第九章 内膜系统与蛋白质 分选和膜运输细胞质膜系统及其研究方法 内 质 网 高尔基体 溶酶体 细胞的分泌与内吞作用 小泡运输的分子机制学习的重点和难点：本章是细胞生物学的重点章, 包括六个方面的内容，其中内质网及信号肽假说、蛋白质的分选（溶酶体酶的分选）、小泡运输的分子机理是本章的关键内容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■内膜系统的概念广义：指细胞质中所有具有 膜结构的细胞器狭义：指那些膜间相互流动 ，处于动态平衡，并在功能 上相互协调的细胞器，包括 内质网，高尔基体，细胞核 、溶酶体和液泡3■ 细胞中膜结合细胞器的种类和功能细细胞器每细细胞 所含数 量细细胞内 的百分 比胞质质溶胶154线线粒体170022内质质网112细细胞核16高尔基体13过过氧化物酶体 4001溶酶体3001内体2001肝细胞中膜结合细胞器的体积比细细胞器(区室) 主要功能胞质质溶胶代谢谢的主要场场所；蛋白质质 合成部位细细胞核基因组组存在场场所，DNA和 RNA的合成地内质质网大多数脂的合成场场所，蛋白 质质合成和集散地高尔基体蛋白质质和脂的修饰饰、分选选 和包装溶酶体细细胞内的降解作用内体内吞物质质的分选选线线粒体通过过氧化磷酸化合成ATP叶绿绿体进进行光合作用过过氧化物酶体 毒性分子的氧化4■ 膜结合细胞器在细胞内的分布和进化途径■ 内膜系统的动态性质5■内膜系统形成的意义① 内膜系统中各细胞器膜结构的合成和装配是统一进行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② 内膜系统在细胞内形成了一些特定的功能区域和微环境③ 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④ 内膜系统的形成使这些酶反应互不干扰⑤ 扩大了表面积，提高了表面积与体积的比值 ⑥ 区室的形成，相对提高了重要分子的浓度，提高了反应效率69.1.2 内膜系统与蛋白质分选(protein sorting)■ 蛋白质分选定位的时空概念■ 蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式核孔运输：将蛋白质运输到细胞核中入核信号：指导核蛋白的运输小泡运输：通过膜融合形成小泡包裹蛋白的运输方式 信号肽：指导分泌蛋白质运输跨膜运输：跨膜性细胞器的运输 导肽：指导线粒体、叶绿体和过 氧化物酶体蛋白的运输■信号序列指导蛋白质的正确运输信号序列：15－60个aa长度，不同的膜结合细胞 器具有不同的蛋白质定位的信号序列蛋白质的准确定 位必须靠信号序 列引导信号序列没有特 异性到达不同部位的 蛋白质其信号序 列不同9.1.3 内膜系统的研究方法1.同位素示踪技术同位素示踪技术确定了分 泌的路线, 从内质网开始经高尔基体运 向细胞外;De Duve, A.Claude and G.Palade,1974 Nobel Plrize2.差速离心分离技术 通过差速离心分离微粒体 分离技术确定 了参与合成和分 泌的主要细胞器 的作用:内质网参与蛋白 质合成和转运, 高 尔基体不仅是中 转站, 而且具有加 工的作用。
3.用突变体研究内膜系统的运输过程与分泌相关的不同酵母突变体突变体研究揭示了分泌活动的相关基因及分泌的机理 9.2 内 质 网(endoplasmic reticulum，ER)■ 概述1945年，著名超微结构学家Porter和Claude，在电镜下观察组织培养的鸡胚成纤维细胞时，发现有各种大小的管道相连成 网状，并多处在细胞质的内质部位，故定名为内质网ER有三种基本的形态:1. 扁平囊状排列2. 管道状排列3. 小泡状排列上述3种形状均是可相互转换概念：内质网是由一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统由于它靠近细胞质的内侧，故称为内质网 13粗面内质网（RER:rough endoplasmic reticulum）光面内质网(SER:south endoplasmic reticulum)内质网的两种基本类型● 肌质网(sarcoplasmic reticulum) :心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其上有钙泵，功能是参与肌肉收缩活动两个重要概念:● 微粒体(microsome): 在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构,含有内质网膜和核糖体颗粒，在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。
● 蛋白质与脂 ● 代谢酶系 ● 细胞色素P450与电子传递链 ● 标志酶 内质网的标志酶是葡萄糖-6-磷酸酶■ 内质网的化学组成●膜含60%的蛋白和40%的脂类，没有或很少含胆固醇●约30多种膜整合蛋白，另有30多种位于ER网腔受胰高血糖素和肾上腺素控制触发PKA和PKC级联放大反应血液中葡萄糖浓度的增加血糖过高：糖尿病！内质网的功能--------之------光面内质网的功能1 糖原分解释放 游离的葡萄糖问题：细胞通过何种方式维持血液中葡萄糖水平的恒定?血液中葡萄糖增加：信号触发胰岛A细胞和肾上腺细胞释放激素，激活PKA和PKC途径血液中葡萄糖降低：胰岛B细胞分泌胰岛素促使肌肉和脂肪细胞膜上葡萄糖运输蛋白增加诱导肝细胞中各种酶活性，从而合成糖原2.类固醇激素的合成分泌内固醇激素的细胞：肾上腺细胞、睾丸间质细胞、黄体 细胞，均含丰富的光面内质网光面内质网上含有类固醇激素合成的酶系：能合成胆固醇，并氧化、还原、水解胆固醇转变成各种3. 对Ca2+离子的调节作用光面内质网上重要的膜蛋白： Ca2+ -ATP酶 作用：将细胞质中多余的Ca2+ +储存在内质网中在光面内质网膜中合成磷脂酰胆碱4. 脂的合成与转运： 甘油三酯的合成（脂肪细胞中）； 磷脂的合成和转运磷脂转位因子在磷脂转运中的作用属ABC转运器家族蛋白磷脂的转运膜泡运输磷脂转运蛋白PEP运输混合功能氧化酶将底物羟基化的机制4.肝细胞的解毒作用光面内质网上的细胞色素P450通过将有毒物质氧化、还原、 水解，使其由脂溶性转变成水溶性而排出。
3. 对Ca2+离子的调节作用小结：光面内质网的功能 1.糖原分解释放游离的葡萄糖2.类固醇激素的合成4.脂的合成与转运5. 肝细胞的解毒作用(detoxification)9.2.3 粗面内质网的功能——蛋白质转运●蛋白质合成●蛋白质修饰●蛋白质转运v 膜结合核糖体上合成 的蛋白: Ø 分泌蛋白Ø 膜整合蛋白 Ø 溶酶体蛋白 真核细胞中膜结合核糖体和游离核糖体合成的某些蛋白膜结结合核糖体游离核糖体 分泌蛋白（分泌到细细胞外）可溶性胞质质溶胶蛋白肽类肽类 激素脂锚锚定膜蛋白 生长长因子(位于质质膜的胞质质面)消化酶类类外周蛋白血清蛋白(质质膜的胞质质面)细细胞外基质质蛋白核基因编码编码 的线线粒体蛋白释释放到ER腔中的蛋白（驻驻留蛋白）核基因编码编码 的叶绿绿体蛋白RER中的酶类类过过氧化物酶体蛋白高尔基复合体的酶核蛋白溶酶体的酶 整合膜蛋白 ER膜的糖蛋白 高尔基体的膜糖蛋白 溶酶体膜糖蛋白 质质膜糖蛋白 核膜糖蛋白 脂锚锚定质质膜蛋白 质质膜的外周蛋白(位于质质膜的外侧侧面) ■ 信号序列的发现和证实在无微粒体的体系中：得到比从细胞分泌出来的 成熟蛋白长一段N端序列 的蛋白质在有微粒体的体系中：得到的与正常细胞中同样 的蛋白质说明：蛋白质翻译过程中 N端进入微粒体引导蛋白 的穿膜，最终在微粒体中 被切除Blobel、Dobberstein、Walter等用分离到的微粒体和无细胞系统研究证 实了信号序列的存在及作用■ 信号序列的一般特征及早期信号假说● 信号序列的一般特征长度：15～35个氨基酸 残基, N-末端含有1个或 多个带正电荷的氨基酸, 其后是6～12个连续的 疏水残基;ER跨膜可切除信号的一般结构作用：在蛋白质合成中将 核糖体引导到内质 网, 之后被信号肽酶 切除。
● 早期的信号假说（Signal hypothesis）1975年，Blobel和Dobberstein提出信号假说(1)分泌蛋白的合成始于细胞质中的游离核糖体;(2)合成的N-端信号序列露出核糖体后，靠自由碰撞与内质网膜接触，后靠N-端信号序列的疏水性插入内质网的膜;(3)蛋白质继续合成，并以袢环形式穿过内质网的膜;(4)如果合成的是分泌的蛋白，除了信号序列被 信号肽酶切除外，全部进入内质网的腔，若是膜蛋白，则由一个或多个停止转移信号将蛋白质锚定在内质网膜上早期信号假说发现了蛋 白质的“地址签” 获得1999 年诺贝尔医学/生理奖早期信号假说存在问题：没找到与内质网结合的合 理解释，只能以自由碰撞说 明？？SRP的受体：（又称停泊蛋白docking protein，DP）■ 新蛋白复合物的发现信号识别颗粒SRP （signal recognition particle）：是一种核 糖核蛋白颗粒3个功能位点： ●信号肽识别结合位点 ●翻译暂停结构域 ● SRP受体蛋白结合位点SRP对无信号序列的蛋白质无作用G蛋白在蛋白质转运中的作用SRP和DP都是单体G蛋白，活性受GAP和GEF调节■完整的信号假说（Signal hypothesis）31（1）内质网转运蛋 白质的起始。
（2）信号序列与 SRP结合 （3）核糖体附着到 内质网上 （4）SRP释放与蛋 白质转运通道（易 位子）打开 （5）随着SRP的释 放，蛋白质的合成 重新开始，并向内 质网腔内转运 （6）信号肽酶切除 信号序列（若为N端 信号） （7）蛋白质合成结 束完整信号假说的主要内容：● N端信号序列：被SRP识别，引导多肽穿内质网膜，后被信号肽酶切除● 内部信号序列(internal signal sequence) ：被SRP识别，引导多肽穿内质网膜是疏水性氨基酸，并且不会被切除● 起始信号序列：能够被SRP识别并引导穿膜的序列，包括：N端信号序列 和 内部信号序列● 终止转移信号序列：使肽链停靠在内质网膜上终止转移的一段信号序列，不会被切除膜蛋白的共翻译转运机理转运过程中仅有N端信号序列的蛋 白质：N端序列要被信号肽酶切除 而成为分泌蛋白内部信号与单次跨膜：较多正端氨基酸侧朝向胞质，导致跨 膜蛋白的N端和C端位置不同终止转移信号与单次跨膜条件：一个N端信号序列+ 一个终止转移序列终止转移信号与二次跨膜条件：一个中间信号序列+一个 终止转移序列起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数分泌蛋白（可溶性蛋白）：只有一个N端信号序列，引导后蛋白质进 入内质网后被信号肽酶切除定位于内膜系统的膜蛋白奇数次跨膜单次跨膜三次及以上跨膜：一个N端信号+终止转移信号+内部信号+终止转移信号、、、偶数次跨膜：内部信号+终止转移信号、、、仅有一个内部信号序列一个N端信号+终止转移信号需要分子伴 侣帮助解折 叠和折叠需要分子伴侣的 帮助：HSP70家族帮助 解折叠；HSP60帮助蛋白 折叠翻译后蛋白的 转运■ Bip(Hsp70家族)在ER蛋白的转移和装配中的作用1.BIP结合未折 叠或不正确折 叠的蛋白质， 并帮助这些蛋 白进行正确的 折叠2.防止新合成蛋白 质在转运过程中 变性或断裂● N-连接糖基化(N-linked glycosylation)● 羟基化(hydroxylation)● 酰基化形成脂锚定蛋白■ 蛋白质在内质网中的修饰●当穿过ER膜的蛋白质上出现Asn残基时， 在糖基转移酶的作用下将磷酸多萜醇上的14 个糖分子转移到Asn残基上，形成具糖链的 蛋白质N连接糖基化发生在ER中，蛋白质合成 的同时添加上去的14个糖分子：2个N-乙 酰葡萄糖胺、9个甘露糖、3个葡萄糖14个糖分子还会在ER中被切除3个葡萄糖 和一个甘露糖糖基化的作用：使蛋白能够抵抗消化酶； 赋予蛋白传导信号功能；促使蛋白正确的 折叠糖基化羟基化在合成胶原的过程中，新生肽的脯氨酸和赖氨酸要进行羟 基。