概述
内膜系统(Endomembrane System)是指位于细胞质内在结构、功能以及发生上有一定联系的膜性结构的总称。
内膜系统是真核细胞特有的结构,包括内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化氢体、核膜以及细跑质内的膜性转运小泡。
这些膜是相互流动的,处于动态平衡,功能上相互协调。
内质网，ER
(Endoplasmic Reticulum)
内质网的形态结构和类型
ER是由一层单位膜包绕成的管状、泡状和囊状结构,相互连接形成一个连续的、内腔相通的膜性管道系统。
一般情况下,已分化细胞的内质网发达,而未分化细胞的内质网不发达。
内质网发达与否可作为判断细胞分化程度和功能状态的形态学指标。
分类
糙面内质网(Rough endoplasmic reticulum,RER)
光面内质网(Smooth endoplasmic reticulum,SER)
内质网的化学组成
内质网的标志酶是葡萄糖-6-磷酸酶。细胞色素P450是光面内质网特有的标记酶。
网质蛋白的羧基端均含有一个由4个氨基酸残基所构成的驻留信号KDEL(Lys-Asp-GlurLeu)或HDEL(His-Asp-Glu-Leu)。该信号与内质网膜上的受体结合使蛋白驻留在内质网腔中。
葡萄糖调节蛋白94(GRP94)是内质网的标志性分子伴侣,主要参与新生肽链的折叠和转运。
内质网的功能
糙面内质网的功能
1.参与蛋白质的合成
糙面内质网合成的蛋白质的类型：
#secretory proteins (外输性蛋白或分泌蛋白)
#integral membrane proteins(膜整合蛋白)
#soluble proteins of organelles.(可溶性驻留蛋白)
2.帮助新生多肽链的折叠与装配
二硫键的形成:内质网腔中有丰富的谷胱甘肽(GSSG)使腔内形成高氧化状态的环境，二硫键异构酶使两个半胱氨酸残基之间形成二硫键。
多肽链的折叠：由内质网腔中的分子伴侣协助完成。
分子伴侣:是一类在细胞内协助蛋白质多肽链折叠、组装和转运的蛋白质分子,但其本身却不参与最终产物的形成。分子伴侣可识别并结合折叠错误的多肽及尚未完成装配的蛋白质,使其滞留并促使其重新折叠与装配发挥纠错功能。
3.进行蛋白质的糖基化修饰
蛋白质糖基化:单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白过程。
糖蛋白有2种连接方式
N-连接糖蛋白:由N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖、葡萄糖组成的寡糖与蛋白质天冬酰胺残基侧链上的氨基基团连接;(RER中)
O-连接糖蛋白:由酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸等残基侧链的羟基基团与寡糖共价结合形成。(Gc中)
4.进行蛋白质的细胞内运输
在RER上合成的蛋白质进入ER腔经加工修饰后
普遍和最常见的蛋白质分泌途径:ER以出芽的方式将蛋白质包裹形成膜性转运小泡,运输到高尔基复合体,经加工和运输后胞吐出细胞。
另种方式:不进入高尔基体,进入浓缩泡后,发育为酶原颗粒,通过胞吐出细胞。见于哺乳动物的胰腺外分泌细胞。
光面内质网的功能
光面内质网是一多功能的细胞器,不同细胞中的光面内质网有不同的功能
1.脂类合成与转运;
2.参与脂类代谢;
3.参与糖原代谢;
4.参与肝脏的解毒作用;
5.参与Ca²⁺储存和Ca²⁺浓度调节;
6.参与胃酸、胆汁的合成和分泌。
内质网与医学
(一)内质网形态结构与功能异常
内质网是一个敏感的细胞器,在缺氧、辐射、中毒、感染及某些化学药物均可引起内质网形态、结构及功能的异常。内质网可作为细胞生理功能特性的敏感指标。
形态结构改变常见:肿胀(肥大)、脱粒、腔内物质累积。
内质网应激与疾病的关系。
(二)内质网与阿尔茨海默病
β–淀粉样蛋白在脑组织细胞内质网中沉积造成脑细胞大量死亡。
与AD病变有关的β-淀粉样蛋白、早老素都与内质网有联系。
内质网是生成β-淀粉样蛋白的主要场所,早老素定位在内质网上。
高尔基复合体
Golgi complex
高尔基复合体的形态结构
由一层单位膜构成的
结构较为复杂、有极性的细胞器,
主要由相互联系的三个部分组成:
顺面高尔基网(CGN)凸面、形成面
中间高尔基网(MGN)
反面高尔基网(TGN)凹面、成熟面(分泌面)
顺面的小囊泡有两种类型:表面光滑的小泡;表面有绒毛样结构的衣被小泡。由粗面内质网芽生而来。
高尔基复合体的化学组成
含有多种酶,如催化糖蛋白合成的糖基转移酶,催化糖脂合成的磺基糖基转移酶,以及磷脂酶、糖苷酶等。
高尔基复合体的极性
原因
①构成GC的各膜囊在形态、化学组
成和功能上具有差异性。
高尔基复合体的功能
细胞内合成蛋白质及脂类运输和分泌的中转站
³H标记亮氨酸
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、分选等作用。
普遍和最常见的蛋白质分泌蛋白的合成运输和分泌过程
附着核糖体→RER→转移小泡→顺面高尔基网→中间高尔基网→反面高尔基网
→分泌泡→与细胞膜融合通过胞吐作用分泌到细胞外。
细胞内合成蛋白质加工的重要场所
蛋白质的糖基化
N-连接糖蛋白——寡糖链结合在蛋白质多肽链中天冬酰胺的氨基侧链上;糖链合成与糖基化修饰始于内质网,完成于高尔基复合体:
0-连接糖蛋白——寡糖链结合在蛋白质多肽链中丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸的羧基侧链上;主要或完全是在高尔基复合体中进行和完成的。
蛋白质糖基化的重要意义
糖基化对蛋白质具有保护作用,使它们免受水解酶的降解。
糖基化具有运输信号的作用,可引导蛋白质包装形成运输小泡,进行蛋白质的
靶向运输。
糖基化形成细胞膜表面的糖被,在细胞膜的保护、识别及通讯联络等生命活动中发挥重要作用。
蛋白质(或酶)的水解
将糙面内质网中合成的无活性蛋白前体(如胰岛素、甲状腺素、神经肽等)水解,
切除部分肽链转变为具有生物活性的多肽。
溶酶体酶的磷酸化
在溶酶体酶糖蛋白寡糖链的甘露糖残基上磷酸化生成甘露糖-6-磷酸(M6P)--溶酶体酶的分选信号。
高尔基复合体是细胞内蛋白质分选和囊泡运输的枢纽
糙面内质网合成的蛋白在高尔基复合体中被加上不同的分选信号(磷酸、半乳糖、睡液酸等),带有不同分选信号的蛋白质可被反面高尔基网膜上的专一受体识别、浓缩、分选，最后形成不同的运输小泡输送到细胞的不同部位。
高尔基复合体是错误选送蛋白质的监督和遣送站
内质网驻留蛋白的羧基端都有内质网驻留信号(ER retention signal).即KDEL信号序列
内质网驻留蛋白羧基端的一个四肽序列:Lys-Asp-Glu-Leu-COOH
KDEL信号受体存在于高尔基复合体的膜上。通过与含有KDEL的蛋白结合形成小泡,将这类网质蛋白“押送”回内质网。
高尔基复合体与医学
1.肥大与萎缩
肝细胞在中毒的病理情况下,常见高尔基复合体萎缩、破坏或消失。
溶酶体
(Lysosome)
溶酶体的形态结构和特性
形态结构
溶酶体是由一层单位膜构成的含有多种酸性水解酶的囊泡状细胞器。
溶酶体膜的特性
溶酶体膜上具有H⁺泵及CI⁻通道,能将细胞质中的H⁺及Cl⁻运输到溶酶体中维持其酸性环境。
溶酶体膜的蛋白质表现为高度糖基化,寡糖链位于膜的内表面,可防止溶酶体膜被自身的酸性水解酶消化。
溶酶体上存在特殊的膜转运蛋白,能将溶酶体消化水解的产物运出溶酶体,供细胞加工重新利用或运出细胞外。
溶酶体的类型
根据生理功能阶段的不同可分为
次级溶酶体(secondary lysosome)
自噬性溶酶体(autophagic lysosome)
异噬性溶酶体(heterophagic lysosome)
溶酶体的发生
M-6-P途径
溶酶体酶蛋白前体在糙面内质网进行合成、初加工和转运。
溶酶体酶蛋白前体在高尔基复合体进行标记、分选和转运。
内质网上核糖体合成溶酶体蛋白→进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰→进入高尔基体顺面膜囊→糖蛋白寡糖链上的甘露糖磷酸化作用下形成M-6-P(甘露糖-6-磷酸)→与高尔基体反面膜囊内侧的M-6-P受体结合→运输小泡形成并脱离反面高尔基网→运输小泡与内体结合→溶酶体酶前体与M-6-P受体分离→溶酶体酶通过去磷酸化成熟(内体性溶酶体)→卸载的M-6-P受体通过溶酶体膜出芽、包裹、脱落,以运输小泡的形式回到反面高尔基网再循环。
溶酶体的功能
(一)参与细胞防御
溶酶体具有强大的物质消化分解能力,可吞噬并水解消化细菌等——保护防御作用。
(三)提供细胞营养
溶酶体对吞噬的大分子营养物质进行消化作用,是细胞获取营养物质的重要途径;
细胞饥饿状态下,可通过溶酶体分解一些对细胞生存不重要的大分子物质来维持细胞的基本生存。
(六)参与激素合成及激素水平调节
参与激素合成中原料摄取、加工、储存及已合成激素的加工、成熟等步骤;
在分泌类固醇激素的细胞中,溶酶体主要参与激素原料胆固醇的代谢活动;
在分泌肽类激素的细胞中,溶酶体主要作用是将尚未加工完毕的激素水解转化为成熟的、分泌形式的激素。
溶酶体与医学
(一)溶酶体酶缺乏导致的贮积症
糖原贮积症型:缺乏a-葡萄糖苷酶;
黏脂贮积症型:缺乏N-乙酰氮基葡糖磷酸转移酶
病因:缺乏N-乙酰氨基葡糖磷酸转移酶,无法形成分选信号M-6-P,无法被M-6-P受体识别和分选,直接分泌到细胞外。
过氧化物酶体
(Peroxisome)
过氧化物酶体(peroxisome),也称为过氧化氢体、过氧小体或微体(microbody)。
过氧化物酶体存在于所有真核细胞中。
过氧化物酶体的形态结构
其中含有极细的颗粒状物质,中央常含有电子密度很高的结晶状核心称为类核体或类晶体,为尿酸氧化酶的结晶。
人和鸟类细胞的过氧化物酶体中不含尿酸氧化酶,因而没有类核体。
过氧化物酶体的酶
1.氧化酶炎
约占过氧化物酶体酶总量的50%,基本特征是对作用底物的氧化过程中能把氧还原成过氧化氢。
反应通式:RH₂+O₂→R+H₂O₂
2.过氧化氢酶类
约占过氧化物酶体酶总量的40%,其作用是将过氧化氢水解成水和氧气。
反应通式:2H₂O₂→2H₂O+O₂
过氧化氢酶是过氧化物酶体的标志酶。
3.过氧化物酶类
仅存在于(如血细胞等)少数几种细胞类型的过氧化物酶体中,其作用与过氧化氢酶相同。
过氧化物酶体的功能
清除细胞代谢过程中产生的过氧化氢等毒性物质,发挥解毒作用
消除细胞代谢过程中产生的过氧化氢以及其他有害物质,防止细胞中毒。
这种类型的氧化反应在肝、肾细胞中特别重要。
细胞内蛋白质的分选
(Protein sorting and transport in the cell)
蛋白质分选(protein sorting)
胞内新合成的蛋白质被准确无误地送到有关膜结构和细胞器的过程,叫做细胞内蛋白质的分选。
它是细胞结构和生命活动有序性的基础。
分选信号的不同决定了蛋白质去向的差异
而定位于胞质溶胶以及细胞表面的蛋白质是没有分选信号的,这种定位方式称为缺省途径(default pathway)。
信号肽(signal peptide)
是一段连续的氨基酸序列,长约15-60个氨基酸基。
一旦完成分选过程,常被一种信号肽酶切除。
信号斑(signal spot)
是指在蛋白质折叠过程中一些氨基酸残基所构成的特异三维排列。
构成信号斑的氨基酸残基在线型氨基酸序列中彼此相距较远,一般保留在已完成的蛋白质中。
胞内蛋白质的运输方式
蛋白质在细胞内的基本运输途径
门孔运输
蛋白质在核、质之间的运输。该运输需通过核孔复合体,称为门孔运输或控制运输。
核孔复合体具有选择控制功能，能主动运输特异的大分子和大分子组装物,而小分子物质可自由扩散。
亲核蛋白质具有核定位信号(NLS)，而核孔复合体上有NLS的受体,二者结合后,亲核蛋白就能进入核内。
穿膜运输
由膜上的蛋白转运装置(某种膜蛋白充当)运输特异的蛋白质穿过膜从胞液到各种不同的细胞器。
这样运输的蛋白质通常是不折叠的,运输过程常靠分子伴侣的帮助。
囊泡运输
蛋白质被选择性地包装成膜囊泡的形式(运输小泡)定向转运到靶细胞器。
囊泡与囊泡转运
(Vesicular and Vesicular Transport)
囊泡转运过程是一个高度有序、严格调控的定向物质运输过程
高尔基复合体
丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、羟赖(脯)氨酸
–OH
半乳糖、N-乙酰半乳糖胺
1~6个糖基
单糖基逐个添加
糙面内质网
天冬氨酸
-NH₂
N-乙酰葡糖胺
5~25个糖基
寡糖链一次性连接
糖基化发生部位
连接的氨基酸残基
连接基团
第一个糖基
糖链长度
糖基化方式
糙面内质网和光面内质网的区别
类别 糙面内质网 光面内质网
结构 扁囊状,排列整齐 分支管状和泡状
核糖体 附有核糖体 无核糖体附着
功能 蛋白的合成、折叠与装配、修饰。 不同种类的细胞中有不同的功能(脂类合成与转运、 解毒、糖原代谢、储存和调节钙离子浓度、参与胃 酸、胆汁的合成与分泌)
蛋白质如何进入RER腔?糙面内质网上多肽链的合成起始于细胞质中游离的核糖体,核糖体如何被引导至糙面内质网膜上并进入糙面内质网的腔?
蛋白质转移到内质网的移位机制
信号假说--1975年-Bloble提出
蛋白质移位的必需组分
①信号肽(signal peptide)
新合成蛋白质N末端的一段由15-60个氨基酸构成的疏水序列。该序列具有引导合成中的多肽链到内质网膜上的功能。而信号肽本身则在蛋白质合成完成前被信号肽酶所切除。
②信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP)
存在于胞质内,由6个多肽亚单位和1个RNA分子组成的核糖核酸蛋白质复合体。
SRP上三个功能部位:
信号肽结合位点
翻译暂停结构域
SRP受体结合位点
③SRP受体
存在于内质网膜中的整合蛋白,为异二聚体。
SRP受体能与SRP及其核糖体复合体结合,并把它们引导至内质网膜上被称为移位子的通道蛋白。
新生多肽链合成并转移至内质网腔的主要过程
①胞质游离核糖体合成信号肽
②SRP与信号肽结合,蛋白质的合成暂时终止
③SRP-核糖体复合体与内质网膜上的信号识别颗粒受体结合
④SRP释放,多肽链经内质网膜上的通道蛋白中央的孔进入内质网腔
⑤蛋白质协同翻译转运
⑥信号肽酶切除信号肽
⑦蛋白质合成结束
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。
微粒体(microsome):细胞匀浆在差速离心过程中分离得到的球形膜囊泡结构。表面有核糖体的为糙面微粒体;表面光滑的为光面微粒体,可能来自光面内质网,细胞膜、高尔基复合体和其它膜性脆片。
