第九章 内膜系统与蛋白质分选和膜运输

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1、第九章 内膜系统与蛋白质分选和膜运输2009-07-24 18:101. 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: 从功能上看, 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

2、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。2. 内膜系统的动态特性是如何形成的?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

3、反过程，细胞将 细胞外的物质吞进内体和溶酶体。3. 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： 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, 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

4、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。4. 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： 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，

5、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。5. 在蛋白质的合成与分泌的研究中分别使用了同位素示踪技术、分离技术和突 变体研究技术， 说明这些技术的研究结果各说明了什么问题?答： 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 ; 分离技术确定了参与合成和分泌的主要细胞器的作用 ：内质网是参与蛋白质合成 和转运的, 高尔基体不仅是中转站, 而且具有加工的作用。突变体研究揭示了分 泌活动的相关基因及分泌

6、的机理。6. 光面内质网是如何参与肝细胞维持血液中葡萄糖水平的恒定?答: 肝细胞的一个重要功能是维持血液中葡萄糖水平的恒定, 这一功能与葡萄糖 -6-磷酸酶的作用密切相关。肝细胞是以糖原颗粒的形式储存葡萄糖，肝细胞光 面内质网的胞质溶胶面附着有糖原颗粒,当肌体需要葡萄糖时，糖原即被降解。 肝细胞中的糖原降解是受激素控制的，激素作为信号分子激发 cAMP 的浓度升 高，然后由cAMP激活蛋白激酶A,蛋白激酶A能够激活将糖原水解生成1-磷 酸葡萄糖的酶。由于 1-磷酸葡萄糖不能够通过扩散穿过细胞质膜进入血液，需要 先转变成葡萄糖-6-磷酸，然后由光面内质网中的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷 酸

7、水解生成葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液, 维持血液中葡萄糖水 平的恒定。7. 什么是肝细胞解毒? 肝细胞解毒的机理是什么?答: 肝细胞中的光面内质网能够对外来的有毒物质,如农药、毒素和污染物通过氧 化、还原和水解,使有毒物质由脂溶性转变成水溶性而被排出体外, 此过程称为肝 细胞解毒作用。解毒作用需要氧和 NADH, 而且每氧化一分子底物 ,要消耗一分 子的氧，进而将NADPH转变成NADP+。由于这种反应的一个氧原子出现在产物 中,其他则存在于水分子中,将催化这种类型氧化作用酶称为混合功能的氧化酶。 混合功能的氧化酶系统类似一条呼吸链，由几个组分组成，核心成员是细胞色素 P-450，

8、它是光面内质网上的一类含铁的膜整合蛋白，因在450nm波长处具有最高 吸收值，因此而得名。细胞色素 P-450 是肝细胞光面内质网的主要膜蛋白，约占 光面内质网膜蛋白的20%,占细胞总蛋白的23%。细胞色素P-450参与有毒物 质以及类固醇和脂肪酸的羟基化。羟基化涉及四个基本反应：被氧化的物质同细 胞色素P-450结合细胞色素P-450中的铁原子被NADPH还原氧同细胞色素 P-450结合底物结合一个氧原子被氧化，另一个氧原子用于形成水。被氧化的底 物由于带上羟基，增强水溶性，容易被分泌排出。8. 为什么说多聚核糖体是研究内质网帮助蛋白质运输的好材料? 答:这是因为当一条 mRNA 上结合有多

9、个核糖体进行蛋白质翻译时，最先结合上 的核糖体，其合成的多肽最长，最尾端的核糖体只是刚刚开始进行翻译（图 Q9-1）。如果翻译的是分泌蛋白，最先结合上的核糖体合成的多肽，其N-端可能没有了信 号序列，因为在内质网中被切除了。从骨髓瘤分离多聚核糖体的体外翻译实验证 明了这一推测。用去垢剂处理从骨髓瘤分离的多聚核糖体，使之与内质网膜分离 后，继续在无细胞体系（不含 RER 小泡）中进行翻译，发现:短时间温育，即可得 到成熟的分泌蛋白（无信号序列），而长时间的温育，得到的产物N-端有信号序列, 这一结果说明由于mRNA中多聚核糖体合成蛋白质的不同步，位于mRNA3端 的核糖体合成的蛋白质在分离前不仅

10、进入了内质网 ，而且在内质网的腔中被切除 了信号序列。越靠近mRNA5,端的核糖体合成的蛋白质越短，所以在体外经较长 时间的翻译得到的是含有信号序列的前蛋白，因为没有了内质网，信号序列不能被 切除。图 9Q-1 多聚核糖体体外翻译实验示意图9. 补充修改后的信号假说的要点是什么?答：新的信号假说的要点如下：ER转运蛋白质合成的起始。通过ER转运的蛋 白合成仍然起始于胞质溶胶中的游离核糖体。核糖体是蛋白质合成的基本装置， 它并不决定合成蛋白质的去向，合成的蛋白质何去何从，是由 mRNA 决定的， 也就是说是由密码决定的。信号序列与SRP结合。SRP的信号识别位点识别 新生肽的信号序列并与之结合；

11、同时,SRP上的翻译暂停结构域同核糖体的A位 点作用，暂时停止核糖体的蛋白质合成。核糖体附着到内质网上。结合有信号 序列的SRP通过它的第三个结合位点与内质网膜中受体(停靠蛋白)结合，将核糖 体附着到内质网的蛋白质转运通道(protein-translocating channel)。现已了解,SRP 受体是一种G蛋白,它对分泌蛋白的转运具有重要的调节作用。受体蛋白与GTP 结合,表示是活性状态,能够与 SRP 结合,如果结合的是 GDP 是非活性状态,不能 与SRP结合。SRP释放与蛋白质转运通道的打开。当SRP-信号序列-核糖体 -mRNA复合物锚定到内质网膜后,SRP受体将其结合的GTP

12、水解同时将SRP释 放出来,此时蛋白转运通道打开,核糖体与通道结合,新生的肽插进通道。释放的 SRP又回到胞质溶胶中循环使用。内质网膜蛋白质转运通道是一个多蛋白的复合 物，详细的作用尚不清楚。信号序列与通道中受体结合。蛋白质继续合成，随 着SRP的释放，核糖体上的多肽插入到内质网的蛋白通道之后，信号序列与通道 中的受体(或称信号结合蛋白)结合,蛋白质的合成重新开始,并向内质网腔转运,在 此过程不需要能量驱动。信号肽酶切除信号序列。 当转运完成之后,若转运多肽的信号序列是可切割的 序列则被内质网膜中信号肽酶(signal peptidase)所切割，释放出可溶性的成熟蛋白, 切下的信号序列将被降

13、解。10. 根据信号假说, 膜蛋白(单次和多次跨膜)是怎样形成的?答: 主要是由停止转移信号及其数量决定的。 新生肽上是否含有停止转移信号 决定了新生肽是否全部穿过内质网膜,成为内质网腔中的可溶性蛋白还是成为膜 蛋白。N-末端的信号序列和内含信号序列都可作为起始转移信号，但N-末端的信 号序列是可切除的,而内含信号序列是不可切除的。膜蛋白的跨膜次数是由其内 含信号序列和停止转移信号序列的数目决定的 , 这些信号序列都是多肽链中的 疏水氨基酸区, 因此,根据多肽链中疏水氨基酸区的数目和位置可以预测其穿膜 情况。另外, 由于膜蛋白总是从胞质溶胶穿入内质网膜, 并且总是保持信号序列 中含正电荷多的氨

14、基酸一端朝向胞质溶胶面 , 因而相同蛋白质在内质网中的取 向也必然相同。结果造成内质网膜中蛋白质取向的不对称性,并由此决定了该蛋 白在其它膜结合细胞器的膜结构中的方向。11. 为什么说高尔基体是一种极性细胞器?答: 高尔基体的极性有两层含义: 一是结构上的极性,二是功能上的机型极性。结 构上的极性:高尔基体可分为几个不同的功能区室。靠近内质网的一面是由一 些管状囊泡形成的网络结构，通常将这一面称为顺面(cis face),或称形成面 (forming face)。由于顺面是网络结构,所以又称顺面高尔基网络(cis Golgi network,CGN)。从功能上看,CGM 被认为是初级分选站(p

15、rimarily sorting station), 负责对从ER转运来的蛋白质进行鉴别，决定哪些需要退回，哪些可以进入下一站。 高尔基体中间膜囊(medial Golgi)由扁平囊和管道组成，形成不同的区室，但功 能上是连续的、完整的膜体系。多数糖基修饰、糖脂的形成、以及与高尔基体有 关的多糖的合成都发生在中间膜囊中。反面高尔基网络(trans Golgi network， TGN)， 是高尔基复合体最外面一侧的管状和小泡状物质组成的网络结构，它是 高尔基复合体的组成部分，并且是最后的区室。蛋白质的运输信号在此被特异的 受体接受，进行分拣，集中，形成不同的分泌小泡，被运送到不同的地点。因此，

16、 它的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，并输出高尔基体。某些“晚期”蛋白质 的分类与包装也发生在TGN中。功能上的极性:高尔基体虽然是由膜囊构成的复 合体,但是不同的膜囊有不同的功能 ,执行功能时又是 “流水式”操作,上一道工序 完成了,才能进行下一道工序,这就是高尔基体的极性。12. 为什么偶尔会出现高尔基体蛋白向内质网运输? 有什么意义?答: 从理论上讲, 除了内质网结构和功能蛋白质外 , 其他由内质网合成的蛋白质 都是通过小泡转运到高尔基体的顺面, 小泡与顺面高尔基体网络融合之后 , 转运 的蛋白质进入高尔基体腔, 这是内质网与高尔基体间的主流运输。但偶尔也有从 高尔基体各个部位形成的小泡沿微管回流到内质网。造成高尔基体蛋白向内质网 运输的原因有两种可能:一是ER在进行蛋白质运输时发生包装错误，将ER的结构 和功能蛋白运输到高尔基体, 被高尔基体的监控蛋白发现并将“走私”蛋白遣返。 第二种情况是在不良环境下细胞作出的应激反应