第六章细胞质基质与细胞内膜系统

1、 细胞质基质与细胞内膜系统概念细胞质基质(cytoplasmic matrix/cytomatrix)：真核细胞的细胞质内除细胞器和内含物外的较为均质、半透明的液态物质。 曾用名：细胞液(cell sap)、透明质(hyaloplasm)、胞质溶胶(cytoso1)。细胞内膜系统：在结构、功能乃至发生上相关的，由膜围绕的细胞器或细胞结构，包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。第一节 细胞质基质(cytomatrix)一 细胞质基质的成分1.水和无机离子：H2O以游离态和结合态两种方式存在，以游离态存在的H2O主要用作溶剂；2.糖类、脂类、核苷酸、氨基酸及其衍生物等中等分子；3. 糖原

2、和脂滴等处于储藏状态的化合物；4. 蛋白质、脂蛋白、多糖和RNA等大分子： 蛋白质约占2030：数千种酶类&骨架结构蛋白；细胞质基质是一个高度有序的体系： 蛋白质直接或间接地与细胞骨架或生物膜结合； 蛋白之间或与其他大分子之间可形成复合体。核糖体蛋白质mRNAtRNA骨架蛋白二 细胞质基质的功能1.完成中间代谢：糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原的合成与部分分解，蛋白质的分选及转运。2. 维持细胞形态和运动、胞内物质运输及大分子定位：通过细胞质骨架实现，把蛋白质、mRNA等生物大分子固定在特定的位点，在细胞质基质中形成了更为精细的区域，使复杂的代谢反应高效而有序地进行。3. 蛋白质的修

3、饰和选择性降解：1）蛋白质修饰：(1)辅酶或辅基与酶的共价结合。(2)磷酸化与去磷酸化。(3)糖基化。(4)对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰。(5)酰基化。 2）控制蛋白质的寿命 a. 蛋白质N端的第一个aa残基可决定蛋白质寿命,其为Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，则蛋白质稳定；若为其他氨基酸，则不稳定。 b.细胞质中存在依赖于泛素（遍在蛋白,ubiquitin）的蛋白降解途径。最初的一些研究发现，蛋白质的降解不需要能量，这如同一幢大楼自然倒塌一样，并不需要炸药来爆破。比如人吃进食物，食物中的蛋白质在消化道中就被降解为氨基酸，随后被人体吸收。此过程主要依靠蛋白水

4、解酶，无须ATP。20世纪50年代：蛋白质胞外降解不需能，而在胞内降解却需能。这成为困惑科学家很长时间的一个谜。20世纪70-80年代：一系列研究，揭示了一种需要能量、高效率、指向性很强的降解过程。这如同拆楼一样，如果大楼自然倒塌，并不需要能量，但如果要定时、定点、定向地拆除一幢大楼，则需要炸药进行爆破。原因：它如同一位重要的质量监督员，通过它的严格把关，把没有通过质检蛋白质（新合成的蛋白质）销毁。把关不严，就会使不合格蛋白质蒙混过关；如果过严，又会使合格的蛋白质供不应求。这都容易使生物体出现一系列问题。比如，一种称为“基因卫士”的蛋白质可以抑制细胞发生癌变，但如果对蛋白质的生产把关不严，就会

5、导致人体抑制细胞癌变的能力下降，诱发癌症。依赖于泛素(遍在蛋白,ubiquitin)的蛋白降解途径泛素：含76个氨基酸的蛋白，可共价结合到含不稳定aa残基的蛋白的N端，起标签作用，被贴上“标签”的蛋白质就会被运送到细胞内的“垃圾处理厂”内降解。蛋白酶体：由多个亚单位形成的复合体，可特异识别结合泛素的蛋白，将其水解，是蛋白“垃圾处理厂”。蛋白酶体1. 泛素活化酶（E1）:激活泛素分子，需ATP供能。2. 泛素结合酶 （E2）:激活的泛素分子结合3. 泛素连接酶（E3）:可辨认需被销毁的蛋白，指引E2将泛素分子绑在指定蛋白上。 2004 诺贝尔化学奖细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程：泛素结合酶泛

6、素细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程：泛素活化酶要降解蛋白泛素连接酶蛋白酶体4.被泛素标记的蛋白从E3上释放。5.上述过程重复进行，在目的蛋白上形成一个泛素链。6. 蛋白酶体识别泛素分子标签并将蛋白质切成短肽链，但不破坏泛素，泛素可被重新利用。 细胞内短寿命和一些异常蛋白降解的普遍途径细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程： 3）降解变性和错误折叠的蛋白质 一些畸形蛋白质，不管其N端氨基酸残基是否稳定，也常常很快被清除。 可能机理：畸形蛋白质暴露出的疏水氨基酸基团被识别，由此启动对其N端第一个aa残基的作用，形成N端不稳定的氨基酸，被依赖于泛素的蛋白降解途径水解。4）帮助变性或错误折叠的蛋白质重新

7、折叠，形成正确的分子构象 靠热休克蛋白(heat shock protein，Hsp或称stress-response protein)来完成。1962年，Ritossa在研究果蝇唾液腺染色体时发现了一种在细胞高温应激时对细胞有保护作用的蛋白质，因而命名为“热休克蛋白”。最初只认为HSP在高温下可有效保护蛋白质折叠结构，真核细胞和原核细胞在高温时均可产生HSP。进一步研究表明，其他许多刺激，如病毒感染、发热、炎症、组织损伤、代谢性疾病、癌症、心肌肥大等均可使HSP产生异常升高。第二节 内质网处于细胞内膜系统的中心地位，是其它内膜结构膜的来源。一 内质网的形态结构与类型1 内质网的形态结构 内质

8、网(endoplasmic reticulum，ER)： 存在于真核细胞的细胞质中，由单位膜围成的小管(tubule)、小泡( vesicle)或扁囊(cisternae)连接而成的连续网状膜系统。 内质网膜和外层核膜是连续的，ER内腔与两层核膜中间的腔相通连，和质膜也是连续的。 在原核细胞中，细胞膜代行内质网的某些功能。小鼠睾丸间质细胞滑面内质网鸡输卵管细胞粗面内质网内质网在细胞中的分布图2 内质网的分类粗面内质网（rER）滑面内质网（sER） 鸡输卵管细胞粗面内质网（上）小鼠睾丸间质细胞滑面内质网（下）粗面内质网 (rough endoplasmic reticulum，rER)： 表面粗

9、糙，有核糖体附着，常由板层状排列扁囊构成，腔内含有均质的低或中等电子密度的蛋白样物质。 功能：合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白；滑面内质网 (smooth endoplasmic reticulum，sER)： 表面光滑，没有核糖体附着，常由分支小管或圆形小泡构成，小管直径50100nm，很少有扁囊。 功能：合成脂质的重要场所.细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。两种内质网结构差异模式图糙面内质网 (扁平囊状)光面内质网(分支管状或圆形小泡，形成较复杂的立体结构）3 内质网在不同细胞中的分布rER： 多分布于分泌蛋白旺盛的细胞（胰腺细胞，浆细胞） 未分化细胞和肿瘤细胞中较

10、少；sER： 脂类合成旺盛细胞： 肝、骨骼肌及肾上腺皮质细胞 特化细胞： 肌肉细胞中的肌质网(sarcoplasmic reticulum)细胞中，粗面内质网的多少，常常可作为估计细胞分化程度和功能状态的一个指标。在分化程度不同的肿瘤细胞中，如实验大白鼠的肝癌，分化程度高、生长速度慢的癌细胞粗面内质网发达，而分化程度低、生长速度快的癌细胞中只有少量粗面内质网。 4 微粒体-研究内质网的好材料微粒体（microsome） ：将组织或细胞匀浆经低速离心除去核及线粒体后，再以每分种10万的转速离心60120 min后，可得到许多较小的直径约100nm的封闭小囊泡结构，此为ER膜在匀浆中被破碎而形成的

11、,称为微粒体。二 内质网的化学组成 1 脂类 膜脂主要是磷脂，卵磷脂多，鞘磷脂少，少或不含胆固醇。 2 蛋白 膜结合及内质网腔蛋白各30多种，呈异质性分布：葡糖-6-磷酸酶(内质网标志酶): RER & SER; 核糖体结合糖蛋白(ribophorin): RER； 细胞色素P450酶系(通过羟基化反应解毒): SER。 三 内质网的功能 蛋白质合成； 蛋白质的修饰加工（糖基化等）； 脂质合成； 其他功能。（一）蛋白质合成 蛋白质都是在核糖体上合成的，且起始于细胞质基质，有些蛋白在合成开始不久后便转在内质网上合成,主要包括： 胞外分泌的蛋白：如抗体、激素； 膜整合蛋白； 某些细胞器的驻留蛋白（

12、溶酶体、液泡、溶 酶体和高尔基体）； 需修饰的蛋白：如糖蛋白。附着核糖体游离核糖体蛋白合成起始于胞质中游离的核糖体信号假说(signal hypothesis) GBlobel& DSabatini等(1975)提出，即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。 1999年诺贝尔医学和生理学奖合成蛋白如何准确进入内质网？信号肽(signal peptide)：位于蛋白质N端的一段肽链，其在游离核糖体上即由信号密码翻译合成，引导肽链跨内质网膜进入内质网腔，又称开始转移序列。长为1326个aa，N端至少含有一个带正电荷的aa;中部为1015个高度

13、疏水性的aa(丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸),此区极重要，置换其中某一个aa为非极性氨基酸时，信号肽即失去其功能；C-端有信号肽酶识别位点。信号肽的一级序列信号肽一级序列由疏水核心（h）、C端（c）和N端（n）三个区域构成。1 蛋白转移到内质网合成过程中涉及成分：一些信号肽序列蛋白质信号序列前白蛋白原 Met-Lys-Trp-Val-Thr-Phe-Leu-Leu-Leu-Leu-Phe-Ile-Ser- Gly-Ser-Ala-Phe-SerArg前IgG轻Met-Asp-Met-Arg-Ala-Pro-Ala-Gln-Ile-Phe-Gly-Phe-Leu- Leu-Leu-

14、Leu-Phe-Pro-Gly- Thr-Arg-CysAsp溶酶体酶前体PrelysozymeMet-Arg-Ser-Leu-Leu-Ile-Leu-Val-Leu-Cys-Phe-Leu- Pro-Leu-Ala-Ala-Leu-GlyLys三个功能结构域 存在于细胞质基质中，由一个7sRNA(约300个碱基)和6种不同的蛋白质紧密结合组成的复合物。 信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）：7sRNA功能：1结合信号肽，防止新生肽N端受损伤和成熟前折叠 ；2结合核糖体，占据其A位点，使蛋白合成暂停。 3识别ER膜上的SRP受体，转移新生肽到ER腔。S

15、RP受体： 也称停泊蛋白(docking protein，DP)，为膜整合蛋白，位于内质网膜的胞质面。 功能:可识别并特异结合SRP。易位子(translocon)： 由TRAM蛋白和Sec61蛋白构成，可结合信号肽和停止转移序列，引导新生肽进入ER腔，在形成跨膜蛋白中有重要作用。停止转移序列： 仅存在于跨膜蛋白上的一段aa序列，与内质网膜的亲合力很高，和易位子结合后阻止肽链继续进入网腔，是跨膜Pr的跨膜段。停止转移序列2 释放到内质网腔蛋白的合成（分泌蛋白和驻留蛋白）信号肽在游离核糖体上合成信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与DP结合核糖体和ER膜上的核糖体受体结合 SRP脱离信号肽，被释

16、放肽链继续合成，信号肽开启ER膜上的易位子，引导新生肽链进入ER腔信号肽被切除肽链延伸至终止。停靠蛋白易位子跨膜蛋白：多肽链疏水性节段形成的螺旋跨膜。3 跨膜蛋白形成膜1）单次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：单次跨膜蛋白有一个末端起始转移序列，一个停止转移序列，依靠停止转移序列跨膜。或只有一个中间转移信号序列,依靠其转移和跨膜。2）双次跨膜蛋白整合到ER膜的方式： 一个中间开始转移序列，一个停止转移信号，依靠二者共同跨膜。3）多次跨膜蛋白整合到ER膜的方式： 具有两个以上中间开始转移序列和停止转移序列，多肽链前后来回重复的通过脂双层。跨膜膜蛋白的方向性 跨膜蛋白的方向性在内质网上合成时就形成了，膜

17、蛋白不能做翻转运动，故在以后随膜流转运的过程中也不再变化。 膜蛋白不对称性源头之一（二）蛋白质的修饰与加工 糖基化 羟基化 酰基化 形成二硫键蛋白糖基化N-连接糖基化： 寡糖基与多肽链中的Asn共价连接， 同Asn直接连接的是N-乙酰葡萄糖胺。O-连接糖基化 寡糖基与多肽链中的Ser、Thr、Hyp共价连接， 与aa残基相连的是N-乙酰半乳糖胺。 发生在高尔基体中。N连接糖基化: 糖基化和多肽合成同时进行糖前体：寡糖多萜醇中间产物。催化酶：ER膜内侧面的糖基转移酶。糖基转移酶内质网中糖基化跨膜蛋白的运输膜蛋白不对称性源头之二为何跨膜糖蛋白的糖基总在细胞膜ES面？（三）膜脂的合成 合成几乎所有细

18、胞膜需要的脂类； 膜脂的合成与蛋白质的合成、运输过程密切相关； 细胞的膜成分“源泉”。磷脂在胞质面合成： 新合成脂类分子最初只嵌入内质网脂双层的细胞质基质面。底物： 磷酸甘油、脂酰辅酶A、胆碱（均存在于细胞质基质中）催化酶：酰基转移酶、磷酸酶、胆碱磷酸转移酶（位于内质网膜上，活性部位朝向细胞质基质）翻转酶 (flipase) : 以比自发翻转快105倍的速度，将脂类分子从细胞质基质面膜层翻转到ER腔面膜层中。 特点：选择性转移，对含胆碱的磷脂转位能力强，故ER膜腔面磷脂酰胆碱(卵磷脂)和鞘磷脂（含胆碱）的含量较高。磷脂翻转到ER腔面膜层中：新合成的脂类翻转酶磷脂合成酶不对称的内质网的脂双层膜脂

19、不对称性的源头合成的磷脂的转运：以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂转换蛋白(PEP)在膜之间转移磷脂。PEP（四）新生多肽的折叠与装配 新生多肽需在内质网内依靠多肽链之间的疏水相互作用，和侧链基团之间的相互作用进行折叠和装配。内质网内的防止蛋白错误折叠机制： ER膜腔面含蛋白二硫键异构酶 ，可切断错误的二硫键，帮助新蛋白重新形成正确二硫键并正确折叠； 结合蛋白(binding protein，Bip，Hsp70的一种)可识别未装配好的蛋白亚单位或错误折叠蛋白，促进其重新折叠与装配； 畸形肽链被识别后可通过“易位子”进入胞质，被蛋白酶体降解。1）外输性脂类的合成 SER包含一整套合成脂类的酶系，合成几乎所有脂类（除了合成膜脂以外，还合成包括脂肪、磷脂、胆固醇、甾类激素等其它的脂类）。（五）内质网的其他功能（滑面内质网） 2） 糖原代谢 肝细胞内的滑面内质网胞质面附着的糖原颗粒，可被6-磷酸葡萄糖酶催化降解，生成葡萄糖。 糖原颗粒 1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖+磷酸 葡萄糖释