细胞质基质与内膜系统—《细胞生物学》.pdf

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1、1 细胞质基质与内膜系统细胞生物学 第一节 细胞质基质及其功能 一.细胞质基质 Cytoplasmic matrix的涵义 (一)真核细胞的区域化 1.细胞质(cytoplasm)：质膜以内除去细胞核的所有物质 2.细胞质基质(cytasol):细胞质中除去可分辨的细胞器以外的胶状物质 3.细胞器（organelle）:真核细胞内由膜围绕的结构称为细胞器（膜性细胞器）（1）大多数真核细胞都含有的细胞器 线粒体(mitochondria)内质网（endoplasmic reticulum)高尔基体(Golgi apparatus)过氧化物酶体(peroxisome)（2）动物细胞特有：溶酶体（l

2、ysosome）（3）植物细胞特有：叶绿体（chloroplast）（3）植物细胞和一些真核微生物有：液泡(vacuole)4.内膜系统(endomembrane system)：细胞的内膜系统是在结构、功能乃至发生上相互关联、由膜包被的细胞器或细胞结构(如细胞核核膜)，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、内吞体和分泌泡等。（二）基本概念 用差速离心分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质成分。也被称之为胞质溶胶（cytoplasmic matrix)（三）成分 水、离子及可溶性蛋白质（多种酶类）、细

3、胞骨架结构等，其体积占细胞总体积的 50%以上。（四）特点 细胞质基质是一个高度有序的体系（区域化的凝胶结构体系）；通过弱键相互作用，处于动态平衡。（五）细胞质基质与酶溶液的区别 1.多数水分子以水化物的形式结合在生物大分子表面的极性部位；少数以游离态存在，起溶剂作用；2.细胞质基质中蛋白质的扩散速率仅为水溶液中的 1/5；3.蛋白质与蛋白质或膜脂的相互作用。二.细胞质基质的功能 Functions of cytoplasmic matrix （一）蛋白质和脂肪酸合成场所 2 1.中间代谢的场所：如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。2.所有蛋白质合成的起始步骤均发生于细胞质基质内的游离核

4、糖体上。（二）与细胞质骨架相关的功能 1.维持细胞形态、运动及物质运输、能量传递；2.“锚定”细胞器：为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点。（三）与细胞膜相关的功能 1.“限域化”（四）蛋白质的翻译后修饰与选择性降解 1.蛋白质的修饰 （1）辅基或辅酶与酶的结合；（2）磷酸化/去磷酸化；（3）蛋白质糖基化作用；（4）甲基化修饰；（4）酰基化。2.（控制蛋白质寿命）蛋白酶体介导蛋白质降解 第二节 细胞内膜系统及其功能 一.内质网的结构与功能 (一)基本涵义 内质网（Endoplasmic Reticulum,ER）：由封闭的管状或扁平囊状（片状）膜系统及其包被的腔形成互相沟通的三维网络结构

5、。通常体积占细胞总体积的 10%左右，而膜面积占生物膜系统的一半左右。(二)内质网的类型 1.片层状内质网 一般位于核膜周围，大部分是有核糖体附着的糙面内质网rough endoplasmic reticulum,rER。是膜蛋白和分泌蛋白的合成加工场所。2.管状内质网 没有核糖体的附着，属于光面内质网 smooth endoplasmic reticulum,sER。主要发挥脂质合成、信号转导、与其他细胞器的相互作用等功能。(三)内质网的功能 内质网是细胞内蛋白质和脂质合成的基地，几乎全部的脂质和多种重要蛋白质都是在内质网上合成的。内质网是行使多种重要功能的复杂的结构体系。1.蛋白质的合成是

6、糙面内质网的主要功能 糙面内质网上以共转移的方式合成的蛋白包括 (1)向细胞外分泌的蛋白 3 (2)整合膜蛋白包括质膜、内质网、高尔基体、内吞体和溶酶体膜上的膜蛋白。(3)细胞内膜系统中的可溶性蛋白(如溶酶体水解酶）(4)需要进行修饰和加工的蛋白，如糖蛋白 2.光面内质网是脂质合成的重要场所 （1）Lipid synthesis in sER 合成磷脂的 3种酶都定位在内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基质一侧 （2）Transportation of lipid molecules 以出芽的方式形成膜泡转运到高尔基体 磷脂交换蛋白(phospholipid exchange protein,

7、PEP)方式（如 PS 以这种方式转移到线粒体膜上，然后脱羟基形成PE）供体膜-受体膜直接接触方式 3.蛋白质的修饰与加工 在糙面内质网合成的膜蛋白和可溶性分泌蛋白在分选前会发生化学修饰与加工，主要类型有：(1)发生在内质网和高尔基体的糖基化修饰 glycosylation(最主要)、酰基化修饰 acylation、羟基化修饰 hydroxylation N-连接的糖基化(N-linked glycosylation)：N-乙酰葡糖胺与天冬酰胺残基的-NH 链接，发生于糙面内质网和高尔基体 O-连接的糖基化(O-linked glycosylation)：N-乙酰半乳糖胺与丝氨酸、苏氨酸、羟脯

8、氨酸、羟赖氨酸残基的-OH连接，发生于高尔基体 （2）在内质网腔内形成二硫键 （3）蛋白质的折叠及装配 （4）在内质网、高尔基体和分泌泡发生特异性的蛋白质水解及剪切 4.新生肽链的折叠与组装 易位子将错误折叠或组装的蛋白转运至细胞质基质,进而被蛋白酶降解；蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)切断二硫键,帮助并维持新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态；防止多肽链错误折叠和聚合。结合蛋白(binding protein,Bip(是 Hsp70家族的分子伴侣)识别错误折叠或未装配好的蛋自亚单位,并促进重新折叠与装配。PDI和 BiP 等蛋白质都

9、具有四肽驻留信号，KDEL或 HDEL，以保证他们滞留在内质网中并维持很高的浓度。5.内质网的其他功能 4 (1)解毒功能(肝细胞中的 sER中含有一些酶，用于清除脂溶性的废物和代谢产生的有害物质。如细胞色素 P450 家族酶系)(2）合成固醇类激素（sER）(3)储存 Ca（肌细胞中含有发达特化的 ER，称为肌质网 Sarcoplasmic reticulum，其膜上的 Ca-ATP 酶将细胞质基质中的 Ca 泵入肌质网腔中)(4)提供酶的附着位点和机械支撑 (四)内质网应激及其信号调控 至少有 3 种不同的从内质网到细胞核的信号转导途径，其中涉及一系列信号转导分子，最终调节细胞核内特异基因

10、表达 1.未折叠蛋白质应答反应（UPR）2.内质网超负荷反应（EOR）3.固醇调节级联反应（SREBP)4.如果内质网功能持续紊乱，细胞将最终启动细胞凋亡程序。二.高尔基体的形态、结构与功能 （一）高尔基体的形态、结构与极性 1.形态 （1）电镜下：由排列较为整齐的扁平囊膜堆叠而成，扁平囊膜多呈弓形或半月形，囊膜周围又有许多大小不等的囊泡结构。（2）高尔基体各部囊膜的 4种标志细胞化学反应 顺面膜囊嗜锇反应；焦磷酸硫胺素酶(TPP 酶)的细胞化学反应显示反面 12 层膜囊；胞嘧啶单核苷酸酶(CMP 酶，溶酶体的标志酶)细胞化学反应显示靠近反面的膜囊状和管状结构；烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NAD

11、P 酶)的细胞化学反应显示中间扁平囊。2.结构 高尔基体至少由互相联系的 4 个部分组成,每一部分又可能划分出更精细的间隔 高尔基体顺面膜囊与顺面网状结构(cis Golgi network,CGN)：呈中间多孔而连续分支状的管网结构。主要功能:内质网合成的大部分蛋白质和脂类进入 CGN,带有 KDEL 或 HDEL 信号的蛋白质返回内质网；蛋白质丝氨酸残基发生 O-连接糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；溶酶体酶上寡糖的磷酸化；日冕病毒的装配。高尔基体中间膜囊(medial Golgi)：是由扁平膜囊与管道组成。主要功能：进行蛋白糖基修饰与加工、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖

12、合成。5 高尔基体反面膜囊与反面网状结构（trans Golginetwork,TGN):呈管网状,TGN 中的 pH 可能比高尔基体其他部位低,标志酶 CMP 酶可显示 TGN。主要功能：参与蛋白质的分类与包装、运输（三条分选途径：溶酶体酶的包装与分选途径；调节分泌性regulated secretion;组成型分泌 constitutive secretion）；某些“晚期”的蛋白质修饰；在蛋白质与脂类的转运过程中发挥“瓣膜”作用,保证单向转运。TGN结构处于不断动态变化之中。周围大小不等的囊泡：与物质运输有关。在高尔基体的周围常有大小不等的囊泡；顺面一侧囊泡可能是内质网与高尔基体之间的物

13、质运输小泡，称之为：ERGIC(ER-Golgi intermediate compartment)或 VTCs(vesicular-tubular clusters)；反面一侧可见到体积较大的分泌泡与分泌颗粒，将经过高尔基体分类与包装的物质运送到细胞特定的部位。3.极性 靠近细胞核核的一侧,扁囊弯曲成凸面 convex,又称形成面 forming face或顺面 cis face;面向细胞质膜的一侧常呈凹面 concave 又称成熟面 mature face或反面trans face。（二）高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运输到

14、细胞特定的部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂质一部分也要通过高尔基体向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输。此外高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂。1.高尔基体与细胞的分泌活动 细胞的分泌活动，包括蛋白质、糖类或脂质的合成，能量的提供，分泌物的浓缩、凝结、加工和成熟，最后通过膜泡运输排出细胞。高尔基体主要负责对细胞中合成的物质进行修饰和改造，如浓缩、凝结、加工和成熟，同时将分泌颗粒运输和排出细胞之外。(1)脉冲标记试验 (2)酵母双突变体研究 (3)GFP 标记的膜蛋白试验 蛋白质在高尔基体中分选及其转运的信息仅存在于编码这个蛋白质的基因本身。2.蛋白质的糖基化及其它修饰 粗面内质网上合成的大多数蛋白

15、质在从内质网向高尔基体及在高尔基体各膜囊之间的转运过程中，连接在蛋白侧链上的寡糖基会发生一系列有序的加工与修饰。糖脂的合成过程与蛋白质糖基化修饰类似。(1)蛋白质糖基化特点及其生物学意义 6 糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。糖基化的主要作用是：使蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性；使不同蛋白质携带不同标志，有时作为蛋白质的分选信号，利于分选与包装；直接介导细胞间通讯，或参与分化发育等过程；多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其他大分子接近细胞表面的膜蛋白，

16、这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不像细胞壁那样限制细胞的形状与运动。(2)蛋白质糖基化类型 N-连接的糖基化反应 O-连接的糖基化反应 (3)蛋白聚糖在高尔基体中组装 硫酸化反应的硫酸根供体是 3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸(3-phosphoadenosine-5-phosphosulfate,PAPS),它从细胞质基质中转入高尔基体膜，囊内在酶的催化下，将硫酸根转移到肽链中，铬氨酸残基的羟基上。硫酸化的蛋白质主要是蛋白聚糖。3.蛋白酶的水解和其他加工过程 有些多肽在 rER 中合成并去除信号肽后即成为具有活性的成熟多肽；有些多肽则需要运转至 TGN，经膜结合蛋白水解酶的特异

17、性水解（特异性水解常常发生在一对碱性氨基酸(Arg-Arg 或 Lys-Arg)的 C 端。），才成为具有活性的多肽 三.溶酶体的结构与功能 （一）溶酶体的形态结构与类型 1.形态结构 （1）结构特征：溶酶体(lysosome)是由单层膜围绕,内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。（2）特点：（具有异质性 heterogeneous）几乎存在于所有动物细胞中，典型动物细胞中约含有数百个溶酶体；不同的细胞中溶酶体数量和形态差异很大，即使同一种细胞中溶酶体的大小和形态也有明显区别。（3）标志酶：酸性磷酸酶 acid phosphatase 2.类型 （1）溶酶体的水解酶组成具有显著的异质性，主要是因

18、为每个溶酶体处于不同的功能阶段 初级溶酶体(primary lysosome):直径约 0.20.5m,含多种酸性水解酶,但没有活性,包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、磷酶酶等 60 余种,反应的最适 pH 值为 5 左右。7 次级溶酶体(secondary lysosome):是正在进行或完成消化作用的溶酶体,内含水解酶和相应的底物,可分为自噬溶酶体(autophagolysosome)和异噬溶酶体(phagolysosome)。残质体(residual body),又称后溶酶体(post-lysosome):已失去酶活性,仅留未消化的残渣。残体可通过外排作用排出细胞,也可能留在细胞内逐年增多,如表

19、皮细胞的老年斑、肝细胞的脂褐质。（2）溶酶体膜的特征 嵌有质子泵,形成和维持溶酶体酸性的内环境；具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运；膜蛋白高度糖基化,有利于防止自身膜蛋白的降解。（二）溶酶体的功能 1.溶酶体的基本功能是对生物大分子的强烈消化作用，这对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的浸染都具有重要的意义(消化作用)。吞噬作用：破损细胞或病原体及不溶性颗粒物质通过异噬泡形成进入细胞与初级溶酶体结合被消化；胞饮（内吞）作用：内吞作用，可溶性大分子通过质膜包被小窝内化和内吞泡摄入细胞与初级溶酶体结合形成异噬溶酶体被消化；自噬作用：细胞内破掼细胞器和批量细胞质形成自噬泡与初级溶酶体结合被消化。

20、2.分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节;3.参与清除赘生组织或退行性变化的细胞;4.受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。（三）溶酶体的发生 1.依赖于 M6P 的溶酶体酶分选途径 在粗面内质网上的核糖体合成溶酶体酶蛋白；进人内质网腔,进行 N-连接的糖基化修饰；在高尔基体顺面膜囊,寡糖链上的甘露糖残基磷酸化形成 M6P;与高尔基反面膜囊和反面网状结构膜上 M6P 受体结合；以出芽方式转至运输小泡；运输小泡与前溶酶体融合,溶酶体酶进入前溶酶体,而 M6P 受体返回高尔基体。2.溶酶体蛋白的其他分选途径 依赖于 M6P 的分选途径的效率不高,部分含有 M6P 标志的落酶

21、体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外。在细胞质膜上还存在依赖于钙离子的 M6P 受体,与胞外的溶酶体酶结合,通过受体介导的内吞作用,将酶运送至前溶酶体中,M6P 受体返回细胞质膜,反复使用。8 还存在不依赖于 M6P 的分选途径,如 T细胞溶酶体中的酶通过不依赖 M6P 的途径进入溶酶体。溶酶体膜上的跨膜蛋白的分选不涉及 M6P 途径,它是依赖于自身的氨基酸残基信号进行分选的。四.过氧化物酶体 （一）定义 过氧化物酶体 peroxisome又称微体 microbody是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器。（二）功能 1.在动物细胞中的氧化解毒作用,（1）过氧化物酶体中常含有两种酶

22、依赖于黄素(FAD)的氧化酶,其作用是将底物氧化形成 H O;过氧化氢酶（占 40%）,作用是将 H O 分解,形成水和氧气。2.过氧化物酶体可能参与脂肪酸的 氧化,分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。3.在植物细胞中 （1）在绿色植物叶肉细胞中,它催化 CO 固定反应副产物的氧化,即所谓光呼吸作用；（2）在种子萌发过程中,降解储存的脂肪酸乙酰辅酶 A琥珀酸葡萄糖,即所谓乙醛酸循环的反应。（三）过氧化物酶体的发生 1.过氧化物酶体经分裂形成子代的过氧化物酶体,再进一步装配形成成熟的细胞器。但过氧化物酶体中不含 DNA。2.组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码,主要在在细胞质基质中合成,然后转运到过氧化物酶体中。3.过氧化物酶体蛋白分选的信号序列(PTS):PTS1 多存在于基质蛋白的 C 端。PTS2 存在于某些基质蛋白 N-端。过氧化物酶体膜上存在几种可与信号序列相识别的可能的受体蛋白。4.过氧化物酶体的膜脂可能在内质网合成。（四）过氧化物酶体与溶酶体的区别 过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，因此可作为电镜识别的主要特征；通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体。9