医学细胞生物学 溶质~入状态A贰声状态B细胞外胞质溶胶介导被动转运结合溶质的载体蛋白的部位 (2)饱和现象：细胞膜中载体蛋白的数量和转运速率有限，当被转运的底物浓度增大到一定程度，使所有的结合位点被占满，底物的扩散速度达到最大值(vmax)，不再随底物的浓度增加而增大时，称为载体转运的饱和现象(saturation)。最大扩散速度vmux能反映载体蛋白构象转化的最大速率。扩散速度达v"lUX一半时(1/2vmax)时的底物浓度，称为米氏常数(Mi chealis constant,K"')，可反映载体蛋白对底物分子的亲和性，凡越小表明亲和力和转运效率越高，反之亦然。(3)竞争性抑制：所运底物与载体蛋白的结合可被竞争性抑制物特异性地阻断（竞争同一结合位点并且被或者不被转运）；也可被非竞争性抑制物阻断（结合在载体蛋白的其他部位改变其构象）。葡萄糖是人体最基本的直接能量来源，对千许多细胞包括红细胞而言，血糖和细胞外液中葡萄糖浓度高于细胞内，这些细胞膜上都含有一种向细胞内转运葡萄糖的膜蛋白，以易化扩散方式将葡萄糖转运入细胞。目前发现人类基因组编码14种与葡萄糖转运相关的载体蛋白GLUT!-GLUT14，构成葡萄糖转运体(glucose transporter, GLUT)蛋白家族，它们具有高度同源的氨基酸序列，都含有12次穿膜的a螺旋。GLUT!是首先在红细胞上发现的第一个成员，后来被证明普遍存在于绝大多数哺乳动物细胞，是基本的葡萄糖转运体。对GLUTl的研究发现，多肤穿膜段主要由疏水性氨基酸残基组成，但有些a－螺旋带有Ser、Thr、Asp和Glu残基，它们的侧链可以和葡萄糖轻基形成氢键。这些氨基酸残基被认为可以形成载体蛋白内部朝内或朝外的葡萄糖结合位点。人红细胞膜上存约5万个葡萄糖载体蛋白，其数量相当于其膜蛋白总量的5%，最大转运速度约为每秒转运180个葡萄糖分子。葡萄糖载体蛋白的三维结构尚未得到解析，因此葡萄糖转运机制还是一个谜。动力学研究表明葡萄糖的转运是通过载体蛋白的两种构象交替改变而完成的，因为载体蛋白是一种12次穿膜蛋白，它们不可能通过在脂双层中来回移动或翻转以转运物质分子。在第一种构象，葡萄糖结合位点朝向细胞外，结合葡萄糖之后，诱导其构象发生改变，使葡萄糖结合位点转向细胞内，释放葡萄糖入细胞，随后又恢复原先的构象，这样不断地将葡萄糖转运入细胞。所以说GLUT蛋白构象的变化是其转运功能的基础。


医学细胞生物学 溶质~入状态A贰声状态B细胞外胞质溶胶介导被动转运结合溶质的载体蛋白的部位 GLUTs家族成员的差别主要在于组织分布的特异性、与葡萄糖分子的亲和性、转运动力学特性以及自身功能调控等方面。如GLUTI分布于脑内神经元细胞，在轴突和树突上特别丰富。GLUT3对葡萄糖分子有很高的亲和力（低Kn,），其亲和力高于GLUTl、GLU1'2和GLUT4；而且有更高的运输速率(carry ing capacity)，其运输速率可高出GLUTl和GLUT4至少5倍，说明GLUTI在结合和释放葡萄糖的两种构象之间的变换速率更高。即使在血糖水平略低时也能以较高速率从细胞外液摄取葡萄糖，保障神经元的能量供应和脑功能活动。GLUT2主要分布于肝细胞和胰岛B细胞，与葡萄糖的亲和力低于GLUTl，即GLUT2在较高血糖浓度时转运速率增加，而GLUTl在较低血糖浓度时转运速率就增加、在较高血糖浓度时因其结合葡萄糖的位点趋于饱和，表现为转运速率增加不多。当餐后血糖从基础水平SmmoVL升至lOmmoVL时，肝细胞和胰岛B细胞运入葡萄糖的速率翻了1倍，而红细胞和表达GLUTl的细胞只略微增加。肝细胞将转运进来的葡萄糖转化成糖原以备饥饿时分解利用，胰岛B细胞内因葡萄糖浓度的升高触发了胰岛素的分泌，血中胰岛素水平增高时，GLUT4痰泡可在几分钟内启动”上膜＂插入到肌细胞和脂肪细胞膜上，使GLUT4数目增加，促进这两种细胞增强葡萄糖的摄入而降低血糖，这一调控是胰岛素降低血糖的主要机制。胰岛素缺乏或GLUT4数量或功能降低导致成人糖尿病(2型糖尿病）发生。GLUT也是肿瘤细胞摄取葡萄糖的重要转运体。肿瘤细胞生长快、代谢率高，以糖酵解方式代谢葡萄糖，这使它们摄取葡萄糖增加，需要相应增加GLUT的表达。GLUT的高表达，与某些肿瘤的恶性表型和预后相关，这也是GLUT在医学研究中受到很多关注的原因之一。


医学细胞生物学 溶质~入状态A贰声状态B细胞外胞质溶胶介导被动转运结合溶质的载体蛋白的部位 （二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输被动运输只能顺浓度梯度穿膜转运物质，趋向千使细胞内外的物质浓度达到平衡，但实际上细胞内外许多物质浓度存在很大差异。一般情况下，细胞内的K十浓度约为lOOmmoVL，而细胞外的K十浓度只有Smmol/L。因此，在质膜两侧就有一个很＂陡＂的K十浓度梯度，有利于K十扩散到细胞外。N旷在质膜两侧的分布正好相反，细胞外的浓度为150mmol/L，而细胞内则为10-20mmol/L。Ca2＋在质膜两侧的分布的差别就更大，一般情况下，真核细胞细胞外的Ca2＋浓度要高千细胞内约10000倍。这些浓度梯度由主动运输产生，以维持细胞内外物质浓度的差异，这对维持细胞生命活动至关重要（动画4-3“离子泵＂）。主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化学梯度、由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。转运的溶质分子其自由能变化为正值，因此需要与某种释放能量的过程相偶联，能量来源包括ATP水解、光吸收、电子传递、顺浓度梯度的离子运动等。


医学细胞生物学 溶质~入状态A贰声状态B细胞外胞质溶胶介导被动转运结合溶质的载体蛋白的部位 动物细胞根据主动运输过程中利用能量的方式不同，可分为ATP驱动泵（由ATP直接提供能量）和协同运输(ATP间接提供能量）两种主要类型。1. ATP驱动泵常被称为ATP驱动蛋白或运输ATP酶(transport ATPase)，它们在膜的胞质侧具有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常称之为＂泵＂。根据泵蛋白的结构和功能特性，可分为4类：P型离子泵，V型质子泵，F－型质子泵和ABC转运体。前3种只转运离子，后一种主要转运小分子（图4-16)。


医学细胞生物学 溶质~入状态A贰声状态B细胞外胞质溶胶介导被动转运结合溶质的载体蛋白的部位 (1)p型离子泵(P-class ion pump)：所有有机体都是依靠P型离子泵穿膜转运阳离子。P型离子泵都有2个独立的大亚基（a亚基），具有ATP结合位点，绝大多数还具有2个小的B亚基，通常起调节作用。在转运离子过程中，至少有一个a催化亚基发生磷酸化和去磷酸化反应，从而改变泵蛋白的构象，实现离子的穿膜转运。由千在泵工作过程中，形成磷酸化中间体（天门冬氨酸残基作为磷酸化位点），“P”代表磷酸化，故名P型离子泵。动物细胞的Na十－K＋泵、C汒泵和哺乳类胃腺壁细胞(parietal cells)上的H十－K+泵等都属于此种类型。1)Na三伈泵：又称Na+-K+-ATP酶，是哺乳动物细胞膜中普遍存在的离子泵，由a亚基和B亚基岔今1构成。a亚基分子量为120kD，是一个多次穿膜的膜整合蛋白，具有ATP酶活性。B亚基分子扯为第四章细胞膜与物质的穿膜运输A. p－型离子泵，B. V－型质子泵；C. F－型质子泵；D. ABC转运体50kD，是具有组织特异性的糖蛋白，并不直接参与离子的穿膜转运，但能帮助在内质网新合成的a亚基进行折叠，当把Q亚基与B亚基分开时，Q亚基的酶活性即丧失，其他功能还不清楚。Q亚基有3个Na十结合位点、2个K结合位点和一个ATP结合位点。K结合位点可被乌本昔高亲和结合。其作用过程如图4-17所示：在细胞膜内侧a亚基与ATP结合时，离子结合位点朝向细胞内，此时Q亚基与N旷亲和性较高与K十的亲和力低，使已结合的2个臣释放到细胞内，并与3个Na十结合；结合N旷后Q亚基的ATP酶活性被激活，ATP水解为ADP和磷酸，磷酸基团与a亚基上的一个天门冬氨酸残基共价结合使其磷酸化，ATP水解释放的能量驱动Q亚基构象改变，使离子结合位点朝向细胞外；这时a亚基对Na+的亲和性降低而对K十的亲和力增高，使巳结合的3个N旷释放到细胞外并与胞外2个K+结合；k＋与磷酸化的a亚基结合后促使其去磷酸化，再次与一分子ATP结合使蛋白构象又恢复原状，失去对K的亲和力，将K十释放到胞内，完成一个循环。生物化学家]. C. S kou等人因揭示了Na+-K+泵的蛋白组分及工作原理而获得1997年诺贝尔化学奖。


医学细胞生物学 溶质~入状态A贰声状态B细胞外胞质溶胶介导被动转运结合溶质的载体蛋白的部位 图4-17Na+-K+ATP酶活动示意图1. N旷结合到酶上；2酶磷酸化；3酶构象变化，Na十释放到细胞外；4. K十与酶蛋白质结合；5酶去磷酸化；6酶构象恢复原始状态，伈释放到细胞内水解一个ATP分子，可输出3个Na+，转入2个K+o N旷依赖的磷酸化和K十依赖的去磷酸化如此有序地交替进行，每秒钟可发生约1000次构象变化。当Na+-K+泵抑制剂乌本节在膜外侧占据k十的结合位点后，Na•-K+-ATP酶活性可被抑制；当抑制生物氧化作用的饥化物使ATP供应中断时，Na+-K+泵失去能量来源而停止工作。大多数动物细胞要消耗ATP总量的20%-30%（神经细胞要占到约70%）用于维持Na•-K+泵的活动，从而保证细胞内低Na十高k十的离子环境。这具有重要的生理意义，如调节渗透压维待恒定的细胞体积、保持膜电位、为某些物质的吸收提供驱动力和为蛋白质合成及代谢活动提供必要的离子浓度等。2)Ca"泵：真核细胞胞质中含有极低浓度的Ca气,::;10-1mol/L)，而细胞外Ca2＋浓度却高得多（约10-3mol/L)。细胞内外的Ca2＋浓度梯度部分是由膜上的Ca2＋泵维持的。Ca2＋泵不仅位千质膜上，还集中于肌细胞的肌浆网和其他细胞的内质网膜上。目前了解较多的是肌浆网上的C汒泵，巳获得了Ca2＋泵三维结构高分辨解析，它是10次穿膜的a-螺旋多肤链，大约由1000个氨基酸残基构成，与Na+－K+－ATP酶的a亚基同源，说明这两种离子泵在进化上有一定关系。像Na+-K•泵一样，Ca2＋泵也是ATP酶，在C砍泵工作周期中，Ca2•-ATP酶也有磷酸化和去磷酸化过程，通过两种构象改变，结合与释放Ca2+。肌浆网和内质网膜上的钙泵每水解一分子ATP，能逆浓度梯度转运2个Ca2＋进入肌浆网或内质网中；而质膜中的钙泵，每水解一分子ATP，可将结合的1个Ca2＋胞质转运至胞外。两种钙泵的共同作用可使胞质中的游离Ca2＋保持在0.1-0.2µmol/L低的水平，仅为细胞外液浓度(1~2mmol/L)的万分之一。细胞内外较大的Ca2+浓度差使得细胞对胞质内Ca2＋浓度的升高非常敏感，在细胞外信号作用时Ca2＋经钙通道顺其浓度梯度快速进入胞质内，骤然升高的Ca2•浓度成为促发和激活许多生理活动的关键因素，如肌肉收缩、腺上皮细胞分泌、神经递质释放以及某些酶蛋白和通道蛋白激活等。


医学细胞生物学 溶质~入状态A贰声状态B细胞外胞质溶胶介导被动转运结合溶质的载体蛋白的部位 C亡泵的活性受到钙调蛋白(calmodulin, CaM)的调控，钙调蛋白位于胞质基质、质膜和内质网膜，当胞质中Ca2＋浓度升高时，钙调蛋白与钙离子结合，然后作用千C汒泵使其别构性激活，结果Ca2＋迅速被泵出细胞或泵回肌质网，使胞质中钙离子浓度迅速降低，上述功能活动结束。


医学细胞生物学 低低第四章细胞膜与物质的穿膜运输Cl通道 ```三巨k十通道侧部细胞质I,-Hco,cr底部尸图4-19壁细胞分泌盐酸时其质膜上多种转运蛋白的协同作用壁细胞顶部质膜上的H-K•泵，进行H十K交换，把H十运出细胞即泌入胃腔。壁细胞底部质+＋－膜上的Ci--HC03一交换体把HC03一运出细胞进入血液用以转移过多的OH，避免细胞内酸_碱平衡紊乱。壁细胞顶部质膜上的钾通道和氯通道开放使转运进来的货运出、C「进入胃腔功能能量来源载体蛋白位置被动运输葡萄糖大多数动物细胞的质膜葡萄糖易化扩散运输蛋白无主动运输葡萄糖肾与肠上皮细胞顶部质膜N旷梯度N旷驱动的葡萄糖转运体Na+－W交换体动物细胞膜Na•梯度输出H+，调节胞内pHNa+-K+泵(Na+-K+-ATP酶）大多数动物细胞膜ATP水解主动输出Na十，输入K+C汒泵(Ca2+-ATP酶）真核细胞膜ATP水解主动运输Ca2•W泵(W-ATP酶）动物细胞溶酶体膜等ATP水解从胞质中主动输入H+（三）离子通道高效转运各种离子构成生物膜核心部分的脂双层对带电物质，包括Na+,K+,Ca2+,Ci-等极性很强的离子是高度不可透的，它们难以直接穿膜转运，但各种离子的穿膜速率很高，可在数毫秒内完成，在多种细胞活动中起关键作用。这种高效率的转运是借助膜上的通道蛋白完成的。目前已发现人类离子通道蛋白约有400余种，普遍存在于各种类型的细胞膜以及细胞内的膜上。因为这些通道蛋白都与离子的转运有关，所以通道蛋白也称为离子通道(ion channel)。


医学细胞生物学 低低第四章细胞膜与物质的穿膜运输Cl通道 1离子通道的特点离子通道为整合膜蛋白构成，与载体蛋白不同，它们可以在膜上形成亲水性的穿膜孔道，快速并有选择地让某些离子通过而扩散到质膜的另一侧。通道蛋白有以下几个特点：心通道蛋白介导的是被动运输，通道是双向的，离子的净通量取决于电化学梯度（顺电化学梯度方向自由扩散），通道蛋白在转运过程中不与溶质分子结合。＠离子通道对被转运离子的大小和所带电荷都有高度的选择性。只有大小和电荷适宜的离子才能通过，如钾离子通道只允许k十通过，而不允许N旷通过。＠转运速率高，通道可以在每秒中内允许lO6~108个特定离子通过，比载体蛋白所介导的最快转运速率高约100倍以上。＠多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受＂闸门＂控制，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，以对一定的信号做出适当的反应。2离子通道的类型已经确认的大多数离子通道以开放构象或以关闭构象而存在，通道运输的原理是构象变化导致孔道的开放、失活或关闭。通道的开放与关闭受细胞内外多种因素的调控，被称为＂门控”(gated)，如同一扇门的开启和关闭。通常根据通道门控机制的模式不同和所通透离子的种类，将门控通道大致分为三大类。


医学细胞生物学 低低第四章细胞膜与物质的穿膜运输Cl通道 (1)配体门控通道：配体门控通道(ligand-gated c hann e l)实际上是离子通道型受体，它们与细胞外的特定配体(ligand)结合后，发生构象改变，结果将“门“打开，允许某种离子快速穿膜扩散。乙酰胆碱受体(ace tylcholine receptor, AChR)是典型的配体门控阳离子通道，第一个被提纯、测序、克隆的通道蛋白。其大矗分布于骨骼肌神经肌接头处，当与神经末梢释放的神经递质乙酰胆碱结合后通道打开，将细胞外化学信号快速转化为电信号，实现了神经对肌肉的收缩支配。它是由4种不同亚单位组成的五聚体穿膜蛋白(a沿裕），每个亚单位均由一个大的穿膜N端（约210aa),4段穿膜序列(Ml-M4)以及一个短的胞外C端组成。各亚单位通过氢键等非共价键形成一个结构为a心裕的梅花状通道结构，乙酰胆碱(ACh)在两个a亚单位表面各有一个结合位点。在无ACh结合的情况下，受体各亚基中的M2共同组成的孔区处于关闭状态，一旦AC h与受体结合，便会引起孔区的构象改变，通道打开。一般可通过的阳离子是Na＼伈和Ca2+。神经肌接头处肌细胞外为高浓度的Na+，所以乙酰胆碱受体开放导致一次N旷的大量内流，引起肌细胞膜的去极化，继而引发多种离子通道的依次激活开放，最终引起肌肉收缩（图4-20)。乙酰胆碱受体是重要的药物靶点，箭毒植物马钱子(curare)中提取的d－筒箭毒碱能与乙酰胆碱竞争性结合AChR，使AChR失活阻断神经传导，因呼吸肌麻痹导致中毒死亡。人工合成的箭毒类似物作为肌肉松弛剂应用于外科手术麻醉。肉毒杆菌毒素(botulinum toxin)通过抑制突触前部乙酰胆碱释放，阻断了神经肌接头传导，可用于美容除皱和治疗肌肉痉挛、惊厥、多汗症等。


医学细胞生物学 低低第四章细胞膜与物质的穿膜运输Cl通道  电压门控Ca2＋通道乙酰胆碱门控阳离子通道、一一电压门控Ca2＋通道电压门控Na前i”肌浆网肌细胞膜门控Ca2＋释放通道静止的神经肌肉连接激活的神经肌肉连接 图4-20神经－肌接头处的离子通道协同活动示意图1神经冲动传至神经末梢细胞膜去极化，引起膜上电压门控Ca2•通道瞬时开放，外Ca“内流导致突触小泡内的乙酰胆碱释放至突触间隙；2乙酰胆碱与突触后肌细胞膜上的AChR结合，乙酰胆碱门控N旷通道开放，N旷内流引起细胞膜局部去极化；3局部去极化诱发电压门控Na十离子通道开放，大扯Na十涌入使细胞膜去极化扩散到整个肌细胞膜；4和5肌细胞膜去极化，动作电位引起肌膜特殊部位T管上电压门控Ca2•通道开放，相邻的肌浆网上Ca“通道开放，使得肌细胞内Ca"浓度突然增加，引起肌原纤维收缩（图未显示）


医学细胞生物学 电压门控Ca2＋通道乙酰胆碱门控阳离子通道、一一电压门控Ca2＋通道电压门控Na前i”肌浆网肌细胞膜门控Ca2＋释放通道静止的神经肌肉连接激活的神经肌肉连接 继AChR之后，又陆续发现了的其他神经递质的受体作为离子通道，如丫－氨基丁酸(GAB凡和GABAc)受体、甘氨酸(Gly)受体、5轻色胺(5-HT)受体以及一类谷氨酸门控阴离子通道(GluCl受体）。例如，5-HT受体与ACh受体可选择性地通透Na\K＋和C砍等阳离子。GAB凡和GABAc受体、第四章细胞膜与物质的穿膜运输Gly受体、GluCl受体则主要对C「通透。从它们的氨基酸序列和整体结构的相似性足以证明它们有共同的进化起源。 离子通道典型位置功能K飞参漏通道大多数动物细胞膜维持静息膜电位 电压门控N旷通道神经细胞轴突质膜产生动作电位电压门控k前通道神经细胞轴突质膜在一个动作电位之后使膜恢复静息电位电压门控Ca2.通道神经终末的质膜激发神经递质释放（将电信号转换为化学信号）


医学细胞生物学 离子通道典型位置功能K飞参漏通道大多数动物细胞膜维持静息膜电位 乙酰胆碱N旷和Ca“通道在神经－肌接头处质膜在靶细胞将化学信号转换为电信号GABA门控C「通道许多神经元的突触处质膜抑制性突触信号应力激活阳离子通道内耳听觉毛细胞感受声波震动（四）水通道介导水的快速转运水分子虽然可以以简单扩散方式通过细胞膜，但是扩散速度非常缓慢，但有许多细胞如肾小管和肠上皮细胞，血细胞，植物根细胞及细菌等对水的吸收极为快速。长期以来，人们就猜想细胞膜上可能存在水的专一通道。直到1988年，美国学者P.A驴·e在分离纯化红细胞膜Rh血型抗原核心多肤时偶然发现质膜上有构成水通道的膜蛋白，这种蛋白质被命名为水孔蛋白(aquaporin, AQP)，从而确认了细胞膜上有水转运通道蛋白的理论，Agre因此获得了2003年诺贝尔化学奖。


医学细胞生物学 离子通道典型位置功能K飞参漏通道大多数动物细胞膜维持静息膜电位 1水通道的分类目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员(AQPO-AQPlO)，根据其功能特性的差异分为两个家族：AQP l、2、4、5、6和AQPO基因结构类似，氨基酸序列30%-50％同源，只能通透水，属于经典的选择性水通道(orthodox aquapor ins); AQP3、7、9、10除对水分子通透外，对甘油和尿素等中性小分子也具有通透性，成为AQP家族的第二个亚家族一一水－甘油通道(aq uaglyceropori n)。AQP8位于水选择型和甘油渗透型之间，功能尚不明确。2水通道蛋白的结构水通道蛋白家族中AQP l的结构研究得比较清楚。AQP l在质膜上是由四个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体，每个亚基（即一个AQPl分子）的中心存在一个只允许水分子通过的中央孔，孔的直径约0.28nm，稍大于水分子直径。一个AQPl分子是一条多肤链，AQPl分子的6个长a－螺旋构成基本骨架，其间还有两个嵌入但不贯穿膜的短a－螺旋几乎顶对顶地位于脂双层中。在两个短螺旋相对的顶端各有一个在所有水通道家族蛋白中都保守存在的Asn-Pro Ala(NPA)基序(motif)，它们使得这种顶对顶结构得以稳定存在（图4-21)。亲水性通道的壁由这6条兼性的a－螺旋围成，每个螺旋朝向脂双层一面由非极性氨基酸残基构成，他们通过范德华力和疏水性相互作用与脂肪酸链连接；朝向中央孔一面由极性氨基酸残基构成。，日{t;K\孔···••·次:o.／孔A水通道4个亚基的中心分别存在水孔；B每个亚基含6条穿膜a－螺旋，两个短a－螺旋嵌入但不贯穿膜顶对顶位于脂双分子层中；C质膜中4个亚基组3.水通道对水分子的筛选机制AQPl等水孔蛋白形成对水分子高度特异的亲水通道，只允许水而不允许离子或其他小分子溶质通过。这种严格的选择性主要是由于：(DAQP l中央孔通道的直径(0.28nm)限制了比水分子大的小分子通过；＠AQPl中央孔通道内溶质结合位点的控制。当一个水分子要通过直径0.28nm的水通道时，它必须要剥除其周围与之水合的水分子，而通道管窄口周围的几种极性氨基酸残基上的碳基氧可与通过的水分子形成氢键，替代了水分子之间的氢键，使得这种去水合过程中需要的能量得到补偿。而离子与水分子之间的水合作用比水分子之间大得多，AQPl水通道的通道管中，能替代水合水分子的叛基氧数量不足，离子只能脱去部分水分子，对千部分脱去水分子的离子水合物而言，水通道太窄无法通过。


医学细胞生物学 离子通道典型位置功能K飞参漏通道大多数动物细胞膜维持静息膜电位 一般认为，水通道是处于持续开放状态的膜通道蛋白，一个AQP l通道蛋白每秒钟可允许3xlO9个水分子通过。水分子的转运不需要消耗能址，也不受门控机制调控。水分子通过水通道的移动方向完全由膜两侧的渗透压差决定，水分子从渗透压低的一侧向渗透压高的一侧移动，直至两侧渗透压达到平衡，因此，水通道是水分子在溶液渗透压梯度的作用下穿膜转运的主要途径。


医学细胞生物学 离子通道典型位置功能K飞参漏通道大多数动物细胞膜维持静息膜电位 水通道大量存在于与体液分泌和吸收密切相关的上皮和内皮细胞膜上，其中AQPL是红细胞膜上的主要水通道，也分布于肾、脉络丛、毛细血管等多种组织细胞上。AQP2只分布在肾集合管上皮主细胞顶端质膜，其分布数扯受抗利尿激素调控。肾小管原尿中大量的水通过AQP2迅速被重吸收，AQP2基因的突变导致先天性肾性尿崩症。AQPO分布于眼晶状体，参与晶状体的水代谢、维持其透明性，AQPO基因突变导致人类先天性白内障。AQP4分布于脑内胶质细胞和脑室管膜细胞，AQP5分布于腺体、肺和角膜。AQP参与机体的多种重要生理功能，如尿浓缩、保持水盐代谢平衡、各种消化液的分泌及胃肠道各段的体液吸收、调节脑室内液体平衡、促进房水分泌词节眼压等。随若对水通道蛋白功能认识的不断深化，水通道正在作为治疗人类疾病的药物作用靶点而引起重视，水通道功能的调节剂可能为许多与体液代谢异常有关的疾病提供新的治疗途径。


医学细胞生物学 第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输 小分子物质和离子在膜运输蛋白的介导下进行穿膜运输，但膜运输蛋白不能转运大分子物质如蛋白质、多核节酸、多糖等。大多数细胞都能摄入和排出大分子物质，有些细胞甚至能吞入大的颗粒，为完成这种功能，细胞进化出一套将细胞外环境中的物质以包入物形式进行摄取的机制。大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜，都是由膜包围形成艇泡，通过一系列膜襄泡的形成和融合来第四簟细胞膜与物质的穿膜运输完成转运过程，故称为毅泡运输(ves icular transpott)。细胞摄入大分子或颗粒物质的过程称为胞吞作用(endocylosis)；细胞排出大分子或颗粒物质的过程称为胞吐作用(exocytosis)。在此转运过程中涉及膜泡的组装、断裂、移位与融合等耗能过程，也属于主动转运。这种运输方式常转运较大量的大分子或颗粒物质，又称为批量运输(bulk transport)。小泡运输不仅发生在质膜，胞内各种膜性细胞器（如内质网、高尔基复合体、溶酶体等）之间的物质运输也是以这种方式进行的。所以，小泡运输对细胞内外物质交换、信息交流均有重要作用。本节主要介绍大分子与颗粒物质通过质膜进行的穿膜运输。


医学细胞生物学 一、胞吞作用 胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程（动画4-4“细胞的内吞作用”)。根据胞吞物质的大小、状态及特异程度不同，可将胞吞作用分为三种类型：吞噬作用、胞饮作用及受体介导的胞吞。


医学细胞生物学 (—)吞噬作用是吞噬细胞摄入颗粒物质的过程 吞噬作用(phagocytosi s)由几种特殊细胞完成。为细胞摄取较大的颗粒物质（无机尘粒、细菌、细胞碎片等）或多分子复合物进入细胞的过程。细胞内陷或形成伪足包裹大分子或颗粒物质形成吞噬体进入细胞。吞噬作用包括吸附和吞入两个相对独立的过程。被吞噬的物质首先吸附在细胞表面，一般认为，吸附不具明显的专一性。随之吸附区域的细胞膜向内凹陷形成毅，褒口部分的膜融合封闭形成膜泡，将颗粒物包裹后从膜上分离下来进入细胞，膜泡将与溶酶体融合被消化降解。吞噬形成的膜泡称为吞噬体(phagosome)或吞噬泡(phagocytic vesicle)。对颗粒物质的吞入是由质膜下肌动蛋白丝所驱动。动物体内只有中性粒细胞、单核细胞及巨噬细胞具有吞鸥功能，它们广泛分布在血液和组织中，吞噬入侵的微生物、清除损伤、衰老和凋亡的细胞，如入的巨噬细胞每天通过吞噬作用清除约1011个衰老的红细胞。所以吞噬作用在机体防御和稳定内环境中发挥重要作用。（二）胞饮作用是细胞吞入液体和可溶性物质的过程胞饮作用(pinocytosi s)是细胞吞入大分子溶液物质或极微小颗粒物的活动。当细胞周厮环境中某可溶性物质包括氨基酸、蛋白质等达到一定浓度时，引起细胞产生胞饮活动。胞饮作用发生在质膜上的特殊区域，质膜下微丝的收缩使质膜内陷包围液体物质，接着形成一个没有外被包裹的膜性小泡，称为胞饮体(pinosome)或胞饮泡(pinocytic vesicle)，直径小于150nm。根据细胞外物质是否吸附在细胞表面，将胞饮作用分为两种类型：一种是液相内吞(fiuid-phase endocytosis)，这是一种非特异的固有内吞作用，通过这种作用，细胞把细胞外液及其中的可溶性物质摄入细胞内。另一种是吸附内吞(absorpt ion endocytos i s)，在这种胞饮作用中，细胞外大分子及／或小颗粒物质吸附在细胞表面（与糖蛋白的静电作用或与受体结合），因此具有一定的特异性。胞饮泡进入细胞后与内体(endosome)融合或与溶酶体融合后被降解。但也存在胞饮泡不与溶酶体融合而是穿过细胞质与另一侧的质膜融合胞吐，这个过程称为转胞吞作用(transcytosis)，如母鼠将抗体通过乳汁传递给仔鼠的过程。胞饮作用所造成质膜的损失和吞进的细胞外液，由胞吐作用补偿和平衡。


医学细胞生物学 (—)吞噬作用是吞噬细胞摄入颗粒物质的过程 胞饮作用几乎发生在所有类型的真核细胞中，但在能形成伪足和转运功能活跃的细胞中多见，如巨噬细胞、白细胞、毛细血管内皮细胞、肾小管上皮细胞、小肠上皮细胞等。 （三）受体介导的胞吞提高摄取特定物质的效率 受体介导的胞吞(receptor-mediated endocytosis)是细胞通过受体的介导选择性高效摄取细胞外特定大分子物质的过程。有些大分子在细胞外液中的浓度很低，进入细胞需先与膜上特异性受体识别并结合，然后通过膜的内陷形成裂泡，粪泡脱离质膜而进入细胞。这种作用使细胞特异性地摄取细胞外含量很低的成分，而不需要摄入大量的细胞外液，与非特异的胞吞作用相比，可使特殊大分子的内化效率增加1000多倍（动画4-5“受体介导的内吞作用”)。


医学细胞生物学 （三）受体介导的胞吞提高摄取特定物质的效率 1.有被小窝和有被小泡的形成细胞膜上有多种配体的受体，如激素、生长因子、酶和血浆蛋白的受体等。受体集中在质膜的特定区域，称为有被小窝(coated pits)。有被小窝具有选择受体的功能，该处集中的受体的浓度是质膜其他部分的10~20倍。体外培养细胞中，有被小窝约占质膜表面积的2%。电镜下有被小窝处质膜向内凹陷，直径约50-lOOnm，凹陷处的质膜内表面覆盖若一层毛剌状电子致密物，其中包括网格蛋白和衔接蛋白。受体介导的胞吞，第一步是细胞外溶质（配体）同有被小窝重链轻链处的受体结合，形成配体－受体复合物，网格蛋白聚集在有被小窝的胞质侧，有被小窝形成后进一步内陷，与质膜断离后形成有被/小泡(coated vesi cle)进入细胞。有被小泡负责将细胞外特性物II//j质向细胞内转运，其外表面包被由网格蛋白组装成的笼状篮网结构。网格蛋白(clathrin)也称作成笼蛋白，是一种蛋白复合物，由.


医学细胞生物学 （三）受体介导的胞吞提高摄取特定物质的效率 3条重链和3条轻链组成。重链是一种纤维蛋白，分子量180kD,轻链分子量为35kD，二者组成二聚体，三个二聚体又形成三腿蛋I白复合体(triskelion)，是包被的结构单位（图4-22)。由三腿蛋白复合体聚合成六角形或五角形的篮网状结构，覆盖于有被小窝茵4-22三腿蛋臼荽合体模式图（或有被小泡）胞质一侧的表面。三腿蛋白复合体具有自我装配的能力，它们在试管中能自动装配成封闭的篮网结构。网格蛋白的作用主要是牵拉质膜向内凹陷，参与捕获特定的膜受体使其聚集于有被小窝内（图4-23)。 有被小窝货物分子白蛋动发胞质溶胶衔接蛋白j裸露的转运小泡有被小泡 在有被小泡的蛋白包被中，还有一种介千网格蛋白与配体－受体复合物之间的衔接蛋白(adapti n)参与包被的形成。目前发现，网格蛋白没有特异性，本身不起捕获特异性转运分子的作用。衔接蛋白既能结合网格蛋白，又能特异性地结合跨膜受体胞质面的尾部肤信号(peptide signal)，从而通过网格蛋白包被小泡实现受体介导的选择性运输。2.无被小泡形成并依次与内体和溶酶体融合当配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在膜的胞质侧，通过一些六边形转变成五边形的网格，促进网格蛋白外被弯曲转变成笼形结构，牵动质膜凹陷。有一种小分子GTP结合蛋白一发动蛋白(dynamin)，在深陷的有被小窝颈部组装形成环，发动蛋白水解与其结合的GTP后发生构象改变引起颈部溢缩，将有被小泡从质膜上切离下来，形成网格蛋白包被小泡(clathrin coated ves icle）。一旦小泡从质膜上脱离下来，几秒钟后脱去包被变成表面光滑的无被小泡，网格蛋白分子返回到质膜下方，参与形成新的衣被小泡重复使用。无被小泡继而与早期内体(early en dosome)融合。内体是动物细胞质中经胞吞作用形成的一种由膜包围的细胞器，其作用是运输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解。内体膜上有ATP驱动的质子泵，将甘泵入内体第四章细胞膜与物质的穿膜运输腔中，使腔内pH降低(pH5~6)。大多数情况下，内体的低pH改变了受体和配体分子的亲和状态，从而释放出与其结合的配体分子。受体与配体分离后，内体以出芽的方式形成运载受体的小毅泡，返回质膜，受体重新利用，开始下一轮的内吞作用。含有配体的内体将与溶酶体融合，内吞的物质被溶酶体酶降解消化。


医学细胞生物学 有被小窝货物分子白蛋动发胞质溶胶衔接蛋白j裸露的转运小泡有被小泡 动物细胞对许多重要物质的摄取都是依赖千受体介导的胞吞，大约有50种以上的不同蛋白质、激素、生长因子、淋巴因子以及铁、维生素B12等通过这种方式进入细胞。流感病毒和AIDS病毒(HIV)也通过这种胞吞途径感染细胞的。动物细胞通过受体介导的胞吞摄入所需的大部分胆固醇。胆固醇是构成生物膜的主要成分，还是很多重要生物活性分子的前体化合物，如类固醇激素、游离胆固醇维生素D和胆酸等。胆固醇在肝脏中合成并包装磷脂成低密度脂蛋白(low density lipoprolein, LDL)在血液中运输。LDL为球形颗粒，直径约为22nm，中心含有大约1500个酷化的胆固醇分子，其外包围着800个磷脂分子和500个游离的胆固醇分子。载脂蛋白ApoB lOO是细胞膜上LDL受体的配体，它将酷化胆固醇、磷脂、游离胆固醇组装成球形颗粒（图4-24)。


医学细胞生物学 有被小窝货物分子白蛋动发胞质溶胶衔接蛋白j裸露的转运小泡有被小泡 LDL受体是由839个氨基酸组成的单次穿膜糖蛋白，当细胞需要利用胆固醇时，细胞即合成LDL受体，并将其镶嵌到质膜中，受体介导的LDL胞吞过程如图4-25所示。如果细胞内游离胆固醇积累过多时，细胞通过反馈调节，停止胆固醇及LDL受体的合成。正常人每天降解45％的LDL，其中2/3经由受体介导的胞吞途径摄入细胞而被降解利用。如果细胞对LDL的摄入过程受阻，血液中胆固醇含扯过高易形成动脉粥样硬化，是家族性高胆固醇血症发病的主要原因。 LDL受体质膜胞质溶胶胞吞作用有被小窝 ,忍勺'-11受体有被小泡]色）去外被/早期内体二一一，＿的转运小泡图4-25LDL受体介导的LDL胞吞过程受体向有被小窝集中与LDL结合，有被小窝凹陷、缢缩形成有被小泡进入细胞；有被小泡迅速脱去外被形成无被小泡；无被小泡与内体融合，在内体酸性环境下LDL与受体解离；受体经转运毅泡返回质膜被重新利用。含LDL的内体与溶酶体融合，LDL被降解释放出游离胆固醇和脂肪酸被细胞利用经典实验：LDL受体的发现研究背景家族性高胆固醇血症(FH)是一种常染色体显性遗传病。患者血浆胆固醇水平异常增高，可达正常值的6~10倍，大多数患者发生动脉粥样硬化并死于早发性心脏病。1972年开始，美国得克萨斯大学达拉斯医学院的M. S. Brown和J. L. Goldstein展开了对这种疾病的研究工作。他们推断胆固醇的过量产生是由于胆固醇生物合成的调节机制发生缺陷引起的。基于这种假设，他们从正常个体和FH患者的皮肤分离出成纤维细胞进行培养，进行胆固醇生物合成调节的研究，并在成纤维细胞上发现了LDL受体。对LDL受体的鉴定，引发了一系列突破性实验，在随后的研究中Brown和Goldstein等揭示了受体介导的内吞途径。


医学细胞生物学 LDL受体质膜胞质溶胶胞吞作用有被小窝  实验内容 根据畸胎瘤细胞是起源于正常胚胎干细胞的假设，Marti n从小鼠裳胚中培养胚胎干细胞。她最初从大约30个胚胎中分离到了4个克隆，证明了它们可以在体外连续地传代。而且发现，这些细胞系（即胚胎干细胞系）与畸胎瘤的畸胎瘤细胞很相似。当然，最重要的是这些胚胎干细胞在体外培养的条件下能被诱导分化为各种类型的细胞，其中包括：内胚层细胞、软骨细胞和神经样细胞。而且，若将这些胚胎干细胞移植到小鼠体内，它们还可以形成含有多种分化细胞类型的肿瘤。这些结果表明了采用体外培养的方法，可以从正常的小鼠胚胎中建立具有多向分化，替能的胚胎干细胞系。


医学细胞生物学 实验内容 发表论文M釭tin GR. Isolation of a pluripotent cell line from early mouse emb1--yos cultured in medium cond山on ed by teratocarci noma cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,1981,78:7634-7638. Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of pluripotent cells from mouse embryos. Nature,1981,292:154-156. 第四章细胞膜与物质的穿膜运输二、胞吐作用 胞吐作用又称外排作用或出胞作用，指细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后函筏心回将物质排出细胞外的过程，与胞吞作用过程相反（动画4-6“细胞的外排作用”)。胞吐作用是将细胞分泌产生的酶、激素及一些未被分解的物质排出细胞外的重要方式。根据方式的不同，胞吐作用分为连续性分泌和受调分泌两种形式。


医学细胞生物学 第四章细胞膜与物质的穿膜运输二、胞吐作用 （一）连续性分泌是不受调节持续不断的细胞分泌连续性分泌(constitutive secre tion)又称固有分泌，是指分泌蛋白在粗面内质网合成之后，转运至高尔基复合体，经修饰、浓缩、分选，形成分泌泡，随即被运送至细胞膜，与质膜融合将分泌物排出细胞外过程。在这个连续稳定的过程中，新合成的膜蛋白和膜脂不断地供给质膜更新；分泌到细胞外的成分包括细胞外基质各组分、质膜外周蛋白等参与细胞各种生命活动。这种分泌途径普遍存在千动物细胞中。 （二）受调分泌是细胞外信号调控的选择性分泌 受调分泌(regulated secretion)是指分泌性蛋白合成后先储存千分泌艇泡中，只有当细胞接受到细胞外信号（如激素）的刺激，引起细胞内Ca2＋浓度瞬时升高，才能启动胞吐过程，使分泌埏泡与细胞膜融合，将分泌物释放到细胞外。这种分泌途径只存在于分泌激素、酶、神经递质的细胞内（图4-26)。


医学细胞生物学 新合成的供连续性分泌的可溶性蛋白＼、/,连续性分泌非调节性忆`、＼／膜融合！蛋白胞质溶胶一激素或神经递质一类的信号信号转导.受调分泌珍勹叱.·.分泌小泡贮藏膜融合高尔基体分泌蛋白 真核细胞质膜对大分子和颗粒物质运输的胞吞和胞吐作用都是通过膜泡形式进行的，而且转运的膜泡只与特定的靶膜融合，从而保证了物质有序的跨膜运输。此外胞吞作用导致质膜成分减少会通过质膜其他部位的胞吐作用补充，这种动态平衡对质膜成分的更新和维持细胞的生存、生长是必不可少的。 第四节细胞膜异常与疾病 细胞膜是维持细胞内环境稳定，进行多种生命活动和保持与环境协调的重要结构。只有细胞的结构和功能正常，细胞才能进行物质运输、代谢、能蜇转化、信息传递和运动等基本功能活动。膜结构成分的改变和功能异常，往往会导致细胞乃至机体功能紊乱并引起疾病的发生。下面介绍几种与载体蛋白、离子通道和膜受体异常相关的疾病。


医学细胞生物学 一、载体蛋白异常与疾病 1.胱氨酸尿症是载体蛋白异常性疾病胱氨酸尿症(cystinuria)是一种遗传性肾小管膜转运异常疾病，由于肾小管重吸收胱氨酸减少，尿中含量增加引起尿路中胱氨酸结石形成。目前了解到，近端肾小管上皮细胞上的rBAT和BATl蛋白是参与转运胱氨酸及二氨基氨基酸（赖氨酸、精氨酸及鸟氨酸）的载体蛋白，当编码这两种蛋白的基因(SLC3A l和SLC7A9)发生突变时引起载体蛋白缺陷，出现肾小管对原尿中这四种氨基酸重吸收障碍，患者尿中这些氨基酸水平增高而在血液中低于正常值。这四种氨基酸中只有胱氨酸不易溶于水（在pH5~7时，尿中胱氨酸饱和度为0.3-0.4g/L)，当患者尿中出现大量胱氨酸超过其饱和度时，胱氨酸从尿液中结晶析出，形成尿路结石。同时这种患者小肠黏膜上皮细胞的主动转运机制可能也有类似缺陷，但这种吸收和转运缺陷一般不造成营养不良，而是以肾结石引起的肾功能损伤为主。


医学细胞生物学 一、载体蛋白异常与疾病 2.肾性糖尿是葡萄糖载体蛋白异常性疾病肾性糖尿(renal glycosuria)是由千肾小管上皮细胞葡萄糖重吸收障碍，引起在血糖正常情况下尿中出现葡萄糖。正常情况下葡萄糖经肾小球滤出后，绝大部分在近端肾小管经钠驱动葡萄糖载体蛋白重吸收。患者由于肾小管上皮细胞膜上这种转运葡萄糖的载体蛋白功能缺陷，致使葡萄糖的重吸收障碍引起糖尿。正常人在近端肾小管重吸收葡萄糖的最大量是250mg-350mg/min，当这种重吸收功能降低时就会出现肾性糖尿。 二、ABC转运体蛋白异常与疾病 目前发现一些严重的遗传性疾病是由编码ABC转运体蛋白基因突变所引起，其中痰性纤维化(cys tic fibrosis, CF)是目前研究最清楚的ABC转运体蛋白相关常染色体隐性遗传病。CF患者由于大量黏液阻塞外分泌腺，引起慢性阻塞性肺部疾病和胰腺功能不全，主要表现为慢性咳嗽、大量黏痰及反复发作的难治性肺部感染；胰腺外分泌不足、长期慢性腹泻吸收不良综合征；汗液高盐为主要特征。在高加索入群，发病率约为1/2500。在北欧，致病基因携带者比例为1/25。CF患者在东方人中罕见。艇性纤维化是由毅性纤维化穿膜转导调节因子(CITR)基因突变引起的。CFTR在结构上属于ABC转运体家族成员，但确是一种受cAMP棚节的氯离子通道，广泛表达于呼吸道、胰腺、胃肠道、汗腺和唾液腺等多种分泌型和吸收型细胞的顶部质膜上。与一般的氯离子通道不同，CITR的激活是在cAMP介导下发生磷酸化，引起通道开放，每分钟向胞外转运约106个Cl一。作为氯离子跨上皮转运的通道，C门R调节釭的转运速度，并通过对其他离子通道的调节作用，参与决定这些部位盐的转运、液体的流动和离子浓度。CF患者中约70％出现~F508型基因突变，表现为CFTR第508为氨基酸苯丙氨酸缺失。这种缺失导致蛋白质折叠错误出现异常结构，变异的蛋白质有的滞留在内质网很快被降解，不能到达上皮细胞膜表面；有的即使能与细胞膜结合，其半衰期也比野生型短很多，而且在膜上变异的C门R不易激活。有的CF患者的质膜上完全缺失CITR，导致病情非常严重。C门R出现功能障碍，一方面导致er向细胞外转运减少，另一方面使上皮N旷通道(epithelial Na+channel, ENaC)活性增强，促进了Na十的过度吸收，从而伴随水的过度吸收。这样就造成呼吸道表面黏液水化不足黏度增大，纤毛摆动困难不能向外排除分泌物，易引发黏液阻塞性细菌感染。胰腺、胆管、肠等细胞也存在类似的机制，因而产生相应的临床症状。


医学细胞生物学 三、膜受体异常与疾病 膜受体除在信号转导过程中起重要作用外，有些在穿膜物质转运中也是不可缺少的，膜受体异常会引起被转运物质积累，导致相应疾病发生。家族性高胆固醇血症(familial hypercholesterolemia)是一种常染色体显性遗传病，患者编码LDL受体的基因发生突变，出现LDL受体异常。由于细胞不能摄取LDL颗粒，引起血胆固醇浓度升高，患«、,｀者会过早发生动脉粥样硬化和冠心病。LDL受体异常主要包括受体缺乏或受体结构异常。有的患者第四童细胞膜与物质的穿膜运输合成的LDL受体数目减少，如重型纯合子患者LDL受体只有正常人的3.6%，他们的血胆固醇含量比正常人高6~10倍，常在20岁前后出现动脉粥样硬化。轻型杂合子患者受体数目只有正常人的1/2,可能在40岁前后发生动脉粥样硬化、冠心病。也有一些患者LDL受体数目正常，但与LDL结合部位有缺陷，不能与LDL结合；或者受体与有被小窝结合部位缺陷，不能被固定在有被小窝处，如受体胞质结构域中807位正常的酪氨酸被半胱氨酸替代，这种单个氨基酸序列的改变使受体失去了定位于有被小窝的能力；有的受体与LDL结合、内移均正常，但在内体中不能与LDL分离，一同被溶酶体酶降解而不能再循环到细胞膜上。这些都会造成LDL受体介导的胞吞障碍，出现持续的高胆固醇血症。


医学细胞生物学 三、膜受体异常与疾病 [3J Murata K, Mitsuoka K, Hirai T, et al. Structural determinants of water permeation though aquaporin. Nature,2000,47:599-605.细胞膜是围绕在细胞表面的一层薄膜，构成细胞与外界环境的屏障，在维持细胞内环境的稳定和多种生命活动中起重要作用。


医学细胞生物学 三、膜受体异常与疾病 不同类型的细胞其细胞膜的化学组成基本相同，主要由脂类、蛋白质和糖类组成。膜脂主要包括磷脂、胆固醇和糖脂。磷脂分子是含量最多的脂类，具有一个极性头和两个疏水尾，在水溶液中能自动形成脂双分子层，构成膜的基本骨架。胆固醇分子较小，散布在磷脂分子之间，能调节膜的流动性和稳定性。膜糖类通过共价键与脂分子和蛋白结合，分布于质膜的外侧面，参与细胞与环境的相互作用。膜的重要功能主要由膜蛋白完成，有的膜蛋白通过a－螺旋一次或多次穿膜而镶嵌在脂双层中，称为膜内在蛋白或整合蛋白；有的蛋白依靠电荷和氢键的作用与整合蛋白或膜脂的极性头部结合，称为周边蛋白；脂描定蛋白很像周边蛋白，可位于膜的两侧，以共价键与脂双层内的脂分子结合。细胞膜的主要特性是不对称性和流动性，脂双分子层中，两个脂单层的膜脂和膜蛋白组成不同，形成了膜的不对称性，各种膜成分的不对称分布保证了细胞功能活动的有序性。膜的流动性包括膜脂的流动性和膜蛋白的运动性，膜脂的流动性主要与脂分子泾链饱和程度和长度及脂分子的性质有关，膜脂和膜蛋白在膜中均可以侧向移动，各种膜功能的完成均是在膜的流动状态下进行的。


医学细胞生物学 三、膜受体异常与疾病 流动镶嵌模型目前被普遍接受，认为细胞膜是嵌有球形蛋白质的脂类二维流体，强调了膜的流动性和不对称性，较好地解释了细胞膜的结构和功能特点。物质穿膜运输是细胞膜的基本功能。目前已知细胞对小分子和离子的穿膜运输有几条不同的途径：通过脂双层的简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和主动运输。前三种为被动运输，物质从高浓度向低浓度方向运输，动力来自浓度梯度，不需提供能量。主动运输是由膜运输蛋白介导，逆物质电化学梯度的穿膜转运，需要与某种能量释放过程相偶联。膜运轮蛋白分为载体蛋白和通道蛋白，前者可介导被动运输和主动运输，后者只介导被动运输。每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质分子穿膜运输。通道蛋白形成亲水的穿膜通道，允许适宜大小的分子和离子通过，分为：配体门控通道、电压门控通道、和应力激活通道等。协同运输是由Na十-K＋泵与载体蛋白协同作用，依靠间接消耗ATP完成物质的穿膜转运，根据溶质分子转运的方向，可分为共运输和对向运输。


医学细胞生物学 三、膜受体异常与疾病 细胞通过胞吞作用和胞吐作用进行大分子和颗粒物质的裳泡运轮。胞吞作用分为三种类型：吞噬作用、胞饮作用及受体介导的胞吞3大多数细胞都能通过胞饮作用非特异地吞入胞外溶液和一些大分子。吞噬作用由吞噬细胞完成，在免疫防御和维持内环境的稳定中发挥重要作用。受体介导的胞吞是细胞通过受体的介导高效特异性地摄取胞外低浓度物质的方式。胞吐作用分为连续性分泌和受调分泌两种形式。胞吞作用和胞吐作用不仅参与物质运输而且对膜成分的更新和流动具有重要作用。膜结构成分的改变和功能异常，往往导致细胞乃至机体功能紊乱并引发疾病。如载体蛋白异常、离子通道缺陷、膜受体异常等会引发多种遗传性疾病。正确认识细胞膜的结构与功能，对揭示生命活动的奥秘、探讨疾病发生的机制具有重要意义。


医学细胞生物学 （徐晋）第五章细胞的内膜系统与囊泡转运 内膜系统(endomembrane system)，是细胞质中那些在结构、功能及其发生上相互密切关联的膜性结构细胞器之总称。其主要包括：内质网、高尔基复合体、溶酶体、各种转运小泡以及核膜等功能结构（图5-1)。除此之外，晚近看法认为过氧化物酶体的发生与内质网等有关，为了讲述的方便，同时按照多数学者的习惯划分，我们将该结构放在本章中一并加以介绍和讨论。 细胞膜糙面内质网分泌小泡内膜核被膜［外膜高尔基复合体 内膜系统的出现，不仅是真核细胞与原核细胞之间在形态、结构上相互区别的重要标志之一，而且也被认为是细胞在其漫长的历史演化进程中，内部结构不断分化完善，各种生理功能逐渐提高的结果。由之所产生、形成的房室性区域化(compartmentali zation)效应，使细胞内不同的生理、生化反应过程得以彼此独立、互不干扰地在特定的区域内进行和完成，并有效地增大了细胞内有限空间的表面积，从而极大地提高了细胞整体的代谢水平和功能效率（动画5-1“内膜系统蛋白合成、加工及转运的系统工程”，动画5-2“内膜系统脂质合成、加工及转运的系统工程”)。


医学细胞生物学 第一节内质网 早在19世纪末，C. Garni er在对动物体内具有旺盛分泌活动的唾液腺和胰腺等组织细胞进行光镜观察时就注意到：该类细胞中存在一个呈现为丝条状形态结构的嗜碱性特化区域。这些丝条状的结构，随着动物的生理及细胞活动状态的不同而处于一种动态的变化过程。亦即，当动物严重饥饿或细胞中形成大瞿酶原颗粒后，丝条状结构减少，甚至消失；当动物进食后或细胞进行活跃的分泌活动时，它又会重新出现。据此，Garnier将此种结构称之为动质(ergastoplasm)，并推测，其可能与消化液的合成、分泌有关。1945年，K. R. Porter等人通过对动质的电镜观察首次发现：光镜下呈现丝条状的动质结构，实际上是聚集、分布于细胞核附近内质区的一些由小泡、小管相互吻合，彼此连接形成的网状结构。他们根据动质这种特殊的胞内区域分布和电镜结构特征，遂将之易名为内质网(endoplasmic1的culu m, ER)，并被沿用至今。


医学细胞生物学 第一节内质网 1954年，Porter和G. E. Palade等的研究证实：内质网是一类由大小、形态各异的膜性痪泡所构成的细胞器；此后更多的观察研究资料进一步表明，内质网并非仅仅分布于细胞核周围的内质区，而且常常扩展、延伸至靠近细胞膜的外质区；它不仅普遍地存在千几乎所有动物的不同组织细胞类烈，同时也常见于各种植物的绝大多数组织细胞之中。20世纪60年代以前，对内质网的研究主要着重于其在细胞内的分布状况及形态结构方面。之后，由于同位素标记示踪放射自显影技术、电镜细胞化学和免疫细胞化学等技术的应用，使得对于内质网的功能及与之相关的大分子定位等也有了较为全面的了解。


医学细胞生物学 一、内质网的形态结构与类型 （－）内质网是细胞质内由单位膜围成的三维网状膜系统内质网广泛分布于除成熟红细胞以外的所有真核细胞的胞质中。内质网以平均膜厚度约5~6nm的小管(ER tubule)、小泡(ER vesicle)或扁弱(ER lamina)为其基本”结构单位”(unit structure)。这些大小不同、形态各异的膜性管、泡和扁毅，在细胞质中彼此相互连通，构成了一个连续的膜性三维管网结构系统。在整体结构上，可与高尔基复合体、溶酶体等内膜系统的其他组分移行转换；在功能上则与这些结构密切相关。内质网还可向内延伸，与细胞核外膜直接连通。因而，有人认为：核膜是在间期细胞中包裹核物质的内质网的一部分。


医学细胞生物学 一、内质网的形态结构与类型 在不同的组织细胞中，或同一种细胞的不同发育阶段以及不同生理功能状态下，内质网往往会呈现出其形态结构、数量分布和发达程度的差别。例如，大鼠肝脏细胞中的内质网主要是由一组扁平痪泡(5~10个）层叠排列，并通过它们边缘的小管相互连通而成。这些扁艇的表面附着有很多核糖体颗粒，在连通扁艇的小管周围，经常可见散在的小泡结构（图5-2A）。在睾丸间质细胞中的内质网则由众多的分支小管或小泡构筑呈网状结构形式（图5-2B)。我国学者宋今丹在电镜标本制作过程中，以高猛酸钾处理细胞，在培养的猴肾上皮细胞中观察到内质网以细胞核为中心向周围铺展的全貌性网状结构。后来人们以交联荧光的抗体标记内质网上的标志性蛋白，千荧光显微镜下观察到：在培养的哺乳动物细胞和生活的植物细胞中，内质网通常围绕细胞核向外周铺展延伸到细胞边缘乃至细胞突起中，形成较密集的复杂网状立体结构形态（图5-2C)。横纹肌细胞中的肌质网(sarcoplasm ic reticulum)是光面内质网的又一种形态结构存在形式，其在每一个肌原纤维节中连成一网状单位（图5-2D)。


医学细胞生物学 一、内质网的形态结构与类型 一般而言，在不同种生物的同类组织细胞中，它们的内质网基本是相似的。然而，在同一组织细胞中，内质网的数量及结构的复杂程度，则往往与细胞的发育进程成正相关。亦即，与细胞的生长发育相伴，内质网的数量、结构也在逐渐地发生着从少到多、从简单到复杂、从单管少痰的稀疏网状到复管多损的密集网状的变化。（二）糙面内质网和光面内质网是内质网的两种基本类型根据电子显微镜观察的资料，通常把内质网划分为两种基本类型，即所谓的糙面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER)和光面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER)。此外，在某些特殊的正常细胞类型或发生了某种病变的细胞中，内质网也可呈现出其他的结构形态。1.糙面内质网的主要形态特征是表面有核糖体附着糙面内质网又称颗粒内质网(granu lar endoplasmic reticulum, GER)，以其网膜胞质面有核糖体颗粒的附着为主要形态特征，并因此而得名。


医学细胞生物学 一、内质网的形态结构与类型 在结构形态上，糙面内质网多呈排列较为整齐的扁平袭状（图5-3)；在功能上，糙面内质网主要和外输性蛋白质及多种膜蛋白的合成、加工及转运有关。因此，在具有肤类激素或蛋白分泌功能的细胞中，粗面内质网高度发达；而在肿瘤细胞和未分化细胞中则相对少见。2.光面内质网呈表面光滑的管泡样网状形态结构光面内质网也称无颗粒内质网(agranular endoplasmic reticulum, AER)。电镜下呈表面光滑的管、泡样网状形态结构（图5-4)，并常常可见与粗面内质网相互连通。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与赵泡转运103细胞膜线粒体 图5-2内质网的形态结构A鼠肝细胞内质网形态结构模式图；B睾丸间质细胞中内质网形态透射电镜图；C.动植物细胞中内质网形态结构图（荧光标记内质网）；D横纹肌细胞中肌质网立体结构形态模式图图5-3糙面内质网的形态结构A糙而内质网透射电镜图；B.糙面内质网立体结构模式图图5-4光面内质网的形态结构A光面内质网透射电镜图；B光面内质网与糙面内质网结构关系示意图光面内质网是一种多功能的细胞器。在不同细胞或同一细胞的不同生理时期，其结构形态、胞内空间分布及发达程度差异甚大，并常常表现出完全不同的功能特性。两种类型的内质网在不同组织细胞中的分布状况各不相同。有的细胞中皆为租面内质网；有的细胞中全部为光面内质网；还有些细胞中则是二者以不同的比例共存，并且可以随着细胞不同发育阶段或生理功能状态的变化而相互发生类型的转换。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与赵泡转运103细胞膜线粒体 （三）－某些特殊组织细胞中存在内质网的衍生结构除了上述两种基本形态结构类型的内质网之外，在某些特殊组织细胞中还存在着一些由内质网局部分化、衍生而来的异拟结构。比如，见千视网膜色素上皮细胞中的髓样体(myelo id body)、出现千生殖细胞、快速增殖细胞、某些哺乳类动物的神经元和松果体细胞以及一些癌细胞中的孔环状片层体(ann ulate lame llae)等。这些异型结构亦可被看作是内质网的第三种结构类型形式（图5-5)。


医学细胞生物学 ＿、内质网的化学组成 内质网通常可占到细胞全部膜相结构组成的50％左右；占细胞总体积的10％以上；相当于整个细胞质址的15%-20%。应用超速分级分离的方法，可从细胞匀浆中分离出直径在100nm左右的球痪状封闭小泡，人们称之为微粒体(mi crosome)（图5-6A)。生化分析及体外实验证明：微粒体不仅包含有内质网膜与核糖体两种基本组分，而且可行使内质网的一些基本功能。由此推断：微粒体是细胞匀浆过程中，由破损的内质网碎片所形成的小型密闭痪泡，而非细胞内的固有功能结构组分。通过离心分离技术获得的微粒体包括颗粒型和光滑型两种类型（图5-6B)。目前，对内质网的化学特征与生理功能的了解和认识，大多是通过对微粒体的生化、生理分析而获得的。(—)脂类和蛋白质是内质网的主要化学组成成分同细胞膜等其他膜相结构一样，内质网膜也以脂类和蛋白质为其结构的主要化学组成成分。综合不同动物组织细胞来源的微粒体分析资料显示，内质网膜脂类含揽约30%-40%，蛋白质含员在。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与丛泡转运105网质内面糙停留悬浮千低浓度梯度的.离心分离000。O1光滑型微粒体光体停留悬浮千高浓度荒糖I梯度的颗粒型微粒体 图5-6微粒体的形态及类型A从细胞匀浆中分离出的微粒体电镜观察形态图；B运用庶糖浓度梯度离心分离技术可获得颗粒型和光滑型两种不同的微粒体60%-70％之间。在此仅以大鼠肝细胞和胰腺细胞来源的微粒体为例，来说明内质网的脂类和蛋白质组成情况：内质网膜的类脂双分子层组成包括磷脂、中性脂、缩酘脂和神经节昔脂等。其中以磷脂含輩最多。不同磷脂的百分比含量大致为：卯磷脂55％左右；磷脂酰乙醇胺20%～25%；磷脂酰肌醇5%~10%；磷脂酰丝氨酸5%～10%；鞘磷脂4%～7%。内质网膜含有的蛋白质及酶类是非常复杂、多样的。在对大鼠肝细胞与胰腺细胞内质网膜蛋白质进行的十二烧基硫酸钠－聚丙烯酰胺凝胶电泳(SOS-PAGE)分析研究中，可分别观察到33条和30条不同的多肤带纹；它们的相对分子质量大小从15-150kD不等。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与丛泡转运105网质内面糙停留悬浮千低浓度梯度的.离心分离000。O1光滑型微粒体光体停留悬浮千高浓度荒糖I梯度的颗粒型微粒体 （二）内质网含有以葡萄糖－6-磷酸酶为主要标志性酶的诸多酶系内质网膜中含有的酶蛋白至少在30种以上。根据它们的功能特性，大致可划分为以下几种类型：(I)与解毒功能相关的氧化反应电子传递酶系：主要由细胞色素p450、NADPH－细胞色素p450还原酶、细胞色素b5、NADH－细胞色素从还原酶和NADH－细胞色素c还原酶等组成。此外尚有参与蛋白质加工转运的多种酶类。表5-1列举出目前了解较多的一些内质网膜酶蛋白的分布与定位情况。


医学细胞生物学 106第二篇细胞的结构与功能酶分布定位NADH细胞色素b5还原酶胞质面细胞色素b5胞质面 5'－核昔酸酶胞质面GDP－甘露糖基转移酶胞质面葡萄糖－6－磷酸酶网腔面乙酰苯胺－水解酣酶网腔面NADPH－细胞色素还原酶胞质面ATP酶胞质面核昔焦磷酸酶胞质面核昔二磷酸酶网腔面6－葡萄糖睦酸酶网腔面（三）网质蛋白是内质网网腔中普谝存在的一类蛋白质网质蛋白(reticulo-plasmin)是普遍存在于内质网网腔中的一类蛋白质。它们的共同特点是在其多肤链的狻基端(C端）均含有一个KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu，即赖氨酸-天冬氨酸－谷氨酸－亮氨酸）或HOEL(His-Asp-Glu-Leu，即组氨酸天冬氨酸谷氨酸亮氨酸）的4氨基酸序列驻留信号(retenti on signal)。网质蛋白可通过驻留信号与内质网膜上相应受体的识别结合而驻留于内质网腔不被转运。目前已知的网质蛋白有：（一）糙面内质网的主要功能是进行蛋白质的合成、加工修饰、分选及转运许多蛋白质都是在糙面内质网中合成的，包括：心外输性或分泌性蛋白质，如肤类激素、细胞因千抗体、消化酶、细胞外基质蛋白等；＠膜整合蛋白质，如膜抗原、膜受体等；＠构成细胞器中的驻留蛋白(re tention protein)，像定位千糙面内质网、光面内质网、高尔基复合体、溶酶体等各种细胞器中的可溶性驻留蛋白。在此主要以分泌性蛋白为例，介绍在糙面内质网的蛋白质合成过程，并简要说明膜彸O,t整合蛋白的嵌插机制。


医学细胞生物学 106第二篇细胞的结构与功能酶分布定位NADH细胞色素b5还原酶胞质面细胞色素b5胞质面  第五章细胞的内膜系统与汉泡转运 SRP-R是内质网的一种膜整合蛋白。由于该蛋白能够通过与SRP的识别而使得核糖体结合附着千内质网上，因此也称之为停靠蛋白质(docking protein)或船坞蛋白质。3)在信号肤的引导下，合成中的肤链，通过由核糖体大亚基的中央管和转运体易位蛋白共同形成的通道，穿膜进入内质网网腔。随之，信号肤序列被内质网膜腔面的信号肤酶切除，新生肤链继续延伸，直至完成而终止。最后，完成肤链合成的核糖体大、小亚基解聚，并从内质网上解离（图5-7C)。转运体是糙面内质网膜上的一种亲水的蛋白通道。其外径大约8.5nm左右，中央孔直径平均为2nm。有学者认为：内质网上的转运体是一种动态结构，并以两种可转化的构象形式存在。即当它和信号肤结合时，处于一种开放的活性状态；在蛋白质多肤链被完全转移之后，则转变为无活性的关闭状态（图5-7C)。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与汉泡转运 有关转运体的存在及其与蛋白质穿膜转运之间的关系，已经获得有力的实验证据支持。处千蛋白转运功能活性状态下的转运体中央孔道，常常被正在通过的延伸中的多肤链所充塞；用噤呤霉素(p u romycin)处理，使新生的多肤链从核糖体上解离释放下来，可用电生理学方法检测出流过转运体中央孔道的离子流。但是，如果用高盐溶液冲洗，使核糖体从内质网膜上脱落时，转运体即处千关闭状态，也就无法检测到内质网膜上转运体孔道的存在。这表明：核糖体的结合，是转运体孔道开放所必须的条件。转运体不仅是新生分泌蛋白质多肤链合成时进入内质网腔的通道，而且还能够利用水解GTP将内质网腔中的损伤蛋白质转运到细胞质溶质中去。在哺乳动物，内质网转运体主要是由一种与蛋白分泌相关的多肤Sec61p组成的亲水性复合结构体。肤链穿过内质网的转移机制及与之相关的信号肤、SRP、SRP-R及转运体的相互作用如图5-7所示。


医学细胞生物学 108第二扁细胞的结构与功能多）汰亚单位B SRP｀结合位点 SRP从信号肤－核糖体复合体上解离返回胞质溶胶；5'被阻遏的肤链合成继续进行；新生肤链在信号肤SRP识别并结合形成的SRP核糖体牵引下通过开启了的转运休进人内匝网腔倌号肤与核糖休复合结构使翻译哲时终止mRNA,细胞质溶质内质网膜上的蛋白质转运体被解离的信号肤/转运体关闭图5-7信号肤介导核糖体附着千内质网与新生肤链穿膜转移过程示意图A. S RP结构示意图；B核糖体的附着与肤链的合成延仲，C转运体与肤链的穿膜转移(2)新生多肤链的折叠与装配：多肤链的氨基酸组成和排列顺序，决定了蛋白质的基本理化性质；而蛋白质功能的实现，却打接依赖于多肤链依其特定的方式盘旋、折叠所形成的高级三维空间结构。内质网为新生多肤链的正确折控和装配提供了有利的环境。在内质网腔中，丰富的氧化型谷胱甘肤(GSSG)，是有利于多肤链上半胱氨酸残基之间二硫键形成的必要条件；附着于网膜腔面的蛋白二硫键异构酶，则使得二硫键的形成及多肤链的折控速度大大地加快。存在千内质网中的免疫球蛋白重链结合蛋白(BiP)、内质蛋白、钙网蛋白及钙连蛋白等，均能够与折秏错误的多肤和尚未完成装配的蛋白亚单位识别结合，并予以滞留，同时还可促使它们的重新折叠、装配与运输。因此将这类能够帮助多肤链转运、折拧和组装的结合蛋白称做“伴侣＂蛋白第五章细胞的内膜系统与钺泡转运(chaperone protein)或“分子伴侣”(molecular chaperone)一因它们虽然能够通过与多肤链的识别结合来协助它们的折叠组装和转运，但其本身却并不参与最终产物的形成而得名。作为分子伴侣蛋白的共同特点是在其狻基端有KDEL驻留信号肤，它们能够和内质网膜上的相应受体结合而驻留于网腔（不被转运出去）。正因为这样，因此普遍认为：分子伴侣蛋白也是细胞内蛋白质质批监控的重要因子。内质网腔内未折叠蛋白的积聚，可通过未折叠蛋白反应(u nfolded protein response, UPR)使内质网分子伴侣表达升高，从而有利于蛋白质的正确折叠和组装。关于UPR的机制，目前认为内质网腔内积聚的未折叠蛋白，通过活化具有激酶性质的内质网跨膜蛋白等级联反应，促进UPR特异性转录因子与编码内质网分子伴侣基因的启动子结合而上调其表达。


医学细胞生物学 108第二扁细胞的结构与功能多）汰亚单位B SRP｀结合位点 (3)蛋白质的糖基化：所谓糖基化(glycosylalion)，是指单糖或者寡糖与蛋白质之间通过共价键的结合形成糖蛋白的过程。由附着型核糖体合成并经由内质网转运的蛋白质，其中大多数都要被糖基化。发生在糙面内质网中的糖基化主要是霖糖与蛋白质天冬酰胺残基侧链上氨基基团的结合，所以亦称之为N－连接糖基化(N-l inkecl glycosylalion)。催化这一过程的糖基转移荫是存在千糙面内质网网膜腔面的一种膜整合蛋白质。发生在内质网中的蛋白质N-连接糖基化修饰，均开始千一个共同的前体一种由N－乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖组成的14毋糖。霖糖首先与内质网膜中的嵌入脂质分子磷酸多粘醇(do!icol)连接并被其活化，然后在糖基转移酶的催化下转移连接到新生肤链中特定三肤序列Asn-X-Se1或Asn X-Thr(X代表除Pro之外的任何炭基酸）的天冬酰胺残基上。


医学细胞生物学 108第二扁细胞的结构与功能多）汰亚单位B SRP｀结合位点 (4)蛋白质的胞内运输：山附若型核糖体合成的各种外输性蛋白质，经过在糙面内质网中的修饰加工后最终被内质网膜包裂，并以“出芽＂的方式形成膜性小泡而转运。经由糙面内质网的蛋白质胞内运输主要有两个途径：第一条途径是经过在内质网腔的糖基化等作用，以转运小泡的形式进入高尔基复合体，进一步加工浓缩并最终以分泌颗粒的形式被排吐到细胞之外。这也是最为普遍和最为常见的蛋白分泌途径。第二条途径仅见于某些哺乳动物的胰腺外分泌细胞，其大致过程是：来自糙面内质网的分泌蛋白以膜泡形式直接进入一种大浓缩泡，进而发育成酶原颗粒，然后袚排出细胞。通过上述两条不同途径，可见蛋白质分泌的共同特点，即所有分泌蛋白的胞内运输过程，始终是以膜泡形式完全隔离于细胞质基质进行转运的［动画5-4"粗面内质网内蛋白质的折叠及修饰加工（二硫键形成、糖基化修饰）”］。2信号肤指导的穿膜驻留蛋白插入转移的可能机制穿膜驻留蛋白，尤其是多次穿膜蛋白的插入转移，远比可溶性分泌蛋白的转移过程更为复杂。


医学细胞生物学 108第二扁细胞的结构与功能多）汰亚单位B SRP｀结合位点 (I)单次穿膜蛋白插入转移的机制：单次穿膜蛋白插入内质网膜有两种可能的机制：是新生肤链共翻译插入(colran slalion insertion)机制。此机制比较简单。一些新生的单次穿膜驻留蛋白既含有位千肤链N－端的起始转移信号肤，同时还含有存在于多肤链中的一段由特定氨基酸序列组成的疏水区段一停止转移序列(s lop transfer sequence)。该序列与内质网膜有极高的亲和性，可与内质网膜脂双层结合。在由信号肤引导的肤链转移过程中，当停止转移序列进入转运体并与其相互作用时，转运体即由活性状态转换为钝化状态而终止肤链的转移；N－端起始转移信号肤从转运体上解除释放；停止转移序列形成单次跨膜a－螺旋结构区，使得蛋白肤链的C－端滞留于细胞质一侧。


医学细胞生物学 108第二扁细胞的结构与功能多）汰亚单位B SRP｀结合位点 二是由内信号肤(inte rn a l signal peptide)介导的内开始转移肤(internal sla rl-lran sfer peptide)插入转移机制。所谓内信号肤，即位于多肤链中间的信号肤序列。内信号肤具有与N端信号肤同样的功能。随着合成肤链的延长，当内信号肤序列被合成并到达转运体时，即被保留在类脂双分子层中，成为单次跨膜的O'.－螺旋结构。在由内信号肤引导的插入转移过程中，插入的内开始转移肤能够以方向不同的两种形式进入转运体。如果在内信号肤疏水核心氨基端有比其狻基端更多的带正电荷氨基酸序列组成，这时插入的方向为狻基端进入内质网腔面；反之则其插入方向相反（图5-8)。(2)多次穿膜蛋白质的转移插入：多次穿膜蛋白质的转移插入过程虽然远比单次跨膜蛋白要复Q杂得多，但是其基本机制是大致相同的。在多次穿膜蛋白肤链上，常常有两个或者两个以上的疏水性开始转移肤结构序列和停止转移肤结构序列。一般认为，多次跨膜蛋白是以内信号肤作为其开始转移信号的。


医学细胞生物学 ',经典实验：信号肤假说六夕匕旦研九月早 ,20世纪50年代的研究表明，分泌蛋白是由膜结合型核糖体合成的，并在其合成的过程中!发生了穿膜转移。然而，当时无法解释的现象是：为什么合成分泌蛋白的核糖体是膜结合型的i核糖体，而合成胞质蛋白的核糖体却不与膜结合。为了解释这一现象，G. Blobel和D. Sabatini!于1971年提出假说，认为：O将要在膜结合型核糖体上进行翻译的mRNA，在其翻译起始位点:的3'瑞含有一些独特的密码子；＠这样一来，在翻译形成的多肤链的氨基末瑞，会添加上一段独特的序列（即信号肤）；＠这段信号肤能够使核糖体附着于膜上。1975年，Blobel和:B. Dobbers tein报道的一系列实验结果为上述观点提供了重要证据。他们对上述观点进行了补充后，最终形成了“信号肤学说”。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与汲泡转运发表论文 Blobel G, Dobberstein B. Transfer of proteins across membranes. I. Presence of proteolytically processed and unprocessed nascent immunoglobulin light chains on membrane-bound ribosomes of murine myeloma. J Cell Biol,1975,67(3):835-851.


医学细胞生物学 112第二篇细胞的结构与功能这说明，脂肪的合成、类固醇的代谢是在光面内质网中进行的。 除线粒体特有的两种磷脂外，细胞所需要的全部膜脂几乎都是由内质网合成的。内质网脂质合成的底物来源千细胞质基质；催化脂质合成的相关酶类是定位于内质网膜上的膜镶嵌蛋白；脂质合成起始并完成千内质网膜的胞质侧，其主要过程是：(1)首先是脂酰基转移酶(acyl transferase)催化脂酰辅酶A(fatty acyl CoA)与甘油－3－磷酸反应，把2个脂肪酸链转移、结合到甘油－3－磷酸分子上形成磷脂酸(phosphat心c acid);(2)继而在磷酸酶的作用下，使磷脂酸去磷酸化生成双酰甘油；(3)然后再由胆碱磷酸转移酶(chol in e phosphotransferase)催化，在双酰甘油上添加结合一个极性基团，最终形成由一个极性头部基团和两条脂肪酸链疏水尾部构成的双亲性脂类分子。通过以上过程合成的极性甘油二脂双亲媒性脂类物质，借助千翻转酶（fl i ppase)的作用，很快被转向内质网腔面；最终再被输送到其他的膜上。


医学细胞生物学 112第二篇细胞的结构与功能这说明，脂肪的合成、类固醇的代谢是在光面内质网中进行的。 就目前所知，脂质由内质网向其他膜结构的转运主要有两种形式：一是以出芽小泡的形式转运到高尔基复合体、溶酶体和质膜；一是以水溶性的磷脂交换蛋白(p hospholipid exchange protein, PEP)作为载体，与之结合形成复合体进入细胞质基质，通过自由扩散，到达缺少磷脂的线粒体和过氧化物酶体膜上。体外实验显示：每一种磷脂交换蛋白只能专一性地识别一种磷脂，以单分子形式，从内质网膜提取并进行膜间的磷脂分子载运转移。


医学细胞生物学 112第二篇细胞的结构与功能这说明，脂肪的合成、类固醇的代谢是在光面内质网中进行的。 2光面内质网参与糖原的代谢内质网参与了糖原的分解过程。肝细胞中光面内质网上存在与碳水化合物代谢反应功能相关的酶类，主要包含葡萄糖－6－磷酸酶、B－葡萄糖醋酸酶、葡萄糖醋酸转移酶和GDP－甘露糖基转移酶等。在肝细胞光面内质网胞质面附着的糖原颗粒可被糖原磷酸化酶(glycogenphospho1ylase)降解，形成1－磷酸葡萄糖，然后在细胞质溶胶中的磷酸葡萄糖变位酶(phosphoglucomutase)的作用下转化为6－磷酸葡萄糖。最后，被光面内质网网腔面上的葡萄糖－6－磷酸酶催化，发生去磷酸化；去磷酸化后的葡萄糖，更易于透过脂质双层膜，然后经由内质网被释放到血液中。


医学细胞生物学 112第二篇细胞的结构与功能这说明，脂肪的合成、类固醇的代谢是在光面内质网中进行的。 至于内质网是否也参与了糖原的合成过程，目前还存在着截然不同的两种观点。认为内质网参与糖原合成的观点指出：在肝细胞中，糖原颗粒常与光面内质网伴存，当糖原颗粒量多时，光面内质网被遮盖而不易辨认；在动物被禁食几天后，糖原减少，光面内质网明显，提示糖原的合成似与光面内质网有关。但另一些研究发现，光面内质网上无催化糖原合成的糖原合酶(glycogen synthase)，糖原合酶的功能是催化尿昔二磷酸葡萄糖(UDPG)中的葡萄糖基与糖原引物的非还原端分支上的葡萄糖基聚合，从而延长糖链；UDPG并不与内质网膜结合，而是结合在糖原颗粒上。此外，如果把UDPG加到引物糖原上，便可参与糖原的合成。这说明糖原的合成与光面内质网无关。


医学细胞生物学 112第二篇细胞的结构与功能这说明，脂肪的合成、类固醇的代谢是在光面内质网中进行的。 3.光面内质网是细胞解毒的主要场所肝脏是机体中外源性、内源性毒物及药物分解解毒的主要器官组织。肝脏的解毒作用主要由肝细胞中的光面内质网来完成。在肝细胞光面内质网上，含有丰富的氧化及电子传递酶系，包括细胞色素p450、NADPH－细胞色素p450还原酶、细胞色素65、NADH－细胞色素b5还原酶、NADPH－细胞色素c还原酶等。其解毒的基本机制是：在电子传递的氧化还原过程中，通过催化多种化合物的氧化或轻化，一方面，使得毒物、药物的毒性作用被钝化或者破坏；另一方面，则由千胫化作用而增强了化合物的极性，使之更易于排泄。当然，这种氧化作用也可能会使某些物质的毒性增强。内质网电子传递链与线粒体电子传递链的不同之处是：其一，链的组成比线粒体较短；其二，它所催化的反应，实质上都是在作用物分子中加入一个氧原子。因此，有人也把内质网电子传递链酶系称作胫化酶或加单氧酶(monooxygenase)系。还有人称之为混合功能氧化酶(m i xed function oxidase)。


医学细胞生物学 112第二篇细胞的结构与功能这说明，脂肪的合成、类固醇的代谢是在光面内质网中进行的。 4光面内质网是肌细胞Ca2＋的储存场所在肌细胞中，十分发达的光面内质网特化为一种特殊。 的结构一—肌质网。第五章细胞的内膜系统与忒泡转运113 通常状况下，肌质网网膜上的Ca2+-ATP酶把细胞质基质中的Ca2＋泵入网腔储存起来；当受到神经冲动的刺激或者细胞外信号物质的作用时，即可引起Ca2＋向细胞质基质的释放。在肌质网腔中存在的钙结合蛋白浓度为30~lOOmg/ml；每个钙结合蛋白分子可与30个左右的Ca2＋结合，这就使得内质网中的Ca2＋浓度高达311111101/L。内质网中高浓度的Ca2＋和钙离子结合蛋白的存在，还能够阻止内质网运输小泡的形成。这说明，Ca2＋浓度的变化，可能对运输小泡的形成具有一定的调节作用（动画5-5"滑面内质网调控细胞浆钙离子的浓度（钙库）”）。5.光面内质网与胃酸、胆汁的合成与分泌密切相关在胃壁腺上皮细胞中，光面内质网可使Cl一与W结合生成HCl；在肝细胞中，光面内质网不仅能够合成胆盐，而且，可通过葡萄糖酢酸转移酶的作用，使非水溶性的胆红素颗粒形成水溶性的结合胆红素。


医学细胞生物学 （三）内质网应激 内质网是有极强稳态系统的膜性细胞器。在各种生理病理条件下，如缺氧、氧化应激、病毒感染、营养不足、化学药物等均可扰乱内质网稳态，导致内质网内C汒平衡紊乱、未折叠或错误折叠蛋白在内质网腔中积累聚集，形成内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)。适度的内质网应激有利于细胞在外界刺激下恢复细胞的内稳定，是真核细胞的一种自我保护性反应，而长时间或严重的内质网应激会导致内质网功能受损，导致细胞凋亡。内质网应激主要激活三条信号通路：未折叠蛋白反应、内质网超负荷反应(ER overload response, EOR)和固醇调节级联反应(s terol regulatory element binding protein, SREBP)。前两者均是蛋白质加工紊乱所致，SREBP的激活则是在内质网表面合成的胆固醇损耗所致。目前研究发现内质网应激与多种疾病相关，例如动脉粥样硬化、非酒精性脂肪肝、溃疡性结肠炎、糖尿病、心血管疾病、骨质疏松症、肿瘤、神经退行性疾病如阿尔茨海默病和帕金森病等。


医学细胞生物学 第二节高尔基复合体 1898年，意大利学者C. Go胆用银染技术对猫头鹰脊髓神经节进行光镜观察时首次发现：在细胞核周围的细胞质基质中，存在一种嗜银的网状结构，并称之为内网器(in ternal reticular a pparatu s)。此后，在多种细胞中也相继发现了类似的结构。后来的学者，为了纪念高尔基，就用高尔基体(Golgi body)取代了内网器这一名称。20世纪50年代，随着电子显微镜及其超薄切片技术的应用和发展，不仅证明了高尔基体的真实存在，而且使得入们对其有了新的、更为深入和清楚的认识；并根据高尔基体在电镜下的亚显微形态结构特点，将之更名为高尔基复合体(Golgi complex)。


医学细胞生物学 —、高尔基复合体的形态结构 (—)高尔基复合体是由三种不同类型的膜性霹泡组成的细胞器电镜观察表明，高尔基复合体是一种膜性的痪、泡结构复合体。在其整体形态上，不同裂、泡具有明显的极性分布特征。据此，将高尔基复合体划分为三个组成部分（图5-9):1扁平蠹泡现统称为猪泡(cisterna)，是高尔基复合体中最具特征的主体结构组分。通常，每3~8个略呈弓形弯曲的扁平娱泡整齐地排列层叠在一起，构成高尔基复合体的主体结构－~高尔基体堆(Golgi slack)。呈扁平状的高尔基渚泡褽腔宽约15~2Onm；相邻毅间距20-30nm。其凸面朝向细胞核，称之为顺面(cis-face)或形成面(forming face)；凹面侧向细胞膜，称作反面(t ra凡s-face)或成熟面(mature face)。形成面膜厚约6nm，与内质网膜厚度相近似；成熟面膜厚约8nm，与细胞膜厚度相近。2小禄泡现统称为小泡(vesicle)，聚集分布于高尔基复合体形成面，是一些直径为40-80nm的膜泡结构，包括两种类型：相对较多的一类为表面光滑的小泡；较小的一类是表面有绒毛样结构的。


医学细胞生物学 114第二篇细胞的结构与功能分泌泡膜面间反中顺;｝网膜尔中基间高基面尔反高小；泡忆 图5-9高尔基复合体的结构A高尔基复合体透射电镜图；B高尔基复合体结构模式图有被小泡(coated vesicle)。一般认为这些小型裂泡是由其附近的糙面内质网芽生、分化而来，并通过这种形式把内质网中的蛋白质转运到高尔基复合体中来。因此，也被称作为运输小泡(transfervesicle)。它们可通过相互融合，形成扁平状高尔基湘泡。一方面完成了从内质网向高尔基复合体的物质转运；另一方面，也使扁平状高尔基渚泡的膜结构及其内含物不断地得以更新和补充。3.大襄泡现统称为液泡(vacuole)，直径为0.1~0.5µ,m，是见千高尔基复合体成熟面的分泌小泡(secretory vesi cle)。系由扁平状高尔基涨泡末端膨大、断离而形成。不同分泌小泡在电镜下所显示的不同电子密度，可能是它们不同成熟程度的反映。 （二）高尔基复合体具有显著的极性 无论是常规的电镜观察图像，还是应用重金属选择性浸染新技术结合多角度观察、拍摄图像重组的高尔基复合体三维结构模型以及单克隆抗体免疫电镜技术的研究，均显示高尔基复合体具有明显的极性形态结构特征。


医学细胞生物学 （二）高尔基复合体具有显著的极性 构成高尔基复合体主体的湘泡，从形成面到成熟面可呈现为典型的扁平毅状、管状或管、艇复合形式等不同的结构形态；各层膜娱的标志化学反应及其所执行的功能亦不尽相同。因此，现在一般将高尔基复合体膜握层依次划分为顺面高尔基网(cis-Golgi network)、高尔基中间膜痪(med i al Golgi s tack)和反面高尔基网(trans-Golgi network)等三个具有其各自功能结构特征的组成部分（图5-10)。顺面高尔基网靠近内质网一侧，呈连续分支的管网状结构，显示嗜俄反应的化学特征。一般认为，该结构区域的功能有两个：第一是分选来自内质网的蛋白质和脂类，并将其大部分转入到高尔基中间膜袭，小部分重新送返内质网而成为驻留蛋白；第二是进行蛋白质修饰的O～连接糖基化以及穿第五章细胞的内膜系统与汉泡转运膜蛋白在细胞质基质侧结构域的酰基化。所谓O－连接糖基化与发生在内质网中的N－连接糖基化不同，其寡糖连接部位是蛋白质多肤链中丝氨酸等氨基酸残基侧链的OH基团。


医学细胞生物学 （二）高尔基复合体具有显著的极性 高尔基中间膜禄是位于顺面高尔基网状结构和反面高尔基网状结构之间的多层间隔痰、管结构复合体系。除与顺面网状结构相邻的一侧对NADP酶反应微弱外，其余各层均有较强的反应。中间膜痰的主要功能是进行糖基化修饰和多糖及糖脂的合成。高尔基反面网状结构朝向细胞膜一侧，在其形态结构和化学特性上具有不同细胞间的差异性和多样性。该结构的主要功能是对蛋白质进行分选，最终使得经过分选的蛋白质，或被分泌到细胞外，或被转运到溶酶体。另外，某些蛋白质的修饰作用也是在此进行和完成的。比如蛋白质酪氨酸残基的硫酸化、半乳糖a-2,6位的唾液酸化及蛋白质的水解等。


医学细胞生物学 （二）高尔基复合体具有显著的极性 （三）高尔基复合体在不同的组织细胞中呈现不同的分布形式高尔基复合体在不同的组织细胞中具有不同的分布特征。例如，在神经细胞中的高尔基复合体一般是围绕细胞核分布；在输卵管内皮、肠上皮黏膜、甲状腺和胰腺等具有生理极性的细胞中，其常常在细胞核附近趋向于一极分布；在肝细胞中，则沿胆小管分布在细胞边缘；在精、卵等少数特殊类型的细胞和绝大多数无脊椎动物的某些细胞中，可见到高尔基复合体呈分散的分布状态。另有研究结果显示，在非极性的动物间期细胞中，高尔基复合体往往位千中心粒附近。如果用秋水仙碱处理细胞，高尔基复合体会失去原有的典型结构特征，并出现弥散性分布；去除秋水仙碱后，其又能够很快恢复到原来的结构和分布状态。这表明：高尔基复合体在中心粒附近的分布与微管相关。此外，高尔基复合体的数量和发达程度，也因细胞的生长、发育分化程度和细胞的功能类型不同而存在较大的差异，并且会随着细胞的生理状态而变化。一般而言，在分化发育成熟且具有旺盛分泌功能活动的细胞中，高尔基复合体较为发达。


医学细胞生物学 二、高尔基复合体的化学组成（一）脂类是高尔基复合体膜的基本成分 作为一种膜性结构细胞器，脂类是高尔基复合体结构最基本的化学组分。从大鼠肝细胞分离的高尔基复合体，其脂类总含量约45%；大量的分析资料表明，高尔基复合体膜的脂类成分含量介千质膜与内质网膜之间（表5-2)。 脂类及其含量（％）膜的类型 总脂含量磷脂酰乙醇胺卵磷脂神经鞘磷脂磷脂酰丝氨酸胆固醇质膜4034.432.019.24.60.51高尔基复合体4536.531.414.24.70.47内质网膜6135.847.83.45.60.12（二）高尔基复合体含有以糖基转移酶为标志的多种酶蛋白体系在细胞不同结构区域中，酶的分布种类及含量，往往反映着该结构区域的主要功能特性。一般认为，糖基转移酶(glycosyltransferase)是高尔基复合体中最具特征性的酶。它们主要参与糖蛋白和糖脂的合成。


医学细胞生物学 脂类及其含量（％）膜的类型 同时，在高尔基复合体中还存在着其他的一些重要的酶类，它们是：心包括NADH－细胞色素c还原酶和NADPH－细胞色素还原酶的氧化还原酶；＠以5'－核昔酸酶、腺昔三磷酸酶、硫胺素焦磷酸酶为主体的磷酸酶类；＠参与磷脂合成的溶血卵磷脂酰基转移酶和磷酸甘油磷脂酰转移酶；＠由磷脂酶人与磷脂酶A2组成的磷脂酶类；＠酪蛋白磷酸激酶；＠a－甘露糖昔酶等。根据J. E. Roth man等人近些年来的研究报道：通过密度梯度离心技术可分离出3种不同密度的高尔基复合体碎片；而每一种密度的碎片都分别与一组酶相关联。密度最大者含有磷酸转移酶，它们能催化磷酸酶与溶酶体蛋白的结合；中等密度者含有甘露糖甘酶和N－乙酰葡萄糖胺转移酶；而半乳糖基转移酶及唾液酸基转移酶则主要存在于低密度碎片。这也证明了在高尔基复合体中至少具有3种不同结构和功能分化的高尔基膜损。也正是基于此研究结果，Rothman等人提出了高尔基复合体叠层存在生化区隔化或房室化的新观点。


医学细胞生物学 脂类及其含量（％）膜的类型 此后的免疫细胞化学电镜技术研究分析发现：N－乙酰葡萄糖胺转移酶I只存在于高尔基体叠层中央的2~3个扁痪中；半乳糖基转移酶也仅存千反面扁檄中；而磷酸转移酶则几乎可以肯定地存在于顺面扁痪之中。这一发现，为高尔基复合体叠层的生化区隔化或房室化提供了新的证据。表5-3是常见千高尔基复合体中的一些主要的酶类及其分布。乙酰葡萄糖胺转移酶I甘露糖背酶II NAOP酶系磷脂酶腺昔酸环化酶5'－核昔酸酶脂肋酰基转移酌甘露糖酶I酸性磷酸酶核昔二磷酸酶唾液酸转移酶硫胺素焦磷酸酶半乳糖基转移酶高尔基复合体中含有极为丰富的蛋白质和较为多样的酶类。 凝胶电泳分析显示，高尔基复合体 蛋白的组成含量和复杂程度亦介于内质网和细胞膜之间，其中一些蛋白质与内质网是相同的。因此，有理由推断：高尔基复合体是构成质膜和内质网之间相互联系的一种过渡性细胞器。


医学细胞生物学 三、高尔基复合体的功能 作为内膜系统的主要结构组成之一，高尔基复合体不仅和内膜系统其他结构组分一起构成了胞内物质转运的特殊通道，而且也是胞内物质合成、加工的重要场所。其主要的功能作用包括：(—)高尔基复合体是细胞内蛋白质运输分泌的中转站早在20世纪60年代中期，G. E. Palade和J. D. Jami eso n等人，运用放射性同位素标记示踪技术，注射3H标记的亮氨酸千豚鼠胰腺细胞，3分钟后，3廿亮氨酸即出现于内质网中；约20分钟后，从内质网进入到高尔基复合体；120分钟后，3廿亮氨酸出现、存在千细胞顶端的分泌泡中并开始释放。该实验清楚地显示了分泌蛋白在细胞内的合成及其转运途径。此后的研究进而证明，除了外输性分泌蛋白之外，胞内溶酶体中的酸性水解酶蛋白、多种细胞膜蛋白以及胶原纤维等细胞外基质成分也都是经由高尔基复合体进行定向转送和运输的。因此，可以说高尔基复合体是细胞内蛋白质运输分泌的中转站。


医学细胞生物学 三、高尔基复合体的功能 外源性分泌蛋白具有连续分泌(continuous sec retion)和非连续分泌(disco n ti nu ou s secretion)两种不同的排放形式。前者又称恒定型分泌(cons tituti ve secreti o n)，是指外输性蛋白质在其分泌泡形成之后，随即排放出细胞的分泌形式；而后者则是先储存于分泌泡中，需要时再排放到细胞外的分泌形式（动画5-6“高尔基复合体是蛋白成熟的场所”)。（二）高尔基复合体是胞内物质加工合成的重要场所1糖蛋白的加工合成内质网合成并经由高尔基复合体转送运输的蛋白质，绝大多数都是经过。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与众泡转运117 糖基化修饰加工合成的糖蛋白，主要包括N－连接糖蛋白和O－连接糖蛋白两种类型。前者，其糖链合成与糖基化修饰始于内质网，完成于高尔基复合体；后者，则主要或完全是在高尔基复合体中进行和完成的。O－连接糖基化霖糖链结合的蛋白质多肤链中的氨基酸残基通常有丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸（或胶原纤维中的轻赖氨酸与胫脯氨酸）。除了蛋白聚糖外，几乎所有0-连接霖糖中与氨基酸残基侧链OH直接结合的第一个糖基都是N－乙酰半乳糖胺（蛋白聚糖中第一个糖基通常是木糖）；组成0－连接霖糖链中的单糖组分，是在糖链的合成过程中一个个地添加上去的。表5-4是N－连接糖蛋白与0连接糖蛋白之间的主要差别。


医学细胞生物学 N－连接糖蛋白O－连接糖蛋白 糖基化发生部位糙面内质网高尔基复合体连接的氪基酸残基天冬氨酸丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、轻赖（脯）氨酸连接基团NH2-O H第一个糖基N-乙酰葡糖胺半乳糖、N－乙酰半乳糖胺糖链长度5~25个糖基l~6个糖基糖基化方式森糖链一次性连接单糖基逐个添加将细胞置于含有用3H标记的甘露糖培养基中短期培养，然后进行放射自显影示踪测定发现：银染颗粒仅出现于内质网中；用3H-N－乙酰葡萄糖胺培养标记，银粒在内质网和高尔基复合体中同时出现；而用半乳糖和3H－唾液酸糖标记培养，则只在高尔基复合体中发现了银粒的存在。这说明，甘露糖、N－乙酰葡萄糖胺位千糖蛋白驿聚糖链的核心，存在于内质网腔；而半乳糖、唾液酸则位千寡糖链的远端，存在于高尔基复合体中。因此，高尔基复合体不仅具有对于内质网来源的蛋白质的修饰加工作用，而且还是糖蛋白中多（霖）糖组分及分泌性多糖类合成的场所。在糖蛋白的形成过程中，对糖蛋白中寡糖链的修饰加工，是高尔基复合体的主要功能之一。由内质网转运而来的糖蛋白，在进入高尔基复合体后，其寡糖链末端区的寡糖基往往要被切去，与此同时，百添加上新的糖基，比如UDP－半乳糖、UDP－葡萄糖和UDP－唾液酸等。


医学细胞生物学 N－连接糖蛋白O－连接糖蛋白 蛋白质糖基化的重要意义在于：心糖基化对蛋白质具有保护作用，使它们免滥水解酶的降解；＠糖基化具有运输信号的作用，可引导蛋白质包装形成运输小泡，以便进行蛋白质的靶向运输；＠糖基化形成细胞膜表面的糖被，在细胞膜的保护、识别以及通讯联络等生命活动中发挥重要作用（动画5-7“高尔基复合体是蛋白质糖基化修饰加工的流水线”)。2蛋白质的水解加工对蛋白质的水解修饰，是高尔基复合体物质加工修饰功能的另一种体现形式。某些蛋白质或酶，只有在高尔基复合体中被特异性地水解后，才能够成熟或转变为其作用的活性存在形式。例如人胰岛素，在内质网中是以由86个氨基酸残基组成，含有A、B两条肤链和起连接作用的C肤所构成的胰岛素原的形式而存在。当它被转运到高尔基复合体时，在水解切除C肤后才成为有活性的胰岛素。还有，胰高血糖素、血清白蛋白等的成熟，也都是经过在高尔基复合体中的切除修饰完成的。此外，业已证实，溶酶体酸性水解酶的磷酸化、蛋白聚糖类的硫酸化等，均在高尔基复合体的转运过程中发生和完成。


医学细胞生物学 N－连接糖蛋白O－连接糖蛋白 （三）高尔基复合体是胞内蛋白质的分选和膜泡定向运输的枢纽高尔基复合体在细胞内蛋白质的分选和膜泡的定向运输中具有极为重要的枢纽作用。其可能的机制是：通过对蛋白质的修饰、加工，使得不同的蛋白质带上了可被高尔基复合体网膜上专一受体识别的分选信号，进而选择、浓缩，形成不同去向的运输和分泌小泡。这些分泌小泡的运输主要有三条可能的途径和去向（图5-ll)：CD经高尔基复合体单独分拣和包装的溶酶体酶，以有被小泡的形式被转运到溶酶体；＠分泌蛋白以有被小泡的形式运向细胞膜或被分泌释放到细胞外；＠以分泌小泡的形。118第二篇细胞的结构与功能式暂时性地储存于细胞质中，在有需要的情况下，再被分泌释放到细胞外去（动画5-8“高尔基复合体是蛋白质分选的场所（溶酶体酶蛋白的形成及分选机制）”）。


医学细胞生物学 混合蛋白质分拣l l I1溶酶体信号定向转运l-6-P受体七«\\A3连续分泌晌\，细胞膜 \·1（入J细胞质溶质细胞外空间＂．高，京如网．不间－C丿反面可-,|2非连续分泌l内质网I高尔基网高尔基网图5-11经高尔基复合体分拣形成的蛋白质运输小泡三种可能的转运途径与去向溶酶体(l ysosome)是内膜系统的另一种重要结构组分。有关溶酶体可能存在的最早证据资料，是1949年C. de Duve在对大鼠肝组织匀浆细胞组分进行差速离心分离分析研究时意外地获得的。他们在寻找与糖代谢有关的酶时发现，作为对照的酸性磷酸酶活性主要集中在线粒体分离层。引起研究者注意的另一个实验现象是：酸性磷酸酶活性在蒸熘水提取物中高千庶糖渗透平衡液抽提物；在放置一段时间的抽提物中高于新鲜制品，而且酶的活性与沉淀的线粒体物质无关。由此他们推断：在线粒体分离层组分中可能存在另一种细胞器。这一推断，在1955年由de Duve和A. Novikoff等对鼠肝细胞的电镜观察中得以证实。并因其内含多种水解酶而被命名为溶酶体。


医学细胞生物学 —、溶酶体的形态结构和化学组成 （一）溶酶体是一种具有高度异质性的膜性结构细胞器溶酶体普遍地存在于各类组织细胞之中。电镜下可见系由一层单位膜包裹而成。膜厚约6nm，通常呈球形。其大小差异显著，一般直径为0.2-0.8µm，最小者直径仅0. OSµm，而最大者直径可达数微米（图5-12)。典型的动物细胞中约含有几百个溶酶体，但是，在不同细胞中溶酶体的数偏差异是巨大的。一般而言，在溶酶体中可含有60多种能够分解机体中几乎所有生物活性物质的酸性水解酶，这些酶作用的最适pH通常在35~5.5。表5-5为溶酶体含有的几种主要酶类及其作用底物。但是，在每一个溶酶体中所含有的酶的种类却是有限的；不同溶酶体中所含有的水解酶亦并非完全相同。也因此而使它们表现l l出不同的生化或生理性质。总而言之，溶酶体在其形态大小、数200nm量分布、生理生化性质等各方面都表现出了高度的异质性(het-图5-12溶酶体形态结构的&:~":rogenous)。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与众泡转运119 （二）溶酶体的共同特征是含有酸性水解酶尽管溶酶体是一种具有高度异质性的细胞器，但是却也具有许多重要的共性特征：(1)所有的溶酶体都是由一层单位膜包裹而成的裂球状结构小体；(2)均含有丰富的酸性水解酶，包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖昔酶、磷酸酶和溶菌酶等多种酶类。


医学细胞生物学 其中，酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶； (3)溶酶体膜中富含两种商度糖基化的穿膜整合蛋白l gpA和lgpB。它们分布在溶酶体膜腔面，可能有利于防止溶酶体所含的酸性水解酶对其自身膜结构的消化分解；(4)溶酶体膜上嵌有质子泵，可依赖水解ATP释放出的能批将H十逆浓度梯度地泵入溶酶体中，以形成和维持溶酶体埏腔中酸性的内环境。（三）溶酶体膜糖蛋白家族具有高度同源性在多种脊椎动物中已鉴定出了一个溶酶体膜糖蛋白家族－溶酶体结合膜蛋白(lysosoma l-associaled membrane protein, LAMP)或溶酶体整合膜蛋白(lysosomal integral membrane prote in, LIMP)。该类蛋白的肤链组成结构包括：一个较短的N－端信号肤序列、一个高度糖基化的腔内区、一个单次跨膜区和一个山10个左右的氨基酸残基组成的C－端胞质尾区。相关的蛋白质克隆实验表明：在不同物种的同类蛋白质及同一物种的不同蛋白质之间，特别是在其功能结构区，具有高度的氨基酸序列组成同源性。


医学细胞生物学 其中，酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶； 在典型的溶酶体膜糖蛋白结构的糖基化蛋白核心上，连接于蛋白质多肤链中天冬酰胺的霖糖成分可占到糖蛋白重址的50%；在群糖链的末端均含有唾液酸。这种高度的糖基化使得蛋白质的等电点极低而呈酸性。溶酶体整合膜蛋白高度保守的C－端胞质尾区区段可能是该类蛋白质从高尔基复合体向溶酶体运输的通用识别信号。因为，如果改变或破坏C－端的结构组成，就会阻止它们向溶酶体的定向转运。这也提示：N－糖基化并非是这些蛋白质必需的转运信号。 二、溶酶体的形成与成熟过程 溶酶体的形成是一个由内质网和高尔基复合体共同参与，集胞内物质合成加工、包装、运输及结构转化为一体的复杂而有序的过程。就目前的普遍认识，以溶酶体酶蛋白在附着型多聚核糖体上的合成为起始，溶酶体的形成主耍经历以下儿个大的阶段：1酶蛋白的N糖基化与内质网转运合成的酶蛋白前休进入内质网网腔，经过加工、修饰，形成＼－连接的甘碌糖糖蛋白；再被内质网以出芽的形式包裹形成膜性小泡，转送运输到高尔基复合体的形成面。


医学细胞生物学 二、溶酶体的形成与成熟过程 2酶蛋白在高尔基复合体内的加工与转移在高尔基复合体形成面娱腔内磷酸转移酶与N－乙酰葡萄糖胺磷酸糖甘酶的催化下，寡糖链上的甘霹糖残基磷酸化形成甘露糖－6－磷酸(mannose-6-phosphate, M-6-P)，此乃溶酶体水解酶分选的重要识别信号。胞外区3.酶蛋白的分选与转运当带有M-6P标记的溶酶体水解酶前体到达高尔基复合体成熟面时，被高尔基复合体网膜痰腔面的受体蛋白所识别、结合，随即触发高尔基复\a合体局部出芽和网膜外胞质面网格蛋白的组装，并最终以表面狻有网格蛋白的有被小泡(coated ves icle)形式与高尔基复合体袭膜断离。 以M-6-P为标志的溶酶体酶分选机制 是目前了解比较清楚的一条途径，但并非溶酶体酶分选的唯一途径。有实验提示，在某些细胞中可能还存在着非M-6-P依赖的其他分选机制。4内体性溶酶体的形成与成熟断离后的有被小泡，很快脱去网格蛋白外被形成表面光滑的无被运输小泡，它们与细胞质内的晚期内体（也称晚期内吞体）融合，形成内酸性水解酶的释体性溶酶体。


医学细胞生物学 以M-6-P为标志的溶酶体酶分选机制 内体(endosome)，是由细胞的胞吞作用酸性水解酶形成的一类异质性脱衣被膜泡，依其发生阶运输小1段而分为早期内体(ea rly endosome)和晚期内体（图5-13)。所谓早期内体是指经由胞吞作用入胞后最初的脱衣被膜泡，其痪腔中M-6-P受体人心＾o~多受体含有胞吞物质，是一个pH和细胞外液大致相当的碱性内环境。。


医学细胞生物学 以M-6-P为标志的溶酶体酶分选机制 晚期内体是相对千早期内体而言。当早期内体通过分拣、分离出带有质膜受体的再循环内体(recycli n g e ndosome)后，即完成内体性溶酶体了从早期内体向晚期内体的转化，而再循环图5-13内体性溶酶体的形成过程示意图内体则返回并重新融入到质膜中。由早期内体分化形成的晚期内体相对靠近于细胞核一侧，它们和来源千高尔基复合体的那些含有酸性水解酶的运输小泡融合之后，在其战膜上质子泵的作用下，将胞质中的甘泵入，使其腔内pH从7.4左右下降到6.0以下。在改变了的酸性内环境条件下，溶酶体酶前体从与之结合的M-6-P膜受体上解离，并通过去磷酸化而成熟；同时，膜M-6-P受体则出芽形成运输小泡，重新回到高尔基复合体成熟面的网膜上。经历这些系列变化之后，最终形成内体性溶酶体。内体性溶酶体的发生形成过程如图5-13所示。


医学细胞生物学 三、溶酶体的类型 关于溶酶体类型的划分，目前存在两种不同的分类体系，兹分别介绍如下：(—)溶酶体以其功能状态的不同可区分为三种基本类型根据溶酶体的不同发育阶段和生理功能状态，一般将之划分为初级溶酶体、次级溶酶体和三级溶酶体三种基本类型。1初级溶酶体初级溶酶体(primary lysosome)是指通过其形成途径刚刚产生的溶酶体。所以，也有原溶酶体(prolo-lysosome)、前溶酶体(prelysosome)之称。初级溶酶体膜厚约6nm，在形态上一般为不含有明显颗粒物质的透明圆球状。但是，在不同的细胞类型或者在同一细胞类型的不同发育时期，可呈现为电子致密度较高的颗粒小体或带有棘突的小泡。初级溶酶体毅腔中的酶通常处于非活性状态，因此也有入称之为无活性溶酶体(inactive lysosome)。2次级溶酶体当初级溶酶体经过成熟，接受来自细胞内、外的物质，并与之发生相互作用时，即成为次级溶酶体(secondru-y lysosome)。因此，所谓的次级溶酶体，实质上是溶酶体的一种功能作用状态，故又被称作消化泡(digest ive vacuole)。


医学细胞生物学 三、溶酶体的类型 次级溶酶体体积较大，外型多不规则，袭腔中含有正在被消化分解的物质颗粒或残损的膜碎片。依据次级溶酶体中所含作用底物之性质和来源的不同，又把次级溶酶体分为不同的类型，给予不同的称谓：3三级溶酶体三级溶酶体(le山ary lysosome)又称后溶酶体(post-lysosome)或终末溶酶体(telolysosome)，是指次级溶酶体在完成对绝大部分作用底物的消化、分解作用之后，尚会有一些不能被消化、分僻的物质残留于其中，随着酶活性的逐渐降低以至最终消失，进入了溶酶体生理功能作用的终末状态。此时又被易名为残余体(resid u al body)。这些残余体，有些可通过细胞的排遗作用，以胞吐的方式被清除、释放到细胞外去；有些则可能会沉积于细胞内而不被外排。例如，常见于脊椎动物和人类神经细胞、肝细胞、心肌细胞内的脂褐质(Iipofuscin)；见于肿瘤细胞、某些病毒感染细胞、大肺泡细胞和单核吞噬细胞中的髓样结构(myelin fi gure)及含铁小体(si derosome)。它们会随个体年龄的增长而在细胞中累积。


医学细胞生物学 三、溶酶体的类型 不同的残余体，不仅形态差异明显，而且也有不同的内含残留物质。脂褐质是由单位膜包裹的非规则形态小体，内含脂滴和电子密度不等的深色调物质。含铁小体内部充满电子密度较高的含铁颗粒，颗粒直径约为50-60nm。当机体摄入大量铁质时，在肝、肾等器官组织的巨噬细胞中常会出现许多含铁小体。髓样结构之大小差异在0.3-3µm之间。其最显著的特征是内含板层状、指纹状或同心层状排列的膜性物质。溶酶体的类型是相对于溶酶体的功能状态而入为划分的；不同的溶酶体类型，只是同一种功能结构不同功能状态的转换形式。图5-14表示溶酶体系统的这种功能类型转换关系。（二）溶酶体以其形成过程的不同可区分为两大类型近年来，基千对溶酶体形成过程的认识，又有人提出了新的溶酶体分类体系。根据这一分类体系，溶酶体被划分为内体性溶酶体(endo lysosome，也称内溶酶体）和吞噬性溶酶体两大类型。前者，被认为是由高尔基复合体芽生的运输小泡并入经由细胞胞吞（饮）作用形成的内体晚期阶段即晚期内体(lale endosome)所形成；后者则是由内体性溶酶体和自噬体或异噬体相互融合而成（动画5-9"溶酶体的类型及发生过程”)。


医学细胞生物学 四、溶酶体的功能 溶酶体内含60多种酸性水解酶，具有对几乎所有生物分子的强大消化分解能力。溶酶体的一切细胞生物学功能，无不建立在这种对物质的消化和分解作用基础之上。（一）溶酶体能够分解胞内的外来物质及清除衰老、残损的细胞器溶酶体能够通过形成异噬性溶酶体和自噬性溶酶体的不同途径，及时地对经胞吞（饮）作用摄入的外来物质或细胞内衰老、残损的细胞器进行消化，使之分解成为可被细胞重新利用的小分子物质，并透过溶酶体膜释放到细胞质基质，参与细胞的物质代谢。这不仅使可能影响细胞正常生命活动的外来异物和丧失了功能的衰老、残损的细胞器得以清除，有效地保证了细胞内环境的相对稳定，也有利于细胞器的更新替代。 （二）溶酶体具有物质消化与细胞营养功能 溶酶体作为细胞内具有消化功能的细胞器，在细胞饥饿状态下，可通过分解细胞内的一些对于细胞生存并非必需的生物大分子物质，为细胞的生命活动提供营养和能噩，维持细胞的基本生存。事实上，在原生动物，其从外界摄入的各种营养物质，就是完全依赖溶酶体的分解消化作用才被细胞有机体吸收利用的。


医学细胞生物学 （三）溶酶体是机体防御保护功能的组成部分 细胞防御是机体免疫防御系统的重要组成部分，而溶酶体强大的物质消化和分解能力则是细胞实现其免疫防御功能的基本保证和基本机制。通常，在巨噬细胞中均具有发达的溶酶体，被吞噬的细菌或病毒颗粒，最终都是在溶酶体的作用下而得以杀灭，并被分解消化的。（四）溶酶体参与某些腺体组织细胞分泌过程的调节溶酶体常常在某些腺体组织细胞的分泌活动过程中发挥着重要的作用。例如，储存于甲状腺腺体内腔中的甲状腺球蛋白，首先要通过吞噬作用进入分泌细胞内，在溶酶体中水解成甲状腺素，然后才被分泌到细胞外。（五）溶酶体在生物个体发生与发育过程中起重要作用溶酶体的重要功能不仅体现在细胞生命活动之始终，而且也体现于整个生物个体的发生和发育过程。对于有性生殖生物而言，如果说受精卯是生命个体发育的开始，那么生殖配子的形成就是个体发生的前提。在动物精子中，溶酶体特化为其头部最前端的顶体(acrosome)，当精子与卵子相遇、识别、第五章细胞的内膜系统与众泡转运123接触时，稍子释放顶体中的水解酶，溶解、消化围绕卯细胞的滤泡细胞及卵细胞外被，从而为精核的入卵受精打开一条通道。


医学细胞生物学 （三）溶酶体是机体防御保护功能的组成部分 在无尾两栖类动物个体的变态发育过程中，其幼体尾巴的退化、吸收；脊椎动物生长发育过程中骨组织的发生及骨质的更新；哺乳动物子宫内膜的周期性萎缩、断乳后乳腺的退行性变化、衰老红细胞的清除以及某些特定的细胞编程性死亡等，都离不开溶酶体的作用。 第四节过氧化物酶体 过氧化物酶体(peroxisome)是在1954年由J. Rhodin首次发现千鼠肾脏肾小管上皮细胞中的亚微结构。此后几十年的大量观察研究表明，该结构是普遍地存在于各类细胞之中的一种固有的细胞内结构小体。 一、过氧化物酶体的基本理化特征 过氧化物酶体最先被称作微体(m i crobody)，也是由一层单位膜包裂而成的膜性结构细胞器。因为过氧化物酶体在形态、结构和物质降解功能上与溶酶体的类似以及其本身的异质性，以致在相当长的一段时间内不能够把它们与溶酶体区分开来。直至20世纪70年代，人们才逐渐确认过氧化物酶体是完全不同于溶酶体的另一种细胞器，并根据其内含氧化酶和过氧化氢酶的特点而命名为过氧化物酶体。


医学细胞生物学 一、过氧化物酶体的基本理化特征 (—)过氧化物酶体是一类具有高度异质性的膜性球器状细胞器电镜下可见过氧化物酶体在形态上多呈圆形或卯圆形，偶见半月形和长方形；其直径变化在0.2-I.7µm之间（图5-15)。过氧化物酶体不同于溶酌体等类似的膜泡结构小体的最为突出的特征有二：心过氧化物酶体中常常含有电子致密度较高、排列规则的品格结构。此乃尿酸氧化酶所形成，被称作类核体(nucleoid)或类品体(crystallo id)。©在过氧化物酶体界膜内表面可见一条称之为边缘板(margina l plate)的高电子致密度条带状结构。该结构的位置与过氧化物酶体的形态有关：如果存在于一侧，过氧化物酶体会呈半月形；倘若分布在两侧，过氧化物酶体则为长方形（动画5-L O”过氧化物酶体的形态特征（异质性单层膜小体含类晶体）”。（二）过氧化物酶体膜具有较高的物质通透性与其他各种膜性结构细胞器一样，脂类及蛋白质也4`


医学细胞生物学 一、过氧化物酶体的基本理化特征 是过氧化物酶体的主要化学结构组分。其膜脂主要为磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺；膜蛋白包括多种结构蛋白和酶蛋白。过氧化物酶体膜不仅可允许氨基酸、庶糖、乳酸等小分子物质的自由穿越，而且，在一定条件下甚至可允许一些大分子物质的非吞噬性穿膜转运，从而保证了过氧化物酶体反应底物及代谢产物的通常运输，表现出具有较高的物质通透性之特征。（三）过氧化物酶体含有以过氧化氢酶为标志的40多种酶过氧化物酶体的异质性不仅表现为形态、大小的多图5-15过氧化物酶体电镜图样性，而且也体现千不同的过氧化物酶体所含酶类及其生理功能的不同。迄今为止，已经鉴定的过氧化物酶体酶就多达40余种，但是至今尚未发现一种过氧化物酶体含有全部40多种酶。根据不同酶的作用性质，可把过氧化物酶大体上分为三类：1.氧化酶类包括尿酸氢化酶、D－从基酸氧化酶、L－氨基酸氧化酶等黄素腺啋呤二核昔酸(flavi n aden ine dinucl eotide, FAD)依赖氧化酶类。各种氧化酶约占过氧化物酶体酶总址的50%～60%。尽管各种氧化酶的作用底物互不相同，但是，它们共同的基本特征是：在对其作用底物的氧化过程中能够把氧还原成过氧化氢。这一反应通式可表示如下：2.过氧化氢酶类过氧化氢酶约占过氧化物酶体酶总址的40％左右；因其几乎存在千各类细胞的过氧化物酶体中，故而被看作过氧化物酶体的标志性酶。该酶的作用是将过氧化氢分解成水和氧气，即：3过氧化物酶类过氧化物酶可能仅存在于如血细胞等少数几种细胞类型的过氧化物酶体之中。其作用与过氧化氢酶相同，即可催化过氧化氢生成水和氧气。此外，在过氧化物酶体中还含有苹果酸脱氢酶、拧檬酸脱氢酶等。


医学细胞生物学 一、过氧化物酶体的基本理化特征  二、过氧化物酶体的功能 （一）过氧化物酶体能有效地清除细胞代谢过程中产生的过氧化氢及其他毒性物质过氧化物酶体中的氧化酶，可利用分子氧，通过氧化反应祛除特异有机底物上的氢原子，产生过氧化氢；而过氧化氢酶又能够利用过氧化氢去氧化诸如甲酸、甲酸、酚、醇等各种反应底物。氧化酶与过氧化氢酶催化作用的偶联，形成了一个由过氧化氢协调的简单的呼吸链（图5-16)。这不但是过氧化物酶体独有的重要特征之一，而且也是过氧化物酶体主要功能的体现，即可以有效地消除细胞代谢过程中产生的过氧化氢及其他裔性物质，从而起到对细胞的保护作用。这种反应类型，在肝、肾组织细胞中显得尤为重要。比如，饮酒进入人体的乙醇，主要就是通过此种方式被氧化解碍的。


医学细胞生物学 二、过氧化物酶体的功能 氧化酶2比0。2-H202过氧化氢酶O在氧化酶的作用下，使底物R儿将电子父给氧，生成过氧化氢(H202)；过氧化氢再被过饥化氢酶还原成水；＠还原的电子来自多种小分子R比之一种(R—比）；＠如果没有其他供体，则还原的屯子可来自于过氧化氢本身（二）过氧化物酶体能够有效地进行细胞氧张力的调节尽管过氧化物酶体只占到细胞内氧耗址的20%，但是，其氧化能力却会随氧浓度的增高而增强。因此，即便细胞出现高浓度氧状态时，也会通过过氧化物酶体的强氧化作用而得以有效调节，以避免细胞遭受高浓度氧的损害。（三）过氧化物酶体参与对细胞内脂肪酸等高能分子物质的分解转化过氧化物酶体的另一功能是分解脂肪酸等高能分子，或使其转化为乙酰辅酶A，并被转运到细胞质基质，以备在生物合成反应中的再利用；或者向细胞直接提供热能。 三、过氧化物酶体的发生 关于过氧化物酶体的发生，目前存在两种不同的观点。早前，人们根据一些形态观察获得的实验资籵，认为过氧化物酶体的发生和形成过程相似于溶酶体，即过氧化物酶体的酶蛋白是在糙面内质网上的附着核糖体合成，经过在内质网腔中的加工修饰后，以转运小泡的形式转移、分化形成的。


医学细胞生物学 三、过氧化物酶体的发生 而现在则有证据显示：过氧化物酶体的发生与线粒体相类似，是由原有的过氧化物酶体分裂而来。分裂产生的子代过氧化物酶体经过进一步的装配，最后形成成熟的过氧化物酶体细胞器。更有实验证明：过氧化物酶体基质蛋白是合成于胞质中游离的核糖体上，然后，在其肤链某一端特定的过氧化物酶体蛋白分选信号序列(peroxisomal t狙ge t ing signal, PTS)或导肤(leader peptid e)的引导下进入到过氧化物酶体中的；过氧化物酶体膜整合蛋白也是在游离核糖体上合成的。


医学细胞生物学 三、过氧化物酶体的发生 但是，无论上述哪种观点，都不排除和否认内质网在过氧化物酶体形成过程中的作用。首先，构成过氧化物酶体的膜脂，可能是在内质网上合成，再通过磷脂交换蛋白或膜泡运输的方式完成其转运的；其次，在胞质中游离核糖体上合成的过氧化物酶体膜整合蛋白，可能通过三种不同的途径嵌入过氧化物酶体的脂质膜中。这三种可能的途径分别是：心在过氧化物酶体进行分裂增殖之前直接嵌入；＠嵌入来自于内质网的过氧化物酶体膜脂转移小泡，并随同转移小泡一起加入到过氧化物酶体；＠嵌入正在从内质网膜上分化，但是又尚未完全分离的过氧化物酶体脂膜，然后与过氧化物酶体膜脂一起以转移小泡的形式被转运到过氧化物酶体（动画5-11“过氧化物酶体的发生”)。


医学细胞生物学 第五节嘉泡与囊泡转运 痪泡，也称为小泡(vesicle)，是真核细胞内十分常见的由单位膜包围而成的含有特殊内含物的膜泡结构。袋泡从几十纳米到数百纳米不等，可呈小的球形或较大的无规则形状。在所有具有内膜系统结构的细胞中，就必然地会有痪泡的形成出现。内膜系统是一个庞大复杂的功能结构体系，构成内膜系统的各主要细胞器都具有它们各自相对独特的结构存在形式和主要的生理功能。襄泡虽然不像内质网、高尔基复合体、溶酶体和过氧化物酶体那样作为一种相对稳定的细胞内困有结构而存在，但是却依然是细胞内膜系统不可或缺的重要功能结构组分。誕泡的形成出现，都会伴随着细胞内物质的定向运输活动过程，因此也被称为转运找泡(transport vesicle)。由痪泡介导的运输方式称为痰泡运输(membrane traffic)或袋泡转运(vesicul出transport)。高尔基复合体一、蠹泡在胞内蛋白质运输中的作用不论是在游离核糖体还是膜结合型核糖体上合成的蛋白质，在其合成结束后，必须被输送到其发挥功能的细胞区室。正是由于新合成蛋白质多肤链中信号序列的差异，最终决定了蛋白质合成起始后继续合成的不同形式和各自的运输途径及去向。胞内的蛋白质运输主要有3条不同途径（图5-17)。早期内体和线粒体的。


医学细胞生物学 第五节嘉泡与囊泡转运 (3)小泡运输(vesicu l扣lransporl)：又称娱泡运输或痪泡转运，是由不同膜性运输小泡承载的一种蛋白质运输形式。其实质是由膜包裹、以出芽的方式从供体细胞器或质膜断裂形成痪泡，携带运送的物质到达受体细胞器或质膜并与之融合而完成转运的过程。膜性细胞器之间的蛋臼分子转移、细胞的分泌活动及细胞膜的大分子和颗粒物质转运，都是以这种运输形式来实现。毅泡运输是真核细胞特有的一种细胞物质内外转运形式。褒泡类型多样，结构特殊，有着十分精密复杂的产生、形成过程。在细胞生命活动中由之所承载和往返穿梭进行的物质运输，不但涉及蛋白质的修饰、加工和装配，同时还涉及内膜系统不同功能结构间通过相互转换的定向物质转运过程及其复杂有效的分子调控机制。近些年来，对千森泡的研究，受到了人们越来越多的关注。


医学细胞生物学 二、囊泡的类型与来源 碌泡虽然可被视为是内膜系统重要的整体功能结构组分之一，但是与内质网、高尔基复合体、溶酶体及过氧化物酶体等膜性细胞器不同，它们并非是一种相对稳定的细胞内固有结构，而只是细胞内物质定向运输的载体和功能表现形式。痪泡类型多样，结构特殊，有着十分粘密复杂的产生、形成过程。不同类型的痪泡介导不同的运输过程。据研究推测，承担细胞内物质定向运输的戏泡类型至少有IO种以上。其中网格蛋白有被小泡(clalhrin-coaled vesicle)、COP I有被小泡(COP I-coaled vesicle)和COP lI有被小泡(CO P JI-coa led vesicle)是目前了韶较多的三种戚泡类型（动画5-12”有被谈泡的形成过程及运输方向“)。(—)网格蛋白有被小泡产生于高尔基复合体及细胞膜网格蛋白有被小泡可以出芽的方式产生千高尔基复合体，也可由细胞膜受体介导的细胞内吞作川而形成（图5-18)。由高尔基复合体产生的网格蛋白小泡，主要介导从高尔基复合体向溶酶体、胞内体或质膜外的物质输送转运；而通过细胞内吞作用形成的网格蛋自有被小泡则是将外来物质转送到细胞质，或者从胞内体输送到溶酶体。


医学细胞生物学 晚内体厂n r°勹勹/」--己勹尸／一雹＼质膜分泌小泡I沺十裴扒竹n3l内质网高尔基复合体 网格蛋白有被小泡的产生，是一个非常复杂的过程，涉及多种蛋白的参与和作用。网格蛋白有被小泡直径一般在50~100nm之间。如图5-19所示，该类戏泡的结构特点有二：一是外被以由网格蛋自纤维构成的网架结构，亦囚此而得名；二是在网格蛋白结构外框与痪膜之间约20nm的间隙中埴充拟盖着大址的衔接蛋白(adap lin)。网格蛋白(clathrin)是一种蛋白复合物，由3条蜇链和3条轻链组成。重链和轻链组成二聚体，三个二聚体又形成了包被小泡的结构——三腿蛋白复合物(tri s k e li on)（见第四章图4-22)。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与社泡转运127受体转运分子0.2µm发动蛋白（亦称缢断蛋白） 图5-19网格蛋白有被小泡之形态及结构特征A网格蛋白有被小泡形态特征电镜图；B网格蛋白有被小泡结构特征示意图衔接蛋白是有被小泡的包被组成成分，介千网格蛋白与配体－受体复合物之间，参与包被的形成并起连接作用。衔接蛋白一方面形成相对于外侧网格蛋白框架而言襄泡的内壳结构，另一方面还介导网格蛋白与娱膜穿膜蛋白受体的连接。因此，碌泡就是依靠衔接蛋白来捕获转运分子的。目前发现，细胞内至少有4种不同的衔接蛋白，它们选择性地通过与不同受体－转运分子复合体的结合，形成特定的转运誕泡，进行不同的物质转运。对其中3种衔接蛋白(AP l、AP2和AP3)的性质研究较多。API参与反面高尔基复合体的网格蛋白有被痰泡的出芽；AP2则参与从细胞质膜形成的网格蛋白有被痪泡的组装；AP3是在酵母和小鼠中鉴定到的一种衔接蛋白，参与某些蛋白从反面高尔基体到液泡、溶酶体的运输。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与社泡转运127受体转运分子0.2µm发动蛋白（亦称缢断蛋白） 在娱泡的形成中，除网格蛋白与衔接蛋白之外，发动蛋白或缢断蛋白(dynami n)细胞质中一种可结合并水解GTP的特殊蛋白质也具有极其重要的作用。发动蛋白由900个氨基酸组成，在膜溪芽生形成时，发动蛋白与GTP结合，并在外凸（或内凹）芽生膜裴的颈部聚合形成环状；随着其对GTP的水僻，发动蛋白环向心缢缩，直至娱泡断离形成。而一旦毅泡芽生形成，便会立即脱去网格蛋白外被，转化为无被转运小泡，开始其转运运行。（二）COP Il有被小泡产生千内质网、介导从内质网到高尔基复合体的物质转运COP Il有被小泡由糙面内质网所产生，因狻盖有衣被蛋白Il(coatomer protein Il, COP Il)而得名，属于非网格蛋白有被裳泡类型。COP Il有被小泡最先被发现于酵母细胞糙面内质网与胞质及ATP的共孵育实验。利用酵母细胞突变体进行研究鉴定，发现COP II衣被蛋白由5种亚基组成。包括小分子GTP结合蛋白Sarl,Sec23/Sec24复合物、Secl3/Sec3l复合物和大的纤维蛋白Secl6。其中的汕蛋白属于一种小的GTP结合蛋白，它可通过与GTP或GDP的结合，来调节痪泡外被的装配与去装配。汕蛋白亚基与GDP的结合，使之处千一种非活性状态；当取而代之与GTP结合时，Sa]蛋白就会被激活，并导致其结合于内质网膜，同时引发其他蛋白亚基组分在内质网膜上聚合、装配、出芽，随即断离形成COP II有被小泡。（图5-20)COP Il有被小泡主要负责介导从内质网到高尔基复合体的物质转运（图5-21)。实验证明，应用COP II有被小泡衣被蛋白COP Il的抗体，能够有效地阻止内质网膜小泡的出芽。有人采用绿色荧光蛋白(gree n fluoresce nt protein, GFP)标记示踪技术观察COP Il有被小泡的转运途径发现：当COP II有被小泡在内质网生成之后，在向高尔基复合体的转移途中，常常数个彼此先行融合，形成所谓的“内质网－高尔基体中间体”(ER-to-Golgi intermed iate compartment)，然后再沿微管系统继续运行，最终到达C非活化的可溶性Sar I-GDP D GDPSarl-GEF货物图5-20COP II有被小泡的形态结构及组装形成过程示意图A. COP II有被小泡形态特征电镜图；B. COP II有被小泡的结构组成；C. COP II的组装激活；D. COP II的装配管状小泡丛，)COPI外被-(。,,/泣返转运第五章细胞的内膜系统与忒泡转运129高尔基复合体之顺面（形成面）。COP II有被小泡在抵达其靶标之后、与靶膜融合之前，即由结合的GTP水解，产生Sar-GDP复合物，促使娱泡包被蛋白发生去装配，导致嵌泡脱去衣被成为无被转运小泡。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与社泡转运127受体转运分子0.2µm发动蛋白（亦称缢断蛋白） COP II有被小泡的物质转运具有选择性。实现这种选择的机制是：COP II蛋白能够识别结合内质网穿膜蛋白受体胞质侧一端的信号序列；而内质网穿膜蛋白受体网腔侧的一端，则又与内质网网腔中的可溶性蛋臼结合。由此可见，COP II蛋白对于泌泡的选择性物质运输具有非常重要的作用。（三）COP I有被小泡的主要功能是回收转运内质网逃逸蛋臼COP I有被小泡首先发现于高尔基复合体，其毅盖有衣被蛋白I(coa tomer protein I, COP I),亦属千非网格蛋白有被娱泡类型。它们主要负责内质网逃逸蛋白的捕捉、回收转运以及高尔基复合体膜内蛋白的逆向运输(retrograde transport)。同时，有证据表明：COP I有被小泡也能够行使从内质网到高尔基体的顺向转移(anterograde transport)。顺向转移一般不能直接完成，在痪泡的转移运行过程中，往往需要通过“内质网－高尔基体中间体”这一中间环节的中转（图5-22)。


医学细胞生物学 分泌蛋白受体蛋白灼二刁了内质网顺面中间反面高尔基网高尔基网高尔基网 图5-22示COP I有被小泡的形态结构及其在内质网与高尔基复合体之间的运行A. COP I有被小泡形态特征电镜图；B. COP I在内质网与高尔基复合体之间的运行COP I衣被蛋白覆盖千碌泡表面，是一种由7个亚基(mB、'Y、8、C、;等）组成的多聚体。在早前的研究中，人们用不能被水解的GTP类似物处理细胞，引起COP I有被小泡在细胞中的聚集。然后采用密度梯度离心技术，使之从细胞匀浆中分离出来。经鉴定分析，先后发现了COP I有被小泡衣被蛋白的Q、B、丫、8、e、[等几种蛋白亚基成分。其中的a蛋白（也称ARF蛋白）类似于COP II中的汕蛋白亚基，即作为一种GTP结合蛋白，可调节控制衣被蛋白复合物的聚合、装配及膜泡的转运。


医学细胞生物学 分泌蛋白受体蛋白灼二刁了内质网顺面中间反面高尔基网高尔基网高尔基网 COP I衣被小泡形成的大致过程是：心游离于胞质中的非活化状态ARF蛋白与GDP解离并与GTP结合形成GTP-ARF复合体；＠GTP-A{F复合体作用于高尔基复合体膜上的ARF受体；＠COPI,蛋白亚基聚合，同ARF一起与高尔基体襄膜表面其他相关蛋白结合作用，诱导转运襄泡芽生。而一旦COP I有被小泡从高尔基顺面膜痪生成断离出来，COP I衣被蛋白即可解离。体外实验证明：CTP的存在，是COP I衣被蛋白发生聚合与解离的必要条件。 三、囊泡转运（一）囊泡转运是细胞物质定向运输的基本途径 无论何种类型的娱泡，其痪膜均来自于细胞器膜。娱泡的产生方式，是由细胞器膜外凸或内凹芽生(b udding)而成。体外研究结果显示：褒泡的芽生是一个主动的自我装配过程；参与这一过程的各种组分，在进化上是十分保守的。因为，从酵母或植物细胞中提取的胞质溶胶，同样能够启动动物细胞中高尔基复合体的损泡出芽生成。而所谓的襄泡转运(vesicular transpor t)，则是指裴泡以出芽的方式，从一种细胞器膜产生、脱离后又定向地与另一种细胞器膜相互融合的过程。


医学细胞生物学 三、囊泡转运（一）囊泡转运是细胞物质定向运输的基本途径 娱泡的产生形成过程，总是伴随着物质的转运；娱泡的运行轨道及归宿，取决于其所转运物质的定位去向。比如，细胞内所合成产生的各种外输性蛋白及颗粒物质，总是先进入内质网，然后以痰泡的形式输送到高尔基复合体，再直接地或经由溶酶体到达细胞膜，最终通过胞吐作用（或出胞作用）分泌释放出去。而细胞通过胞吞作用摄入的各种外来物质，总是以嵌泡的形式，自外而内，从细胞膜输送到胞内体或溶酶体。细胞通过胞吞作用摄取重要营养物质如维生素、脂类和铁等经内体或溶酶体重新运输到胞质供细胞利用，一些物质如吞噬的细菌、病毒等异物也可以从细胞膜经内体等向溶酶体等进行向内运输并被降解。由此可见，由袋泡转运所承载和介导的双向性物质运输，不仅是细胞内外物质交换和信号传递的一条重要途径，而且也是细胞物质定向运输的一种基本形式。


医学细胞生物学 三、囊泡转运（一）囊泡转运是细胞物质定向运输的基本途径 通过痪泡运输的物质主要有两类：一类是位于袭泡膜上的膜蛋白如膜受体、离子通道蛋白和脂类等，可参与细胞器的组成或特定细胞功能（如细胞代谢和信号转导等）。另一类是娱泡所包裹的内含物，如神经递质、激素、各种酶和细胞因子等，这些物质可发挥降解蛋白质或脂类等的功能；或可被分泌到细胞外，发挥调节自身或其他细胞的功能。（二）囊泡转运是—个高度有序并受到严格选择和精密控制的物质运输过程不同来源、不同类型的磁泡，承载和介导不同物质的定向运输。它们必须沿正确的路径，以特定的运行方式，方可抵达、铀泊于既定的靶标，并通过膜的融合释放其运载物质。一般认为，毅泡如果在较短距离内转运，其主要以简单弥散的方式运行，比如从内质网到高尔基复合体的娱泡转运就是通过这种方式进行的；当转运距离较长时，痪泡运行则需要借于类似骨骼肌纤维中的运动蛋白的协助才能完成。比如在一个长的神经细胞中，源千高尔基复合体的痪泡向细胞轴突远（末）端的转移就是如此。


医学细胞生物学 三、囊泡转运（一）囊泡转运是细胞物质定向运输的基本途径 痪泡转运不仅仅只是物质的简单输送，而且还是一个严格的质量检查、修饰加工过程。举例来说：进入内质网的蛋白质，首先要被决定其去、留问题；之后，那些外输的蛋白质，往往还要经过一定的修饰加工和质量检查，才能以痪泡的形式被转运到高尔基复合体。有时候，某些内质网驻留蛋白或不合格的外输蛋白可能会从内质网逃逸外流，但是，它们在进入高尔基复合体后也还是会被甄别、捕捉，并由COP I有被娱泡遣返回来。事实上，无论何种来源类型、哪些形式途径的痪泡转运，都是高度有序、受到严格选择和精密控制的物质运输过程。


医学细胞生物学 三、囊泡转运（一）囊泡转运是细胞物质定向运输的基本途径 （三）特异性识别融合是囊泡物质定向转运和准确卸载的基本保证娱泡运输是一个十分复杂的过程，主要包括如下关键步骤：心粱泡的形成：涉及供体膜的出芽、装配和断裂，形成不同的包被裂泡（前面巳述及）；＠粱泡运输：可由马达蛋白驱动，以微管为轨道进行（参见细胞骨架相关章节）（动画5-13"裂泡运输与细胞骨架”)；＠转运砐泡与特定的靶细胞膜描定和融合。最终达到对物质运输的目的。而转运痪泡抵达靶标之后与靶膜的融合，是一个涉及多种蛋白的识别与铀泊结合、装配与去装配的复杂调控过程，具有高度的特异性。而这也正是物质定向运输和鼻，准确卸载的基本保证机制。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与在泡转运131 翋泡与靶膜的识别是它们之间相互融合的基础。这个重要的过程主要依靠两类蛋白的参与：心Rab蛋白引导痰泡到达正确靶膜的特定靶点；＠由可溶性N－乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体(solubl e N-ethyl maleimide-sensilive factor attachment protein receptor, SNAREs)介导痰泡膜与靶膜之间的融合（动画5-14"翍泡膜与靶向膜上分子的特异识别机制）。1. SNAREs蛋白家族介导嘉泡与靶膜之间相互融合虽然目前对千嵌泡与靶膜的识别的机制还知之甚少，但是，其无疑与毅泡表面的特异性标记分子和靶膜上的相应受体密切相关。近些年来，SNAREs家族在襄泡运输及其选择性铀泊融合过程中的作用引起了人们的极大关注。痪泡相关膜蛋白(vesicle-associated membran e protein, VAMP)和突触融合蛋白(syntax.in)是该蛋白家族的一对成员，负责介导细胞内的艇泡转运。研究发现：在转运艇泡表面有一种VAMP类似蛋白，被称之为媒泡SNAREs(ves icle-SNAREs, v-SNAREs)；突触融合蛋白是存在于靶标细胞器膜上SNAREs的对应序列，被称之为靶SNAREs(target-SNAREs, t-SNAREs)。此二者互为识别，特异互补。越来越多的研究表明介导转运誕泡与靶膜融合的主要机制是通过v-SNARE/t-SNARE蛋白之间那种“锁－钥＂契合式的相互作用，决定痰泡的铀泊与融合。事实上，存在于神经元突触前质膜上的突触融合蛋白和能够与之特异性结合的突触小泡膜上的嫘泡相关膜蛋白已被分离鉴定（图5-23)。这两种蛋白的相互作用，可介导膜的融合和神经递质的释放。


医学细胞生物学 第五章细胞的内膜系统与在泡转运131  突触艇泡细胞质神经细胞质膜 目前普遍认为：所有转运娱泡以及细胞器膜上都带有各自特有的一套SNAREs互补序列，它们之间高度特异的相互识别和相互作用，是使转运毅泡得以在靶膜上铀泊停靠，保证痪泡物质定向运输和准确卸载的基本分子机制之一。2. Rab蛋白家族在殴泡转运与融合中起调节作用Rab蛋白家族为一个大的GTP结合蛋白家族，是参与娱泡转运识别、铀泊融合调节的蛋白因子。目前已发现大约70个家庭成员。研究发现每一种细胞器的胞质面至少含有一种Rab蛋白。Rab蛋白的这种选择性分布使其成为理想的鉴定细胞器的分子，例如RabS定位于早期内体、高尔基复合体，Rab9则定位千晚期内体、高尔基复合体等。不同Rab蛋白经活化传送定位千不同膜性结构中主要用于促进和调节艇泡的停泊和融合。


医学细胞生物学 突触艇泡细胞质神经细胞质膜 Rab蛋白被称为袋泡融合的“定时器”。Rab蛋白结合GTP激活可位于细胞质膜、内膜和转运艇泡膜上，调节SNARE复合体的形成。不同Rab蛋白可作用于不同的效应因子(effector)，帮助运输小泡的聚集和靠近靶膜，促进SNARE介导的膜融合过程（图5-24)。许多运输小泡只有在含有特定的Rab和SNARE之后才能形成。如在早期内体中有RabS存在。实验证明没有RabS参与，内体不能形成，即痰泡不能融合。Rabl调节内质网到高尔基复合体转运溪泡的砚合过程。酵母Sec4基因编码的蛋白与细胞Rab蛋白同源。如果将Sec4突变，则非网格蛋白有被痪泡的脱衣被转运融合过程就会受阻失常。


医学细胞生物学 白蛋应效靶膜货物一｀无呻反面高尔(©网状结构高尔基体顺面高尔基网状结构中间膜痪COPII亚单位移网管基彶尔着高沿面被合有融内质网－高尔基体COP I亚单位中间体泡襄体运被输被渺酶被衣泡埏有小白被蛋有第五章细胞的内膜系统与五泡转运133 （四）囊泡转运是实现细胞膜及内膜系统功能结构转换和代谢更新的桥梁细胞膜和内质网是袭泡转运的主要发源地，而高尔基复合体则构成了襄泡转运的集散中心。伴随物质的合成运输，由内质网产生的转运痪泡融汇到高尔基复合体，其粪膜成为高尔基复合体形成面膜的一部分；由高尔基复合体成熟面持续地产生和分化出的不同分泌翍泡，或被直接输送到细胞膜，或经由溶酶体最终流向和融入细胞膜。细胞膜来源的痰泡转运，则以胞内体或吞噬（饮）体的形式与溶酶体发生融合转换。由此可见，不断地产生、形成，存在和穿梭千质膜及内膜系统结构之间的翋泡转运，它们在承载和介导细胞物质定向运输功能的同时，又不断地被融汇更替、转换易名，从一种细胞器膜到另一种细胞器膜，形成了一个有条不紊、源源不断的膜流（图5-25)，并藉此进行着细胞膜及内膜系统不同功能结构之间的相互转换与代谢更新。


医学细胞生物学 第六节细胞内膜系统与医学的关系 早在1858年，当时的病理学家R. Virchow就提出了病理过程是进行于细胞和组织之中的著名论断。作为生命的基本单位，细胞生命活动现象，是其内部各种功能结构生理状况的综合体现。反之，细胞内部各种功能结构的生理状态，也必然会影响到细胞的总体生命活动；它们的任何异常，都会直接引起细胞生命活动的紊乱或导致细胞的病理改变。内膜系统是真核细胞内最为重要的功能结构体系之一，因此，也就毫不例外地和细胞的一系列病理过程以及多种人类疾病密切相关。内膜系统，不仅是细胞生物学自身研究的主要课题，而且也是现代医学科学研究的重大问题之一。 —、内质网的病理变化 内质网是极为敏感的细胞器，许多不良因素都可能会引起内质网形态、结构的改变，并导致其功能的异常。（一）内质网最常见的病理改变是肿胀、肥大或囊池塌陷内质网的肿胀主要是由于钠离子和水分的渗入、内流所造成的一种水解变性。在低氧、辐射、阻塞等情况下，也会引起肿胀的发生。极度的肿胀，最终会导致内质网的破裂。由低氧、病毒性肝炎引起的糙面内质网的肿胀，还常常伴随着附着核糖体颗粒的脱落和萎缩。


医学细胞生物学 —、内质网的病理变化 膜的过氧化损伤所致的合成障碍造成的内质网改变往往表现为内质网翍池的塌陷；而肝细胞在1型糖原累积病及恶性营养不良综合征时，则表现为内质网膜断离伴随核糖体脱落的典型形态改变。（二）内质网襄腔中包涵物的形成和出现是某些疾病或病理过程的表现特征在药物中毒、肿瘤所致的代谢障碍情况下，可观察到一些有形或无形的包涵物在内质网中的形成出现；而在某些遗传性疾病患者，由于内质网合成蛋白质的分子结构异常，则有蛋白质、糖原和脂类物质在内质网中的累积。（三）内质网在不同肿瘤细胞中呈现多样性的改变内质网是细胞生理功能特性的敏感指标。在具有不同生物学特性的癌变细胞中，内质网的形态结构与功能也呈现出多样性的改变。通常，在低分化癌变细胞中，内质网比较稀少；在高分化癌变细胞中，其比较丰富发达的内质网遍布细胞质中。低侵袭力癌细胞中内质网较少，葡萄糖－6－磷酸酶活性呈下降趋势，但是分泌蛋白、尿激酶合成相对明显增多；高侵袭癌细胞中，内质网相对发达，分泌蛋白、驻留蛋白、B－葡萄糖醋酸昔酶等的合成均比低侵袭癌细胞显著增高。


医学细胞生物学 —、内质网的病理变化 有人认为，孔环片层也是肿瘤细胞中常见的内质网改变，但是关于孔环片层的来源却还存在不同的看法。有学者认为，孔环片层是内质网的异型结构形态；另有学者认为，孔环片层是核膜的特化结构。 134第二篇细胞的结构与功能二、高尔基复合体的病理形态变化(—)功能亢进导致高尔基复合体的代偿性肥大 当细胞分泌功能亢进时，往往伴随高尔基复合体结构的肥大。有人在大鼠肾上腺皮质的再生实验中注意到：再生过程中，腺垂体细胞分泌促肾上腺皮质激素的高尔基复合体处于旺盛分泌状态时，其整个结构显著增大；再生结束后，随着促肾上腺皮质激素分泌的减少，其高尔基复合体结构又恢复到常态。（二）毒性物质作用导致高尔基复合体的萎缩与损坏脂肪肝的形成，是由于乙醇等毒性物质的作用，造成肝细胞中高尔基复合体脂蛋白正常合成分泌功能的丧失所致。在这种病理状态下，可观察到：肝细胞高尔基复合体中脂蛋白颗粒明显减少甚至消失；高尔基复合体自身形态萎缩，结构受到破坏。


医学细胞生物学 （三）肿瘤细胞分化状态影响高尔基复合体形态 正常情况下，在分化成熟、分泌活动旺盛的细胞中高尔基复合体较为发达，而在尚未分化成熟或处于生长发育阶段的细胞中，高尔基复合体则相对较少。通过对各种不同肿瘤细胞的大量观察研究结果表明，高尔基复合体在肿瘤细胞中的数扯分布、形态结构以及发达程度，也因肿瘤细胞的分化状态不同而呈现显著差异。例如，在低分化的大肠癌细胞中，高尔基复合体仅为聚集、分布在细胞核周围的一些分泌小泡；而在高分化的大肠癌细胞中，高尔基复合体则特别发达，具有典型的高尔基复合体形态结构。 三、溶酶体与疾病 溶酶体在细胞生命活动中具有多方面的重要生物学功能。通常把由千溶酶体的结构或功能异常所引起的疾病统称为溶酶体病。近些年来，人们对于溶酶体与入类某些疾病的关系，进行了颇为广泛深入的探讨和研究，也取得了一定的成果。


医学细胞生物学 三、溶酶体与疾病 （一）溶酶体酶缺乏或缺陷疾病多为—些先天性疾病目前已经发现有40余种先天性溶酶体病系由溶酶体中某些酶的缺乏或缺陷所引起。现举两例简单介绍如下：1泰萨克斯病泰萨克斯病(Tay-Sac h s di sease)旧称家族性黑喙性痴呆。由于患者缺乏氨基已糖酶A，阻断了GM2神经节背脂的代谢，导致了GM2的代谢障碍，使得在脑及神经系统和心脏、肝脏等组织的大量累积所致。2. JI型糖原累积病lI型糖原累积病(type JIglycogenosis, Pompe d i sease)是由于缺乏仅糖节酶，以致糖原代谢受阻而沉积于全身多种组织。其主要受累器官组织有：脑、肝、肾、肾上腺、骨骼肌和心肌等。此外，某些药物也会引起获得性溶酶体酶缺乏相关疾病。比如，磺胺类药物会造成巨噬细胞内pH的升高，使得酸化降低，导致所吞噬的细菌不能被有效地杀灭而引发炎症。还有，像抗疤疾、抗组胺及抗抑郁之类的药物，会因其在溶酶体中的蓄积，或引起某些细胞代谢中间产物在溶酶体中的蓄积，从而直接或间接地导致溶酶体病的发生。获得性溶酶体酶缺乏疾病是比较少见的。


医学细胞生物学 三、溶酶体与疾病 （二）溶酶体酶的释放或外泄造成的细胞或组织损伤性疾病由于受到某些理化或生物因素的影响，使得溶酶体膜的稳定性发生改变，导致酶的释放，结果造成细胞、组织的损伤或疾病。1硅沉着病硅沉着病是一种与溶酶体膜受损导致溶酶体酶释放有关的常见职业病。其发病机制是：吸入肺中的砂尘颗粒，被肺组织中的巨噬细胞吞噬，形成吞噬体；进而与内体性溶酶体（或初级溶酶体）融合为吞噬性溶酶体。带有负电荷的砂尘颗粒在溶酶体内形成砂酸分子，以非共价键与溶酶体膜受体或膜上的阳离子结合，影响到膜的稳定性，使得溶酶体酶和砂酸分子外泄，造成巨噬细胞第五章细胞的内膜系统与设泡转运135的自溶。一方面，外泄的溶酶体酶消化和溶解周围的组织细胞；另一方面，释放出的不能被消化分解的砂尘颗粒又被巨噬细胞所吞噬，重复上述过程。结果诱导成纤维细胞增生，升分泌大量胶原物质，造成肺组织纤维化，降低肺的弹性，引起肺功能障碍甚至丧失。


医学细胞生物学 三、溶酶体与疾病 2痒风痛风是以高尿酸血症为主要临床生化指征的嗦呤代谢紊乱性疚病。当尿酸盐的生成与排除之间平衡失调、血尿酸盐升高时，尿酸盐会以结晶形式沉积于关节、关节周围及多种组织，并被白细胞所吞噬。被吞噬的尿酸盐结晶与溶酶体膜之间形成的氢键结合，改变了溶酶体膜的稳定性；溶酶体中水解酶和组胺等可致炎物质释放，在引起白细胞自溶坏死的同时，引发所在沉积组织的急性炎症。被释放的尿酸盐又继续在组织沉积。当沉积发生在关节、关节周围、滑痰、胞鞘等组织时，会形成异物性肉芽肿；而在肾脏，则可能导致尿酸性肾结石或慢性间质性肾炎。此外，溶酶体酶的释放，与类风湿性关节炎疾病发生、休克发生后的细胞与机体的不可逆损伤等都有着密切的关系。 四、过氧化物酶体与疾病 （一）原发性过氧化物酶体缺陷所致的遗传性疾病与原发性过氧化物酶体缺陷相关的大多是一些遗传性疾病。例如：1遗传性无过氧化氢酶血症该类患者细胞内过氧化氢酶缺乏，抗感染能力下降，易发口腔炎等疾病。


医学细胞生物学 四、过氧化物酶体与疾病 2. Zellweger脑肝肾综合征这是一种常染色体隐性遗传病。患者肝、肾细胞中过氧化物酶体及过氧化氢酶缺乏，唬珀酸脱氢酶－黄素蛋白与CoQ之间的电子传递障碍；临床表现为严重肝功能障碍、重度骨骼肌张力减退、脑发育迟缓及癫病等综合症状。 （二）疾病过程中的过氧化物酶体的病理改变 过氧化物酶体的病理性改变可表现为数械、体积、形态等多种异常。比如，在患有甲状腺功能亢进、，慢性酒精中毒或慢性低氧症等疾病时，可见患者肝细胞中过氧化物酶体数址增多；而在甲状腺功能低下、肝脂肪变性或高脂血症等情况下，则过氧化物酶体数量减少、老化或发育不全。这也提示：甲状腺激素与过氧化物酶体的产生、形成和发育具有一定的关系。过氧化物酶体数目、大小以及酶含批的超常变化亦常见于病毒、细菌及寄生虫感染、炎症或内毒素血症等病理清况以及肿瘤细胞中。基质溶解是过氧化物酶体最为常见的异常形态学变化。其主要形式是：在过氧化物酶体内形成、出现片状、小管状结晶包涵物。此种改变往往发生千缺血性组织损伤。


医学细胞生物学 五、囊泡转运与疾病 痪泡转运在细胞乃至整个机体进行正常的生命活动中起着至关重要的作用。一旦袋泡转运障碍，将会导致多种细胞器缺陷和细胞功能紊乱。痪泡转运与许多重大疾病（如神经退行性疾病、糖尿病等代谢性疾病、免疫缺陷、肿瘤等）的发生发展密切相关。


医学细胞生物学 五、囊泡转运与疾病 有研究结果显示：在阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)患者的大脑神经细胞中，内体运输途径受到阻碍。有研究表明，BIN1是继ApoE后第二个发现的与患AD有关的易感基因，BIN l可以负性调控内吞途径。BIN I的缺失可通过增加微管蛋白tau聚集蛋白的内化和向内体的运输而诱导产生更多的神经纤维缠结。弱泡转运失调还可损害神经细胞正常的生理功能，如神经元突触泡的运输和神经递质的释放c癌细胞中袋泡运输系统的失调与癌症的发生发展息息相关。Rab GTP酶及其效应蛋白是痰泡转运的调控者。越来越多的研究表明，Rab蛋白作为Ras家族的一员与肿瘤的发生发展密切相关。Rab蛋白在肺癌、乳腺癌、肝癌及食管癌等肿瘤组织中表达明显升高，且多数Rab蛋白促进了肿瘤的发生发展。有研究显示，在一些肿瘤细胞可通过高表达Rab促进各种金属蛋白酶的分泌，加快细胞外基质的降解从而促进癌细胞转移。例如，乳腺癌细胞中Rab7和Rab8有助于MTl-MMP的分泌。


医学细胞生物学 第六章线粒体与细胞的能量转换 地球上一切生命活动所需要的能量主要来源于太阳能，但不同类型的生物体吸收能量的机制不同。光能转变为化学能只发生在植物和某些细菌中，它们能通过光合作用，将无机物（如CO2和H20)转化成可被自身利用的有机物，这类生物是自养生物(autotroph)。动物细胞则以自养生物合成的有机物为营养，通过分解代谢而获得能量，因而被称为异养生物(he terotroph)。动物细胞主要依靠细胞内的线粒体来实现这一能量转换。线粒体（单数mitochondion；复数mitochondria)是一个敏感而多变的细胞器，普遍存在于除哺乳动物成熟红细胞以外的所有真核细胞中。细胞生命活动所需能量的80％是由线粒体提供的，所以它是细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所，也有人将线粒体比喻为细胞的“动力工厂(power s tation)”。此外，线粒体与细胞内氧自由基的生成、细胞死亡以及许多人类疾病的发生有密切的关系。


医学细胞生物学 第六章线粒体与细胞的能量转换 第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构(—)线粒体的形态、数量与细胞的类型和细胞的生理状态有关光镜下的线粒体呈线状、粒状或杆状等，直径0.5-1.0µm。不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体的形态、大小、数鼠及排列分布并不相同。例如，在低渗环境下，线粒体膨胀如泡状；在高渗环境下，线粒体又伸长为线状。线粒体的形态也随细胞发育阶段不同而异，如人胚肝细胞的线粒体，在发育早期为短棒状，在发育晚期为长棒状。细胞内的渗透压和pH对线粒体形态也有影响，酸性时线粒体膨胀，碱性时线粒体为粒状。线粒体的数量可因细胞种类而不同，最少的细胞只含1个线粒体，最多的达50万个，其总体积可占细胞总体积的25%。这与细胞本身的代谢活动有关，代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线粒体的数量则较少。


医学细胞生物学 第六章线粒体与细胞的能量转换 酉气｀．．（二）线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜襄结构霎木内勾部勹二尸言言了二二勹勹言言二1f1？勹二二1外膜是线粒体外层单位膜外膜(outer membrane)厚约5~7nm，光滑平整。在组成上，外膜的1/2为脂类，1/2为蛋白质。外膜上镶嵌的蛋白质包括多种转运蛋白，它们形成较大的水相通道跨越脂质双层，使外膜出现直径2~3nm的小孔，允许通过分子量在10000以下的物质，包括一些小分子多肤。


医学细胞生物学 第六章线粒体与细胞的能量转换 2.内膜的内表面附着许多颗粒内膜(inner membrane)比外膜稍菏，平均厚4.5nm，也是一层单位膜。内膜将线粒体的内部空间分成两部分，其中由内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，也称基质腔(matrix space)；内膜与外膜之间的空间称为外腔，或膜间腔(intermembrane space)。内膜上有大量向内腔突起的折叠(infold ing)，形成崝(cristae）。崝与崝之间的内腔部分称崝间腔(intercristae s pace)，而由千崝向内腔突进造成的外腔向内伸入的部分称为皓内空间(i n t racri stae s p ace)。内膜的第六章线粒体与细胞的能归转换139图6-1线粒体由双层膜套壺而成左为线粒体在细胞内的分布；又为线粒体结构化学组成中20％是脂类，80％是蛋白质，蛋白质的含量明显高于其他膜成分。内膜通透性很小，分子量大于150的物质便不能通过。但内膜有高度的选择通透性，膜上的转运蛋白控制内外腔的物质交换，以保证活性物质的代谢。


医学细胞生物学 第六章线粒体与细胞的能量转换 内膜（包括贿）的内表面附着许多突出于内腔的颗粒，每个线粒体大约有104~105个，称为基粒(elementru-y pru·ticle)。基粒分为头部、柄部、基片三部分，由多种蛋白质亚基组成。圆球形的头部突入内腔中，基片嵌于内膜中，柄部将头部与基片相连。基粒头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又称ATP合酶(ATP synthase)或ATP合酶复合体(ATP synt hase complex)。3内外膜相互接近所形成的转位接触点是物质转运到线粒体的临时性结构利用电镜技术可以观察到在线粒体的内、外膜上存在着一些内膜与外膜相互接触的地方，在这些地方，膜间隙变狭窄，称为转位接触点(translocation contac t site)（图6-2)，其间分布有蛋白质等物质进出线粒体的通道蛋白和特异性受体，分别称为内膜转位子(trans locon of the inner membrane, Tim)和外膜转位子(translocon of the outer membrane, Tom)。有研究估计鼠肝I I细胞中直径lµm的线粒体有100个左右的转位接触点，用0.2µm免疫电镜的方法可观察到转位接触点处有蛋白质前体的图6-2内膜和外膜形成转位接触点积聚，显示它是蛋白质等物质进出线粒体的通道。黑色箭头所指为转位接触点；红色箭头所4基质是氧化代谢的场所线粒体内腔充满了电子指为通过转位接触点转运的物质密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分，称之为基质(matrix)。线粒体中催化三狻酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶都在基质中，参与物质的代谢。此外还含有线粒体独特的双链环状DNA、核糖体，这些构成了线粒体相对独立的遗传信息复制、转录和翻译系统。因此，线粒体是人体细胞除细胞核以外唯一含有DNA的细胞器，每个线粒体中可有一个或多个DNA拷贝，形成线粒体自身的基因组及其遗传体系。


医学细胞生物学 第六章线粒体与细胞的能量转换 5.基粒的化学本质是ATP合酶线粒体内膜（包括鳍）的内表面上突起的圆球形颗粒称为基粒，其化学本质是ATP合酶或ATP合酶复合体（详见本章第二节）。 二、线粒体的化学组成 线粒体干重的主要成分是蛋白质，约占65%-70%，多数分布于内膜和基质。线粒体蛋白质分为两类：一类是可溶性蛋白，包括基质中的酶和膜外周蛋白；另一类是不溶性蛋白，为膜结构蛋白或膜镶140第二篇细胞的结构与功能嵌酶蛋白。脂类占线粒体干重的25%-30%，大部分是磷脂。此外，线粒体还含有DNA和完整的遗传系统多种辅酶（如CoQ、FMN、FAD和NAD筹）、维生素和各类无机离子。线粒体含有众多酶系，目前已确认有120余种，是细胞中含酶最多的细胞器。这些酶分别位于线粒体的不同部位，在线粒体行使细胞氧化功能时起重要作用。有些酶可作为线粒体不同部位的标志酶，如内、外膜的标志酶分别是细胞色素氧化酶和单胺氧化酶等；基质和膜间腔的标志酶分别为苹果酸脱氢酶和腺昔酸激酶等。


医学细胞生物学 三、线粒体的遗传体系 线粒体虽然有自己的遗传系统和自己的蛋白质翻译系统，且部分遗传密码也与核密码有不同的编码含义，但它与细胞核的遗传系统构成了一个整体。（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)通常是裸露的，不与组蛋白结合，存在于线粒体的基质oxidoreductase1, NDl)、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5细胞色素c氧化酶1(cy tochrome c oxidase I, COXI)、COXRR、COXIII、细胞色素b的亚基、ATP合酶的第6亚单位(A6)和第8亚单位(A8)及14个tRNA等（图中的大写字母表示其对应的氨基酸）；轻链编码了ND6及8个tRNA。


医学细胞生物学 三、线粒体的遗传体系 在这37个基因中，仅13个是编码蛋白质的基因，13个序列都以ATG（甲硫氨酸）为起始密码，并有终止密码结构，长度均超过可编码50个氨基酸多肤所必须的长度，由这13个基因所编码的蛋白质均已确定，其中3个为构成细胞色素C氧化酶(COX)复合体（复合体N)催化活性中心的亚单位(COX I、COXRR和COXIII)，这三个亚基与细菌细胞色素c氧化酶是相似的，其序列在进化过程中是高度保守的；还有2个为ATP合酶复合体（复合体V)凡部分的2个亚基(A6和A8);7个为NADH CoQ还原酶复合体（复合体I)的亚基(NDl、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6)；还有1个编码的结构蛋白质为CoQH2－细胞色素c还原酶复合体（复合体III)中细胞色素b的亚基（图6-4)；其他24个基因编码两种rRNA分子（用千构成线粒体的核糖体）和22种tRNA分子（用于线粒体mRNA的翻译）。线粒体基因组与核基因组相比，经济或紧凑了许多，核基因组中的非编码序列高达90%，而在线粒体基因组中只有很少非编码的序列。（二）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录线粒体基因组的转录是从两个主要的启动子处开始的，分别为重链启动子(heavy-s trandpromoter, HSP)和轻链启动子(light-strand promoter, LSP)。线粒体转录因子1(mitochondrial第六童线粒体与细胞的能量转换141图6-4呼吸链蛋白质的组成显示每个复合体都由多条多肤链（大部分由核基因组编码，少部分由线粒体基因组编码）组成transcription factor1, mtTF A)参与了线粒体基因的转录调节。mtTFA可与HSP和LSP上游的DNA特定序列相结合，并在mtRNA聚合酶的作用下启动转录过程。线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即产生一个多顺反子(polycistronic transcription)，其中包括多个mRNA和散布于其中的tRNA，剪切位置往往发生在tRNA处，从而使不同的mRNA和tRNA被分离和释放。重链上的转录起始位点有两个，形成两个初级转录物。初级转录物I开始于tRNAphe，终止千16S rRNA基因的末端，最终被剪切为tRNAph\tRNA`a\l2S rRNA和16S rRNA。初级转录物11的起始位点比初级转录I的起始位点要稍微靠下一点，大约在12S rRNA基因的5'端，它的转录通过初级转录物I的终止位置持续转录至几乎整个重链，主要编码tRNA和mRNA。通常情况下，剪切在新生的转录链上就开始了。剪切的mRNA与tRNA位置是非常精确的，因为每个mRNA的5'端与tRNA的3'端是紧密相连的。转录物I的转录比转录物11的转录要频繁得多，前者约是后者的10倍，这样rRNA和2个tRNA将比其他mRNA和tRNA要合成得多。轻链转录物经剪切形成8个tRNA和1个mRNA，其余几乎不含有用信息的部分被很快降解。


医学细胞生物学 三、线粒体的遗传体系 与核合成mRNA不同，线粒体mRNA不含内含子，也很少有非翻译区。每个mRNA5'端起始密码的三个碱基为AUG（或AUA), UAA的终止密码位于mRNA的3'端。某些情况下，一个碱基U就是mtDNA体系中的终止密码子，而后面的两个A是多聚腺嗦呤尾巴的一部分，这两个A往往是在mRNA前体合成好之后才加上去的。加工后的mRNA的3'端往往有约55个核昔酸多聚A的尾部，但是没有细胞核mRNA加工时的帽结构。所有mtDNA编码的蛋白质也是在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译的。线粒体编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外，相反，构成线粒体核糖体的蛋白质则是由细胞质运入线粒体内的。用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码的。值得一提的是线粒体基因中两个重叠基因，一个是复合物I的ND4L和ND4，另一个是复合物V的ATP酶8和ATP酶6（图6-5)。


医学细胞生物学 多肤链 PK W TKICSLHSLPPQS*CCAAAATGAACGAAAATCTGTTCGCTTCATTCATTGCCCCCACAATCCTAGGCCT线粒体mRNA翻译的起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸，这点与原核生物类似。另外线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同（表6-1)，例如UGA在核编码系统中为终止密码，但在人类细胞的线粒体编码系统中，它编码色氨酸。


医学细胞生物学 核密码子编码线粒体密码子编码氨基酸 密码子氨基酸哺乳动物果蝇链抱酶菌酵母植物UGA终止密码子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸终止密码子AGA、AGG精氨酸终止密码子丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸AUA异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸甲硫氨酸异亮氨酸AUU异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸CUU、CUC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸CUA、CUG（三）线粒体DNA的两条链有各自的复制起始点环形的入类线粒体DNA的复制类似千原核细胞的DNA复制，但也有自己的特点。典型的细菌（如E. coli)环形基因组有一个复制起始点(origin)，并从某一位点进行双向复制，因此子链DNA的合成既需要DNA聚合酶（以母链为模板在RNA引物上合成子链DNA)，也需要RNA聚合酶（催化合成短的RNA引物），并以相反的方向同时进行。人类mLDNA也是单一的复制起始，mtDNA的复制起始点被分成两半，一个是在重链上，称为重链复制起始点(o rigin of heavy-strand replication,011)，位于环的顶部，LRNA Pl比基因(557)和tRNA",＇＇基因(16023)之间的控制区／歹三）


医学细胞生物学 核密码子编码线粒体密码子编码氨基酸 (co ntrol regi on)，它控制重链子链DNA的自我复制；另一·个是在轻链上，称为轻链复制起始点(origin of light-strand0°L：勹replication,01)，位千环的“8“点钟位置，它控制轻链子链DNA的自我复制。这种两个复制点的分开导致mtD NA的复制机制比较特别，需要一系列进入线粒体的核编码蛋白的协助（图6-6)。


医学细胞生物学 与细菌DNA一样，mtDNA的复制也需要RNA引物作为DNA合成的起始，线粒体的RNA聚合酶从位于011和


医学细胞生物学 与细菌DNA一样，mtDNA的复制也需要RNA引物作为DNA合成的起始，线粒体的RNA聚合酶从位于011和 tRNAPI比基因之间的3个上游保守序列区段(conserved se-图6-6线粒体DNA的复制quence blocks, CSB I、II皿）之一附近开始合成一段分子显相对较大的RNA引物，后者与相应的轻链互补结合，并暂时替代(displacement)控制区的重链，所形成的环状结构称D环(di splaceme nt loop)；轻链的复制要晚于重链，等重链合成一定的长度后，轻链才开始合成。一般情况下，重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的。两个合成方向相反的链不断地复制直到各自半环的终了，单股的母环形成一个连锁的对环(a catenated pair of rings)，后者在mtDNA拓朴异构酶的作用下去连锁，释放出新合成的子链，整个复制过程约持续2个小时，比一般的复制时间要长（线粒体：16568bp/2h；大肠杆菌400万bp/40min)。mtDNA复制与核DNA复制并不同步，并不严格限制在细胞周期的S期内，复制活动贯穿于整个细胞周期。就单独的mtDNA分子而言，在同一个复制周期时段内可能有的mtDNA复制了两次而另一些根本不进行复制。 四、线粒体核编码蛋白质的转运 线粒体中有大约有1000个基因产物，其中仅37个基因产物由线粒体基因组编码，因此线粒体内大多数蛋白都是核基因组编码的。这些线粒体蛋白在胞质中合成，之后被运进线粒体。核编码蛋白进入线粒体的过程中需要分子伴侣蛋白的协助。绝大多数线粒体蛋白被输入到基质中，其余部分蛋第六章线粒体与细胞的能足转换143白输入到膜间腔以及插入到内膜和外膜上。 （一）核编码蛋白向线粒体基质中的转运 1核编码蛋白进入线粒体时需要信号序列输入到线粒体的蛋白都在其N－端具有一段信号序列，研究最多的是基质导入序列(matrix-t argeting sequence, MTS)这是一段由20~50个氨基酸残基组成的疏水序列，带正电荷，富含精氨酸、赖氨酸、丝氨酸和苏氨酸，少见天冬氨酸和谷氨酸。线粒体外膜和内膜上的受体能识别并结合序列不同但具有相似结构的MTS。这些序列包含了所有介导在细胞质中合成的前体蛋白输入到线粒体基质的信号。2.前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态当线粒体蛋白可溶性前体(soluble precursor of mitochond rial protein)在核糖体内形成以后，少数前体蛋白与一种称为新生多肤相关复合物(nascent-associated complex, NAC)的分子伴侣蛋白相互作用，NAC增加了蛋白转运的准确性；而绝大多数的前体蛋白都要和一种称为热激蛋白70(heat shock protein70, h sp70)的分子伴侣结合，从而防止前体蛋白形成不可解开的构象，也可以防止已松弛的前体蛋白聚集(aggregati on)。此外，在哺乳动物的胞质中还存在着两种能够准确结合线粒体前体蛋白的因子：前体蛋白的结合因子(presequence-binding factor, PBF)和线粒体输入刺激因子(mitochondrial import stimulatory factor, MSF)，前者能够增加hsc70对线粒体蛋白的转运；后者不依赖于hsc70，常单独发挥着ATP酶的作用，为聚集蛋白的解聚提供能量。通常定位到内膜的前体蛋白如内膜ATP/ADP反向转运体与MSF所形成的复合体能进一步与外膜上的一套受体Tom37和Tom70相结合，然后Tom37和Tom70把前体蛋白转移到第二套受体Tom20和Tom22，同时释放MSF；而绝大多数与hsc70结合的前体蛋白常不经过受体Tom37和Tom70，直接与受体Tom20和Tom22结合，与前体蛋白结合的受体Tom20和Tom22与外膜上的通道蛋白Tom40（第三套受体）相耦联，后者与内膜的接触点(Tim23/17受体系统）共同组成跨膜转运通道（图6-7)，非折叠的前体蛋白通过这一通道转移到线粒体基质。 胞质膜间腔+A甲:,,基质 图6-7线粒体内、外膜上的Tom和Tim受体系统显示了它们参与核基因组编码多肤链通过膜进入线粒体的过程3分子运动产生的动力协助多肤链穿过线粒体膜前体蛋白一旦和受体结合后，就要和外膜及内膜上膜的通道发生作用才可进入线粒体。穿膜转运需要用到线粒体基质中的分子伴侣mlhsp70。S. M. Simon等提出的布朗棘轮模型(Brownian Rachet model)（图6-8)机制将mt h sp70描绘成类似于肌球蛋白和肌动蛋白相互牵拉作用的“转运发动机”，认为在蛋白质转运孔道内，多肤链做布朗运动摇摆不定，一旦前导肤链自发进入线粒体腔，立即有一分子mthsp70结合上去，防止前导肤链退回细胞质；同时mthsp70通过变构产生拖力，促使前导肤链进入，并迫使后面的肤链解链以进入转运轨道。随着肤链进一步伸入线粒体腔，肤链会结合更多的mthsp70分子。转运所需能噩依靠水解ATP提供。 144第二筒细胞的结构与功能线粒体内膜 4.多肤链需要在线粒体基质内重新折叠才形成有活性的蛋白质蛋白质穿膜转运至线粒体基质后，必须恢复其天然构象以行使功能。当蛋白穿过线粒体膜后，大多数蛋白的基质导入序列被基质作用蛋白酶(matrix processing protease, MPP)所移除。入们还不知道确切的蛋白水解时间，但这种水解反应很可能是一种早期事件，因为此类MPP定位于线粒体内膜上。在大多数情况下，输入多肤的最后折叠还需要另外一套基质分子伴侣如hsc60、hsclO的协助。经过上述过程，线粒体蛋白质顺利进入线粒体基质，并成熟形成其天然构象。（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运核编码的线粒体蛋白除了向线粒体的基质转运外，还包括向线粒体的膜间腔、内膜和外膜的转运。通常这些蛋白除了具有MTS外，还具有第2类信号序列，它们通过与进入线粒体基质类似的机制进入线粒体，而后通过二次定位到达最终目的地。 五、线粒体的起源 线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。在之后的长期进化过程中，二者共生联系更加密切，共生物的大部分遗传信息转移到细胞核上，这样留在线粒体上的遗传信息大大减少，即线粒体起源的内共生学说（图6-9)。许多证据支持这一假说：线粒体的遗传系统与细菌相似；线粒体的蛋白质合成方式与细菌相似，如核糖体为70S，抑制蛋白质合成的机制等。也有学者提出了非共生假说，认为原始的真核细胞是一种进化程度较高的需氧细菌，参与能量代谢的电子传递系统、氧化外侧分裂环内MD－环（未知） 动物、真菌和植物 磷酸化系统位千细胞膜上。随着不断进化，细胞需要增加其呼吸功能，因此不断地增加其细胞膜的表面积，增加的膜不断地内陷、折叠、融合，并被其他膜结构包裹（形成的双层膜将部分基因组包围在其中），形成功能上特殊（有呼吸功能）的双层膜性痰泡，最后演变为线粒体。 六、线粒体的分裂与融合 线粒体是动态的细胞器。如果在显微镜下观察活细胞中的线粒体，可见它们在持续不断地进行分裂与融合。线粒体可以相互融合连接形成网络状结构，也可以分裂形成彼此分散存在的个体，这种动态变化被称为线粒体动力学(mi tochoncL.·i al dynamics)。分裂与融合相互协调、平衡，不仅塑造了线粒体的形态，也影响到线粒体功能的维持，使细胞能有效应对时刻变化的生理环境。由千线粒体具有双层膜结构，线粒体的融合与分裂需要外膜与内膜的共同参与，并且需要一系列蛋白分子进行精确介导和调控（表6-2)。 酵母哺乳动物定位作用Dnml DRPl胞质和外膜外膜分裂Fisl FISl外膜外膜Dnml/DRPI受体 Mdvl/Caf4胞质和外膜连接Fl sl和Dnml的衔接蛋白 MFF外膜可能的外膜DRPl受体Fzol MFN l、MFN2外膜外膜融合Ugo I外膜外膜融合，连接Fzol和MgmlMgml OPAi内膜和膜间腔内膜融合（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的 目前普遍认为线粒体是以分裂的方式进行增殖的。G. A t t狙小等(1975)认为，线粒体的生物发生过程分两个阶段。在第一阶段，线粒体进行分裂增殖；第二阶段包括线粒体本身的分化过程，建成能够行使氧化磷酸化功能的结构。线粒体的分裂增殖和分化阶段分别接受细胞核和线粒体两个独立的遗传系统控制。但是，关于线粒体如何进行分裂增殖的，目前尚未完全明了。一般认为它可能包括以下三种分裂方式：CD出芽分裂。线粒体分裂时先从线粒体上长出膜性突起，称为“小芽"(b udd i ng)，随后小芽不断长大，并与原线粒体分离，再经过不断”发育”，最后形成新的线粒体；©收缩分裂。这种分裂方式是线粒体在其中央处收缩形成很细的＂颈＂，最后断裂，形成两个线粒体；＠间壁分裂。这种分裂方式是线粒体的内膜向中心内褶形成分隔线粒体结构的间壁，随后再一分为二，形成两个线粒体。无论是哪一种分裂机制，线粒体的分裂都不是绝对均等的。例如经过复制的mtDNA在分裂后的线粒体中的分布就是不均等的。另一方面线粒体分裂还受到细胞分裂的影响。介导线粒体分裂过程的主要蛋白有Dnml/DRPl、凡s1/FISI,MFF等。在哺乳动物的线粒体分裂时，胞质中的DRP l会与线粒体外膜上的FIS1或其他受体蛋白结合，形成多聚体环状结构，逐渐缩窄，将线粒体一分为二（图6-10)。（二）mtDNA随机地、不均等地被分配到新的线粒体中在同一线粒体中，可能存在有不同类型的mtDNA，即野生型和突变型mtDNA。分裂时，野生型和突变型mtDNA发生分离，随机地分配到新的线粒体中；同时，同一细胞中，也可能存在着带有不同mtDNA的线粒体，如野生型和突变型线粒体。分裂时，野生型和突变型mtDNA（或线粒体）发生分离，随机地分配到新的线粒体（或细胞）中；使子线粒体（或子细胞）拥有不同比例的突变型mtDNA分子，这种随机分配导致mtDNA异质性变化的过程称为复制分离。在连续的分裂过程中，异质性细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变，向同质性的方向发展。分裂旺盛的细胞往往有排斥突变mtDNA的趋势，经无数次分裂后，细胞逐渐成为只有野生型mtDNA的同质性细胞。突变mtDNA具有复制优势，在分裂不旺盛的细胞（如肌细胞）中逐渐积累，形成只有突变型mtDNA的同质性细胞。漂变的结果是细胞表型也随之发生改变。（三）线粒体融合也是由一系列相关蛋白介导的过程线粒体的融合有利于促进线粒体的相互协作，可以使不同线粒体之间的信息和物质得到相互交换，如膜电位快速传递以及线粒体内容物的交换。伴随着细胞的衰老，mtDNA会累积很多的突变，线粒体的融合可以使不同线粒体的基因组交换进行充分的DNA互补，并有效地修复这些DNA突变，保证线粒体正常的功能。在研究果蝇线粒体时发现的FZOl是第一个被分离出的介导线粒体融合的蛋白，主要介导线粒休外膜的融合，在酵母和哺乳动物中均发现了蛋白同源物。而线粒体内膜的融合主要由Mgm l介导（图6-11)。另外，线粒体膜电位也会影响线粒体的融合与分裂。实验显示如果分裂后新形成的子代线粒体具有较高的膜电位，线粒体将能够进行下一次的融合、分裂循环；如果子代线粒体的膜电位下降，出现去极化，线粒体将发生自噬而被清除。 七、线粒体的功能 营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP是线粒体的主要功能。此外，线粒体还在摄取Ca2＋和释放Ca2＋中起着重要的作用，线粒体和内质网一起共同调节胞质中的C汒浓度，从而调节细胞的生理活动。生命活动中重要过程—细胞死亡也与线粒体有关。在某些情况下，线粒体是细胞死亡的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则仅仅是细胞死亡的一条“通路”（详见第十六章）。线粒体在能翟代谢和自由基代谢过程中产生大量超氧阴离子，并通过链式反应形成活性氧(reactive oxygen species, ROS)，当ROS水平较低时，可促进细胞增生；而ROS水平较高时，使得线粒体内膜彸乞，非特异性通透性孔道(mitochondri al permeab山ty tran sition pore, MPTP)开放，不仅导致跨膜电位崩溃，第六章线粒体与细胞的能豆转换也使细胞色素c外涌，再启动caspase的级联活化，最终由caspase-3启动凋亡（动画6-2"线粒体把化学键的能批转化成生物能扯ATP的过程”)。 第二节细胞呼吸与能量转换 较高等的动物都能依靠呼吸系统从外界吸取02并排出CO2。从某种意义上说细胞中也存在有这样的呼吸作用，即在细胞内特定的细胞器（主要是线粒体）内，在02的参与下，分解各种大分子物质，产生CO2；与此同时，分解代谢所释放出的能僵储存于ATP中，这一过程称为细胞呼吸(cellular respi ration)，也称为生物氧化(b iolog ical ox idat ion)或细胞氧化(cellular oxidation)。细胞呼吸是细胞内提供生物能源的主要途径，它的化学本质与燃烧反应相同，最终产物都是CO2和H20，释放的能批也完全相等。但是，细胞呼吸具有以下特点：O细胞呼吸本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的氧化还原反应；＠所产生的能虽储存于ATP的高能磷酸键中；＠整个反应过程是分步进行的，能扯也是逐步释放的；＠反应../2令｝是在恒温(37气）和恒压条件下进行的；＠反应过程中细胞质AD+需要H20的参与。细胞呼吸所产生的能垃并不像燃烧所产生的热能 三 :那样散发出来，而是储存于细胞能噩转换分子ATP中。丿ATP是一种高能磷酸化合物，细胞呼吸时，释放的能量可通过ADP的磷酸化而及时储存于ATP的高能磷酸键中作为备用；反之，当细胞进行各种活动需要能量时，又可去磷酸化，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要。ATP的放能、储能反应简式如下：A-P~P~P去磷酸化A-P-P+P]＋能量28@随着细胞内不断进行的能盘释放和储存，ATP与ADP不停地进行着互变。因为ATP是细胞内能量转换的中间携带者，所以被形象地称为“能扭货币"。ATP是细胞生命活动的直接供能者，也是细胞内能量获得、图6-12葡萄糖氧化的三个步骤转换储存和利用等环节的联系纽带。ATP中所携带的能量来源千糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提。以葡萄糖氧化为例，从糖酵解到ATP的形成是一个极其复杂的过程，大体分为三个步骤：即糖酵解(glycolys i s)、三狻酸循环(tric扣boxyli c acid cycle, TCA cycle)和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)（图6-12)。蛋白质和脂肪的彻底氧化只在第一步中与糖有所区别。 一、葡萄糖在细胞质中的糖酵解 糖酵解在细胞质中进行，其过程可概括为以下方程式：C6H,206+2NAD++2ADP+2Pi糖酵解酶系c2CH3CHOHCOOH+2NAD++2ATP完成无氧氧化2CH3CH20H+2C02+2NAD•+2ATP1分子葡萄糖经过十多步反应，生成2分子丙酮酸，同时脱下2对H交给受氢体NAD十携带，形成2分子NADH+H飞NA订能可逆地接受2个电子和1个H+，另l个订则留在溶质中。在糖酵解过程中一共生成4分子ATP，但由于要消耗2分子ATP，所以净生成2分子的ATP。若从糖原开始糖酵解，因不需消耗1分子ATP使葡萄糖磷酸化，则总反应净生成3分子ATP。这种由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用，称为底物水平磷酸化(substrate-level phosphorylation)。糖酵解产物丙酮酸的代谢去路，因不同生活状态的生物而异。专性厌氧生物在无氧情况下，丙酮酸可由NADH+H飞共氢而还原为乳酸或乙醇，从而完成无氧氧化过程。专性需氧生物NADH NAD+在供氧充足时，丙酮酸与NADH+H飞名作为天冬氨酸草酰乙酸\u_j:,:-苹果酸有氧氧化原料进入线粒体中。丙酮酸进入线—飞吓二粒体的机制尚不完全明了，可能以其自身的脂溶性通过线粒体内膜；NADH＋甘本身不能-线粒体内膜透过线粒体内膜，故NADH+H'进入线粒体的方式较为复杂，必须借助于线粒体内膜上J特异性穿梭系统进入线粒体内。肝脏、肾脏和心肌线粒体转运NADH+W的主要方式如草酰乙酸二（回＼苹果酸氢酶作用，使草酰乙酸接受2个H而成为苹图6-13线粒体内膜的穿梭机制果酸；苹果酸经内膜上苹果酸心－酮戊二酸逆向运输载体的变构作用转入线粒体内；进入线粒体的苹果酸在苹果酸脱氢酶作用下，以NAD十为受氢体形成草酰乙酸和NADH+H气而草酰乙酸不能经内膜回到胞液，于是它与谷氨酸经谷－草转氨酶的作用而相互转变为天冬氨酸和a－酮戊二酸，这两者都能在逆向运输载体的帮助下透过内膜进入胞质中去；线粒体内消耗的谷氨酸则由胞液内的谷氨酸与外出的天冬氨酸通过谷氨酸－天冬氨酸逆向运输载体实现交换运输以取得补充。另外，在脑和昆虫的飞翔肌中还存在一种a－磷酸甘油穿梭系统。


医学细胞生物学 一、葡萄糖在细胞质中的糖酵解 在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰辅酶A,NA厅作为受氢体被还原：二、线粒体基质中的三狻酸循环在线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙酸结合成拧檬酸而进入拧檬酸循环，由于拧檬酸有3个狻基，故也叫三狻酸循环(TCA循环）（图6-14)。循环中，拧檬酸经过一系列酶促的氧化脱氢和脱狻反应，其中的2个碳原子氧化形成CO2，从而削减了2个碳原子。在循环的未端，又重新生成草酰乙酸，而草酰乙酸又可和另1分子乙酰CoA结合，生成拧檬酸，开始下一个循环，如此周而复始。整个过程中，总共消耗了3分子H20，生成1分子的GTP（可转换为1分子的ATP)、4对H和2分子CO2。脱下的4对H，其中3对以NAD+为受氢体，另l对以FAD为受氢体。FAD能可逆地接受2个H，即2个质子和2个电子，转变成还原态FADH20ATP/ADP及NADH/NAD十比值高时均能降低三狻酸循环的速度。三狻酸循环总的反应式为：2CH2COSCoA+6NAD++2FAD+2ADP+2Pi+6H20--+4C02+6NADH+6W+2FADH2+2HSCoA+2ATP三狻酸循环是各种有机物进行最后氧化的过程，也是各类有机物相互转化的枢纽。除了丙酮酸三°;i团[:H:0囡t：。田NAHD言0;外，脂肪酸和一些氨基酸也从细胞质进入线粒体，并进一步转化成乙酰CoA或三狻酸循环的其他中间体。三狻酸循环的中间产物可用来合成包括氨基酸、叶啾及晓唗核昔酸在内的许多物质。只有经过三狻酸循环，有机物才能进行完全氧化，提供远比糖无氧酵解所能提供的多得多的能量，供生命活动的需要。


医学细胞生物学 一、葡萄糖在细胞质中的糖酵解  三、氧化磷酸化耦联与ATP形成 氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节，在这个过程中，NADH和FADH2分子把它们从食物氧化得来的电子转移到氧分子。这一反应相当千氢原子在空气中燃烧最终形成水的过程，释放出的能量绝大部分用于生成ATP，少部分以热的形式释放。(—)呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础1呼吸链是一系列能够可逆地接受和释放甘和e一的酶体系1分子的葡萄糖经无氧氧化、丙酮酸脱氢和三狻酸循环，共产生了6分子的CO2和12对H，这些H必须进一步氧化成为水，整个有氧氧化过程才告结束。但H并不能与02直接结合，一般认为H须首先离解为甘和e_，电子经过线粒体内膜上酶体系的逐级传递，最终使1/202成为0气后者再与基质中的2个W化合生成H20。这一传递电子的酶体系是由一系列能够可逆地接受和释放甘和e一的化学物质所组成，它们在内膜上有序地排列成相互关联的链状，称为呼吸链(respiratory chain)或电子传递呼吸链(electron transport respiratory c hain)。


医学细胞生物学 三、氧化磷酸化耦联与ATP形成 只传递电子的酶和辅酶称为电子传递体，它们可分为醋类、细胞色素和铁硫蛋白三类化合物；既传递电子又传递质子的酶和辅酶称为递氢体。除了泛酰（辅酶Q,CoQ)和细胞色素C(Cyt C)之外，呼吸链其他成员分别组成了I、Il、III、W四个脂类蛋白质复合体，它们是线粒体内膜的整合蛋白（表63)。CoQ是脂溶性的蛋白质，可在脂双层中从膜的一侧向另一侧移动；细胞色素c是膜周边蛋白，可在膜表面移动。2. ATP合酶复合体催化ATP的合成线粒体内膜（包括峭）的内表面附有许多圆球形基粒。基粒由头部、柄部和基片3部分组成：头部呈球形，直径约8~9nm；柄部直径约4nm，长4.5~5nm；头部与柄部相连凸出在内膜表面，柄部则与嵌入内膜的基片相连。进一步研究表明，基粒是将呼吸链电子传递过程中所释放的能量（质子浓度梯度和电位差）用千使ADP磷酸化生成ATP的关键装置，是由多种多肤构成的复合体，其化学本质是ATP合酶或ATP合酶复合体，也称F。F, ATP合酶（图6-15)。


医学细胞生物学 150第二篇细胞的结构与功能 (1)头部具有酶活性：又称耦联因子F!，是由五种亚基组成的Ct3[33"/姊多亚基复合体，分子狱360000。纯化的F1可催化ATP水解，但其在自然状态下（通过柄部与基片相连）的功能是催化ATP合成。a、B、8三种亚基较大，a、B可能是表现活性的主要部分；8则与基片膜蛋白相结合，作为耦联因子凡与E相耦联的门户；丫、8亚基较小，也与凡相连。E因子可被E抑制蛋白(F, inh心Lory protein)结合从而抑制ATP的合成。(2)柄部连接头部与基片：这是一种对霖霉素敏感的蛋白质(OSCP)，相对分子量18000。OSCP能与霖霉素特异结合并使森霉素的解耦联作用得以发挥，从而抑制ATP合成。


医学细胞生物学 150第二篇细胞的结构与功能 C环旋转(3)基片是质子（H勹流向E的穿膜通道：又称耦联因子F。，是由至少4种多肤组成的疏水蛋白，相对分图6-15ATP合酶复合体分子结构示意图子罹70000。其亚基类型与组成在不同物种中差别很显示其由头部、丙部和基片3部分组成大。凡镶嵌千内膜的脂双层中，不仅起连接F1与内膜的作用，而且还是质子(H+)流向E的穿膜通道。（二）氧化过程伴随着磷酸化的耦联经糖酵解和三狻酸循环产生的NADH和FAD凡是两种还原性的电子载体，它们所携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级定向传递给02，本身则被氧化（图6-16)。由于电子传递所产生的质子(W)浓度梯度和电位差，其中所蕴藏的能拭被F。F,ATP合酶用来催化ADP磷酸化而合成ATP，这就是氧化磷酸化耦联或氧化磷酸化作用。


医学细胞生物学 150第二篇细胞的结构与功能 在正常情况下，氧化水平总是和磷酸化水平密切耦联的。根据对相邻电子载体的氧化还原电位和质子数的测定表明，呼吸链中有3个主要的质子由基质转运到膜间腔的部位，即NADH-FMN，细胞色素b-细胞色素c之间，细胞色素a-02之间。由这些质子在线粒体膜间腔和线粒体基质之间形成的浓度梯度和电位差，足以使2.5分子ADP磷酸化生成2.5分子的ATP。载氢体NADH和FADH2进入呼吸链的部位不同，所形成的ATP也有差异。1分子NADH+W经过电子传递，释放的能量可以形成2.5分子ATP；而1分子FADH2所释放的能量则能够形成1.5分子ATP。


医学细胞生物学 150第二篇细胞的结构与功能 综上所述，葡萄糖完全氧化所释放的能扯主要通过两条途径形成ATP：心底物水平磷酸化生成4分子ATP，其中在糖酵解和三狻酸循环中分别生成2分子ATP;＠氧化磷酸化生成28个ATP分子。在葡萄糖的氧化过程中，一共产生12对H，其中的10对以NAD十为载氢体，经氧化磷酸化作用可生成25个ATP分子，2对以FAD为载氢体进入电子传递链，经氧化磷酸化作用可生成3个ATP分子，共产生28个ATP分子。因此，1分子葡萄糖完全氧化共可生成32分子ATP，其中仅有2分子ATP是在线粒体外通过糖酵解形成的。葡萄糖有氧氧化的产能效率大大高出无氧酵解的能量利用效率。


医学细胞生物学 电子传递链4日L..－内膜尸一§一。外膜一氧化磷酸化（三）电子传递时叮穿膜形成电化学梯度 关于电子传递同磷酸化的耦联机制至今尚未彻底阐明，曾先后有过许多假说，目前被广泛接受的是英国化学家P. Mitchell(1961)提出的化学渗透假说(chemjosmotic couplin g hypothes i s)。该假说认为氧化磷酸化耦联的基本原理是电子传递中的自由能差造成甘穿膜传递，暂时转变为横跨线粒体内膜的电化学质子梯度(electrochemical proton gradient)。然后，质子顺梯度回流并释放出能量，驱动结合在内膜上的ATP合酶，催化ADP磷酸化合成ATP。这一过程可综合如下：CD NADH或FAD比提供一对电子，经电子传递链，最后为02所接受；＠电子传递链同时起H十泵的作用，在传递电子的过程中伴随着H十从线粒体基质到膜间腔的转移；＠线粒体内膜对甘和OH一具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，甘在膜间腔中积累，造成了内膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差；＠膜间腔中的甘有顺浓度返回基质的倾向，能借助势能通过ATP酶复合体凡上的质子通道渗透到线粒体基质中，所释放的自由能驱动F。F l ATP合酶合成ATP。化学渗透假说有两个特点，一是需要定向的化学反应；二是突出了膜的结构。该学说可以解释氧化磷酸化过程中的许多特性，也得到了很多实验结果的支持。但是也仍存在一些难以用化学渗透假说解释的实验结果，因此还必须不断地修改和完善。相继有人提出了一些新的理论，包括变构假说、碰撞假说等，但都存在一定的问题邑一经典实验：化学渗透假说的提出到了20世纪50年代，所有的研究都已经证明氧化磷酸化的过程涉及电子经过一系列的::传递，最后达到分子氧的过程。但是从这些电子传递反应中荻得了电子的氧是如何转换为能量分子ATP的仍然是个谜。在糖酵解过程中，ADP可以吸收某些中间化合物的高能磷酸键转换成ATP，因此推则在电子传递过程中可能会产生一个中间产物进而驱动ATP的生成。因此,在20世纪50年代～60年代期间，寻找这种带有高能磷酸键的中间产物成了这一领域的中心:课题，但遗憾的是并没有发现这类物质的存在；相反，另一些证据显示磷酸化过程与＂膜“有密切的关系，并且这一过程可以被一些破坏膜结构的化学物质所阻断。鉴于此，P. Mitchell提出:了＂跨膜电化学梯度驱动ATP形成的能量耦联机制”。 152第二篇细胞的结构与功能实验内容 化学参透假说的基本观点是：＂跨膜的质子电化学梯度”将电子传递与ATP形成耦联起来。M i tchell提出电子的转运产生了质子电化学梯度，而质子按势能的跨膜回流驱动了ATP的合成。这一假说解释了为什么未能找到所谓的高能”中间”化合物，以及膜的完整性对ATP合成的必要性，但这与当时化学界昔遍观点并不相符。在1961年发表的论文中，Mi tc he ll用哲学观点阐述他的这一革命性假说：生物化学家们普遍接受的观点是代谢是膜转运的原因；而他提出的假说则认为代谢和膜转运互为因果，不仅代谢可以导致膜转运的发生，而且转运也可以启动膜代谢。 —、疾病过程中的线粒体变化 线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直接造成线粒体功能的异常。例如在有害物质渗入（中毒）、病毒入侵（感染）等情况下，线粒体亦可发生肿胀甚至破裂，肿胀后的体100积有的比正常体积大3~4倍。如人体原发性肝癌细胞癌变过程中，线粒体崝的数目逐渐下降而最终q成为液泡状线粒体；细胞缺血性损伤时的线粒体也会出现结构变异如凝集、肿胀等；坏血病患者的病变组织中有时也可见2~3个线粒体融合成1个大的线粒体的现象，称为线粒体球；一些细胞病变时，。 一一一一一 可看到线粒体中累积大噩的脂肪或蛋白质，有时可线粒体病患者见线粒体基质颗粒大量增加，这些物质的充塞往往年龄影响线粒体功能甚至导致细胞死亡；如线粒体在微波照射下会发生亚微结构的变化，从而导致功能上的改变；钡化物、co等物质可阻断呼吸链上的电子I传递，造成生物氧化中断、细胞死亡；随着年龄的增长，线粒体的氧化磷酸化能力下降（图6-18)等等。VNQl线粒体病患者早衰患者正常。在这些情况下，线粒体常作为细胞病变或损伤时最敏感的指标之一，成为分子细胞病理学检查的重要依据。图6-18线粒体病患者的mtDNA状态与氧化磷功能的完善还依赖千细胞核和细胞质的协调。当酸化能力突变线粒体DNA进行异常复制时，机体的免疫系统并不能对此予以识别和阻止，于是细胞为了将突变的线粒体迅速分散到子细胞中去，即以加快分裂的方式对抗这种状态，以减轻对细胞的损害，但持续的损害将最终导致疾病的发生。这类以线粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病常称为线粒体疾病(mitochondrial disorders)。线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统，所以有时也统称为线粒体脑肌病(mitochondrial encephalomyopath y)，但不同的疾病，或同一疾病不同的个体都有不同的临床表现。由于受精卵中绝大多数的线粒体都来自于卵子细胞，由线粒体DNA突变引起的线粒体遗传性疾病在遗传方式上表现出明显的母系遗传特征。目前，mtDNA全序列已经被弄清楚，利用现代生物学技术可以使线粒体疾病得到明确诊断。 三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病 线粒体融合和分裂异常或者编码参与线粒体融合和分裂蛋白的基因发生突变，就可能导致疾病的发生。如参与线粒体分裂的Drpl基因发生突变时，导致婴儿出生后大脑发育障碍，视神经萎缩同时并伴有其他一些严重的并发症。当线粒体分裂被扰乱时，会导致一些常见的线粒体功能失常，如线粒体膜电位缺失，ROS增高以及线粒体DNA丢失等。而介导细胞融合的蛋白Opal和Mfn2的突变会引起Kjer病（常染色体显性视神经萎缩症）和2A型胖骨肌萎缩症。因此，细胞内线粒体不断进行的融合和分裂并保持动态平衡对维持细胞的正常生命活动具有重要的意义。 四、线粒体疾病的治疗 线粒体疾病的治疗尚待突破。目前线粒体疾病治疗的基本措施包括：补充疗法、选择疗法和基因疗法。所谓补充疗法是给患者添加呼吸链所需的辅酶，目前运用较广泛的是辅酶Q，其在线粒体脑肌病(Kearns-Sayre syndrome)、心肌病及其他呼吸链复合物缺陷的线粒体病的治疗中都有一定作用，同时在对缓解与衰老有关的氧化／抗氧化平衡异常也发挥了功效。另外，辅酶Q、L－肉胆碱、抗坏血酸（维生素C)、2－甲基萦酰（维生素K3)和二氯乙酰酸也能暂时缓解部分线粒体病的症状。所谓选择疗法是选用一些能促进细胞排斥突变线粒体的药物对患者进行治疗以增加异质体细胞中正常线粒体的比例，从而将细胞的氧化磷酸化水平升高至阙值以上。一种可能的药物是氯霉素，作为ATP合成酶的抑制剂，连续低剂量使用此药能促进对缺陷线粒体的排斥。所谓线粒体基因治疗是将正常的线粒体基因转入患者体内以替代缺陷mtDNA发挥作用。现在认为有3种线粒体基因治疗方法可行，即胞质mtDNA表达法、线粒体转染法和异质性细胞正选择法。 （左彶）第七章细胞骨架与细胞的运动卧烘窥口 细胞骨架(cyloskeleton)是指真核细胞质中的蛋白质纤维网架体系，它对于细胞的形状、细胞的运动、细胞内物质的运输、细胞分裂时染色体的分离和胞质分裂等均起着重要的作用。20世纪50年代，在超簿切片的电子显微镜观察中首次看到了微管。但是由于以往电镜制样一般采用锁酸或高猛酸钾低溫固定细胞，导致骨架系统的大部分结构遭到了破坏，直到1963年采用戊二醒并在室温下固定的方法后，才广泛地观察到各类骨架纤维的存在，真正把它们当作一类细胞器并正式命名为细胞骨架。细菌体内不存在细胞骨架，因此细胞骨架的发生可能是真核细胞进化的决定性因素。细胞骨架的多功能性依赖千三类蛋白质纤维（图7-1)，它们分别是微管、微丝及中间纤维。每一种纤维由各自的蛋白质亚单位形成，三类骨架成分既分散地存在于细胞中，又相互联系形成一个完整的骨架体系。该体系是一个高度动态结构，可随着生理条件的改变不断进行组装和去组装，并受各种结合蛋白的调节以及细胞内外各种因素的调控。早期的细胞骨架研究主要是形态观察及细胞内的分布和定位，近年来对细胞骨架的研究巳从形态观察为主迅速推进到分子水平，骨架蛋白及骨架结合蛋白的结构及功能分析、骨架纤维的动态装配、基因表达调节等成为细胞骨架研究的重要内容。早期发现的细胞骨架主要是指存在于细胞质内的微管、微丝和中间纤维，称为细胞质骨架。后来又发现细胞核内也存在着细胞骨架，主要包括核基质、核纤层和染色体骨架等，称为细胞的核骨架，与细胞质骨架共同称为广义的细胞骨架。本章将重点介绍细胞质骨架的结构与功能。 ~，圈售已瞩,鼠.. j微管I I微丝中间纤维 图7-1细胞骨架的三种类型上图：细胞骨架在细胞内分布示意图；中图：电镜下的细胞骨架结构；下图：根据电镜观察结果绘制的细胞骨架结构模式图微管(microtubul e)是真核细胞中普遍存在的细胞骨架成分之一，它是由微管蛋白和微管结合蛋白组成的中空圆柱状结构，在不同类型细胞中有相似结构。微管主要存在于细胞质中，控制着膜性细胞器的定位及胞内物质运输。微管还能与其他蛋白质共同装配成纤毛、鞭毛、基体、中心体、纺锤体等结构参与细胞形态的维待、细胞运动和细胞分裂等。本节着重介绍微管的结构，并讨论它们的聚合与解聚的调控机制及微管的功能。 —、微管蛋白与微管的结构 微管存在于所有的真核细胞中，以脊椎动物的脑组织最多。微管是直径为24-26nm的中空小管（图7-2)，内径约为15nm，壁厚约5nm。微管以微管蛋白a、B异二聚体为基本构件。A微管中微管蛋白二聚体头尾相接形成原纤25nm维，再经过原纤维的两端和侧面增加二聚J_体扩展成为片层，当片层达到13根原纤维夕时即合拢成一段微管，然后新的异二聚体再不断增加到微管的两端使之不断延长。 微管具有极性，其两端的增长速度不同，增B.-1、 长速度快的一端为正端，另一端则为负端。微管极性的分布走向与细胞器定位分布、 15nm r'`25nm物质运输方向等微管功能密切相关。微管由微管蛋白（也称管蛋白，tubulin) 分子组成。微管蛋白的主要成分为a管蛋图7-2微管的结构白(ex.-tubulin)和B管蛋白(!3-tubulin)，约占A.微管结构模式图；B.微管横切面电镜图像（右）和其模型图微管总蛋白含量的80%-95%，近年来人们又发现了微管蛋白家族的第三个成员一1微管蛋白，该成员定位于微管组织中心(microtubule organizing center, MTOC)，对微管的形成、微管的数量和位置、微管极性的确定及细胞分裂起重要作用。微管在细胞中有三种不同的存在形式：单管、二联管和三联管（图7-3)。单管由13根原纤维组成，是细胞质中主要的存在形式，分散或成束分布，但不稳定，易受低温、钙离子等因素的影响而发生解聚。二联管由A、B两根单管组成，A管有13根原纤维，B管有10根原纤维，与A管共用3根原纤维，主要分布于纤毛和鞭毛内。三联管由A、B、C三根单管组成，A管有13根原纤维，B管和C管均由10根原纤维组成，分别与A管和B管共用3根原纤维，主要分布于中心粒及鞭毛和纤毛的基体中。二联管和三联管是比较稳定的微管结构。 单管二联管三联管二、微管结合蛋白 在细胞内，微管除了含有微管蛋白外，还含有一些同微管相结合的辅助蛋白，这些蛋白质总是与微管共存，参与微管的装配，称为微管结合蛋白(microtubule assoc iat ed protein, MAP)，它们不是构成微管壁的基本构件，而是在微管蛋白装配成微管之后，结合在微管表面的辅助蛋白。一般认为，微管结合蛋白由两个区域组成：一个是碱性的微管结合区域，该结构域可与微管结合，可明显加速微管的成第七童细胞骨架与细胞的运动157核作用；另一个是酸性的突出区域，以横桥的方式与其他骨架纤维相连接，突出区域的长度决定微管在成束时的间距大小。微管结合蛋臼主要包括MAP-1, MAP-2, tau和MAP-4，前三种微管结合蛋白主要存在于神经元中。MAP-4在神经元和非神经元细胞中均存在，在进化上具有保守性。不同的微管结合蛋白在细胞中有不同的分布区域，执行特殊功能。这在神经细胞中表现尤为突出，用特异性微管结合蛋白荧光抗体可显示神经细胞中微管结合蛋白的分布差异：tau只存在于轴突中，而MAP-2则分布千胞体和树突中。神经细胞微管结合蛋白的分布差异与神经细胞树突和轴突区域化以及感受、传递信息有关。 三、微管的装配与动力学 除了特化细胞的微管外，大多数微管都是不稳定的，能够很快地组装或去组装。自发现微管以来，对微管蛋白如何组装成微管提出了一系列理论模型，以描述微管蛋白组装成微管的动力学性质。但目前普遍认为，微管的装配主要表现为动态不稳定性(dynamic in s tability)，即增长的微管末端有微管蛋白－GTP帽(tubulin-GTP cap)，在微管组装期间或组装后GTP被水解成GDP，从而使GDP-微管蛋白成为微管的主要成分。微管蛋白－GTP帽及短小的微管原纤维从微管末端脱落则使微管解聚（动画7-1“微管的聚合与解聚”)。微管的装配过程可分为三个时期：成核期、聚合期和稳定期。成核期(nucleation phase)又称为延迟期(la g phase)，在该期a和B微管蛋白聚合成短的寡聚体(oligmer)结构，即核心形成，接着二聚体在其两端和侧面增加使之扩展成片状带，当片状带加宽至13根原纤维时，即合拢成一段微管。由于该期是微管聚合的开始，速度较慢，为微管聚合的限速过程，因此称为延迟期。聚合期(polymeri za ti on phase)又称延长期(elongation phase)，该期中细胞内高浓度的游离微管蛋白聚合速度大千解聚速度，新的二聚体不断加到微管正端，使微管延长，直至游离的微管蛋白下降，解聚速度逐渐增加。在稳定期(stead y state phase)又称为平衡期(equilibrium phase)，胞质中游离的微管蛋白达到临界浓度，微管的组装（聚合）与去组装（解聚）速度相等。(—)微管装配的起始点是微管组织中心立三三三三三言三言产三言薹管动力学中具有重要作用。"I-微管蛋白环形复合体('Y-tubulin ring complex,'Y-TuRC)可形成一含有158第二篇细胞的结构与功能（二）微管的体外装配在适当的条件下，微管能进行自我装配，其装配受到微管蛋白的浓度、pH和温度的影响。微管动态不稳定性行为的发生需要水解GTP提供能量，因此，GTP是调节微管体外组装的主要物质。在影响微管聚合的主要条件中，尤以微管蛋白的浓度及GTP的存在最为重要。在体外，只要微管蛋白异二聚体达到一定的临界浓度（约为lmg/ml)，在有Mg2+存在（无Ca2＋汃适当的pH(pH6.9)和温度(37°C)的缓冲液中，异二聚体即聚合成微管。同时需要由GTP提供能量，＂B－微管蛋白异二聚体同GTP结合后而被激活，引起微管蛋白分子的构象呈直线型，从而使异二聚体聚合成微管，而GTP则分解为GDP和磷酸。当微管蛋白的聚合迅速进行时，微管蛋白分子添加到微管上的速度大于它们所携带的GTP水解速度，因此新生成的微管上全是GTP－微管蛋白亚基。正因为GTP－微管蛋白亚基之间结合得比较牢固，结果在微管末端形成一个称为GTP帽的结构，它可防止微管的解聚。当微管生长较慢时，GTP帽中的亚基会在新的携带有GTP的亚基结合上来以前，就水解它自己的GTP成GDP，这样就失去GTP帽，携有GDP的亚基由千对微管聚合体的结合不紧密而很快从游离端上释放出来，这样微管就不停的缩短。因此，当微管两端的微管蛋白具有GTP帽（与GTP结合）时，微管继续聚合；而具有GDP帽（与GDP结合）时，将改变异二聚体的构象使原纤维弯曲而不能形成微管的管壁，微管则趋向于解聚（图7-5)。细胞内微管的这两种状态（聚合和解聚）是不断发生的，因为细胞内不断有微管解聚，又不断有新微管的聚合。


医学细胞生物学 三、微管的装配与动力学  ，之结合GTP的<－、/微管蛋白分子』上一一4结合GTP的微管蛋白分子添加到微管末端..、结合GDP的、微管蛋白分子GTP帽增长的微管缩短的微管 原纤维中异二聚体亚单位重复排列具有极性，使细胞内所有由微管构成的结构也具有极性。在一定条件下，微管两个端点的装配速度不同，表现出明显的极性。微管的一端发生GTP和微管蛋白的添加，使微管不断延长，称为正端；而在另一端具有GDP的微管蛋白发生解聚而使微管缩短，则为负端微管的这种装配方式又称为踏车运动(treadmilling)。


医学细胞生物学 （三）微管的体内装配 在细胞内微管形成时，"{-Tu RC存在于微管组织中心，'Y-TuRC就像一颗种子，成为更多异二聚体结合上去的核心，微管从此生长、延长。a/B微管蛋白异二聚体结合到'Y-TuRC上，通过微管蛋白彼此间相互作用而稳定，形成一短的微管。由于"{-TuRC像帽子一样戴在微管的负端而使微管负端稳定3"{-TuRC组织微管形成的能力可能受细胞周期调节的影响而开闭。最明显的模式是：在间期组织微管形成的能力被关闭，而在化期到M期的转换时期，一种涉及细胞周期调节的激酶可能使Y－微管蛋白或"{-TuRC中的某些蛋白质磷酸化，从而开放'Y-TuRC组织形成微管的能力。


医学细胞生物学 （三）微管的体内装配 （四）很多因素影响微管组装和解聚造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP浓度、压力、温度、pH、离子浓度、微管蛋白临界浓度、药物等。有些微管特异性药物在微管结构与功能研究中起重要作用，这些药物主要有：紫杉醇(taxol)、第七章细胞骨架与细胞的运动159秋水仙素(cochicine)和长春新碱(vinblastine)等。紫杉醇能和微管紧密结合防止微管蛋白亚基的解聚，加速微管蛋白的聚合。与紫杉醇作用相反，秋水仙素能结合和稳定游离的微管蛋白，使它无法聚合成微管，引起微管的解聚。长春新碱能结合微管蛋白异二聚体，抑制它们的聚合作用。


医学细胞生物学 四、微管的功能 (—)微管构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态维持细胞形态是微管的基本功能。微管本身不能收缩，但具有一定的强度，能够抗压和抗弯曲，这种特性给细胞提供了机械支持力。例如在血小板中有一束微管环形排列于血小板周围，维持血小板的圆盘形结构。当血小板暴露于低温中，环形微管即消失，血小板变成不规则的球形，但将血小板再加热时，环形微管重新出现，血小板又恢复它的圆盘形结构。秋水仙素、长春新碱等抗分裂剂能与微管蛋白异二聚体中的一个单体特异结合，从而阻止其聚合，使微管解聚，因此这些药物也可使血小板失去其圆盘形结构。这些现象都表明，环形微管是血小板骨架的主要组成部分，它们在血小板中的排列对维持血小板的形状有重要作用。另外，微管对千细胞突起部分，如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持也具有重要作用。


医学细胞生物学 （二）微管参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成 在光学显微镜下，中心体位于细胞核附近，由中心粒和中心粒周围物质共同组成。在电镜下，中心粒是由9组三联体微管围成的一个圆筒状结构，在各种细胞中基本相同。中心体是动物细胞中主要的微管组织中心。在细胞分裂间期，中心体形成胞质微管，构成细胞骨架的主要纤维系统，一方面作为细胞内物质运输的轨道基础，另一方面对细胞形状的维持和改变也起到必不可少的作用；在M期，经过复制的中心体形成纺锤体的两极，指导有丝分裂事件的进行，与纺锤丝的排列和染色体的移动有密切关系。


医学细胞生物学 （二）微管参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成 纤毛(cilia)和鞭毛(flagella)具有运动功能，用来划动其表面的液体，是细胞表面的特化结构。纤毛和鞭毛在来源和结构上基本相同。所不同的是，就一个细胞而论，纤毛短而多，而鞭毛则长而少。纤毛和鞭毛都是以微管为主要成分构成的，并且有特殊的结构形式，大多数属于9+2类型。纤毛和鞭毛的横断面电镜观察可见中央有两条微管，称为中央微管。中央微管的外周包围一层蛋白性质的鞘，称为中央鞘(central sheath）。外周则以9组二联管围绕。二联管两两之间以微管连接蛋白相连。外周二联管和中央鞘之间也有连接，称为放射辐条(radial spoke)。放射辐条由A管伸出，近中央鞘一端膨大，称为辐头。A管上还伸出动力蛋白臂(dynein arm)，其头部具有ATP酶活性，可为纤毛与鞭毛的运动提供动力。鞭毛与纤毛的基体(basal body)由三联管组成，与中心粒相似。基体的中央无微管（图7-6)（动画7-3"纤毛、鞭毛及中性粒的结构”)。


医学细胞生物学 连丝蛋白中央微管I I100nm l A管B管lB外周二联管 图7-6纤毛与鞭毛的结构A纤毛横切而电镜照片；B纤毛结构示意图160第二筒细胞的结构与功能（三）微管参与细胞内物质运输微管在核的周围分布密集，并向胞质外周伸展。在线粒体周围也有微管的存在，有的微管直接连到高尔基复合体小泡上；核糖体可系在微管和微丝的交叉点上。所以，细胞内的细胞器移动和胞质中的物质转运都和微管有着密切的关系。例如，神经细胞合成的蛋白质等物质沿神经轴索快速运送至远端的神经末梢，细胞的分泌颗粒和色素细胞的色素颗粒沿微管运输，线粒体的快速运动也是沿微管进行的。


医学细胞生物学 连丝蛋白中央微管I I100nm l A管B管lB外周二联管 微管参与细胞内物质运输的任务主要由微管马达蛋白(motor prote i n)来完成，马达蛋白是指介导细胞内物质沿细胞骨架运输的蛋白（图7-7)（动画7-4“马达蛋白与细胞内物质运输＂）。目前发现有几十种马达蛋白，可以归属于三大家族：动力蛋白(dynein)家族、驱动蛋白(k inesin)和肌球蛋白(myos i n)家族。其中驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行轨道，而肌球蛋白则是以肌动蛋白纤维作为运行轨道。胞质动力蛋白和驱动蛋白各有两个球状ATP结合头部和一个尾部，其头部与微管是以空间结构专一的方式结合的，因此只有当驱动蛋白和动力蛋白以正确的姿势”指向“微管时才能结合上去；而马达蛋白（驱动蛋白和动力蛋白）的尾部通常是与细胞组分如小泡或细胞器稳定结合的，因此也就决定了马达蛋白所运载的＂货物“种类。驱动蛋白和动力蛋白的头部是具有ATP水解活性的酶(ATP酶），这一酶解反应所产生的能量可提供这两者的头部作一个循环的构象改变，完成一套与微管结合、解离、再结合的动作，从而使蛋白沿着微管移动。


医学细胞生物学 货物马达蛋白头：：飞；占仁微管 驱动蛋白是一类微管激活的ATP酶，可沿微管由负端向正端移动，在胞内物质运输中具有重要作用。在神经细胞中，驱动蛋白已被证明沿着轴突的微管＂轨道”负责快速轴突运输，线粒体快速移动，分泌小泡前体和各种轴突组成物运输到达神经末梢。动力蛋白是一个由9~12个亚基组成的蛋白质复合体，具有ATP酶活性，可沿微管由正端向负端移动，为细胞内物质运输和纤毛运动提供动力。间期细胞中胞质动力蛋白的一个主要作用是参与细胞器的定位和转运。 （四）微管维持细胞内细胞器的定位和分布 微管及其相关的马达蛋白在真核细胞膜性细胞器的定位上起着重要作用。细胞中线粒体的分布与微管相伴随，游离核糖体附着于微管和微丝的交叉点上，微管使内质网在细胞质中展开分布，使高尔基复合体在细胞中央靠近细胞核而定位于中心体附近。如果用秋水仙素处理细胞，破坏微管的装配，那么这些细胞器的有序空间排列就会改变，如内质网砃塌，由千内质网与核被膜相联系，千是便积聚到核附近；高尔基复合体分俯成小的毅泡，分散在整个细胞质中。当把秋水仙素去除以后，则细胞器的分布重新恢复正常。


医学细胞生物学 （五）微管参与染色体的运动，调节细胞分裂 微管是构成有丝分裂器的主要成分，可介导染色体的运动。有丝分裂前期，染色体的动粒(kin e tochore)出现并逐渐成熟，当核膜开始崩解时，微管侵入核区，染色体一端的动粒可捕获从纺锤体极伸出的微管，形成侧位连接，并沿着单根微管的侧面向极区方向滑动。由千极区的微管密集，这一运动使动粒容易获得更多的微管。这些微管与动粒形成端位连结，并通过在动粒一端的聚合延伸而推动染色体向纺锤体中部移动。同时另一侧姐妹染色单体上的动粒也与来自另一极的微管结合。有丝分裂后期只有在所有染色体都达到赤道板平衡后才会开始，任何一个染色体未与微管连接或未达到平衡位置，分裂后期都将被延迟。 （六）微管参与细胞内信号传导 已证明微管参与hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号转导通路。信号分子可直接与微管作用或通过马达蛋白和一些支架蛋白来与微管作用。微管的信号转导功能具有重要的生物学作用，它与细胞的极化、微管的不稳定动力学行为、微管的稳定性变化、微管的方向性及微管组织中心的位置均有关。


医学细胞生物学 （六）微管参与细胞内信号传导 经典实验：驱动蛋白的分离一一一一一一一．．一一一一一一．．．一一一一一研究背景细胞器的运输及其定位机制是细胞生物学的关键性问题。1982年，R. Allen等人应用显微摄影技术观察到，在乌贼神经细胞的轴突中，细胞器可沿胞质中的细丝进行移动。随后，通过电子显微镜证实这些细丝是微管，但是与微管结合并参与细胞器运输的马达蛋白(motor protein)的性质不清。当时被发现的唯一的一种微管马达蛋白是轴突动力蛋白(axonemal dynein)，而这种微管马达蛋白仅存在于纤毛和鞭毛中。在1985年，R. D. Vale等人分离出了一种新的马达蛋白一驱动蛋白(k in es in)，该蛋白触发了细胞中的细胞器沿着微管的移动。


医学细胞生物学 162第二篇细胞的结构与功能第二节微丝 微丝(mi crofilament, MF)又称肌动蛋白丝(act i n filament)，是由肌动蛋白(ac tin)组成的细丝，普遍存在千真核细胞中，在肌肉细胞中，肌动蛋白占细胞总蛋白的10%，在非肌肉细胞中占1%~5%。它以束状、网状或散在等多种方式有序地存在于细胞质的特定空间位置上，并由此与微管和中间纤维共同构成细胞骨架，参与细胞形态维持以及细胞运动等生理功能。和微管一样，微丝是不稳定的，但它在细胞中也能形成如肌肉细胞中的收缩单位一样稳定的结构。微丝与许多种肌动蛋白结合蛋白相结合，使它能够在细胞内行使多种功能。 —、肌动蛋白与微丝的结构 微丝的主要成分是肌动蛋白，在电镜下是一种细丝状结构，直径5~8nm，与微管相比，肌动蛋白微丝更纤细柔顺。单个微丝通常比微管短很多，在细胞内单条微丝并不是独立行动的，而是形成横向连接的聚合物或形成束，这样要比单个微丝更结实。


医学细胞生物学 —、肌动蛋白与微丝的结构 每一个肌动蛋白分子是由375个氨基酸组成的单链多肤，与一分子ATP紧密相连。肌动蛋白单体外观呈哑铃形，称为G－肌动蛋白（球形－肌动蛋白）。每个G－肌动蛋白由两个亚基组成，它具有阳离子(M矿和K十或Na十汃ATP（或ADP)和肌球蛋白结合位点。微丝是由G－肌动蛋白单体形成的多聚体，也称为F－肌动蛋白（纤维状－肌动蛋白）。肌动蛋白单体具有极性，装配时首尾相接，故微丝也有极性。肌动蛋白微丝也和微管一样是极性结构，有两个在结构上不相同的末端，相对迟钝和生长慢的负端(m inus end)及一个生长快的正端(plus end)（图7-8)。负端又称为指向端”(point end)，正端又称为＂秃端＇（barbed end)。一个细胞内的微丝总长度比微管总长度长至少30倍以上，反映了这两种细胞骨架聚合体在组装及功能上的差别。


医学细胞生物学 肌动蛋白分子正端负端A B负端l l A. G－肌动蛋白三维结构；B. F－肌动蛋白结构模型；C. F－肌动蛋白电镜照片纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维，但是这种纤维不具有相互作用的能力，也不能行使某种功能。在显微镜下观察，它们只是杂乱无章的堆积而不像活细胞中肌动蛋白纤维能够组织成各种组织，如束状、薄网状等。体外组装的肌动蛋白纤维本身同活体中的肌动蛋白纤维之间没有差别，只是组织结构不同。体内的肌动蛋白纤维是由不同的肌动蛋白纤维结合蛋白将肌动蛋白纤维第七章细胞骨架与细胞的运动163组织成各种不同的结构，从而执行不同的功能。肌细胞和非肌细胞中都有微丝结合蛋白，至少已分离出100多种。表7-1是常见的几类主要的微丝结合蛋白。目前发现，微丝结合蛋白具有多种功能，但它们与肌动蛋白相互作用的方式却十分简单。这些微丝结合蛋白主要与微丝的装配及微丝的功能有关。


医学细胞生物学 （一）单体隔离蛋白 抑制蛋白和胸腺素能够与单体肌动蛋白结合，并且抑制它们的聚合，将具有这种作用的蛋白质称为肌动蛋白单体隔离蛋白(monomer seq uestering protein)，这种蛋白质在非肌细胞中负责维持高浓度的单体肌动蛋白。没有单体隔离蛋白，细胞质中可溶性的肌动蛋白几乎全部组装成肌动蛋白纤维。改变细胞质中单体隔离蛋白的浓度或改变它们的活性，就会使细胞质中肌动蛋白单体－聚合体的平衡发生变化，它们的活性和浓度决定着肌动蛋白是趋于聚合还是解聚。（二）交联蛋白交联蛋白(cross linkin g protein)的主要功能是改变细胞内肌动蛋白纤维的三维结构。每一种交联蛋白都有两个或两个以上与肌动蛋白结合的位点，这样，能够使两个或多个肌动蛋白纤维产生交联，使细胞内的肌动蛋白纤维形成网络结构。有些交联蛋白是杆状的，能够弯曲，由这种交联蛋白形成的网络结构具有相当的弹性，因而能够抵抗机械压力。有些交联蛋白是球状的，能够促使肌动蛋白成束排列，如微绒毛中的肌动蛋白束就是靠这种蛋白交联的。（三）末端阻断蛋白末端阻断蛋白(end blocking protein)通过与肌动蛋白纤维的一端或两端的结合调节肌动蛋白纤维的长度。加帽蛋白与肌动蛋白纤维的末端结合之后，相当于加上了一个帽子。如果一个快速生长的肌动蛋白纤维在（＋）端加上了帽子，那么在（－）端就会发生解聚。某些加帽蛋白能够促使新的纤维形成，同时抑制已存在微丝的生长，这样导致细胞内有大量较短微丝的存在。


医学细胞生物学 （一）单体隔离蛋白  （四）纤维切割蛋白 纤维切割蛋白(fi lament severing protein)能够与已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二。由千这种蛋白质能够控制肌动蛋白丝的长度，因此大大降低了细胞中的黏度。经这类蛋白质作用产生的新末端能够作为生长点，促进肌动蛋白的装配。切割蛋白可作为加帽蛋白封住肌动蛋白纤维的末端。（五）肌动蛋白纤维解聚蛋白肌动蛋白纤维解聚蛋白(actin filament depolymerizing prote i n)主要存在千肌动蛋白丝骨架快速变化的部位，它们与肌动蛋白丝结合，并引起肌动蛋白丝的快速解聚形成肌动蛋白单体。（六）膜结合蛋白膜结合蛋白(membrane binding protein)是非肌细胞质膜下方产生收缩的机器。在剧烈活动时，由收缩蛋白作用于质膜产生的力引起质膜向内或向外移动（如吞噬作用和胞质分裂）。这种运动是由肌动蛋白纤维直接或间接与质膜相结合后所形成的。直接的方式有与膜整合蛋白的结合，间接的方式有与外周蛋白的结合。两个典型的例子是红细胞膜骨架和细胞的整联蛋白连接。这两种情况下，肌动蛋白丝通过膜结合蛋白与细胞质膜连接成一个网络结构。


医学细胞生物学 三、微丝的装配机制 在多数非肌肉细胞中，微丝是一种动态结构，在一定条件下，不断进行聚合和解聚，并与细胞的形态维持及细胞运动有关。(—)微丝的组装过程分为成核、聚合和稳定三个阶段体外实验表明，球形肌动蛋白组装成肌动蛋白纤维需要ATP和一定的盐浓度（主要是M忙和K勹，其组装过程也分三个阶段：即成核期、聚合期和稳定期。成核期是微丝组装的限速过程，需要一定的时间，故又称延迟期，此期球状肌动蛋白开始聚合，其二聚体不稳定，易水解，只有形成三聚体才稳定，即核心形成。一旦核心形成，球状肌动蛋白便迅速地在核心两端聚合，进入聚合期。微丝两端的组装速度有差异，正端的组装速度明显快于负端，约为负端的10倍以上。微丝延长到一定时期，肌动蛋白渗入微丝的速度与其从微丝上解离的速度达到平衡，此时即进入平衡期，微丝长度基本不变，正端延长长度等于负端缩短长度，并仍在进行着聚合与解聚活动（图7-9)（动画7-5“微丝的组装过程”)。（二）微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型来解释微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型来解释。目前认为踏车模型在微丝组装过Q。。


医学细胞生物学 Q o:？又生？e＼斐产。。？e。飞。。一e譬碑：。三G-actin成核期延长期稳定期第七章细胞骨架与细胞的运动 程中可能起主导作用。微丝可以在任何一端以添加肌动蛋白单体的方式增长，但由千微丝具有极性，新的肌动蛋白单体加到微丝两端的速度不同，速度快的一端为正端，速度慢的一端为负端，表现出显著的踏车现象。在微丝装配时，肌动蛋白分子添加到肌动蛋白丝上的速率正好等于肌动蛋白分子从肌动蛋白丝上解离的速率时，微丝净长度没有改变，这种过程称为肌动蛋白的踏车行为（图7-10)。 又产、产、／ 图7-10踏车行为模式图微丝两端聚合加入和解聚释放的亚单位速度达到平衡，微丝长度不变裸露的微丝就像不带结合蛋白的微管一样，呈固有的不稳定性，而且两端都可以解聚，在解聚时正端的速度比负端的速度要快得多。ATP主要调节微丝组装的延长期，每一个游离的肌动蛋白单体带有一个紧密结合的ATP，一旦肌动蛋白单体聚合到肌动蛋白丝上它就水解为ADP，就像GTP对千微管一样，肌动蛋白丝中的ATP水解为ADP，减弱了单体之间的结合力，也就降低了聚合体的稳定性。因此核昔酸的水解促进了解聚，帮助细胞中已形成的微丝解聚。


医学细胞生物学 又产、产、／ 非稳态动力学模型认为ATP是调节微丝组装的动力学不稳定性行为的主要因素。微丝组装的延长期通过ATP来调节，一个球状肌动蛋白分子可结合1分子ATP，结合ATP的肌动蛋白（即ATP－肌动蛋白）对纤维状肌动蛋白末端的亲和性高，当ATP－肌动蛋白结合到末端后，肌动蛋白的构象发生改变，ATP水解为ADP+Pi。ADP－肌动蛋白对纤维末端的亲和性低，容易从末端脱落，使纤维缩短。ATP－肌动蛋白浓度与其聚合速度呈正比，当ATP－肌动蛋白高浓度时，ATP－肌动蛋白在末端聚合的速度便升高，由千ADP－肌动蛋白对末端的亲和力小，结果ADP－肌动蛋白不断从末端解聚脱落，使纤维缩短。因此，就每一根纤维来说，其长度一般不是固定不变的，而是呈动力学不稳定状态，其长度总在延长与缩短的变化之中。


医学细胞生物学 又产、产、／ 微丝同微管一样，在体内装配时也有成核作用。所不同的是肌动蛋白纤维的成核作用发生在质膜，因而在很多细胞中肌动蛋白纤维在质膜下的一层由微丝和各种微丝结合蛋白组成的网状结构往往密度较高，称为细胞皮层(cell cortex)或肌动蛋白皮层(actin cortex)。该结构具有很高的动态性，与肌动蛋白一起为细胞膜提供强度和韧性，并维持细胞的形态。如细胞皮层可推动细胞膜形成细长的微刺(microspike)，在神经细胞轴突的生长端可形成更长的微穗称丝状伪足(filopodia)，还可形成片状伪足(lamellipodia)（图7-11)。


医学细胞生物学 （三）微丝的组装受多种因素影响 微丝的装配除了受G－肌动蛋白临界浓度的影响，还受ATP、Ca2•,Na+、K浓度和药物的影响。在含有ADP和Ca“以及低浓度的Na•,K•的溶液中，微丝趋于解聚而形成肌动蛋白单体；而在含有ATP、M矿和高浓度的Na\K十的溶液中，肌动蛋白单体则装配成微丝。另外，微丝结合蛋白对微丝的组装图7-11细胞中的肌动蛋白束A微绒毛；B.细胞质中的收缩束；C.运动细胞前缘的片状伪足和丝状伪足；D细胞分裂时的收缩环也有惆控作用。同微管一样，肌动蛋白也受某些药物分子的影响。主要有细胞松弛素B(cytochalasin B)和鬼笔环肤(phalloidin)，它们与肌动蛋白特异性结合，影响着肌动蛋白单体－多聚体的平衡。


医学细胞生物学 （三）微丝的组装受多种因素影响 细胞松弛素B是第一个用千研究细胞骨架的药物，它是真菌分泌的生物碱。细胞松弛素及其衍生物在细胞内通过与微丝的正端结合起抑制微丝聚合的作用。当将细胞松弛素加到活细胞后，肌动蛋白纤维骨架消失，使动物细胞的各种活动瘫痪，包括细胞的移动、吞噬作用、胞质分裂等。它对微管没有作用，也不抑制肌收缩，因肌纤维中肌动蛋白丝是稳定的结构，不发生聚合与解聚的动态平衡。鬼笔环肤是从毒蘑菇(ama nita)分离的毒素，它同细胞松弛素的作用相反，只与聚合的微丝结合，而不与肌动蛋白单体分子结合。它与聚合的微丝结合后，抑制了微丝的解体，因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡。 四、微丝的功能 （一）微丝构成细胞的支架并维持细胞的形态在细胞中，微丝不能单独发挥作用，必须形成网络结构或束状结构才能发挥作用。细胞的特化结构包括微绒毛(microvilli)和应力纤维(s tress fiber)。


医学细胞生物学 四、微丝的功能 微绒毛是质膜顶端表面的指状形突起（见图7-llA)，在微绒毛中，由微丝形成的微丝束构成了微绒毛的骨架，另外还有一些微丝结合蛋白，在调节微绒毛长度和保持其形状方面具有重要作用。微绒毛的核心是由20~30个同向平行的微丝组成的束状结构，其中有绒毛蛋白和毛缘蛋白(fimbrin)，它们将微丝连接成束，赋予微绒毛结构刚性。另外还有肌球蛋白－I(myosin-I)和钙调蛋白(calmodulin)，它们在微丝束的侧面与微绒毛膜之间形成横桥连接，提供张力以保持微丝束处于微绒毛的中心位置。微绒毛在小肠吸收上皮细胞最多，使细胞的吸收面积增大20倍，对千增强消化和吸收功能具有重要意义。应力纤维也叫张力纤维，是真核细胞中广泛存在由微丝束构成的较为稳定的纤维状结构，在细胞内紧邻质膜下方，常与细胞的长轴大致平行并贯穿细胞的全长。这些微丝束具有极性，一端与质膜的特定部位相连，另一端插入到细胞质中，或与中间丝结合。应力纤维具有收缩功能，但不能产生运动，而只能用于维持细胞的形状和赋予细胞韧性和强度。


医学细胞生物学 （二）微丝参与细胞运动 许多动物细胞在进行位置移动时多采用变形运动的方式。如变形虫、巨噬细胞和白细胞以及器官发生时的胚胎细胞等，这些细胞含有丰富的微丝，依赖肌动蛋白和微丝结合蛋白的相互作用，可进行变形运动。这些细胞通过肌动蛋白聚合使细胞表面形成突起，如片状伪足或丝状伪足。当片状伪足或丝状伪足接触到一片合适的表面时，它们就黏附在上面，这时称为整联蛋白(integrin)的穿膜蛋。拉力，利用这一铀着点把自己的身体拉向前。（三）微丝参与细胞分裂二完成胞质的分裂过程，把两个细胞分隔开。


医学细胞生物学 （四）微丝参与肌肉收缩调节轻链真核细胞中很多与微丝相结合的蛋白都是在骨骼肌收缩的基本结构单位一肌小节(sar白丝。 白就与胞外基质中的分子或与另一细胞表面上的分子结合。同时整联蛋白在胞内面紧紧抓住肌动蛋白丝，从而为细胞内部的肌动蛋白丝系统创造了一个牢靠的描着点。细胞然后通过内部的收缩产生动物细胞有丝分裂末期，继核分裂完成后，在即将分离的两个子细胞之间肌动蛋白微丝与肌球蛋白－II组装形成瞬时性收缩束以维持特殊的功能，然后解体。最突出的是有丝分裂的动物细胞质膜下皮层由微丝与肌球蛋白－II形成的腰带状束，称为收尾头颈',缩环(coractilering)（见图7-llD)。收缩环产生nt的动力将质膜向内拉，细胞的腰部紧缩最终一分为肌细胞中首先发现，肌细胞的收缩是实现有机体的一切机械运动和各脏器生理功能的重要途径。图7-12肌球蛋白分子comere)的主要成分是肌原纤维。电镜下观察证明肌原纤维由粗肌丝(thickmyofilament)和细肌丝(thin myofilament)组成。粗肌丝直径约为10nm，长约1.5mm，由肌球蛋白(myosin)组成（图7-12)。细肌丝直径约为5nm，由肌动蛋白、原肌球蛋白(tropomyosin)和肌钙蛋白(troponin)组成，又称肌动蛋myosin租丝与肌动蛋白细丝相互交错，myosin粗丝为双极对称的组装形式，分布在中线两侧肌细filament F.胞的收缩机制可用滑动丝模型(slidingmodel)来解释（图7-13)。1954年A.Huxl提出肌ey收缩的滑动丝模型，认为肌细胞收缩是由千粗肌丝与细肌丝之间相互滑动的结果。肌细胞收缩的分一_B子基础是：肌球蛋白的头部与邻近的细肌丝结合并发生一系列的构象变化，触发肌球蛋白头部沿着细肌丝正端“行走”，从而导致肌肉的收缩。


医学细胞生物学 （四）微丝参与肌肉收缩调节轻链真核细胞中很多与微丝相结合的蛋白都是在骨骼肌收缩的基本结构单位一肌小节(sar白丝。  肌节粗丝（肌球蛋白丝）细丝（肌动蛋白丝）·一一一1-－－－－i-' l--—-，一肛…叩叩闺咖咖叩一一I-放松ll收缩盲－---l叩一一一1一」-一二-－一二:一一—_＿＿＿－二（五）微丝参与细胞内物质运输微丝在微丝结合蛋白介导下可与微管一起进行细胞内物质运输，例如小泡的运输，通过肌球蛋白－I微丝结合，将小泡沿微丝的（－）端向（＋）端移动。另外，肌球蛋白－I的尾部与质膜结合，利用其头部可将微丝从一个部位运向另一个部位。（六）微丝参与细胞内信号传递细胞表面的受体在受到外界信号作用时，可触发质膜下肌动蛋白的结构变化，从而启动细胞内激酶变化的信号传导过程。


医学细胞生物学 第三节中间纤维 中间纤维(intermediate filaments, IF)广泛存在于真核细胞中，最早在平滑肌细胞内发现，由千其介千肌肉细胞ac t i n细丝与肌球蛋臼粗丝之间而得名“中间”。中间纤维是三类细胞骨架纤维中结构最为复杂的一种。浓盐溶液与非离子性去污剂处理可使细胞内其余大部分的细胞骨架消失，唯独保留中间纤维，可见中间纤维在三类细胞骨架纤维中最为坚韧和持久。 —、中间纤维的结构和类型 (—)中间纤维是丝状蛋白多聚体中间纤维的直径为10nm，是一种坚韧、耐久的蛋白质纤维。它相对较为稳定，既不受细胞松弛素的影响也不受秋水仙素的影响。中间纤维的单体（亚基）是蛋白质纤维分子，已经发现50多种，它们都有共同的结构特点：由头部(N端）、中间杆状区和尾部(C端）组成。杆状区为Q'.－螺旋区，内含4段高度保守的Q'.－螺旋段，它们之间被3个短小间隔区隔开。亚基装配时靠Q'.－螺旋配对形成二聚体。在杆状区两侧的N端的头部和C端的尾部通常折叠成球状结构（图7-14)。


医学细胞生物学 杆状区头部角蛋白＼袍佟＝己＠？波形蛋白神经纤维蛋白核纤层蛋白 虽然a－螺旋区高度保守，但N端的头和C端的尾都是高度可变的，不同类型的中间纤维亚基在头部和尾部的大小和氨基酸组成方面有很大区别，具有不同的组成和化学性质。中间纤维分子质批的大小主要取决千尾部的变化，而结构的关键区域在于杆状区，它们表现出形成多级螺旋所需的分子形式。


医学细胞生物学 杆状区头部角蛋白＼袍佟＝己＠？波形蛋白神经纤维蛋白核纤层蛋白 （二）中间纤维蛋白的类型和分布较为复杂根据中间纤维氨基酸序列的相似性，可分为六种类型（表7-2):根据氨基酸序列，角蛋白可分成两种主要类型：I型（酸性）和Il型（中性／碱性）角蛋白(keratin)，存在千上皮细胞内。III型中间纤维蛋白包括多种类型，其中，波形蛋白存在于间充质来源的细胞；结蛋白是肌细胞特有的，在骨骼肌、心肌和平滑肌中表达；胶质原纤维酸性蛋白特异分布于神经胶质细胞；外周蛋白(peripherin)存在于中枢神经系统神经元和外周神经系统感觉神经元中；W型神经丝蛋白主要分布在脊椎动物神经元轴突中；V型核纤层蛋白存在于内层核膜的核纤层；VI型巢蛋白分布千神经干细胞。细胞内中间纤维的成分经常会有变化，例如，在许多上皮来源的细胞开始只有角蛋白，而后出现波形蛋白；胶质细胞开始只有胶质细胞原纤维酸性蛋白，后来出现波形蛋白，但它们是分别排列的，说I'明中间纤维的种类和成分可随细胞的生长或成熟而改变。


医学细胞生物学 部＼4尾二、中间纤维的装配和调节 与肌动蛋白和微管蛋白单体的球状分子不同，中间纤维蛋白单体分子大多数是长丝状，称丝状蛋白(fibrou s pro tein)，有氨基末端的头部、狻基末端的尾部和一个中间杆状区域。中间杆状区域由展开的a－螺旋区组成，a－螺旋区含有纵排的重复组件，称为七位复件(heptad repeat)，为具有特色的氨基酸序列。这种七位氨基酸元件，能促进两个平行的中间纤维蛋白单体的a－螺旋杆之间形成卷曲的螺旋(coiled-coil)二聚体。在细胞骨架许多种别的长形蛋白，如tropo肌球蛋白和肌球蛋白分子尾部形成的超螺旋二聚体结构中也含有七位复件。组装的下一步是两个超螺旋二聚体以反向平行相连，形成四聚体(te tramer)亚单位。细胞内存在少量可溶性四聚体，说明它们是中间纤维组装的基础亚单位。二聚体的反向平行排列说明四聚体以及由其形成的高级结构中间纤维都是非极化结构，也就是说在纤维两端是相同的，在沿着纤维长轴上具有对称性。这一特点使中间纤维显然不同于有极性的、功能依赖于极性的微管及肌动蛋白微丝。中间纤维组装的最后步骤仍不甚清楚，可能是由四聚体以简单结合反应加到伸长中的中间纤维上；结合反应沿中间纤维长轴排列，按螺旋形式包裹在一起。各种中间纤维蛋白，其分子的中间杆状区的结构是高度保守的，它们在组装中调节纤维之间侧位的相互作用；而中间纤维分子的球状头部与尾部结构区的大小与氨基酸序列有较大差别，但不影响纤维的主轴结构。头部或尾部往往从纤维的表面突出，可以调节中间纤维与其他成分之间的相互作用。这一结构类型意味着中间纤维可以由广泛分子量的蛋白质（从约IO000到200000)形成。在多数情况下，细胞内几乎全部的中间纤维蛋白分子呈完全聚合态，只有很少的游离性四聚体。尽管如此，细胞仍旧能够调节其中间纤维的组装，并且决定其数噩、长度和位置（图7-15)（动画7-6”中间纤维的的装配”)。


医学细胞生物学 部＼4尾二、中间纤维的装配和调节 中间纤维装配的调控机制与其蛋白氨基末端头部结构域内特殊氨基酸如丝氨酸残基的磷酸化相关。目前认为，中间纤维蛋白丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化作用是中间纤维动态调节最常见最有效的调节方式。最显著的例子是在有丝分裂时，形成核纤层的蛋白亚单位磷酸化，使核纤层完全解体；当分裂完成时，特殊丝氨酸去磷酸化，核纤层再形成。胞质内的中间纤维在细胞分裂时，或对某些细胞外信号进行应答时，也可以进行彻底的重组装。虽然上述改变一般是由亚单位磷酸化的增强，其他因素也可能起到辅助调节作用。 170第二篇细胞的结构与功能 两个和多个四聚体排列形成更大聚合重叠的中间纤维夕夕一一I I.----


医学细胞生物学 170第二篇细胞的结构与功能 夕夕·,,,',图7-15中间纤维的装配模型A中间纤维蛋白单体；B超螺旋二聚体；C两个超螺旋二聚体交错形成四聚体；D两个四聚体组装在一起；E八个四聚体装配形成中间纤维中间纤维在胞质中形成精细发达的纤维网络，外与细胞膜及细胞外基质相连，中间与微管、微丝和细胞器相连，内与细胞核内的核纤层相连，因此，中间纤维也具有多种功能，而且中间纤维发挥功能具有时空特异性。(—)中间纤维在细胞内形成一个完整的网状骨架系统中间纤维外与质膜和细胞外基质有直接的联系，内与核膜、核基质联系，贯穿整个细胞起着广泛的骨架功能。该骨架具有一定的可塑性，对维持细胞质的整体结构和功能的完整性有重要作用。因此中间纤维在细胞内外起着多方面结构的构成与功能联系的作用，特别与细胞核的定位和固定有关。（二）中间纤维为细胞提供机械强度支持中间纤维在那些容易受到机械应力的细胞质中特别丰富。体外实验证实，中间纤维比微管和微丝更耐受剪切力，在受到较大的剪切力时产生机械应力而不易断裂，在维持细胞机械强度方面有重要作用（图7-16)。


医学细胞生物学 170第二篇细胞的结构与功能 （三）中间纤维参与细胞连接一些器官和皮肤的上皮细胞通过桥粒和半桥粒连接在一起。桥粒介导细胞与细胞之间的黏附，半桥粒介导细胞与细胞外基质之间的黏附。中间纤维参与黏若连接中的桥粒连接和半桥粒连接，在有中间纤维的细胞｝没有中间纤维的细胞痉二二三细胞保持完整连在一起细胞破裂第七章细胞骨架与细胞的运动这些连接中，中间纤维在细胞中形成一个网络，既能维持细胞形态，又能提供支持力。（四）中间纤维参与细胞内信息传递及物质运输由于中间纤维外连质膜和胞外基质，内穿到达核骨架，因此形成一个跨膜的信息通道。中间纤维蛋白在体外与单链DNA有高度亲和性，中间纤维有明显的在核外周聚集的特点，可能与DNA的复制和转录有关。此外，近年来研究发现中间纤维与mRNA的运输有关，胞质mRNA铀定于中间纤维，可能对其在细胞内的定位及是否翻译起重要作用。


医学细胞生物学 （五）中间纤维维持细胞核膜稳定 在细胞核内膜的下面有一层由核纤层蛋白组成的网络，对于细胞核形态的维持具有重要作用，而核纤层蛋白是中间纤维的一种。组成这种网络结构的核纤层蛋白A和C，它们交连在一起，然后通过核纤层蛋白B附着到内核膜上，在内核膜上有核纤层蛋白B的受体。此外，中间纤维在胞质溶胶中也组成网络结构，分布在整个细胞中，维持细胞的形态。 （六）中间纤维参与细胞分化 微丝和微管在各种细胞中都是相同的，而中间纤维蛋白的表达则具有组织特异性，表明中间纤维与细胞分化可能具有密切的关系。这方面研究主要是在胚胎发育和上皮分化的方面，对其详细了解还有待千进一步研究。


医学细胞生物学 第四节细胞的运动 单个细胞的移动方式有多种，极少数细胞通过纤毛和鞭毛进行运动，如纤毛虫借助纤毛进行移动和摄取食物，精子依靠鞭毛的摆动在液体中游动。但绝大多数动物细胞是通过爬行的方式在细胞外基质或固体表面上运动。例如，在胚胎发育过程中，动物体结构的形成是由胚胎细胞向特定靶部位的迁移和上皮层细胞的协同运动来共同完成，最典型的例子是神经崝细胞在整个胚胎发育过程中从神经管长距离迁移到各部位，形成不同类型的细胞；巨噬细胞和白细胞从血液循环中运动到炎症部位，吞噬并消灭微生物；同样成纤维细胞在结缔组织中的迁移有助于创伤组织的修复和重塑；在许多肿瘤细胞中，癌细胞的运动会导致原发肿瘤向周圃组织的侵袭及通过血管或淋巴管引起机体其他部位的转移。（动画7-7“微丝的动态聚散及细胞的迁移运动”)一些细胞通过纤毛和鞭毛进行运动，如精子靠鞭毛的摆动进行游动，动物呼吸管道上皮细胞靠纤毛的规律摆动向气管外转运痰液。每根纤毛都以一种猛烈抽打的方式来运动，就像我们游蝶泳时那样（图7-17A)。鞭毛通常要比纤毛长，它是用来推动整个细胞的，不做抽打运动，沿着长度方向传播规律性的波动，类似正弦曲线传播运动波，从而推动细胞在液体中穿行（图7-17B)。


医学细胞生物学 第四节细胞的运动 图7-17纤毛和鞭毛的运动纤毛和鞭毛的运动是一种简单的弯曲运动，其运动A一根纤毛的拍打运动；B海鞘精子鞭毛机制一般用微管滑动模型解释：心动力蛋白头部与相邻反复的波浪形运动（引自Alberts B,2008)微管的B微管接触，促进与动力蛋白结合的ATP水解，并。 172第二篇细胞的结构与功能 释放ADP和P]，改变了A微管动力蛋白头部的构象，促进头部朝向相邻二联管的正极滑动，使相邻二联管之间产生弯曲力；＠新的ATP结合，促使动力蛋白头部与相邻B管脱离；＠ATP水解，其放出的能量使动力蛋白头部的角度复原；＠带有水解产物的动力蛋白头部与相邻二联管上的另一个位点结合，开始下一个循环（图7-18)。 @@勹A二二二二二白臂的再结合二、微丝与细胞运动 细胞运动是一个高度协同的复杂过程，细胞主要依赖于肌动蛋白和微丝结合蛋白的相互作用进行移动。这种运动可以分为三个过程（图7-19):CD细胞在它的前端或前沿伸出突起，也叫伪足；＠这些突起附着在其爬行的表面上；＠细胞的其余部分通过铀着点上的牵引力将自己向前拉。


医学细胞生物学 肌动蛋白皮层基质 处千牵引力之下的皮层1在正端聚合的肌动蛋白伸出片状伪足所有这三个过程都涉及肌动蛋白丝，但是其方式不同。第一步通过肌动蛋白聚合使细胞表面形成突起。成纤维细胞在爬行过程中，其前缘规律性地伸出菏菏的片状伪足，片状伪足中含有致密的肌动蛋白丝网络，大部分纤维的正端接近细胞质膜。很多细胞也会伸出纤细而坚挺的突起，称为丝状伪足，它们不仅分布在细胞的前缘，而且也分布在细胞表面的其他部分。丝状伪足宽0. Iµ,m，长5～10µm，由10~20根松散的肌动蛋白丝纤维束组成，同样正第七章细胞骨架与细胞的运动端朝向质膜。发育中神经细胞的生长锥甚至可以长出50µm长的丝状伪足，它可以帮助细胞探索周围环境，发现到达目标的正确途径。丝状伪足和片状伪足都是试探性的可移动结构，其形成和回缩的速度都极快。肌动蛋白丝在质膜下聚合生长驱使细胞质膜向外突出，形成丝状伪足或片状伪足。


医学细胞生物学 肌动蛋白皮层基质 肌动蛋白丝在细胞前缘的形成和生长是由微丝结合蛋白所介导的，它有助于肌动蛋白在质膜下成核。一组称为ARP2/3(ac tin-related proteins2/3)复合物的微丝结合蛋白促进分枝状肌动蛋白丝的形成。ARP2/3复合物在生长的肌动蛋白纤维的负端形成一个核心，肌动蛋白纤维由此向正端快速生长。这些蛋白形成一个复合体并以70°角结合在原有的肌动蛋白纤维上，促进成核并形成新的肌动蛋白纤维，这样就可使单独的纤维形成树枝状的网络。在其他微丝结合蛋白的帮助下，这个网络在前端聚合，在后端解聚，推动片状伪足向前移动（图7-20)。 细胞前缘t新生肌动蛋白丝厂卢。『：一Arp2/3复合物去组装蛋白肌动蛋白单体加帽蛋白 笫二步当片状伪足或丝状伪足接触到适当的表面时，它们就黏附在上面，这时称为整联蛋白的穿膜蛋白就与胞外基质中的分子或与另一细胞表面上的分子结合，这个运动着的细胞就在基质或另一个细胞上面爬行。同时，在爬行细胞膜的内表面整合蛋白紧紧抓住肌动蛋白丝，从而为爬行细胞内部的肌动蛋白丝系统提供了一个牢固的铀着点。


医学细胞生物学 细胞前缘t新生肌动蛋白丝厂卢。『：一Arp2/3复合物去组装蛋白肌动蛋白单体加帽蛋白 第三步，细胞通过内部的收缩产生拉力，利用铀着点将胞体向前拉动。该过程依赖于肌动蛋白与肌球蛋白的相互作用。但目前尚不清楚这种拉力是如何产生的，是通过收缩胞质中的肌动蛋白丝束呢？还是通过收缩细胞皮层中的肌动蛋白丝网，或是两者兼而有之呢？有待于进一步研究。


医学细胞生物学 三、细胞运动的调节机制(—)细胞外信号可以引起细胞骨架的重排 细胞外信号可以调节微丝结合蛋白的活性，使细胞可以通过细胞骨架的重排对外界环境做出应答。许多镶嵌在质膜中的受体蛋白的活化可以引发细胞骨架的重排。所有这些信号均由一类称为RhoGTP酶的家族所介导。该家族的成员主要是：Cdc42、Rae和Rho。这类蛋白可以在活性的GTP结合状态和非活性的GDP结合状态之间不断转换，从而控制细胞骨架重排。Rho家族不同成员的激活可通过不同方式影响肌动蛋白丝的排列方式。例如，GTP结合蛋白Cdc42的活化可以导致肌动蛋白的聚合，从而形成丝状伪足；GTP结合蛋白Rae的活化促进片状伪足和膜褶皱的形成；活化的Rho既可以启动肌动蛋白纤维通过肌球蛋白纤维成束形成应力纤维，又可通过蛋白质的结合形成点状接触（图7-21)。 肌动蛋白染色．肌动蛋白染色 这些复杂结构的显著变化是由千这些RhoGTP酶分子与不同的靶蛋白相互作用的结果，包括控制肌动蛋白结构和动力学的蛋白激酶及其辅助蛋白。下面简单介绍引起细胞表面突起形成、细胞黏附及细胞胞体迁移的信号转导机制。


医学细胞生物学 肌动蛋白染色．肌动蛋白染色 1.肌动蛋白聚合使细胞表面形成突起WASP(Wiskolt-A ldrich syndrome prote i n)是调节细胞运动的关键分子，也是Rae和Cdc42下游的重要效应分子，Rae和Cdc42通过活化WASP家族成员诱导伪足的形成和基质的降解。ARP2/3复合物和肌动蛋白单体通过与活化的WASP家族狻基端结构域相结合，促进肌动蛋白成核。此外，Rae和Cdc42通过活化p21活化激酶(p2l-activated kinase, PAK),磷酸化filamin，促进肌动蛋白网络形成；同时，活化的PAK还可激活LIMK，磷酸化cofilin使其失活而抑制肌动蛋白的解聚，稳定肌动蛋白细胞骨架。微丝组装的成核过程还衙要formin的参与。


医学细胞生物学 肌动蛋白染色．肌动蛋白染色 2细胞的黏附迁移的细胞头部与细胞外基质(ECM)的黏附和尾部去黏附的不断交替使得细胞向前迁移。细胞表面的整联蛋白受体与ECM中特异的配体结合，通过整联蛋白聚集成簇而形成黏着斑复合体，而整联蛋白受体的胞内区与桩蛋白(paxillin)，纽蛋白(vinculin)和踝蛋白(talin)等多种肌动蛋白结合蛋白相互作用形成分子桥，并与细胞骨架相连，提供细胞迁移的铀着位点。活化的第七章细胞骨架与细胞的运动175Rael和Cdc42，通过激活PAK!磷酸化下游的黏着斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)，活化的FAK作为分子支架招募胞质内桩蛋白，纽蛋白和踝蛋白等，促进黏着斑复合体的形成。


医学细胞生物学 肌动蛋白染色．肌动蛋白染色 3细胞胞体前移RhoA激活Rho－激酶(ROCK), ROCK活化后通过抑制肌球蛋白轻链磷酸酶(myosin light chain phosphatase, MLCP)活性从而增强肌球蛋白轻链磷酸化水平，导致细胞收缩能力增强。Cdc42的作用与之类似。另一方面，Rae会激活PAKl，活化的PAKl通过磷酸化肌球蛋白轻链激酶(myosin light c加n kinase,MLCK)使之失活来降低肌球蛋白轻链的磷酸化水平，使细胞收缩力减弱运动受阻。但是PAKl也能直接磷酸化肌球蛋白轻链，增加细胞收缩力。究竟是哪种作用占优势，取决于PAK l的空间分布和它的活性。 （二）细胞外信号可以指导细胞运动的方向 细胞运动需要在特定方向上进行极化。组织中有导向的细胞分裂以及连续、有组织性的多细胞结构的形成都需要对细胞极化过程进行精密调控。通过对酵母、果蝇和蠕虫，以及脊椎动物的研究表明，细胞骨架在细胞极化过程中具有主导作用，触发极化的许多分子在进化上是保守的。


医学细胞生物学 （二）细胞外信号可以指导细胞运动的方向 物理性或化学性的外界环境改变能够引起细胞的极化并产生运动。趋化(c hemotaxis)是指在可扩散化学因子的调控下，细胞向某个方向的运动。研究最多的例子是中性粒细胞向细菌感染部位的趋化运动。中性粒细胞表面的受体蛋白可以监测到来源于细菌蛋白的浓度极低的N－甲酰化肤（只有原核细胞从甲酰甲硫氨酸开始进行蛋白质合成）。这些受体甚至可以监测出细胞两侧这些可扩散肤1％的浓度差异，从而引导中性粒细胞向细菌靶点移动。与它相似的例子是阿米巴向cAMP移动，当受体与配体相结合时，受体附近的肌动蛋白被激活，并在局部发生聚合反应。肌动蛋白的聚合反应依赖于单体Rh o家族GTP酶。在酵母中，应答细胞向着信号方向伸出突起，细胞向一侧伸出突起间接地引发了细胞中“牵引机器”的再定位，由此细胞一路”嗅＂着向发出信号的部位移动。吸附在细胞外基质或细胞表面的非扩散性化学因子也可以影响细胞移动的方向。受体被信号所激活后，除了可引起方向性的肌动蛋白聚合，还可导致细胞黏附增强。大多数动物细胞的长距离迁移，包括神经峭细胞和神经生长索，依赖千可扩散的和非扩散性的信号因子的协同作用来决定细胞运动的方向。


医学细胞生物学 第五节细胞骨架与疾病 细胞骨架对细胞的形态改变和维持、细胞内物质运输、细胞的分裂与分化等具有重要作用，是生命活动不可缺少的细胞结构，它们的异常可引起很多疾病，包括肿瘤、一些神经系统疾病和遗传性疾病等。不同细胞骨架在细胞内的特异性分布可用于对一些疑难疾病进行诊断，也可根据细胞骨架与疾病的关系来设计药物。


医学细胞生物学 —、细胞骨架与肿瘤 在恶性转化的细胞中，细胞常表现为细胞骨架结构的破坏和微管解聚。在肿瘤细胞的浸润转移过程中，某些细胞骨架成分的改变可增加癌细胞的运动能力。恶性肿瘤的主要特点是细胞形态发生改变，增殖快，有侵袭组织及向周围及远处转移的能力，这些特征都与微管和微丝的变化有关。在体外培养的多种人癌细胞中，免疫荧光染色显示微管和微丝发生明显改变：微管数址减少，网架紊乱甚至消失；微丝应力纤维破坏和消失，肌动蛋白发生重组，形成小体，聚集分布在细胞皮层，由千其形状为小球形或不规则，被命名以＂肌动蛋白小体”、“皮层小体”和“面包圈”、`｀玫瑰花”小体等。这些细胞骨架成分的改变增加了癌细胞的运动能力。因此，微管和微丝可作为肿瘤化疗药物的作用靶点，如长春新碱、秋水仙素和细胞松弛索及其衍生物等作为有效的化疗药物可抑制细胞增殖，诱导细胞凋亡。另外，不同类型的中间纤维严格分布于不同类型的细胞中，而绝大多数肿瘤细胞通常继续表达其0.来源细胞特征性的中间纤维类型，即便在转移后，仍表达其原发肿瘤的中间纤维类型。因此可用于正确区分肿瘤细胞的类型及其来源，对肿瘤诊断有重要作用。


医学细胞生物学 二、细胞骨架蛋白与神经系统疾病 许多神经系统疾病与细胞骨架蛋白的异常表达有关，例如，在阿尔茨海默病(Alzheiner diseases, AD)，也称老年痴呆症患者的神经元中，可见到不溶性神经纤维缠结(insoluble neurofibrillai y tangles, NFT)。NFT为纤维性结构，主要由高磷酸化状态的tau蛋白组成。tau蛋白是一种微管结合蛋白，过度磷酸化的tau蛋白对微管的亲和力降低，从而使微管的稳定性降低。AD患者的神经元中微管蛋白的数量并无异常，但存在微管聚集缺陷。在肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophic lat eral sclerosis, ALS)和幼稚性脊柱肌肉萎缩症(i nfantile spinal muscle atrophy)，神经原纤维在运动神经元胞体和轴突近端的堆积是其神经元退化的早期表现，随后运动神经元丧失，导致骨骼肌失去神经支配而萎缩，造成瘫痪，最终死亡。