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作业
●1、何谓信号肽假说？其主要内容是什么？
●2、简述分泌蛋白的运输过程。
幻灯片71
1、何谓信号肽假说？其主要内容是什么？
●信号肽假说指分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，
然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。
●其主要内容是：
●信号肽与S R P结合→肽链延伸终止→S R P与受体结合→S R P脱离信号肽→肽链在内
质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔→信号肽切除→肽链延伸至终止→翻译体系解散
幻灯片72
2、简述分泌蛋白的运输过程。
●分泌蛋白的运输过程如下：
●①核糖体阶段。
分泌性蛋白质起始合成并发生蛋白的跨内质网膜转运。
●②内质网阶段。
蛋白糖基化加工和形成运输小泡。
●③细胞质基质运输阶段。
运输小泡脱离糙面内质网并移向高尔基体，与其顺面膜囊融
合。
●④高尔基复合体加工修饰阶段。
分泌蛋白进行加工修饰，并在反面膜囊中分选和包装，
形成较大囊泡进入细胞质基质。
●⑤细胞质基质运输阶段。
大囊泡接近质膜。
●⑥胞吐阶段。
分泌泡与质膜融合，将分泌蛋白释放出胞外。
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。
Chapter 9 内膜系统与蛋白质分选和膜运输9.1 内膜系统概述9.1.1 内膜系统与膜结合细胞器1. 内膜系统(endomembrane systems)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)、细胞核等五类膜结合细胞器, 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、过氧化物酶体等细胞内所有膜结合的细胞器。
2. 膜结合细胞器(membrane-bound organelles)或膜结合区室(membrane-bound compartments)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。
除核糖体和细胞骨架。
3. 膜结合细胞器的功能:①胞质溶胶代谢的主要场所；蛋白质合成部位②细胞核基因组存在场所，DNA和RNA的合成地③内质网大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地④高尔基体蛋白质和脂的修饰、分选和包装⑤溶酶体细胞内的降解作用⑥内体内吞物质的分选⑦线粒体通过氧化磷酸化合成ATP⑧叶绿体进行光合作用⑨过氧化物酶体毒性分子的氧化4. 内膜结构特点与动态性质①独立性A 内膜封闭的区室B 执行独立的功能②动态性质A合成途径: 分泌性蛋白与脂的合成和加工内质网高尔基体B 分泌途径：内质网上合成的蛋白质和脂出芽小泡向外运输C内吞途径：细胞外的物质吞进内体和溶酶体内膜系统的动态特性：内膜系统将细胞中的生化合成、分泌和内吞作用连接成动态的、相互作用的网络。
在内质网合成的蛋白和脂通过分泌活动进入分泌小泡运送到工作部位(包括细胞外);细胞通过内吞途径将细胞外的物质送到溶酶体降解。
５. 内膜系统的进化①起因∶A 遗传信息的扩大B 体积的增大C 表面积与体积比值失调D 物质代谢速度受限②对策:细胞内部结构区域化③途径：A 内共生途径B 细胞质膜内陷途径。
9．内膜系统与膜运输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, 将细胞分成许多膜结合的区室,包括细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、内体和分泌泡等。
虽然这些区室具有各自独立的结构和功能，但它们又是紧密相关的，尤其是它们的膜结构是相互转换的，这种转换的机制则是通过蛋白质分选(protein sorting)和膜运输实现的(图9-1)。
图9-1 内膜系统和膜运输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关于真核细胞中具有膜结构的细胞器的总体描述通常有三个概念:膜结合细胞器(membrane-bound organelles)或膜结合区室(membrane-bound compartments)细胞质膜系统(cytoplasmic membrane system)内膜系统(endomembrane systems)虽然这三个概念都是指真核细胞中具有膜结构的细胞器,但是在含义上仍有一些差别。
膜结合细胞器的种类和功能膜结合细胞器种类与数量原核细胞内只有一个区室就是胞质溶胶(cytosol)。
真核细胞内有许多膜结合的区室，但与胞质溶胶相比, 所占比例都很小(表9-1)。
表9-1 肝细胞中主要膜结合细胞器的体积比细胞器每细胞所含数量细胞内的百分比胞质溶胶 1 54线粒体1700 22内质网 1 12细胞核 1 6高尔基体 1 3过氧化物酶体400 1溶酶体300 1内体200 1膜结合细胞器的功能膜结合细胞器在细胞的生命活动中具有重要作用(表9-2)。
表9-2 真核细胞膜结合区室的主要功能细胞器(区室) 主要功能胞质溶胶代谢的主要场所；蛋白质合成部位细胞核基因组存在的场所，DNA和RNA的合成地内质网大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地高尔基体蛋白质和脂的修饰、分选和包装溶酶体细胞内的降解作用内体内吞物质的分选线粒体通过氧化磷酸化合成ATP叶绿体进行光合作用过氧化物酶体毒性分子的氧化在这些膜结合的细胞器中,线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核等的独立性很强,并且有特别的功能；其他几种膜结合细胞器,如内质网、高尔基体、溶酶体和小泡,虽然有不同的结构和功能,但是它们都参与蛋白质的加工、分选和膜泡运输,形成了一个特别的细胞内系统。
1、细胞质基质：真核细胞的细胞质中除去细胞器和内含物以外的、较为均质半透明的液态胶状物称为细胞质基质或胞质溶胶。
4、内膜系统：细胞内在结构、功能乃至发生上相关的、由膜围绕的细胞器或细胞结构的统称，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡等。
2、微粒体：为了研究ER的功能，常需要分离ER膜，用离心分离的方法将组织或细胞匀浆，经低速离心去除核及线粒体后，再经超速离心，破碎ER的片段又封合为许多小囊泡（直径约为100nm），这就是微粒体。
3、糙面内质网：细胞质内有一些形状大小略不相同的小管、小囊连接成网状，集中在胞质中，故称为内质网。
内质网膜的外表面附有核糖体颗粒，则为糙面内质网，为蛋白质合成的部位。
核糖体附着的膜系多为扁囊单位成分，普遍存在于分泌蛋白质的细胞中，其数量随细胞而异，越是分泌旺盛的细胞中越多。
5、分子伴侣：细胞中，这类蛋白能识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽，并与多肽的一定部位相结合，帮助这些多肽的转移、折叠或组装，但其本身并不参与最终产物的形成。
6、溶酶体：溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中，是由单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类、形态不一、执行不同生理功能的囊泡状细胞器，主要功能是进行细胞内的消化作用，在维持细胞正常代谢活动及防御方面起重要作用。
7、残余小体：在正常情况下，被吞噬的物质在次级溶酶体内进行消化作用，消化完成，形成的小分子物质可通过膜上的载体蛋白转运至细胞质中，供细胞代谢用，不能消化的残渣仍留在溶酶体内，此时的溶酶体称为残余小体或三级溶酶体或后溶酶体。
残余小体有些可通过外排作用排出细胞，有些则积累在细胞内不被排出，如表皮细胞的老年斑、肝细胞的脂褐质。
8、蛋白质分选：细胞中绝大多数蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，随后或在细胞质基质中或转至糙面内质网上继续合成，然后，通过不同途径转运到细胞的特定部位并装配成结构与功能的复合体，参与细胞的生命活动的过程。
又称定向转运。
第九章内膜系统与蛋白质分选和膜运输2009-07-24 18:101. 如何理解膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布的?答: 从功能上看, 细胞内膜结合细胞器的分布是功能越重要越靠近中央; 从层次看, 上游的靠内, 下游的靠外。
如细胞核位于细胞的中央,它是细胞中最重要的细胞器,有两层膜结构。
细胞核的外膜与内质网的膜是联系在一起的, 细胞核的外膜是粗面内质网的一部分。
粗面内质网的功能是参与蛋白质合成, 其作用仅次于细胞核, 所以内质网位于细胞核的外侧。
高尔基体在内质网的外侧,接受来自内质网的蛋白质和脂肪,然后对它们进行修饰和分选,它所完成的是内质网的下游工作。
溶酶体是含有水解酶的囊泡,它是由高尔基体分泌而来。
内体是由内吞作用产生的具有分选作用的细胞器,它能向溶酶体传递从细胞外摄取的物质, 这种细胞器一般位于细胞质的外侧。
另外还有线粒体、过氧化物酶体等分布在细胞的不同部位。
如果是植物细胞还有叶绿体和中央大液泡, 它们是按功能定位。
2. 内膜系统的动态特性是如何形成的?答: 造成内膜系统的动态特性主要是由细胞中三种不同的生化活动引起的: ①蛋白质和脂的合成活动: 在动物细胞中主要涉及分泌性蛋白的合成和脂的合成和加工。
脂的合成在光面内质网,而分泌蛋白的合成起始于粗面内质网,完成于高尔基体。
②分泌活动: ③内吞活动(endocytosis pathway),是分泌的相反过程, 细胞将细胞外的物质吞进内体和溶酶体。
3. 请说明内膜系统的形成对于细胞的生命活动具有哪些重要的意义?答: 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。
4. 为什么说蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一?答: 这是因为在细胞生命周期的各个阶段都需要不断补充和更新蛋白质(或酶); 细胞中的线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器都是通过已存在细胞器的分裂增殖的，新形成的细胞器的生长需要大量的蛋白质。
细胞本身也是通过分裂增殖的,新形成的细胞为了增大体积，需要不断地补充蛋白。
即使是不进行分裂的细胞，由于细胞内蛋白质的寿命限制和降解，也需要不断地补充蛋白质，取代细胞器中丧失功能的蛋白,所以蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一。
5. 在蛋白质的合成与分泌的研究中分别使用了同位素示踪技术、分离技术和突变体研究技术, 说明这些技术的研究结果各说明了什么问题?答: 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。
6. 光面内质网是如何参与肝细胞维持血液中葡萄糖水平的恒定?答: 肝细胞的一个重要功能是维持血液中葡萄糖水平的恒定, 这一功能与葡萄糖-6-磷酸酶的作用密切相关。
肝细胞是以糖原颗粒的形式储存葡萄糖，肝细胞光面内质网的胞质溶胶面附着有糖原颗粒,当肌体需要葡萄糖时，糖原即被降解。
肝细胞中的糖原降解是受激素控制的，激素作为信号分子激发cAMP的浓度升高，然后由cAMP激活蛋白激酶A，蛋白激酶A能够激活将糖原水解生成1-磷酸葡萄糖的酶。
由于1-磷酸葡萄糖不能够通过扩散穿过细胞质膜进入血液，需要先转变成葡萄糖-6-磷酸，然后由光面内质网中的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液, 维持血液中葡萄糖水平的恒定。
7. 什么是肝细胞解毒? 肝细胞解毒的机理是什么?答: 肝细胞中的光面内质网能够对外来的有毒物质,如农药、毒素和污染物通过氧化、还原和水解,使有毒物质由脂溶性转变成水溶性而被排出体外, 此过程称为肝细胞解毒作用。
解毒作用需要氧和NADH, 而且每氧化一分子底物,要消耗一分子的氧,进而将NADPH转变成NADP+。
由于这种反应的一个氧原子出现在产物中,其他则存在于水分子中,将催化这种类型氧化作用酶称为混合功能的氧化酶。
混合功能的氧化酶系统类似一条呼吸链，由几个组分组成，核心成员是细胞色素P-450，它是光面内质网上的一类含铁的膜整合蛋白,因在450nm波长处具有最高吸收值,因此而得名。
细胞色素P-450是肝细胞光面内质网的主要膜蛋白，约占光面内质网膜蛋白的20%, 占细胞总蛋白的2～3%。
细胞色素P-450参与有毒物质以及类固醇和脂肪酸的羟基化。
羟基化涉及四个基本反应∶被氧化的物质同细胞色素P-450结合→细胞色素P-450中的铁原子被NADPH还原→氧同细胞色素P-450结合→底物结合一个氧原子被氧化,另一个氧原子用于形成水。
被氧化的底物由于带上羟基,增强水溶性,容易被分泌排出。
8. 为什么说多聚核糖体是研究内质网帮助蛋白质运输的好材料?答:这是因为当一条mRNA上结合有多个核糖体进行蛋白质翻译时,最先结合上的核糖体,其合成的多肽最长,最尾端的核糖体只是刚刚开始进行翻译(图Q9-1)。
如果翻译的是分泌蛋白,最先结合上的核糖体合成的多肽,其N-端可能没有了信号序列,因为在内质网中被切除了。
从骨髓瘤分离多聚核糖体的体外翻译实验证明了这一推测。
用去垢剂处理从骨髓瘤分离的多聚核糖体，使之与内质网膜分离后，继续在无细胞体系(不含RER小泡)中进行翻译，发现:短时间温育，即可得到成熟的分泌蛋白(无信号序列),而长时间的温育，得到的产物N-端有信号序列,这一结果说明由于mRNA中多聚核糖体合成蛋白质的不同步,位于mRNA3＇端的核糖体合成的蛋白质在分离前不仅进入了内质网,而且在内质网的腔中被切除了信号序列。
越靠近mRNA5＇端的核糖体合成的蛋白质越短,所以在体外经较长时间的翻译得到的是含有信号序列的前蛋白,因为没有了内质网,信号序列不能被切除。
图9Q-1 多聚核糖体体外翻译实验示意图9. 补充修改后的信号假说的要点是什么?答: 新的信号假说的要点如下: ①ER转运蛋白质合成的起始。
通过ER转运的蛋白合成仍然起始于胞质溶胶中的游离核糖体。
核糖体是蛋白质合成的基本装置，它并不决定合成蛋白质的去向，合成的蛋白质何去何从，是由mRNA决定的，也就是说是由密码决定的。
②信号序列与SRP结合。
SRP的信号识别位点识别新生肽的信号序列并与之结合; 同时,SRP上的翻译暂停结构域同核糖体的A位点作用, 暂时停止核糖体的蛋白质合成。
③核糖体附着到内质网上。
结合有信号序列的SRP通过它的第三个结合位点与内质网膜中受体(停靠蛋白)结合, 将核糖体附着到内质网的蛋白质转运通道(protein-translocating channel) 。
现已了解,SRP 受体是一种G蛋白,它对分泌蛋白的转运具有重要的调节作用。
受体蛋白与GTP 结合,表示是活性状态,能够与SRP结合,如果结合的是GDP 是非活性状态,不能与SRP结合。
④SRP释放与蛋白质转运通道的打开。
当SRP-信号序列-核糖体-mRNA复合物锚定到内质网膜后,SRP受体将其结合的GTP水解同时将SRP释放出来,此时蛋白转运通道打开,核糖体与通道结合,新生的肽插进通道。
释放的SRP又回到胞质溶胶中循环使用。
内质网膜蛋白质转运通道是一个多蛋白的复合物，详细的作用尚不清楚。
⑤信号序列与通道中受体结合。
蛋白质继续合成,随着SRP的释放,核糖体上的多肽插入到内质网的蛋白通道之后，信号序列与通道中的受体(或称信号结合蛋白)结合,蛋白质的合成重新开始,并向内质网腔转运,在此过程不需要能量驱动。
⑥信号肽酶切除信号序列。
当转运完成之后,若转运多肽的信号序列是可切割的序列则被内质网膜中信号肽酶(signal peptidase)所切割,释放出可溶性的成熟蛋白,切下的信号序列将被降解。
10. 根据信号假说, 膜蛋白(单次和多次跨膜)是怎样形成的?答: 主要是由停止转移信号及其数量决定的。
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。
11. 为什么说高尔基体是一种极性细胞器?答: 高尔基体的极性有两层含义: 一是结构上的极性,二是功能上的机型极性。
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(cis face), 或称形成面(forming face)。
由于顺面是网络结构,所以又称顺面高尔基网络(cis Golgi network,CGN)。
从功能上看,CGM被认为是初级分选站(primarily sorting station),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(medial Golgi) 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(trans Golgi network，TGN), 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。
