第之章 细胞肉功能区隔 与蛋白质分选 INTRACELLULAR COMPARTMENT AND PROTEINS SORTING
与原核细胞物不同的是真核细胞具有复杂的由内膜构成的功能区隔。细胞内膜系统指在 结构，功能或发生上相关的细胞内膜形成的细胞结构，包括核被膜、内质网、高尔基体及其形 成的溶酶体和分泌泡等，以及其它细胞器如线粒体，质体和过氧化物酶体等膜包围的细胞器 (膜性细胞器)。 内膜系统形成了一种胞内网络结构，其功能主要在于两个方面：其一是扩大膜的总面 积，为酶提供附着的支架，如脂肪代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上。其二是将细 胞内部区分为不同的功能区域，保证各种生化反应所需的独特的环境。 本章主要介绍内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体的功能和蛋白质分选，关于线 粒体、叶绿体和细胞核的功能与蛋白质分选将分别在第七章（线粒体与叶绿体）和第十二章 (细胞核与染色体)中讲解。 第一节蛋白质分选的基本原理 从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生（线粒体、叶绿体），从个体发生 来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。当细胞进行分裂时，不仅要进行染色体和 细胞核的复制，同时各种细胞器通过吸收新合成的成分长大，然后随着细胞的分裂分配到子细 胞中去。细胞不能从无到有产生所有膜性细胞器，新的膜性细胞器来源于已存在细胞器的分 裂。如果彻底移除细胞内所有的过氧化物酶体，细胞根本不能重建新的过氧化物酶体，因为过 氧化物酶体中具有选择性地接受细胞质内合成的蛋白质的转位因子(translocator)。细胞内 合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：其一是蛋 白质中包含特殊的信号序列(signal sequence or targeting sequence),其二是细胞器上具 特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor),因此内膜系统的发生具有核外遗传的特 性。 一、蛋白质分选信号 细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号（图6-1）： ①信号序列(signal sequence):存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个 氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶(signal peptidase)切除， ②信号斑(signal patch):存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可 以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。 蛋白质分选信号的作用是引导蛋白质从胞质溶胶进入内质网、线粒体、叶绿体和过氧化 物酶体，也可以引导蛋白质从细胞核进入细胞质或从Gog体进入内质网。这种分选信号的氨 基酸残基有时呈线性排列，有时折叠成信号斑，如引导蛋白质定向运输到溶酶体的信号斑，是 溶酶体酸性水解酶被高尔基体选择性加工的标识
与原核细胞物不同的是真核细胞具有复杂的由内膜构成的功能区隔。细胞内膜系统指在 结构，功能或发生上相关的细胞内膜形成的细胞结构，包括核被膜、内质网、高尔基体及其形 成的溶酶体和分泌泡等，以及其它细胞器如线粒体，质体和过氧化物酶体等膜包围的细胞器 （膜性细胞器）。 内膜系统形成了一种胞内网络结构，其功能主要在于两个方面：其一是扩大膜的总面 积，为酶提供附着的支架，如脂肪代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上。其二是将细 胞内部区分为不同的功能区域，保证各种生化反应所需的独特的环境。 本章主要介绍内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体的功能和蛋白质分选，关于线 粒体、叶绿体和细胞核的功能与蛋白质分选将分别在第七章（线粒体与叶绿体）和第十二章 （细胞核与染色体）中讲解。 第一节 蛋白质分选的基本原理 从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生（线粒体、叶绿体），从个体发生 来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。当细胞进行分裂时，不仅要进行染色体和 细胞核的复制，同时各种细胞器通过吸收新合成的成分长大，然后随着细胞的分裂分配到子细 胞中去。细胞不能从无到有产生所有膜性细胞器，新的膜性细胞器来源于已存在细胞器的分 裂。如果彻底移除细胞内所有的过氧化物酶体，细胞根本不能重建新的过氧化物酶体，因为过 氧化物酶体中具有选择性地接受细胞质内合成的蛋白质的转位因子（translocator）。细胞内 合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：其一是蛋 白质中包含特殊的信号序列（signal sequence or targeting sequence ），其二是细胞器上具 特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor），因此内膜系统的发生具有核外遗传的特 性。 一、蛋白质分选信号 细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号（图 6-1）： ①信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常 15-60 个 氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signal peptidase）切除. ②信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可 以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。 蛋白质分选信号的作用是引导蛋白质从胞质溶胶进入内质网、线粒体、叶绿体和过氧化 物酶体，也可以引导蛋白质从细胞核进入细胞质或从 Golgi 体进入内质网。这种分选信号的氨 基酸残基有时呈线性排列，有时折叠成信号斑，如引导蛋白质定向运输到溶酶体的信号斑，是 溶酶体酸性水解酶被高尔基体选择性加工的标识
UNFOLDED PROTEIN FOLDED PROTEIN NH2 signal COOH H2N sequence A signal COOH patch COOH (B) regions contributing to signal patch 图6-1两类分选信号引自Molecular Biology of the Cell.4thed.2002 表1一些典型的分选信号 功能 信号序列 输入细胞核 -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val- 输出细胞核 -Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-lle- 输入线粒体 *H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-lle-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro- Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu- *H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-GIn-Ser-Ser-Met-Ser- 输入质体 Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu-Gly-GIn-Pro-Leu- Ser-Pro-lle-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu-GIn-Gly- 输入过氧化物酶体 Ser-Lys-Leu-COO- *H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-lle-Leu- 输入内质网 Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-GIn-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe- GIn- 返回内质网 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO(KDEL) 由质膜到内体 Tyr-X-X-Φ 每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向，如输入内质网的蛋白质通常N端具有一段 信号序列，含有6-15个带正电荷的非极性氨基酸。由高尔基体返回内质网的蛋白质，其C端
图 6-1 两类分选信号 引自 Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002 表 1 一些典型的分选信号 功能 信号序列 输入细胞核 -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val- 输出细胞核 -Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile- 输入线粒体 +H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-ProAla-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu- 输入质体 +H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-SerSer-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu- Gly-Gln-Pro-LeuSer-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu- Gln-Gly- 输入过氧化物酶体 -Ser-Lys-Leu-COO- 输入内质网 +H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-LeuPhe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys- Glu-Val-PheGln- 返回内质网 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL） 由质膜到内体 Tyr-X-X-Φ 每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向，如输入内质网的蛋白质通常 N 端具有一段 信号序列，含有 6-15 个带正电荷的非极性氨基酸。由高尔基体返回内质网的蛋白质，其 C 端
的四个氨基序列，一些已知的分选信号见表1。目前对于信号斑了解较少，主要是因为它存在 于复杂的三维结构中，很难将其分离出来研究。 二、蛋白质分选运输的途径 蛋白质的分选运输途径主要有三类： 1、门控运输(gated transport):如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复 合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。 2、跨膜运输(transmembrane transport):蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质 中合成的蛋白质在信号序列的引导下，通过线粒体上的转位因子，以解折叠的线性分子进入线 粒体。 3、膜泡运输(vesicular transport):蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶 细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质 或激素，都属于这种运输方式。 这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别
的四个氨基序列，一些已知的分选信号见表 1。目前对于信号斑了解较少，主要是因为它存在 于复杂的三维结构中，很难将其分离出来研究。 二、蛋白质分选运输的途径 蛋白质的分选运输途径主要有三类： 1、门控运输（gated transport）：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和 RNP 复 合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。 2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质 中合成的蛋白质在信号序列的引导下，通过线粒体上的转位因子，以解折叠的线性分子进入线 粒体。 3、膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶 细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质 或激素，都属于这种运输方式。 这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别
第二节膜泡运输 细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。如从内质网到 高尔基体：高尔基体到溶酶体：细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。膜泡运输 是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞 器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器，可见不同的膜标 志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。 大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋 白质构成的衣被(cot)。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被具有两个 主要作用：①选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡：②如同模具一样决定运输小泡 的外部特征，相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积，与衣被蛋白的组成有关。 胞内膜泡运输沿微管或微丝运行，动力来自马达蛋白(motor proteins)。与膜泡运输有 关的马达蛋白有3类：一类是动力蛋白(dynein),可向微管负端移动：另一类为驱动蛋白 (kinesin),可牵引物质向微管的正端移动：第三类是肌球蛋白(myosin),可向微丝的正极 运动。在马达蛋白的作用下，可将膜泡转运到特定的区域， 一、衣被类型 己知三类具有代表性的衣被蛋白，即：笼形蛋白(clathrin)、COPI和COPII,个介导 不同的运输途径（表2）。 表2衣被小泡的类型与功能 衣被类型 GTP酶 组成与衔接蛋白 运输方向 clathrin Arf Clathrin重链与轻链， 质膜→内体 AP2 Clathrin重链与轻链 高尔基体→内体 AP1 Clathrin重链与轻链 高尔基体→溶酶体 AP3 高尔基体→植物液泡 COPI Arf COPaβB'yδεζ 高尔基体→内质网 COP II Sar 1 Sec23/Sec24复合体， 内质网→高尔基体 Sec13/31复合 体，Sec16,Sec12
第二节 膜泡运输 细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。如从内质网到 高尔基体；高尔基体到溶酶体；细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。膜泡运输 是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞 器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器，可见不同的膜标 志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。 大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋 白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被具有两个 主要作用：①选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；②如同模具一样决定运输小泡 的外部特征，相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积，与衣被蛋白的组成有关。 胞内膜泡运输沿微管或微丝运行，动力来自马达蛋白（motor proteins）。与膜泡运输有 关的马达蛋白有 3 类：一类是动力蛋白（dynein），可向微管负端移动；另一类为驱动蛋白 （kinesin），可牵引物质向微管的正端移动；第三类是肌球蛋白（myosin）,可向微丝的正极 运动。在马达蛋白的作用下，可将膜泡转运到特定的区域， 一、衣被类型 已知三类具有代表性的衣被蛋白，即：笼形蛋白（clathrin）、COPI 和 COPII，个介导 不同的运输途径（表 2）。 表 2 衣被小泡的类型与功能 衣被类型 GTP 酶 组成与衔接蛋白 运输方向 clathrin Arf Clathrin 重链与轻链， AP2 质膜→内体 Clathrin 重链与轻链， AP1 高尔基体→内体 Clathrin 重链与轻链， AP3 高尔基体→溶酶体 高尔基体→植物液泡 COP I Arf COPαββ’γδεζ 高尔基体→内质网 COP II Sar 1 Sec23/Sec24 复合体， Sec 13/31 复合 体， Sec 16，Sec 12 内质网→高尔基体