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1、第第九九章章 .内内膜膜系系统统与与膜膜运运输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 细细胞胞质质膜膜系系统统及及其其研研究究方方法法9.1.1 膜膜结结合合细细胞胞器器与与内内膜膜系系统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(memb
2、rane-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 systems)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。 膜膜结结合合细细胞胞器器的的种种类类和和功功能能 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
3、分比胞质溶胶154线粒体170022内质网112细胞核16高尔基体13过氧化物酶体4001溶酶体3001内体2001 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
4、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 ,
5、细胞内膜结合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
6、外还有线粒体、过氧化物酶体等分布在细胞的不同部位。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。) 内内膜膜系系统统的的动动态态性性质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
7、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?( 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),是分泌的相反过程, 细胞将细胞外的物质吞进内体和溶酶体。) 膜膜结结合合细细胞胞器器的的进进化化及及其其意意义义原核细胞
8、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。
9、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?（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
10、, 细胞内不同区域形成pH 值差异 , 离子浓度的维持, 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 内内膜膜系系统统与与蛋蛋白白质质分分选选(protein s
11、orting)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
12、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，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。) 蛋蛋白白质质分分选选定定位位的的时时空空概概念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。为了适于蛋白质
13、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,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。 蛋蛋白白质质分分选选定定位位
14、的的空空间间障障碍碍及及运运输输方方式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)。 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
15、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。 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。无论是何种运输方式都需要消耗能量。 信信号号序序列列指指导导蛋蛋白白质质
16、的的正正确确运运输输 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。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
