真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

细胞生物学第4版（翟中和主编），高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行 加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位 或分泌到细胞外。

真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

• 高尔基体
  • 形态结构
    • ü 电镜下高尔基体结构是4－8个扁平膜囊堆叠而成（直径1um ，中间窄，周缘呈泡状），扁囊间距15－30nm。 ü 高尔基体是有极性的细胞器：位置、方向、物质转运与生化 极性 ü 高尔基体的化学组成 ü 高尔基体各部膜囊的４种标志细胞化学反应 ü 高尔基体至少由互相联系的3个部分组成，每一部分又可能 划分出更精细的间隔
  • 高尔基体是有极性的细胞器。 它在细胞中有比较恒定的位置和方 向，并且物质也是从一侧进入而从 另一侧输出。
  • 扁囊弯曲成凸面又称形成面 (forming face)或顺面(cis face) 面向质膜的凹面( conc ave ) 又称成熟面(mature face)或反 面(trans face
  • 化学组成
    • Ø 高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类，具有一些和ER 共同的蛋白成分。 Ø 膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于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。 Ø 高尔基体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、转移酶和磷脂酶等不 同的类型。
  • 3个组成部分
    • 高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体网状结构（cis-Golgi network， CGN）
    • 高尔基体中间膜囊（medical Golgi) 多数糖基的修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成
    • 高尔基体反面膜囊或反面高尔基体网状结构（trans Golgi network， TGN）
    • 周围大小不等的囊泡 顺面囊泡是内质网和高尔基体之间的物质运输小泡 反面囊泡是体积较大的分泌泡与分泌颗粒
  • 高尔基体顺面 CG
    • 中间多孔呈连续分支状管网 结构， (cis Golgi network, 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。
    • KDEL信号及其受体维持ER蛋白的稳定
      • 内质网的结构和功能蛋白的羧基 端的一个四肽序列:Lys-Asp-Glu- Leu-COO-，即KDEL信号序列是 内质网的滞留信号。
      • 如果ER滞留蛋白质在出芽时被错 误地包进分泌泡而离开了ER, 高 尔基体上的KDEL受体与KDEL结 合并形成小泡，然后将结合的ER 蛋白“押送”回到ER 。ER膜有识 别该信号的受体，接收逃逸的蛋 白。
  • 高尔基体反面膜囊或反面高尔基体网状结构
    • 反面高尔基体网状结构（TGN）处于高尔基体反面最外层的管网状结 构，此处pH可能比高尔基体其它部位低，主要功能是：
      • – 负责对蛋白质进行分选（枢纽区），蛋白质包装形成网格蛋白/衔接蛋 白包被膜泡，并定向将蛋白质转运到细胞内或细胞外的最终位置 – 某些“晚期”的蛋白质修饰（如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化 及蛋白原的水解加工）
  • 高尔基体的功能
    • 高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行 加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位 或分泌到细胞外。
      • • 高尔基体与细胞的分泌活动 • 蛋白质的糖基化及其修饰 • 蛋白酶的水解和其它加工过程
  • 高尔基体与细胞的分泌活动
    • – 参与细胞分泌活动：rER上合成的蛋 白质-进入ER腔-COPⅡ运输泡-进 入CGN-在medial Golgi中加工-在 TGN形成分泌泡-运输与质膜融合、 排出。 – TGN区的蛋白质分选途径如溶酶体酶 的分选：M6P（甘露糖-6-磷酸）-反面 膜囊M6P受体 – 蛋白质的分选及其转运的信息仅存在 于编码该蛋白质的基因本身
• 蛋白质的糖基化及其修饰
  • N-连接的寡聚糖进一步加工 内质网上：磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天冬酰胺（Asn）上 高尔基体：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的单糖(半乳糖、 唾液酸等)，形成成熟的糖蛋白。
  • 蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型
    • 无生物活性的蛋白质→高尔基体→切除N-端或两端的序列→成熟的 多肽。 蛋白质前体→高尔基体→水解→同种有活性的多肽，如神经肽等。 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：
    • 确保小肽分子的有效合成； 弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号； 有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。
  • 胰岛素是在胰岛B细胞中合成的, 刚 从内质网合成的多肽在N- 末端有信 号肽链, 称前胰岛素原,相对分子质量 为12,000。随后在内质网的信号肽酶 的作用下, 切除信号肽, 成为胰岛素原, 相对分子质量9,000, 含84个氨基酸。 运输到高尔基体后, 通过蛋白酶的水 解作用, 生成一个分子由51个氨基酸 残基组成的胰岛素
• 溶酶体的结构类型及化学组成
  • 溶酶体（lysosome）是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类 的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。
  • 溶酶体的化学组成：溶酶体的酶、溶酶体的膜
  • 溶酶体的酶
    • 有60余种，这些酶的最适pH值 是5.0，它们都是水解酶类，在酸 性pH条件下具有最高的活性， 故 均 为 酸 性 水 解 酶 ( a c i d hydrolases) 。溶酶体的酶包括： α-葡萄糖苷酶、蛋白酶、核酸酶、 脂酶等 ，其中酸性磷酸酶是溶酶 体的标志酶。
  • 溶酶体的膜
    • – 溶酶体的外被是一层单位膜, 含有较 多的鞘磷脂。 – 溶酶体膜中嵌有质子泵, 以此维持溶 酶体内部的酸性环境(pH约为5)。 – 具有多种载体蛋白用于水解的产物 向外运送。 – 溶酶体膜含有高度糖基化膜整合蛋 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。
  • 溶酶体的类型
    • 溶酶体是以含有大量酸性水解酶为共同特征、不同形 态大小，执行不同生理功能的一类异质性（heterogenous） 的细胞器
      • •初级溶酶体（primary lysosome） •次级溶酶体（secondary lysosome） 自噬溶酶体（autophagolysosome）  异噬溶酶体（phagolysosome） •残余小体（residual body），又称后溶酶体
  • 溶酶体的功能
    • 细胞内消化：如高等动物内吞低密度脂蛋白获得胆固醇，单细胞真核生物利用溶 酶体消化食物。
    • 自体吞噬：清除无用的生物大分子，衰老细胞、细胞器、个体发育中多余的细胞。 许多生物大分子的半寿期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天 左右。
    • 细胞凋亡：个体发生过程中往往涉及组织或器官的改造或重建，如昆虫和蛙 类的变态发育等等。这一过程是在基因控制下实现的，称为程序性细胞死亡， 注定要消除的细胞以出芽的形式形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬并消化。
    • 防御作用：如巨噬细胞杀死病原体。
    • 参与分泌过程的调节：如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。
    • 形成精子的顶体
    • 溶酶体与疾病
  • 溶酶体与疾病
    • 溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障，影响细胞代谢，引起疾病。 如台-萨氏（Tay-Sachs）等各种储积症。
    • 溶酶体吞入了不能消化的成分，从而造成溶酶体膜破裂，释放出其中的 水解酶，最终导致细胞死亡。 如肺部细胞吞噬二氧化硅肺组织纤维化所引起的矽肺和石棉肺。
    • 某些病原体（麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞噬泡 但并未被杀死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境） 如结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫 酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖， 导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起 肺组织钙化和纤维化。
  • 溶酶体的发生
    • 甘露糖-6-磷酸途径：
      • 溶酶体的 酶类在内质网上起始合成, 跨膜 进入内质网的腔进行N-连接糖 基化修饰, 在顺面高尔基体上甘 露糖残基第六个碳原子上发生 磷酸化形成M6P,M6P标记后在高 尔基体反面网络形成溶酶体分 泌小泡, 最后还要通过脱磷酸才 成为成熟的溶酶体。
  • 分选途径多样化
    • 依赖于M6P的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运 输小泡直接分泌到细胞外；在细胞质膜上也存在依赖于钙离 子的M6P受体，同样可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体 介导的内吞作用，将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细 胞质膜，反复使用。
    • 还存在不依赖于M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶 酶体的perforin（穿孔蛋白）和granzyme（颗粒酶））
    • 溶酶体膜上的跨膜蛋白的分选不涉及M6P途径，它是依赖 于自身的氨基酸残基信号进行分选的。
• 溶酶体与过氧化物酶体
  • 过氧化物酶体(peroxisome)又称微体(microbody)，是由单层膜围绕的内 含一种或几种氧化酶类的细胞器。存在于所有动物细胞和很多植物细胞中。
  • 共同特点是内含一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶和过氧化氢酶（标 志酶），已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等， 其中尿酸氧化酶（urate oxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶 构成的核心（电镜识别的标志）。
  • 过氧化物酶体和溶酶体的区别
    • 过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的 尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征。通过离 心可分离过氧化物酶体和溶酶体。
  • 过氧化物酶体的功能
    • • 动物细胞（肝细胞或肾细胞）中的过氧化物酶体过氧化物酶体可氧 化分解血液中的有毒成分（酚、甲醛、甲酸和醇等），起到解毒的 作用，饮入的酒精1/2是在微体中氧化为乙醛。 • 过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热量。 • 在植物细胞中过氧化物酶体的功能： 在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光 呼吸反应； 乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂 肪酸→乙酰辅酶A→琥珀酸→葡萄糖。
  • 过氧化物酶体的发生
    • 细胞内已有的成熟过氧化物酶体经分裂增殖而产生子代氧化物酶体；
    • 细胞内重新发生。
    • • 组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后 转运到过氧化物酶体中。 • 过氧化物酶体蛋白分选的信号序列（Peroxisomal-targeting signal，PTS）：  PTS1为Ser-lys-leu，多存在于基质蛋白的C端。  PTS2为Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基质蛋白N端 过氧化物酶体膜上存在几种可与信号序列相识别的可能的受体 • 构成过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后，通过磷脂交换蛋白（PEP） 或膜泡运输方式完成其转运。
• 细胞内蛋白质的分选
  • • 真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数蛋白质 都是由核基因编码，起始合成均发生在游离核糖体上，然后或在细胞质基质（游 离核糖体）中完成翻译过程，或在粗面内质网膜结合核糖体上完成合成。 • 然而，蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组分。因此 必然存在不同的机制以确保蛋白质分选，转运至细胞的特定部位，也只有蛋白质 各就各位并组装成结构与功能的复合体，才能参与实现细胞的各种生命活动。这 一过程称蛋白质分选（protein sorting）或蛋白质寻靶（protein targeting）。 • 蛋白质分选不仅保证了蛋白质的正确定位，也保证了蛋白质的生物学活性。实际 上，蛋白质分选主要依靠蛋白质自身信号序列，从蛋白质起始合成部位转运到其 功能发挥部位的过程。
  • 信号肽和信号斑
    • 信号肽（signal peptide/ signal sequence） 上合成的称为信号肽，位于新合成肽链的N端，一般16-26个氨基酸残基，含有6- 15个连续排列的带正电荷的非极性氨基酸，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端三部分。由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列（starttransfer sequence）; 信号斑（signal patch）存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。
  • 信号肽酶（signal peptidase ）：内质网腔面上蛋白水解酶， 负责切除并快速降解新生多肽的N端信号肽序列。
    • Ø 信号肽一级序列由疏水核心 （h）、C端（c）和N端（n）三个区域 构成。 Ø 信号肽没有严格的专一性，目前尚未发现共同的信号序列。
  • 信号识别颗粒
    • 信号识别颗粒（SRP），由6种结构不同 的多肽和一个7S RNA（长约300bp）组成的 核糖体糖蛋白复合物，分子量325KD。SRP 上有3个功能部位：翻译暂停结构域 （P9/P14）、信号肽识别结合位点（P54）、 SRP受体蛋白结合位点（P68/P72）。
  • 信号识别颗粒的受体
    • SRP受体（SPR receptor），又称停泊 蛋白（docking protein, DP）是膜的整 合蛋白，为异二聚体蛋白，一个亚基 是暴露于细胞质的亲水部分，由640个 氨基酸组成；另一个亚基是嵌入膜内 的疏水部分，由300个氨基酸组成。存 在于内质网上，可与SRP特异结合。
  • 转位因子
    • 转位因子（translocator，translocon），由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一 个类似于炸面圈的结构，每个Sec61蛋白由三条肽链组成。
  • 信号假说
    • • 分泌性蛋白N端序列为信号肽，指导分泌蛋白到内质网上合成，在蛋白合成结束之前信号 肽被切除。信号识别颗粒和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（停泊蛋白）等因子协助完 成这一过程。 • 肽链边合成边转移至内质网腔中的方式称为共转移（cotranslational translocation）。
  • 导肽与后转移
    • 基本的特征
      • Ø 线粒体、叶绿体中的绝大多数蛋白质和过氧化物酶体中的蛋白质也是在 某种信号序列的指导下进入这些细胞器中，这些序列称为导肽。这些蛋 白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称翻译后转运 （post translocation）。 Ø 蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助 （如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。
  • 在细胞不同部位合成的蛋白质具有不同的分选途径
    • •共翻译途径 蛋白质合成起始后转移至粗面内质网，新生肽边合成边转入粗面内质网腔中，随后经高尔基体转 运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外，内质网与高尔基体本身的蛋白也是通过这条途径分选 •翻译后转运途径 在细胞质基质中完成多肽链合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、过氧化 物酶体、细胞核及细胞质基质的特定部位
• 膜泡运输
  • 膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在细胞分泌与胞 吞过程中，以膜泡运输方式介导的蛋白质分选途径形成细胞内复杂的膜流。这种膜流 具有高度组织性、方向性并维持动态平衡。
  • – 三种不同类型的包被小泡具有不同的物质运输作用 – 膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、去组装的复杂调控
    • • 网格蛋白/接头蛋白包被膜泡从TGN出芽 和从质膜内化形成，脱包被后与晚期胞内 体融合； • COPⅡ包被膜泡介导顺向运输； • COPⅠ包被膜泡介导逆向运输。