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Chapter 9 内膜系统与蛋白质分选和膜运输

9.1 内膜系统概述

9.1.1 内膜系统与膜结合细胞器 1. 内膜系统(endomembrane systems)

内膜系统是指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)、细胞核等五类膜结合细胞器, 因为它们的膜是相互流动的, 处于动态平衡, 在功能上也是相互协同的。广义上的内膜系统概念也包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等细胞内所有膜结合的细胞器。

2. 膜结合细胞器(membrane-bound organelles)或膜结合区室(membrane-bound compartments)

指细胞质中所有具有膜结构的细胞器,包括细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、分泌泡、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等。由于它们都是封闭的膜结构,内部都有一定的空间,所以又称为膜结合区室。除核糖体和细胞骨架。 3. 膜结合细胞器的功能:

①胞质溶胶 代谢的主要场所；蛋白质合成部位

②细胞核 基因组存在场所，DNA和RNA的合成地 ③内质网 大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地 ④高尔基体 蛋白质和脂的修饰、分选和包装 ⑤溶酶体 细胞内的降解作用 ⑥内体 内吞物质的分选 ⑦线粒体 通过氧化磷酸化合成ATP ⑧叶绿体 进行光合作用

⑨过氧化物酶体 毒性分子的氧化 4. 内膜结构特点与动态性质

①独立性

A 内膜封闭的区室 B 执行独立的功能 ②动态性质

A合成途径: 分泌性蛋白与脂的合成和加工 内质网 高尔基体 B 分泌途径：内质网上合成的蛋白质和脂 出芽小泡向外运输 C内吞途径：细胞外的物质吞进内体和溶酶体

内膜系统的动态特性：内膜系统将细胞中的生化合成、分泌和内吞作用连接成动态的、相互作用的网络。在内质网合成的蛋白和脂通过分泌活动进入分泌小

泡运送到工作部位(包括细胞外);细胞通过内吞途径将细胞外的物质送到溶酶体降解。

５. 内膜系统的进化

①起因∶

A 遗传信息的扩大 B 体积的增大

C 表面积与体积比值失调 D 物质代谢速度受限 ② 对策:细胞内部结构区域化 ③ 途径： A 内共生途径 B 细胞质膜内陷途径。 6. 内膜系统的生物学意义

①内膜系统中各细胞器膜结构的合成和装配是统一进行的，保证了膜结构的一致性。② 在细胞内形成了一些特定的功能区域和微环境。③ 通过小泡分泌的方式完成膜的流动和特定功能蛋白的定向运输，保证了内膜系统中各细胞器的膜结构的更新和一些具有杀伤性的酶类在运输过程中的安全。④ 细胞内的许多酶反应是在膜上进行的，内膜系统的形成，使这些酶反应互不干扰。⑤ 扩大了表面积，提高了表面积与体积的比值。⑥区室的形成相对提高了重要分子的浓度，提高了反应效率。 9.1.2 内膜系统的研究方法

电子显微镜能够获得高度清晰的细胞内膜系统的结构，但是不能研究单个膜结合细胞器的结构和功能。

①放射自显影术(autoradiography)

胰腺系统中胰泡细胞具有最发达的内膜系统， 主要功能是合成消化酶类。 使用放射自显影技术证明了蛋白质分泌起始于内质网，经高尔基体到达细胞外。

②差速离心分离亚细胞组分与功能分析 微粒体(microsomes)分离

放射自显影技术证明了分泌蛋白合成的起始部位，但不能证明合成分泌蛋白的是何种细胞器。Albert Claude和Christian De Duve发展了细胞组份分离技术，分离到了具有蛋白质合成和分泌功能的结构。这些结构称为微粒体。

用机械匀浆将细胞破碎，各种膜细胞器破碎，并且重新自我融合形成各种球形膜泡，通过较高速度离心除去细胞核、线粒体、过氧化物酶体等细胞器。

收集悬浮液再用较低速度离心，然后用电子显微镜检查离心后分开的两部分结构。发现上层的囊泡表面是光滑的，沉淀下的囊泡表面有核糖体颗粒。

③ 突变体使用 9.1.3 蛋白质分选

蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。在进化过程中每种蛋白形成了一个明确的地址签(address target)， 细胞通过对蛋白质地址签的识别进行运送， 这就是蛋白质的分选(protein sorting)。 1. 细胞中蛋白质的运输有两种方式:

共翻译运输和翻译后运输

内膜系统参与共翻译运输，是分泌蛋白质分选的主要系统。 2. 细胞质中蛋白质合成和空间定位

细胞中各部位(包括细胞质)中的蛋白质都是来自胞质溶胶，内质网以上的细胞器，包括细胞核、线粒体、过氧化物酶体和质体所需蛋白是由胞质溶胶直接运送的。内质网以下的各种细胞器，包括内质网、高尔基体、溶酶体、内体、分泌泡、细胞质膜以及细胞外基质等所需的蛋白质虽然起始于胞质溶胶，但要经过内质网和高尔基体的中转。 3. 蛋白质定位的细胞内空间部位

没有膜障碍的，如胞质溶胶，包括胞质溶胶中的细胞骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；有完全封闭的膜障碍，如线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体等；有膜障碍，但是膜上有孔，如细胞核。 4. 蛋白质分选定位的三种机制

核孔运输：胞质溶胶中合成的蛋白质穿过细胞核内外膜形成的核孔进入细胞核，被运输的蛋白需要有核定位信号。

跨膜运输： 胞质溶胶中合成的蛋白质进入到内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器，需要膜上运输蛋白的帮助，被运输的蛋白要有信号肽或导肽。

小泡运输： 蛋白质从内质网转运到高尔基体以及从高尔基体转运到溶酶体、分泌泡、细胞质膜、细胞外等则是由小泡介导的，这种小泡称为运输小泡。 5. 信号序列

①信号序列的作用：决定蛋白质的运输方向。

②信号序列特性：通常为15-60个氨基酸长度，位于新生肽的N端。对运输的蛋白质没有特异性，但不同的膜结合细胞器具有不同的蛋白质定位信号序列。

③信号序列的类型

核定位信号(入核信号)：指导核蛋白的运输。

引导肽：指导线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白的运输。 信号肽：指导内膜系统的蛋白质运输。

9.2 内质网

9.2.1 形态结构和化学组成

形态结构：由一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。由于它靠近细胞质的内侧，故称为内质网。通常占细胞膜系统的一半。体积占细胞的10％以上。根据内质网上是否附有核糖体，将内质网分为两类：粗面内质网和光面内质网。

1. 粗面内质网(rough endoplasmic reticulum， RER)

多呈大的扁平膜囊状，在电镜下观察排列整齐。是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构， 普遍存在于分泌蛋白质的细胞中，主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白

2. 光面内质网 (smooth endoplasmic reticulum， SER)

无核糖体附着的内质网，通常为小的膜管和小的膜囊状，广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。

是脂类合成的重要场所， 往往作为出芽的位点， 将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。

有两个面：内质网的外表面称为胞质溶胶面(cytosolic space)， 内表面称为潴泡面(cisternal space) 3. 特殊类型的内质网

①微粒体(microsome)：在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构，在体外实验中，具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。

②肌质网(sarcoplasmic reticulum)：心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网，其功能是参与肌肉收缩活动。 4. 内质网的化学组成

内质网膜的化学组成与线粒体外膜很相似，磷 脂占50%-60%， 蛋白质约占20%。存在许多代谢酶系。细胞色素P450在内质网膜中最为丰富，细胞色素P450是内质网电子传递链中的一个组成部分， 这条电子传递链中还含有NADPH-细胞色素P450还原酶和磷脂酰胆碱。

标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶 9.2.2 光面内质网的功能

1. 糖原分解与游离葡萄糖释放 2. 脂类的合成与转运 3. 解毒作用

①光面内质网含有丰富的氧化酶系统(如细胞色素P450、NADH细胞色素C还原酶等)能使许多有害物质解毒，转化为易于排出的物质。

②混合功能的氧化酶(mixed-function oxidase)

每分子的底物被氧化需要消耗一分子氧，并且将NADPH转变成NADP+，该氧化过程消耗的氧分子中有一个氧原子出现在水中，另一个氧原子出现在产物中，故此将催化该反应的酶称为混合功能的氧化酶。 4. Ca2+离子浓度的调节作用

9.2.3 粗面内质网的功能--信号肽与蛋白质运输 1. 信号序列(signal sequence)

① 信号序列的发现：

●1960s，George Palade 示踪技术研究培养细胞中蛋白质的分泌

●60年代，Redman和Sabatini用分离的RER小泡研究膜结合核糖体合成的蛋白质去向

●1971年美国洛克菲勒大学的Blobel等提出了信号序列(signal sequence)的概念。①分泌蛋白的N-端含有一段特别的信号序列(signal sequence)，可将多肽和核糖体引导到ER膜上;②多肽通过ER膜上的水性通道进入ER的腔中，并推测多肽是在合成的同时转移的。

② 信号序列的直接证据

1972年， Milstein 和他的同事发现：他们用分离纯化的核糖体在无细胞体系中合成多肽免疫球蛋白轻链，发现合成的多肽比分泌到细胞外的成熟的免疫球蛋白在N端有一段多出的肽链， 20个氨基酸，推测这段肽具有信号作用，使IgG得以通过粗面内质网并继而分泌到细胞外。

③信号肽的证实

G.Blobel等用离体实验证实了信号肽的存在: ●RER对产物的影响 ●蛋白水解酶实验

体外翻译的无细胞系统中(含有RER小泡)合成分泌蛋白，加入蛋白水解酶，并不能使新生肽水解。同时加入去垢剂，则能将蛋白质水解，提示新生肽链是边合成边运输的，因为去垢剂能够破坏内质网的膜，使合成的蛋白质暴露于蛋白水解酶遭到降解。若无去垢剂，多肽在合成的同时就向内质网转运，所以不受蛋白水解酶的影响。

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