《内膜系统与膜运输》由会员分享，可在线阅读，更多相关《内膜系统与膜运输（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、19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 (membran
2、e-bound compartments)细胞质膜系统(cytoplasmic membrane system)内膜系统 (endomembrane systems)2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 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
3、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 基因组存在的场所，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
4、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。3膜结合细胞器在细胞内的分布膜结合细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? 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
5、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。4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体降解。内膜系统的动态特性是怎样引起的?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?
6、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5式，即内共生途径。对于内膜系统来说，则是通过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
7、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?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
8、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? 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6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,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
9、质溶胶,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
10、)。核孔运输 (transport through nuclear 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7输蛋白(protein translocators) 的帮助，被运输的蛋白要有信号肽或导肽。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
11、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)。8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)
12、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。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-Le
13、u-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu- Gln-Leu-Thr- Lys-Cys-Glu-Val-Phe-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 -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-输入过氧化物酶体 -Ser-Lys-Leu-说明: +H3N 代表氨基端; COO代表羧基端。9信号序列的
14、类型根据信号序列运输方向的不同分为三种类型，即入核信号、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 Ja
15、mieson 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。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?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10用机械匀浆将细胞破碎,各种膜细胞器破碎,并且重新自我融合形成各种球形膜
