第九章内膜系统与蛋白质分选和膜运输教学目的1、掌握信号肽假说和蛋白质转运的机制。
2、掌握高尔基体参与细胞分泌活动的作用。
3、掌握细胞内蛋白质的分选。
教学内容本章从以下6个方面讨论了细胞质质基质与内膜系统:1．细胞质膜系统及其研究方法2．内质网3．高尔基复合体4．溶酶体5．细胞的分泌与内吞作用6．小泡运输的分子机理计划学时及安排本章计划6学时。
教学重点和难点真核细胞在进化上一个显著特点就是形成了发达的细胞质膜系统，将细胞内环境分割成许多功能不同的区室。
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，其中包括膜运输系统。
本章是细胞生物学的重点章，包括六个方面的内容，其中内质网及信号肽假说、小泡运输的分子机理是本章的关键内容。
1．内质网是内膜系统中的重要膜结合细胞器，主要分清光面内质网和粗面内质网在功能上的差异。
对于粗面内质网，重点是信号肽假说和蛋白质转运的机制。
2．高尔基复合体是内膜系统中参与蛋白质加工与分选的细胞器，要求了解和掌握高尔基体参与细胞分泌活动的作用，即将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。
理解高尔基体在细胞内物质运输中所起的交通枢纽作用。
3．关于溶酶体，要求掌握溶酶体膜的稳定性、溶酶体的类型及特点、溶酶体的功能、溶酶体的生物发生。
4．细胞内蛋白质的分选是本章的核心内容之一，重点学习和掌握运输小泡的类型和分选信号、披网格蛋白小泡形成的机理、COP-被膜小泡形成的机理、小泡的定向运输、停靠和融合机理。
通过本章的学习要充分了解细胞内部结构的动态关系，蛋白质合成和分选的机制和“流水”作业的模式，从中获得启发。
教学方法讲授、讨论教学过程9．内膜系统与蛋白质分选和膜运输9.1 细胞质膜系统及其研究方法9.1.1 膜结合细胞器与内膜系统■ 膜结合细胞器的种类和功能● 膜结合细胞器种类与数量(表)● 膜结合细胞器的功能（表）● 膜结合细胞器在细胞内的分布（图）■ 内膜系统的动态性质内膜系统的最大特点是动态性质(图),这就使内膜系统的结构处于一个动态平衡。
■ 膜结合细胞器的进化及其意义● 内膜系统的进化（图）真核细胞的膜结合细胞器的进化有两种途径，一种是线粒体和叶绿体的进化模式，即内共生途径。
对于内膜系统来说，则是通过细胞质膜的内陷分化途径形成的。
● 内膜系统形成的意义至少有六方面的意义:①首先是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。
9.1.2 内膜系统与蛋白质分选(protein sorting)■ 蛋白质分选定位的时空概念所谓蛋白质分选定位的时空概念包括两种含义:①合成的蛋白质何时转运?②合成蛋白质在细胞中定位空间及转运中所要逾越的空间障碍是什么?● 从时间上考虑,蛋白质的合成分选有两种情况:先合成,再分选和一边合成一边分选。
为了适于蛋白质分选的时间上的需要,核糖体在合成蛋白质时就有两种存在状态:游离的或与内质网结合的。
● 从蛋白质定位的空间看,包括了细胞内各个部分,即使是具有蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需要从细胞质中获取所需蛋白质(图)。
■ 蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式从蛋白质定位的细胞内空间部位结构来看,可分为三种类型:①没有膜障碍的,如胞质溶胶,包括胞质溶胶中的细胞骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；②有完全封闭的膜障碍,如线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体等；③有膜障碍,但是膜上有孔,如细胞核。
根据三种不同的空间障碍, 合成的蛋白质通过三种不同方式进行运输定位(图)。
● 核孔运输(transport through nuclear pore)● 跨膜运输(across membrane transport)● 小泡运输(transport by vesicles)9.1.3细胞内膜系统的研究方法De Duve, A.Claude 和G.Palade 三位科学家使用分离技术揭示了内膜系统的结构和功能而获得了1974的Nobel Plrize。
◆放射自显影（Autoradiography）；◆生化分析（Biochemical analysis）；◆遗传突变分析（Genetic mutants）作用：●同位素示踪技术确定了分泌的路线，从内质网开始经高尔基体运向细胞外；●分离技术确定了参与合成和分泌的主要细胞器的作用：内质网是参与蛋白质合成和转运的，高尔基体不仅是中转站，而且具有加工的作用。
●突变体研究揭示了分泌活动的相关基因及分泌的机理。
9.2内质网(endoplasmic reticulum，ER)9.2.1 形态结构和化学组成■ 形态结构一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。
由于它靠近细胞质的内侧，故称为内质网(图)。
内质网的两种基本类型:粗面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER）光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）另外还有两个概念：微粒体和肌质网,可将它们看成是特殊类型的内质网。
● 微粒体(microsome)：在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构,在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。
● 肌质网(sarcoplasmic reticulum)：心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。
■ 内质网的化学组成● 蛋白与脂：磷脂占50%-60%, 蛋白质约占20%。
● 代谢酶系：光面内质网存在许多代谢酶系(表),如NADH-细胞色素P450还原酶。
9.2.2 光面内质网的功能■ 糖原分解释放游离的葡萄糖■ 类固醇激素的合成■ 脂的合成与转运■ 解毒作用(detoxification)■ Ca2+离子的调节作用9.2.3 粗面内质网的功能——蛋白质转运■ 信号序列的发现和证实■ 信号序列的一般特征及早期信号假说● 信号序列的一般特征长度一般为15～35个氨基酸残基, N-末端含有1个或多个带正电荷的氨基酸,其后是6～12个连续的疏水残基;在蛋白质合成中将核糖体引导到内质网,进入内质网后通常被切除(图)。
● 早期的信号假说1975年, G.Blobel和B.Dobberstein 根据对信号序列的研究成果,正式提出了信号假说(signal hypothesis),要点是:(1)分泌蛋白的合成始于细胞质中的游离核糖体;(2)合成的N-端信号序列露出核糖体后,靠自由碰撞与内质网膜接触,然后靠N-端信号序列的疏水性插入内质网的膜;(3)蛋白质继续合成,并以袢环形式穿过内质网的膜;(4)如果合成的是分泌的蛋白,除了信号序列被信号肽酶切除外,全部进入内质网的腔,若是膜蛋白,则由一个或多个停止转移信号将蛋白质锚定在内质网膜上。
● 信号假说证明: 基因重组实验■ 新蛋白复合物的发现与信号假说的补充● 信号识别颗粒(signal recognition partical, SRP)1981年发现了信号识别颗粒(signal recognition partical, SRP),是一种核糖核酸蛋白复合体,作用是识别信号序列,并将核糖体引导到内质网上。
● 停靠蛋白(docking protein, DP) ：SRP在内质网膜上的受体蛋白。
■ 蛋白质共翻译转运的机理:信号假说● 新信号假说的基本内容①ER转运蛋白质合成的起始。
②信号序列与SRP结合。
③核糖体附着到内质网上。
④SRP释放与蛋白质转运通道的打开。
⑤信号序列与通道中受体结合。
⑥信号肽酶切除信号序列。
■ 膜蛋白的共翻译转运机理● 起始转移信号(start-transfer signal)● 内含信号序列(internal signal sequence) 与单次跨膜蛋白● 停止转移肽(stop-transfer peptide)与单次跨膜蛋白■ Bip在ER蛋白的转移和装配中的作用研究发现进入内质网腔中的蛋白质片段很快被一些称为Bip的蛋白结合。
Bip蛋白是重链结合蛋白(heavy-chain binding protein) 的简称,因为它能够同IgG抗体的重链结合。
Bip是一类分子伴侣,属于Hsp70家族,在内质网中有两个作用：Bip同进入内质网的未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合(图)。
■ 蛋白质在内质网中的修饰● N-连接糖基化(N-linked glycosylation)● 羟基化(hydroxylation)● 形成脂锚定蛋白9.3 高尔基复合体(Golgi complex)意大利科学家Camillo Golgi在1898年发现的。
9.3.1 高尔基体的形态结构和极性■ 形态结构电子显微镜下排列整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠在一起,多呈弓形, 也有的呈半球形或球形(图)。
■ 高尔基体的极性● 结构上的极性:高尔基体的结构可分为几个层次的区室; ①靠近内质网的一面称为顺面(cis face), 或称形成面(forming face)；②高尔基体中间膜囊(medial Golgi); ③靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络(trans Golgi network，TGN)。
● 功能上的极性:高尔基体执行功能时是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序。
■ 数量和分布●数量：数量不等,平均为每细胞20个。
●分布：高尔基复合体只存在于真核细胞中, 原核细胞中则无。
■ 高尔基体的化学组成● 蛋白质和脂：蛋白质含量占60%● 酶类高尔基复合体的膜上含有丰富的酶类,如糖基转移酶、磺化糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、激酶、甘露糖苷酶、磷脂酶等。
但在膜上的分布并不均一(表)。
高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶。
9.3.2 高尔基体的功能高尔基体的主要功能是参与细胞的分泌活动,是细胞内物质运输的交通枢纽。