细胞生物学第七章细胞质基质与细胞内膜系统

1、细胞生物学第七章细胞质基质与细胞内膜系统一、细胞质基质（cytomatrix）（一）概念1、经典细胞学:电镜下，除去可见的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为细胞质基质.2、细胞生物学:分级离心后，除去所有细胞器和颗粒剩下的清液部分称为胞质溶胶（cytosol）. 学术争议:有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴，是细胞器，也有人认为细胞骨架是细胞质基质的主要结构体系，是其他成分锚定的骨架，同时它们经常处于装配和解聚的动态平衡中，其解聚的亚单位仍保持在液相中.细胞质基质的涵义：细胞质基质是一个高度有序的统一整体。（二）化学组成 细胞质基质是细胞质中均质而半透明的胶体部分，充填于其它有形结构之

2、间。成分复杂，不易分析，所以，只是反映了大部分细胞生化成分，即是许多细胞器生化反应的底物和产物的运输通道，本身又涉及了多种细胞代谢途径。离心分离中，易发生混杂和丢失，破碎的细胞器及液泡内含物可能混入可溶相，而另外一些本属基质的物质，如可溶性酶又可依附在细胞器碎片上被分离掉。细胞质基质的大致成分：小分子：包括水、无机离子等中等分子：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等 大分子：包括多糖、蛋白质、脂蛋白和RNA等 生物结构：复合物颗粒、细胞骨架等。（三）细胞质基质功能 1、具有较大的缓冲容量，为细胞内各类生化反应的正常进行提供了相对稳定的离子环境。 2、是进行某些细胞生化活动的场所，如蛋白质的合

3、成、核酸的合成、脂肪酸合成、糖酵解、磷酸戊糖途径、糖原代谢、信号转导。 3、供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。4、细胞骨架参与维持细胞形态，做为细胞器和酶的附着点，并与细胞运动、物质运输和信号转导有关。 5、参与合成蛋白质的加工、运输、选择性降解： 磷酸化与去磷酸化，糖基化，甲基化，酰基化。 依赖泛素标记的蛋白酶体中的蛋白质降解途径。 热休克蛋白HSP帮助变性或畸形蛋白质重新折叠。6、物质贮存和运输，如:膜系统和细胞骨架系统解聚后的物质均贮存于细胞质基质中，被称为“分子库”，当需重新组装时由此提供元件。 泛素依赖的蛋白酶体热休克蛋白二内膜系统与膜运输真核细胞的膜系统：细胞核、内质网、高尔基

4、体、溶酶体、内体和分泌泡等。以上细胞器通过蛋白质分选(protein sorting)和膜泡运输实现膜结构和成分的相互转换。图9-1 内膜系统和膜运输 内膜系统的动态性质内膜系统的最大特点是动态性质(图)。内膜系统将细胞中的生化合成、分泌和内吞作用连接成动态的、相互作用的网络。在内质网合成的蛋白和脂通过分泌活动进入分泌小泡运送到工作部位(包括细胞外);细胞通过内吞途径将细胞外的物质送到溶酶体降解。图 真核细胞中生化合成、分泌和内吞作用的动态网络 内膜系统的进化 膜结合细胞器的进化有两种途径，一种是内共生途径（如mt和chl），另一种则是通过细胞质膜的内陷分化途径形成的。 内膜系统形成的意义内膜

5、系统的形成, 使得真核细胞内部结构复杂化了, 正是这种复杂化, 保证了细胞生命活动的顺利进行。图 核膜和ER膜进化的可能途径 2.2 内膜系统与蛋白质分选(protein sorting)蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。细胞中蛋白质的运输有两种方式:共翻译运输和翻译后运输,内膜系统参与共翻译运输,是分泌蛋白质分选的主要系统。蛋白质分选定位的时空概念 从时间上考虑,蛋白质的合成分选有两种情况:先合成,再分选；边合成边分选。 从蛋白质定位的空间看,包括了细胞内各个部分,即使是具有蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需要从细胞质中获取所需蛋白质。图 细胞质中蛋白质合成

6、和空间定位路线 蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式从蛋白质转运过程的三种类型:没有膜障碍的,如胞质溶胶；有完全封闭的膜障碍,如mt等；有膜障碍,但膜上有孔,如核。可三种不同方式进行运输定位。 核孔运输： 被运输的蛋白需要有核定位信号。 跨膜运输：被运输的蛋白要有信号肽或导肽。 小泡运输：蛋白质在内质网、高尔基、溶酶体、分泌泡、细胞质膜、细胞外之间的转运则是由一种被称为运输小泡介导的。图 膜结合细胞器的三种运输机制 信号序列指导蛋白质的正确运输 信号序列的作用图 信号序列在蛋白质分选中的作用(a)具有ER定位信号序列的蛋白质被运输到ER中,而没有引导序列的蛋白质存在于胞质溶胶中。(b)通过重组D

7、NA技术将引导序列与胞质溶胶的蛋白基因重组,表达的胞质溶胶蛋白被定位到ER, 相反,被剥夺了ER定位信号的蛋白质则只能存在于胞质溶胶中。该实验说明引导序列对所引导的蛋白质没有特异性。 信号序列特性通常为15-60个氨基酸长度，一般位于新生肽的N端，不同的膜结合细胞器具有不同的蛋白质定位的信号序列(表)。 信号序列的类型入核信号: 入核信号指导核蛋白的运输引导肽: 引导肽指导线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白的运输信号肽: 指导内膜系统的蛋白质运输。3 内质网(endoplasmic reticulum, ER)内质网是由K.R.Porter和A.D.Claude等在1945年发现的。（1）形态结

8、构和化学组成形态：内质网是由一层单位膜所形成的扁平囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。由于它靠近细胞质的内侧，故称为内质网。分类:粗面内质网和光面内质网。结构：由于内质网是一种封闭的囊状、泡状和管状结构，它就有两个面，内质网的外表面称为胞质溶胶面, 内表面称为潴泡面。图 细胞中内质网与细胞核、高尔基体的立体结构 粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER) 多呈大的扁平膜囊状, 在电镜下观察排列极为整齐。它是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构, 普遍存在于分泌蛋白质的细胞中, 其主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。 光面内质网(sm

9、ooth endoplasmic reticulum, SER) 无核糖体附着的内质网称为光面内质网, 通常为小的膜管和小的膜囊状, 而非扁平膜囊状,广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。 光面内质网是脂类合成的重要场所,它往往作为出芽的位点, 将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。ERRERSER 微粒体(microsome) ：在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构,在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。 肌质网(sarcoplasmic reticulum) （课本1

10、81页）心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。（2） 、光面内质网的功能 糖原分解释放游离的葡萄糖肝细胞的一个重要功能是维持血液中葡萄糖水平的恒定, 这一功能与葡萄糖-6-磷酸酶的作用密切相关。光面内质网中的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液(图)，供细胞之用。图 光面内质网在糖原裂解中的作用在肝细胞中,糖原裂解释放葡萄糖-1-磷酸,然后再转变成葡萄糖-6-磷酸,由于磷酸化的葡萄糖不能通过细胞质膜,光面内质网上的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解为葡萄糖和磷酸后,葡萄糖就可穿过细胞质膜进入血液。 类固醇激素的合成

11、分泌类固醇激素的细胞如肾上腺细胞、睾丸间质细胞和黄体细胞都有丰富的光面内质网，并在光面内质网上含有合成胆固醇和将胆固醇转化为激素的全套酶系；所以光面内质网能够合成胆固醇，然后将胆固醇氧化、还原、水解进一步转变成各种类固醇激素。类固醇激素的合成涉及多个途径中的酶，包括存在于胞质溶胶和光面内质网中的酶类。但是合成的起始物质是胆固醇前体物质甲羟戊酸(mevalonate),它的合成是由光面内质网中的HMG-CoA还原酶催化的。 脂的合成与转运（P179）细胞膜的磷脂是在光面内质网上合成的：图 在光面内质网膜中合成磷脂酰胆碱首先，内质网膜中脂肪酸与胞质溶胶中的磷酸甘油结合,然后脱磷,并在内质网膜中胆碱

12、磷脂转移酶的作用下,将胞质溶胶中的CDP-胆碱与内质网膜中的甘油脂肪酸结合形成磷脂酰胆碱。新合成的磷脂酰胆碱朝向胞质溶胶一侧,但可在内质网膜中磷脂转位酶的作用下翻转到内质网的腔面。 磷脂转位蛋白与翻转酶(flippase)磷脂的合成都是在内质网的胞质溶胶面，但在内质网上合成的磷脂几分钟之后就由胞质溶胶面转向膜的另一面，即内质网腔面, 磷脂的转位是由内质网膜中磷脂转位蛋白(phospholipid translocator)或称翻转酶帮助的。翻转酶催化的磷脂移动也是有选择性的,如能够翻转磷脂酰胆碱的翻转酶则不能催化其他的磷脂翻转, 这样保证了膜中磷脂分布的不对称。 磷脂交换蛋白(phosphol

13、ipid exchang proteins, PEP)与磷脂转运磷脂转运有两种方式。一种是凭借磷脂交换蛋白的作用; 另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上。图9-14 膜磷脂转移的两种方式(a)通过小泡运输将内质网上合成的脂转运到靶膜上包括细胞核膜;(b)通过磷脂转运蛋白将内质网上合成的脂转运到mt、chl和过氧化物酶体等的膜中。 解毒作用(detoxification) 肝细胞解毒光面内质网能够对外来的有毒物质,如农药、毒素和污染物进行解毒。多数解毒反应与氧化作用有关,有些也涉及还原和水解,或者三者结合,使有毒物质由脂溶性转变成水溶性而被排出体外,此过程称为肝细胞的解毒作用,

14、 主要在肝细胞的光面内质网中进行。 细胞色素P-450 (cytochrome P-450)的羟基化作用图 混合功能氧化酶将底物羟基化的机制(1)被羟基化的底物与细胞色素P-450结合;(2)细胞色素P-450中的铁原子被NADPH所还原; (3)氧与细胞色素P-450结合;(4)底物被一个氧原子所氧化,另一个氧用于形成水。Ca2+离子的调节作用肌质网是细胞内特化的光面内质网, 是贮存Ca2+的细胞器。肌质网膜上重要的膜蛋白是Ca2+-ATP酶, 光面内质网可构成心肌和骨胳肌肌原纤维周围的肌质网。当肌细胞膜的兴奋信号传递到肌质网时则引起肌质网释放Ca2+, 从而导致肌细胞的收缩活动。当肌肉松弛

15、时, 钙离子又重新泵回肌质网。肌质网实际上是钙库, 其内有钙结合蛋白, 每个钙结合蛋白可以结合约30个的Ca2+。（3） 粗面内质网的功能蛋白质转运（信号肽假说）蛋白质转入内质网合成的过程：信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与受体结合SRP脱离信号肽肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔信号肽切除肽链延伸至终止。这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为co-translation，即共转运运输。 信号序列的一般特征长度一般为1535个氨基酸残基, N-末端含有1个或多个带正电荷的氨基酸,其后是612个连续的疏水残基;在蛋白质合成中将核糖体引导到内质网,进入内质网后通常被

16、切除。图 ER跨膜可切除信号的一般结构 信号序列的发现与作用：(a) 在不含RER小泡的无细胞体系中翻译分泌蛋白,其N-端有信号序列,故比从细胞中分泌出来的相同蛋白质肽链长;(b)在加有RER小泡的无细胞体系中翻译分泌蛋白,信号序列在RER小泡中被切除,得到的产物与从细胞中合成分泌的相同。 信号识别颗粒(SRP)沉降系数为11S，含有分子量为72kd、68kDa、54kDa、19kDa、14kDa及9kDa的6条多肽和一个7S(长约300个核苷酸)的scRNA(图)。 SRP的作用是识别信号序列,并使蛋白质合成暂时中止，并将核糖体引导到内质网上。 停靠蛋白 (DP) 即SRP在内质网膜上的受体

17、蛋白,它能够与结合有信号序列的SRP牢牢地结合,使正在合成蛋白质的核糖体停靠到内质网上来。 图 信号识别颗粒(SRP)的组成 蛋白质共翻译转运的机理:信号假说如果合成的是分泌的蛋白,除了信号序列被信号肽酶切除外,全部进入内质网腔。若是膜蛋白,则由一个或多个停止转移信号将蛋白质锚定在内质网膜上。膜结合核糖体体的蛋白质合成与转运 信号肽跨膜的能量来源研究证明SRP受体和SRP都是G蛋白,它们不仅将合成蛋白质的核糖体引导到内质网, 而且通过GTP-GDP的交换, 将内质网膜中的易位子通道打开, 让信号序列与之结合。图 GTP在蛋白质转运中的作用 膜蛋白的共翻译转运机理 起始转移信号(start-tr

18、ansfer signal)蛋白质氨基末端的信号序列除了作为信号被SRP识别外, 还具有起始穿膜转移的作用。在蛋白质共翻译转运过程中,信号序列的N-端始终朝向内质网的外侧,插入蛋白质转运通道后与通道内的信号序列结合位点(受体)结合,其后的肽序列是以袢环的形式通过运输通道。 内含信号序列与单次跨膜蛋白内含信号序列又称内含信号肽,它不位于N-末端,但具信号序列的作用,故称为内含信号序列。它可作为蛋白质共翻译转移的信号被SRP识别,同时它也是起始转移信号。由于内含信号序列是不可切除的,又是疏水性,所以成为膜蛋白的一部分。在与转运通道结合过程中,始终保持具有较多正电荷氨基酸的一端朝向胞质溶胶一侧。内含

19、信号序列与单次跨膜蛋白的整合 停止转移肽与单次跨膜蛋白单次跨膜蛋白的形成除了与含有内含信号序列有关外,终止转移肽也与单次跨膜蛋白的形成相关。 图 终止转移信号与单次跨膜蛋白的形成 二次跨膜蛋白与多次跨膜蛋白二次跨膜的形成与内含信号序列和终止转移信号相关。如果是二次跨膜,则含有一个内含信号序列和一个停止转移信号(图)。多次跨膜蛋白的形成一定含有多个内含信号序列和多个停止转移信号。图 二次跨膜蛋白的形成 Bip在ER蛋白的转移和装配中的作用（P181）研究发现进入内质网腔中的蛋白质片段很快被一些称为Bip的蛋白结合。Bip蛋白：重链结合蛋白 (heavy-chain binding protein

20、) 的简称。Bip是一类分子伴侣,属于Hsp70家族,在内质网中有两个作用。Bip同进入内质网的未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合(图)。 Bip的第二个作用是防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂。图 Bip在ER腔中的作用（二）、蛋白质的修饰与加工包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用：使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；赋予蛋白质传导信号的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种：O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）：与S

21、er、Thr和Hyp的OH连接，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行。N-连接的糖基化（N-linked glycosylation）：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。内质网中的N-连接的糖基化（P180）图 正在ER中合成蛋白质的N-连接糖基化 （三）、新生肽链的折叠、组装和运输COP II介导由内质网输出的膜泡运输，这种膜泡由内质网的排出位点（exit sites）以出芽的方式排出。不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同，这主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间，这一过程是在属于hsp70家族的ATP酶的作用下完成的，需要消耗能量。有些无法完成正确折叠的蛋

22、白质被输出内质网，转入溶酶体中降解掉，大约90%的新合成的T细胞受体亚单位和乙酰胆碱受体都被降解掉，而从未到达靶细胞膜。4.高尔基复合体(Golgi complex)由意大利科学家Camillo Golgi在1898年发现的。功能：与细胞的分泌功能有关；与溶酶体的形成；并参与细胞的胞饮和胞吐过程。高尔基体的形态结构和极性 形态结构电子显微镜所观察到的高尔基体最富有特征性的结构是由一些( 通常是48个) 排列较为整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠在一起, 构成了高尔基体的主体结构。图 烟草根尖细胞高尔基体的电镜照片 高尔基复合体由平行排列的扁平膜囊、大囊泡和小囊泡等三种膜状结构所组成。它有两

23、个面:形成面和成熟面。 图 高尔基体的膜囊结构及其排列 扁平膜囊(saccules) 是高尔基复合体的主体部分。一般由310层扁平膜囊平行排列形成一个扁平膜囊堆，每层膜囊之间150300, 扁平囊膜厚67nm。 小泡(vesicle) 在扁平囊的周围有许多小囊泡, 直径400-800。这些小囊泡较多地集中在高尔基复合体的形成面。两者的关系：一般认为小泡是由附近的粗面内质网出芽形成的运输泡.它们不断地与高尔基体的扁平膜囊融合, 使扁平膜囊的膜成分不断得到补充。 高尔基体的极性 结构上的极性:靠近内质网的一面称为顺面(cis face), 或称形成面(forming face)；高尔基体中间膜囊(

24、medial Golgi); 靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络 (trans Golgi network，TGN)。 功能上的极性:高尔基体执行功能时是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序。 数量和分布数量平均为每细胞20个。在低等真核细胞中, 高尔基复合体有时只有12个，有时可达一万多个。在分泌功能旺盛的细胞中, 高尔基复合体都很多。如胰腺外分泌细胞、唾液腺细胞和上皮细胞等。而肌细胞和淋巴细胞中高尔基复合体较少见。分布在一定类型的细胞中, 高尔基复合体的位置比较恒定,如外分泌细胞中高尔基体常位于细胞核上方，其反面朝向细胞质膜；神经细胞的高尔基体有很多膜囊堆分散于细胞核的周

25、围。 高尔基体的化学组成 蛋白质从蛋白质含量看, 高尔基复合体高于内质网和质膜: 质膜蛋白质含量为 40%, 内质网的蛋白质含量为20%, 而高尔基体的蛋白质含量占60%。 脂从总磷脂看, 高尔基体介于内质网和质膜之间(表)。表 内质网、高尔基复合体和质膜的磷脂组成膜类型总磷脂 磷脂类型神经鞘磷 脂磷脂酰胆 碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨 酸磷脂肌醇胆固醇粗面内质网61%3.447.836.85.60.12高尔基体45%14.231.436.54.70.47细胞质膜40%19.232.034.44.60.51 酶类高尔基复合体的膜上含有丰富的酶类,如糖基转移酶、磺化糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、激

26、酶、甘露糖苷酶、磷脂酶等。但在膜上的分布并不均一。高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶。高尔基体的功能 对多种蛋白质进行加工、分类与转运。高尔基体是细胞内物质运输的交通枢纽。 蛋白质和脂的运输 ER与高尔基体顺面间的蛋白质运输主流运输：内质网出芽形成的膜泡运输至CGN，并融合。偶尔也有从高尔基体各个部位形成的小泡沿微管回流到内质网。图 高尔基体和ER间的双向运输的模型从ER出芽形成的小泡到高尔基体顺面称为正向运输,从高尔基体形成的小泡都可独立地通过微管运回ER。 KDEL：内质网滞留信号(P185、P206)内质网结构蛋白和功能蛋白的羧基端有KDEL信号序列：Lys-Asp-Glu-Leu-COO

27、-。KDEL信号在高尔基复合体各个部分的膜上都有相应的受体。可与逃出的ER蛋白结合,并形成小泡, 将这些ER蛋白“押送”回到ER(图)。KDEL信号及其受体维持ER蛋白的稳定 蛋白质从顺面高尔基网络向反面高尔基网络运输图 穿梭小泡从顺面高尔基体网络向反面高尔基体网络移动 蛋白质的糖基化对于进入到高尔基体的糖蛋白来说, 形成高甘露糖基寡聚糖侧链所需的修饰比较简单, 只要切除3 分子葡萄糖即可(右图), 这一过程在RER中完成的。图 高甘露糖侧链的修饰 O-连接的糖基化(O-linked glycosylation)(P189)而形成复合寡聚糖则比较复杂, 要切除5分子甘露糖, 加上2分子N-乙酰

28、葡萄糖胺、2分子半乳糖、2分子唾液酸(右图), 有时还要加上岩藻糖。O-连接糖基化概念：将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。哺乳动物高尔基体中进行的O-连接糖基化修饰过程 蛋白聚糖(proteoglycan)的合成（P190）除了蛋白质的糖基化以外，高尔基体中也可以进行多糖的合成。动物细胞中合成的多糖主要是透明质酸，这是一种氨基聚糖, 是细胞外基质的主要成分。植物细胞壁中的几种多糖，包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。 蛋白原的水解胰岛素是在胰岛B细胞中合成的：ER中：合成前胰岛素原，经信号肽酶切除信号肽后成为胰岛素原。运输到高尔基体后, 通过蛋白酶的水解作用,

29、 生成一个分子由51个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子C肽(图)。图 胰岛素分子的加工成熟和运输 蛋白质的分选 高尔基体反面网络的功能是进行蛋白质的分选。 分选作用主要是由信号序列和受体之间的相互作用决定的，如KDEL序列是内质网的滞留信号一样，不同部位的蛋白具有不同的信号，在反面高尔基网络被分选包装到不同的小泡,没有特别信号的则进入非特异分泌小泡。图 高尔基体反面网络的蛋白分选 5. 溶酶体(lysosome)5.1 溶酶体的形态结构 溶酶体的形态溶酶体是一种异质性细胞器, 不同来源的溶酶体形态、大小, 甚至所含有酶的种类都有很大的不同。溶酶体呈小球状, 大小变化很大，直径一般0.250.8

30、m，最大的可超过1m,最小的直径只有2550nm。图 溶酶体的形态大小具吞噬作用的肝Kupper细胞中不同大小的溶酶体, 图中示出至少10个不同大小的溶酶体。 溶酶体膜的稳定性溶酶体的外被是一层单位膜, 内部没有任何特殊的结构。溶酶体在生活细胞中必须是高度稳定的： 溶酶体膜中有质子运输泵(H+-ATPase),将H+ 泵入溶酶体内, 同时, 膜上有Cl-离子通道蛋白，从而维持溶酶体内部的酸性环境(pH4.64.8)。 溶酶体膜含有各种不同酸性的、高度糖基化膜整合蛋白, 这些膜整合蛋白的功能可能是保护溶酶体的膜免遭溶酶体内酶的攻击, 有利于防止自身膜蛋白的降解。 溶酶体膜含有较高的胆固醇, 促进

31、了膜结构的稳定。5.2 溶酶体的发现与溶酶体的酶类溶酶体内含有50多种酶类,这些酶的最适pH值是5.0, 故均为酸性水解酶(acid hydrolases)。酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶，正是对这种酶的细胞定位研究导致溶酶体的发现。溶酶体的形态、大小、及所含主要酶类示意图 溶酶体的酶 溶酶体的酶都是水解酶类，在酸性条件下具有最高活性。5.3 溶酶体的类型 初级溶酶体(primary lysosome)刚从反面高尔基体形成小囊泡, 仅含有水解酶类，但无作用底物，其中的酶处于非活性状态。 次级溶酶体(secondary lysosome)含有水解酶和相应的底物，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体。

32、分为自噬性溶酶体、异噬性溶酶体。 自噬性溶酶体(autolysosome) 异噬性溶酶体(heterolysosome)5.4 溶酶体的功能溶酶体的主要功能是消化作用(图9-39)。自体吞噬, 吞噬的是细胞内原有的物质; 异体吞噬A. 通过吞噬形成的吞噬体消化有害物质; B. 通过内吞作用提供的营养物质。图9-39 溶酶体的类型及在细胞消化过程中的作用 吞噬作用(phagocytosis) 吞噬作用 吞噬细胞如巨噬细胞和中性粒细胞担任机体中的保护防御任务。 吞噬作用也包括对衰老的、进入编程死亡的细胞的吞噬。吞噬作用 自噬作用(autophagy) 自噬作用电镜照片所示是衰老的线粒体和过氧化物酶

33、体被包裹在一个双层膜结构中,该膜来自于内质网。被ER膜包裹而成的自噬体将会与溶酶体融合,进而被溶酶体酶降解。图 自噬作用 自溶作用(autolysis)自溶作用是细胞的自我毁灭(cellular self-destruction), 即溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解。在正常情况下, 溶酶体的膜是十分稳定的,不会对细胞自身造成伤害。如果细胞受到严重损伤, 造成溶酶体破裂, 那么细胞就会在溶酶体酶的作用下被降解, 如某些红细胞常会有这种情况发生。在多细胞生物的发育过程中，自溶对于形态建成具有重要作用。 细胞外的消化作用(extracellular digestion)顶体(acrosome)反应

34、图 顶体反应(a)海胆精子前端的顶体, 正好位于细胞核的前面; (b) 当精子的质膜与卵细胞周围物质接触时,精子释放出顶体中溶酶体的酶,消化卵细胞外的物质,使精子得以与卵细胞接触。5.5 溶酶体的生物发生目前比较清楚的是甘露糖-6-磷酸途径：溶酶体的酶寻靶过程、涉及的细胞器及机理 溶酶体酶蛋白的M6P标记研究发现溶酶体的酶上都有一个特殊的标记6-磷酸甘露糖(M6P)。形成过程为： 糖基化溶酶体酶蛋白先以共转译运输的方式在内质网合成后，进行N-连接糖基化, 携9个甘露糖残基和2个N-乙酰葡萄糖胺残基转运到高尔基体。 信号斑(signal patch)信号斑是溶酶体酶蛋白多肽形成的一种结构, 是由

35、三段信号序列构成的, 可被磷酸转移酶特异性识别。图 9-45 信号斑 甘露糖磷酸化的酶（P195）一种酶是N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶，另一个酶是N-乙酰葡萄糖苷酶, 功能是释放N-乙酰葡萄糖胺(图)。顺面高尔基体中N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶有两个功能位点, 识别位点识别信号斑并与之结合；催化位点与高甘露糖N-连接的寡聚糖以及UDP-GlcNAc结合。图 溶酶体酶蛋白信号斑与磷酸化酶相互作用 磷酸化反应反应中磷酸基的供体是UDP N-乙酰葡萄糖胺(N-acetyglucosamine，GlcNAc), 甘露糖残基磷酸化的位点是第六位碳原子(图)。每个溶酶体酶蛋白至少有一个甘露糖残基被磷酸化。图

36、溶酶体酶蛋白甘露糖残基磷酸化的生化反应 溶酶体酶的M6P分选途径溶酶体酶甘露糖6-磷酸分选途径和溶酶体形成的主要过程。 M6P受体也位于细胞质膜中, 它能够同偶尔分泌到细胞外磷酸化的溶酶体酶结合, 并形成由网格蛋白包被的运输泡, 最后同样被传递给溶酶体。M6P分选途径的特点:M6P作为分选信号; 包埋在高尔基体中的受体能够被网格蛋白包装成分泌小泡; 出芽形成的溶酶体酶的运输小泡只同酸性的次级内体融合; 通过次级内体的分选作用使受体再循环。内体(endosome)分为初级内体和次级内体。初级内体是由于细胞的内吞作用而形成的含有内吞物质的膜结合的细胞器。次级内体中的pH呈酸性, 且具有分拣作用。内

37、体膜上具有质子泵，保证了内部pH的酸性(图)。图9-49 溶酶体酶运输小泡与次级内体的融合及次级内体的分选作用 溶酶体与疾病已知有不少疾病与溶酶体有关, 如贮积症(storage diseases)、矽肺、类风湿性关节炎等。 矽肺病(silicosis) 型糖原贮积症(glycogen storage disease type )五、过氧化物酶体Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。是一种具有异质性的细胞器。直径通常0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。特点：含过氧化氢酶（标志酶）和一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶，已发现40多种氧化酶，各类氧化酶的共性是将

38、底物氧化后生成过氧化氢。而过氧化氢酶又利用H2O2去氧化其它底物。RH2+O2R+H2O2Peroxisome of hepatocyte在动物中： 参与脂肪酸的-氧化； 具有解毒作用，可以将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在过氧化物酶体中氧化为乙醛。在植物中：参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，在萌发的种子中，进行脂肪的-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体。过氧化物酶体中所有的酶都由核基因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下，进入过氧化物酶体。引导蛋白质进入微

39、体的信号序列是-Ser-Lys-Leu-COO-。膜脂在内质网上合成后，通过磷脂转移蛋白PTP转移而来。已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞。再进行进一步的装配。 第三节、 细胞的分选与膜泡运输一、 细胞分泌细胞分泌活动涉及内质网、高尔基体、细胞质膜三部分，它们相当于三道关卡，严格地控制着产品的质量。 内质网相当于生产基地，高尔基体相当于产品的精加工和质量检测分配部门，而细胞质膜相当于海关。细胞的分泌与内吞作用二、信号假说与蛋白质的分选1、信号序列与蛋白质分选途径 信号肽：内质网引导序列；共转译运输。导肽：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体引 导序列；转译后运输。核定位信号：细胞核

40、引导序列；转译后运输 信号肽假说 2、蛋白质分选的基本类型跨膜转运：信号序列引导，分子伴侣帮助。膜泡运输：不同运输小泡特异性介导运输。选择性门控运输：转移后的核定位运输。细胞质基质中的转运：与细胞骨架密切相关。三、膜泡运输1、运输小泡的类型和分选信号在细胞分泌和内吞途径中三种类型的被膜小泡及运输途径 分泌小泡的类型 披网格蛋白小泡(clathrin-coated vesicle)介导从TGN到PM、从PM到TGN的运输。但两种小泡所用的衔接蛋白(adaptin)不同。 COP被膜小泡(COP coated vesicle)介导小泡的非选择性运输, 参与从ER到CGN、从CGN到高尔基体中间膜囊

41、、从中间膜囊到TGN的运输。由COP亚基组装。 COP被膜小泡(COPcoated vesicle)介导蛋白质从Golgi体运回ER,包括从TGN运向CGN,以及将蛋白质从TGN运回到ER。三种不同小泡虽然有差异,但在小泡形成的方式和所需的成份基本一致(图)。小GTP结合蛋白;外被体;衔接蛋白;膜受体蛋白。参与被膜小泡出芽形成的一些组分 三种类型小泡间的差异 衔接蛋白（即接合素蛋白）目前已知三种:AP1、AP2和AP3。AP1: 参与TGN的披网格蛋白小泡的出芽。AP2: 由衔接蛋白(链)和衔接蛋白(链) 组成异二聚体。参与TGN的披网格蛋白小泡的组装。AP3: 最近在酵母和鼠的研究中发现 A

42、P3，具有AP3突变的酵母,反面高尔基体的某些蛋白就不能被运输到液泡、溶酶体。衔接蛋白与膜受体细胞质结构域中的信号序列相互作用 2、小泡运输的分选信号3、三种运输小泡的形成机理衔接子(adapter) ；网格蛋白(Clathrin)；发动蛋白(dynamin)成纤维细胞质面的网格蛋白被膜小窝的电子显微镜照片 （1）、网格蛋白小泡形成机理 网格蛋白(clathrin)及包被亚基(coat subunits)图9-66 网格蛋白的结构(a) 网格蛋白的三腿复合物;(b)网格蛋白包被亚基;(c)披网格蛋白小泡。发动蛋白(dynamin)发动蛋白是一种胞质溶胶蛋白,有900个氨基酸, 能够同GTP结合

43、并将GTP水解。发动蛋白的作用是在被膜小窝的颈部聚合,通过水解GTP调节自己收缩, 最后将小泡与质膜割开。 披网格蛋白小泡的形成和运输披网格蛋白小泡的形成分为三个基本过程 被膜小窝(clathrin-coated pit)的形成； 披网格蛋白小泡的形成；无被小泡的形成：在真核细胞中有一种分子伴侣Hsc70催化披网格蛋白小泡的外被去聚合形成三腿复合物, 并重新用于披网格蛋白小泡的装配。 Ca2+ 参与调节披网格蛋白小泡包被的形成和去被。形成包被时, 钙泵将Ca2+ 泵出细胞外, 使胞质中的Ca2+ 保持低浓度, 有利于有被小窝的形成。一旦形成被膜小泡, Ca2+ 同网格蛋白的轻链结合, 使包被不稳定而脱去。披网格蛋白小泡的形成过程 （2）COP-被膜小泡形成的机理COP-被膜小泡介导的是非选择性的小泡运输, 包括从内质网到高尔基体潴泡、从一个潴泡到另一个潴泡、到反面高尔基体网络以及从反面高尔基体向ER的回运。 小GTP结合蛋白(small GTP binding protein)小GTP结合蛋白是胞内的一个蛋白家族, 以两种状态存在: 同GTP结合时, 具活性状态; 同GDP结合, 则是非活性状态。活性和非活性状态的转变取决于两种蛋白: 一是鸟嘌呤核苷释放蛋