第七章细胞质基质和内膜系统

第七章

细胞质基质和内膜系统真核细胞内典型区室化特征示意图（A）

与小鼠回肠Paneth细胞超微结构的一部分（B）§1细胞质基质及其功能细胞质基质的含义细胞质基质的功能细胞质基质的含义在真核细胞中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。细胞质基质的成分水、无机离子等小分子脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物蛋白质、脂蛋白、多糖、DNA糖原等处于储藏状态的化合物细胞质基质的功能完成各种中间代谢过程细胞形态与运动、胞内物质的运输以及各种大分子物质的定位维持细胞内环境（pH、离子环境）的稳定性蛋白质的修饰控制蛋白的寿命帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象蛋白质的修饰蛋白质的修饰主要在其侧链的特定位点进行N-端甲基化糖基化酰基化磷酸化与去磷酸化辅酶与辅基的共价结合控制蛋白质的寿命控制蛋白质寿命的信号定位在蛋白质N-端的第一个氨基酸残基不被降解：Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro被降解其他氨基酸降解变性和错误折叠的蛋白质变性、错误折叠的蛋白质常常被降解清除依赖泛素降解途径被降解帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象第二节细胞内膜系统及其功能一、内质网内质网的形态结构内质网的基本类型内质网的化学组成内质网的功能内质网与基因表达的调控内质网与其他细胞结构的关系内质网的形态结构内质网是真核细胞细胞质内由小管、小囊和扁囊连成的细胞器。扁囊(cisterna)腔面(1uminalface)胞质面(cytoplasmicface)或原生质面(protoplasmicface)小管小囊电镜下显示内质网（兰色），核糖体颗粒（绿色）内质网的基本类型

糙面内质网(roughendoplasmicreticulum，RER)光面内质网(smoothendoplasmicreticulum，SER)

其他类型髓样小体环孔片层(annulatelamellae)肌质网rER和sER的分离内质网的化学组成微粒体(microsome)内质网的化学成分在内质网膜中，脂类约占1/3，蛋白质约占2/3脂类蛋白质糖蛋白、电子传递链成分、网质蛋白、受体内质网的功能蛋白质的合成脂类合成与转运蛋白质的修饰与加工新生多肽的折叠与组装其他功能蛋白质的合成糙面内质网合成的蛋白质分泌蛋白膜蛋白可溶性驻留蛋白脂质的合成与转运合成膜脂合成磷脂的转运方式（1）出芽（2）磷脂转换蛋白合成其他脂类光面内质网是脂质合成的重要场所合成磷脂所需要的3种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞质基质侧膜脂的不对称性？磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式A.通过膜泡转运脂质B.通过PEP介导的脂质转运C.膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触蛋白质的修饰与加工发生在内质网和高尔基体的蛋白质糖基化在内质网发生二硫键的形成蛋白质折叠和多亚基蛋白的装配在内质网、高尔基体和分泌泡发生特异性的蛋白质水解切割蛋白质糖基化N-连接糖基化与O-连接糖基化的比较

N-连接糖基化与之直接结合的糖是N-乙酰葡糖胺O-连接糖基化与之直接结合的糖是N-乙酰半乳糖胺N-连接与O-连接的寡糖比较在内质网发生的蛋白质N-连接糖基化的加工，转移至高尔基体后还会经过一系列复杂的修饰蛋白质糖基化内质网发生的二硫键形成新生多肽的折叠与装配Bip（重链结合蛋白）与IgG抗体的重链的抗体相结合属于分子伴侣Hsp70家族其作用为：与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与装配，然后与ATP结合并通过ATP的水解释放出结合的多肽。防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂。新生多肽的折叠与组装蛋白二硫键异构酶和Bip等蛋白质都具有4肽驻留信号（KDEL或HDEL）以保证它们滞留在内质网中，并维持很高的浓度内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所折叠错误的多肽被送到细胞质中,被泛素(ubiquitin)结合,然后送到蛋白酶体(proteosome)中降解内质网的其他功能解毒作用:滑面内质网储藏钙离子为细胞质基质中蛋白、多种酶类，提供了附着位点物质运输膜的生成糖原代谢肝细胞的解毒作用肌质网储存和释放Ca2+内质网上糖原的合成与分解内质网应激及其信号调控内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。影响内质网细胞核信号转导的三种因素：内质网腔内未折叠蛋白的超量积累折叠好的膜蛋白的超量积累内质网膜上膜脂成份的变化——主要是固醇缺乏不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达内质网应激及其信号调控内质网应激反应在各种应激因素（错误折叠或未折叠蛋白质在ER腔内聚集、Ca2+平衡紊乱、缺氧、异常糖基化和病毒感染等）作用下，主要通过3条途径引发内质网应激（ERS）反应，影响特定基因表达。如果内质网功能持续紊乱，细胞将最终启动凋亡程序未折叠蛋白质应答反应（UPR）图示SREBP的胆固醇敏感调控示意图内质网与其他细胞结构的关系与细胞膜的关系与核膜的关系与高尔基体的关系与线粒体的关系与细胞骨架的关系膜的生成二、高尔基体高尔基体的形态结构与极性高尔基体的细胞化学反应高尔基体的化学组成高尔基体的功能CamilloGolgi高尔基体的形态结构与极性基本结构扁平囊:多呈弓形，也有半球形或球形小管和囊泡高尔基体的极性顺面(cisface)

靠近细胞中心一面，或称形成面(formingface)，常为凸形反面(transface)

靠细胞核远端的一面，或称成熟面(maturingface)，常为凹形。高尔基体的形态结构与极性形成面成熟面空腔分泌小泡高尔基体的精细结构高尔基体顺面膜囊(cisGolgi)或顺面网状结构(cisGolginetwork，CGN)高尔基体中间膜囊(medialGolgi)高尔基体反面的膜囊(transGolgi)以及反面高尔基体网状结构(transGolginetwork，TGN)囊泡高尔基体的细胞化学反应嗜锇反应经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色。焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应可特异地显示高尔基体的trans面的1～2层膜囊。胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应

反面膜囊和反面管网结构烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应。解释高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种模型

A.膜泡运输模型B.膜囊成熟模型高尔基体的化学组成脂类高尔基复合体膜中各种脂类成分的比例与其它膜结构略有不同，膜脂成分介于内质网和质膜之间。从糙面内质网、高尔基复合体到质膜中，神经鞘磷脂和胆固醇的比例依次递增，而磷脂酰胆碱的比例则依次降低，其他磷脂的比例则较为恒定。多糖主要有唾液酸、糖脂及其它活性糖酶类：特征酶为糖基转移酶高尔基体的功能高尔基体与细胞的分泌活动对蛋白质的的修饰加工蛋白质分选蛋白质的水解和其他加工过程参与膜的转化高尔基复合体在精细胞发育中与顶体(acrosome)形成有关参与植物细胞壁的形成高尔基体与细胞的分泌活动发生在高尔基体TGN区的蛋白质分选途径高尔基体与细胞的分泌活动高尔基体TGN区是蛋白质包装与分选的关键枢纽，至少有三条分选途径：溶酶体酶的包装和分选途径调节型分泌途径组成型分泌途径糖基化

O-连接的糖基化主要或全部在高尔基复合体内进行的。

A.维持蛋白质的正确构象，增加稳定性。

B.给蛋白质打上不同的标记，从而有利于高尔基体的分类、包装，使蛋白质到达不同的部位（尤其是溶酶体酶的形成最具有代表性）。

C.在细胞表面形成糖萼，起细胞识别与保护细胞膜的作用。

N-连接的寡糖的核心糖在内质网装配后转移到高尔基体，再进一步修饰加工。硫酸化作用蛋白质的修饰加工蛋白质糖基化的生物学功能糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进蛋白质折叠和增强糖蛋白稳定性的作用蛋白质糖基化修饰利于高尔基体进行分选与包装，保证糖蛋白从rER至高尔基体膜囊单向转移细胞内一些负责糖链合成与加工的酶类均由管家基因编码；细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，直接介导细胞间的双向通讯，或参与分化、发育等多种过程多羟基糖侧链还可能影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质蛋白质的水解和加工不同的蛋白质可归纳为以下几种类型：没有生物活性的蛋白原(proprotein)进入高尔基体后，将蛋白原N端或两端的序列切除形成成熟的多肽。有些蛋白质分子在糙面内质网中合成时便含有多个相同氨基酸序列的前体，然后在高尔基体中水解成同种有活性的多肽，如神经肽等。某些蛋白分子的前体中含有不同的信号序列，最后加工成不同的产物。高尔基体的功能高尔基体与细胞的分泌活动对蛋白质的的修饰加工蛋白质分选蛋白质的水解和其他加工过程参与膜的转化：在膜流的调控中可能起着重要的枢纽作用。高尔基复合体在精细胞发育中与顶体(acrosome)形成有关参与植物细胞壁的形成高尔基体的功能高尔基体与细胞的分泌活动对蛋白质的的修饰加工蛋白质分选蛋白质的水解和其他加工过程参与膜的转化：在膜流的调控中可能起着重要的枢纽作用。高尔基复合体在精细胞发育中与顶体(acrosome)形成有关参与植物细胞壁的形成三、溶酶体溶酶体的形态结构与类型溶酶体的形态结构溶酶体的类型溶酶体的功能溶酶体与疾病溶酶体的发生溶酶体的形态结构溶酶体（lysome）是细胞质基质中一类包着多种水解酶的小泡。溶酶体膜溶酶体酶的特点

溶酶体膜较薄，仅有6nm。在成分上也与其他生物膜不同：嵌有质子泵（非常突出的特征）具有多种载体蛋白膜蛋白高度糖基化溶酶体膜含有较多的胆固醇（起稳定膜的作用）与鞘磷脂（起防止氧化酶水解的作用），另外，溶酶体膜中还含有相当数量的碳水化合物。膜两侧都有较高的负电荷膜的透性：易透过300Da以下的小分子。溶酶体的形态结构溶酶体（lysome）是细胞质基质中一类包着多种水解酶的小泡。溶酶体膜溶酶体酶的特点种类丰富大多数为酸性水解酶溶酶体其含有多种水解酶类，其共同的特征是都属酸性水解酶，最适pH为5左右。多数溶酶体酶是带有负电荷的糖蛋白特征酶：酸性磷酸酶溶酶体的类型初级溶酶体(primarylysosome)次级溶酶体(secondarylysosome)异噬溶酶体自噬溶酶体混合性溶酶体残质体(residualbody)

老年斑即为残留在老年时细胞内的残余小体——脂褐质小体。动物细胞溶酶体系统示意图溶酶体的功能细胞内消化防御功能细胞内衰老和多余细胞器的清除参与器官、组织形成与更新协助受精植物种子萌发中的功能细胞内消化作用是指通过内含多种酶类消除细胞内无用的生物大分子、衰老细胞器及衰老和死亡的细胞，获得降解的产物提供给细胞营养再利用。溶酶体的功能细胞内消化防御功能细胞内衰老和多余细胞器的清除参与器官、组织形成与更新协助受精植物种子萌发中的功能清道夫溶酶体的功能细胞内消化防御功能细胞内衰老和多余细胞器的清除参与器官、组织形成与更新协助受精植物种子萌发中的功能自溶作用的概念溶酶体的自溶作用是指在一定的调节机制下，细胞内的溶酶体膜自行破裂，释放出其中的水解酶到细胞质中，结果引起细胞自身物质的溶解、整个细胞被释放的酶所消化。溶酶体常常被人们称为自杀式囊或自杀袋。个体死亡一分钟内就会发生自溶作用。溶酶体的功能细胞内消化防御功能细胞内衰老和多余细胞器的清除参与器官、组织形成与更新协助受精植物种子萌发中的功能自溶作用的生理意义在个体发生过程中，器官、组织的形态建成，通常是通过溶酶体的自溶作用来实现的。溶酶体的活动受到严格的调控，在正常生理条件下，溶酶体不会对细胞的生存构成威胁，这是因为：①构成溶酶体膜的蛋白质高度糖基化，可抵御水解酶的降解，不会轻易破裂②溶酶体酶的活性的最适酸度为pH5，而细胞质基质的酸度为pH7.2，溶酶体酶一旦离开溶酶体进入细胞质基质，活性即会丧失。溶酶体的功能细胞内消化防御功能细胞内衰老和多余细胞器的清除参与器官、组织形成与更新协助受精植物种子萌发中的功能溶酶体的功能细胞内消化防御功能细胞内衰老和多余细胞器的清除参与器官、组织形成与更新协助受精植物种子萌发中的功能溶酶体与疾病肺结核矽肺贮积病Ⅱ型肝糖病黑朦性先天愚病(Tav-Sachsdisease)类风湿关节炎(rheumatoidarthritis)溶酶体的发生溶酶体的发生部位发生的变化（1）核糖体合成前蛋白（2）内质网输入内质网腔；切除信号肽；N-连接糖基化（3）高尔基体修饰；形成M6P配体；同M6P受体结合；末端糖基化（4）初级溶酶体与M6P受体分离；前酶初步水解；去磷酸化；开始与其他小泡融合（5）次级溶酶体水解酶成熟；降解溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（RER）高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶高尔基体trans-膜囊和TGN膜（M6P受体）溶酶体酶分选与局部浓缩以出芽的方式转运到前溶酶体磷酸葡萄糖苷酶磷酸化识别信号：信号斑发生途径

溶酶体酶甘露糖残基的磷酸化GlcNAc-磷酸转移酶识别溶酶体酶信号斑溶酶体酶的加工与分选溶酶体酶的加工与分选新合成可溶性溶酶体酶从高尔基TGN和细胞表面转运到溶酶体的示意图溶酶体酶分选途径多样化依赖于M6P的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外在细胞质膜上也存在依赖于钙离子的M6P受体，可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用，将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜，反复使用不依赖于M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体的perforin和granzyme）四、过氧化物酶体过氧化物酶体的化学组成过氧化物酶体的形态结构过氧化物酶体与溶酶体的区别过氧化物酶体的发生过氧化物酶体的功能过氧化物酶体的化学组成过氧化物酶体含有40多种酶，主要是氧化酶和过氧化氢酶。过氧化物酶