细胞的内膜系统与囊泡转运.ppt

医学细胞生物学 第五章 细胞的内膜系统与囊泡转运,高级讲师 王波 bonnie_wang70@ 中山大学 中山医学院 生物教研室,内膜系统endomembrane system：细胞内 在结构、功能、发生 上密切相关的 膜性细胞器的 总称；包括 内质网、高尔基体、溶酶体、各种运输小泡、核膜等 19世纪末 光镜下在唾液腺和胰腺细胞中 观察到 丝条状结构，饥饿后消失 进食后增多 1945年，K.R. Porter电镜观察 丝条状结构，实为 核附近 小泡小管、网状结构，命名 内质网endoplasmic reticulum ER 内质网的化学组成 内质网膜 常占细胞全部膜结构 50%，体积占10%以上 超速离心 分级分离，从细胞浆中 分理出 直径100nm 囊状小泡，称“微粒体”Microsome 生化分析等证明，微粒体 由内质网和核糖体组成，具有内质网的基本功能,内质网,内质网,内质网膜 脂类：磷脂、中性脂、缩醛脂、神经节苷脂 等 各种磷脂百分比： 卵磷脂55%、磷脂酰乙醇胺20～25%、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸各占5～10%、鞘磷脂4～7% 内质网膜蛋白分析，表明 膜中含酶至少30种，分三种类型： ①氧化反应电子传递酶系 与解毒功能相关 细胞色素P450 ②与脂类代谢相关的酶类 脂肪酸CoA连接酶 ③与碳水化合物代谢相关酶类 葡萄糖-6-磷酸酶——内质网膜的标志酶 内质网的形态结构 内质网膜厚度5～6nm，由小管、小泡、扁囊 组成；这些结构相互连通，构成连续三维管状网络结构 内质网向内与核膜沟通，向外与高尔基体、溶酶体等 转换组分 细胞根据发育阶段和生理状态，内质网形态结构数量分布均有不同,内质网,内质网的基本类型 根据电镜观察，内质网分为 粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER) 和 滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER) 粗面内质网表面有核糖体附着 多呈扁平囊状，参与分泌型蛋白质和多种膜蛋白的合成、加工和转运 分泌肽类激素和蛋白的细胞中，RER高度发达；肿瘤细胞、未分化细胞 则很少 滑面内质网是表面光滑的管泡样网状结构 滑面内质网 与粗面内质网 相通，是多功能细胞器；在不同细胞或不同生理期，结构分布和发达程度差别很大 有的细胞以 RER为主，有的以 SER为主，随着生理状态改变，两者可以互相转换,内质网,某些特殊组织细胞存在内质网衍生结构 视网膜色素上皮细胞的 髓样体；生殖细胞、快速增殖细胞、神经元与松果体 中的 孔环状片层,内质网,内质网的功能 粗面内质网与外输性蛋白质的合成、加工及转运密切相关 1.作为核糖体附着的支架 许多肽链的合成必须随核糖体转移、附着于粗面内质网才能完成 附着型核糖体 合成的蛋白质有： ①外输性或分泌性蛋白：肽类激素、细胞因子、抗体、消化酶、细胞外基质蛋白 等 ②膜整合蛋白质：膜抗原、膜受体 等 ③细胞器的驻留蛋白：定位内质网、高尔基体、溶酶体 等的 可溶性驻留蛋白，需要粗面内质网的 修饰 加工和转运 2.新生多肽链的折叠与装配 内质网 腔中 有丰富的 氧化型谷胱甘肽，便于肽链上 半胱氨酸残基间,内质网,氧化形成二硫键；内质网，膜腔面附着的 蛋白二硫键异构酶，使二硫键的形成 及多肽链的折叠速度大大加快 内质网中的 重链结合蛋白(heavy-chain binding protein, BiP) 能与折叠错误的多肽 和 未完成装配的蛋白亚单位 识别结合，予以滞留；促进重新折叠、装配与运输 BiP属于 热休克蛋白70(HSP70) 家族；帮助多肽链转运、折叠和组装，也称“分子伴侣”(molecular chaperone) 分子伴侣 协助多肽链折叠组装转运，但是不参与终产物形成；内质网中 分子伴侣 还有：钙网素、葡萄糖调节蛋白94(GRP94)——内质网素，内质网 标志性 分子伴侣 分子伴侣 共同特点：羧基端 有 Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)——四氨基酸滞留信号肽，结合于内质网膜受体蛋白，从而驻留于内质网腔，又称 驻留蛋白 分子伴侣 是蛋白质 质量监控 因子，避免错误蛋白的运输,内质网,3.蛋白质的糖基化 糖基化：单糖或寡糖 与蛋白质间，通过共价键 结合成 糖蛋白的过程 由附着在内质网上的核糖体 合成的蛋白质 多数进行糖基化 粗面内质网中的 糖基化：寡糖与蛋白质 天冬酰胺残基侧链的 氨基基团结合，即 N-糖基化 催化糖基化的酶——糖基转移酶，RER内膜整合蛋白 多萜醇:以多萜为母体的醇，属多异戊二烯醇衍生物(n3；常为13～23)。

如双萜的叶绿醇、视黄醇、三萜的羊毛固醇、四萜的类胡萝卜素等多萜醇的磷酸酯在维持细胞膜的正常功能中具有重要作用,内质网,供糖分子 通常是 核苷糖；如：CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡萄糖胺 糖基转移反应 均由 糖基转移酶 催化,内质网,,多萜醇,内质网中的 N-连接糖基化，起始于 一个14寡糖，由2个N-乙酰葡萄糖胺、9个甘露糖、3个葡萄糖 最后，寡糖转移酶 催化 14寡糖链 连接到 新生肽链 的特定 三肽序列：Asn-X-Ser 或 Asn-X-Thr（X是 除Pro之外 的任何氨基酸）的 Asn上,内质网,糖基化后的 新生肽链，寡糖链末端的2个葡萄糖残基被移去，残留的葡萄糖残基结合内质网膜上的 分子伴侣，然后在 分子伴侣帮助下 完成折叠，被移去最后一个葡萄糖残基，包装外送；错误折叠 导致肽链的疏水基团 外露，被GT（监控酶）识别 并重新连接1个葡萄糖，重新结合分子伴侣 进行折叠,4.蛋白质的胞内运输 正确修饰加工的蛋白质，被内质网膜包裹，以“出芽”方式 形成 膜性小泡 而转运 粗面内质网的 膜泡转运 有两种形式：①形成转运小泡 进入高尔基体②仅见某些哺乳类胰腺外分泌细胞——内质网膜泡 进入大浓缩泡，发育成 酶原颗粒，排出细胞,内质网,信号肽介导 分泌性蛋白 在粗面内质网合成 胞质中 核糖体 附着 内质网的秘密？ 1.信号肽与信号肽假说 1975年G. Blobel 提出 信号肽假说signal Hypothesis 附着在内质网上的核糖体，合成的肽链的N端，有一段特殊氨基酸序列，称 信号肽； 信号肽普遍存在于 分泌蛋白，由不同数目不同种类氨基酸 组成 疏水氨基酸序列 核糖体与内质网膜的结合，还有赖于 胞质中的信号识别颗粒signal recognition particle, SRP，内质网膜上 信号识别颗粒受体SRP-receptor，内质网膜上 移位子translocon (通道蛋白) 信号肽假说 内容： ①胞质中游离核糖体，翻译出有信号肽的多肽后，即被胞质中的SRP识别、结合,内质网,SRP由6个多肽亚单位和1个7S RNA小分子 组成，可结合信号肽序列、也可部分插入核糖体，暂停翻译，形成：SRP-核糖体复合物 ②与信号肽结合的SRP 识别并结合 内质网膜上的 SRP-R，介导核糖体 结合内质网膜的 移位子(通道蛋白)；此结合 导致SRP被释放，返回胞质 重新被利用；而 多肽链 进入移位子 通道内，翻译重新开始 ③核糖体与移位子的结合，使得核糖体大亚基的 中央管 与移位子 的通道相对，继续合成的肽链 在信号肽牵引下 进入移位子通道，到达内质网腔； 信号肽 被信号肽酶 切除；多肽合成结束，核糖体撤离,内质网,内质网,移位子 是内质网膜上的亲水通道，外径8.5nm，内径2nm，与信号肽 结合时，处于开放的活性状态；多肽链合成转移完毕，转为无活性关闭状态,2.跨膜驻留蛋白的插入与转移 单次跨膜蛋白插入内质网膜的 两种机制： ①新生肽链 协同翻译 插入机制： 跨膜蛋白除了N-端 转移信号肽，肽链中存在 停止转移肽stop-transfer peptide，也是一段特定氨基酸序列组成的疏水区段；当停止转移肽 进入 移位子，移位子 与之作用，从活性状态 变为 失活状态，终停止对肽链的转移，停止转移肽 形成α-螺旋结构，当信号肽被切除，肽链的N-端 朝向 内质网腔,内质网,②内信号肽 介导的 内开始转移肽 插入转移机制： 内信号肽 即 信号肽位于 肽链中 而不是N-端； 当 内信号肽 到达 移位子时，被保留在 内质网膜的脂双层中，成为跨膜α-螺旋结构； 若 内信号肽 的N-端 比C-端 有更多 带正电氨基酸残基，则 C-端 插入 内质网腔；反之，肽链插入方向相反,内质网,多次跨膜蛋白质的 转移插入 更复杂，但机制 相同 多次跨膜蛋白 通常以 内信号肽 作为 起始转移信号 滑面内质网 是胞内 脂类物质合成的主要场所 1.滑面内质网参与脂质的合成和转运 小肠吸收 的甘油、脂肪酸等，进入细胞后，在内质网中被重新合成 甘油三酯 滑面内质网合成的脂类 常与粗面内质网 合成的蛋白质 结合成 脂蛋白，经由高尔基体分泌出去；分泌出去后 常运输血液中 的胆固醇、甘油三酯等 到脂肪组织 分泌 类固醇激素 的细胞，有发达 滑面内质网，其中存在 类固醇代谢的 关键酶 除 线粒体 特有的两种 磷脂，几乎全部膜脂 由内质网合成；底物来源于 细胞质中，催化酶 定位于 内质网膜上,内质网,内质网膜上的 脂质合成过程： ①脂酰基转移酶 acyl transferase 催化 2分子 脂酰辅酶A(fatty acyl CoA)与 甘油-3-磷酸 反应，形成 磷脂酸； ②磷酸酶 催化 磷脂酸 脱磷酸，生成 双酰甘油； ③胆碱磷酸转移酶 催化 双酰甘油 添加 极性基团，形成 磷脂分子,内质网,脂质 合成的起始和完成 均在 内质网膜的 胞质侧,细胞质侧,内质网腔,内质网膜(胞质侧) 合成的 脂类 借助 转位酶flippase(或译 翻转酶)，翻转到 朝向内质网腔 的一侧，最终 被输送到其它膜上 内质网 向其它 膜结构 转运 脂类 的两种 形式： ①出芽小泡 转运到 高尔基体、溶酶体、质膜 ②磷脂转换蛋白phospholipid exchange protein 作载体(特异识别磷脂分子)，结合内质网膜的 磷脂 进入胞质，达到 线粒体、过氧化物酶体,内质网,2.滑面内质网参与 糖原代谢 肝细胞中 滑面内质网膜的 葡萄糖-6-磷酸酶，催化 糖原 在胞质中降解的产物——葡萄糖-6-磷酸 的去磷酸化； 去磷酸化 的葡萄糖 经由 内质网，进入血液,内质网,未知： ①为何只有 滑面内质网 密切结合 糖原？ ②葡萄糖-6-磷酸酶 活性部位 使产物 自动进入内质网腔 ③葡萄糖-6-磷酸酶 在内质网膜 具体定位,3.滑面内质网 是细胞解毒 主要场所 肝脏 是外源性、内源性 毒物及药物 分解器官，其解毒作用 主要由 滑面内质网 完成 肝细胞 滑面内质网上，有丰富 氧化和电子传递酶系：细胞色素450、NADPH-细胞色素 系列还原酶 等 解毒机制：在电子传递的 氧化还原过程中，催化 多种化合物 氧化或羟化，使 毒物/药物 被破坏；或增加了 毒物/药物 极性，使之 排泄 内质网电子传递链 与 线粒体电子传递链 区别： 电子传递链 比线粒体的 短；催化的反应，都是在 底物中 加个 氧原子 所以，内质网的电子传递酶系，也称 羟化酶 或 加单氧酶系,内质网,4.滑面内质网 是肌细胞Ca2+ 储存场所 肌细胞中的 发达的 滑面内质网 特化为 肌浆网sarcoplasmic reticulum 肌浆网上 Ca2+–ATP酶 把胞质中 的Ca2+泵入网腔储存；受细胞外信号作用， Ca2+向胞质中释放 肌浆网中 大量 钙结合蛋白，每个这样的蛋白 结合30个Ca2+ 高浓度Ca2+ 阻止运输小泡 形成 5.滑面内质网与 胃酸、胆汁 合成与分泌 密切相关 胃壁 腺上皮细胞，滑面内质网 使 Cl- 与 H+ 结合 生成 HCl 肝细胞，滑面内质网的 葡萄糖醛酸转移酶，使 水溶性胆红素 形成 水溶性 结合胆红素，后者 随胆汁排入肠内，被细胞还原为尿(粪)胆素元,内质网,1898年，意大利 C.Golgi 用银染技术 对猫头鹰 脊髓神经 观察，发现 20世纪50年代，电子显微镜 技术证明 高尔基体的存在和结构 。