第七章 内膜系统与蛋白质分选.docx

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第七章内膜系统与蛋白质分选

第七章内膜系统与蛋白质分选

名词：

膜结合细胞器：

指细胞质中所有具有膜结构的细胞器。

包括细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、分泌泡、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等。

由于它们都是封闭的膜结构，内部都有一定的空间，所以又称为膜结合区室。

通过形成膜结合细胞器，使细胞的功能定位在一定的细胞结构并组成相互协作的系统。

内膜系统:

内膜系统是指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡（包括内体和分泌泡）等四类膜结合细胞器,因为它们的膜是相互流动的，处于动态平衡，在功能上也是相互协同的。

广义上的内膜系统概念也包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核等细胞内所有膜结合的细胞器。

小泡运输（膜泡运输）：

细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。

膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。

许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器，可见不同的膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。

胞内膜泡运输沿微管或微丝运行，动力来自马达蛋白

内质网：

内质网是细胞内的一个精细的膜系统。

是交织分布于细胞质中的膜的管道系统。

两膜间是扁平的腔、囊或池。

内质网分两类，一类是膜上附着核糖体颗粒的叫粗糙型内质网，另一类是膜上光滑的，没有核糖体附在上面，叫光滑型内质网。

粗糙型内质网的功能是合成蛋白质大分子，并把它从细胞输送出去或在细胞内转运到其他部位。

光滑型内质网的功能与糖类和脂类的合成、解毒、同化作用有关，并且还具有运输蛋白质的功能。

溶酶体:

溶酶体（lysosomes）真核细胞中的一种细胞器；为单层膜包被的囊状结构，直径约0.025～0.8微米；内含多种水解酶，专司分解各种外源和内源的大分子物质。

高尔基体:

是真核细胞中内膜系统的组成之一，它由扁平膜囊（saccules）、大囊泡（vacuoles）、小囊泡（vesicles）三个基本成分组成。

信号斑:

信号斑是由几段信号肽形成的一个三维结构的表面,这几段信号肽聚集在一起形成一个斑点被磷酸转移酶识别。

信号斑是溶酶体酶的特征性信号。

信号识别颗粒:

在真核生物细胞质中一种小分子RNA和六种蛋白的复合体，此复合体能识别核糖体上新生肽末端的信号，顺序并与之结合，使肽合成停止，同时它又可和ER膜上的停泊蛋白识别和结合，从而将mRNA上的核糖体，带到膜上。

SRP上有三个结合位点：

信号肽识别结合位点，SRP受体蛋白结合位点，翻译暂停结构域。

细胞分泌:

动物细胞和植物细胞将在粗面内质网上合成而又非内质网组成部分的蛋白和脂通过小泡运输的方式经过高尔基体的进一步加工和分选运送到细胞内相应结构、细胞质膜以及细胞外的过程称为细胞的分泌。

调节型分泌途径:

调节型分泌（regulatedsecretorypathway）小泡形成的方式可能与溶酶体相似,分泌蛋白在高尔基体反面网络中通过分选信号与相应的受体结合,使其分选到分泌泡中。

分泌泡比运输溶酶体的运输小泡大,所含的蛋白质远远多于膜受体的量,因此有人认为这种分选可能更象细胞表面的受体介导的内吞过程,有网格蛋白参与。

组成型分泌途径:

在这种分泌途径中,运输小泡持续不断地从高尔基体运送到细胞质膜，并立即进行膜的融合，将分泌小泡中的蛋白质释放到细胞外,此过程不需要任何信号的触发,它存在于所有类型的细胞中。

在大多数细胞中,组成型分泌途径的物质运输不需要分选信号,从内质网经高尔基体到细胞表面的物质运输是自动地进行的。

组成型分泌途径除了给细胞外提供酶、生长因子和细胞外基质成分外，也为细胞质膜提供膜整合蛋白和膜脂。

异质性细胞器:

是指在不同生物及不同发育阶段，该细胞器的形态、大小,甚至所含有酶的种类都有很大的不同，如溶酶体、过氧化物酶体。

自体吞噬:

自体吞噬指细胞将自己细胞质的一部分（如线粒体和内质网）包围起来形成液泡（自体吞噬泡），再依靠初级溶酶体供应的水解酶将其消化。

自体吞噬可由于饥饿和激素的作用等诱导产生。

异体吞噬:

细胞吞噬感染的病毒、细菌或其它一些颗粒等称为异体吞噬

自溶作用:

自溶作用是细胞的自我毁灭,即溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解

起始转移信号:

蛋白质氨基末端的信号序列除了作为信号被SRP识别外,还具有起始穿膜转移的作用。

在蛋白质共翻译转运过程中,信号序列的N-端始终朝向内质网的外侧,插入蛋白质转运通道后与通道内的信号序列结合位点（受体）结合,其后的肽序列是以袢环的形式通过运输通道。

不过N-端的起始转移序列是可切除的序列,它的旁边有信号肽酶的作用位点,以N-端信号序列作为起始转移信号的一般都是分泌蛋白。

内部信号序列：

内部信号序列又称内部信号肽，它不为于N端，但具有信号序列的作用，故称内部信号序列。

它可以作为蛋白质共翻译转移的信号被SPR识别，同时它也是起始转移信号，可以插入蛋白质转运通道，并与通道中的受体结合，引导其后的多肽序列转运。

终止转移序列：

存在于新生肽中使肽链终止转移的一段信号序列，可导致蛋白质锚定在膜的双脂层中。

因终止转移序列的作用而形成单次跨膜的蛋白质，那么该蛋白质在结构上只有一个终止转移序列没有内部转移信号，但在N端有一个信号序列作为起始转移信号。

矽肺/硅肺矽肺:

是由于长期吸入石英粉尘所致的以肺部弥漫性纤维化为主的全身性疾病

蛋白质分选:

主要是指膜结合核糖体上合成的蛋白质，通过信号肽，在翻译的同时进入内质网，然后经过各种加工和修饰，使不同去向的蛋白质带上不同的标记，最后经过高尔基体反面网络进行分选，包装到不同类型的小泡，并运送到目的地，包括内质网、高尔基体、溶酶体、细胞质膜、细胞外和核膜等。

广义的蛋白质分选也包括在游离核糖体上合成的蛋白质的定位。

衔接蛋白:

参与披网格蛋白小泡组装的一种蛋白质,分子量为100kDa,在披网格蛋白小泡组装中与受体的细胞质结构域相互作用,起衔接作用。

装配反应因子ARF:

一类与被膜小泡装配相关的蛋白因子。

在COP被膜小泡装配中,ARF被认为是外被体外被的装配和去装配的信号。

装配反应因子是一种单体GTPase，由一条多肽链组成，同时含有一个脂肪酸的尾部，属单体GTP结合蛋白。

SNARE假说：

每一种运输小泡都有一个特殊的V-SNARE标志，能够同适当的靶膜上的T-SNARE标志相互作用。

一种运输小泡在没有找到合适的靶位点之前有可能同几种不同的膜位点进行暂时性的接触，这种接触是不稳定的，只有找到真正的靶位点才会形成稳定的机构。

存在于小泡膜上的V-SNAREs是在外被体外被形成时共包装到转运小泡上的，它同靶位点膜上的T-SNAREs蛋白的结合决定了转运小泡的选择性地停靠。

思考题：

1.内质网的形态、组成及功能。

内质网膜约占细胞总膜面积的一半，是真核细胞中最多的膜。

内质网是内膜构成的封闭的网状管道系统。

具有高度的多型性。

粗面内质网（RER）呈扁平囊状，排列整齐，膜围成的空间称为ER腔，膜外有核糖体附着。

SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。

肌肉细胞中的内质网是一种特化的滑面内质网（SER），称为肌质网，可贮存Ca2+，引起肌肉收缩。

SER功能：

1、糖原分解释放游离的葡萄糖2、ca2+库3、类固醇激素的合成4、脱毒5、膜脂的合成与转运

RER功能：

1、蛋白质的合成转运2、合成蛋白的质量监控3、蛋白质的修饰加工处理

2.高尔基体的形态、组成及功能。

高尔基体是由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。

常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形，凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面。

凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面。

顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡，在具有极性的细胞中，高尔基体常大量分布于分泌端的细胞质中。

功能：

高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。

3.为什么说高尔基体是一种极性细胞器?

结构上的极性:

高尔基体可分为几个不同的功能区室。

①靠近内质网的一面是由一些管状囊泡形成的网络结构,通常将这一面称为顺面,或称形成面。

由于顺面是网络结构,所以又称顺面高尔基网络。

从功能上看,CGM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。

②高尔基体中间膜囊由扁平囊和管道组成,形成不同的区室,但功能上是连续的、完整的膜体系。

多数糖基修饰、糖脂的形成、以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊中。

③反面高尔基网络,是高尔基复合体最外面一侧的管状和小泡状物质组成的网络结构，它是高尔基复合体的组成部分，并且是最后的区室。

蛋白质的运输信号在此被特异的受体接受，进行分拣，集中，形成不同的分泌小泡，被运送到不同的地点。

因此,它的主要功能是参与蛋白质的分类与包装,并输出高尔基体。

某些“晚期”蛋白质的分类与包装也发生在TGN中。

功能上的极性:

高尔基体虽然是由膜囊构成的复合体,但是不同的膜囊有不同的功能,执行功能时又是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序,这就是高尔基体的极性。

4.溶酶体的特征及酶蛋白M6P标记是怎样形成的?

如何经M6P分选途径进行分选?

①溶酶体真核细胞中的一种细胞器；为单层膜包被的囊状结构，直径约0.025～0.8微米；内含多种水解酶，专司分解各种外源和内源的大分子物质。

②酶蛋白M6P标记是怎样形成：

溶酶体的酶在膜旁核糖体上合成，通过信号肽的引导进入粗面内质网，在粗面内质网进行N-连接糖基化。

在此过程中，溶酶体酶蛋白先带上3个葡萄糖、9个甘露糖和2个N-乙酰葡萄糖胺，切除三分子葡萄糖和一分子甘露糖后转运到高尔基体；在高尔基体顺面网络对N连接的糖链进行磷酸化修饰，带上6-磷酸甘露糖的标记

③M6P分选途径：

具有M6P标记的溶酶体酶在反面高尔基体网络与受体结合后,在网格蛋白帮助下形成具有网格蛋白外被的溶酶体酶分泌小泡,网格蛋白解聚后的溶酶体酶分泌小泡与一种具有分选作用的细胞器：

次级内体融合,由于次级内体内部的pH≈5.5,融合后的内体中的pH低于6,所以与M6P受体结合的溶酶体酶与受体脱离,释放到内体中；接着,由次级内体中的磷酸酶使溶酶体酶脱磷酸,防止溶酶体酶与M6P受体重新结合。

融合后的次级内体可以通过出芽形成两种类型的小泡,一种含有溶酶体酶蛋白但不含M6P受体,这种小泡即是成熟的溶酶体。

另一种小泡只含有M6P受体,不含有酶,它们主要是同反面高尔基体膜融合,偶尔这种小泡也会同质膜融合完成M6P的再循环。

5.举例说明溶酶体与某些疾病的关系。

①硅肺：

二氧化硅尘粒吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。

二氧化硅的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细胞吞噬，如此反复进行。

受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。

②Ⅱ型糖原贮积病：

溶酶体缺乏α-1，4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。

属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。

③休克：

在休克过程中，机体微循环发生紊乱，组织缺血、缺氧，影响了供能系统，使膜不稳定，引起溶酶体酶的外漏，造成细胞与机体的损伤。

休克时机体细胞内溶酶体增多，体积增大，吞噬体显著增加。

溶酶体内的酶向组织内外释放，多在肝和肠系膜等处，引起细胞和组织自溶。

因此，在休克时，测定淋巴液和血液中溶酶体酶的含量高低，可作为细胞损伤轻重度的定量指标。

通常以酸性磷酸酶、β-葡萄糖醛酸酶与组织蛋白酶为指标。

关于休克时溶酶体释放的机理，有人提出是由于pH降低和三羧酸循环受阻。

休克时缺血缺氧，引起细胞pH值的下降（约pH5），酸性水解酶活化，水解溶酶体膜，最终导致溶酶体膜裂解，溶酶体释放，使细胞、组织自溶。

6.根据Blobel提出的新信号假说,阐述分泌蛋白转运的细胞分子机制。

1、ER转运蛋白质合成起始2、信号序列与SRP结合，同时SRP上的翻译暂停结构域同核糖体的A位点作用，暂时停止蛋白质合成3、核糖体附着到内质网上4、SRP释放与蛋白质转运通道的打开5、随着SRP的释放，蛋白质的合成重新开始，并向内质网腔转运，不需能量驱动5、信号肽酶切除信号序列7、蛋白质合成结束

7.根据信号假说，膜蛋白（单次和多次跨膜）是怎样形成的?

所谓二次跨膜就是在蛋白质中有两个跨膜的疏水区，多次跨膜则有多个起始跨膜信号与多个停止转移信号，它们的形成与内含信号序列和终止转移信号相关。

新生肽上是否含有停止转移信号决定了新生肽是否全部穿过内质网膜,成为内质网腔中的可溶性蛋白还是成为膜蛋白。

N-末端的信号序列和内含信号序列都可作为起始转移信号,但N-末端的信号序列是可切除的,而内含信号序列是不可切除的。

膜蛋白的跨膜次数是由其内含信号序列和停止转移信号序列的数目决定的,这些信号序列都是多肽链中的疏水氨基酸区,因此,根据多肽链中疏水氨基酸区的数目和位置可以预测其穿膜情况。

另外,由于膜蛋白总是从胞质溶胶穿入内质网膜,并且总是保持信号序列中含正电荷多的氨基酸一端朝向胞质溶胶面,因而相同蛋白质在内质网中的取向也必然相同。

结果造成内质网膜中蛋白质取向的不对称性,并由此决定了该蛋白在其它膜结合细胞器的膜结构中的方向。

8.内膜系统的形成对于细胞生命活动具有哪些重要意义?

①内膜系统中各细胞器膜结构的合成和装配是统一进行的，这不仅提高了合成的效率，更重要的是保证了膜结构的一致性，特别是保证了膜蛋白在这些膜结构中方向的一致性。

②内膜系统在细胞内形成了一些特定的功能区域和微环境，如酶系统的隔离与衔接,细胞内不同区域形成pH值差异,离子浓度的维持,扩散屏障和膜电位的建立等等，以便在蛋白质、脂类、糖类的合成代谢、加工修饰、浓缩过程中完成其特定的功能。

③内膜系统通过小泡分泌的方式完成膜的流动和特定功能蛋白的定向运输，这不仅保证了内膜系统中各细胞器的膜结构的更新，更重要的是保证了一些具有杀伤性的酶类在运输过程中的安全，并能准确迅速到达作用部位。

④细胞内的许多酶反应是在膜上进行的,内膜系统的形成,使这些酶反应互不干扰。

⑤扩大了表面积,提高了表面积与体积的比值。

⑥区室的形成,相对提高了重要分子的浓度,提高了反应效率。

9.网格蛋白被膜小泡、COPI被膜小泡、COPII被膜小泡是怎样形成的？

披网格蛋白小泡的形成分为三个基本过程∶

①膜小窝（clathrin-coatedpit）的形成：

格蛋白被膜小窝是披网格蛋白小泡形成过程中的一个中间体。

在胞吞过程中，吞入物（配体）先同膜表面特异受体结合，然后网格蛋白装配的亚基结合上去，使膜凹陷成小窝状。

由于这种小窝膜外侧结合有许多网格蛋白，故称为网格蛋白被膜小窝。

②披网格蛋白小泡的形成：

在形成了网格蛋白被膜小窝之后，很快通过出芽的方式形成小泡，即披网格蛋白小泡，小泡须在发动蛋白的作用下与质膜割离。

由于此时的小泡外面有网格蛋白包被，故称为被膜小泡。

③小泡的形成：

披网格蛋白小泡形成之后，很快脱去网格蛋白的外被，成为无被小泡。

在真核细胞中有一种分子伴侣Hsc70催化披网格蛋白小泡的外被去聚合形成三腿复合物，并重新用于披网格蛋白小泡的装配。

COPⅡ小泡的形成过程：

1、在高尔基体膜中的一种酶的催化下，ARF蛋白将所结合的GDP和GTP进行交换。

出芽随即开始2、ARF-GTP在高尔基体膜中ARF的受体结合后，外被体与高尔基体的胞质溶胶面结合并聚合成纤维状外被体，诱导出芽形成小泡3、在出芽形成小泡过程中，不仅将被运输的物质包进小泡，也包括一些其他的膜蛋白，有着包括V-SNARE，他的作用是导航，指引小泡到达正确的目的地4、脂酰CoA帮助小泡与供体膜脱离，随着GTP的水解小泡的外被解聚

COPⅡ小泡的装配需要一种称为Sar1的G蛋白的参与。

当Sar1中GDP与GTP进行了交换，诱导Sec23和Sec24蛋白的结合，接着是Sec13和Sec31蛋白的结合，最后由一种结合在ER表面的大蛋白质，Sec16与Sec23/Sec24复合物、Sec13/Sec31复合物相互作用，装配成一个完整的小泡。

10.什么是小泡寻靶的SNARE假说（SNAREhypothesis）?

提出的依据是什么?

SNARE假说:

每一种运输小泡都有一个特殊的V-SNARE标志，能够同适当的靶膜上的T-SNARE标志相互作用。

一种运输小泡在没有找到合适的靶位点之前有可能同几种不同的膜位点进行暂时性的接触，这种接触是不稳定的，只有找到真正的靶位点才会形成稳定的机构。

存在于小泡膜上的V-SNAREs是在外被体外被形成时共包装到转运小泡上的，它同靶位点膜上的T-SNAREs蛋白的结合决定了转运小泡的选择性地停靠。

SNARE假说是JamesRothman和他的同事根据对动物细胞融合研究的发现提出的。

他们发现动物细胞融合需要一种可溶性的细胞质蛋白,叫做N-乙基马来酰亚胺敏感的融合蛋白以及其它几种可溶性的NSF附着蛋白。

NSF是一种四聚体，四个亚基都相同。

SNAPs有α-、β-和γ-SNAPs等几种不同的形式。

由于NSF/SNAPs能够介导不同类型小泡的融合,说明它没有特异性。

据此Rothman等提出一种假设:

膜融合的特异性是由另外的膜蛋白提供的，把这种蛋白称为SNAP受体蛋白，或称为SNAREs，这种蛋白可以作为膜融合时SNAPs的附着点。

11.什么是Rab蛋白?

在小泡转运中起什么作用?

Rab蛋白石一类调节型的单体GTPase，属小GTP结合蛋白，所有的Rab蛋白都是由大约200个氨基酸组成的，并且有类似于Ras蛋白的重叠结构。

它能够结合GTP并将GTP水解，因此认为Rab蛋白通过GTP-GDP的循环来调节小泡的融合。

12.结合所学关于细胞内膜泡运输分子机理的相关知识，谈谈你对2013年Nobel生理/医学奖获得者“Discoveredthemolecularprinciplesthatgovernhowthecargoisdeliveredtotherightplaceattherighttimeinthecell.”的认识。

SNARE假说:

每一种运输小泡都有一个特殊的V-SNARE标志，能够同适当的靶膜上的T-SNARE标志相互作用。

一种运输小泡在没有找到合适的靶位点之前有可能同几种不同的膜位点进行暂时性的接触，这种接触是不稳定的，只有找到真正的靶位点才会形成稳定的机构。

存在于小泡膜上的V-SNAREs是在外被体外被形成时共包装到转运小泡上的，它同靶位点膜上的T-SNAREs蛋白的结合决定了转运小泡的选择性地停靠。

每个分泌小泡的运输都是具有特异性的，然而是什么分子机制是这么多分泌小泡都具有特异性定向运输的能力呢？

对，就是利用蛋白质的特异性结合使不同的分泌小泡的运输有了定向性，然而其中具有特异性的蛋白质又在哪里呢，是小泡上呢还是在运输的目的地呢？

答案是都有，在运输小泡的膜上具有V-SNARE，而靶细胞器上面也有T-SNARE和其结合，使运输具有定向性。

华俊豪20116957生物工程二班