1、第七章第七章 真核細胞內膜系統、真核細胞內膜系統、蛋白質分選與膜泡運輸蛋白質分選與膜泡運輸 細胞內區室化是真核細胞結構和功能的基本特征之一。 細胞內被膜區分為3類結構：細胞質基質細胞質基質、細胞內膜系統細胞內膜系統和其他由膜包被的各種細胞器細胞器。各細胞內區室之間通過生物合成、蛋白質分選、膜泡運輸和各種質量監控機制維系細胞內膜系統的動態平衡。第一節第一節 細胞質基質與功能細胞質基質與功能一、細胞質基質的涵義一、細胞質基質的涵義 細胞質基質指細胞質基質指細胞質中除去細胞器和內膜系統細胞質中除去細胞器和內膜系統留下的無一定形態結構的膠狀物質留下的無一定形態結構的膠狀物質。有的學者稱為。有的學者稱為

2、胞質溶膠。主要含有與中間代謝有關的數千種酶類胞質溶膠。主要含有與中間代謝有關的數千種酶類以及與維持細胞形態和物質運輸有關的細胞質骨架以及與維持細胞形態和物質運輸有關的細胞質骨架結構。結構。 已有的證據顯示，細胞質基質可能是一個高度已有的證據顯示，細胞質基質可能是一個高度有序且又不斷變化的結構體系，細胞骨架纖維貫穿有序且又不斷變化的結構體系，細胞骨架纖維貫穿其中。其中。二、細胞質基質的功能二、細胞質基質的功能 完成各種中間代謝過程完成各種中間代謝過程 如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑、糖如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑、糖原合成與分解、蛋白質與脂肪的合成等。原合成與分解、蛋白質與脂肪

3、的合成等。 蛋白質的分選與運輸蛋白質的分選與運輸與細胞質骨架相關的功能與細胞質骨架相關的功能 細胞質骨架是細胞基質的主要結構成分，參與維持細細胞質骨架是細胞基質的主要結構成分，參與維持細胞形態、細胞運動、胞內物質運輸及能量傳遞等，也是細胞形態、細胞運動、胞內物質運輸及能量傳遞等，也是細胞質基質結構體系的組織者，為細胞質基質中其他成分和胞質基質結構體系的組織者，為細胞質基質中其他成分和細胞器提供錨定位點。細胞器提供錨定位點。 與蛋白質的修飾及選擇性降解有關。與蛋白質的修飾及選擇性降解有關。 蛋白質的修飾蛋白質的修飾 在細胞質中發生的蛋白質修飾的類型主要有：在細胞質中發生的蛋白質修飾的類型主要有：

4、 輔酶或輔基與酶的共價結合；輔酶或輔基與酶的共價結合； 磷酸化與去磷酸化，用以調節很多蛋白質磷酸化與去磷酸化，用以調節很多蛋白質的生物活性；的生物活性； 糖基化；糖基化； 對某些蛋白質的對某些蛋白質的N N端進行甲基化修飾；端進行甲基化修飾； 酰基化。酰基化。 控制蛋白質的壽命控制蛋白質的壽命降解變性和錯誤折疊的蛋白質降解變性和錯誤折疊的蛋白質 幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新折疊形幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新折疊形 成正確的分子構象成正確的分子構象 主要依靠熱休克蛋白來完成。在正常細胞中，主要依靠熱休克蛋白來完成。在正常細胞中，熱休克蛋白選擇性地與畸形蛋白質結合成聚合物，熱休克蛋白選擇性地與

5、畸形蛋白質結合成聚合物，利用水解利用水解ATPATP釋放的能量使聚集的蛋白質溶解，并進釋放的能量使聚集的蛋白質溶解，并進一步折疊成正確構象的蛋白質。一步折疊成正確構象的蛋白質。第二節細胞內膜系統及其功能第二節細胞內膜系統及其功能 細胞內膜系統是指在結構、功能或發生上細胞內膜系統是指在結構、功能或發生上相關的膜圍繞的細胞器或細胞結構，主要指內相關的膜圍繞的細胞器或細胞結構，主要指內質網、高爾基體、溶酶體和分泌泡等。質網、高爾基體、溶酶體和分泌泡等。 結構、功能和發生上相關的內膜形成的細胞結構結構、功能和發生上相關的內膜形成的細胞結構稱為細胞內膜系統，如核被膜、內質網、高爾基體等。稱為細胞內膜系統

6、，如核被膜、內質網、高爾基體等。 功能：區隔（室）化；增加內表面積，提高代謝和功能：區隔（室）化；增加內表面積，提高代謝和調節能力。調節能力。 從系統發生來看內膜系統起源于質膜的內陷和內共從系統發生來看內膜系統起源于質膜的內陷和內共生。生。 從個體發生來看新細胞的內膜系統來源于原有內膜從個體發生來看新細胞的內膜系統來源于原有內膜系統的分裂，具有核外遺傳的特性。系統的分裂，具有核外遺傳的特性。一、內質網的形態結構與功能一、內質網的形態結構與功能 K. R. PorterK. R. Porter（波特）（波特）等在等在19451945年發現于培養的年發現于培養的小鼠成纖維細胞，因最初看到的是位于細

7、胞質內小鼠成纖維細胞，因最初看到的是位于細胞質內部的網狀結構，故名內質網（部的網狀結構，故名內質網（ERER）。）。 內質網是由封閉的膜系統及圍成的腔形成互內質網是由封閉的膜系統及圍成的腔形成互相溝通的網狀結構。相溝通的網狀結構。 在不同類型細胞中或同一細胞不同生理狀態在不同類型細胞中或同一細胞不同生理狀態下，內質網的數量、類型與形態差異很大。下，內質網的數量、類型與形態差異很大。 內質網通常占細胞膜系統的一半左右，體積內質網通常占細胞膜系統的一半左右，體積占細胞體積的占細胞體積的10%10%以上。以上。 細胞分裂時，內質網要經歷解體與重建的過程。細胞分裂時，內質網要經歷解體與重建的過程。 內

8、質網的存在，大大內質網的存在，大大增加了細胞內膜的表面積增加了細胞內膜的表面積，為，為多種酶多種酶特別是多酶體系提特別是多酶體系提供了大面積的結合位點供了大面積的結合位點。 形成的完整封閉體系形成的完整封閉體系，將內質網上合成的物質與細，將內質網上合成的物質與細胞質基質中合成的物質分隔開來，更有利于它們的胞質基質中合成的物質分隔開來，更有利于它們的加工加工和運輸和運輸。 原核細胞內沒有內質網，由細胞質膜代行其某些類原核細胞內沒有內質網，由細胞質膜代行其某些類似的職能。似的職能。 微粒體是在細胞勻漿和超速離心過程中，由破碎的微粒體是在細胞勻漿和超速離心過程中，由破碎的內質網形成的囊泡結構，它包括

9、內質網與核糖體兩種基內質網形成的囊泡結構，它包括內質網與核糖體兩種基本成分。本成分。內質網的兩種基本類型內質網的兩種基本類型 內質網是連續的整體結構，可分為兩種基本類型。內質網是連續的整體結構，可分為兩種基本類型。 粗面內質網（粗面內質網（rERrER） rERrER多呈多呈扁囊狀扁囊狀，表面附有核糖體。，表面附有核糖體。 其主要功能是合成分泌性的蛋白質和多種膜蛋白等。其主要功能是合成分泌性的蛋白質和多種膜蛋白等。光面內質網（光面內質網（sERsER） 光面內質網常由分支的光面內質網常由分支的管道管道形成復雜的網狀，膜上形成復雜的網狀，膜上無核糖體附著。無核糖體附著。 sERsER是合成脂類的

10、重要場所。是合成脂類的重要場所。另外：內質網與細胞質膜、內質網與細胞核膜的關系。另外：內質網與細胞質膜、內質網與細胞核膜的關系。內質網的功能內質網的功能 內質網是細胞蛋白質與脂質合成的基地，內質網是細胞蛋白質與脂質合成的基地，幾乎全部的脂質和多種重要的蛋白質都是在內幾乎全部的脂質和多種重要的蛋白質都是在內質網上合成的。質網上合成的。 蛋白質的合成蛋白質的合成 蛋白質的合成都起始于細胞質基質中的核蛋白質的合成都起始于細胞質基質中的核糖體上。有些蛋白質合成開始不久即轉至內質糖體上。有些蛋白質合成開始不久即轉至內質網上，這些蛋白包括：網上，這些蛋白包括： 向細胞外分泌的蛋白；向細胞外分泌的蛋白； 膜

11、的整合蛋白；膜的整合蛋白；構成內膜系統細胞器中可溶性駐留蛋白構成內膜系統細胞器中可溶性駐留蛋白脂類的合成脂類的合成 sERsER合成了幾乎全部的膜脂。合成了幾乎全部的膜脂。 其中最主要的磷脂是磷脂酰膽堿（卵磷其中最主要的磷脂是磷脂酰膽堿（卵磷脂），膜脂在光面內質網的細胞質基質膜面上脂），膜脂在光面內質網的細胞質基質膜面上合成，隨后部分膜脂轉移到內質網腔面膜上。合成，隨后部分膜脂轉移到內質網腔面膜上。 合成的磷脂由內質網向其他膜轉運主要有合成的磷脂由內質網向其他膜轉運主要有兩種方式：出芽的方式或磷脂轉換蛋白兩種方式：出芽的方式或磷脂轉換蛋白(PEP)(PEP)轉移。轉移。卵磷脂在內質網膜上合成過

12、程的示意圖 合成磷脂所需要的3種酶定位于內質網膜上，其活性部位在膜的細胞質基質側，合成磷脂的底物來自于細胞質基質。蛋白質的修飾與加工蛋白質的修飾與加工 蛋白質在內質網中的化學修飾主要有：糖基化、蛋白質在內質網中的化學修飾主要有：糖基化、羥基化、酰基化與二硫鍵的形成等。羥基化、酰基化與二硫鍵的形成等。 糖基化伴隨著多肽合成同時進行，是內質網中最糖基化伴隨著多肽合成同時進行，是內質網中最常見的蛋白質修飾。常見的蛋白質修飾。在糖基轉移酶的作在糖基轉移酶的作用下，寡糖基從磷用下，寡糖基從磷酸多萜醇載體轉移酸多萜醇載體轉移到肽鏈的天冬酰胺到肽鏈的天冬酰胺殘基上。殘基上。新生的多肽折疊與裝配新生的多肽折疊

13、與裝配 其它功能其它功能 （主要指光面內質網）肝細胞中的光面（主要指光面內質網）肝細胞中的光面內質網具有內質網具有解毒功能解毒功能、固醇類激素的合成、固醇類激素的合成、與糖原分解有關等。與糖原分解有關等。 肌質網肌細胞中含有發達的特化的光面肌質網肌細胞中含有發達的特化的光面內質網，能釋放和攝入鈣離子來調節肌肉的內質網，能釋放和攝入鈣離子來調節肌肉的收縮活動。肌質網的主要功能是貯存收縮活動。肌質網的主要功能是貯存CaCa2+2+。 為細胞質基質蛋白、酶提供了附著位點。為細胞質基質蛋白、酶提供了附著位點。二、高爾基體的形態結構與功能二、高爾基體的形態結構與功能 18891889年意大利醫生高爾基在

14、光鏡下，在貓頭鷹神年意大利醫生高爾基在光鏡下，在貓頭鷹神經細胞中發現。經細胞中發現。2020世紀世紀5050年代以后才正確認識它的存年代以后才正確認識它的存在和結構。在和結構。高爾基體的形態結構與極性高爾基體的形態結構與極性 高爾基體由一些（常常高爾基體由一些（常常4 48 8個）排列較為整齊個）排列較為整齊的扁平的膜囊堆疊在一起，這些扁囊均由光滑的膜圍的扁平的膜囊堆疊在一起，這些扁囊均由光滑的膜圍成，構成高爾基體的主體結構。成，構成高爾基體的主體結構。 膜囊周圍有大量的大小不等的囊泡結構。膜囊周圍有大量的大小不等的囊泡結構。 高爾基體是一種有極性的細胞器，表現在它在細高爾基體是一種有極性的細

15、胞器，表現在它在細胞中有恒定的位置，物質從高爾基體的一側進入，從胞中有恒定的位置，物質從高爾基體的一側進入，從另一側輸出；扁囊堆常明顯地具一凸面和一凹面。另一側輸出；扁囊堆常明顯地具一凸面和一凹面。凸面（形成面、順面）靠近細胞核，凹面（成熟面、凸面（形成面、順面）靠近細胞核，凹面（成熟面、反面）面向細胞質膜。反面）面向細胞質膜。成熟面成熟面(mature face)反面（反面（trans face)形成面形成面(forming face)順面順面( cis face)Golgi Complex(Gc) 凸面：凸面：形成（順）面；形成（順）面；由由rER芽生芽生而來。而來。凹凹 面：面：成熟（反

16、）面成熟（反）面 Gc囊泡來源：來源： 近年來，借助超高壓電鏡技術，高爾基體的結構近年來，借助超高壓電鏡技術，高爾基體的結構有更清晰的認識。歸起來，高爾基體至少由互相聯系的有更清晰的認識。歸起來，高爾基體至少由互相聯系的幾部分組成：幾部分組成： 高爾基體的順面網狀結構（高爾基體的順面網狀結構（CGNCGN）與膜囊）與膜囊 位于高爾基體順面最外側的扁平膜囊，呈連續分位于高爾基體順面最外側的扁平膜囊，呈連續分支狀的管網結構，接受來自內質網新合成的物質，并將支狀的管網結構，接受來自內質網新合成的物質，并將其分類后轉入高爾基體中間膜囊，小部分蛋白質與脂類其分類后轉入高爾基體中間膜囊，小部分蛋白質與脂類

17、再返回內質網。再返回內質網。 高爾基體中間膜囊高爾基體中間膜囊 由扁平膜囊與管道組成，多數糖基化修飾、糖脂由扁平膜囊與管道組成，多數糖基化修飾、糖脂的形成以及與高爾基體有關的多糖的合成都發生在中間的形成以及與高爾基體有關的多糖的合成都發生在中間膜囊里。膜囊里。 高爾基體的反面網狀結構（高爾基體的反面網狀結構（TGNTGN）與膜囊）與膜囊 TGNTGN與反面的扁平囊相連，形態呈管網狀，并有囊與反面的扁平囊相連，形態呈管網狀，并有囊泡與之相連。泡與之相連。 TGNTGN的主要功能是參與蛋白質的分類與的主要功能是參與蛋白質的分類與包裝，最后從高爾基體中輸出。包裝，最后從高爾基體中輸出。 高爾基復合體

18、高爾基復合體(Gc)(Gc)的化學組成的化學組成 從從ERER到到GcGc到質膜，蛋白質種類逐漸減少。到質膜，蛋白質種類逐漸減少。GcGc所所含卵磷脂也介于含卵磷脂也介于ERER與質膜之間。與質膜之間。說明說明GcGc是處于是處于ERER和和細胞膜之間的一種過渡性細胞器。細胞膜之間的一種過渡性細胞器。 研究表明研究表明GcGc各部分呈不同的細胞化學反應：各部分呈不同的細胞化學反應： 它的順面扁平囊呈嗜鋨反應它的順面扁平囊呈嗜鋨反應 反面扁平囊呈反面扁平囊呈焦磷酸硫胺素酶（焦磷酸硫胺素酶（TPPTPP酶）酶）反應反應 反面管網結構呈反面管網結構呈胞嘧啶單核苷酸酶胞嘧啶單核苷酸酶反應反應 煙酰胺腺

19、嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADP)(NADP)酶酶是高爾基復是高爾基復合體中間幾層扁平囊的標志反應。合體中間幾層扁平囊的標志反應。 上述幾種酶為高爾基復合體的標志酶上述幾種酶為高爾基復合體的標志酶, ,定位定位于于GcGc的特殊區室的特殊區室(compartment)(compartment)中，可作為鑒別中，可作為鑒別高爾基體極性的標準。高爾基體極性的標準。 高爾基體的功能高爾基體的功能 高爾基體為細胞提供一個內部的運輸系高爾基體為細胞提供一個內部的運輸系統，來完成統，來完成蛋白質蛋白質和和脂類脂類的運輸的運輸。同時。同時合成合成糖蛋白糖蛋白，是，是分泌多糖和合成分泌多糖和合成多

20、糖多糖的場所。在的場所。在植物細胞中有植物細胞中有沉積細胞壁沉積細胞壁的功能。在細胞的的功能。在細胞的膜流中起重要作用。膜流中起重要作用。 高爾基體與細胞的分泌活動高爾基體與細胞的分泌活動 高爾基體與細胞的分泌活動有關。最高爾基體與細胞的分泌活動有關。最有力的證據是有力的證據是CaroCaro的放射示蹤實驗。的放射示蹤實驗。3 3H H標記亮氨酸標記亮氨酸3分鐘分鐘20分鐘分鐘120分鐘分鐘 高爾基復合體在高爾基復合體在細胞分泌活動中起著細胞分泌活動中起著重要的運輸作用；在重要的運輸作用；在分泌顆粒的形成過程分泌顆粒的形成過程中起著濃縮、修飾、中起著濃縮、修飾、加工等作用。加工等作用。2020

21、世紀世紀7070年代初，年代初，Caro(Caro(卡羅）用卡羅）用3 3H H標記亮標記亮氨酸對胰腺的腺泡細胞氨酸對胰腺的腺泡細胞進行脈沖標記，發現：進行脈沖標記，發現：溶酶體的酶是由溶酶體的酶是由rERrER上的核糖體合成上的核糖體合成rERrER腔內腔內運輸小泡運輸小泡 高爾基復合體（加工修飾）高爾基復合體（加工修飾） 溶酶體的酶內含有甘露糖溶酶體的酶內含有甘露糖-6-6-磷酸，高爾基磷酸，高爾基復合體反面扁囊膜上有甘露糖復合體反面扁囊膜上有甘露糖-6-6-磷酸受體，能磷酸受體，能特異與其結合，誘導溶酶體酶聚集并特異與其結合，誘導溶酶體酶聚集并出芽出芽離開高爾基復合體形成溶酶體。離開高爾

22、基復合體形成溶酶體。高爾基復合體與溶酶體的形成高爾基復合體與溶酶體的形成內吞體內吞體溶酶體酶的磷酸化溶酶體酶的磷酸化rER順面管網順面管網反面管網反面管網高爾基復合高爾基復合體體 溶酶體水解酶前體溶酶體水解酶前體加入磷酸基團加入磷酸基團M-6-P溶酶體酶溶酶體酶前前 溶溶 酶酶 體體ATPADP+PiH+ 去除磷酸去除磷酸pH=6成熟溶酶體成熟溶酶體 除分泌性蛋白、溶酶體中酸性水解酶外，除分泌性蛋白、溶酶體中酸性水解酶外，很多細胞膜上的膜蛋白及膠原蛋白、彈性纖維很多細胞膜上的膜蛋白及膠原蛋白、彈性纖維等細胞外基質成分都是通過高爾基體完成其定等細胞外基質成分都是通過高爾基體完成其定向轉動過程。向

23、轉動過程。 蛋白質的合成與轉運 在粗面內質網上合成的糖蛋白在內質網和在粗面內質網上合成的糖蛋白在內質網和高爾基體中發生了糖基化。高爾基體中發生了糖基化。 糖基化類型糖基化類型 真核細胞中寡糖鏈一般結合在肽鏈的真核細胞中寡糖鏈一般結合在肽鏈的4 4種種氨基酸殘基上，由此可分為兩大類不同的糖基氨基酸殘基上，由此可分為兩大類不同的糖基化修飾，即：化修飾，即： N N連接連接（主要在內質網中合成）（主要在內質網中合成） 連接到天冬酰胺的連接到天冬酰胺的N N原子上原子上 O O連接連接（主要在高爾基體中合成）（主要在高爾基體中合成） 連接到絲氨酸、蘇氨酸或在羥賴連接到絲氨酸、蘇氨酸或在羥賴 氨酸或羥脯

24、氨酸的羥基上氨酸或羥脯氨酸的羥基上高爾基復合體對蛋白質的修飾加工高爾基復合體對蛋白質的修飾加工參與糖蛋白的合成和修飾參與糖蛋白的合成和修飾 N N連接寡糖鏈連接寡糖鏈 O O連接寡糖鏈連接寡糖鏈 高爾基體中含有糖基轉移酶，其主要作用高爾基體中含有糖基轉移酶，其主要作用是對糖基的寡糖鏈進行修飾。是對糖基的寡糖鏈進行修飾。 糖蛋白糖蛋白蛋白質合成蛋白質合成溶酶體寡聚糖磷酸化溶酶體寡聚糖磷酸化切除甘露糖切除甘露糖加加N-N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺加半乳糖加半乳糖加唾液酸；分選加唾液酸；分選溶酶體溶酶體順面網狀結構順面網狀結構中間膜囊中間膜囊反面膜囊反面膜囊反面網狀結構反面網狀結構大泡（分泌顆粒）大

25、泡（分泌顆粒）rERrER高爾基復合體高爾基復合體順面膜囊順面膜囊切除甘露糖切除甘露糖rERrER合成的蛋白質在合成的蛋白質在GcGc加工中，被加上不同的分選信號（磷加工中，被加上不同的分選信號（磷酸、半乳糖、唾液酸等），被反面酸、半乳糖、唾液酸等），被反面GcGc膜上的專一受體識別、膜上的專一受體識別、濃縮、分選后，形成不同運輸小泡運到細胞的不同部位。濃縮、分選后，形成不同運輸小泡運到細胞的不同部位。高爾基復合體對高爾基復合體對蛋白質的分選蛋白質的分選運輸運輸NoImage3 3H H標記甘露糖標記甘露糖3 3H H標記半乳糖；唾液糖標記半乳糖；唾液糖3 3H H標記標記N-N-乙酰葡萄糖胺

26、乙酰葡萄糖胺高爾基復合體對糖蛋白的合成高爾基復合體對糖蛋白的合成和修飾過程具有嚴格的順序性。和修飾過程具有嚴格的順序性。用電鏡放射自顯影方法，用電鏡放射自顯影方法，顯示在內質網和高爾基體顯示在內質網和高爾基體各間隔中寡糖合成的活性。各間隔中寡糖合成的活性。 Gc Gc的扁平囊堆具有三個生化區室，分別為的扁平囊堆具有三個生化區室，分別為順面膜囊順面膜囊、中間膜囊中間膜囊和和反面膜囊反面膜囊，每一區室含，每一區室含1 13 3個扁平囊，分別個扁平囊，分別依次包含對蛋白質進行逐步加工的特異性酶。依次包含對蛋白質進行逐步加工的特異性酶。 如順面膜囊中有如順面膜囊中有磷酸轉移酶磷酸轉移酶（磷酸化）；中間膜囊（磷酸化）；中間膜囊有有N-N-乙酰葡糖胺轉移酶乙酰葡糖胺轉移酶I I，可將，可將N-N-乙酰葡萄糖胺加到蛋乙酰葡萄糖胺加到蛋白質上；反面膜囊含有對糖蛋白的糖鏈末端進一步修飾白質上；反面膜囊含有對糖蛋白的糖鏈末端進一步修飾的的半乳糖轉移酶半乳糖轉移酶等。因此有人將等。因此有人將扁平囊堆扁平囊堆比喻成一個工比喻成一個工廠，而不同的生化區室就如工廠中的不同車間或工段，廠，而不同的生化區室就如工廠中的不同車間或工段，蛋白質必須依次通過所有的工段才能被正確地修飾加工蛋白質必須依次通過所有的工