第五章 细胞质基质与细胞内膜系统

第五章细胞质基质与细胞内膜系统一细胞质基质及内膜系统二内质网三高尔基复合体四溶酶体与过氧化物酶体五细胞内蛋白的分选一细胞质基质细胞质基质的基本功能：（一）细胞质基质是许多代谢活动的场所，如糖酵解过程等。（三）细胞质骨架作为细胞质基质的主要成分，不仅与维持细胞的形态、细胞的运动、细胞内物质运输及能量传递有关，而且也是细胞质基质结构体系的组织者，为细胞质基质中其它成分和细胞器提供锚定位点。（四）蛋白质的修饰。（五）蛋白质寿命的控制：通过依赖于泛素的降解途径被降解掉。（六）降解变性和错误折叠的蛋白质。（七）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。泛素作为蛋白质分解信号的假说

2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃(AaronCiechanover，57岁)、阿夫拉姆·赫什科(AvramHershko，67岁)和美国科学家欧文·罗斯(IrwinRose，78岁)，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解。泛素系统(UPS)广泛存在于真核生物中，是精细的特异性的蛋白质降解系统。它由泛素、26S蛋白酶体、多种酶（如E1、E2、E3、去泛素酶）构成。在泛素系统中，泛素（UbiquitinUb,最初从小牛胰脏中分离到）是一种含有76个氨基酸，序列保守的小分子蛋白，蛋白质与泛素结合后，被蛋白酶体以ATP依赖的方式降解。E1、E2酶分别称为泛素活化酶和泛素载体酶，使泛素通过Ub-腺苷酸中间产物形成E2-Ub巯基酯。泛素连接酶E3负责连接泛素和特异性的底物，这样泛素化的底物可以被26S蛋白酶体降解为若干肽段。细胞内膜系统细胞内膜系统是指真核细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、液泡和分泌泡等。

二内质网

内质网（endoplasmicreticulum,ER）是真核细胞重要的细胞器。它由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构。由Porter和Claude等于1945年发现。

微粒体（microsome），在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，它包含内质网膜与核糖体两种基本成分。在生化研究中，常常把微粒体与内质网等同看待，是研究蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂质合成等良好材料。

内质网的功能：（一）蛋白质的合成1分泌性蛋白质；2膜整合蛋白；3细胞器中的可溶性驻留蛋白。（二）脂质的合成（三）蛋白质的修饰与加工（四）新生多肽的折叠与装配（五）内质网的解毒功能（六）内质网具有储存Ca2+的功能

内质网的类型（一）内质网上合成的蛋白质微粒体（二）脂质的合成1）内质网合成构成细胞所需的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。2）合成磷脂所需要的3种酶（如酰基转移酶，磷酸酶，胆碱磷酸转移酶）都定位在内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基质一侧。3）在内质网膜上合成的磷脂几分钟后就由细胞质基质侧转向内质网腔面（膜磷脂的翻转运动）。合成的磷脂由内质网向其它膜的转运主要有两种方式：

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，称为磷脂交换蛋白在膜之间转移磷脂。

（三）蛋白质的修饰与加工1进入内质网中的蛋白质发生的主要化学修饰作用有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。2糖基化伴随着多肽链合成同时进行，是内质网中最常见的蛋白质修饰。寡糖链连接在插入膜内的磷酸多萜醇上，当与糖基化有关的氨基酸残基出现后，通过在膜上的糖基转移酶的作用，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的氨基酸残基上。O－连接的糖基化N－连接的糖基化蛋白质的糖基化（四）新生多肽的折叠与装配1内质网腔是一种非还原性的环境，极易形成二硫键，这些都对肽链的正确折叠带来了很大困难。内质网中有一种蛋白二硫键异构酶，它附着在内质网膜腔面上，可以切断二硫键，形成自由能最低的蛋白构象，以帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并处于正确折叠的状态。2内质网中含有一种结合蛋白（Bindingprotein，Bip，chaperone），可以识别不正确折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与装配。内质网上合成脂质的转运三高尔基复合体（一）形态结构：

高尔基体是有极性的细胞器，至少由互相联系的3部分组成：1高尔基体顺面膜囊及顺面网状结构（cisGolginetwork，CGN）2高尔基体中间膜囊（medialGdgi）3高尔基体反面膜囊及反面高尔基网状结构（transGolginetwork，TGN）除了以上结构，膜囊周围又有大量的大小不等的囊泡结构。

（二）高尔基体的功能1高尔基体与细胞的分泌；2蛋白质的糖基化及其它修饰；3蛋白质的水解和其它加工过程；4高尔基体在细胞内膜泡运输中起到重要的枢纽作用。高尔基体的极性1位置极性：电镜下高尔基体是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成，靠近核分布,有两个面：形成面(内侧，面向细胞核)和成熟面(外侧，面向细胞膜)。2物质转运极性：在高尔基中加工的物质，从形成面输入，从成熟面输出。3生化组成极性：高尔基体不同部分的膜囊其化学组成不同，不同的部分分别对应有４种标志细胞化学反应。另外，高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基体分布在MTOC(负端)。高尔基的膜囊上存在马达蛋白（cytoplasmicdynein和kinesin）和微丝的马达蛋白（myosin）。最近还发现特异的血影蛋白（spectrin）网架，它们在维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起重要的作用。高尔基体不同部分４种标志细胞化学反应1嗜锇反应－－显示高尔基体cis面膜囊；2

焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）反应－－显示trans面1～2层膜囊；3胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）反应－－显示靠近trans面膜囊状和管状结构；

4烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）反应－－显示中间扁平囊。高尔基体形态1高尔基体与细胞的分泌细胞中分泌性蛋白、很多细胞膜上的膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶以及胶原纤维等细胞外基质成分都是通过高尔基体的分类包装而完成定向转运的。2蛋白质的糖基化及其它修饰1）许多糖蛋白同时具有N-连接的糖链和O-连接的糖链。N-连接的糖链合成起始于内质网，完成于高尔基体。O-连接的糖基化在高尔基体中进行。2）高尔基体上还可以将一至多个氨基聚糖链通过木糖安装在核心蛋白的丝氨酸残基上，形成蛋白聚糖。3）糖脂的糖侧链也是以与糖蛋白相同的途径和方式合成与加工的，最后由高尔基体转运到膜或细胞膜上。蛋白质糖基化类型特征N-连接O-连接1.合成部位粗面内质网粗面内质网或高尔基体2.合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去3.与之结合的氨基酸残基天冬酰胺丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸4最终长度至少5个糖残基一般1～4个糖残基，但ABO血型抗原较长5.第一个糖残基

N—乙酰葡萄糖胺N—乙酰半乳糖胺等蛋白质糖基化的特点及其生物学意义1）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。2）糖基化的主要作用是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；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。对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。3）进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。

3蛋白质的水解和其它加工过程1）无生物活性的蛋白原（proprotein）

高尔基体

切除N-端或两端的序列

成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。2）蛋白质前体

高尔基体

水解

同种有活性的多肽，如神经肽。3）含有不同信号序列的蛋白质前体

高尔基体

加工成不同的产物。4）同一种蛋白质前体

不同细胞、以不同的方式加工

不同的多肽。4高尔基体与细胞内膜泡运输溶酶体与过氧化物酶体（一）溶酶体及其类型（二）溶酶体的功能（三）溶酶体的发生（四）溶酶体与疾病（五）过氧化物酶体

（一）溶酶体及其类型

11955年,deDuve与Novikoff首次发现溶酶体(lysosome)。它是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。2溶酶体几乎存在于所有动物细胞中，植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器――圆球体及液泡。3溶酶体是一种异质性的细胞器，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同，标志酶为酸性磷酸酶。根据完成其生理功能的不同阶段可分为:

初级溶酶体(primarylysosome)次级溶酶体(secondarylysosome)残余小体(residualbody)（一）溶酶体的类型1初级溶酶体：内含物均一，无明显颗粒，是高尔基体分泌形成的，含有多种水解酶，已知60余种，均属于酸性水解酶，反应的最适PH值为4.6左右。

溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同，主要区别是：①膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低。②具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运。③膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。2次级溶酶体：次级溶酶体都是消化泡，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，可分为异噬溶酶体（phagolysosome）和自噬溶酶体（autophagolysosome）。3残余小体：又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名。（二）溶酶体的功能1清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞；2防御作用(病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化)；3通过内消化为细胞提供营养；4参与分泌过程的调节；5在动物发育过程中某些细胞的清除；6在受精过程中的作用。

（四）溶酶体与疾病

1矽肺2肺结核4类风湿性关节炎3各类贮积症（五）过氧化物酶体过氧化物酶体(peroxisom)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。1过氧化物酶体与溶酶体的区别2过氧化物酶体的功能3过氧化物酶体的发生1过氧化物酶体与溶酶体的区别2过氧化物酶体的功能1）动物细胞（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶：依赖于黄素（FAD）的氧化酶，作用是将底物氧化形成H2O2；过氧化氢酶，作用是将H2O2分解，形成水和氧气。2）过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。3）在植物细胞中过氧化物酶体的功能：

在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应；

乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸

乙酰辅酶A

琥珀酸

葡萄糖。3过氧化物酶体的发生1从个体发生的角度来看，过氧化物酶体来源于已存在过氧化物酶体的分裂。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，引导蛋白质进入过氧化物酶体的信号序列一般是C端的Ser-Lys-Leu序列。2从系统发生的角度来看，过氧化物酶体可能是一种古老的细胞器，在光合生物出现后，大气中的氧含量逐渐提高，而细胞内的氧对早期的生物具有毒害作用，过氧化物酶体的功能就是消除细胞内的氧，并产生细胞所需要的某些代谢物。五细胞内蛋白的分选（一）信号假说与分泌性蛋白质的合成（二）蛋白质分选基本途径与分选信号（三）膜泡运输（一）信号假说与分泌性蛋白质的合成在细胞中，有些蛋白质(如线粒体蛋白)在细胞质核糖体上合成，而有些(如分泌蛋白)则在结合于内质网上的核糖体上合成。这种蛋白质合成部位的差别（可导致成熟蛋白质将来的去向，即分选）是由于其多肽链中存在一段或几段信号序列，这就是信号假说。1分泌蛋白合成的模型---信号假说2信号肽与共转移3信号肽与后转移1分泌蛋白合成的模型---信号假说1）信号假说图解。2）指导因子：蛋白质N-端的信号肽（signalpeptide)。

3）信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP)。4）信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白dockingprotein，DP）等。1）信号假说图解信号假说的内容

2信号肽与共转移

1)信号肽（Signalpeptides）与信号斑（Signalpatches)。2)起始转移序列和终止转移序列。3)起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数。4)跨膜蛋白的取向。3信号肽与后转移基本的特征：

蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称后转移（posttranslocation）。蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。（二）蛋白质分选基本途径与分选信号1分选基本途径2分选信号1分选基本途径1）门控运输（gatedtransport)；2）跨膜运输（transmembranetransport)；3）膜泡运输（vesiculartransport)；4）拓扑学等价性（Topologicallyequivalent）的维持。分选信号信号功能

举例蛋白进入ER

+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Ler-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-滞留在ER中

-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-蛋白进入线粒体

+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-进入细胞核

-Pro-Pro-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-进入过氧化物酶体

-Ser-Lys-Leu-

（三）膜泡运输

糙面内质网上合成的各种蛋白质通过不同的转运泡运至高尔基体以不同的方式进一步加工、修饰和装配后被分选、包装以膜泡的形式运往细胞的特定部位，发挥其特殊功能。这就是膜泡运输.膜泡运输是蛋白质运输的一种特有方式，普遍存在于真核细胞中。完成细胞内的膜泡运输至少需要10种以上的运输小泡。目前发现三种不同类型的有被小泡具有不同的物质运输作用。三种不同类型的有被小泡1)网格蛋白包被小泡2)

COPII包被小泡3)

COPI包被小泡1)网格蛋白包被小泡

负责蛋白质从高尔基体TGN

质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。

在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜

细胞质，