细胞的内膜系统

内膜系统 Endomembrane System

内膜系统的概述

1. 真核细胞特有的、完成细胞各种复杂生命活动所必需的结构（功能特点）
2. 细胞质基质中由单位膜围成的膜性细胞器（结构特点）
3. 狭义内膜系统主要包括：内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体和其它各种模型小泡等

内膜系统出现具有重要意义

1. 增加了膜的表面积：有利于酶的分布和代谢反应高效率地进行
2. 细胞质区室化Compartment：彼此之间互不干扰，有利于特定的代谢反应在特定环境中进行
3. 相互联系：各细胞器之间以及细胞器与基质之间相互依存，高度协调地进行各种细胞内代谢过程和生命活动

第一节 内质网 (endoplasmic reticulum, ER)

一、内质网的形态结构和类型

内质网的形态结构：三种形态

1. 扁囊：表面粗糙，平行排列呈板层状，彼此相互沟通，囊腔宽约50nm。
2. 小泡：球形，常单独存在，直径40~500nm。
3. 小管：表面光滑，有分枝，呈管状，管径50~100nm

内质网的类型：

1. 粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER)，又称为颗粒内质网
   • 特点：形态上多为平行排列的扁囊构成；核糖体以多聚体的形式附着在内质网膜上。

在RER膜上特有两种核糖体亲和蛋白或结合蛋白(Ribophorin I&II)，均为跨膜蛋白，具有把核糖体牢固地结合在ER膜上的作用

在分泌活动旺盛的细胞中，RER特别丰富；
− 胰腺外分泌细胞、浆细胞、甲状腺滤泡上皮细胞

在分化较完善的细胞，RER发达，而未成熟或未分化好的细胞，RER则不发达

因此RER的发达程度，可作为判断细胞分化和功能状态的形态指标。

2. 滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER)，又称为无颗粒内质网

   • 特点：形态上多为分枝的小管组成的网状结构；
   • 膜表面无核糖体附着；
   • 在一些细胞中滑面内质网非常丰富。
     • 分泌甾类激素的细胞、汗腺细胞、胃壁细胞、肌细 胞中的肌质网

二、内质网的化学组成

ER的化学组成成分鉴定的经典实验：蔗糖密度梯度离心法分离RER和SER

• （粗面结合核糖体、比重较大，在下层）

化学组成： - 膜脂：主要是磷脂，约占干重的30～40% - 膜蛋白：约占干重的60～70%，主要是酶和结构蛋白。 - 粗面内质网的标志：核糖体 - 滑面内质网的标志酶：细胞色素P450

三、内质网的功能

粗面内质网的功能：

1. 主要合成蛋白质
   • 合成蛋白质的种类有：
     • 分泌蛋白：包括消化酶、抗体、肽类激素和细胞外基质等；
     • 膜整合蛋白质：包括镶嵌在ER膜、高尔基体膜、溶酶体膜以及质膜上的蛋白质；
     • 膜限区室内的驻留蛋白retention proteins：包括ER腔内可溶性蛋白质和溶酶体酶蛋白等。

   • 主要合成蛋白：

     1. 信号肽 (signal peptide):一般由15~30个aa残基组成，富含疏水性aa (Met, Leu, Phe等)；由信号肽的N端、疏水核心区和信号肽的C端三部分。

        • 疏水核心区易形成a螺旋，有利于与磷脂双分子层相互作用
        • 信号肽在肽链成熟过程中常常被信号肽酶剪切。
        • 作用：引导核糖体结合于ER膜，并使新生的多肽链插入ER膜进入ER腔。

     2. 信号识别颗粒 (signal recognition particle, SRP):细长形的RNA蛋白质；由6条多肽链和一个7SL (300bp) 的RNA组成，具有信号肽识别结构域和与核糖体A位点结合的结构域

        • 作用：一方面与核糖体结合，另一方面与ER膜的SRP受体结合，通过其“桥梁”作用，使核糖体结合于ER膜上。

     3. 信号识别颗粒受体 (SRP receptor, SRPR)：是ER的跨膜蛋白，含有α、β两个亚基。α亚基含有SRP的结合位点；β亚基以疏水序列锚定在ER膜上

        • SRP与SRPR结合，使核糖体附着在ER膜上
        • 核糖体则以大亚基的侧面与ER膜上的核糖体亲和蛋白 （ribophorinsI&II）结合，加强了核糖体与ER膜结合的稳定性
     4. 转位子(translocon)
        • 哺乳动物细胞的转位子为Sec61复合体
        • 装配成“面包圈样”的结构，属跨膜蛋白
        • 新生的多肽链穿过其充满液体的孔道进入ER腔
     5. 信号肽跨膜的能量来源
        • 信号肽穿过ER膜并引导新生的多肽链进入ER腔中是需要耗能的。
        • SRP和SRP受体可结合GTP并具有GTP酶的活性。

可溶性蛋白翻译共转位过程 - 多肽链是一边合成一边从胞质转运到ER腔，把这种边翻译边转运的过程称为翻译共转位(cotranslational translocation)。 - 蛋白质在RER合成后，再以囊泡的形式，经高尔基体加工、修饰成熟后再分泌到细胞外。

跨膜蛋白的翻译共转位过程：

• 单次跨膜蛋白(signal transmembrane proteins)
  • I型：肽链中含有一个N端的信号肽和一个肽链内部的止步锚定序列(Stop-transferanchor sequence, STA)，为疏水性肽段；N端位于ER腔侧，C端位于细胞质侧；
  • II型：SA序列之前的N端带有正电荷，C端带有负电荷；N端位于细胞质侧，C端位于ER腔侧
  • III型SA序列之前的N端带有负电荷，C端带有正电荷；N端位于ER腔侧，C端位于细胞质侧
  • III型膜蛋白的拓扑结构(topological structure) 与I型膜蛋白相同，不同的是决定其跨膜蛋白的信号序列不同。
• 多次跨膜蛋白(multiple transmembrane proteins)
  • IV型：在合成的蛋白质序列中含有多个SA和STA
    • 第一个为SA序列，被SRP识别并跨膜转位同时发挥锚定作用；
    • 第二个为STA序列，只发挥锚定在膜上的作用；第三个是SA序列，第四个为STA序列；
    • 通过SA与STA序列交替，将新合成的肽链在翻译过程中形成多次跨膜的拓扑结构。

2. 对蛋白质进行加工、修饰(主要是糖基化修饰)

RER合成的可溶性蛋白质和跨膜蛋白质大部分都需要进行糖基化修饰。

蛋白质的糖基化(glycosylation)：是指肽链的特定aa残基接受共价连接的糖基形成寡糖链的连续过程

• N-连接的糖蛋白
  • Asn残基的氮原子(-NH2)与N-乙酰氨基葡萄糖的寡糖链共价结合形成β-糖苷键的糖蛋白；
  • 糖基化位点：Asn-X-Ser/Thr
  • 糖基化过程开始于ER腔，完成于高尔基体。
• O-连接的糖蛋白
  • Ser/Thr残基中的-OH氧原子与N-乙酰氨基半乳糖寡糖链共价相连形成α-糖苷键的糖蛋白；
  • 糖基化位点：GalNAc α→Ser/Thr
  • 糖基化过程全部或主要在高尔基体内完成。

高尔基体的标志酶：糖基转移酶

3. 对新生多肽链进行折叠和组装的作用

分子伴侣(chaperons)：在蛋白质折叠和组装过程中起着非常重要的作用；能识别正在合成或部分折叠的多肽链，帮助这些多肽链进行正确的折叠和组装，但其本身并不参与终产物的形成。

• N-连接糖基化蛋白作为分子伴侣
  • 钙连蛋白 (calnexin)
  • 肌网蛋白 (calreticulin)
• 重链结合蛋白作为分子伴侣
  • 重链结合蛋白 (heavy-chain binding protein, BiP)
• 蛋白质二硫异构酶作为分子伴侣
  • 二硫异构酶(protein disulfide isomerase, PDI)

4. 参与膜脂的合成与转运

• 膜脂的合成与转运：磷脂酰胆碱 (phosphatidyl choline，PC)

滑面内质网的功能：

• 不同类型的细胞SER的功能不同
  • 类固醇激素(甾体类激素)的合成
  • 脂肪的合成与运输
  • 糖原代谢
  • 解毒作用
  • 钙的储存和释放
  • 胆汁生成

四、内质网的应激

内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)

• 当细胞受到外界各种理化因素刺激(紫外线、缺氧、营养物质缺乏、病毒、氧化应激等)，ER的稳态被打破，ER由正常状态转变为应激状态，称为ERS。
• 在应激状态下，随着错误折叠和未折叠蛋白在ER腔内大量聚集，分子伴侣Bip含量迅速增加， Ca2+平衡出现异常。
• 细胞通过激活未折叠蛋白反应(unfold protein response,UPR)等信号通路，直接指导和参与ER中异常蛋白质的降解和再折叠，维持ER内环境的稳定，实现对细胞的保护。是细胞内一种适应性机制。
• 持续或过强的ERS诱导细胞凋亡或坏死，造成组织损伤。

第二节 高尔基复合体 (Golgi complex)

一、高尔基体的形态结构和特征

在电镜下，高尔基体由三部分构成：

1. 扁平囊 (Cisterna)：扁平囊又称为潴泡：一般3~10平行排列在一起，称为高尔基堆 (Golgi stack)
   • 凸面称顺面(cis face)或形成面或未成熟面，常靠近细胞核或内质网。
   • 凹面称反面(trans face)或成熟面或分泌面 ，常靠近细胞膜。
2. 大囊泡 (Vacuole)
   • 直径100~500nm，膜厚8nm。
   • 多见于扁平囊的反面，是由扁平囊末端膨大出芽形成。
   • 大囊泡对所含分泌物有继续浓缩的作用，故又称为浓缩泡或分泌泡。
3. 小囊泡 (Vesicle)
   • 直径40~80nm，膜厚6nm。
   • 多分布于扁平囊的顺面，是RER出芽脱落形成。
   • 小囊泡载有RER合成的蛋白质成分，需要运输到高尔基体进行加工，故又称为运输小泡。

特征：

1. 顺面高尔基网（cis-Golgi network, CGN） 具有蛋白质分选站的作用
   • 大部分转入高尔基体中间膜囊
   • 小部分蛋白质再反向运回到ER
   • 运回ER的蛋白质C端具有KDEL信号序列（Lys-Asp-Glu-Leu），是ER驻留蛋白质的特有信号序列含有磷酸转移酶
2. 高尔基体的顺面膜囊：
   • 甘露糖苷酶：从糖链末端剪切甘露糖基的作用。
   • N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶：加上N-乙酰氨基葡萄糖
3. 高尔基体的中间膜囊
   • 甘露糖苷酶
   • N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶
4. 高尔基体的反面膜囊
   • 半乳糖基转移酶：催化半乳糖基向糖链转移
5. 反面高尔基网（trans-Golgi network, TGN）

二、高尔基复合体的化学组成

• 从大鼠肝细胞分离的高尔基体，含有60%的蛋白质和40%的脂类；
• 高尔基体的特征酶：各种糖基转移酶是高尔基体的特征酶，如半乳糖基转移酶和唾液酸基转移酶等。

三、高尔基体的极性及鉴定方法

1. 形态

• 扁平囊的顺面膜较薄，近似ER膜，囊腔小而狭，一般朝向细胞核；
• 随着顺面向反面过渡，膜也逐渐加厚，至反面膜与质膜近似；
• 从发生和分化的角度看，扁平囊可看作为内质网和质膜的中间分化阶段。

2. 化学组成

• 膜脂的种类和数量介于质膜和ER膜之间；
• 反面的膜较顺面的膜含有更多的酶，能促使分泌物的浓缩、成熟。
  • 溶酶体的酶就是在反面的囊泡中浓缩的，表明溶酶体就是在此区域装配的；

3. 功能

• 从顺面到反面，不同的膜囊含有不同的酶

四、高尔基体的功能

1. 参与糖蛋白的生物合成
2. 参与溶酶体的形成
3. 糖脂的生物合成
4. 蛋白质结构的再加工
5. 参与膜的转变
6. 参与细胞的分泌活动

第三节 溶酶体 (lysosome)

一、溶酶体的一般特征

1. 概念： 是由一层单位膜包裹、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。能分解各种内源性和外源性物质，被称为细胞内的消化器。

2. 形态：具有多样性和异质性

   • 大小：一般在0.25~0.5 m；
   • 底物：与底物结合，形态多样；
   • 内含物：不同的溶酶体所含水解酶的种类不同。

3. 溶酶体的酶：

   • 到目前为止，已经发现有60多种酸性水解酶；
   • 酶发挥活性的pH为3~6，最适pH为5；
   • 酸性磷酸酶是溶酶体的特征酶

4. 溶酶体的膜:

   • 溶酶体膜上具有质子泵（形成酸性环境）
   • 膜蛋白高度糖基化修饰（保护，抵抗酸性）
   • 具有特异转运蛋白

二、溶酶体的类型

根据溶酶体是否与底物结合分为两种类型：

根据溶酶体酶作用的来源以及消化程度，次级溶酶体又分为：

• 异噬性溶酶体(heterolysosome)：其作用物为外源性物质，即外来异物、坏死组织、细菌等。
• 自噬性溶酶体 (autolysosome)：其作用底物为内源性，即来源于细胞本身衰老或破损的细胞器(如线粒体、ER)和其它内含物(如糖原、脂类等)。
• 残体 (residual body)：在消化作用的最后阶段，由于酶的活力降低或消失，残留一些不再被消化、具有一定电子密度的剩余物质称为残体。
  • 脂褐素 (lipofusin)
  • 髓样结构(myeline figure)
  • 含铁小体(siderosome)
• 多泡体(multivesicular body)

三、溶酶体的形成

6-磷酸甘露糖标记

四、溶酶体的功能

a.溶酶体的消化、营养和防御作用

1. 营养作用
   • 消化外源性物质（产物为氨基酸、单糖脂肪酸 等）
   • 消化内源性物质
   • 脂类代谢（LDL-胆固醇）
2. 防御作用
   • 消除外源和内源有害因素
   • 启动免疫细胞应答(巨噬细胞)
   • 保护细胞免受炎症细胞破坏（中性粒细胞）
3. 细胞新陈代谢自我更新
4. 细胞自我保护机制

b.溶酶体在细胞外的消化作用 - 自溶作用 - 受精过程（精子的特化溶酶体“顶体”降解卵细胞表面）

c.溶酶体参与激素的调节 - 粒溶作用（垂体前叶细胞分泌泌乳素）

五、溶酶体与疾病的关系

• 先天性溶酶体病
• 溶酶体与矽肺
• 溶酶体与类风湿性关节炎
• 溶酶体与休克
• 溶酶体与肿瘤治疗
• 应用人工脂质体治疗先天溶酶体病

第四节 微体 (microbody)/过氧化物酶体(proxisome)

一、过氧化物酶体的形态、大小和数量

• 是一种特殊的细胞器，由单层膜包裹
• 内含多种氧化酶和过氧化氢酶
• 广泛存在于动、植物细胞中

二、过氧化物酶体的酶

1. 氧化酶：RH2+O2——R+H2O2
   • 催化底物产生过氧化氢
   • 各种氧化酶约占酶总量的60%
2. 过氧化氢酶：H2O2—R'H2——R'+H2O
   • 将过氧化氢还原生成水
   • 约占酶总量的40%
   • 过氧化物酶体的标志酶

三、过氧化物酶体的功能

• 对有毒物质的解毒作用（过氧化氢、乙醇等）
• 对细胞氧张力的调节作用
• 参与脂肪酸的分解代谢（脂肪酸降解为乙酰辅酶A）

四、过氧化物酶体的发生

• 翻译后转位 (post-translational translocation)
  • 游离核糖体合成，转运到过氧化物酶体
• C端特异性3肽序列SKL (-Ser-Lys-Leu-)