细胞内膜系统与囊泡转运

细胞内膜系统与囊泡转运

endomembrane

systemandvesicletransport医学细胞生物与遗传学教研室

细胞内膜系统包括在结构、功能和发生上密切相关的膜性结构细胞器如：核膜、内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体以及各种转运小泡等。内膜系统在细胞内的分布第1节内质网

（endoplasmicreticulum，ER）

一、内质网的形态结构

扁囊状(cisternal)泡状(vesicular)管状(tubular)化学组成中：葡萄糖-6-磷酸酶为标志酶。

二、内质网的类型粗面内质网（roughendoplasmicreticulum

,RER）

滑面内质网（smoothendoplasmicreticulum,SER）三、内质网的功能

（一）粗面内质网

通常为扁囊状ERRER的发达程度可作为判断细胞分化、功能状态的形态指标。RER与蛋白质合成、加工修饰、分选及转运有关。游离核糖体(freeribosome)合成：

结合蛋白，某些特殊蛋白附着核糖体(boundribosome)合成：

跨膜蛋白、水溶性蛋白、驻留蛋白、分泌蛋白、需要修饰的蛋白等1.信号假说信号假说（signalhypothesis）信号肽（signalpeptide)信号识别颗粒（signalrecognitionparticle,SRP)信号识别颗粒受体（SRP-R）转运体（translocon）信号肽识别颗粒结构示意图信号假说的内容信号假说的内容（1）信号肽在游离核糖体上合成。（2）SRP-核糖体复合体形成

[信号肽-SRP-核糖体A位]（肽链合成暂时停止）（3）SRP识别、结合内质网膜上的SRP-R，SRP-核糖体复合体锚泊停靠[信号肽-SRP-核糖体A位]—[SRP受体-转运体]（SRP释放）（4）肽链合成重新开始，转运体开放，肽链穿膜入腔转运。（继续合成肽链）转运体（translocon）也称作易位子或易位蛋白质，是RER膜上的多蛋白复合体，可形成外径8.5nm左右，中央孔直径平均为2nm的亲水性通道。ER上的转运体是一种动态结构，并以两种可转化的构象形式存在。即当它和信号肽结合时，处于开放的活性状态；在蛋白质多肽链被完全转移之后，则转变为无活性的关闭状态。转运体与新生肽链的穿膜转移

信号假说在1971年由G.Blobel提出，1999年获诺贝尔生理-医学奖2.蛋白质折叠与装配蛋白质功能的实现直接依赖于多肽链依其特定的方式盘旋、折叠所形成的高级三维立体结构。驻留蛋白(retentionprotein)分子伴侣(molecularchaperones)如：免疫球蛋白重链连接蛋白、内质蛋白、钙网蛋白、钙连蛋白、蛋白质二硫键异构酶等3.蛋白质修饰(modification)（1）N-连接糖基化：N-连接糖基化：寡糖与内质网腔面的多萜醇分子连接并被活化，连接在新生肽链的天冬酰胺残基侧链的氨基（-NH2）基团上。（2）羟基化（3）酰基化（4）二硫键形成4.RER与蛋白质运输（1）经修饰加工的外输性蛋白，由内质网膜包裹，以出芽的方式形成膜性小泡而转运。转运小泡→高尔基复合体→分泌颗粒→细胞外分泌蛋白以膜泡形式直接进入一种大浓缩泡→酶原颗粒→排出细胞（2）穿膜驻留蛋白插入转移的可能机制单次穿膜蛋白插入转移机制

新生肽共翻译插入内信号肽介导

新生肽共翻译插入新生穿膜驻留蛋白多肽链上既有位于N-端的起始转移信号肽，还有存在于多肽链中的停止转移序列。停止转移序列是由特定氨基酸组成的一段疏水性序列区段，与内质网膜有极高的亲和性，可与内质网膜脂双层结合。在由信号肽引导的肽链转移过程中，当停止转移序列进入转运体并与其相互作用时，转运体即由活性状态转换为钝化状态而终止肽链的转移；N-端起始转移信号肽从转运体上解除释放；停止转移肽段形成单次穿膜a-螺旋结构区，使得蛋白肽链的C-端滞留于细胞质一侧。内信号肽介导内开始转移肽（internalstart-transferpeptide）插入转移机制：内信号肽位于多肽链中，当其到达转运体时，即被保留在脂质双分子层中，成为单次跨膜的α螺旋结构。多次穿膜蛋白质的转移插入多次穿膜蛋白质的转移插入过程比单次穿膜蛋白要复杂得多，但是其基本机制是大致相同的。在多次穿膜蛋白肽链上，常常有两个或者两个以上的疏水性开始转移肽结构序列和停止转移肽结构序列。一般认为，多次穿膜蛋白是以内信号肽作为其开始转移信号。（3）RER是蛋白质分选的起始部位若待合成的蛋白质其N端无信号肽，将继续在游离核糖体上合成，合成的蛋白包括：非定位性分布的细胞质溶质驻留蛋白；定位性分布的胞质溶胶蛋白（中心粒和中心粒周围物质）；细胞核中的核蛋白（组蛋白、非组蛋白）；线粒体半自主性细胞器所必需的核基因组编码蛋白。

若待合成蛋白N端有信号肽，则进入ER进行修饰，使不同的蛋白带上不同的标记，通过转运小泡到达目的地。膜整合蛋白：插入到内质网膜，随着功能结构的转换进入内膜系统各个区域以及细胞膜中（膜抗原、膜受体等）；可溶性驻留蛋白：最终定位于RER、SER、高尔基复合体、溶酶体等细胞器中；分泌蛋白：通过出胞吐作用转运到细胞外（抗体、激素、消化酶等）。一些常见的信号序列1.内质网信号序列

2.驻留信号3.核输入信号（核定位信号）4.核输出信号

5.过氧化物酶体引导信号

6.转运肽核输入信号（nuclearlocalizationsignal）又称为核定位信号（nuclearlocalizationsignal,NLS）：凡是细胞质中合成的转运入核的蛋白质，其肽链中均含有7个氨基酸（Pro-Lys-Lys-Lys-Lys-Arg-Val）组成的特异性信号序列，负责分拣并指导蛋白质从细胞质通过核孔复合体输入到细胞核。

4.核输出信号（nuclearexportsignal）

是细胞核内形成的大分子复合物(如核糖核蛋白)上的氨基酸信号序列，其主要特征是序列中有多个疏水性氨基酸的相间排列出现。核输出信号可被核孔复合体上的输出受体所识别，进而引导核内大分子复合物从细胞核经由核孔复合体输送到细胞质中。

（4）信号序列的差异决定了蛋白质在细胞内 运输的不同途径门控运输（gatedtransport）：由特定的分拣信号介导，并通过核孔复合体的选择性作用，在细胞溶质与细胞核之间所进行的蛋白质运输。

穿膜转运（transmembranetransport）：通过结合在膜上的蛋白质转运体进行的蛋白质运输(如内质网和线粒体）,信号肽-受体介导。

囊泡运输（vesiculartransport）：是由不同膜性运输小泡承载的一种蛋白质运输形式（如细胞分泌活动）。（二）滑面内质网多为管状ER

是一个多功能细胞器SER的功能１.合成脂类的主要场所:胆固醇、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、药物、内源性毒物肝细胞SER膜氧化酶系４.是肌细胞Ca2+的储存场所：肌质网（钙库）。５.与胃酸、胆汁的合成与分泌密切相关胃底壁腺上皮细胞:Cl-(血浆)→Cl-(膜)﹢碳酸解离的H+(胞质)→HCl出胞在肝细胞中，SER不仅能够合成胆盐，而且，可通过所含葡萄糖醛酸转移酶的作用，使非水溶性的胆红素颗粒形成水溶性的结合胆红素。微粒体（microsome）人工产物，研究内质网的极好材料通过差速离心分离微粒体第2节高尔基复合体

(GolgiComplex,GC)一、GC的形态结构一层单位膜的细胞器位置固定，通常在核周围电镜下GC是由三种不同类型的膜性囊泡组成的细胞器：

1、扁平囊泡(saccules)3～10个平行排列，富有特征性的高尔基垛

(Golgistack)

凸面（形成面，顺面）

膜厚度约6nm凹面（成熟面，反面）

膜厚度约8nm2、小泡(Golgivesicle)直径40~80nm，膜厚6nm于形成面与RER之间，小泡（转运小泡）由RER芽生而来。

3、液泡（Golgivacuole)直径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，脱落而成，又称分泌泡（浓缩泡）。

GC是一个极性细胞器GC在形态结构呈现极性化学组成和功能上显示出一定的极性扁平囊泡：顺面高尔基网：嗜锇反应，功能是：分选来自内质网的蛋白质和脂类；O连接糖基化中间膜囊：NADP酶反应，糖基化修饰和多糖及糖脂的合成反面高尔基网：蛋白质分选，蛋白质修饰等二、GC的化学组成GC蛋白种类和膜脂成分介于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GC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、甘露糖苷酶等。标志酶：糖基转移酶。三、GC的功能1.细胞内蛋白质运输分泌的中转站

2.GC是胞内物质加工合成的重要场所（1）糖蛋白的加工合成Ｎ－连接糖基化：始于ER，完成于GCO－连接糖基化：在GC中进行O—连接的糖基化

主要在GC中进行寡糖与蛋白质多肽链中的丝氨酸,苏氨酸和酪氨酸残基侧链上--OH连接。

O—连接寡糖:半乳糖、N-乙酰半乳糖胺（2）GC与蛋白质的水解加工

如GC与胰岛素的活化：胰岛素原为86个aa，在GC中切除掉C肽，才成为有活性的胰岛素。胰高血糖素、血清白蛋白的成熟也都是在GC中完成的。

胰岛素的活化无活性的胰岛素86个aa（A、B、C肽）。在GC内，去除中央肽段（C肽），剩余51个aa（A、B肽）以二硫键相连。成为有活性的胰岛素。第3节溶酶体（lysosome)1949年ChristiandeDuve等在对大鼠肝组织匀浆细胞组分进行差速分离分析研究时获得。1955年又在鼠肝细胞的电镜观察中发现，因其含多种水解酶而得名。电镜观察显示：溶酶体系由一层单位膜构成的球囊状结构，膜厚约６nm。普遍存在于各类组织细胞之中。一、溶酶体的主要形态结构及化学特征

１.高度的异质性大小差别很大：最小者直径仅50nm；一般直径200～800nm；最大直径可达数微米。不同细胞中所含溶酶体数量不同。不同溶酶体中，所含水解酶的种类不同。溶酶体电镜图Detectionofacidphosphatasein

lysosomes

SmallspheresmaybevesiclesdeliveringtheenzymefromtheGolgiApparatus一般而言，在溶酶体中可含有60多种能够分解机体中几乎所有生物活性物质的酸性水解酶，这些酶作用的最适pH通常为3.5～5.5。在每一个溶酶体中所含有的酶的种类是有限的，而且不同溶酶体中所含有的水解酶亦并非完全相同，这使得它们表现出不同的生化或生理性质。总而言之，溶酶体在其形态大小、数量分布、生理生化性质等各方面部表现出了高度的异质性(heterogenous)。

2.含有丰富的酸性水解酶是溶酶体特征溶酶体的共性特征：所有的溶酶体都是由一层单位膜包裹而成的囊球状结构小体；均含有丰富的酸性水解酶，酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶；溶酶体膜中富含两种高度糖基化的穿膜整合蛋白IgpA和IgpB；分布溶在酶体膜腔面，可防止溶酶体酶对其自身膜结构的消化分解；溶酶体膜上嵌有质子泵，可依赖水解ATP释放出的能量将H+逆浓度梯度地泵入溶酶体中，以形成和维持溶酶体囊腔中酸性的内环境。3.溶酶体膜糖蛋白家族具有高度的同源性在多种脊椎动物中鉴定出一个溶酶体膜糖蛋白家族—溶酶体结合膜蛋白(lysosomal-associatedmembraneprotein，LAMP)，亦称为溶酶体整合膜蛋白(lysosomalintegralmembraneprotein,LIMP)。该类蛋白质的肽链组成结构：一个较短的N-端信号肽序列；一个高度糖基化的腔内区；一个单次穿膜区；一个由10个左右的氨基酸残基组成的C-端胞质尾区。蛋白质克隆实验表明，在不同物种的同类蛋白质及同一物种的不同蛋白质之间，特别是在其功能结构区，存在着高度的氨基酸序列组成同源性。

二、溶酶体的类型１.初级溶酶体（primarylysosome)２.次级溶酶体（secondarylysosome)含酸性水解酶、作用底物、消化后的产物３.三级溶酶体（tertiarylysosome）含未被溶酶体消化和分解的物质，并形成残余体（residualbody)

残余体按照溶酶体形成过程不同可分为两大类型（1）

内体性溶酶体：是由高尔基复合体芽生的运输小泡并入经由细胞胞吞（饮）作用形成的晚期内体合并而成。（2）

吞噬性溶酶体：是由内体性溶酶体与自噬体或异噬体相互融合而成。三、

溶酶体的发生1.溶酶体蛋白由RER转运至GC顺侧，甘露糖被磷酸化为M6P（识别信号）。2.GC反侧的M6P受体引导溶酶体酶聚集。3.含有溶酶体的小泡与胞内体结合形成内体性溶酶体。4.在低pH条件下，M6P受体与酶分离，经出芽返回GC反侧再循环。5.甘露糖脱去磷酸根，内体性溶酶体成为初级溶酶体。

膜流（membraneflow）：细胞内存在各种复杂的膜泡运输过程，使膜性结构发生移位、融合或重组，细胞的各种膜性结构相互联系和转移的现象称为膜流。四、溶酶体的功能1.能够分解胞内的外来物质及清除衰老、残损细胞器2.具有物质消化与细胞营养功能3.机体防御保护功能的组成部分4.参与某些腺体组织分泌过程的调节（甲状腺素的分泌）5.溶酶体在生物个体发生与发育过程中起重要作用。

细胞死亡是一个异常繁忙的场面。机体是如何处置体内死亡的细胞的?一个巨噬细胞（绿色）正伸出“手”捕捉一个死亡细胞（橙色）巨噬细胞（绿色）已经将几个死亡的细胞（橙色）吞到肚子里了1.胞内残损结构清除更新功能2.基于物质消化分解作用的细胞营养功能溶酶体作为细胞内消化的细胞器，在细胞饥饿状态下，可通过分解细胞内一些对于细胞生存并非必需的生物大分子物质，为细胞的生命活动提供营养和能量，维持细胞的基本生存，事实上，在原生动物，其从外界摄入的各种营养物质，就是完全依赖溶酶体的分解消化作用才被细胞有机体吸收利用。

4.基于物质消化分解作用的腺体组织细胞分泌调控功能溶酶体常常在某些腺体组织细胞的分泌活动过程中发挥着重要的作用。例如，储存于甲状腺腺体内腔中的甲状腺球蛋白，首先要通过吞噬作用进入分泌细胞内，在溶酶体中水解成甲状腺素，然后才被分泌到细胞外。第4节过氧化物酶体过氧化物酶体(peroxisome)，是在1954年由Rhodin首次发现于鼠肾小管上皮细胞中的亚显微结构。因为过氧化物酶体在形态、结构和物质降解功能上与溶酶体类似以及其本身的异质性，以致在相当长的一段时间内不能够把它们与溶酶体区分开来。直至20世纪70年代，人们才逐渐确认过氧化物酶体是完全不同于溶酶体的另一种细胞器。

一、过氧化物酶体的基本形态结构特征

一层单位膜包裹而成的膜性结构小体多呈圆形或卵圆形，直径变化于200～1700nm之间具有电子致密度较高、排列规则的晶格结构—类核体（nucleoid）界膜内表面可见一条高电子致密度的条带状结构：边缘板（marginalplate）二、过氧化物酶体的化学特征内含40多种酶，可划分为三种类型：氧化酶类过氧化氢酶类过氧化物酶类三、过氧化物酶体的主要生理功能

１.消除细胞代谢过程中产生的过氧化氢及其他毒性物质。例如，饮酒进入人体的乙醇，主要就是通过此种方式被氧化解毒。

２.细胞氧张力的调节过氧化物酶体的重要功能还体现在对细胞氧张力的调节上。尽管过氧化物酶体只占到细胞内氧耗量的20%，但其氧化能力却会随氧浓度的增高而增强。因此，即便细胞出现高浓度氧状态时，也会通过过氧化物酶体的强氧化作用而得以有效调节，以避免细胞遭受高浓度氧的损害。３.参与细胞内脂肪酸等高能分子物质的分解转化过氧化物酶体的另一功能是分解脂肪酸等高能分子，或使其转化为乙酰辅酶A，并被转运到细胞质基质，以备在生物合成反应中的再利用；或者向细胞直接提供热能。特征溶酶体过氧化物酶体形态无类核体常有类核体酶种类酸性水解酶氧化酶、过氧化氢酶类PH5左右7左右是否需氧不需要需要功能细胞内消化多种功能发生在内质网中合成经GC出芽形成酶在细胞基质中合成，经分裂装配形成标志酶酸性磷酸酶过氧化氢酶过氧化物酶体与溶酶体的比较第5节囊泡与囊泡转运囊泡（vesicle）：是真核细胞中十分常见的膜泡结构，囊泡的形成伴随着细胞内物质的定向运输过程。2013.10.7诺贝尔生理学或医学奖揭示了细胞如何组织其转运系统——“囊泡转运”的奥秘。一、囊泡在胞内蛋白运输中的作用囊泡运输（vesiculartransport）：是真核细胞特有的一种细胞物质内外转运的形式。由不同的膜性运输小泡承载的一种蛋白质运输形式，膜性细胞器之间的蛋白质分子转移、细胞分泌活动及细胞膜的大分子和颗粒物质转运，都是以这种方式来实现。二、囊泡的类型与来源（一）网格蛋白有被小泡

产生于GC或者由细胞膜受体介导的细胞内吞作用而形成。穿梭于高尔基体和细胞质膜之间。（二）COPII（coatproteinII）有被小泡：COPII有被小泡产生于ER，介导内质网到高尔基体的物质转运。（三）COPI（coatproteinI）有被小泡：COPI有被小泡产生于GC，主要介导蛋白质从高尔基体运回内质网。三种囊泡的形成与功能1.网格蛋白有被小泡网格蛋白有被小泡网格蛋白的结构2.COPⅡ有被小泡介导从内质网到GC的物质运输外被蛋白由5种蛋白质亚基构成COPⅡ有被小泡的结构组成COPⅡ有被小泡COPⅡ包被蛋白由5种蛋白亚基组成，其形成过程涉及许多蛋白质的参与。COPⅡ有被小泡对转运物质具有一定的选择性（1）只能转运高尔基体的某些可溶性蛋白，而不与内质网驻留蛋白结合。（2）COPⅡ蛋白能识别内质网合成的蛋白分选信号：Asp-X-Glu并与之结合，选择性将其运出内质网。（3）COPII囊泡在抵达其靶标后、与靶膜融合之前，结合的GTP水解，产生Sar-GDP复合物，促使囊泡包被蛋白发生去装配，导致囊泡脱去衣被成为无被转运小泡。3.COPⅠ有被小泡

来源：由GC产生，属于非网格蛋白有被囊泡由多个亚基组成的多聚体（α、β、γ、δ、ε、ζ等几种蛋白亚基成分）。α蛋白：也称为ARF蛋白，类似于COPII中的Sar蛋白亚基,为GTP结合蛋白，可调节外被蛋白复合物的聚合、装配及膜泡的转运功能：①捕捉、回收转运ER的逃逸蛋白②在扁平膜囊中逆向转运GC膜内蛋白③行使从ER到GC的顺向转移COPⅠ有被小泡

形成的过程ARF蛋白与GDP解离与GTP结合GC上的ARF受体促进COPⅠ蛋白亚基聚合

诱导转运囊泡芽生COPⅠ有被小泡离开GC后，衣被蛋白解离，囊泡与ER膜融合。三、囊泡转运的特点囊泡转运具有高度靶向性和高度特异性。