细胞的内膜系统课件

E-mail:Tel:3831928(O)2010.03第3章细胞内膜系统（EndomembraneSystem）

内膜系统(endomembranesystem)

：指位于细胞质内，在结构，功能乃至发生上有一定联系的膜性结构的总称。

内膜系统使胞内形成一些相互分隔的膜性区室，区室内的特殊环境将独特的酶系统局限在胞内的特定区域，使胞内特定的生化反应过程在特定的区域内进行，减少互相干扰，提高代谢效率，内膜系统的这种分隔作用称为细胞内的区域化(compartmentation)。

Membrane-boundcompartmentsofthecytoplasm2内膜系统内质网(endoplasmicreticulum)高尔基复合体(Golgicomplex)溶酶体(lysosomes)过氧化氢体(peroxisomes)(核膜、小泡)intracellularcompartments:endosomesNuclear-ERGolgiERlysosome细胞内的房室化

TheEndomembraneSystemisComplex.35核膜外层一、内质网的形态结构内质网

ER是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管，小泡，扁囊状结构，相互连接形成一个连续的网状膜系统。小管小泡扁囊状细胞膜核膜内质网细胞膜内质网的内腔相互连通。6二、内质网膜的化学组成

微粒体(microsome)：为用蔗糖密度梯度离心方法,从细胞匀浆中分离出的内质网碎片。含有脂类(糖脂、胆固醇)、RNA、蛋白质及丰富的酶等。胞质面与腔面的酶的分布不同。

标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶7三、内质网的类型(TypesofER

)核糖体粗面内质网滑面内质网TherearetwobasickindsofER:Rough/granularendoplasmicreticulum

(RER，粗面/颗粒内质网)-hasribosomesattached.Smooth/agranularendoplasmicreticulum

(SER，滑/光面/无颗粒内质网)-noribosomes.910ThesmoothER(SER)roughendoplasmicreticulum(RER)

RER:

膜表面附着核糖体，膜上有核糖体连接蛋白；形态多为板层状排列的扁囊；网腔内含低电子或中等电子密度的物质；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。(Russell’sbody)11四、内质网的功能(FunctionofER)内质网功能：使细胞质区域化，为物质代谢提供特定的内环境；扩大膜的表面积，有利于酶的分布提高代谢效率；为蛋白质，脂类和糖类的重要合成基地；参与物质运输，物质交换和解毒作用；对细胞起机械支持作用。

RER：蛋白质的合成、折叠与转运，蛋白质的糖基化，膜脂的合成。

SER：脂类和类固醇激素的合成与代谢、糖原的代谢、储存和调节钙离子浓度以及细胞的解毒作用等。131.粗面内质网与蛋白质的合成1975年Bloble提出信号假说(signalhypothesis

)信号肽的合成

信号识别颗粒(SRP)-核糖体复合体形成核糖体与内质网膜结合多肽链进入内质网腔主要过程(一)粗面内质网的功能14G.Blobel、B.Dobberstein、P.Walter和他们的同事在研究中发现信号序列具有一些共同的特性:长度一般为15～35个氨基酸残基,N-末端含有1个或多个带正电荷的氨基酸,其后是6～12个连续的疏水残基;在蛋白质合成中将核糖体引导到内质网,进入内质网后通常被切除(图3-17)。■信号序列的一般特征●信号序列的一般特征ER跨膜可切除信号的一般结构蛋白质分选的信号假说认为新合成的蛋白质分子内包含有某种分选信号(sortingsignal),分选信号具有决定蛋白质在细胞内的去向或定位的作用。后来先后证明了分选信号、信号识别颗粒(signalrecognitionparticle，SRP)及其受体及细胞膜上的蛋白质传导通道(protein-conductingchannel,PCC)的存在，使信号假说成为一个系统的理论。17BringsproteintoERBindssignalsequenceonproteinBindsSRPreceptoronERRNA-proteincomplex信号假说(signalhypothesis

)18Signalrecognitionparticle(SRP)19内质网腔细胞质SRP受体信号识别颗粒

(SRP)核糖体结合蛋白tRNAAP核糖体mRNA信号肽AEndomembraneandsecretedproteins21ER膜上有一种称为易位子(translocon)的蛋白复合体，直径8.5nm，中心有一个直径2nm的通道，其功能与新生成的多肽进入ER有关。(哺动细胞的translocon的主要成分是与蛋白分泌相关的一种多肽Sec61P等组成的复合物)。22RER合成的外输性蛋白质包括1.分泌性蛋白质，如基质蛋白、酶、抗体、肽类激素和细胞因子等。2.膜整合蛋白，如膜受体、膜抗原等。3.定位于高尔基复合体、光面内质网(SER)和溶酶体的蛋白质。4.驻留在糙面内质网(RER)的蛋白质。2325Integralmembraneproteins262.粗面内质网与蛋白质的折叠RER腔中丰富的氧化性谷胱甘肽(GSSG)、蛋白二硫异构酶(proteindisulfideisomerase，PDI)和分子伴侣(molecularchaperone)系统，为蛋白质多肽链的折叠提供了极为有利的环境。蛋白质的折叠二硫键的形成：内质网腔的氧化还原电位趋向于氧化状态(GSH∶GSSG为1-3∶1)；PDI催化任何两个半胱氨酸残基间形成二硫键。多肽链的折叠：分子伴侣是一类在细胞内帮助其它蛋白质多肽链进行正确折叠、组装、转运及降解的蛋白质分子，其中大部分属于热激蛋白(heatshockprotein，hsp)家族。钙联蛋白（calnexin）具有分子伴侣的功能。29

新生肽的折叠组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成；正确折叠涉及驻留蛋白：其C端末尾具有驻留信号肽，其氨基酸序列通常为KDELorHDEL信号(赖/组天谷亮)的蛋白，KDEL能够与内质网膜上的KDEL受体结合。蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase，PDI)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。

免疫球蛋白重链结合蛋白(Bindingprotein，Bip，molecularchaperone):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。303.粗面内质网与蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化(glycosylation)：是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程。糖与蛋白质的连接方式N-结合型的寡糖蛋白：发生在内质网腔内（蛋白质的天冬酰胺的氨基基团，先与RER膜上的多萜分子连接而被活化）。O-结合型的寡糖蛋白：发生在高尔基体内。31ThestepsinthesynthesisofthecoreportionofanN-linkedoligosaccharideintheroughER32Proteinglycosylation焦磷酸链多萜醇糖基转移酶N-乙酰氨基葡萄糖甘露糖以出芽方式将合成的分泌性蛋白质包裹成膜性转运小泡，以囊泡形式转运至高尔基复合体，避免RER合成的蛋白质与细胞基质混合。4.粗面内质网与蛋白质的运输包被囊泡根据包被蛋白的不同分为3种，即网格蛋白包被囊泡、包被蛋白Ⅰ（COPⅠ）和包被蛋白Ⅱ（COPⅡ）。

COPⅡ负责包裹内质网折叠好的蛋白质运至高尔基复合体。COPⅠ囊泡介导蛋白质在高尔基复合体的前向和反向运输，以及蛋白质从高尔基复合体→内质网。酰基转移酶磷脂酸RER胞质侧磷酸酶二酰基甘油(DG)胆碱磷酸转移酶卵磷脂RER腔面先由酰基转移酶将胞质中的脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷脂酸(留在脂双层中)。在磷酸酶作用下，由磷脂酸和磷酸甘油组成DG;最后,再在胆碱磷酸转移酶催化下由DG和CDP-胆碱合成卵磷脂。翻转酶(flipase)。355.粗面内质网与膜脂的合成SER的功能1.脂类的合成2.糖原的合成与分解3.解毒作用4.储存和调节Ca2+浓度5.水和电解质代谢(盐酸)、胆汁及血小板的生成（二）滑面内质网的功能(FunctionofSER

)361.脂类的合成在合成胆固醇类物质的肾上腺皮质细胞和卵巢黄体细胞中，SER很发达，SER中存在与胆固醇合成、激素转化及其他脂类合成的酶系。认为SER是脂类合成与运输的主要场所。某些细胞中RER也可以合成脂类。

在质膜和Gc膜上，存在一种依赖ATP的转位酶，称为氨基磷脂转位酶，转运PS、PE和PI。磷脂转移蛋白(phospholipidtransferprotein)能从ER中“提取”单个磷脂分子，并将磷脂分子埋藏在其分子内，在ER膜与线粒体和微体间转移磷脂。372.药物代谢与解毒

内质网上存在与解毒作用有关的酶和酶系，其中光面内质网上集中了多种重要的氧化酶系，如细胞色素P450、NADPH-细胞色素C还原酶等。

许多对机体有害的物质，如药物和毒物等经氧化酶系的作用可以被解毒和转化。

如给动物服用大量苯巴比妥可引起光面内质网的增生，同时与解毒有关的酶的含量明显增加。停止给药后在短时间内光面内质网的数量就很快减少到正常水平。383.糖原的合成与分解

实验证明，糖原的分布与SER紧密联系。细胞中糖原位于接近SER的部位，且SER常为丰富的糖原所遮盖。动物绝食数日造成糖原减少后，SER的小管与小囊集中围绕残余的糖原。再喂食则使SER显著增加。说明SER与糖原合成有关。糖原分解与ER有关。肝细胞内SER朝向胞质膜面附着的糖原颗粒，可被磷酸化酶降解，形成1-P-G，再在细胞质基质中转化为6-P-G。39糖原磷酸化酶磷酸葡萄糖变位酶葡萄糖-6磷酸酶透性酶4.储存和调节Ca2+浓度

肌质网(特化SER)具有储存和调节Ca2+浓度的功能。腔中PDI（蛋白二硫键异构酶）有结合Ca2+作用。其中的Ca2+结合蛋白（calreticulin）高亲和力结合Ca2+。ER通过其膜上的Ca2+通道和Ca2+泵调节细胞内的Ca2+浓度，从而调控肌肉的收缩和舒张。sarcoplasmicreticulum40五、内质网的病理性变化1.ER是一个比较敏感的细胞器。

2.内质网肿胀：ER膨大成空泡状，电子密度底于正常，伴有线粒体肿胀，病理学上称为浊肿(cloudyswelling)。缺氧、辐射等。

3.内质网脱粒：药物中毒、病毒感染等。

4.内质网内包涵体：某些疾病中可看到脂类、蛋白质在ER腔中积累。如脂肪肝细胞中有大量脂质体存在；肝硬化患者的肝细胞可见到ER腔中聚集大量的α1-AT（α1-抗胰蛋白酶）。41421898意大利--高尔基(CamilloGolgi)--光镜--枭、猫--神经细胞第三节高尔基复合体一、高尔基复合体的形态结构光镜：网状结构电镜扁平膜囊/中间高尔基网(包括顺面、中间和反面扁囊)/高尔基堆成熟面(matureface)小囊泡/顺面高尔基网/形成面/未成熟面/凸面大囊泡/反面高尔基网/分泌面/凹面形成面(formingface)第三节高尔基复合体43大囊泡

φ100-500nm;膜厚：8nm;泡内含物质：高电子密度物质，浓缩泡。来源：扁平囊周边或局部球状膨突脱落形成。凹面/成熟（反）面GolgiApparatus高尔基体是由一层单位膜包围形成的囊泡系统。由扁平囊(saccule)、小泡(vesical)和大泡(vacuole)三种基本形态组成的。transGolginetwork,TGN44扁平囊呈盘状，3-10层称高尔基堆扁平囊间距：15-30nm；囊腔宽：6-15nm凸面：形成(顺)面；凹面(concave)：成熟(反)面形成面膜厚：6nm;成熟面膜厚：8nm囊腔内含：中等电子密度的物质来源：小囊泡融合。

medialGolginetworkForming/cisfaceMature/transface45凸面：形成(顺)面；小囊泡φ40-80nm球形小泡膜厚：6nm;泡内含物质：低电子密度物质，较透明。来源：由rER“芽生”而来。cisGolginetwork,CGN46二、高尔基复合体(Gc)的化学组成

从ER到Gc到质膜，蛋白质种类逐渐减少。Gc所含磷脂酰胆碱也介于ER与质膜之间。说明Gc是处于ER和细胞膜之间的一种过渡性细胞器。

Gc各部分呈不同的细胞化学反应，顺面扁平囊呈嗜锇反应，反面扁平囊呈焦磷酸硫胺素酶反应，反面管网呈胞嘧啶单核苷酸(CMP)酶反应。以上3种反应和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADP)酶反应均为Gc的特征反应，上述3种酶则为高尔基体的标志酶,定位于Gc的特殊区室中，可作为鉴别高尔基体极性的标准。主要酶包括:糖基转移、磺基-糖基转移酶(糖脂合成)、酰基转移酶(磷脂合成)、糖苷酶和其它酶类。47高尔基复合体各层膜囊标志酶电镜图a）Cis面嗜锇反应阳性；b)中间膜囊NADP酶阳性；c)trans面TPP酶阳性4849三、高尔基复合体的区域化

Gc的扁平囊堆具有三个生化区室，分别为顺面扁囊、中扁囊和反面扁囊，分别依次包含对蛋白质进行逐步加工的特异性酶。

如顺面囊中有磷酸转移酶；中扁囊有N-乙酰葡萄糖胺转移酶I；反面扁囊含有对糖蛋白的糖链末端进一步修饰的半乳糖转移酶等。(比喻成一个工厂，而不同的生化区室就如工厂中的不同车间或工段，修饰加工和选择包装。通过出芽(budding)方式在囊间转移并融合。在此过程中扁平囊本身保持相对稳定。四、高尔基复合体功能（一）高尔基复合体与细胞的分泌活动3H标记亮氨酸3分钟20分钟120分钟高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。50ThedynamicsoftransportthroughtheGolgicomplex51（二）高尔基复合体对蛋白质的修饰加工1.参与糖蛋白的合成和修饰N-连接寡糖链：在rER腔内合成。O-连接寡糖链：在高尔基体内合成。糖蛋白3H标记甘露糖3H标记半乳糖；唾液糖3H标记N-乙酰葡萄糖胺2.参与蛋白质的改造无活性前体物(某些肽类激素)加工改造有活性的物质(激素)高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有严格的顺序性。52N-linkedGlycosylationCanbefurtherdividedintotwostages:InitialglycosylationeventSubsequentmodificationofthecarbohydratesidechain53ProteinGlycosylationDefinedastheadditionofcarbohydrategroupstospecificaminoacidresiduesinaproteinTherearetwokindsofglycosylation:N-linked-additionofcarbohydratestoasparagineresiduesO-linked-additionofcarbohydratestoserineorthreonineresidues54特征N-连接O-连接1.合成部位粗面内质网粗面内质网或高尔基体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最终长度至少5个糖残基一般1～4个糖残基，但ABO血型抗原较长5.第一个糖残基N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺等N-连接与O-连接的寡糖比较55蛋白质糖基化的特点及其生物学意义

糖蛋白寡糖链合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。糖基化是在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性；多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。蛋白聚糖在高尔基体中组装。与丝氨酸残基相连的是木糖，而不是N-乙酰半乳糖胺。

植物细胞中高尔基体合成和分泌多糖。

56（三）高尔基复合体对蛋白质的分拣运输蛋白质合成溶酶体寡聚糖磷酸化切除甘露糖加N-乙酰葡萄糖胺加半乳糖加唾液酸；分拣溶酶体顺面管网中层囊反面囊反面管网大泡（分泌颗粒）rER高尔基复合体顺面囊切除甘露糖高尔基堆

RER合成的蛋白质在Gc加工中，被加上不同的分选信号(磷酸、半乳糖、唾液酸等)，被反面Gc膜上的专一受体识别、浓缩、分选后，形成不同运输小泡运到细胞不同部位。57（三）高尔基复合体对蛋白质的分拣运输蛋白质合成溶酶体寡聚糖磷酸化切除甘露糖加N-乙酰葡萄糖胺加半乳糖加唾液酸；分拣溶酶体顺面管网中层囊反面囊反面管网大泡（分泌颗粒）rER高尔基复合体顺面囊切除甘露糖高尔基堆58ProteinSorting蛋白质的分选（Sorting）及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身。流感病毒囊膜蛋白特异性地转运→上皮细胞游离端的质膜。泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运→上皮细胞基底面的质膜。水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号Asp-X-Glu或DXE）起重要的作用59（四）高尔基复合体与溶酶体的形成溶酶体的酶是由rER上的核糖体合成rER腔内运输小泡

高尔基复合体（加工修饰）溶酶体的酶内含有甘露糖-6-磷酸，高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并“出芽”离开高尔基复合体形成溶酶体。

溶酶体酶的分选：M6P反面膜囊M6P受体。在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。60内吞体溶酶体酶的磷酸化rER顺面管网反面管网高尔基复合体溶酶体水解酶前体加入磷酸基团M-6-P溶酶体酶前溶酶体ATPADP+PiH+去除磷酸pH=6成熟溶酶体M-6-P(甘露糖-6-磷酸是一种分选信号)61内吞体rER顺面管网反面管网高尔基复合体溶酶体水解酶前体加入磷酸基团M-6-P溶酶体酶前溶酶体ATPADP+PiH+去除磷酸pH=6成熟溶酶体clathrincoat,early/lateendosome,acidiccompartment62无生物活性的蛋白原→高尔基体→切除N-端或两端的序列→成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素等。蛋白质前体→高尔基体→水解→同种有活性的多肽，如神经肽。含有不同信号序列的蛋白质前体→高尔基体→加工成不同的产物。同一种蛋白质前体→不同细胞、以不同的方式加工→不同的多肽。加工方式多样性的可能原因：①确保小肽分子的有效合成；②弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；③有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。（五）蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型63（六）高尔基复合体与细胞内膜泡运输膜流(membraneflow)：细胞各种膜性结构之间相互联系和转移的现象称膜流。运输小泡高尔基复合体大囊泡细胞膜内质网64供(受)体房室/膜,膜再循环;结构/调节性分泌途径;前/反向运输coatprotein,COPⅡ/Ⅰ反向运输(retrogradet.)前向运输(anterogradet.)65内膜系统与膜流

膜流(membraneflow):是指细胞的膜成分在质膜与内膜之间，以及在内膜系统各种结构之间流动的现象。又称为小泡流(vesicleflow)。膜流过程中，提供膜性小泡的膜结构成为供体房室(donorcompartment)或供体膜，接受膜性小泡的膜结构成为受体房室(acceptorc.)或受体膜。膜的再循环(membranerecycling)实现细胞器膜成分的内在平衡机制(homeostaticmechanisms)。

结构性分泌途径(constitutivesecretorypathway)与调节性分泌途径(regaluteds.p.)

。

前向运输(anterogradet.)与反向运输(retrogradet.)。66RetrievingERproteins67Theformationofclathrin-coatedvesiclesattheTG68SecretedproteinsProteinsmovefrom