真核細胞內(nèi)膜系統(tǒng)

真核細胞內(nèi)膜系統(tǒng)細胞內(nèi)膜系統(tǒng)指結(jié)構(gòu)、功能乃至生物發(fā)生上相互關(guān)聯(lián)、由膜包被的細胞器或細胞結(jié)構(gòu)，主要包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、過氧化物體、分泌泡和胞內(nèi)體等。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可分為rER和sER兩大類。rER的主要功能包括合成分泌性蛋白、膜蛋白及細胞器留駐蛋白，蛋白質(zhì)的修飾加工（主要為N-糖基化）和多肽鏈的折疊；sER的主要功能是合成脂類，并具有解毒等功能。高爾基體是一個極性細胞器，由高爾基體順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(CGN)、順面膜囊、中間膜囊、反面膜囊、反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(TGN)5部分組成，是蛋白質(zhì)加工（主要發(fā)生O-連接的糖基化）、分選、包裝與運輸?shù)闹行?，在膜流中起樞紐的作用。溶酶體中含有多種酸性水解酶，主要的功能是進行細胞內(nèi)的消化作用。溶酶體的發(fā)生是蛋白質(zhì)分選的典型代表，其分選信號是M6P，是在信號斑指導(dǎo)下發(fā)生的特異位點的磷酸化。通過高爾基體網(wǎng)格蛋白有被小泡分選入特定的分泌泡。過氧化物體是一種異質(zhì)性的細胞器，其發(fā)生是通過已有過氧化物體的分裂形成的。蛋白質(zhì)分選主要分為三條途徑：共翻譯轉(zhuǎn)運、共翻譯插入和翻譯后轉(zhuǎn)運。從細胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)運輸方式看，蛋白質(zhì)可分為四類：跨膜轉(zhuǎn)運、膜泡運輸、選擇性門控轉(zhuǎn)運和細胞質(zhì)基質(zhì)中的留駐蛋白的轉(zhuǎn)運。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)上的信號肽及停止轉(zhuǎn)移序列決定不同蛋白質(zhì)通過不同途徑分選入特定的細胞器或細胞位置，執(zhí)行各自功能（信號假說）。膜泡運輸是細胞內(nèi)分泌蛋白分泌（胞吐）和細胞攝取物質(zhì)的重要途徑。膜泡運輸中有三種有被小泡參與：COPII、COPI和網(wǎng)格蛋白有被小泡。COPII有被小泡負責rER→Gol的正向運輸；COPI有被小泡負責Gol→rER的反向運輸；網(wǎng)格蛋白有被小泡負責高爾基體TGN向質(zhì)膜、胞內(nèi)體、溶酶體的出芽及細胞的內(nèi)吞作用。運輸小泡的形成、轉(zhuǎn)運及與靶膜的融合是一個特異性的過程，由運輸泡上的v-SNARE和靶膜上的t-SNARE間特異性識別負責，Rab蛋白在此過程中起輔助作用。本章重點及難點認識內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體的功能；溶酶體的的生物發(fā)生過程；信號肽假說、蛋白質(zhì)分選的基本途徑及類型；COPII、COPI及網(wǎng)格蛋白有被小泡形成的機理；小泡的定向運輸和融合機理。思考題比較粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能。細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成部位及其去向如何？粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成哪幾類蛋白質(zhì)，它們在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的生物學(xué)意義又是什么？指導(dǎo)分泌性蛋白在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成需要哪些主要結(jié)構(gòu)或因子？它們?nèi)绾螀f(xié)同作用完成肽鏈在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的合成？蛋白質(zhì)糖基化的基本類型、特征及生物學(xué)意義是什么？簡述溶酶體的生物發(fā)生過程，溶酶體有哪些基本功能？圖解說明細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的各種細胞器在結(jié)構(gòu)與功能上的聯(lián)系。何謂蛋白質(zhì)的分選？圖解真核細胞內(nèi)蛋白質(zhì)分選途徑。已知的膜泡運輸有哪幾種類型？各自主要功能如何？作業(yè)：何謂細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)分選？細胞內(nèi)蛋白質(zhì)分選的主要類型有哪些？其生物學(xué)意義是什么？細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細胞通訊是多細胞生物細胞間或細胞內(nèi)通過高度精確和高度有效的接受信息的通訊機制并通過放大作用引起快速的細胞生理反應(yīng)。細胞通訊可概括為3種方式：①膜結(jié)合分子的信號傳遞；②通過通訊連接（間隙連接和胞間連絲）的細胞通訊；③通過分泌信號分子的細胞通訊，這是多細胞生物普通采用的通訊方式。通過分泌信號分子的細胞通訊依據(jù)分泌細胞與靶細胞的距離分為4種：自分泌、旁分泌、內(nèi)分泌和通過化學(xué)突觸傳遞神經(jīng)信號，其中內(nèi)分泌是大多數(shù)分泌信號分作的作用方式。信號分子主要分為三類：親脂性分子、親水性分子、氣體信號分子。信號分子的受體分兩類：細胞內(nèi)受體、細胞表面受體。細胞內(nèi)受體與親脂性分子結(jié)合，細胞表面受體與親水性分子結(jié)合。細胞內(nèi)受體主要含3個功能結(jié)構(gòu)域：位于C端的配體結(jié)合位點，位于中部與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，位于N端的激活基因轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)域。正常情況下，胞內(nèi)受體與抑制蛋白復(fù)合物結(jié)合處于無活性狀態(tài)，激素與受體結(jié)合成復(fù)合物后，引起抑制復(fù)合物解離，受體結(jié)合DNA的部位暴露出來，受體由此被激活。細胞表面受體主要分為三大家族：離子通道耦聯(lián)受體、G蛋白耦聯(lián)受體、酶連受體。這些受體都具有配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域和產(chǎn)生效應(yīng)的結(jié)構(gòu)域，分別具有結(jié)合特異性和效應(yīng)特異性。細胞表面受體的活化依賴于配體的結(jié)合，通過效應(yīng)器蛋白的活化導(dǎo)致產(chǎn)生胞內(nèi)第二信使。目前公認的第二信使主要包括cAMP、cGMP、Ca2+、DAG、IP3等。cAMP活化PKA，cGMP活化PKG，Ca2+通過與CaM結(jié)合引起蛋白質(zhì)磷酸化，DAG活化PKC，IP3作用于細胞內(nèi)鈣庫引起內(nèi)源性Ca2+濃度升高。在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中，除受體和第二信使外，還有兩類蛋白起分子開關(guān)作用。一類是GTPase開關(guān)蛋白，包括三聚體G蛋白和單體G蛋白，其活性受GEF、GAP和GDI的調(diào)節(jié)；另一類是通過蛋白激酶和蛋白磷酸酶調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化。NO作為氣體信號分子，具脂溶性，可快速擴散透過細胞膜，改變鳥苷酸環(huán)化酶的構(gòu)象，使cGMP合成增多，激活PKG，引起平滑肌舒張，血管擴張。離子通道耦聯(lián)受體是多亞基組成的受體/離子通道復(fù)合體，屬配體門離子通道。配體與受體結(jié)合引起離子通道的開啟或關(guān)閉。受體本身既有信號結(jié)合位點，又是離子通道，其跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)無需中間步驟。G蛋白耦聯(lián)受體是細胞膜表面單條多肽經(jīng)7次跨膜形成的受體，該信號通路中配體與受體結(jié)合后引起靶蛋白反應(yīng)需要通過三聚體G蛋白。根據(jù)第二信使不同分為cAMP信號通路和磷酯酰肌醇信號通路。cAMP信號通路的反應(yīng)鏈為：激素→G蛋白耦聯(lián)受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→PKA→基因調(diào)控蛋白→基因轉(zhuǎn)錄。磷酯酰肌醇信號通路也稱雙信使通路。反應(yīng)鏈為：激素→G蛋白耦聯(lián)受體→Gq蛋白→PLC-，催化PIP2水解為IP3和DAG；IP3引起Ca2+升高，Ca2+與CaM結(jié)合引起蛋白質(zhì)磷酸化；DAG活化PKC，引起蛋白質(zhì)磷酸化，從而引起細胞反應(yīng)。受體酪氨酸蛋白激酶(RTK)是細胞表面一大類重要的酶連受體，配體與受體結(jié)合，導(dǎo)致受體二聚化，激活受體的酪氨酸蛋白激酶活性，引起一系列磷酸化級聯(lián)反應(yīng)，終致細胞生理和/或基因表達的改變。RTK－Ras信號通路是這類受體所介導(dǎo)的重要信號通路。其基本途徑是：配體→受體→接頭蛋白←GEF→Ras→Raf(MAPKKK)→MAPKK→MAPK→進入細胞核→其他激酶或基因調(diào)控蛋白的磷酸化修飾。酶連受體均為單次跨膜蛋白，除受體酪氨酸蛋白激酶外，還包括受體絲氨酸/蘇氨酸激酶、受體酪氨酸磷酸酯酶、受體鳥苷酸環(huán)化酶和酪氨酸蛋白激酶聯(lián)系的受體等幾種類型。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與受體酪氨酸蛋白激酶的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相似，均涉及受體的二聚化和受體磷酸化激活，進而引起的底物蛋白發(fā)生磷酸化、去磷酸化、鳥苷酸環(huán)化等，引起細胞反應(yīng)。細胞因子受體是細胞表面一類酪氨酸蛋白激酶聯(lián)系的受體，這類受體的活化激活Jak－STAT信號通路，進而調(diào)節(jié)基因表達。黏著斑除了起錨定連接作用外，在細胞通訊中也發(fā)揮作用。由細胞表面到細胞核信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的途徑為：細胞外基質(zhì)→整聯(lián)蛋白結(jié)合→酪氨酸激酶Src→斑蛋白激酶FAK→GRB2→Sos→Ras→Raf→MAPK級聯(lián)反應(yīng)途徑。細胞對信號反應(yīng)表現(xiàn)出發(fā)散性和收斂性，且不同信號通路間存在“交叉對話”（串擾）現(xiàn)象，使得細胞通訊非常復(fù)雜。在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中，信號的解除與終止同樣非常重要。細胞通過對信號分子和第二信使的降解減少對細胞的刺激，通過受體脫敏、受體內(nèi)化、信號中斷等方式減少細胞對信號的反應(yīng)。本章難點與重點1.信號分子和信號分子受體的類型2.胞內(nèi)受體的結(jié)構(gòu)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式3.三聚體G蛋白與G蛋白耦聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)及在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用4.cAMP信號通路與磷酸酰肌醇信號通路的區(qū)別與聯(lián)系5.RTK－Ras信號通路的主要過程6.細胞表面整聯(lián)蛋白的信號通路7.細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的發(fā)射性、收斂性與信號間的串擾作業(yè)：敘述EGF通過受體酪氨酸激酶進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的詳細過程。細胞核與染色體細胞核是真核細胞內(nèi)最大、最重要的細胞器，是細胞遺傳與代謝的調(diào)控中心。細胞核主要由核被膜(包括核孔復(fù)合體)、核纖層、染色質(zhì)、核仁及核體組成。核被膜與核孔復(fù)合體是真核細胞所特有的結(jié)構(gòu)，作為細胞核與細胞質(zhì)之間的界膜，將基因轉(zhuǎn)錄與翻譯過程在時空上分開。核被膜主要由核外膜、核內(nèi)膜、核孔復(fù)合體、核周隙和核纖層組成。核孔復(fù)合體主要由胞質(zhì)環(huán)、核質(zhì)環(huán)、輻和栓4種結(jié)構(gòu)亞單位組成，核質(zhì)環(huán)在核內(nèi)形成“捕魚籠”結(jié)構(gòu)。核孔復(fù)合體構(gòu)成核質(zhì)交換的雙向選擇性親水通道。通過核孔復(fù)合體的物質(zhì)運輸小分子的自由擴散和大分子的主動運輸。通過核孔復(fù)合體的主動運輸包括核輸入和核輸出，核輸入需要核定位信號(NLS)，而核輸出需要輸出信號(NES)，同時還需要轉(zhuǎn)運蛋白importin/等的參與。親核蛋白通過核孔復(fù)合體轉(zhuǎn)運主要包括結(jié)合、轉(zhuǎn)移和解離三個過程。染色質(zhì)是間期細胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu)。構(gòu)成染色質(zhì)的DNA包括B型、A型和Z型3種構(gòu)型，不同構(gòu)型的DNA其大溝和小溝的特征在遺傳信息的表達中起關(guān)鍵作用。真核生物染色質(zhì)DNA序列的組織性復(fù)雜，包括單一序列、中度重復(fù)序列和高度重復(fù)序列。組成染色質(zhì)的蛋白分為組蛋白和非組蛋白。組蛋白很少有組織特異性，包括H2A、H2B、H3、H4四種核小體組蛋白和H1組蛋白。非組蛋白多數(shù)是序列特異性DNA結(jié)合蛋白，具有組織特異性，是重要的基因表達調(diào)控蛋白。非組蛋白以多種方式與DNA結(jié)合，包括：螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋模式、鋅指模式、亮氨酸拉鏈模式、螺旋－環(huán)－螺旋結(jié)構(gòu)模式和HMG框結(jié)構(gòu)模式。核小體是構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，每個核小體由組蛋白八聚體核心及200bp左右的DNA分子和一分子H1組蛋白構(gòu)成。核小體使染色質(zhì)成為10nm的串珠結(jié)構(gòu)，再通過螺旋化形成30nm的螺線管結(jié)構(gòu)。螺線管再通過多級螺旋模型或骨架－放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型形成染色體，使染色質(zhì)高度壓縮。間期染色質(zhì)可分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì)，異染色質(zhì)又可分為結(jié)構(gòu)性異染色質(zhì)和兼性異染色質(zhì)。處于常染色質(zhì)狀態(tài)是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件而非充分條件。染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與基因表達密切相關(guān)。引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的因素包括：DNA局部結(jié)構(gòu)與核小體相位的改變、組蛋白的修飾(乙酰化、甲基化和磷酸化等)、DNA甲基化、HMG結(jié)構(gòu)域蛋白以及染色質(zhì)重構(gòu)因子等直接參與基因活性的調(diào)控。這種可遺傳的、與核酸序列沒有直接關(guān)系的控制基因活性的調(diào)控方式稱之為表觀遺傳調(diào)控。在基因轉(zhuǎn)錄過程中，核小體不一定發(fā)生解聚，RNA聚合酶可以通過核小體進行基因的轉(zhuǎn)錄。染色體是細胞分裂時遺傳物質(zhì)存在的特殊形式，是間期染色質(zhì)緊密組裝的結(jié)果。染色體可分為中著絲粒染色體、亞中著絲粒染色體、亞端著絲粒染色體和端著絲粒染色體。染色體的主要結(jié)構(gòu)包括：著絲粒與動粒、次縊痕與核仁組織區(qū)、隨體和端粒。染色體的3種重要功能元件包括：自主復(fù)制DNA序列、著絲粒DNA序列和端粒DNA序列，這3種元件是保證真核生物染色體正常復(fù)制和穩(wěn)定遺傳的基礎(chǔ)。用特殊染色技術(shù)可使染色體顯示特殊的帶型。包括Q帶、G帶、R帶、C帶等帶型。在某些生物的細胞中，可以觀察到特殊的巨大染色體，包括多線染色體和燈刷染色體。多線染色體來源于核內(nèi)有絲分裂，即核內(nèi)DNA多次復(fù)制而細胞不分裂。燈刷染色體是卵母細胞進行減數(shù)第一次分裂時停留在雙線期的染色體。核仁是真核細胞間期核中最顯著的結(jié)構(gòu)。核仁普遍存在3種基本組分：纖維中心(FC)、致密纖維組分(DFC)和顆粒組分(GC)。FC是rRNA基因的儲存位點，DFC是rRNA轉(zhuǎn)錄和加工的主要場所，GC是核糖體亞單位成熟和儲存的位點。核仁的主要功能與核糖體的生物發(fā)生有關(guān)，包括rRNA基因的轉(zhuǎn)錄、rRNA前體的加工和核糖體亞單位的組裝。在細胞分裂過程中，核仁表現(xiàn)出周期性地解體與重建。間期核核仁