《细胞生物学》-内膜系统与蛋白质分选和膜运输

细胞内膜系统是指细胞质中在结构与功能上相互联系的一系列膜性细胞器的总称，广义上内膜系统包括:内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡等。

内膜系统与蛋白质分选和膜运输

• 细胞质膜系统
  • 3个概念
    • 膜结合细胞器（膜结合区室）
      • 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、叶绿体核过氧化物酶体等
      • 分布
        • 细胞核位于细胞的中央，是细胞中最重要的细胞器，有两层膜结构，细胞核的外膜是糙面内质网的一部分。
        • 内质网位于细胞核的外侧，高尔基体靠近细胞核，在内质网外侧接受来自内质网的蛋白质和脂肪，然后对它们进行修缮和分选
        • 内体是由内吞作用产生的具有分选作用的细胞器，它能向溶酶体传递从细胞外摄取的物质，一般位于细胞质的外侧
      • 进化
        • 途径
          • 线粒体和叶绿体的进化模式，内共生途径
          • 通过细胞质膜的内陷分化途径形成
        • 意义
          • 内膜系统中各细胞器膜结构的合成和装配是统一进行的，不仅提高合成的效率，保证了膜结构的一致性，特别是保证膜蛋白在这些膜结构中方向的一致性
          • 内膜系统在细胞内形成一些特定的功能区域和微环境，以便在蛋白质、脂类、糖类的合成代谢、加工修饰、浓缩过程中完成其他特定的功能
          • 内膜系统通过小泡分泌的方式完成膜的流动和特定功能蛋白质的定向运输，不仅保证内膜系统中各细胞器的膜结构的更新，更重要的是保证一些具有杀伤性的酶类在运输过程中的安全，并能准确迅速到达作用部位
          • 细胞内的许多酶反应是在膜上进行的，内膜系统的形成使得这些酶反应互不干扰
          • 扩大了表面积，提高了表面积与体积的比值
          • 区室的形成，相对提高了重要分子的浓度，提高了反应效率
    • 细胞质膜系统
      • 细胞内那些在生物发生上与质膜相关的细胞器，不包括线粒体、叶绿体核过氧化物酶体
    • 内膜系统
      • 内质网、高尔基体、细胞核、溶酶体和液泡（包括内体和分泌泡）
      • 动态性质
        • 生化合成途径：在动物细胞中主要涉及分泌性蛋白质分选的合成与脂的合成和加工。脂的合成在光面内质网，而分泌性蛋白质的合成起始于糙面内质网，完成于高尔基体
        • 分泌途径：在内质网上合成的蛋白质和脂经出芽形成小泡逐步往外运输传递
          • 组成型：恒定释放分泌物
          • 调节型：需要信号激发
        • 内吞途径：分泌的相反过程，将细胞外的物质吞进内体和溶酶体
      • 研究方法
        • 放射自显影术
        • 差速离心分离
  • 蛋白质分选定位细胞内空间部位分类
    • 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质分子
    • 有完全封闭的膜障碍，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、内质网、高尔基体、溶酶体、内体等。由于运送到细胞质膜和细胞外的蛋白质要逾越内质网和高尔基体的膜障碍，也归于此类
    • 有膜障碍，但是膜上有孔
  • 蛋白质定位运输机制
    • 核孔运输（门运输）
      • 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
    • 跨膜运输
      • 胞质溶胶中合成的蛋白质进入内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等则是通过跨膜机制进行运输，需要蛋白质运输蛋白的帮助。被运输的蛋白质通常是未折叠的状态，细菌的质膜上也有类似的运输蛋白
    • 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。小泡的形成是通过出芽的方式，到达目的地时则是通过膜融合的方式使小泡成为另一个区室的一部分，实现蛋白质的运输。
  • 信号序列
    • 决定蛋白质的正确运输方向
    • 通常为15-60个氨基酸长度，位于新生肽的N端。通过基因过程的方法证明信号序列指导的蛋白质运输和定位对蛋白质没有特异性，但不同的膜结合细胞器具有不同的蛋白质定位的信号序列
    • 分类
      • 入核信号：指导核蛋白的运输
      • 引导肽：指导线粒体、叶绿体核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
• 内质网
  • 原核生物没有内质网，由细胞质膜代行其功能
  • 形态结构
    • 内质网是由一层单位膜形成的囊状、泡状核管状结构，并形成一个连续的网膜系统
    • 分类
      • 糙面内质网RER
        • 多呈大的扁平潴泡，在电镜下观察排列极为整齐。普遍存在于合成分泌蛋白的细胞中，越是分泌旺盛的细胞越多，未分化和肿瘤细胞中较少
        • 主要功能是进行膜结合核糖体合成的蛋白质的运输，并在运输的同时对这些蛋白质进行加工修饰和折叠，以帮助这些蛋白质准确到达目的地
      • 滑面内质网SER
        • 通过为小的管状和小的泡状,广泛存在于各种类型的细胞中，是脂类合成的重要场所，往往作为出芽的位点，将内质网合成的脂类转运到高尔基体
        • 功能
          • 糖原分解释放游离的葡萄糖
          • 类固醇激素的合成
          • 脂的合成和转运
            • 通过水溶性的磷脂转移蛋白PLTP的作用
              • PLTP是一种水溶性的载体蛋白，可以在不同的膜结合细胞器之间转移磷脂
              • 过程：PLTP首先与磷脂分子结合，形成水溶性的复合物进入胞质溶胶中，通过自由扩散，直至遇到其他的膜时，PLTP将磷脂释放出来，并插在膜上，结果使磷脂从磷脂含量高的膜上转移到磷脂少的膜上，即从磷脂合成的部位--n内质网转运到线粒体、过氧化物酶体等膜上
            • 以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上。
          • 解毒作用
            • 细胞色素P450是光面内质网上一类含铁的膜整合蛋白，除解毒作用外，还参与正常的代谢途径中的胆固醇和脂肪酸的氧化
          • 钙离子的调节作用
    • 内质网的外表面为胞质溶胶面，内表面为潴泡面
    • 微粒体
      • 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，包含内质网膜和核糖体两种基本成分。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
    • 肌质网
      • 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
  • 化学组成和酶类
    • 主要化学成分是蛋白质和脂，细胞色素P450在内质网膜中最为丰富
    • 内质网的标志酶是葡萄糖-6-磷酸酶
• 高尔基体
  • 由平行排列的扁平膜囊、液泡和小泡等3种膜状结构所组成
  • 含有两个面：形成面（内侧）和成熟面（外侧），来自内质网的蛋白质和脂从形成慢逐渐向成熟面转运
  • 极性
    • 高尔基体虽是由膜囊构成的复合体，但是不同的膜囊有不同的功能，执行功能时又是“流水式”操作，上一道工序完成后才能进行下一道工序
  • 功能区室
    • 靠近内质网的一面是由一些管状囊泡形成的网络结构，通常将这一面称为内侧面（形成面）由于内侧面是网络结构，所有又称高尔基体内侧网络CGN，从功能上看，CGN被认为是初级分选站，负责对从ER转运来的蛋白质进行鉴别，决定哪些需要退回，哪些可以进入下一站
    • 中间潴泡由扁平膜囊和管道组成，形成不同的区室，但是功能上是连续的、完整的膜体系。多数糖基修饰、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
    • 高尔基体外侧网络TGN室高尔基体最外侧的管状和小泡状结构组成的网络，通常称为外侧面（成熟面）蛋白质的分选信号在此被特异的受体接受，进行分拣，集中，形成不同的分泌小泡，被运送到不同的地点
  • 只存在于真核细胞中，原核细胞中无。高尔基体的标志酶是糖基转移酶
  • 功能
    • 主要功能是参与细胞的分泌活动，将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类和包装，然后分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外
• 溶酶体
  • 动物细胞中一种膜结合细胞器，小球状，外面由一层单位膜包被 。来自高尔基体，溶酶体的酶有一个基本特征：它们的寡糖链有磷酸化甘露糖残基，被TGN的M6P受体识别和结合，从而被分拣出来
  • 植物细胞中有与溶酶体功能类似的细胞器，如圆球体、糊粉粒以及中央液泡
  • 形态结构
    • 一种异质性的细胞器，不同来源的溶酶体形态、大小、酶的种类不同
    • 稳定性
      • 溶酶体膜含有各种不同酸性的、高度糖基化的膜整合蛋白，这些膜整合蛋白的功能可能是保护溶酶体的膜免遭溶酶体内酶的攻击，有利于防止自身膜蛋白的降解
      • 溶酶体的膜中含有较多能促进膜稳定的胆固醇
  • 溶酶体的酶
    • 酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶
    • 溶酶体的酶都有一个共同的特点：都是水解酶类，在酸性pH条件下具有最高的活性
    • 溶酶体的酶包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶
  • 类型
    • 初级溶酶体
      • 刚刚从外侧高尔基体形成的小囊泡，仅含有水解酶类，但无作用底物，外面只有一层单位膜，其中的酶处于非活性状态
    • 次级溶酶体
      • 自噬性溶酶体
        • 一种自体吞噬泡，作用底物是内源性的，即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质
        • 广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用，作为细胞内细胞器和奇台结构自然减员和更新的正常途径
      • 异噬性溶酶体
        • 作用底物是外源性的，即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。异噬性溶酶体实际上是初级溶酶体与内吞泡融合后形成的
  • 功能
    • 主要功能是消化作用
      • 消化底物来源
        • 自体吞噬，吞噬的是细胞内原有的物质
        • 吞噬体吞噬有害物质
        • 内吞作用吞入的营养物质
    • 吞噬作用
      • 通过溶酶体的吞噬作用保护细胞免受细菌与病毒等侵染，是细胞的防御功能所必需的
    • 自噬作用
      • 普遍存在于大部分真核细胞中的一种现象，是溶酶体对自身细胞结构的吞噬降解，是细胞内的再循环系统
      • 主要作用清除降解细胞内受损伤的细胞结构、衰老的细胞器以及不再需要的生物大分子等
    • 自溶作用
      • 细胞的自我毁灭，溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解
  • 有关疾病
    • 硅肺
    • Ⅱ型糖原贮积病
    • 休克
• 细胞的分泌和内吞作用
  • 细胞分泌
    • 动物细胞和植物细胞将在内质网上合成而又非内质网组成部分的蛋白质和脂通过小泡运输的方式经过高尔基体的进一步加工和分选运送到细胞内相应结构、细胞质膜以及细胞外的过程
    • 分泌的物质包括各种酶类、激素、神经递质、局部介质、血清蛋白、抗体以及细胞外基质成分，包括植物的细胞壁成分
    • 活动
      • 类型
        • 一种是分泌的物质供细胞内使用
        • 要通过与细胞质膜的融合进入细胞质膜或运输到细胞外
      • 过程涉及内质网、高尔基体、细胞质膜3种不同的细胞器和细胞结构
    • 组成型分泌途径
      • 运输小泡持续不断地从高尔基体运送到细胞质膜，并立即进行膜的融合，将分泌小泡中的蛋白质释放到细胞外，此过程不需要任何信号的触发，它存在于各种类型的细胞中
      • 组成型分泌小泡通常称为运输小泡，是由高尔基体外侧网络对组成型分泌蛋白的包装、出芽形成的
    • 调节型分泌途径（诱导性分泌）
      • 小泡的形成具有选择性
      • 具有浓缩作用，可使被运输的物质浓度提高约200倍；
    • 胞吞与胞吐
      • 胞吞
        • 真核细胞中含有待分泌物的被膜小泡与质膜融合，从而将内含物排出胞外的过程
        • 结果
          • 将分泌物释放到细胞外
          • 小泡的膜融入质膜，使质膜得以补充
      • 胞吐
        • 细胞通过内吞作用将细胞外的营养物质等摄取到细胞内，以维持正常的代谢活动
        • 类型
          • 吞噬细胞完成的对有害物质的吞噬
          • 通过细胞质膜受体介导的对细胞外营养物质的内吞
            • 过程
              • 配体与膜受体结合形成一个小窝
              • 小窝逐渐向内凹陷，然后同质膜脱离形成一个被膜小泡
              • 被膜小泡的外被很快解聚，形成无被小泡，即初级内体
              • 初级内体与溶酶体融合，吞噬的物质被溶酶体的酶水解
            • 吞入到细胞内的物质
              • 配体
                • 基本被降解，少数可被利用
              • 受体
                • 受体内吞之后，大多数受体可形成载体小泡重新运回到原来的质膜上再利用
                • 受体和配体一起由载体小泡运回到原来的质膜上再利用
                • 受体和配体一起进入溶酶体被降解
                • 受体和配体一起通过载体小泡被转运到相对的细胞质膜面
              • 膜组分
• 小泡运输的分子机制
  • 分泌小泡的类型
    • 披网格蛋白小泡
      • 参与外侧高尔基体和质膜之间的选择性分泌和内吞活动
    • COPII被膜小泡
      • 参与从ER到内侧高尔基体、从内侧高尔基体到高尔基体中间膜囊、从中间膜囊到外侧高尔基体的运输
    • COPI被膜小泡
      • 主要介导蛋白质从高尔基体运回内质网，包括从外侧高尔基体运向内侧高尔基体以及将蛋白质从内侧高尔基体运回到内质网
  • 膜脂的来源和不对称分布
    • 大多数磷脂是在ER上合成的，可通过两种途径运送给膜的结合细胞器
      • 通过磷脂转运蛋白，如叶绿体、线粒体、过氧化物酶体等细胞器膜中的脂就是通过此方式转运
      • 通过出芽和膜融合，如ER通过出芽形成分泌小泡运送蛋白质时，膜脂也随着运送到高尔基体并通过高尔基体形成分泌小泡将膜脂运送到细胞质膜
    • 保持磷脂在膜上的不对称分布
      • 磷脂交换蛋白对磷脂的运输和插入是有选择性的
      • 热动力驱使磷脂的不对称分布，因为膜两侧的环境不同
  • 蛋白质在膜上的存在方式来说有3种可能：整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白
  • 脂锚定蛋白可能的机制
    • 糖脂锚定的膜蛋白
      • 细胞质膜外的一些蛋白是与糖基磷脂酰肌醇GPI共价结合的，属于这种类型的脂锚定蛋白是在糙面内质网上合成，然后在ER腔中被连接到ER膜的GPI上，随后通过小泡运输，经高尔基体出芽形成小泡，最后与质膜融合，含糖的一面外翻朝向细胞外侧
    • 脂肪酸锚定膜蛋白的形成
      • 通过与脂肪酸链的共价结合被锚定在质膜的细胞质面
  • 分泌小泡寻靶可用SNARE假说解释。Rab蛋白可调节小泡运输与融合