膜泡系统（李绍军）.pdf

细胞生物学  西北农林科技大学  生命科学学院细胞生物学教研室  李绍军  第 10章   膜泡系统  本章内容  1. 膜泡的类型  2. 溶酶体结构和功能  3. 包被小泡  4. 圆球体、微体  10.1 膜泡的类型  • 高尔基分泌泡 Golgi vesicle • 溶酶体 Lysosome • 微体 microbody： 过氧化物酶体 peroxisome，乙醛酸循环体 glyosysome，糖酵解酶体 glycosome • 圆球体 spherosome • 吞噬小体 phagosome，  auto- • 胞内体 endosome • 胞饮泡  • 糊粉体  • 中央液泡  • 包被小泡 coated vesicls 包被蛋白   溶酶体 （ Lysosome） 为 de Duve 1949年 在分析大鼠肝组织液离心组分中酸性磷酸酶活性 时发现   线粒体组分 酸性磷酸酶活性 水提液 中比 等渗液 中高 ， 放置时间长 的比 新鲜提取 的高 ， 酶活性 与线粒体无关 ， 其他水解酶活性与此类似 。

  de Duve与 Novikoff 1955年 通过电镜观察证实溶酶体存在   单层膜细胞器   含酸性水解酶 （ 最适 pH=5） ， 执行 细胞内消化   具有 异质性 ， 酸性磷酸酶 是标志酶   膜有质子泵 ， 溶酶体内 pH值低   膜蛋白高度糖基化   膜上有 转运载体  10.3 溶酶体  1949 10.3.1 溶酶体形态结构与类型  • 溶酶体是异质性细胞器：  • 初级溶酶体  • 次级溶酶体 ：  •   异噬溶酶体；  •   自噬溶酶体  • 残余体 （ 后溶酶体 ）  初级溶酶体  次级溶酶体  分泌溶酶体  残余体  前溶酶体  • 次级溶酶体 （ secondary lysosome）  • 是正在进行或完成消化作用的溶酶体 ， 分为 自噬溶酶体 和 异噬溶酶体  • 残余体 （ residual body）  • 又称 后溶酶体 （ post-lysosome） ， 已失去酶活性 ， 仅留 未消化的残渣 ，故名 。

可排出细胞 ， 也可能留在细胞内逐年增多 ， 如表皮细胞的老年斑 ， 肝细胞的脂褐质  • 初级溶酶体 （ primary lysosome）  • 由 高尔基体分泌 形成 ， 含多种 酸性水解酶 ， 较为 均质   溶酶体组织化学观察 ：硝酸铅显示酸性磷酸酶（溶酶体的标志酶） 两个小囊泡可能是来自高尔基体的含酸性水解酶的运输小泡（红色箭头） 次级溶酶体 初级溶酶体 残余体：肝细胞脂褐质  • 溶酶体含有大量的酸性水解酶 ， 它们可以消化各种生物分子 ， 是 细胞内主要的消化场所  • 酸性水解酶 在 较低 pH值下活性高 ， 溶酶体 膜上的质子泵 （ V型 ） 使溶酶体内部酸化  • 少量的 溶酶体酶泄漏 到细胞质不会引起细胞损伤 细胞质基质中 pH值为 7.2左右 ， 溶酶体酶此环境下活性低  • 溶酶体膜：  • V型 H+泵 ：维持内部酸性  • 膜上存在 糖基化蛋白 ：可能是保护溶酶体免于自消化   • 存在 运输蛋白 ：转运消化物质  溶酶体内酸性环境的产生和维持及溶酶体部分酸性水解酶  pH敏感的荧光探针标记的蛋白显示胞吞过程中胞内体和溶酶体的 pH值： 溶酶体中 pH值为5，显示红色。

各种胞内体 pH值从 5.5－ 6.5不等，显示蓝、绿色  • 溶酶体与胞内体关系密切  • 晚胞内体被认为就是前溶酶体  • 前溶酶体与溶酶体在内部 pH值和膜上的蛋白组成上有差别 （ 溶酶体膜无溶酶体酶受体 ）  植物细胞中没有与动物细胞一样的溶酶体，但植物细胞中液泡、原球体、糊粉粒具有溶酶体功能      植物细胞中液泡（左）、原球体（右，半层生物膜包裹的细胞器，含脂肪酶等水解酶）具有溶酶体功能      2.3.2 溶酶体功能  • 溶酶体主要辅助行使三种细胞功能：  • ①  吞噬； ②  自噬； ③  胞饮  • 初级溶酶体与吞噬泡和自噬泡融合 ， 完成消化后形成残余体或者通过胞吐排出残余物或滞留在细胞中形成脂褐质微粒   ①  清除 无用 生物大分子 （ 自噬 ） 、 衰老损伤死亡的 细胞 （ 异噬 ） 、 衰老的 细胞器 （ 自噬 ） 、 个体发育中多余的细胞 （ 异噬 ） 等   ②  细胞内消化和营养获取 ：如从 LDL获得胆固醇、 氨基酸 （ 异噬 ） ， 单细胞真核生物 籍其消化食物 （ 异噬 ） ， 饥饿细胞 的自噬 。

  ③  防御作用： 如 巨噬细胞 （ 异噬 ） 、 中性粒细胞（ 异噬 ） 、 T淋巴细胞和 NK淋巴细胞 （ 分泌溶酶体， 含溶酶体酶和穿孔蛋白 ）   ④  参与分泌过程的调节： 如 甲状腺分泌细胞 吞噬甲状腺球蛋白 降解成有活性的 甲状腺素 并分泌到细胞外 （ 异噬 ）   ⑤  形成精子的顶体 （ 类似 分泌溶酶体 ） ， 含透明质酸酶 、 蛋白酶等 ， 消化卵细胞透明带和滤泡细胞以利受精   精子的顶体是特化的溶酶体  2.3.3 溶酶体病  • 由溶酶体缺陷造成的机体功能紊乱 ：  • ①  矽肺病 细胞自体溶解是由于溶酶体膜破裂或渗漏导致酶外泄消化自体细胞  • ②  溶酶体贮积症 是由于溶酶体缺乏一种或多种溶酶体酶导致物质在溶酶体中积累形成大的内含物  • 如 I-细胞症 （ inclusion-cell disease） ： N－乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶基因突变造成  • 台－萨氏症： 溶酶体缺乏 β -氨基己糖脂 （ 苷 ） 酶 A不能消化神经节苷脂使其在脑细胞等细胞中积累 ， 导致痴呆 、 早死 。

 神经鞘脂贮积病  疾病  缺失酶类  主要贮积底物  后果  GM1神经节苷脂贮积症  GM1-半乳糖苷酶  神经节苷脂 GM1 智力迟钝，肝脏肥大，骨骼受累， 2岁前死亡  台－萨氏病  己糖胺酶 A 神经节苷脂 GM2 智力迟钝，失明， 3岁前死亡  法布莱氏病  -半乳糖苷酶 A 三己糖神经酰胺  皮疹，肾功能丧失，下肢疼痛  山霍夫氏病  己糖胺酶 A和 B 神经节苷脂 GM2和红细胞糖苷酯  与泰－萨氏疾病症状相似，但发展更快  高歇氏病  葡糖脑苷酯酶  葡糖脑苷脂  肝脏和脾脏肿大，长骨腐蚀，只在婴儿期发生智力迟钝  尼 -皮二氏病  鞘磷脂水解酶  鞘磷脂  肝脏和脾脏肿大，智力迟钝  Farber’s 脂肪肉芽肿病  神经酰胺水解酶  神经酰胺  疼痛性与退行性的关节变形，皮肤瘤，几年内死亡  Krabbe’s 病  半乳糖脑苷酯酶  半乳糖脑苷脂  髓磷脂缺失，智力迟钝， 2岁前死亡  脑硫脂沉积  芳基硫酸酯酶  脑硫脂  智力迟钝，前十年死亡  台 -萨氏综合症溶酶体的同心圆结构  2.3.4 溶酶体的生物发生  新合成溶酶体酶的典型运输 ：  溶酶体酶前体 N-连接寡糖链末端甘露糖 被磷酸修饰而带 6-磷酸标记 ，在高尔基体反面管网区（ TGN）溶酶体酶通过 甘露糖 -6-磷酸受体 与其他类型蛋白分离浓缩并从 TGN 出芽。

最后与晚胞内体融合 低 pH值 使受体与溶酶体酶分离，受体出芽回到 TGN 区 酸性磷酸酶 水解酶上磷酸激活水解酶，使水解酶不会随受体返回高尔基体  • 溶酶体发生与高尔基体的分泌活动密切相关 溶酶体酶在 高尔基体中标记 或修饰 ， 在 TGN区被选择浓缩 ， 出芽通过 运输小泡 运至 前溶酶体 （ 晚胞内体 ） 、胞外 、 质膜上等 区域 ， 运至 胞外 、 质膜上的溶酶体酶 通过胞饮 -胞内体途径进入 前溶酶体 ， 晚胞内体继续 酸化 、 受体循环脱离 后转变为 初级溶酶体  • 溶酶体酶上甘露糖 -6-磷酸标志的产生 需要 两种酶催化 在高尔基体 CGN和顺面膜囊 中完成  • N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶 ， 磷酸葡萄糖苷酶  • 酶对溶酶体酶前体蛋白的识别 可能依赖溶酶体 前体蛋白立体结构某 些区域形成的 信号斑  识别区结合溶酶体酶信号  N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶  磷酸葡糖苷酶  溶酶体发生在不同细胞中可能存在差异 ， 溶酶体酶进入溶酶体途径可能也不相同 甘露糖 -6-磷酸标记的溶酶体酶运至胞外后可通过受体介导的内吞返回细胞溶酶体。

而标志酶 酸性磷酸酶 前体是跨膜蛋白，分泌到细胞质膜上后再通过受体介导的内吞回收，在通过胞质巯基蛋白酶和溶酶体天冬氨酸蛋白酶剪切成可溶性蛋白，此过程不涉及甘露糖 -6-磷酸途径  10.4 包被小泡   1964， coated vesicle  运输小泡   胞吞作用、胞吐作用、内膜系统各细胞器之间运输及膜循环   包被蛋白功能：  10.4.1包被小泡类型和结构特征   网格蛋白包被小泡： 介导蛋白质从高尔基体TGN向胞内体、溶酶体、质膜及液泡运输   COPII包被小泡： 内质网到高尔基体   COPI包被小泡： 高尔基体向内质网  衣被类型  GTP酶  组成与衔接蛋白  运输方向  clathrin ARF Clathrin重链与轻链， AP2 质膜 → 胞内体  Clathrin重链与轻链， AP1 高尔基体 → 胞内体  Clathrin重链与轻链， AP3 高尔基体 → 溶酶体，植物液泡  COP I ARF COPαββ ’γδεζ  高尔基体 → 内质网  COP II Sar 1 Sec23/Sec24复合体， Sec13/31复合体，类似网格蛋白， Sec16 内质网 → 高尔基体  COPⅡ 衣被小泡   介导 内质网到高尔基体 的物质运输。

形成于内质网无核糖体处的出芽位点   主要亚基 ： Sar1-GTP、 Sec23、 Sec24（双酸信号受体） 、 Sec13、 Sec31   多数 跨膜蛋白 直接与 COPⅡ 结合，少数跨膜蛋白和多数 可溶性蛋白 通过受体与 COPⅡ 结合   分选信号 ：位于跨膜蛋白胞质面，形式多样，常包含 双酸性基序 Asp-X-Glu  COPⅡ 有被小泡的组装： Sar1是一种 G蛋白 : Sar1-GTP 结合到  ER上 ; Sar-GDP从 ER上解离  COPⅠ 包被膜泡  • 在哺乳动物细胞中， 抑制从内质网出芽的抗体对高尔基体膜囊之间膜泡运输没有抑制效应 ，说明介导两种运输的蛋白不同  • COPI有被小泡 是第一个被分离鉴定的运输小泡 ， GTP类似物 可以促使细胞积累 COPI有被小泡并可通过离心分离  • COPI包被膜泡介导由高尔基体膜囊间及至内质网的反向运输  • 功能： 回收、转运内质网逃逸蛋白 （ escaped proteins）返回内质网；也可介导 高尔基体不同区域间的蛋白质运输 。

 • 组成 ：由 7种蛋白组成， α β （ KKXX膜蛋白回收信号受体）  β ’   γ δ ε ζ  • 回收信号 ： 膜蛋白 Lys-Lys-X-X（ KKXX），可溶性蛋白 Lys/His-Asp-Glu-Leu（ KDEL或 HDEL）  • KDEL信号序列受体 存在于高尔基体反面管网区、 COPI 、 COPII 有被小泡膜上而 KKXX信号可被  COPI的包被 αβ 亚基 识别  • COPI包被的组装和解聚由一种 GTP结合蛋白 ADP核糖基化因子 (ADP-ribosylation factor， ARF) 调控  • 内质网驻留蛋白回收模式：  • KDEL受体捕获可溶性内质网蛋白，内质网跨膜蛋白 KKXX被 COPI包被。