細胞內(nèi)膜系統(tǒng)與囊泡轉運

細胞內(nèi)膜系統(tǒng)與囊泡轉運

endomembrane

systemandvesicletransport醫(yī)學細胞生物與遺傳學教研室

細胞內(nèi)膜系統(tǒng)包括在結構、功能和發(fā)生上密切相關的膜性結構細胞器如：核膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復合體、溶酶體、過氧化物酶體以及各種轉運小泡等。內(nèi)膜系統(tǒng)在細胞內(nèi)的分布第1節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

（endoplasmicreticulum，ER）

一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結構

扁囊狀(cisternal)泡狀(vesicular)管狀(tubular)化學組成中：葡萄糖-6-磷酸酶為標志酶。

二、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的類型粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（roughendoplasmicreticulum

,RER）

滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（smoothendoplasmicreticulum,SER）三、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能

（一）粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

通常為扁囊狀ERRER的發(fā)達程度可作為判斷細胞分化、功能狀態(tài)的形態(tài)指標。RER與蛋白質(zhì)合成、加工修飾、分選及轉運有關。游離核糖體(freeribosome)合成：

結合蛋白，某些特殊蛋白附著核糖體(boundribosome)合成：

跨膜蛋白、水溶性蛋白、駐留蛋白、分泌蛋白、需要修飾的蛋白等1.信號假說信號假說（signalhypothesis）信號肽（signalpeptide)信號識別顆粒（signalrecognitionparticle,SRP)信號識別顆粒受體（SRP-R）轉運體（translocon）信號肽識別顆粒結構示意圖信號假說的內(nèi)容信號假說的內(nèi)容（1）信號肽在游離核糖體上合成。（2）SRP-核糖體復合體形成

[信號肽-SRP-核糖體A位]（肽鏈合成暫時停止）（3）SRP識別、結合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的SRP-R，SRP-核糖體復合體錨泊?？縖信號肽-SRP-核糖體A位]—[SRP受體-轉運體]（SRP釋放）（4）肽鏈合成重新開始，轉運體開放，肽鏈穿膜入腔轉運。（繼續(xù)合成肽鏈）轉運體（translocon）也稱作易位子或易位蛋白質(zhì)，是RER膜上的多蛋白復合體，可形成外徑8.5nm左右，中央孔直徑平均為2nm的親水性通道。ER上的轉運體是一種動態(tài)結構，并以兩種可轉化的構象形式存在。即當它和信號肽結合時，處于開放的活性狀態(tài)；在蛋白質(zhì)多肽鏈被完全轉移之后，則轉變?yōu)闊o活性的關閉狀態(tài)。轉運體與新生肽鏈的穿膜轉移

信號假說在1971年由G.Blobel提出，1999年獲諾貝爾生理-醫(yī)學獎2.蛋白質(zhì)折疊與裝配蛋白質(zhì)功能的實現(xiàn)直接依賴于多肽鏈依其特定的方式盤旋、折疊所形成的高級三維立體結構。駐留蛋白(retentionprotein)分子伴侶(molecularchaperones)如：免疫球蛋白重鏈連接蛋白、內(nèi)質(zhì)蛋白、鈣網(wǎng)蛋白、鈣連蛋白、蛋白質(zhì)二硫鍵異構酶等3.蛋白質(zhì)修飾(modification)（1）N-連接糖基化：N-連接糖基化：寡糖與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面的多萜醇分子連接并被活化，連接在新生肽鏈的天冬酰胺殘基側鏈的氨基（-NH2）基團上。（2）羥基化（3）?；?）二硫鍵形成4.RER與蛋白質(zhì)運輸（1）經(jīng)修飾加工的外輸性蛋白，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜包裹，以出芽的方式形成膜性小泡而轉運。轉運小泡→高爾基復合體→分泌顆?！毎夥置诘鞍滓阅づ菪问街苯舆M入一種大濃縮泡→酶原顆?！懦黾毎?）穿膜駐留蛋白插入轉移的可能機制單次穿膜蛋白插入轉移機制

新生肽共翻譯插入內(nèi)信號肽介導

新生肽共翻譯插入新生穿膜駐留蛋白多肽鏈上既有位于N-端的起始轉移信號肽，還有存在于多肽鏈中的停止轉移序列。停止轉移序列是由特定氨基酸組成的一段疏水性序列區(qū)段，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜有極高的親和性，可與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜脂雙層結合。在由信號肽引導的肽鏈轉移過程中，當停止轉移序列進入轉運體并與其相互作用時，轉運體即由活性狀態(tài)轉換為鈍化狀態(tài)而終止肽鏈的轉移；N-端起始轉移信號肽從轉運體上解除釋放；停止轉移肽段形成單次穿膜a-螺旋結構區(qū)，使得蛋白肽鏈的C-端滯留于細胞質(zhì)一側。內(nèi)信號肽介導內(nèi)開始轉移肽（internalstart-transferpeptide）插入轉移機制：內(nèi)信號肽位于多肽鏈中，當其到達轉運體時，即被保留在脂質(zhì)雙分子層中，成為單次跨膜的α螺旋結構。多次穿膜蛋白質(zhì)的轉移插入多次穿膜蛋白質(zhì)的轉移插入過程比單次穿膜蛋白要復雜得多，但是其基本機制是大致相同的。在多次穿膜蛋白肽鏈上，常常有兩個或者兩個以上的疏水性開始轉移肽結構序列和停止轉移肽結構序列。一般認為，多次穿膜蛋白是以內(nèi)信號肽作為其開始轉移信號。（3）RER是蛋白質(zhì)分選的起始部位若待合成的蛋白質(zhì)其N端無信號肽，將繼續(xù)在游離核糖體上合成，合成的蛋白包括：非定位性分布的細胞質(zhì)溶質(zhì)駐留蛋白；定位性分布的胞質(zhì)溶膠蛋白（中心粒和中心粒周圍物質(zhì)）；細胞核中的核蛋白（組蛋白、非組蛋白）；線粒體半自主性細胞器所必需的核基因組編碼蛋白。

若待合成蛋白N端有信號肽，則進入ER進行修飾，使不同的蛋白帶上不同的標記，通過轉運小泡到達目的地。膜整合蛋白：插入到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，隨著功能結構的轉換進入內(nèi)膜系統(tǒng)各個區(qū)域以及細胞膜中（膜抗原、膜受體等）；可溶性駐留蛋白：最終定位于RER、SER、高爾基復合體、溶酶體等細胞器中；分泌蛋白：通過出胞吐作用轉運到細胞外（抗體、激素、消化酶等）。一些常見的信號序列1.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號序列

2.駐留信號3.核輸入信號（核定位信號）4.核輸出信號

5.過氧化物酶體引導信號

6.轉運肽核輸入信號（nuclearlocalizationsignal）又稱為核定位信號（nuclearlocalizationsignal,NLS）：凡是細胞質(zhì)中合成的轉運入核的蛋白質(zhì)，其肽鏈中均含有7個氨基酸（Pro-Lys-Lys-Lys-Lys-Arg-Val）組成的特異性信號序列，負責分揀并指導蛋白質(zhì)從細胞質(zhì)通過核孔復合體輸入到細胞核。

4.核輸出信號（nuclearexportsignal）

是細胞核內(nèi)形成的大分子復合物(如核糖核蛋白)上的氨基酸信號序列，其主要特征是序列中有多個疏水性氨基酸的相間排列出現(xiàn)。核輸出信號可被核孔復合體上的輸出受體所識別，進而引導核內(nèi)大分子復合物從細胞核經(jīng)由核孔復合體輸送到細胞質(zhì)中。

（4）信號序列的差異決定了蛋白質(zhì)在細胞內(nèi) 運輸?shù)牟煌緩介T控運輸（gatedtransport）：由特定的分揀信號介導，并通過核孔復合體的選擇性作用，在細胞溶質(zhì)與細胞核之間所進行的蛋白質(zhì)運輸。

穿膜轉運（transmembranetransport）：通過結合在膜上的蛋白質(zhì)轉運體進行的蛋白質(zhì)運輸(如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體）,信號肽-受體介導。

囊泡運輸（vesiculartransport）：是由不同膜性運輸小泡承載的一種蛋白質(zhì)運輸形式（如細胞分泌活動）。（二）滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)多為管狀ER

是一個多功能細胞器SER的功能１.合成脂類的主要場所:膽固醇、磷脂、甘油三酯２.糖原的分解：

肝糖原→葡萄糖-6-磷酸→磷酸+葡萄糖３.解毒功能：外源性毒物、藥物、內(nèi)源性毒物肝細胞SER膜氧化酶系４.是肌細胞Ca2+的儲存場所：肌質(zhì)網(wǎng)（鈣庫）。５.與胃酸、膽汁的合成與分泌密切相關胃底壁腺上皮細胞:Cl-(血漿)→Cl-(膜)﹢碳酸解離的H+(胞質(zhì))→HCl出胞在肝細胞中，SER不僅能夠合成膽鹽，而且，可通過所含葡萄糖醛酸轉移酶的作用，使非水溶性的膽紅素顆粒形成水溶性的結合膽紅素。微粒體（microsome）人工產(chǎn)物，研究內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的極好材料通過差速離心分離微粒體第2節(jié)高爾基復合體

(GolgiComplex,GC)一、GC的形態(tài)結構一層單位膜的細胞器位置固定，通常在核周圍電鏡下GC是由三種不同類型的膜性囊泡組成的細胞器：

1、扁平囊泡(saccules)3～10個平行排列，富有特征性的高爾基垛

(Golgistack)

凸面（形成面，順面）

膜厚度約6nm凹面（成熟面，反面）

膜厚度約8nm2、小泡(Golgivesicle)直徑40~80nm，膜厚6nm于形成面與RER之間，小泡（轉運小泡）由RER芽生而來。

3、液泡（Golgivacuole)直徑100~500nm，膜厚8nm位于GC的成熟面，由扁平囊泡末端膨大或分泌面膨出，脫落而成，又稱分泌泡（濃縮泡）。

GC是一個極性細胞器GC在形態(tài)結構呈現(xiàn)極性化學組成和功能上顯示出一定的極性扁平囊泡：順面高爾基網(wǎng)：嗜鋨反應，功能是：分選來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)和脂類；O連接糖基化中間膜囊：NADP酶反應，糖基化修飾和多糖及糖脂的合成反面高爾基網(wǎng)：蛋白質(zhì)分選，蛋白質(zhì)修飾等二、GC的化學組成GC蛋白種類和膜脂成分介于ER和質(zhì)膜之間。

中性脂類主要包括膽固醇、膽固醇酯和甘油三酯GC中的酶主要有糖基轉移酶、磺基-糖基轉移酶、氧化還原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶等。標志酶：糖基轉移酶。三、GC的功能1.細胞內(nèi)蛋白質(zhì)運輸分泌的中轉站

2.GC是胞內(nèi)物質(zhì)加工合成的重要場所（1）糖蛋白的加工合成Ｎ－連接糖基化：始于ER，完成于GCO－連接糖基化：在GC中進行O—連接的糖基化

主要在GC中進行寡糖與蛋白質(zhì)多肽鏈中的絲氨酸,蘇氨酸和酪氨酸殘基側鏈上--OH連接。

O—連接寡糖:半乳糖、N-乙酰半乳糖胺（2）GC與蛋白質(zhì)的水解加工

如GC與胰島素的活化：胰島素原為86個aa，在GC中切除掉C肽，才成為有活性的胰島素。胰高血糖素、血清白蛋白的成熟也都是在GC中完成的。

胰島素的活化無活性的胰島素86個aa（A、B、C肽）。在GC內(nèi)，去除中央肽段（C肽），剩余51個aa（A、B肽）以二硫鍵相連。成為有活性的胰島素。第3節(jié)溶酶體（lysosome)1949年ChristiandeDuve等在對大鼠肝組織勻漿細胞組分進行差速分離分析研究時獲得。1955年又在鼠肝細胞的電鏡觀察中發(fā)現(xiàn)，因其含多種水解酶而得名。電鏡觀察顯示：溶酶體系由一層單位膜構成的球囊狀結構，膜厚約６nm。普遍存在于各類組織細胞之中。一、溶酶體的主要形態(tài)結構及化學特征

１.高度的異質(zhì)性大小差別很大：最小者直徑僅50nm；一般直徑200～800nm；最大直徑可達數(shù)微米。不同細胞中所含溶酶體數(shù)量不同。不同溶酶體中，所含水解酶的種類不同。溶酶體電鏡圖Detectionofacidphosphatasein

lysosomes

SmallspheresmaybevesiclesdeliveringtheenzymefromtheGolgiApparatus一般而言，在溶酶體中可含有60多種能夠分解機體中幾乎所有生物活性物質(zhì)的酸性水解酶，這些酶作用的最適pH通常為3.5～5.5。在每一個溶酶體中所含有的酶的種類是有限的，而且不同溶酶體中所含有的水解酶亦并非完全相同，這使得它們表現(xiàn)出不同的生化或生理性質(zhì)。總而言之，溶酶體在其形態(tài)大小、數(shù)量分布、生理生化性質(zhì)等各方面部表現(xiàn)出了高度的異質(zhì)性(heterogenous)。

2.含有豐富的酸性水解酶是溶酶體特征溶酶體的共性特征：所有的溶酶體都是由一層單位膜包裹而成的囊球狀結構小體；均含有豐富的酸性水解酶，酸性磷酸酶是溶酶體的標志酶；溶酶體膜中富含兩種高度糖基化的穿膜整合蛋白IgpA和IgpB；分布溶在酶體膜腔面，可防止溶酶體酶對其自身膜結構的消化分解；溶酶體膜上嵌有質(zhì)子泵，可依賴水解ATP釋放出的能量將H+逆濃度梯度地泵入溶酶體中，以形成和維持溶酶體囊腔中酸性的內(nèi)環(huán)境。3.溶酶體膜糖蛋白家族具有高度的同源性在多種脊椎動物中鑒定出一個溶酶體膜糖蛋白家族—溶酶體結合膜蛋白(lysosomal-associatedmembraneprotein，LAMP)，亦稱為溶酶體整合膜蛋白(lysosomalintegralmembraneprotein,LIMP)。該類蛋白質(zhì)的肽鏈組成結構：一個較短的N-端信號肽序列；一個高度糖基化的腔內(nèi)區(qū)；一個單次穿膜區(qū)；一個由10個左右的氨基酸殘基組成的C-端胞質(zhì)尾區(qū)。蛋白質(zhì)克隆實驗表明，在不同物種的同類蛋白質(zhì)及同一物種的不同蛋白質(zhì)之間，特別是在其功能結構區(qū)，存在著高度的氨基酸序列組成同源性。

二、溶酶體的類型１.初級溶酶體（primarylysosome)２.次級溶酶體（secondarylysosome)含酸性水解酶、作用底物、消化后的產(chǎn)物３.三級溶酶體（tertiarylysosome）含未被溶酶體消化和分解的物質(zhì)，并形成殘余體（residualbody)

殘余體按照溶酶體形成過程不同可分為兩大類型（1）

內(nèi)體性溶酶體：是由高爾基復合體芽生的運輸小泡并入經(jīng)由細胞胞吞（飲）作用形成的晚期內(nèi)體合并而成。（2）

吞噬性溶酶體：是由內(nèi)體性溶酶體與自噬體或異噬體相互融合而成。三、

溶酶體的發(fā)生1.溶酶體蛋白由RER轉運至GC順側，甘露糖被磷酸化為M6P（識別信號）。2.GC反側的M6P受體引導溶酶體酶聚集。3.含有溶酶體的小泡與胞內(nèi)體結合形成內(nèi)體性溶酶體。4.在低pH條件下，M6P受體與酶分離，經(jīng)出芽返回GC反側再循環(huán)。5.甘露糖脫去磷酸根，內(nèi)體性溶酶體成為初級溶酶體。

膜流（membraneflow）：細胞內(nèi)存在各種復雜的膜泡運輸過程，使膜性結構發(fā)生移位、融合或重組，細胞的各種膜性結構相互聯(lián)系和轉移的現(xiàn)象稱為膜流。四、溶酶體的功能1.能夠分解胞內(nèi)的外來物質(zhì)及清除衰老、殘損細胞器2.具有物質(zhì)消化與細胞營養(yǎng)功能3.機體防御保護功能的組成部分4.參與某些腺體組織分泌過程的調(diào)節(jié)（甲狀腺素的分泌）5.溶酶體在生物個體發(fā)生與發(fā)育過程中起重要作用。

細胞死亡是一個異常繁忙的場面。機體是如何處置體內(nèi)死亡的細胞的?一個巨噬細胞（綠色）正伸出“手”捕捉一個死亡細胞（橙色）巨噬細胞（綠色）已經(jīng)將幾個死亡的細胞（橙色）吞到肚子里了1.胞內(nèi)殘損結構清除更新功能2.基于物質(zhì)消化分解作用的細胞營養(yǎng)功能溶酶體作為細胞內(nèi)消化的細胞器，在細胞饑餓狀態(tài)下，可通過分解細胞內(nèi)一些對于細胞生存并非必需的生物大分子物質(zhì)，為細胞的生命活動提供營養(yǎng)和能量，維持細胞的基本生存，事實上，在原生動物，其從外界攝入的各種營養(yǎng)物質(zhì)，就是完全依賴溶酶體的分解消化作用才被細胞有機體吸收利用。

4.基于物質(zhì)消化分解作用的腺體組織細胞分泌調(diào)控功能溶酶體常常在某些腺體組織細胞的分泌活動過程中發(fā)揮著重要的作用。例如，儲存于甲狀腺腺體內(nèi)腔中的甲狀腺球蛋白，首先要通過吞噬作用進入分泌細胞內(nèi)，在溶酶體中水解成甲狀腺素，然后才被分泌到細胞外。第4節(jié)過氧化物酶體過氧化物酶體(peroxisome)，是在1954年由Rhodin首次發(fā)現(xiàn)于鼠腎小管上皮細胞中的亞顯微結構。因為過氧化物酶體在形態(tài)、結構和物質(zhì)降解功能上與溶酶體類似以及其本身的異質(zhì)性，以致在相當長的一段時間內(nèi)不能夠把它們與溶酶體區(qū)分開來。直至20世紀70年代，人們才逐漸確認過氧化物酶體是完全不同于溶酶體的另一種細胞器。

一、過氧化物酶體的基本形態(tài)結構特征

一層單位膜包裹而成的膜性結構小體多呈圓形或卵圓形，直徑變化于200～1700nm之間具有電子致密度較高、排列規(guī)則的晶格結構—類核體（nucleoid）界膜內(nèi)表面可見一條高電子致密度的條帶狀結構：邊緣板（marginalplate）二、過氧化物酶體的化學特征內(nèi)含40多種酶，可劃分為三種類型：氧化酶類過氧化氫酶類過氧化物酶類三、過氧化物酶體的主要生理功能

１.消除細胞代謝過程中產(chǎn)生的過氧化氫及其他毒性物質(zhì)。例如，飲酒進入人體的乙醇，主要就是通過此種方式被氧化解毒。

２.細胞氧張力的調(diào)節(jié)過氧化物酶體的重要功能還體現(xiàn)在對細胞氧張力的調(diào)節(jié)上。盡管過氧化物酶體只占到細胞內(nèi)氧耗量的20%，但其氧化能力卻會隨氧濃度的增高而增強。因此，即便細胞出現(xiàn)高濃度氧狀態(tài)時，也會通過過氧化物酶體的強氧化作用而得以有效調(diào)節(jié)，以避免細胞遭受高濃度氧的損害。３.參與細胞內(nèi)脂肪酸等高能分子物質(zhì)的分解轉化過氧化物酶體的另一功能是分解脂肪酸等高能分子，或使其轉化為乙酰輔酶A，并被轉運到細胞質(zhì)基質(zhì)，以備在生物合成反應中的再利用；或者向細胞直接提供熱能。特征溶酶體過氧化物酶體形態(tài)無類核體常有類核體酶種類酸性水解酶氧化酶、過氧化氫酶類PH5左右7左右是否需氧不需要需要功能細胞內(nèi)消化多種功能發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成經(jīng)GC出芽形成酶在細胞基質(zhì)中合成，經(jīng)分裂裝配形成標志酶酸性磷酸酶過氧化氫酶過氧化物酶體與溶酶體的比較第5節(jié)囊泡與囊泡轉運囊泡（vesicle）：是真核細胞中十分常見的膜泡結構，囊泡的形成伴隨著細胞內(nèi)物質(zhì)的定向運輸過程。2013.10.7諾貝爾生理學或醫(yī)學獎揭示了細胞如何組織其轉運系統(tǒng)——“囊泡轉運”的奧秘。一、囊泡在胞內(nèi)蛋白運輸中的作用囊泡運輸（vesiculartransport）：是真核細胞特有的一種細胞物質(zhì)內(nèi)外轉運的形式。由不同的膜性運輸小泡承載的一種蛋白質(zhì)運輸形式，膜性細胞器之間的蛋白質(zhì)分子轉移、細胞分泌活動及細胞膜的大分子和顆粒物質(zhì)轉運，都是以這種方式來實現(xiàn)。二、囊泡的類型與來源（一）網(wǎng)格蛋白有被小泡

產(chǎn)生于GC或者由細胞膜受體介導的細胞內(nèi)吞作用而形成。穿梭于高爾基體和細胞質(zhì)膜之間。（二）COPII（coatproteinII）有被小泡：COPII有被小泡產(chǎn)生于ER，介導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)轉運。（三）COPI（coatproteinI）有被小泡：COPI有被小泡產(chǎn)生于GC，主要介導蛋白質(zhì)從高爾基體運回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。三種囊泡的形成與功能1.網(wǎng)格蛋白有被小泡網(wǎng)格蛋白有被小泡網(wǎng)格蛋白的結構2.COPⅡ有被小泡介導從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到GC的物質(zhì)運輸外被蛋白由5種蛋白質(zhì)亞基構成COPⅡ有被小泡的結構組成COPⅡ有被小泡COPⅡ包被蛋白由5種蛋白亞基組成，其形成過程涉及許多蛋白質(zhì)的參與。COPⅡ有被小泡對轉運物質(zhì)具有一定的選擇性（1）只能轉運高爾基體的某些可溶性蛋白，而不與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白結合。（2）COPⅡ蛋白能識別內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的蛋白分選信號：Asp-X-Glu并與之結合，選擇性將其運出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。（3）COPII囊泡在抵達其靶標后、與靶膜融合之前，結合的GTP水解，產(chǎn)生Sar-GDP復合物，促使囊泡包被蛋白發(fā)生去裝配，導致囊泡脫去衣被成為無被轉運小泡。3.COPⅠ有被小泡

來源：由GC產(chǎn)生，屬于非網(wǎng)格蛋白有被囊泡由多個亞基組成的多聚體（α、β、γ、δ、ε、ζ等幾種蛋白亞基成分）。α蛋白：也稱為ARF蛋白，類似于COPII中的Sar蛋白亞基,為GTP結合蛋白，可調(diào)節(jié)外被蛋白復合物的聚合、裝配及膜泡的轉運功能：①捕捉、回收轉運ER的逃逸蛋白②在扁平膜囊中逆向轉運GC膜內(nèi)蛋白③行使從ER到GC的順向轉移COPⅠ有被小泡

形成的過程ARF蛋白與GDP解離與GTP結合GC上的ARF受體促進COPⅠ蛋白亞基聚合

誘導轉運囊泡芽生COPⅠ有被小泡離開GC后，衣被蛋白解離，囊泡與ER膜融合。三、囊泡轉運的特點囊泡轉運具有高度靶向性和高度特異性。