第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输,主要内容,第一节 细胞质基质的涵义和功能 一、细胞质基质的涵义 二、细胞质基质的功能 第二节 细胞内膜系统的形态结构和功能 一、内质网的形态结构与功能 二、高尔基体的形态结构与功能 三、溶酶体的形态结构与功能 第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 一、信号假说与蛋白质分选信号 二、蛋白质分选的基本途径与类型 三、膜泡运输 四、细胞结构体系的组装,第一节 细胞质基质的涵义和功能,真核细胞的细胞内膜将细胞质分隔成不同的区域： 细胞质基质（cytoso，cytoplasmic matrix）： 真核细胞的细胞质中，除去可分辨的膜性细胞器以 外的胶状物质，其体积约占细胞质的一半。 细胞内膜系统：内质网、高尔基体、溶酶体、胞 内体、分泌泡 其他膜包被的细胞器：线粒体、叶绿体、过氧化 物酶体、细胞核,一、细胞质基质的涵义,细胞质基质（cytoso，cytoplasmic matrix）： 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，其体积约占细胞质的一半。 用差速离心法分离细胞匀浆物组分，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。生物化学 家多称之为胞质溶胶。,成分：中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构、水分等 。 化学组分：小分子物质：水分子、无机离子等； 生物中等分子：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸等； 生物大分子：蛋白质、RNA、脂蛋白、多糖等。 特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。,二、细胞质基质的功能,许多代谢过程的场所（糖酵解、糖原合成、蛋白质脂质的合成等）； 与细胞骨架的选择性结合（细胞内功能的区域化）； 蛋白质修饰（糖基化、去/磷酸化、酰基化、甲基化、共价结合）； 控制蛋白质的寿命（由N端第一个氨基酸决定稳定性，泛素水解） 降解变性和错误识别的蛋白质； 帮助变性和错误折叠的蛋白质 重新折叠；（热休克蛋白）,细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联、由 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。 内膜系统形成了一种胞内网络结构，其功能主要在于两个 方面： 扩大膜的总面积，为酶提供附着的支架，如脂肪 代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上； 是将细 胞内部区分为不同的功能区域，保证各种生化反应所需的独 特的环境。,第二节 细胞内膜系统及其功能,一、内质网的形态结构与功能 内质网（ER）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。 内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积占细胞 总体积的10%以上。 内质网是典型的异质性细胞器，在细胞分裂时，内 质网要经历解体和重建的过程。 内质网的存在大大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； 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。,（一）内质网的两种基本类型 粗面内质网（RER）和光面内质网（SER） 1、粗面内质网（RER） 多扁平囊状，膜表面有大量核糖体附着 功能是合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白 易位子：直径8.5nm, 通道2nm，内质网膜上的蛋白复合体通道，与新合成的多肽进入内质网有关,2、光滑内质网（SER） 常为分支管状，形成较为复杂的立体结构，表面没有核糖体附着 脂质合成的重要场所。,注意： 细胞中几乎没有纯的光面内质网，它们只是作为内质网这 一连续结构的一部分。 密度梯度离心技术将肝细胞的RER和SER分离开来，发现 粗面内质网上有20种以上蛋白与光滑内质网不同。 二者是一连续的整体，可能是有某些特殊的装置，将RER 和SER得部位隔开来，并维持其形态。,3、内质网与细胞内其它细胞器的关系 （1）、与细胞膜相连：甚至有管道相通 （2）、与外层核膜相接：内质网腔与核周隙相通 （3）、与高尔基体在结构、功能与发生上关系密切 （4）、rER与线粒体紧密相依： 过去：供能 最近：与脂质的相互交换及Ca2+释放的调节关系密切 （5）、ER的分布与微管走向一致 （核膜内质网高尔基体质膜）,（二）内质网的功能 内质网是细胞内蛋白与脂质合成的基地，几乎全部的脂质 和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的。其中最主要的 是卵磷脂。 蛋白质合成 蛋白质合成始于细胞质基质，但部分很快转至内质网膜 上。 在内质网上合成的蛋白质包括： 向细胞外分泌的蛋白质 膜的整合蛋白 构成细胞器中的可溶性驻留蛋白 蛋白质合成后的修饰,（卵磷脂）磷脂酰胆碱在内质网膜上的合成过程, 脂质合成 内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的全部膜脂。 合成磷脂的三种酶都定位在内质网膜上，活性部位在膜的细胞质基质一侧； 合成磷脂的底物来自细胞质基质，反应的第一步是增大面积；第二三步确定新合成磷脂的种类； 除卵磷脂外其他几种磷脂都已类似的方式合成。 合成的磷脂有内质网向其他膜的转运主要有两种方式： A、通过出芽方式转运到高尔基体，溶酶体和细胞膜上; B、 凭借磷脂转换蛋白（PEP）在膜之间转移磷脂；首 先PEP与磷脂分子结合成水溶性的复合物进入细胞质基质， 通过自由扩散，直至遇到靶膜时，PEP释放出来，并安插在 膜上。,蛋白质的修饰加工,糖基化: 在内质网的腔面，寡糖链连接在插入膜内的磷酸多萜醇上，当与糖基化有关的氨基酸残基出现后，通过膜上的糖基转移酶，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬氨酸残基上。,N连接的糖基化 糖:N乙酰葡萄糖胺 氨基酸：天冬氨酸 发生部位：内质网(rER) O连接的糖基化 糖：N乙酰半乳糖胺 氨基酸：丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸 发生部位：高尔基体（主要） 细胞质基质中只发现少数几种简单的糖基化,N-连接的糖基化过程,多萜醇,葡萄糖,甘露糖,N-乙酰葡糖胺,酰基化 发生在内质网的胞质侧 软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上 高尔基体、膜蛋白向细胞膜的转移中也发生类似 的酰基化 另外，在内质网上还发生羟基化和二硫键形成等,新生多肽的折叠与装配,1、蛋白二硫键异构酶 切断二硫键，帮助其重新形成 二硫键，并处于正确的状态,2、结合蛋白（Bip） 能识别不正确的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进其重新折叠与组装,3、4肽信号 滞留在内质网中的蛋白质的信号（KDEL）（-Lys-Asp-Glu-Leu-COO） 如 蛋白二硫键异构酶 结合蛋白（Bip）,折叠错误、畸形肽链、未装配等,胞质,通过Sec61p复合体,被蛋白酶体降解,内质网的其他功能,1）合成脂蛋白（外输性）肝细胞中的sER 2）解毒功能肝细胞中的sER 如：细胞色素P450家族酶系（又称加单氧酶系、羟化酶系） 由一些氧化还原酶构成，是电子传递系统，但不与 ATP合成相偶连 不溶于水的废物、代谢产物 细胞色素P450家族酶系 羟基化 尿液排出 3）合成固醇类激素睾丸间质细胞的sER 4）储存Ca2+肌细胞中的sER 5）为细胞质基质中的Pr、酶提供附着点 6）储存、运输物质，能量与信息传递，细胞的支持和运动 等作用。,三、内质网与基因表达的调控,粗面内质网的形态,光滑内质网的形态,内质网,二、高尔基体的形态结构与功能 高尔基体又称高尔基器或高尔基复合体。从发现至今已有百年历史，其中一半以上时间是进行关于其形态甚至是否真实存在的争论。20世纪50年代随着电镜技术的应用和超薄切片技术的发展，才证实了高尔基体的存在。这不仅由于当时研究手段光景的限制性，而且也反映了高尔基体的自身结构特征。高尔基体是有大小不一、形态多变的囊泡体系组成，在不同细胞中，甚至细胞生长的不同阶段都有很大的区别。,（一）高尔基体的形态结构与极性 1、结构：电镜下最富有特征的结构是由一些（常4 8）排列较为整齐的扁平膜囊堆叠成，构成其主 体，膜囊多呈弓形，也有的呈半球形。膜囊周围又 有大量的大小不等的囊泡结构。,高尔基体,高尔基体,高尔基体与内质网,2、有极性 很多细胞中，高尔基体靠近细胞核的一面，膜囊弯曲成凸面，又称形成面(forming face)或顺面(cis face)，面向胞质膜的一面常呈凹面，又称成熟面(mature face)或反面(trans face)。 顺面膜囊；中间膜囊；反面膜囊；泡囊,3、化学反应 嗜锇反应（形成面） 焦磷酸硫胺素酶反应（成熟面的12层膜） 胞嘧啶单核苷酸酶反应（靠近trans face面上的一些膜囊状，管状结构） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应 （中间几层扁平膜囊）,4、高尔基体的间隔区室 高尔基体至少由互相联系的4个部分组成，每一部分又 可能划分出更精细的间隔 （1）高尔基体顺面膜囊（cis ）或顺面网状结构（CGN） 接受内质网新合成的物质，分类后转入中间膜囊，小部分返回（驻留蛋白）； 丝氨酸O-连接的糖基化，跨膜蛋白胞质侧的酰基化 （2）高尔基体中间膜囊（medial Golgi） 由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。 多数糖基化修饰，膜质形成，多糖合成,（3）高尔基体反面的膜囊（trans）及反面高尔基体网状结构（TGN） 位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入 反面的细胞之中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。TGN 的形态更是处于不断的动态变化之中。 TGN的主要功能： 参与蛋白质的分类与包装、运输； 某些“晚期”的蛋白质修饰（如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工）在蛋白质与脂类的转运过程中的“瓣膜”作用，保证单向转运 。,（4）周围大小不等的囊泡 高尔基体周围常见大小不等的囊泡。其顺面一侧的囊泡可 能是内质网与高尔基体之间的物质运输小泡，称之为ERGIC （endoplasmic reticulum-Golgi intermediatecompartment）或称管状小泡丛VTCs （vesicular-tubular clusters）。,5、化学组成 高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类。 膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于ER和质膜之间，中性脂类主要包括胆固醇，胆固醇酯和甘油三酯。 高尔基体中的酶主要有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、 氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷 脂酶等不同的类型。,扁囊,（二）高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是将内质网合成的蛋白质进行加工、 分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌 到细胞外。 1、蛋白质的糖基化及其修饰 溶酶体中的水解酶类、多数细胞质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，这就说明，ER上合成的大多数蛋白质在 内质网和高尔基体中发生了糖基化。,与细胞内其他生物大分子如DNA、RNA和蛋白质合成不 同，糖蛋白中寡糖链的合成与修饰都没有模板，靠不同的酶 而且在细胞的不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。故 人们推测，真核细胞中普遍存在的糖基化一定具有某种重要 的功能。首先就是为各种蛋白质打上不同的标志，以利于高 尔基体的分类与包装，同时保证糖蛋白从ER至高尔基体膜囊 单方向转移。糖基化另一种功能是影响多肽的结构。,但很多糖蛋白的分选与行使功能并不需要糖基化修饰。 对多数由高尔基体分选的蛋白质来说，糖基化并非作为 蛋白质分选信号，更主要可能是有助于蛋白质成熟过程的折 叠成正确的构象和增加蛋白质稳定性,2、高尔基体参与细胞的分泌活动 负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过 程是SER上合成蛋白质，进入ER腔，出芽形成囊泡，进入 CGN，在medial Gdgi中加工，在TGN形成囊泡，囊泡与胞 质体融合、排出。 高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或 信号斑