细胞生物学：第六章 细胞质基质与细胞内膜系统

1、第六章细胞质基质与细胞内膜系统电镜出现后，人们发现，真核细胞的细胞质内具有发达的内膜系统(endomembrane system)，形成了细胞质基质以及膜围绕的细胞器。细胞质基质是指在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，称 (cytoplasmicmatrixOrcytomatrix)。其体积约占细胞质的一半。细胞的内膜系统是在结构、功能乃至发生上相关的，由膜围绕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。第一节 细胞质基质一、细胞质基质的组成用差速离心的方法分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，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

2、胞质溶胶。在细胞质基质中，主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，以及与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨架结构。在细胞质基质中蛋白质含量约占2030，形成一种粘稠的胶体，多数的水分子是以水化物的形式紧密地结合在蛋白质和其他大分子表面的极性部位，只有部分水分子以游离态存在，起溶剂作用。细胞质基质中蛋白质分子和颗粒性物质的扩散速率仅为水溶液中的15，更大的结构如分泌泡和细胞器等则固定在细胞质基质的某些部位上，或沿细胞骨架定向运动。二、细胞质基质的功能许多中间代谢过程都在细胞质基质中进行 1蛋白质的修饰 在细胞质基质中发生蛋白质修饰的类型主要有： (1) 辅酶或辅基与酶的共价结合。 (2) 磷

3、酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性。 (3)糖基化。糖基化主要发生在内质网和高尔基体中(4)对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰。 2控制蛋白质的寿命在蛋白质分子的氨基酸序列中，除了有决定蛋白质在细胞内定位的信号和与修饰作用有关的信号外，还有决定蛋白质寿命的信号。这种信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基，若N端的第一个氨基酸是Met(甲硫氨酸)、Ser (丝氨酸)、Thr(苏氨酸)、Ala(丙氨酸)、Val(缬氨酸)、Cys(半胱氨酸)、Gly(甘氨酸)或Pro(脯氨酸)，则蛋白质是稳定的；如是其他12种氨基酸之一，则是不稳定的。每种蛋白质开始合成时，N端的第一个氨基酸都是甲硫氨酸(细

4、菌中为甲酰甲硫氨酸)，但合成后不久便被特异的氨基肽酶水解除去，然后由氨酰tRNA蛋白转移酶(aminoacyl-tRNA-protein transferase)把一个信号氨基酸加到某些蛋白质的N端，最终在蛋白质的N端留下一个不稳定的或稳定的氨基酸残基。在真核细胞的细胞质基质中，有一个很复杂的机制，识别蛋白质N端不稳定的氨基酸信号并准确地将这种蛋白质降解，是依赖于泛素的降解途径(ubiquitin-dependentpathway)。泛素是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白，具有多种生物学功能。在蛋白质降解过程中，多个泛素分子共价结合到含有不稳定氨基酸残基的蛋白质的N端，然后一种 26S的

5、蛋白酶复合体或称蛋白酶体(proteosome)将蛋白质完全水解。 3降解变性和错误折叠的蛋白质 4帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象 第二节 内 质 网内质网(endoplasmic reticulum，ER)是真核细胞中由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构。通常占细胞膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的10以上。原核细胞内没有内质网，由细胞膜代行其某些类似的职能。 一、内质网的两种基本类型 内质网可分为两种基本类型：糙面内质网(rough endo plasmic reticulum，rER)和光面内质网(smooth endoplasmic reticu

6、lum，sER)。糙面内质网多呈扁囊状，排列较为整齐，因在其膜表面分布着大量的核糖体而命名。它是内质网与核糖体共同形成的复合机能结构，其主要功能是合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白。因此在分泌细胞(如胰腺腺泡细胞)和分泌抗体的浆细胞中，糙面内质网非常发达，而在一些未分化的细胞与肿瘤细胞中则较为稀少。 表面没有核糖体结合的内质网称光面内质网。光面内质网常为分支管状，形成较为复杂的立体结构。 光面内质网是脂质合成的重要场所，细胞中几乎不含有纯的光面内质网，它们只是作为内质网结构的一部分。光面内质网所占的区域通常较小，往往作为出芽的位点，将内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体内。在某些细胞中，光面内质

7、网非常发达并具有特殊的功能，如合成固醇类激素的细胞及肝细胞等。 二、内质网的功能 内质网是细胞内蛋白质与脂质合成的基地，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。 1蛋白质的合成细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质之中。有些蛋白质刚起始合成不久便转移至内质网膜上，继续进行蛋白质合成。在糙 面内质网上，多肽链一边延伸一边穿过内质网膜进入内质网腔中，以这类方式合成的蛋白质主要包括： (1)向细胞外分泌的蛋白质 如胰腺细胞分泌的酶、浆细胞分泌的抗体、小肠杯状细胞分泌的粘蛋白(mucin)、内分泌腺分泌的多肽类激素以及胞外基质成分等。这类蛋白质常以分泌泡的形式通过细胞

8、的胞吐作用输送到细胞外。 (2)膜的整合蛋白 膜蛋白等都具有方向性，其方向性在内质网上合成时就已确定。 (3)构成细胞器中的可溶性驻留蛋白 2脂质的合成内质网合成构成细胞所需要的几乎全部的膜脂，其中最主要的是磷脂酰胆碱(卵磷脂)。合成磷脂所需要的3种酶都定位在内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基质一侧。合成磷脂的底物是来自细胞质基质。 在内质网膜上合成的磷脂,几分钟后就由细胞质基质侧转向内质网腔面，其转位可能是借助一种磷脂转位因子(phospholipid translocator)或称转位酶(flippase)的帮助来完成的。合成的磷脂由内质网向其他膜的转运主要有两种方式：一种是以出芽的方式

9、转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；另一种方式是凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂转换蛋白(phospholipid exchange proteins，PEP)在膜之间转移磷脂。其转运模式是，首先PEP与磷脂分子结合形成水溶性的复合物,进入细胞质基质，通过自由扩散到缺少磷脂的靶膜，如线粒体或过氧化物酶体膜上。PEP将磷脂释放出来，并安插在膜上. 3蛋白质的修饰与加工进入内质网中的蛋白质发生的主要化学修饰作用有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化是内质网中最常见的蛋白质修饰，伴随着多肽合成同时进行。在内质网腔面，插入膜内的磷酸多萜醇上连接有寡糖链，膜上的糖基转移酶(glycosyl t

10、ransferase)能够将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的氨基酸残基上。N连接的糖基化:寡糖基转移到天冬酰胺残基上称为N连接的糖基化(Nlinked glycosy lation)，与天冬酰胺直接结合的糖都是N乙酰葡萄糖胺。O连接的糖基化:主要发生在高尔基体中,糖基化是发生在丝氨酸或苏氨酸残基上，也可能发生在羟赖氨酸或羟脯氨酸上(如胶原蛋白)，称O连接的糖基化(Olinkedglycosylation)，与之直接结合的糖是N乙酰半乳糖胺。其过程尚不完全了解。酰基化发生在内质网的胞质侧，通常是软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上。 4新生多肽的折叠与装配 肽链的合成仅需要几十秒钟至几分钟，而

11、新合成的多肽在内质网停留的时间往往长达几十分钟。不同的蛋白质在内质网停留的时间长短不一，这在很大程度上取决于蛋白正确折叠所需要的时间。 在内质网狭小的腔隙中常常同时有多种蛋白质。侧链基团之间极易形成二硫键，对肽链的正确折叠带来了很大困难。内质网中有一种蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase)，它附着在内质网膜腔面上，可以切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态。这种酶的存在大大加快了正确折叠的过程。折叠好的蛋白质，内部往往有个疏水的核心，未折叠的蛋白质由于疏水核心的外露，即使在很低的浓度下，也很容易发生聚集，甚至与其他未折叠的蛋白形成复合物。

12、内质网含有一种结合蛋白(binding protein，Bip)，可以识别不正确折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与装配。一旦这些蛋 白形成正确构象或装配完成，便与Bip分离，进入高尔基体。 5内质网的其他功能 一般细胞中，光面内质网所占比例很小，但在某些细胞中非常发达。 肝细胞中的光面内质网很丰富，它是合成外输性脂蛋白颗粒的基地。肝细胞中的光面内质网中还含有一些酶，用以清除脂溶性的废物和代谢产生的有害物质，因而光面内质网具有解毒功能。 某些药物如苯巴比妥(phenobarbit01)进人体内，肝细胞中与解毒反应有关的酶便大量合成，几天之中光面内质网的面积成倍增加。一旦毒物消

13、失，多余的光面内质网也随之被溶酶体消化，5天内又恢复到原来的大小。 在某些合成固醇类激素的细胞如睾丸间质细胞中，光面内质网也非常丰富，其中含有制造胆固醇并进一步产生固醇类激素的一系列的酶。第三节 高尔基复合体高尔基体(Golgi body)又称高尔基器(Golgi apparatus)或高尔基复合体(Goli complex)，是比较普遍地存在于真核细胞内的一种细胞器。一、高尔基体的形态结构高尔基体的主体结构由一些(常常48个)排列较为整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠在一起构成。扁囊多呈弓形，也有的呈半球形或球形。膜囊周围又有大量的大小不等的囊泡结构。扁囊的直径多在1mm左右，中间囊腔较

14、窄，周缘多呈泡状，每层扁囊之间的距离约1530 nm。在不同细胞中扁囊的数目差异很大，少至 1-2个，多至十几个。高尔基体是一种有极性的细胞器，它在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出，每层膜囊也各不相同。高尔基体靠近细胞核的一面，扁囊弯曲成凸面又称形成面(forming face)或顺面(cis face)，面向细胞膜的一面常呈凹面(concave)又称成熟面(mature face)或反面(trans face)。 根据高尔基体的各部分膜囊特有的成分，可用电镜细胞化学的方法对高尔基体的结构成分作进一步的分析。常用的4种标志细胞化学反应是： (1)嗜锇反应

15、，经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色。 (2)焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应，可特异地显示高尔基体的 trans面的12层膜囊。 (3)胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应，常常可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶。 (4)烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应，是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应。 高尔基体的各种标志反应不仅有助于对高尔基体结构与功能的深入了解，而且可以用来更准确地鉴别高尔基体的极性。 目前多数学者认为，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。高尔基体各个膜囊之

16、间均由膜性结构连在一起 1高尔基体顺面膜囊(cis Golgi)或顺面网状结构(cisGolgi network，CGN)位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，又称cis膜囊，是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。CGN膜厚约6nm，比高尔基体其他部位略薄，但与内质网膜厚度接近。一般认为，CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂质再返回内质网。返回内质网的蛋白质具有KDEL(或HDEL)这一信号序列，它是驻留在内质网内蛋白的特有序列。CGN区域还可能具有其他生物活性，如蛋白丝氨酸残基发生O连接的 糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；。 2高

17、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、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。扁平膜囊特殊的形态使其具有很大的膜表面，从而大大增加了进行糖的合成与修饰的有效面积。 3高尔基体反面的膜囊(trans Golgi)以及反面高尔基体网状结构(trans Golginetwork，TGN)TGN位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸人反面的细胞质中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。在不同的细胞中，TGN的形态结构有很大的区别。与高尔基体的其他结构相比，TGN的形态是处于不断的动态变化

18、之中。TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出，某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN中，如半乳糖(a)2，6位的唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工作用等。有人认为TGN在蛋白质与脂质的转运过程中还起到“瓣膜”的作用，保证这些物质向单方向转运。在高尔基体的周围常常有大小不等的囊泡。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 intermediate compartment)，或称VTCs(Vesicular-tubular clusters)。反面一侧可以见到体积较大的

19、分泌泡与分泌颗粒，将经过高尔基体分类与包装的物质运送到细胞特定的部位。高尔基体周围另一些囊泡推测是膜囊周缘膨大部分出芽形成的，它们可能负责膜囊之间的物质运输。 二、 高尔基体的功能 高尔基体是细胞内大分子运输的一个主要交通枢纽:高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂质一部分也要通过高尔基体向细胞膜和溶酶体膜等部位运输，此外高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂。 1细胞的分泌活动 2蛋白质的糖基化及其修饰 内质网和高尔基体中所有与糖基化及寡糖的加工有关的酶都是整合膜蛋白。它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部

20、位均位于内质网或高尔基体的腔面。寡糖链的合成与加工非常像在一条装配流水线上，糖蛋白从细胞器的一个间隔输送到另一个间隔，固定在间隔内壁上的一套排列有序的酶系，依次进行一道道加工，前一个反应的产物又作为下一个反应的底物，确保只有加工过的底物才能进入下一道工序。 细胞中还有一类重要的糖蛋白，即蛋白聚糖(proteoglycan)，也在高尔基体中装配。在植物细胞中，高尔基体合成和分泌多种多糖，多数多糖呈分支状且有很多共价修饰，远比动物细胞的复杂。涉及数百种酶。多数酶都存在于内质网和高尔基体中。 3蛋白酶的水解和其他加工过程 有些多肽，在糙面内质网中高尔基体经特异地水解才成为有生物活性的多肽。 不同的蛋

21、白质在高尔基体中酶解加工的方式各不相同，可归纳为以下几种类型： (1)比较简单的形式是没有生物活性的蛋白原(proprotein)进入高尔基体后，将蛋白原N端或两端的序列切除形成成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白( 白蛋白等)。 (2)有些蛋白质分子在糙面内质网中合成时便是含有多个相同氨基酸序列的前体，然后在高尔基体中水解成同种有活性的多肽，如神经肽等。 (3)某些蛋白分子的前体中含有不同的信号序列，最后加工成不同的产物；有些情况下，同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工而产生不同种的多肽，这样大大增加了细胞信号分子的多样性。不同的多肽采用不同的加工方式，推测其原因是：有些

22、多肽分子太小，在核糖体上难以有效地合成，如仅由5个氨基酸残基组成的神经肽；有些可能缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；更重要的是可以有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用，硫酸化作用也在高尔基体中进行。硫酸化的蛋白质主要是蛋白聚糖。 第四节 溶酶体与过氧化物酶体 溶酶体(1ysosome)是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。 典型的动物细胞中约含有数百个溶酶体，但在不同的细胞内溶酶体的数量 和形态有很大差异，即使在同一种细胞中，溶酶体的大小、形态也有很大区别，这主要是由于每个溶酶体处于其不同生理功能阶段的缘

23、故。溶酶体在维持细胞正常代谢活动及防御等方面起着重要作用，特别是在病理学中具有重要意义，因此越来越引起人们对溶酶体研究的高度重视。一、溶酶体的结构类型溶酶体是一种异质性(heterogenous)细胞器，这是指不同的溶酶体的形态大小，甚至其中所包含的水解酶的种类都可能有很大的不同。根据溶酶体完成其生理功能的不同阶段，大致可分为初级溶酶体(primary lysosome)、次级溶酶体(secondarylysosome)和残余体(residualbody)。 初级溶酶体呈球形，直径约0205mm，内容物均一，不含有明显的颗粒物质，外面由一层脂蛋白膜围绕，厚度为75mm。其中含有多种水解酶类，如

24、蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、酯酶、磷脂酶、磷酸酶和硫酸酶等，其共同的特征是都属酸性水解酶，即酶的最适pH为5左右。 次级溶酶体是初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体，分别称之为自噬溶酶体(autophago1ysosome)和异噬溶酶体 (phago1ysosome)，二者都是进行消化作用的溶酶体。次级溶酶体中可能包含多种生物大分子、颗粒性物质、线粒体等细胞器乃至细菌等，因此其形态不规则，直径可达几个微米； 经过一段时间的消化后，未被消化的物质残存在溶酶体中形成残余小体或称后溶酶体。残余小体可通过类似胞吐的方式将内容物排出细胞。 溶酶体膜在成分上也与其他生物膜不同：嵌

25、有质子泵，借助水解ATP释放出的能量将H+泵人溶酶体内，使溶酶体中的H浓度比细胞质中高100倍以上，以形成和维持酸性的内环境；具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。目前已发现60余种溶酶体的酶类，多数为可溶性的酶，有些整合在溶酶体膜上。少量的溶酶体酶泄露到细胞质基质中，并不会引起细胞损伤，其主要原因是细胞质基质中的pH为 70左右，在这种环境中溶酶体酶的活性大大降低。植物细胞的液泡中含有多种水解酶类，具有与动物细胞溶酶体类似的功能。二、溶酶体的功能 溶酶体的基本功能是对生物大分子的强烈的消化作用，这对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的侵染

26、都有重要的意义。 1 清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞真核细胞溶酶体通过降解的方式来清除暂时不需要的酶或某些代谢产物，清除衰老的细胞器、生物大分子、凋亡的细胞。台萨氏(TaySachs)病就是由于溶酶体中缺少9氨基己糖酯酶A(bNhexosaminidaseA)。细胞膜的神经节苷脂(ganglioside)GM2不能被溶酶体水解而积累在脑细胞中，造成精神呆滞，约26岁即死亡。除台萨氏病外，已发现几十种这类型的疾病，其共同特征是细胞溶酶体内充满了未被降解的物质，因此称为储积症，它是一种隐性的遗传病，已越来越引起人们的重视。 2防御功能 某些有防御功能细胞可以识别并吞噬入侵

27、的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解。巨噬细胞中溶酶体非常丰富 某些病原体如麻风杆菌 (Mycobacteriurtz leprae)、利什曼原虫(Leishmania)等，可在巨噬细胞的吞噬泡中繁殖，其原因主要是通过抑制吞噬泡的酸化从而抑制了溶酶体酶的活性。 3其他重要的生理功能 (1)作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养，如降解内吞的血清脂蛋白，获得胆固醇等营养成分。在肝细胞中，每小时降解的蛋白质占肝细胞蛋白总量的4.5，这一过程主要由溶酶体完成。 (2)在分泌腺细胞中，溶酶体常常含有摄人的分泌颗粒，可能参与分泌过程的调节。在甲状腺中，甲状腺球蛋白(thyroglobin)储

28、存在腺体内腔中，通过吞噬作用进入分泌细胞内并与溶酶体融合，甲状腺球蛋白被水解成甲状腺素，然后分泌到细胞外的毛细血管中。 (3)两栖类发育过程中蝌蚪尾巴的退化，哺乳动物断奶后乳腺的退行性变化等都涉及某些特定细胞编程性死亡及周围活细胞对其的清除，这些过程都与溶酶体有关。(4)在受精过程中的作用，精子的顶体(acrosome)相当于特化的溶酶体，其中含多种水解酶类，它能溶解卵细胞的外被及滤泡细胞，产生孔道，使精子进入卵细胞。三、溶酶体的发生 四、溶酶体与过氧化物酶体过氧化物酶体(peroxisome)又称微体(microbody)，是由单层膜围绕的、内含一种或几种氧化酶类的细胞器(图614)。它普遍

29、地存在于所有动物细胞和很多植物细胞中。由于过氧化物酶体在形态大小及降解生物大分子等功能上与溶酶体类似，再加上也是一种异质性的细胞器，因此人们在很长时间里把它看作是某种溶酶体，直至 20世纪70年代才逐渐确认过氧化物酶体是一种与溶酶体完全不同的细胞器。近些年来，对这一细胞器的成分、功能及其发生过程有了进一步了解。 1过氧化物酶体与溶酶体的区别 这两种细胞器在成分、功能及发生方式等方面都有很大的差异，详见表63所示。 2过氧化物酶体的功能 过氧化物酶体中常含有两种酶：一是依赖于黄素(FAD)的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H202；二是过氧化氢酶，它的作用是将H202分解，形成水和氧气。由这两种酶

30、催化的反应，相互偶联，从而可使细胞免受H202的毒害。对动物细胞中过氧化物酶体的功能了解很少，已知在肝细胞或肾细胞中，它可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。例如饮进的酒精几乎半数是在过氧化物酶体中氧化成乙醛的。 在植物细胞中过氧化物酶体起着重要的作用。一是在绿色植物叶肉细胞中，它催化C02固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应；二是在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存在种子中的脂肪酸产生乙酰辅酶A，并进一步形成琥珀酸，琥珀酸离开过氧化物酶体进一步转变成葡萄糖。因上述转化过程伴随着一系列称为乙醛酸循环的反应，因此又将这种过氧化物酶体称为乙醛酸循环体(glyoxysome)。 在动物细胞中

31、没有乙醛酸循环反应，因此动物细胞不能将脂肪中的脂肪酸直接转化成糖。 3过氧化物酶体的发生 第五节 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的装配哺乳动物细胞中一般可检测出1万-2万种蛋白质，酵母细胞中也含有 5 000种以上的蛋白。绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，然后转运至细胞的特定部位，并装配成结构与功能的复合体，参与细胞的生命活动。这一过程称蛋白质的定向转运(protein targeting)或分选(protein sorting)。蛋白质分选与装配是一个涉及多种信号调控的复杂而重要的细胞生物学问题。一、信号假说与蛋白质分选信号 为什么有些蛋白质在细胞质基质中合成，而有些在糙面内

32、质网上合成?1975年， GBlobel和DSabatini等根据进一步实验依据，提出了信号假说(signal hypothesis)，即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。经过十多年的深入研究，信号假说已得到普遍的承认。因此，GBlobel关于信号序列控制蛋白质在细胞内的转移与定位的研究成果，获得1999年诺贝尔医学和生理学奖。现已确认，指导分泌性蛋白在糙面内质网上合成的决定因素是蛋白质N端的信号肽(signal sequence或 signal peptide)。信号识别颗粒(signal recognition particle，

33、SRP)和内质网膜上的信号识别颗粒的受体(又称停泊蛋白docking protein，DP)等因子协助完成这一过程。信号肽位于蛋白质的N端，一般有1626个氨基酸残基，其中包括疏水核心区、信号肽的C端和N端等三部分。信号肽似乎没有严格的专一性。目前尚未发现共同的信号序列。信号识别蛋白由6种多肽和一个7S的RNA组成的复合物，相对分子质量约325X103；它既可与新生肽信号序列和核糖体结合，又可与停泊蛋白结合。停泊蛋白相对分子质量为72X103，存在于内质网上，可特异地与信号识别蛋白结合。 蛋白质首先在细胞质基质游离核糖体上起始合成，当多肽链延伸至80个氨基酸左右后，N端的信号序列与信号识别颗粒

34、结合，使肽链延伸暂时停止，并防止新生肽N端损伤和成熟前折叠，直至信号识别颗粒与内质网膜上的停泊蛋白 (SRP受体)结合，核糖体与内质网膜的易位子(translocon)结合。此后，信号识别颗粒脱离了信号序列和核糖体，返回细胞质基质中重复使用，肽链又开始延伸。以环化构象存在的信号肽与易位子组分结合使孔道打开，信号肽穿入内质网膜，引导肽链以袢环的形式进入内质网腔中，这是一个需GTP的耗能过程。与此同时，腔面上的信号肽酶切除信号肽。肽链继续延伸直至完成整个多肽链的合成。引导肽链穿过内质网膜的信号肽可以看作为开始转移序列(start transfer sequence)。肽链中还可能有某些序列与内质网

35、膜有很强的亲和力而结合在脂双层之中，这段序列不再转入内质网腔中，称为停止转移序列(stop transfer sequence)。如果一种多肽只有N端信号序列而没有停止转移序列，那么这种多肽合成后一般进入内质网腔中；如果一种多肽的停止转移序列位于分子的中部，那么这种多肽最终会成为跨膜蛋白。含有多个起始转移序列和多个停止转移序列的多肽将成为多次跨膜的膜蛋白。这种肽链边合成边转移至内质网腔中的方式称共转移(cotranslocation) 线粒体、叶绿体中绝大多数蛋白质以及过氧化物酶体中的蛋白质也是在某种信号序列的指导下进入这些细胞器中。有人称之为导肽或前导肽(1eaderpeptide)，其基本

36、的特征是蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，因此称后转移(posttranslocation)。这种转移方式在蛋白质跨膜过程中不仅需要ATP使多肽去折叠，而且还需要一些蛋白质的帮助(如热休克蛋白Hsp70)使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。 继信号肽后，人们又发现一系列蛋白分选信号序列统称信号序列 (signalsequences)。有些还可能形成三维结构的信号称信号区指导蛋白转运至细胞的特定部位二、蛋白质分选的基本途径与类型蛋白质的分选大体可分两条途径：一条是在细胞质基质中完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体(或叶绿体)、过氧化物酶体、细胞核及细胞质基质的特定部

37、位，最近发现有些还可转运至内质网中；另一条途径是蛋白质合成起始后转移至糙面内质网，新生肽边合成边转入糙面内质网腔中，随后经高尔基体运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外，内质网与高尔基体本身的蛋白成分的分选也是通过这一途径完成的 如果从蛋白质分选的类型或机制的角度看，又可分为四种基本类型： 1 蛋白质的跨膜转运(transmembranetransport) 主要是指在细胞质基质中合成的蛋白质,转运到内质网、线粒体、质体(包括叶绿体)和过氧化物酶体等细胞器，但进入内质网与进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的机制又有所不同， 2膜泡运输(vesiculartransport) 指蛋白质通过不同类

38、型的转运小泡,从其糙面内质网合成部位转运至高尔基体,进而分选运至细胞的不同部位，其中涉及各种不同的运输小泡的定向转运，以及膜泡出芽与融合的过程。 3选择性的门控转运(gatedtransport) 是指在细胞质基质中合成的蛋白质,通过核孔复合体选择性地完成核输入或从细胞核返回细胞质。有人认为通过植物胞间连丝的蛋白也属这一类型。 4细胞质基质中的蛋白质的转运 由于细胞质基质的结构尚不清楚，因此对其中的蛋白质转运方式了解很少。三、膜泡运输 膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和装配，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。完成细胞内的膜泡运输至少需要10种以上的运输小泡，每种小泡表面都有特殊的标志，以保证将转运的物质运至特定的细胞部位。目前发现三种不同类型的有被小泡具有不同的物质运输作用。 1网格蛋白有被小泡A 负