真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输沈婷

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1、第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输,第一节 细胞质基质的涵义与功能（自学） 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 复习思考题,形态学（电镜超薄切片）和生化：真核细胞内具有发达的细胞内膜相结构，将细胞分为不同的区室，称为细胞内区室化，是真核细胞结构和功能的基本特征之一。,细胞内区室化是真核细胞结构和功能的基本特征之一。,细胞内被膜： 1. 细胞质基质； 2. 细胞内膜系统； 3. 其他由膜包被的各类细胞器（如线粒体）,第一节 细胞质基质的涵义与功能,在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。,第一节 细胞质基质的涵义与功能 在

2、真核细胞的细胞质中，除去可辨认的细胞器以外的胶状物质，称细胞质基质，是细胞的重要部分。,蛋白质占20-30%,胞质溶胶 用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成 分。,一、细胞质基质的涵义 主要成分：）中间代谢有关的数千种酶类 ）细胞质骨架结构 主要特点： ）细胞质基质是一个高度有序的体系； 在细胞基质中，蛋白质、分泌泡、细胞器固定在细胞质基质的某些部位，或沿细胞骨架定向运动。 细胞质基质是蛋白质与脂质合成场所。 ）通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系 多数蛋白质结合在微丝上，这种特异性的结

3、合与细胞生理状态，组织的发育，细胞分化程度有关 mRNA在细胞中区域性分布，对子代个体胚胎发育早期的细胞分化起着重要的作用。,二、细胞质基质的功能 （一）细胞质基质在物质代谢中起重要作用 （二）与细胞质骨架相关的。 （三）细胞质基质在蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解等方面也起着重要作用。,第二节 细胞内膜系统及其功能,细胞内膜系统是指在结构、功能及发生上相互关联、由膜包被的细胞器或细胞结构，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。 内膜系统研究技术 电镜技术：揭示超微结构； 免疫标记和放射自显影技术：功能定位； 离心技术：组分分离和分析； 遗传突变体分析技术：膜泡运输和功能机制,内

4、膜系统的动态特征： 将细胞中的生化合成、分泌和内吞作用连接形成动态的、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泡运送到工作部位；细胞通过内吞途径将细胞外的物质送到溶酶体降解。,一、内质网的形态结构与功能,内质网（ER）由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成互相沟通的三维网络结构。 内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积占细胞总体积的10%以上。 内质网是典型的异质性 细胞器，在细胞分裂时， 内质网要经历解体和 重建的过程。,一、内质网的形态结构与功能,内质网的存在大大增加了细胞内膜的表面积，为酶反应提供了结合位点； 内质网形成的封闭体系，将内质网上合成的物质与细胞质基

5、质中合成的物质分隔开来，更有利于它们的加工和运输； 内质网是细胞内除核酸以外 的生物大分子如蛋白质、 脂质和糖类的合成基地。,一、内质网的形态结构与功能,微粒体在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，包含内质网膜和核糖体两种组分。是人工产物。,微粒体,（一）内质网的两种基本类型,粗面内质网（RER）和光面内质网（SER） RER多呈扁囊状，排列整齐，表面分布大量的核糖体。功能是合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白。 易位子是内质网膜上的一种蛋白复合体，中央有一直径2nm的通道，其功能与新合成的多肽进入内质网有关。 SER呈分支管状，表面无核糖体。是脂质合成的重要场所。SE

6、R只是RER连续结构的一部分。作为出芽的位点，将内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体内。,（二）ER的功能,ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地。几乎全部脂类和多种重要蛋白质都在内质网合成。 1、蛋白质的合成是RER的主要功能 在粗面内质网上合成的蛋白包括分泌蛋白、整合膜蛋白、构成内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白（需要隔离或修饰）。其它多肽由细胞质基质中“游离”的核糖体合成。 注意：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中“游离”的核糖体。,1.蛋白质的合成 细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中。有些蛋白质刚合成不久便转移至内质网膜上，继续进行蛋白质

7、合成，这些蛋白质包括： 向细胞外分泌的蛋白质：酶、抗体、多肽类激素、胞外基质成分等； 膜的整合蛋白：细胞质膜以及内质网、高尔基体、溶酶体膜上的膜蛋白； 构成内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白：溶酶体和植物液泡中的酸性水 解酶、内质网、高尔基体中固有的蛋白。 其它的多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的，包括: （1）预定滞留在细胞质基质中的驻留蛋白：如糖酵解酶和细胞骨架蛋白； （2）质膜外周蛋白：血影蛋白和锚蛋白； （3）核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。,（二）ER的功能,2、SER是脂质合成的重要场所 合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。 磷脂合成酶是膜整合蛋

8、白，活性位点朝向细胞质。 磷脂转位因子（转位酶） 对含胆碱的磷脂要比对含丝氨酸、乙醇胺和肌醇的磷脂转位能力强，因此磷脂酰胆碱更容易被转到内质网膜的腔内，从而导致了脂类在膜上分布的不对称性。 磷脂的转运方式：出芽、磷脂转换蛋白。,2.脂质的合成 内质网合成的构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。合成磷脂所需要的三种酶（酰基转移酶、磷酸酶、胆碱磷酸转移酶）都定位于内质网膜上。 在内质网膜上合成的磷脂几分钟后，就由细胞质基质一侧转向内质网腔面，这种转运可能借助一种磷脂转位因子（phospholipid translocator）或称转位酶（flip

9、pase）来完成。,胆碱磷酸酯转移酶,甘油磷脂,磷脂酰胆碱,甘油磷脂,磷脂酸盐,二磷酸甘油酯,酰基转移酶,磷脂转位因子,杨P132 13-1,合成的磷脂由内质网向其它膜转运主要有两种方式： 以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上； 凭借水溶性的载体蛋白磷脂转运蛋白（phospholipid exchange proteins，PEP）在膜之间转运磷脂。,内质网膜,小泡,细胞质膜,3、蛋白质的修饰和加工 细胞对蛋白质的修饰加工主要包括糖基化、羟基化、酰基化和形成二硫键等。 糖基化：在糖基转移酶的作用下，把连接在磷酸多萜醇上的寡糖链转移到蛋白质的天冬酰胺残基上。 糖基化主要有两种方式。 N-

10、连接的糖基化（Asn） O-连接的糖基化（Ser/Thr或Hylys/Hypro）,（二）ER的功能,4、新生多肽的折叠与组装 内质网腔是非还原性的内腔，易于形成二硫键。 蛋白二硫键异构酶（PDI）：切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确的折叠状态。 结合蛋白（Bip）：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。 PDI和Bip蛋白具有4肽信号（KDEL或HDEL）以保证滞留在内质网中。Bip属于热休克蛋白70家族。,（二）ER的功能,5、内质网的其他功能SER的其他功能 解毒功能：肝细胞中的SER是合成外输性脂蛋白颗粒的基地。SER中有一些能清除脂溶性废物

11、和有害物质的酶，如细胞色素P450家族酶系，可将不溶于水的有毒物质和代谢产物羟基化为溶于水的物质，经尿液排出。 合成固醇类激素：生殖腺内分泌细胞的SER。 储存Ca2+：肌质网（特化的SER）膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中。,（二）ER的功能,至少有3种不同的从内质网到细胞核的信号转导途径，其中涉及一系列信号转导分子最终调节细胞核内特异基因表达。如： 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累； 折叠好的膜蛋白的超量积累； 内质网膜上膜脂成分的变化主要是固醇缺乏。 这些变化将通过不同的信号转导途径诱导不同的基因活化，最终细胞表现出相应的对策。,（三）ER与基因表达调控,第二

12、部分 高尔基体,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， 后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。,(一)高尔基体的形态结构和极性,电镜下观察高尔基体是由一些（常常为48个）排列较为整齐的扁平膜囊堆叠在一起，扁囊多呈弓形、半球形或球形，膜囊周围有大量的大小不等的囊泡结构； 高尔基体多分布在细胞核的附近趋于细胞的一个极； 高尔基体一般显示有极性，可区分出靠近细胞中心的顺面（cis face称之为反面（trans face）或成熟面（maturing face）或凹面（concave）。 ）或形成面（for

13、ming face）或凸面（convexity）；远细胞中心的另一面，,囊腔,二、高尔基体的形态结构与功能,2.高尔基复合体由平行排列的扁平膜囊、大囊泡和小囊泡等三种膜状结构所组成。它有两个面:形成面和成熟面,来自内质网的蛋白质和脂从形成面逐渐向成熟面转运。,高尔基体的膜囊结构及其排列,高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应： 嗜锇反应cis面膜囊被特异染色； 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）反应特异显示trans面的1-2层膜囊； 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP）酶和核苷酸二磷酸酶反应显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构。 GERL结构：60年代初，Novikoff发现CMP和酸性磷酸酶存在于高尔

14、基体的一侧，称这种结构为GERL，意为与高尔基体（G）密切相关，但它是内质网（ER）的一部分，参与溶酶体（L）的生成 ； 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）或甘露糖酶反应显示中间膜囊。,二、高尔基体的形态结构与功能,高尔基体至少由互相联系的3个部分组成，每一部分又可能划分出更精细的间隔。 高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构（CGN）； 高尔基体中间膜囊； 高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构（TGN）； 周围大小不等的囊泡。,二、高尔基体的形态结构与功能,1、高尔基体顺面膜囊（CGN）,是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。 CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入中

15、间膜囊，小部分蛋白质与脂质再返回内质网。返回的蛋白质具有KDEL信号序列。,高尔基复合体顺面膜囊 或顺面网状结构及其功能,为最外侧的扁平膜囊，中间多孔呈连续分支状的管网结构，膜厚度接近于内质网。,1）蛋白质分类,蛋白质（内质网）,高尔基体cis面,中间膜囊,高尔基体trans面,大部分,K D E L,2）O连接的糖基化：蛋白质丝氨酸残基 3）跨膜蛋白（高尔基体cis面）细胞质基质侧的酰基化 4）日冕病毒(呼吸道系统疾病 )的装配,2、高尔基体中间膜囊,形态：由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系使其具有很大的膜表面。 功能：是多数糖基修饰、糖脂形成以及与高尔基体

16、有关的多糖的合成场所。,3、高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构,反面高尔基体管网状结构（TGN）呈管网状，较低的pH，标志酶CMP酶阳性，TGN即为GERL区。 主要功能： 参与蛋白质的分类与包装与包装； 某些“晚期”的蛋白质修饰（如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工等） 在蛋白质与脂类的转运过程中起“瓣膜”作用，保证这些物质的单向转运。,高尔基体周围的囊泡,顺面一侧的囊泡可能是内质网和高尔基体之间的物质运输小泡ERGIC或VTCs。 反面一侧是分泌泡与分泌颗粒。,此外，高尔基体各个膜囊之间均由膜性结构相连；高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基体分布在微管的负极端。,1)高尔基复合体顺面囊泡：小、可能是内质网与高尔基复合体间的运输小泡。 2)高尔基复合体反面囊泡：大、是将高尔基复合体分类与包装的物质运送到特定部位的分泌泡与分泌颗粒。 3)高尔基复合体各个膜囊间由膜性结构相连。 4)高尔基复合体膜囊周缘膨大出芽形成囊泡,负责膜囊之间的物质运输。 5)高尔基复合体与细胞骨架关系密切。,