第五章-细胞的内膜系统与囊泡转运

第五章细胞的内膜系统与囊泡转运第一节内质网第二节高尔基体第三节溶酶体第四节过氧化酶体第五节囊泡与囊泡转运第六节细胞内膜系统与医学的关系第一节内质网一、内质网的形态结构与类型二、内质网的化学组成三、内质网的功能内膜系统概述内膜系统是细胞中在结构、功能乃至发生上密切相关的膜性结构细胞器的总称。内膜系统是真核细胞特有的结构，主要包括内质网、高尔基复合体、溶酶体、各种转运小泡以及核膜和过氧化物酶体等功能结构。内膜系统的出现是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之一，是细胞进化过程中，内部结构不断完善，各种生理功能逐渐提高的结果。溶酶体内膜系统在细胞内分布示意图内质网（endoplasmicreticulum，ER）是一类由大小、形态各异的膜性囊泡所构成的细胞器。分布：内质网分布于内质区，并扩展、延伸至靠近细胞膜的外质区。广泛分布于除成熟红细胞以外的所有真核细胞的胞质中。类型：依其形态、功能不同分为糙面内质网（roughendoplasmicreticulum，RER）光面内质网（smoothendoplasmicreticulum，SER）一、内质网的形态结构与类型（一）内质网是细胞质内由单位膜围成的三维网状膜系统内质网是由大小不同、形态各异的膜性小管、小泡和扁囊彼此连通所构成的三维网管结构体系。在不同的组织细胞中，或同一种细胞的不同发育阶段及生理功能状态下，内质网的形态结构、数量分布和发达程度有很大差别。A.鼠肝细胞内质网形态结构模式图；B.睾丸间质细胞中内质网形态透射电镜图；C.动植物细胞中内质网形态结构图（荧光标记内质网）；D.横纹肌细胞中肌质网立体结构形态模式图。一、内质网的形态结构与类型（二）内质网的类型1.糙面内质网（roughendoplasmicreticulum,RER）形态特征：排列整齐的扁平囊状结构，网膜胞质面有核糖体颗粒附着。功能：主要和外输性蛋白质及多种膜蛋白的合成、加工及转运有关。分布：蛋白分泌功能旺盛的细胞中，粗面内质网高度发达；肿瘤细胞和未分化细胞中相对较少。2.光面内质网（smoothendoplasmicreticulum,SER）形态特征：表面光滑的管、泡样网状结构，无核糖体附着，并常常可见与粗面内质网相互连通。功能：是一种多功能的细胞器，在不同细胞或同一细胞的不同生理时期，常表现出完全不同的功能特性。(三)内质网的衍生结构在某些特殊组织细胞中存在着一些由内质网局部分化、衍生而来的异型结构。髓样体（myeloidbody）：视网膜色素上皮细胞。孔环状片层（annulatelamellae）：生殖细胞、癌细胞等。二、内质网的化学组成（一）脂类和蛋白质是内质网的主要化学组成成分1.脂类内质网膜的类脂双分子层组成包括磷脂、中性脂、缩醛脂和神经节苷脂等，其中以磷酯含量最多。2.蛋白质内质网膜含有的蛋白质是非常复杂、多样的。相对分子质量大小从15kD~150kD不等。（二）内质网含有以葡萄糖-6-磷酸酶为主要标志性酶的诸多酶系根据功能特性，可分为几种主要类型：⑴与解毒功能相关的氧化反应电子传递酶类；⑵与脂类物质代谢功能反应相关的酶类；⑶与碳水化合物代谢功能反应相关的酶类；⑷参与蛋白质加工转运的多种酶类。内质网膜的标志酶——葡萄糖-6-磷酸酶。（三）网质蛋白网质蛋白（reticulo-plasmin）是普遍地存在于内质网网腔中的一类蛋白质。特点：在多肽链的羧基端（C端）均含有KDEL（Lys-Asp-Glu-Leu，即赖氨酸-天冬氨酸-谷氨酸-亮氨酸）或HDEL（His-Asp-Glu-Leu，即组氨酸-天冬氨酸-谷氨酸-亮氨酸）的4氨基酸序列驻留信号，驻留信号可通过与内质网膜上相应受体的识别结合而驻留于内质网腔不被转运。目前已知的网质蛋白：免疫球蛋白重链结合蛋白，内质蛋白，钙网蛋白，钙连蛋白，蛋白质二硫键异构酶。三、内质网的功能(一)糙面内质网的功能糙面内质网的主要功能是进行蛋白质的合成、加工修饰、分选及转运。由糙面内质网上附着型核糖体合成的蛋白质有：外输性或分泌性蛋白膜整合蛋白构成细胞器中的驻留蛋白1.信号肽指导的分泌性蛋白质在糙面内质网的合成细胞中所有蛋白质的合成，皆起始于细胞质基质中游离的核糖体上。分泌性蛋白多肽链在其合成起始后不久，随核糖体一起附着于糙面内质网上，不断延伸的多肽链穿过内质网膜直至肽链合成完成。（1）信号肽是指导蛋白多肽链在糙面内质网上合成与穿膜转移的决定因素①信号肽和信号肽假说信号肽(signalpeptide)：一段由不同数目、不同种类的氨基酸组成的疏水氨基酸序列，普遍地存在于所有分泌蛋白肽链的氨基端，是指导蛋白多肽链在糙面内质网上进行合成的决定因素。根据信号肽假说，核糖体与内质网的结合以及肽链穿越内质网膜的转移还依赖于：信号识别颗粒（signalrecognitionparticle,SRP）信号识别颗粒受体（SRP-receptor,SRP-R）转运体（translocon）：位于内质网膜，是新生分泌蛋白质多肽链合成时进入内质网腔的通道。②具体过程新生分泌性蛋白质多肽链在细胞质基质中的游离核糖体上起始合成。新生肽链N端信号肽与SRP识别、结合，肽链延长受阻。信号肽结合的SRP，识别、结合内质网膜上的SRP受体，并介导核糖体锚泊于内质网膜的转运体易位蛋白上，肽链延伸继续进行。在信号肽引导下，肽链穿膜进入内质网腔，信号肽被切除，肽链继续延伸，直至合成完成。（2）新生多肽链的折叠与装配由附着型核糖体合成的新生多肽链需要在内质网腔中进行进一步的折叠与装配，这一过程由分子伴侣协助完成。分子伴侣（molecularchaperone）：能够帮助多肽链转运、折叠和组装的结合蛋白，本身不参与最终产物的形成。分子伴侣蛋白的共同特点：在羧基端有一KDEL驻留信号肽，它们和内质网膜上的相应受体结合而驻留于网腔不被转运。因此，也被称作驻留蛋白（retentionprotein）。分子伴侣蛋白也是细胞内蛋白质质量监控的重要因子。内质网腔内未折叠蛋白的积聚，可通过未折叠蛋白反应（unfoldedproteinresponse,UPR）使内质网分子伴侣表达升高，从而有利于蛋白质的正确折叠和组装。（3）蛋白质的糖基化糖基化(glycosylation)：单糖或者寡糖与蛋白质之间通过共价键结合形成糖蛋白的过程。由附着型核糖体合成并经由内质网转运的蛋白质，其中大多数都要被糖基化。发生在糙面内质网中的糖基化主要是寡糖与蛋白质天冬酰胺残基侧链上氨基基团的结合，称为N-连接糖基化（N-linkedglycosylation），其识别序列为：Asn-X-Ser或Asn-X-Thr（X代表除Pro之外的任何氨基酸）。在糙面内质网合成并经加工修饰后的各种外输性蛋白质最终被内质网膜包裹，并形成膜性小泡而转运。主要有两个转运途径：内质网高尔基复合体转运泡细胞外——最为普遍和最为常见的蛋白分泌途径内质网高尔基复合体分泌泡细胞外——存在于分泌细胞中接收信号（4）蛋白质的胞内运输2.信号肽指导的穿膜驻留蛋白插入转移的可能机制⑴单次穿膜蛋白插入转移的机制①新生肽链共翻译插入（cotranslationinsertion）机制起始转移信号肽——起始肽链转移。停止转移信号肽——使转运体由活性状态转换为钝化状态而终止肽链的转移。②内信号肽（internalsignalpeptide）介导的内开始转移肽（internalstart-transferpeptide）插入转移机制内信号肽——位于多肽链内部的信号肽序列，具有与N端信号肽同样的功能，到达转运体时被保留在脂双层中。⑵多次穿膜蛋白质的转移插入与单次穿膜蛋白的转移机制大致相同，在多次穿膜蛋白肽链上，存在两个或者两个以上的疏水性开始转移肽结构序列和停止转移肽结构序列。3.糙面内质网是蛋白质分选的起始部位无内质网信号肽的蛋白质，在游离核糖体上完成蛋白合成。游离核糖体非定位分布的细胞质溶质驻留蛋白定位性分布的胞质溶质蛋白细胞核中的核蛋白线粒体、质体等所需的核基因组编码蛋白有内质网信号肽的蛋白质，进入内质网完成蛋白合成，并起始分选过程。信号斑（signalpatch）：指新生蛋白质多肽链合成后折叠时，在其表面由特定氨基酸序列形成的三维功能结构。也是重要的蛋白质分选转运信号。信号斑与信号肽的区别：①构成信号斑的氨基酸残基（或序列片段）往往相间排列存在于蛋白质多肽链中，彼此相距较远；②在完成蛋白质的分拣、转运引导作用后通常不被切除而得以保留；③信号斑可识别某些以特异性糖残基为标志的酶蛋白，并指导它们的定向转运。(二)光面内质网的功能1.参与脂类的合成和转运脂类合成是光面内质网最为重要的功能之一。除线粒体特有的两种磷脂外，细胞所需要的全部膜脂几乎都是由内质网合成的。⑴合成过程①脂酰转移酶催化脂酰辅酶A与甘油-3-磷酸反应形成磷脂酸；②在磷酸酶的作用下，磷脂酸去磷酸化生成双酰甘油；③在胆碱磷酸转移酶催化下，添加极性基团，形成双亲性脂类分子。⑵向其他膜结构的转运主要有两种方式：•以出芽小泡的形式转运到高尔基复合体、溶酶体和质膜；•以磷脂交换蛋白（phospholipidexchangeproteins，PEP）作为载体，形成复合体进入细胞质基质，通过自由扩散，到达线粒体和过氧化物酶体膜上。2.参与糖原的代谢。3.作为细胞解毒的主要场所。肝脏的解毒作用主要由肝细胞中的光面内质网来完成。肝细胞光面内质网上含有的氧化及电子传递酶系可催化多种化合物的氧化或羟化，破坏毒物、药物的毒性，增加化合物的极性，使之便于排泄。4.作为肌细胞Ca2+的储存场所。在肌细胞中，光面内质网特化为一种特殊的结构——肌质网。肌质网网膜上的Ca2+-ATP酶可进行Ca2+的储存和释放。5.与胃酸、胆汁的合成与分泌密切相关。第二节高尔基复合体一、高尔基复合体的形态结构二、高尔基复合体的化学组成三、高尔基复合体的主要功能一、高尔基复合体的形态结构(一)高尔基复合体是由三种不同类型的膜性囊泡组成的细胞器电镜观察表明，高尔基复合体（Golgicomplex）是一种膜性的囊、泡结构复合体，一般划分为三个组成部分。1.扁平囊泡（cisternae）高尔基复合体的主体结构，一般由3-8个扁平囊泡平行排列成高尔基体堆。凸面朝向细胞核，称之为顺面或形成面。凹面侧向细胞膜，称作反面或成熟面。2.小囊泡（vesicles）聚集分布于高尔基复合体形成面，由糙面内质网芽生、分化而来，负责将内质网中的蛋白质转运到高尔基复合体中。3.大囊泡（vacuoles）分布于高尔基复合体成熟面。（二）高尔基复合体是一种极性细胞器构成高尔基复合体主体的膜（扁平）囊，从形成面到成熟面可呈现不同的结构形态，各膜囊所执行的功能亦不尽相同，因此，高尔基体又被称为极性细胞器。现在一般将高尔基复合体膜囊层划分为三个组成部分：顺面高尔基网（cis-Golginetwork）高尔基中间膜囊（medialGolgistack)反面高尔基网（trans-Golginetwork）1.顺面高尔基网靠近内质网的一侧，呈连续分支的管网状结构，可被标志性的化学反应——嗜锇反应显示。功能：•分选来自内质网的蛋白质和脂类；•进行蛋白质糖基化和酰基化修饰。2.高尔基中间膜囊位于顺面高尔基网状结构和反面高尔基网状结构之间的多层间隔囊、管结构复合体系，可被标志性的化学反应——NADP酶反应显示。功能：进行糖基化修饰和多糖及糖脂的合成。3.反面高尔基网朝向细胞膜一侧，在其形态结构和化学特性上具有细胞的差异性和多样性。功能：蛋白质分选和修饰。（三）高尔基复合体在不同组织细胞中呈现不同的分布形式高尔基复合体在不同的组织细胞中具有不同的分布特征：神经细胞——围绕细胞核分布；肠上皮粘膜、胰腺细胞——在细胞核附近趋向于一极分布。高尔基复合体的数量和发达程度与细胞生长、发育和功能有关。二、高尔基复合体的化学组成(一)脂类是高尔基复合体膜的基本成分高尔基复合体脂类成分含量介于质膜与内质网之间，总含量约45%左右。(二)高尔基复合体中含有多种酶蛋白体系糖基转