医学细胞生物学：第5章 细胞内膜系统与膜泡转运

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1、第五章 细胞内膜系统与膜泡转运学习目的与要求1.掌握内膜系统的概念及结构组成。2.掌握粗面内质网、滑面内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体的组要化学组成、结构特征与生理功能。3.熟悉内膜系统之间在结构、功能及来源发生上的相互关系。4.熟悉囊泡的主要类型及其在胞内物质转运中的重要作用。内膜系统概述v内膜系统是真核细胞内部特有的结构系统，是细胞中在结构、功能乃至发生上密切相关的膜性结构细胞器或细胞结构的总称。狭义的内膜系统包括内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)等四类膜结合细胞器，它们的膜是相互流动的, 处于动态平衡, 在功能上相互协同的。、v广义上的内膜系统概念还包括线粒体、

2、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核等细胞内所有膜结合的细胞器。 内膜系统的出现是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之一，是细胞进化过程中，细胞的结构与功能不断完善与提高的结果。第一节 内质网概述v由K. R. Porter、A. Claude 和 E. F. Fullam等人于1945年发现，他们在观察培养的小鼠成纤维细胞时，发现细胞质内部具有网状结构，建议叫做内质网（endoplasmic reticulum，ER），后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还有质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切。v内质网是由一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结构，膜厚约56 nm并形成一个连续的网膜

3、系统。分布于细胞质内部，靠近细胞核，普遍存在于各类真核细胞中（红细胞除外）。激光扫描共聚焦显微镜图象显示，内质网分布在细胞核周围。一、内质网的化学组成vER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。磷脂酰乙醇胺20%-25%磷脂酰胆碱 55%-58%磷脂（40%） 磷脂酰肌醇及磷脂酰丝氨酸占5%-10%鞘磷脂占4%-7% 内质网膜的 化学组成

4、 蛋白质（约60%）（一）代谢酶类催化类型酶作用部位碳水化合物代谢葡萄糖6-磷酸酶腔中-葡糖醛酸酶腔中葡糖醛酸转移酶腔中糖基转移酶胞质溶胶脂代谢脂肪酸CoA连接酶胞质溶胶磷脂醛磷酸酶胞质溶胶胆固醇羟基化酶胞质溶胶转磷酸胆碱酶胞质溶胶磷脂转位酶胞质溶胶和腔中与药物脱毒相关的氧化酶细胞色素P-450胞质溶胶NADPH-细胞色素P-450还原酶胞质溶胶细胞色素 b5胞质溶胶 NADH-细胞色素b5还原酶胞质溶胶蛋白质的加工信号肽酶蛋白二硫异构酶腔中（二）网质蛋白（reticulo-plasmin）：v 在内质网腔中还富含一类蛋白质， 如内质蛋白、钙网蛋白、免疫球蛋白重链结合蛋白（Bip）、蛋白质二硫

5、化物异构酶（PDI) 和RP60等。这些蛋白参与蛋白质的折叠和钙离子的储存，另外，对于维持内质网的结构和功能也具有重要作用。二、内质网的形态结构 内质网是由一层单位膜（5-6nm）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，所以一般认为细胞中只有一个内质网。三、内质网的类型根据内质网上是否附有核糖体,将内质网分为两类: 粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER) 多为扁囊状，广泛存在于合成蛋白质的细胞中，有些细胞中只有RER，如胰腺外分泌细胞 滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum , SER) 多为小管和小囊状广泛

6、存在于合成类固醇的细胞中，有的细胞只有SER, 如平滑肌、横纹肌细胞四、特殊类型的内质网（一）微粒体（一）微粒体（二）（二）肌质网肌质网（三）髓样小体（三）髓样小体（四）环孔片层（四）环孔片层 （一）微粒体（一）微粒体在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内膜系统在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内膜系统( (主要是内质网和主要是内质网和高尔基体高尔基体) )自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。 多数情况下多数情况下, ,由破碎的内质网自我融合形成的微粒体由破碎的内质网自我融合形成的微粒体, ,包含内质网膜和包含内质网膜和核糖体两种基本成分核糖体

7、两种基本成分, ,这些小囊泡的直径大约这些小囊泡的直径大约100 nm100 nm左右左右, , 是异质性的集是异质性的集合体合体. .在体外实验中在体外实验中, ,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。网的基本功能。没有核糖体的光滑型没有核糖体的光滑型微粒体微粒体有核糖体的粗面型微粒体有核糖体的粗面型微粒体根据二者的密度差异，可经差速离心分离两种组分根据二者的密度差异，可经差速离心分离两种组分（二）（二）肌质网肌质网v 心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网, ,其功能是参与肌肉收缩活其功能是参

8、与肌肉收缩活动。肌质网膜上的动。肌质网膜上的Ca2+-ATPATP酶将细胞基质中的酶将细胞基质中的Ca2+泵入肌质网中储存起泵入肌质网中储存起来来, , 使肌质网使肌质网Ca2+的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激后后, , Ca2+释放出来释放出来, ,参与肌肉收缩的调节。参与肌肉收缩的调节。（三）髓样小体v视网膜的色素上皮细胞中光滑内质网的特化结构。小管小囊连接成网状，某些部位出现由膜层紧密排列形成的双凸透镜形的髓样结构，称为髓样小体。结构上与光感受器相似，可能依赖于光的刺激而进行功能活动。（四）环孔片层（四）环孔片层常见于生殖细胞或病理

9、变化的细胞等快速增殖的细胞中，环孔片层常常平行排列成堆，极似薄内质网扁囊，形态结构又相似于核膜片断。 有人认为是糙面内质网的特化结构，因其存在于细胞质中且于粗面内质网相连；也有人认为是核膜的特化结构，因其上小孔与核孔复合体非常相似。近年来，有人在细胞核中也发现了环状片层，与内层核膜及核仁相连。环孔片层功能还有待进一步探讨。五、内质网的功能 内质网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都是在内质网合成的。（一）粗面内质网的功能1.蛋白质合成延伸2.新生肽的折叠与组装3.蛋白质的修饰与加工4.蛋白质运输1.蛋白质合成延伸v所有蛋白的合成均起始于胞质中的核糖体，在信号识别颗粒的协

10、助下，一些蛋白的合成转移到内质网上进行，合成的多肽链在分子伴侣HSP70的帮助下，以非折叠状态穿过内质网膜进入腔内，并进行折叠。这些蛋白包括以下几类： a.分泌性蛋白；b.膜整合蛋白；c.细胞器中的驻留蛋白。2.新生肽的折叠与组装内质网腔中的新生蛋白质有两类：u1.要运往其它区域的蛋白质，如溶酶体蛋白或分泌蛋白；u2.驻留蛋白，如网质蛋白。驻留的网质蛋白的C末端存在一个“LysAspGluLeu” 序列，称为KDEL序列，该序列能内质网膜上相应受体结合而驻留。驻留蛋白可协助新生肽的正确折叠组装，因而称为分子伴侣。常见分子伴侣有：u蛋白二硫键异构酶（PDI)：可切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形

11、成二硫键并处于正确折叠的状态。u重链结合蛋白（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，属于hsp70家族。u钙网素u葡萄糖调节蛋白94：又称内质网素，标志性分子伴侣 3.蛋白质的修饰与加工包括糖基化、羟基化、酰基化(形成脂连接蛋白)、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。 糖基化多为N-连接的糖基化，糙面内质网上的寡糖链同肽链上天冬酰胺的自由NH2连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化 。糖基化发生在内质网的腔面，预先合成的14糖的核心寡聚糖在糖基转移酶作用下，添加到新形成多肽链的天冬氨酸上，其氨基酸排序具有特征序列

12、：Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一种氨基酸)。 4.蛋白质胞内运输粗面内质网上合成的蛋白质经加工修饰后最终被内质网膜包裹形成囊泡而运输： 分泌蛋白（内质网合成） 高尔基体包装成分泌颗粒胞外或细胞器（三）信号肽假说蛋白质运输的分选机制 粗面内质网上合成的蛋白质有不同的去向，包括膜蛋白、膜结构细胞器内的腔池蛋白和分泌到细胞外的蛋白, 所以必须有极好的运输机制进行分选定位。1.信号肽和信号肽假说2.具体过程 ER转运的蛋白合成起始胞质溶胶转运的蛋白合成起始胞质溶胶中的游离核糖体。中的游离核糖体。 信号序列与信号序列与SRP结合。结合。 SRP上的上的翻译暂停结构域同核糖体的翻译暂停结构域同核

13、糖体的A位点位点作用作用, 暂时停止核糖体的蛋白质合暂时停止核糖体的蛋白质合成。成。 核糖体附着到内质网上。核糖体附着到内质网上。 SRP与与内质网膜中受体内质网膜中受体(停靠蛋白停靠蛋白)结合结合, 将核糖体附着到内质网的蛋白质转将核糖体附着到内质网的蛋白质转运通道运通道 。 SRP释放与蛋白质转运通道的打开。释放与蛋白质转运通道的打开。释放的释放的SRP又回到胞质溶胶中循环又回到胞质溶胶中循环使用。使用。 信号序列与通道中受体结合。蛋白信号序列与通道中受体结合。蛋白质合成重新开始质合成重新开始,并向内质网腔转并向内质网腔转运运,在此过程不需要能量驱动。在此过程不需要能量驱动。 信号肽酶切除

14、信号序列。信号肽酶切除信号序列。 3.新生肽穿越内质网的转移过程示意图4.跨膜蛋白的插入与转移v在粗面内质网上合成的蛋白质有两类在粗面内质网上合成的蛋白质有两类: :分泌蛋白和分泌蛋白和膜蛋白膜蛋白, , 膜蛋白的定位机制较为复杂膜蛋白的定位机制较为复杂, ,首先它要靠首先它要靠疏水区滞留在内质网上疏水区滞留在内质网上, ,另外膜蛋白分单次跨膜和另外膜蛋白分单次跨膜和多次跨膜多次跨膜; ; 还有膜蛋白在膜上的定向问题还有膜蛋白在膜上的定向问题, ,即羧基即羧基端和氨基端位于内质网膜的内侧端和氨基端位于内质网膜的内侧( (内质网腔面内质网腔面) )还还是外侧是外侧( (胞质溶胶一侧胞质溶胶一侧)

15、,),还是位于同一侧。还是位于同一侧。（1）新生肽链协同翻译插入 有些蛋白质N末端的信号序列除了作为信号被SRP识别外, 还具有起始穿膜转移的作用，称为起始转移信号。在蛋白质共翻译转运过程中,信号序列的N-端始终朝向内质网的外侧,插入蛋白质转运通道后与通道内的信号序列结合位点(受体)结合,其后的肽序列是以袢环的形式通过运输通道。肽链中还含有疏水氨基酸组成的停止转移信号，与移位子结合后形成a-螺旋结构区，最终形成单次跨膜的蛋白。（2）内含信号序列内含信号序列与单次跨膜蛋白与单次跨膜蛋白内含信号序列又称内含信号肽, 位于肽段中,故称为内含信号序列。它可被SRP识别,同时它也是起始转移信号。内含信号

16、序列是不可切除的,又具疏水性, 是膜蛋白的一部分,如果共翻译转运的蛋白质中只有一个内含信号序列,那么合成的蛋白就是单次跨膜蛋白。内含信号序列始终保持具有较多正电荷氨基酸的一端朝向胞质溶胶一侧。它的方向决定了跨膜蛋白的方向。 （3）二次跨膜蛋白与多次跨膜蛋白二次跨膜蛋白与多次跨膜蛋白 二次跨膜蛋白质中有两个跨膜的疏水区二次跨膜蛋白质中有两个跨膜的疏水区, ,多次跨膜则有多个起始跨膜信多次跨膜则有多个起始跨膜信号与多个停止转移信号号与多个停止转移信号, ,它们的形成与内含信号序列和终止转移信号相它们的形成与内含信号序列和终止转移信号相关。关。如果是二次跨膜如果是二次跨膜, ,则含有一个内含信号序列

17、和一个停止转移信号。则含有一个内含信号序列和一个停止转移信号。（二）滑面内质网的功能滑面内质网具有很多重要的功能,如:脂类的合成与转运糖原分解释放葡萄糖类固醇激素的合成肝细胞的脱毒作用肌肉收缩的调节1.脂类的合成与转运 滑面内质网能合成除了脂肪酸和两种线粒体磷脂外膜所需要的各种脂类，包括磷脂和胆固醇。甾体激素的合成也与光滑内质网有关。（1）磷脂转位蛋白磷脂转位蛋白与翻转酶(flippase) 各种磷脂的合成都是在内质网的胞质溶胶面，合成的磷脂在磷脂转位蛋白或称翻转酶帮助下由胞质溶胶面转向膜的另一面，即内质网腔面。翻转酶催化的磷脂移动也是有选择性的,如能够翻转磷脂酰胆碱的翻转酶不能催化其他的磷脂

18、翻转, 这样保证了膜中磷脂分布的不对称。（2）磷脂的转运 磷脂的转运有两种方式： 一、以出芽方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上； 二、凭借一种水溶性蛋白, 即磷脂交换（转运）蛋白的作用。 (a)通过小泡运输 将内质网上合成的脂转运到其他内膜系统的膜上包括细胞核膜;(b)通过磷脂转运蛋白将内质网上合成的脂转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的膜中。2.参与糖原代谢 糖原分解释放游离的葡萄糖糖原分解释放游离的葡萄糖 在肝细胞中,糖原裂解形成葡萄糖-6-磷酸, 不能通过细胞质膜,光面内质网上的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解为葡萄糖和磷酸后,葡萄糖就可穿过细胞质膜进入血液 ，维持血糖平衡。

19、3.肝细胞的脱毒作用v滑面内质网能够对外来的有毒物质,如农药、毒素和污染物进行解毒。多数解毒反应与氧化作用有关,有些也涉及还原和水解,或者三者结合,使有毒物质氧化失活，由脂溶性转变成水溶性而被排出体外,此过程称为肝细胞的解毒作用, 主要在肝细胞的滑面内质网中进行。混合功能氧化酶将底物羟基化的机制 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(图示)。4.肌肉收缩的调节v肌质网是肌肉细胞内特化的光面内质网, 是贮存Ca2+的细胞器(内质网5.0mmol/L,胞质0.

20、1umol/L)。肌质网膜上重要的膜蛋白是Ca2+-ATP酶。当肌细胞膜的兴奋信号传递到肌质网时则引起肌质网释放Ca2+, 从而导致肌细胞的收缩活动。当肌肉松弛时, Ca2+又重新泵回肌质网。肌质网实际上是钙库, 内有钙结合蛋白, 每个钙结合蛋白可以结合30个左右的Ca2+。5.类固醇激素的合成肾上腺细胞、睾丸间质细胞和黄体细胞都有丰富的光面内质网，并在光面内质网上含有合成胆固醇和将胆固醇转化为激素的全套酶系；光面内质网能够合成胆固醇，然后将胆固醇氧化、还原、水解进一步转变成各种类固醇激素。六、内质网的来源目前一致的看法是：内膜系统中，内质网处于中心地位，为内膜系统的发源地。通过细胞分裂，内质

21、网大致平均的分配到两个子细胞中。六、内质网的病理变化 内质网是极为敏感的细胞器，很多不良因素会引起内质网形态、结构与功能的异常，如肿胀,肥大和某些物质的积累,解聚和脱粒。（一）内质网最常见的病理变化是肿胀、肥大和囊池塌陷钠离子与水的渗入、内流；低氧、辐射、阻塞是肿胀的常见原因膜的过氧化损伤导致的合成障碍，往往造成内质网囊池的塌陷（二）内质网囊腔包涵物的形成和出现是某些疾病或病理过程的表现特征（三）内质网在不同肿瘤细胞中呈现多样性改变：低分化癌细胞：粗面内质网稀少；高分化癌细胞：粗面内质网发达 第二节 高尔基复合体高尔基体的发现1898年意大利科学家Camillo Golgi用镀银法在猫头鹰和猫

22、小脑的神经细胞内观察到一种网状结构，命名为内网器（internal reticular apparatus）。此后五十年间，高尔基体的存在一直受到怀疑，认为只是由于固定和染色产生的假象。 20世纪50年代后，电子显微镜技术和超薄切片技术的发展，证实了高尔基体的存在。第一张高尔基体的电镜照片一、高尔基复合体的形态结构（一）高尔基复合体的组成部分v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（顺面）和成熟面（反面）,来自内质网的蛋白质和脂从形成面逐渐向成熟面转运(图: 高尔基体的膜囊结构及其排列)。扁平膜囊：高尔基复合体的主体部分。一般由310层扁平膜囊

23、平行排列在一起组成一个扁平膜囊堆。 大囊泡：分布于高尔基体的成熟面。小囊泡：分布于高尔基体的形成面，由粗面内质网芽生、分化而来，负责运送内质网的蛋白质到高尔基体。（二）高尔基体的极性高尔基体是极性细胞器： 结构上的极性: 高尔基体的结构可分为几个层次的区室: 靠近内质网的一面称为顺面(cis face), 或称形成面(forming face)；膜厚6nm 高尔基体中间膜囊(medial Golgi);膜厚6-7nm 靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络 (trans Golgi network，TGN),膜厚10nm。 功能上的极性: 高尔基体各囊膜执行功能不尽相同，是“流水线式”操作,上一

24、道工序完成了, 才能进行下一道工序。1.高尔基复合体的高尔基复合体的3 3个区室的功能个区室的功能由粗面内质网芽生的运输小泡；筛由粗面内质网芽生的运输小泡；筛选由内质网合成的蛋白和脂类，并选由内质网合成的蛋白和脂类，并将大部分转入扁囊去，少部分返回将大部分转入扁囊去，少部分返回内质网内质网蛋白质的糖基化、蛋白质的糖基化、合成糖脂和多糖合成糖脂和多糖 体积较大的分泌泡，体积较大的分泌泡， 进行蛋白质的分选功能进行蛋白质的分选功能 2. 高尔基体顺面网状结构v靠近内质网与细胞核一侧，是连续分支的管网状结构，可被标志性的化学反应嗜锇反应显示。v功能： 分选来自内质网的蛋白质和脂类 蛋白质的糖基化和酰

25、基化修饰3.高尔基体中间膜囊v一般由多层扁平膜囊、管组成复合体系, 每个扁平囊是由两个平行的单位膜构成, 膜厚67nm。可被标志性化学反应烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP)酶反应显示。v功能： 多数糖基修饰； 糖脂的形成； 与高尔基体有关的多糖的合成4.高尔基体反面网状结构v朝向细胞膜一侧，形态结构和化学特性上具有细胞的差异性和多样性。焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应显示trans面12层膜囊；胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构。v功能：蛋白质的分选和修饰（三）高尔基体的数量和分布 数量 生物体中高尔基复合体的数量不等,平均为每细胞20个。

26、在低等真核细胞中, 高尔基复合体有时只有12个，有的可达一万多个。在分泌功能旺盛的细胞中, 高尔基复合体都很多。如胰腺外分泌细胞、唾液腺细胞和上皮细胞等。而肌细胞和淋巴细胞中高尔基复合体较少见。分布 高尔基复合体只存在于真核细胞中。 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组织中心MTOC(负端) 在一定类型的细胞中, 高尔基复合体的位置比较恒定,如外分泌细胞中高尔基体常位于细胞核上方，其反面朝向细胞质膜；神经细胞的高尔基体有很多膜囊堆分散于细胞核的周围。二、高尔基复合体的化学组成高尔基复合体中酶的分化三、高尔基复合体的主要功能 高尔基体的主要功能是参与细胞的分泌活动高尔

27、基体的主要功能是参与细胞的分泌活动, , 将内质网合成的多种将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装蛋白质进行加工、分类与包装, , 并分门别类地运送到细胞的特定部位或并分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质分泌到细胞外。内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜等部位运输。因此膜等部位运输。因此, , 高尔基体是细胞内高尔基体是细胞内物质运输的交通枢纽。物质运输的交通枢纽。主要功能：主要功能： 1.1.蛋白质的运输蛋白质的运输 2.2.蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化 3.3.蛋白聚糖蛋白聚糖( (proteoglycanpro

28、teoglycan) )的合成的合成 4.4.蛋白原的水解蛋白原的水解 5.5.蛋白质的分选蛋白质的分选-参与形成溶酶体参与形成溶酶体。 6.6.膜的转化膜的转化1.1.蛋白质的运输蛋白质的运输v高尔基复合体位于内质网和质膜之间高尔基复合体位于内质网和质膜之间, , 是是膜结合核糖体合成的膜结合核糖体合成的蛋白质的分选和运输蛋白质的分选和运输的中间站。的中间站。(1)ER与高尔基体顺面间的蛋白质运输 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。偶尔也

29、有从高尔基体各个部位形成的小泡沿微管回流到内质网(图示)。(2)蛋白质从顺面向反面高尔基网络运输 从ER分泌出来的小泡同顺面高尔基网络融合后成为高尔基体的一个部分，然后经过中间膜囊出芽形式分泌小泡(又称穿梭小泡)逐步向反面高尔基体网络转运,转运时,分泌小泡与高尔基体膜囊的融合和出芽都是发生在两侧(图示)，该过程伴随有蛋白质的各种加工。(3)蛋白质通过高尔基体的两种模型2.2.蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化 内质网合成并经高尔基体转运的蛋白质，基本上都需要经过糖基化的修饰加工，形成糖蛋白。内质网转运来的糖蛋白，在经过高尔基体后，寡糖链末端的糖基往往切去，同时加上新的糖基，形成新的糖蛋白。糖基化蛋白

30、主要有两种：N-连接的蛋白质和O-连接的蛋白质。(1) N-连接糖基化的修饰和O-连接的糖基化 蛋白质的N-连接糖基化是在内质网中进行的, 而对糖基的修饰则是在高尔基体中完成的。 高尔基体中进行的另一种蛋白质的糖基化是O-连接的糖基化,将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。这种修饰基本上是在高尔基体中完成的。(2) 蛋白质糖基化两种类型的比较特征N-连接O-连接1.合成部位粗面内质网高尔基体2.合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去3.与之结合的氨基酸残基天冬酰胺丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸4最终长度525个糖残基16个糖残基，ABO血型抗原较长5.第一个糖残

31、基N乙酰葡萄糖胺半乳糖、N乙酰半乳糖胺等N-连接与O-连接的寡糖比较3.3.蛋白聚糖蛋白聚糖( (proteoglycanproteoglycan) )的合成的合成 一个或多个糖胺聚糖（通过木糖）结合到核心蛋白的Ser残基上 动物细胞：透明质酸细胞外基质的主要成分多糖的合成 植物细胞壁：半纤维素、果胶4.蛋白质的水解与加工v蛋白原通过水解加工形成成熟的蛋白质或有活性的多肽。例如胰岛素的加工成熟过程： （ER中）前胰岛素原(preproinsulin)切除信号肽胰岛素原(proinsulin)运输到高尔基体蛋白酶水解胰岛素和一个分子C肽v溶酶体水解酶类的磷酸化修饰和蛋白质聚糖类的硫酸化修饰都是在

32、高尔基体的转运过程中完成。5.5.蛋白质的分选和定向运输蛋白质的分选和定向运输6.6.膜的转化膜的转化高尔基复合体的膜在形成面近似内质网膜，成熟面则近似细胞质膜，呈逐渐过渡的形态。膜流的过程： 有被小泡有被小泡 分泌小泡分泌小泡内质网（新膜合成）内质网（新膜合成） 高尔基体（充分加工修饰）高尔基体（充分加工修饰） 质膜质膜 反向膜泡运输反向膜泡运输 内吞作用内吞作用 高尔基体在细胞膜的转化与运输中，处于中枢地位。四、高尔基体的来源四、高尔基体的来源存在的两种观点：存在的两种观点：（一）（一）由内质网或核膜产生的小泡转化而来由内质网或核膜产生的小泡转化而来。（二）由原有的高尔基体分裂而来（二）由

33、原有的高尔基体分裂而来布雷菲尔德菌素试验支持了第一种观点布雷菲尔德菌素试验支持了第一种观点布布雷雷菲菲尔尔德德菌菌素素处处理理细细胞胞，阻阻断断了了小小泡泡由由内内质质网网向向高高尔尔基基体体的的过过渡渡，导导致致高高尔尔基基体体完完全全消消失失。原原应应进进入入高高尔尔基基体体的的蛋蛋白白质质停停留留在在内内质质网网中中。除除去去布布雷雷菲菲尔尔德德菌菌素素后后，细细胞胞中中重重新新形形成成高高尔尔基基体体，各各种种高高尔尔基基体体蛋蛋白白进进入入到应存在的高尔基体潴泡。到应存在的高尔基体潴泡。五、高尔基体的病理形态变化（一）功能亢进导致高尔基复合体的代偿性肥大（二）毒性物质作用导致高尔基体

34、的萎缩与损坏（三）肿瘤分化状态影响高尔基体的状态 肿瘤细胞中，高尔基复合体的数量分布、形态结构及其发达程度，因肿瘤细胞的分化状态不同而呈现显著的差异。高分化的肿瘤细胞中，高尔基体比较发达。第三节 溶酶体溶酶体是动物细胞中一种膜结合细胞器,含有多种水解酶类, 在细胞内起消化和保护作用。植物细胞中也有与溶酶体功能类似的细胞器，如圆球体、糊粉粒以及中央液泡等。 一、溶酶体的形态结构及化学特征 图示： 溶酶体的形态大小具吞噬作用（吞噬衰老的红细胞）的肝Kupper细胞中不同大小的溶酶体, 图中示出至少10个不同大小的溶酶体。 （一） 溶酶体的形态大小与数量分布 溶酶体是一种异质性的细胞器, 不同来源的

35、溶酶体形态、大小, 甚至所含有酶的种类都有很大的不同。溶酶体呈小球状, 大小变化很大，直径一般0.250.8m，最大的可超过1m,最小的直径只有2550nm。不同的细胞中数量差异很大，典型的动物细胞中数量达到几百个。（二）溶酶体的酶类溶酶体内含有60多种酶类,溶酶体的酶包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶等，这些酶的最适pH值是5.0, 故均为酸性水解酶。酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶。（三）溶酶体的稳定性 溶酶体的外被是一层单位膜, 内部没有任何特殊的结构。由于溶酶体中含有各种不同的水解酶类,所以溶酶体在生活细胞中必须是高度稳定的。溶酶体的稳定性与其膜的结构组成有关：溶酶体膜中有质子运输泵(H+-A

36、TPase), 还有Cl-离子通道蛋白 。 两种运输蛋白作用的结果，就等于向溶酶体中运输了HCl, 以此维持溶酶体内部的酸性环境(pH约为4.64.8)。溶酶体膜含有各种不同酸性的、高度糖基化膜整合蛋白。 这些膜整合蛋白的功能可能是保护溶酶体的膜免遭溶酶体内酶的攻击, 有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶体膜含有较高的胆固醇, 促进了膜结构的稳定。二、溶酶体的类型 根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段, 大致分为以下几种： 初级溶酶体(primary lysosome) 刚从反面高尔基体形成的小囊泡, 仅含有水解酶类，无作用底物，酶处于非活性状态。 次级溶酶体(secondary lysosom

37、e) 含有水解酶和相应的底物，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体。根据所消化的物质来源不同, 分为： 自噬性溶酶体(autolysosome) 这种溶酶体广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用，作为细胞内细胞器和其它结构自然减员和更新的正常途径。 异噬性溶酶体(heterolysosome) 又称异体吞噬泡, 底物是细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。异噬性溶酶体实际上是初级溶酶体同内吞泡融合后形成的。 三级溶酶体（残余小体） 消化不掉的物质会留在溶酶体内,形成残余小体.一般情况下,残余物可通过外排作用被排出细胞外.但当生理状态不好时,有些残余物会留在细胞中,如老年斑就是老年时细

38、胞内的残余小体脂褐质小体。三、溶酶体形成与成熟过程四、溶酶体的功能物质的消化，参与生理活动和发育过程物质的消化，参与生理活动和发育过程物质的消化，参与生理活动和发育过程物质的消化，参与生理活动和发育过程 （一）细胞内物质的消化 内源性 衰老、病变的细胞器 胞质中某些蛋白 更新细胞成分、维持生理功能 外源性 细菌、异物、红细胞、胞饮摄入的可溶性物质是细胞 中胆固醇的来源（二）细胞外物质的消化 受精精子的顶体 骨质更新破骨细胞的溶酶体（三）自溶作用与器官发育 两栖类尾部的消失（细胞凋亡亦参与） （四）参与激素分泌的调节 参与甲状腺素的生成（一）细胞内物质的消化 溶酶体的主要功能是消化作用溶酶体的主

39、要功能是消化作用, ,其消化底物的来源有三种途径: 通过吞噬形成的吞噬体(phagosome)提供的有害物质; 通过内吞作用(endocytosis)提供的营养物质。 自体吞噬(autophagy), 吞噬的是细胞内原有的物质;1.吞噬作用吞噬作用( (phagocytosisphagocytosis) )v吞噬作用的第一阶段是细胞质膜上的受体与细菌结合,然后将被感染的细菌包裹起来形成吞噬体，接着是溶酶体与吞噬体融合, 通过溶酶体酶的作用将被吞噬的细菌降解。吞噬作用也是细胞获取营养的一种方式, 细胞通过内吞作用将一些营养物质包进内吞体, 最后与溶酶体融合, 在溶酶体酶的作用下, 将吞进的营养物

40、质消化形成可直接利用的小分子用于合成代谢。v吞噬作用也包括对衰老的、进入编程死亡的细胞的吞噬。如占成人细胞总数1/4的红细胞仅能成活120天, 因此人体每天必须清除大量衰老的红细胞，这主要是靠巨噬细胞的吞噬作用即溶酶体酶的消化作用来完成。2.2.自噬作用自噬作用( (autophagyautophagy) )自噬作用是普遍存在于大部分真核细胞中的一种现象, 是溶酶体对受损伤的细胞结构、衰老的细胞器、以及不再需要的生物大分子等自身结构的吞噬降解, 它是细胞内的再循环系统与细胞内清道夫。图：自噬作用电镜照片所示是衰老的线粒体和过氧化物酶体被包裹在一个双层膜结构中,该膜来自于内质网。被ER膜包裹而成

41、的自噬体将会与溶酶体融合,进而被溶酶体酶降解。（二）细胞外物质的消化v溶酶体除了在细胞内具有消化作用外，也可以将水解酶释放到细胞外消化细胞外物质。v精子头部的顶端质膜下方有一膜包裹的囊状结构, 称为顶体(acrosome), 是一种特殊的溶酶体, 在受精过程中, 通过顶体反应, 将顶体中的溶酶体的酶释放到细胞外消化卵外膜滤泡细胞, 使精子抵达卵子质膜, 卵子和精子的细胞质膜相互融合, 达到受精的目的。（三）自溶作用与器官发育自溶作用：是细胞的自我毁灭，即溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解。在多细胞生物的发育过程中，自溶对于形态建成具有重要作用。通过自溶作用,除去不必要的细胞、组织。如手指或脚趾的

42、形成同溶酶体有关，它将指之间的结构水解。另外蝌蚪尾巴的蜕化也是溶酶体中一种水解酶(组织蛋白酶)消化作用的结果, 该酶将尾部细胞破坏, 使尾部消失。（四）参与激素分泌的调节v参与甲状腺激素的生成： 甲状腺受到促甲状腺激素(TSH) 的作用，释放甲状腺激素时，腺上皮细胞先通过吞饮作用把滤泡腔内的甲状球蛋白吞入腺细胞，在溶酶体溶酶体蛋白水解酶的作用下，使甲状球蛋白分解，释放出甲状腺激素T4和T3。五、 溶酶体与疾病 目前已知有30多种先天性疾病与溶酶体有关。 矽肺病(silicosis) 型糖原贮积症 (glycogen storage disease type ) 类风湿关节炎（一）矽肺矽肺(si

43、licosis)(silicosis)v空气中的矽(SiO2 )被吸入肺后，被肺部的吞噬细胞所吞噬，由于吞入的二氧化硅颗粒不能被消化，并在颗粒的表面形成硅酸。硅酸的羧基和溶酶体膜的受体分子形成氢键，使膜破坏，释放出水解酶，导致细胞死亡，结果刺激成纤维细胞产生胶原纤维结节，造成肺组织的弹性降低，肺受到损伤，呼吸功能下降。（二）（二）型糖原贮积症型糖原贮积症v是最早发现的贮积症。由于常染色体上的一个隐性基因突变，造成了溶酶体缺乏葡萄糖苷酶，缺少了这种酶的溶酶体不能把肝细胞中或肌细胞中过剩的糖原进行水解而大量积累在溶酶体内，造成溶酶体超载。此病多发于婴儿，表现为肌肉无力，心脏增大，心力衰竭, 通常于

44、两周内死亡。（三）类风湿关节炎v病人的溶酶体膜脆性增加，溶酶体被释放到关节处的细胞间质中，骨组织受到侵蚀，引起炎症。v肾上腺皮质激素有稳定溶酶体膜的作用，因而用来作为治疗类风湿关节炎的抗炎剂。第四节 过氧化物酶体一、过氧化物酶体的形态结构二、过氧化物酶体的酶类组成三、主要生理功能具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。参与脂肪酸的-氧化；合成乙酰辅酶A，或向细胞直接供能。调节细胞氧张力四、过氧化物酶体的发生 过氧化物酶体的发生存在不同的观点，现有证据表明：已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞,再进行进一步的

45、装配。过氧化物酶体中所有的酶都由核基因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下，进入过氧化物酶体。膜脂在内质网上合成后，通过磷脂转移蛋白或膜泡运输的方式转移而来。 五、过氧化物酶体与溶酶体的比较特征溶酶体过氧化物酶体形态、大小多球形，直径0.2-0.5m，无酶晶体球形，直径0.15-0.25m，多有酶晶体酶种类酸性水解酶氧化酶类、过氧化氢酶PH5左右7左右是否需O2不需要需要功能细胞内消化多种功能发生高尔基体出芽形成分裂和装配形成，酶在细胞质基质中合成标志酶酸性磷酸酶过氧化氢酶六、过氧化物酶体与疾病（一）原发性过氧化物酶体缺陷所致的遗传性疾病 过氧化物酶体减少或有缺陷时,可致代谢障碍、中间产

46、物储积,形成先天畸形与器官功能障碍。 病情严重者如Zellweger脑肝肾综合征，临床表现为肝功能障碍、脑发育迟缓及癫痫等；较轻者有假性Zellweger综合征、无过氧化氢酶血症等。（二）疾病过程中的过氧化物酶体的病理改变 表现为数量、体积、形态等多种异常。 第五节 囊泡与囊泡运输细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过囊泡运输方式进行。 大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。囊泡表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。衣被具有两个主要作用：l选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；l决定运输小泡的形状和体积等外部特征。一、囊泡的类型和来源一、囊泡的类型和来源

47、v已知三类具有代表性的衣被蛋白，即：笼形蛋白（网格蛋白，clathrin）、COPI和COPII，它们形成的有被小泡介导不同的运输途径。衣被类型运输方向网格蛋白clathrin质膜内体高尔基体内体高尔基体溶酶体高尔基体植物液泡COP I高尔基体内质网COP II内质网高尔基体（一）网格蛋白有被小泡v网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。是由高尔基复合体、质膜内吞作用产生。它主要是由笼形蛋白、衔接蛋白、动力素蛋白三种蛋白参与下形成。1.笼形蛋白分子v笼形蛋白分子由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形

48、蛋白的曲臂部分交织在一起，形成一个具有5边形网孔的笼子。笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型 2.衔接蛋白v笼形蛋白形成的衣被中还有衔接蛋白（adaptin）。它介于笼形蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现4种不同类型的衔接蛋白，可分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡，如AP1参与高尔基体内体的运输、AP2参与质膜内体的运输、AP3参与高尔基体溶酶体的运输。3.动力素（dynamin）v当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白动力素（dynamin）聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断衣被小泡。动力素是一

49、种GTP酶。 网格蛋白衣被小泡的掐断过程 4.网格蛋白有被小泡的功能高尔基复合体形成的网格蛋白囊泡： 介导从高尔基体向溶酶体、胞内体或质膜外的物质运输。细胞内吞作用形成的网格蛋白囊泡： 把外来物质运送到细胞质或溶酶体。（二） COPII 衣被小泡来源：来源：粗面内质网产生，属于非网格蛋白衣被小泡。功能：功能：介导从内质网到高尔基体的物质运输。组成：组成：由5种亚基组成 Sar蛋白：是一种小的衣被召集GTP酶（GTP结合蛋白），Sar1GTP酶与Sec23/Sec24复合体结合在一起，形成紧紧包围着膜的一层衣被，Sec13/Sec31复合体形成覆盖在外围的一层衣被。 COPII蛋白通过识别并结合

50、内质网跨膜蛋白受体胞质端的信号序列介导囊泡的选择性物质运输（三） COP I 有被小泡（四） COPII有被小泡和COP I有被小泡介导方向相反的运输过程二、囊泡运输（一）囊泡运输是细胞物质定向运输的基本途径（一）囊泡运输是细胞物质定向运输的基本途径（二）囊泡运输是高度有序精密调控的过程（二）囊泡运输是高度有序精密调控的过程（三）特异性识别融合是囊泡运输定向与准确卸载的基本保证v各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的关键性的蛋白质是SNAREs（可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体）和Rabs（targeting

51、GTPase）。SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合。v 1.SNAREs介导特异性识别融合v1. SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合，动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs ，不同的v和t-SNAREs介导了不同的囊泡与靶膜的融合。2.SNARE复合体的解离 在SNAREs接到新一轮的运输小泡停泊之前，SNAREs必须以分离的状态存在，NSF（N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein, NSF）催化 SNAREs的分离，它是一种

52、类似分子伴娘的ATP酶，能够利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptor protein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开 3.病毒融合蛋白的工作原理 v病毒融合蛋白的工作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合 4. Rabs的作用vRab也叫targeting GTPase，属于单体GTP酶。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。许多运输小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。（四）囊泡运输是实现细胞膜与内膜系统功能转换与代谢更新的桥梁2013年诺贝尔奖生理学或医学奖获奖者：（从

53、左至右）美国科学家詹姆斯.罗斯曼和兰迪.谢克曼、德国科学家托马斯-C.苏德霍夫因Randy W. Schekman发现基因控制下的蛋白质在这种囊发现基因控制下的蛋白质在这种囊泡运输机制中起到重要作用。他成功识别出操控这一转泡运输机制中起到重要作用。他成功识别出操控这一转运过程的基因运过程的基因 .James E. Rothman发现一种蛋白质化合物（图中橘色发现一种蛋白质化合物（图中橘色表示）可以让囊泡实现与目标细胞膜的融合。表示）可以让囊泡实现与目标细胞膜的融合。 Thomas C. Sdhof研究了大脑中神经细胞之间是如何互研究了大脑中神经细胞之间是如何互相传递信号的，以及钙离子在这一过程中所起的作用。相传递信号的，以及钙离子在这一过程中所起的作用。他识别出一种分子机制（图中用紫色表示），解释了囊他识别出一种分子机制（图中用紫色表示），解释了囊泡输运机制中时间的精确性是如何达成的，以及其所携泡输运机制中时间的精确性是如何达成的，以及其所携带的信号分子物质是如何能做到受控释放。带的信号分子物质是如何能做到受控释放。 The endThe end！