细胞生物学学习笔记 6 | 细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

Wed, 21 Oct 2026 01:01:00 +0000

细胞生物学学习笔记 6 | 细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

对应课件： Lecture 4（Page 47–98）+ Lecture 5 (membrane trafficking 全篇)
本章核心内容： 细胞区室化与无膜细胞器、蛋白质分选途径、内质网与高尔基体的结构与功能、囊泡运输的分子机制与经典实验、胞吞与胞内体途径
复习目标： 掌握蛋白质分选信号与共翻译转运机制；理解内质网的质量控制与 UPR；掌握高尔基体的加工分选功能；熟悉囊泡运输的分子基础及胞吞途径的多样性。

一、细胞区室化与无膜细胞器

1. 膜包被区室（Membrane-enclosed Compartments）

真核细胞通过膜系统划分为不同区室，各具特定功能。肝细胞中各主要区室体积占比（参考 Lecture 5）：

细胞质基质 (Cytosol)：54%
线粒体 (Mitochondria)：22%
粗面内质网腔：9%
滑面内质网 + 高尔基体腔：6%
细胞核：6%
过氧化物酶体、溶酶体、内体各占 1%。

2. 无膜区室与液-液相分离 (Phase Separation)

液-液相分离 (Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS)：细胞内的某些蛋白质和 RNA 可通过多价相互作用聚集成液滴状的无膜结构，如 P颗粒（P-granules）、核仁、应激颗粒等。
生物学意义：富集特定分子、加速生化反应、调控信号转导。2023年生命科学突破奖授予了 Clifford P. Brangwynne 和 Anthony A. Hyman，以表彰他们在该领域的贡献。

二、蛋白质分选与跨膜转运机制

1. 蛋白质分选的三大途径

门控运输 (Gated transport)：通过核孔，进出细胞核（需 NLS/NES）。
跨膜运输 (Transmembrane transport)：通过膜上移位子 (Translocon)，进入 ER、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体。
囊泡运输 (Vesicular transport)：通过囊泡出芽与融合，在 ER、高尔基体、质膜、内体、溶酶体之间穿梭。

2. 内质网的共翻译转运 (Cotranslational Translocation)

信号假说 (Signal Hypothesis)：由 Günter Blobel 提出（1999诺奖），提出蛋白质的 N 端信号肽引导其进入 ER。
过程：
1. SRP (信号识别颗粒) 结合新生肽链的 ER 信号肽，暂停翻译。
2. SRP 结合 ER 膜上的 SRP 受体。
3. 核糖体与 Sec61 移位子对接，翻译恢复，新生肽链进入 ER 腔。
4. 信号肽酶切除信号肽。
跨膜蛋白的插入：
- 单次跨膜：有可切除信号肽 + 内部停止转移序列（跨膜段）。
- 多次跨膜：内部信号肽引导，跨膜段交替进行“停止-转移”。
- 尾锚定蛋白 (Tail-anchored)：C 端跨膜段在翻译后由 Get3 识别并插入 ER。

三、内质网 (ER) 的结构与功能

粗面内质网 (rER)：附着核糖体，负责分泌蛋白、膜蛋白的合成。
滑面内质网 (sER)：管状网络，负责脂质合成、Ca²⁺ 储存（Ca²⁺-ATPase 泵入）、解毒（细胞色素 P450）、糖原分解（葡萄糖-6-磷酸酶）。
微粒体 (Microsomes)：细胞匀浆后 ER 破碎形成的封闭囊泡，保留了 ER 的功能（如蛋白合成、糖基化），用于体外研究。

1. N-连接糖基化与质量监控 (Quality Control)

N-连接：连接于 Asn 的酰胺氮（序列 Asn-X-Ser/Thr），始于 ER。
O-连接：连接于 Ser/Thr 的羟基，始于高尔基体。
多萜醇 (Dolichol)：脂质载体，在 ER 膜上组装核心寡糖，然后转移给新生肽链。
质量监控 (ER Quality Control)：
- 伴侣蛋白 BiP、Calnexin 识别未折叠/错误折叠的蛋白。
- 葡萄糖转移酶 (Glucosyl-transferase) 监控并添加葡萄糖。
- PDI (蛋白二硫键异构酶)：在 ER 的氧化环境中促进二硫键的形成和重排。
- 只有正确折叠的蛋白才能离开 ER；错误折叠的蛋白通过 Retrotranslocon 逆向转运到胞质，被泛素化后由蛋白酶体降解（ERAD 途径）。

2. 未折叠蛋白反应 (UPR)

当 ER 中未折叠蛋白过多时，引发 UPR 以增加 ER 伴侣蛋白的合成，恢复稳态：

IRE1（跨膜激酶）：自磷酸化，利用其内切核酸酶活性剪切 XBP1 mRNA，形成转录因子 XBP1s，入核激活伴侣基因。
PERK：磷酸化 eIF2α，抑制全局翻译，减少新蛋白进入 ER。
ATF6：转入高尔基体被切割，释放转录因子入核。

3. ER 驻留蛋白的回收 (KDEL Receptor)

ER 驻留蛋白具有 C 端 KDEL 序列。
如果逃逸到高尔基体，KDEL 受体在高尔基体较低 pH 下与之结合，通过 COPI 囊泡将它们运回 ER。
在 ER 较高 pH 下，KDEL 受体与蛋白分离。

4. 膜脂的合成与转位

大部分膜脂在 ER 合成，插入脂双层胞质侧。
Scramblase（翻转酶，属于 ABC 转运蛋白家族）：在 ER 膜上无选择性地使脂质双向翻转，导致 ER 膜脂分布对称。
Flippase（翻转酶）：在质膜和高尔基体上，消耗 ATP 将特定脂质（如 PS、PE）单向翻转到胞质侧，维持膜的不对称性。

四、高尔基体 (Golgi Apparatus) 的结构与功能

结构：由顺面 (cis)、中间面 (medial)、反面 (trans) 及反面高尔基体网络 (TGN) 组成。顺面靠近 ER，反面靠近质膜。
区域差异（细胞化学反应）：
- cis 面：嗜锇反应。
- medial 面：NADP 酶（烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶）标志。
- trans 面：TPP 酶（焦磷酸硫胺素酶）、CMP 酶。

1. 蛋白质的加工修饰

N-连接糖基化的修剪：切除甘露糖，添加 GlcNAc、半乳糖、唾液酸 (NANA) 等。
O-连接糖基化：在 Ser/Thr 上加 GalNAc。
蛋白水解加工 (Proteolysis)：如胰岛素的成熟。在调节型分泌途径中，胰岛素原 (Proinsulin) 在分泌颗粒中被 PC2、PC3 等内切蛋白酶切割，产生有活性的胰岛素和 C肽。
其他修饰：棕榈酰化（脂质修饰）、酪氨酸硫酸化等。

2. 高尔基体的成熟模型（两个假说）

囊泡运输模型 (Vesicular Transport Model)：高尔基体膜囊是稳定的，货物通过囊泡在囊泡间顺向穿梭。
囊膜成熟模型 (Cisternal Maturation Model)：被广泛接受。新的膜囊在顺面形成，整个膜囊逐渐向反面移动并成熟，同时顺向携带货物，逆向囊泡（COPI）将加工酶运回前一个膜囊。

3. 分泌途径 (Secretory Pathways)

组成型分泌 (Constitutive Secretion)：无调节，持续不断将新合成的膜蛋白、脂质和分泌蛋白运送到质膜（如成纤维细胞分泌胶原）。
调节型分泌 (Regulated Secretion)：专特化细胞（如内分泌、外分泌、神经元），分泌产物储存在分泌颗粒 (Secretory granules) 中，只有当细胞收到特定信号（如激素、神经递质、Ca²⁺ 内流）时才发生胞吐（如胰岛 β 细胞释放胰岛素）。
分泌颗粒的浓缩机制：强电荷相互作用、分子间二硫键、强离子相互作用。

五、囊泡运输 (Vesicular Transport) 的机制与经典实验

1. 2013年诺贝尔生理学或医学奖

表彰 James E. Rothman, Randy W. Schekman 和 Thomas C. Südhof 在发现囊泡运输调节机制中的贡献。

Randy Schekman：利用酵母温度敏感突变体（sec 突变体）发现分泌途径被阻断（细胞内积累囊泡），鉴定出一系列 sec 基因。
James Rothman：利用无细胞体系 (Cell-free system) 重现高尔基体间的囊泡运输，发现了 SNARE 蛋白及融合机制。
Thomas Südhof：发现了神经元中响应钙离子触发囊泡融合的传感器蛋白（如 Synaptotagmin）。

2. 囊泡出芽与包被蛋白 (Coat Proteins)

COPII：介导 ER → 高尔基体的顺向运输。起始 G 蛋白为 Sar1。
COPI：介导高尔基体内部逆向运输（如回收 KDEL 受体、回收加工酶）以及高尔基体 → ER 的逆向运输。起始 G 蛋白为 ARF。
Clathrin（网格蛋白）：介导 TGN → 内体/溶酶体，以及质膜的内吞。呈三曲臂状 (triskelion)。切离需要 Dynamin（发动蛋白，GTP酶）。

3. 囊泡的锚定与融合

Rab 蛋白：GTP 酶，提供靶向特异性，促进囊泡与靶膜的锚定 (tethering)。
SNARE 复合体：v-SNARE（囊泡上）与 t-SNARE（靶膜上）拉链式配对，拉近两层膜促发融合。融合后由 NSF（含 ATPase 活性）和 α-SNAP 解开 SNARE 复合体循环利用。

六、胞吞作用 (Endocytosis) 与胞内体途径

1. 胞吞的类型

吞噬作用 (Phagocytosis)：摄取大颗粒（>1 μm，如细菌、细胞碎片），依赖肌动蛋白聚合形成伪足，仅限于专职吞噬细胞（巨噬细胞、中性粒细胞）。
胞饮作用 (Pinocytosis)：摄取液体和溶质。
- 巨胞饮 (Macropinocytosis)：非特异性，形成大的巨胞饮体 (Macropinosome)。
- 网格蛋白介导的胞吞 (Clathrin-mediated endocytosis)：受体介导，形成 ~120 nm 的包被小窝。
- 胞膜窖介导的胞吞 (Caveolin-mediated endocytosis)：形成 ~80 nm 的窖 (Caveolae)，参与跨内皮细胞运输 (Transcytosis) 和信号传导。
- 非网格蛋白/窖不依赖途径 (CLIC/GEEC)、Flotillin 依赖途径等。

2. 受体介导的胞吞 (Receptor-Mediated Endocytosis, RME)

经典模型：LDL（低密度脂蛋白）摄取与胆固醇代谢。
- LDL 结合细胞膜上的 LDL 受体 → 受体聚集在网格蛋白包被小窝 (Coated pit) → Dynamin 切断形成包被囊泡 → 脱被 → 与早期内体融合。
- 内体低 pH (pH~5.0) 导致 LDL 与受体分离 → 受体通过回收内体回到质膜，LDL 运往溶酶体降解释放游离胆固醇。
- 家族性高胆固醇血症 (Familial Hypercholesterolemia)：LDL 受体突变导致无法摄取 LDL，血液胆固醇升高，引发动脉粥样硬化。（Brown & Goldstein 1985诺奖）
转铁蛋白循环 (Transferrin cycle)：铁结合转铁蛋白在质膜中性 pH 下结合受体被内吞；在早期内体低 pH 下释放铁离子；脱铁转铁蛋白 (Apotransferrin) 与受体复合物回到质膜，中性 pH 下释放。

3. 胞内体 (Endosomes) 的分选与命运

早期内体 (Early Endosome)：管状网络，负责分选。
内吞受体的三种命运：
1. 回收 (Recycling)：回到质膜（如 LDL 受体、转铁蛋白受体）。部分蛋白储存在回收内体中（如 Glut4 储存囊泡，受胰岛素刺激后移位到质膜）。
2. 降解 (Degradation)：进入晚期内体 (Late Endosome / Multivesicular Body, MVB)，最终与溶酶体融合被水解。
3. 转胞吞作用 (Transcytosis)：跨过上皮细胞。如新生儿肠道上皮细胞通过 Fc 受体将母体 IgG 从肠腔转运到血液。

4. 多囊泡体 (MVB) 与外泌体 (Exosome)

MVB 的形成：早期内体膜向内出芽，形成包含小囊泡的腔室。涉及 ESCRT 复合体（识别泛素化受体，如 EGFR）。
外泌体：当 MVB 与质膜融合时，内部的小囊泡被释放到细胞外，称为外泌体，是细胞间通讯的重要载体。

5. 上皮细胞的极性维持 (Polarity)

直接分选：TGN 直接产生不同的囊泡，分别运往顶端膜 (Apical) 和基底外侧膜 (Basolateral)。
间接分选：TGN 产生的囊泡先运往基底外侧膜，然后通过内吞和转胞吞作用运往顶端膜。

复习自测提示

1. ER 的共翻译转运与翻译后转运的区别？信号肽、SRP、Sec61 的功能。

区别：共翻译转运是指蛋白质在核糖体上边合成边进入内质网腔（主要途径）；翻译后转运是指蛋白质在胞质中完全合成后，再通过分子伴侣（如 Hsp70）解折叠并运送入细胞器（如线粒体、叶绿体或 ER 的尾锚定蛋白）。
信号肽：多肽链 N 端的 15-30 个氨基酸序列，引导核糖体到 ER 膜上，进入 ER 后被信号肽酶切除。
SRP（信号识别颗粒）：结合信号肽，暂停翻译，并将核糖体引导至 ER 膜上的 SRP 受体。
Sec61：ER 膜上的移位子（Translocon）通道，新生肽链通过它进入 ER 腔或侧向插入脂双层。

2. 内质网的质量监控 (QC) 和 UPR 的机制。KDEL 回收的机制。

QC 机制：伴侣蛋白（如 BiP、Calnexin）和 PDI 帮助蛋白质折叠；若最终折叠错误，通过 Retrotranslocon 逆向转运至胞质，经泛素化后被蛋白酶体降解（ERAD）。
UPR 机制：ER 中未折叠蛋白过多时，激活三条感应通路：IRE1（剪接 XBP1 mRNA 入核）、PERK（磷酸化 eIF2α 抑制全局翻译）、ATF6（入高尔基体切割后入核），以增加 ER 伴侣蛋白表达，恢复稳态。
KDEL 回收：ER 驻留蛋白 C 端带有 KDEL 序列。逃逸至高尔基体后，在较低 pH 下与 KDEL 受体结合，通过 COPI 囊泡运回 ER；在 ER 较高 pH 下释放。

3. 高尔基体的膜囊成熟模型和囊泡运输模型的异同。

囊泡运输模型：高尔基体的膜囊是稳定静止的，货物靠囊泡在膜囊间顺向穿梭运输。
膜囊成熟模型（主流）：高尔基体膜囊本身在移动并逐渐成熟。新的膜囊在 cis 面形成，逐渐向 trans 面移动，同时顺向携带货物，逆向囊泡（COPI）将加工酶运回前一层膜囊。
相同点：都承认存在物质的定向运输和加工酶的分布差异。不同点：膜囊本身是否在移动和演变。

4. 调节型分泌和组成型分泌的区别；胰岛素原的加工过程。

组成型分泌：所有细胞均有，无调节、持续不断地将新合成的蛋白质和脂质运送至质膜。
调节型分泌：特化细胞（如内分泌细胞），蛋白质储存在分泌颗粒中，只有在收到特定信号（如 Ca²⁺ 内流）时才发生胞吐。
胰岛素原加工：在 TGN 处被分选进入未成熟的分泌颗粒。在颗粒成熟过程中，胰岛素原被 PC2、PC3 等内切蛋白酶切割，产生有活性的胰岛素和 C 肽，并在酸性环境和锌离子参与下形成致密核心沉淀。

5. 囊泡出芽的三种包被蛋白 (COPII, COPI, Clathrin) 的功能及它们的作用位置。

COPII：介导 ER → 高尔基体的顺向运输。起始蛋白为 Sar1。
COPI：介导高尔基体内部（反→顺）及高尔基体 → ER 的逆向运输（如回收 KDEL 受体和加工酶）。起始蛋白为 ARF。
Clathrin（网格蛋白）：介导 TGN → 内体/溶酶体，以及质膜的内吞。囊泡颈部的切离需要 Dynamin（发动蛋白）。

6. Schekman 和 Rothman 的经典实验分别证明了什么？

Schekman：利用酵母温度敏感突变体（sec 突变体），证明分泌途径是由一系列特定基因（sec 基因）调控的，突变会导致囊泡在细胞内积累。
Rothman：利用体外无细胞体系（Cell-free system）重现高尔基体间的囊泡运输，证明了囊泡融合需要特定的膜蛋白，发现了 SNARE 复合体及融合机制。

7. 受体介导的胞吞（如 LDL 和转铁蛋白）过程，及受体在内体中的分选命运。

LDL 过程：LDL 结合受体后在网格蛋白小窝内吞；早期内体低 pH 导致 LDL 与受体分离；受体回收至质膜，LDL 送入溶酶体释放游离胆固醇。
转铁蛋白过程：铁结合转铁蛋白在中性 pH 下结合受体内吞；内体低 pH 下释放铁离子；脱铁转铁蛋白-受体复合物回收至质膜，在中性 pH 下释放。
受体命运：① 回收（Recycling，如 LDL 受体）；② 降解（Degradation，进入 MVB/溶酶体）；③ 转胞吞（Transcytosis）。

8. 什么是转胞吞作用 (Transcytosis)？举例说明。

定义：大分子或颗粒通过受体介导的内吞进入细胞一侧，穿越细胞质后，从质膜的另一侧通过胞吐释放出去的过程。
例子：新生儿肠道上皮细胞通过表面的 Fc 受体，将母乳中的母体 IgG 从肠腔摄取，跨越上皮细胞转运到血液中，为新生儿提供被动免疫。

9. 多囊泡体 (MVB) 和 ESCRT 复合体的功能，以及外泌体的来源。

MVB：晚期内体，形态上包含许多内部小囊泡，负责将泛素化的膜蛋白和脂质分选进入内部小囊泡，最终送往溶酶体降解。
ESCRT 复合体：负责识别带有泛素标签的货物受体，并驱动内体膜向内出芽，形成 MVB 的内部小囊泡。
外泌体来源：当 MVB 与质膜融合时，它内部的小囊泡被释放到细胞外，这些释放出的小囊泡即为外泌体，可用于细胞间通讯。

什么是转胞吞作用 (Transcytosis)？举例说明。
多囊泡体 (MVB) 和 ESCRT 复合体的功能，以及外泌体的来源。

ER on SHY's LAND

细胞生物学学习笔记 6 | 细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

细胞生物学学习笔记 6 | 细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

一、细胞区室化与无膜细胞器

1. 膜包被区室（Membrane-enclosed Compartments）

2. 无膜区室与液-液相分离 (Phase Separation)

二、蛋白质分选与跨膜转运机制

1. 蛋白质分选的三大途径

2. 内质网的共翻译转运 (Cotranslational Translocation)

三、内质网 (ER) 的结构与功能

1. N-连接糖基化与质量监控 (Quality Control)

2. 未折叠蛋白反应 (UPR)

3. ER 驻留蛋白的回收 (KDEL Receptor)

4. 膜脂的合成与转位

四、高尔基体 (Golgi Apparatus) 的结构与功能

1. 蛋白质的加工修饰

2. 高尔基体的成熟模型（两个假说）

3. 分泌途径 (Secretory Pathways)

五、囊泡运输 (Vesicular Transport) 的机制与经典实验

1. 2013年诺贝尔生理学或医学奖

2. 囊泡出芽与包被蛋白 (Coat Proteins)

3. 囊泡的锚定与融合

六、胞吞作用 (Endocytosis) 与胞内体途径

1. 胞吞的类型

2. 受体介导的胞吞 (Receptor-Mediated Endocytosis, RME)

3. 胞内体 (Endosomes) 的分选与命运

4. 多囊泡体 (MVB) 与外泌体 (Exosome)

5. 上皮细胞的极性维持 (Polarity)

复习自测提示

1. ER 的共翻译转运与翻译后转运的区别？信号肽、SRP、Sec61 的功能。

2. 内质网的质量监控 (QC) 和 UPR 的机制。KDEL 回收的机制。

3. 高尔基体的膜囊成熟模型和囊泡运输模型的异同。

4. 调节型分泌和组成型分泌的区别；胰岛素原的加工过程。

5. 囊泡出芽的三种包被蛋白 (COPII, COPI, Clathrin) 的功能及它们的作用位置。

6. Schekman 和 Rothman 的经典实验分别证明了什么？

7. 受体介导的胞吞（如 LDL 和转铁蛋白）过程，及受体在内体中的分选命运。

8. 什么是转胞吞作用 (Transcytosis)？举例说明。

9. 多囊泡体 (MVB) 和 ESCRT 复合体的功能，以及外泌体的来源。