细胞内膜系统及其毒性机制

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1、内膜系统及其相关毒性机制,细胞内区室化是真核细胞结构和功能的基本特征之一，细胞内被膜区分为3类结构：细胞质基质、细胞内膜系统和其他由膜包被的各种细胞器（诸如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核）。,细胞质基质(cytosol),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，占据着细胞膜内、细胞核外的细胞内空间，称细胞质基质。,用差速离心的方法分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，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。 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类和细胞质骨架结构。 主要特点：细胞质基质是一种高度有序的体系，通过各

2、种弱键的相互作用处于动态平衡。,为某些蛋白合成和脂肪酸合成提供场所 与细胞骨架相关功能 与细胞膜相关功能 与蛋白质修饰和选择性降解相关功能,蛋白质的修饰 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质（泛素依赖的降解途径） 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象,细胞质基质的基本功能,决定着蛋白质寿命的信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基。若N端的第一个氨基酸是Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，则蛋白质是稳定的，反之则是不稳定的。 泛素依赖的降解途径：泛素是一个由76个氨基酸残基组成、具有热稳定性的小肽，它的作用主要是识别要被降解的蛋白质。,控制蛋

3、白质的寿命,细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子伴侣。 热休克蛋白就是一类具有分子伴侣功能的蛋白质。,帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠 形成正确的分子构象,内膜系统(endomembrane system),细胞内膜系统是指在结构、功能及至发生上相互关联、由单层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。 内膜系统将细胞内的生化合成、分泌和胞吞作用连接形成动态的、相互作用的网络。,内质网 (endoplasmic reticu

4、lum, ER),内质网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。 在不同类型的细胞中，内质网的数量、类型与形态差异很大，同一细胞在不同发育阶段和不同生理状态下，内质网的结构与功能也随之显著变化。 在细胞分裂时，内质网要经历解体与重建的过程。 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。 内质网的存在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质中合成的物质分隔开来，更有利于它们的加工和运输。,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称为微粒体。,（一）内质网的

5、两种基本类型,（二）内质网的功能,（三）内质网与基因表达的调控,蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能,光面内质网是脂类合成的重要场所,蛋白质的修饰与加工,新生多肽的折叠与组装,内质网的其他功能,粗面内质网,粗面内质网：扁囊状、排列整齐，膜表面附着大量核糖体，合成多种分泌蛋白和膜蛋白和内膜系统细胞器内的可溶性蛋白。因此在分泌细胞和分泌抗体的浆细胞中，糙面内质网发达，一些未分化的细胞与肿瘤细胞中则比较稀少,光面内质网,光面内质网：分支管状，常作为内质网连续结构的一部分存在，膜表面没有核糖体附着，合成脂质的位点。往往作为出芽位点，将内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体。合成固醇类激素的细胞及肝细胞

6、中更为发达。,蛋白质的合成,细胞中蛋白质的合成都是起始于细胞质基质中游离核糖体。 在粗面内质网上合成的蛋白包括分泌蛋白，膜整合蛋白、细胞器中的可溶性驻留蛋白（需要隔离或修饰）。 其它的多肽是在细胞质基质是游离核糖体上合成的。包括细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的蛋白。,脂质合成,ER合成细胞所需的绝大多数膜脂，包括磷脂和胆固醇，但鞘磷脂和糖脂及部分线粒体和叶绿体的单一脂类除外。 磷脂合成酶定位在内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基质一侧。,在磷脂转位因子的作用下，新合成的脂类分子会由细胞质基质侧转向内质网腔面。它对含胆碱的磷脂（鞘磷脂和磷脂酰

7、胆碱）要比对含丝氨酸、乙醇胺和肌醇的磷脂转位能力强，因此导致了磷脂分子在膜上分布的不对称性。,蛋白质在内质网滞留时间取决于正确折叠所需的时间。 不能正确折叠的畸形肽链或未组装的蛋白亚基从内质网腔转到细胞质基质，通过泛素依赖的降解途径被蛋白酶体降解。,新生多肽的折叠与组装,蛋白质错误折叠引起疾病的机制大体可以分为两类：一是正确折叠和转运的蛋白质减少，无法保障功能需求，即功能缺失；二是错误折叠蛋白质可以异常地获得功能。,内质网腔是非还原性的环境，极易形成二硫键。蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase，PDI)切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并产生正确折叠

8、的构象。 结合蛋白(Binding protein，Bip，chaperone)作用：一是Bip同进入内质网的为未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合，或者识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与组装；二是防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂，一旦这些蛋白质形成正确构象或完成装配，便与Bip分离，进入高尔基体。,高尔基体 (Golgi body),高尔基体的极性不仅表现在它在细胞中往往有比较恒定的位置和方向，而且物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出。 靠近细胞核一侧膜囊弯曲成凸面，又称形成面(forming face)或顺面(cis face)。

9、 面向质膜的一侧膜囊呈凹面，又称成熟面(mature face)或反面(trans face)。,高尔基体功能,高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。,高尔基体与细胞的分泌活动 蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白酶的水解和其他加工过程 高尔基体与细胞内的膜泡运输,溶酶体酶的包装与分选途径：具有M6P标记的溶酶体酶与相应受体结合，通过出芽方式形成网格蛋白/AP包被膜泡。 可调节性分泌途径：特化类型的分泌细胞，新合成的可溶性分泌蛋白在分泌泡聚集，储存并浓缩，只在特殊刺激条件下才引发分泌活动。 组成型分泌途径：,TGN的3条分选

10、途径,糖基化修饰,溶酶体中的水解酶类、多数细胞膜上的膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白，而在细胞质基质和细胞核中绝大多数蛋白质缺少糖基化修饰。 糖蛋白中寡糖链的合成与修饰都没有模板，靠不同的酶在细胞的不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。 糖基化修饰的生物学功能： 蛋白质糖基化修饰使不同蛋白质携带不同标志，以利于在高尔基体进行分类与包装，同时保证糖蛋白从糙面内质网到高尔基体膜囊单向转移。,糖基化的蛋白质寡糖链具有促进蛋白质折叠和增强蛋白稳定性的作用。 细胞表面的寡糖链可通过与凝集素之间的特异性作用，直接介导细胞间的双向通讯。 寡糖链可作为分子标志参与机体细胞间识别，以及宿主细胞与病原微生物之间的识别。

11、 进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。,糖基化修饰,溶酶体 (lysosome),溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是行使细胞内的消化作用。 溶酶体是一种异质性(heterogeneous)的细胞器 ，不同溶酶体的形态大小、甚至其中所包含的水解酶的种类都有很大的不同。 溶酶体的类型,初级溶酶体(primary lysosome) 次级溶酶体(secondary lysosome) 残质体(residual body),溶酶体是单层膜围

12、绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是行使细胞内的消化作用。 溶酶体是一种异质性(heterogeneous)的细胞器 ，不同溶酶体的形态大小、甚至其中所包含的水解酶的种类都有很大的不同。 溶酶体的类型,形态结构与类型,初级溶酶体(primary lysosome) 次级溶酶体(secondary lysosome) 残质体(residual body),内容物均一，不含明显的颗粒物质； 60余种溶酶体的酶类，都属于酸性水解酶； 溶酶体的膜在成分上的特点： 嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境； 具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜

13、蛋白的降解。 溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶(acid phosphatease，ACP）,初级溶酶体,次级溶酶体,自噬溶酶体(autophagolysosome) 异噬溶酶体(heterophagic lysosome),清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞。 防御功能：识别并吞噬入侵的病毒或细菌。 其他重要的生理功能 作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养； 分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节。 参与清除赘生组织或退行性变化的细胞； 在受精过程中的顶体反应。,溶酶体功能,过氧化物酶体 (perioxisome),动物细胞（肝细胞或肾细胞）中的过氧化物酶体过氧

14、化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒的作用。 过氧化物酶体中常含有两种酶：一是依赖于黄素(FAD)的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2；二是过氧化氢酶，这两种酶催化的反应相互偶联，从而使细胞免受H2O2的毒害。 过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热量。 在植物细胞中过氧化物酶体的功能： 在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即光呼吸反应。 乙醛酸循环反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。,过氧化物酶体与初级溶酶体的作用比较,信号序列(signal sequence)：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常由15-6

15、0个氨基酸残基组成，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特异性要求。 信号斑(signal patch)：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。 每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。,信号序列,引导新合成的肽链转移到内质网上合成的信号序列称为信号肽，位于合成肽链的N端，一般有16-26个氨基酸残基，包括疏水核心区(h)、信号肽的C端和N端三部分。由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列(start transfer sequence)；信号肽没有严格的专一性，目前尚

16、未发现共同的信号序列。,信号肽(signal peptide),由6种不同的蛋白和一个7S RNA(长约300bp)组成的复合物，SRP上有3个功能部位：信号肽识别结合位点(P54)、翻译暂停结构域(P9/P14)、SRP受体蛋白结合位点(P68/P72)。,信号识别颗粒,信号识别颗粒受体(SRP receptor),定位于内质网膜上，是异二聚体的膜整合蛋白。 其作用是与SRP发生特异结合，将多肽链从胞质拉到内质网膜上。 当SRP的p54亚基和SRP受体的亚基与GTP结合时，会增强SRP/新生肽/核糖体复合物与SRP受体结合的强度。,开始转移序列：蛋白质N端的信号序列除作为信号被SRP识别外，

17、还具有引导新生肽穿过内质网膜易位子的作用。 停止转移序列：肽链中还有某些序列与内质网膜有很强的亲和力从而使之结合在脂双层之中，这段序列不再转入内质网腔中，称为停止转移序列或内在信号锚定序列。 只有N端信号序列而没有停止转移序列的多肽进入内质网腔。 起始转移序列和停止转移序列的数目决定多肽跨膜次数。,线粒体、叶绿体中的绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中，这些序列称为导肽。其基本的特征是蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称为后翻译转运(post translocation)。蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。,