移酶催化双酰甘油添加极性基团，形成磷脂分子内质网脂质合成的起始和完成均在内质网膜的胞质侧细胞质侧内质网腔•内质网膜(胞质侧)合成的脂类借助转位酶flippase(或译翻转酶)，翻转到朝向内质网腔的一侧，最终被输送到其它膜上•内质网向其它膜结构转运脂类的两种形式：•①出芽小泡转运到高尔基体、溶酶体、质膜•②磷脂转换蛋白phospholipidexchangeprotein作载体(特异识别磷脂分子)，结合内质网膜的磷脂进入胞质，达到线粒体、过氧化物酶体内质网•2.滑面内质网参与糖原代谢•肝细胞中滑面内质网膜的葡萄糖-6-磷酸酶，催化糖原在胞质中降解的产物——葡萄糖-6-磷酸的去磷酸化；•去磷酸化的葡萄糖经由内质网，进入血液内质网未知：①为何只有滑面内质网密切结合糖原？②葡萄糖-6-磷酸酶活性部位使产物自动进入内质网腔③葡萄糖-6-磷酸酶在内质网膜具体定位•3.滑面内质网是细胞解毒主要场所•肝脏是外源性、内源性毒物及药物分解器官，其解毒作用主要由滑面内质网完成•肝细胞滑面内质网上，有丰富氧化和电子传递酶系：细胞色素450、NADPH-细胞色素系列还原酶等•解毒机制：在电子传递的氧化还原过程中，催化多种化合物氧化或羟化，使毒物/药物被破坏；或增加了毒物/药物极性，使之排泄•内质网电子传递链与线粒体电子传递链区别：•电子传递链比线粒体的短；催化的反应，都是在底物中加个氧原子•所以，内质网的电子传递酶系，也称羟化酶或加单氧酶系内质网•4.滑面内质网是肌细胞Ca2+储存场所•肌细胞中的发达的滑面内质网特化为肌浆网sarcoplasmicreticulum•肌浆网上Ca2+–ATP酶把胞质中的Ca2+泵入网腔储存；受细胞外信号作用，Ca2+向胞质中释放•肌浆网中大量钙结合蛋白，每个这样的蛋白结合30个Ca2+•高浓度Ca2+阻止运输小泡形成•5.滑面内质网与胃酸、胆汁合成与分泌密切相关•胃壁腺上皮细胞，滑面内质网使Cl-与H+结合生成HCl•肝细胞，滑面内质网的葡萄糖醛酸转移酶，使水溶性胆红素形成水溶性结合胆红素，后者随胆汁排入肠内，被细胞还原为尿(粪)胆素元内质网•1898年，意大利C.Golgi用银染技术对猫头鹰脊髓神经观察，发现•20世纪50年代，电子显微镜技术证明高尔基体的存在和结构•高尔基复合体的形态结构•高尔基复合体由三种不同类型的膜性囊泡组成•1.扁平囊泡cisternae•3~8个略微弯弓形扁平囊泡整齐排列层叠，构成主体•扁平囊泡囊腔宽15~20nm，相邻囊间距20~30nm•囊泡凸面朝细胞核，叫顺面cisface或形成面formingface:膜厚6nm•凹面朝向细胞膜，称反面transface或成熟面matureface:膜厚8nm•2.小囊泡vesicles•聚集于形成面，是直径40~80nm的膜泡，多数是光滑小泡，较小的是衣被小泡——内质网芽生、分化而来，也称运输小泡高尔基体•运输小泡之间不断融合，形成扁平囊泡，在从内质网转运物质的同时，补充更新了扁平囊泡的膜结构•3.大囊泡vacuoloes•也称分泌泡secretingvacuoles，直径0.1~0.5μm，在扁平囊泡的成熟面，由扁平囊泡末端膨大、断裂而成高尔基体•高尔基复合体具有显著的极性•从顺面到反面分成三个部分：•①顺面高尔基网状结构：•连续