细胞生物学-第四章

细胞生物学第四章2024/12/23细胞生物学第四章第一节细胞质基质一、细胞质基质的概念和组成1.细胞质基质的概念

细胞质中除去细胞器和内含物以外的、较为均质半透明的液态胶状物质称为细胞质基质（cytoplasmicmatrix或cytomatrix）,也称为胞质溶胶（cytosol,或胞液）。

2.细胞质基质的组成经生化分析表明，细胞质基质中含有大量的水和无机离子，如、、、、等；含有各种代谢的中间产物，如脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等；还含有蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等大分子物质。细胞质基质中存在着大量的酶，这些酶大多数与细胞进行蛋白质合成、核酸合成、脂肪酸合成、糖酵解途径以及糖原代谢作用等代谢反应有关。同时构成微丝微管的各种蛋白、细胞进行各种反应所需的ATP等都存在于细胞质基质中。细胞生物学第四章第一节细胞质基质二、细胞质基质的功能1.细胞质基质是细胞内物质代谢的重要场所

经研究表明，细胞内所有的中间代谢过程均发生在细胞质中，其中大部分是在细胞质基质中进行的。2.细胞质基质与细胞质骨架密切相关

由于构成细胞质骨架的蛋白质存在于细胞质基质中，因此许多学者认为细胞质骨架是细胞质基质的主要结构成分，它对维持细胞的形态、细胞运动、细胞内的物质运输以及能量传递等有着重要作用，同时也为细胞质基质中的其他成分及细胞器提供了锚定位点。如果离开了细胞质骨架的支持和组织，细胞质基质中的其他成分就失去了锚定点，随之也就丧失了其复杂的高度有序的结构体系，无法完成各种生物学功能。

细胞生物学第四章第一节细胞质基质3.细胞质基质在蛋白质的修饰、蛋白质寿命的控制以及蛋白质选择性降解等方面有重要作用现已发现的蛋白质侧链修饰有100余种，其中绝大多数的修饰是由专一的酶作用于蛋白质侧链的特定位点。已知在细胞质基质中发生蛋的白质修饰主要有：辅酶或辅基与酶的共价结合；蛋白生物活性的磷酸化、去磷酸化；将N-乙酰葡萄糖胺分子加到丝氨酸残基上的糖基化以及某些蛋白质分子末端的甲基化修饰等。这些不同形式的修饰，用以调节蛋白质的生物活性。同时，细胞质基质还在控制蛋白质寿命、降解变性和错误折叠的蛋白质以及帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠为新的正确的分子构象等方面起重要作用。

细胞生物学第四章第二节内质网一、内质网的形态结构和类型1.内质网的形态结构内质网是由一层单位膜围成的小管、小囊和扁囊所构成的网状结构。其膜厚约5～6nm。通常情况下，这些小管、小囊或扁囊相互连接，形成一个连续的、封闭的网状膜系统，其内腔是相连通的（图4-1）。内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的10%以上。在不同类型的细胞或同一细胞不同的发育，内质网数量、类型与形态差异很大。图4-1内质网立体结构模式图细胞生物学第四章第二节内质网2.内质网的类型根据内质网表面有无核糖体，可分为糙面内质网（roughendoplasmicreticulum,rER）和光面内质网（smoothendoplasmicreticulum,sER）两种基本类型。（1）糙面内质网（rER）

糙面内质网又称为粗面或颗粒型内质网。rER在细胞中多呈扁囊状，排列较为整齐，因其膜的外表面附着有大量颗粒状的核糖体，所以表面粗糙，称为糙面内质网。

（2）光面内质网（sER）光面内质网又称滑面内质网或无颗粒型内质网。这类内质网的膜表面没有核糖体附着，所以表面光滑。光面内质网的结构与糙面内质网不同，多为分支小管或小囊构成的细网，很少有扁囊状的。小管直径为50～100nm，它们连接成网，形成较为复杂的立体结构（图4-3）。细胞生物学第四章第二节内质网图4-2胰腺腺泡细胞中发达的糙面内质网图4-3sER的形态细胞生物学第四章第二节内质网3.内质网的主要组成应用蔗糖密度离心方法，可以从细胞匀浆中分离出内质网的碎片—微粒体。通过对微粒体的生化分析，得知内质网膜和所有细胞的生物膜一样，也由脂类和蛋白质组成。ER中脂类约占1/3，蛋白质约占2/3，相比较而言，rER中蛋白质含量多于sER。内质网膜的脂类含量比细胞膜的少，蛋白质含量比细胞膜的多。脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种蛋白质位于内质网腔中，这些蛋白的分布具有异质性。内质网膜还含有大量的酶，其中葡萄糖-6-磷酸酶被视为内质网膜的标志酶。

细胞生物学第四章第二节内质网二、内质网的功能

1.蛋白质的合成、加工修饰和转运（1）蛋白质的合成和转移细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质中。但是有些蛋白质在合成开始不久便转到内质网膜上进行合成。附着在rER上的核糖体所合成的蛋白质主要有：向细胞外分泌的分泌蛋白，如酶、抗体，激素和细胞外基质成分等；跨膜蛋白；驻留蛋白和溶酶体蛋白；需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白等。这些蛋白质的多肽链往往是边合成边进入内质网。图4-4在结合膜的核糖体上合成分泌蛋白示意图细胞生物学第四章第二节内质网①信号肽的合成。蛋白质的合成是从mRNA结合到游离的核糖体开始的。信号假说认为，在合成分泌蛋白时，游离的核糖体首先合成了一段多肽，在这段多肽的N端含有—信号序列——为18～30个非极性氨基酸残基构成，它指导新生多肽到内质网膜上。这种能引导新合成的肽链转移到内质网上的多肽就是信号肽（signalpeptide）。信号肽还能引导游离的核糖体与内质网膜结合，从而成为附着核糖体，而那些不能合成信号肽的核糖体仍散布于细胞质基质中，即为游离核糖体。细胞生物学第四章第二节内质网

②SRP－核糖体复合体形成。近年来研究证明，在细胞质基质中有一种信号识别颗粒（signalrecognitionparticle,SRP）它主要由6个不同的多肽亚单位和一个小的RNA分子组成，为一种GTP结合蛋白。当信号肽从核糖体上一出现，就被信号识别颗粒（SRP）所识别。SRP迅速与信号肽和糖核体结合，形成SRP－核糖体复合体。此时，SRP占据了核糖体上与tRNA结合的位置，阻止了携带氨基酸的tRNA进入核糖体，从而使蛋白质的合成暂时中止。细胞生物学第四章第二节内质网③SRP－核糖体复合体与内质网膜结合。SRP不仅可识别核糖体上的信号肽，而且还能识别糙面内质网膜上的SRP受体。当SRP－核糖体复合体形成后，在SRP的介导下逐渐向内质网膜靠近，与之接触后便与膜上的SRP受体结合。与此同时，核糖体则与内质网膜上的转移器相结合，从而加强了核糖体与内质网结合的稳定性。SRP受体亦称停泊蛋白，为膜嵌蛋白，暴露于内质网膜的外表面，可与SRP特异结合，当核糖体附着于内质网膜之后，SRP便与SRP受体分离，又回到细胞质基质中，准备完成下一次介导任务，实现了SRP循环。转移器也是膜嵌蛋白，它只存在于糙面内质网，而不存在于光面内质网和原核细胞的细胞膜。

细胞生物学第四章第二节内质网④多肽链进入内质网腔。一旦核糖体牢固结合于内质网膜上，新生肽链含信号肽的一端插入到转移器的通道，信号肽结合到转移器内的一个位点，触发打开到内质网腔的通道，同时SRP被释放，先前处于暂停状态的肽链合成又重新开始，新生肽链随信号肽继续延伸，并通过转移器的通道进入内质网腔。新生的多肽链边合成边向ER腔转移，当新合成的蛋白质的羧基端通过ER膜时，由位于内质网腔面的信号肽酶的作用将信号肽切除，并从转移器孔释放出来，进入内质网腔，很快被其他蛋白酶降解成氨基酸。此时转移器通道关闭，核糖体也随之解离，脱离内质网，重新加入“核糖体循环”。

细胞生物学第四章第二节内质网综上所述，蛋白质转入内质网合成的过程可简单表示为：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，同时信号肽打开转移器的通道→新生肽链进入内质网腔→信号肽被切除→肽链延伸至终止→合成体系解散。值得说明的是，ER上核糖体所合成的如果是分泌蛋白，多肽链则全部穿过ER膜进入ER腔中；若是膜蛋白则存留于ER膜上，形成跨膜蛋白。注定留在膜内的跨膜蛋白的转移过程比可溶性蛋白的转移更为复杂。细胞生物学第四章第二节内质网（2）蛋白质的修饰与加工进入内质网的蛋白质发生的化学修饰作用主要有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化是内质网中最常见的蛋白质修饰，是指一些糖共价地结合到蛋白质上形成糖蛋白的过程。在ER合成的多肽链进入ER腔后，大部分可溶蛋白或结合膜的蛋白质，包括那些注定到高尔基体、溶酶体、质膜或细胞外空间的蛋白质都需要进行糖基化，形成糖蛋白。而在细胞质中游离核糖体上所合成的可溶性蛋白不进行糖基化。

细胞生物学第四章第二节内质网

经研究发现，ER腔里连接到蛋白质上的糖是一种由N－乙酰葡萄糖胺、甘露糖、葡萄糖组成的寡糖，这种寡糖是与蛋白质的天冬酰胺（Asn）残基侧链上的氨基基团连接（图4-5）。在ER腔面，寡糖通过高能的焦磷酸键连接到插入ER膜内的多萜醇上，当新生肽链中与糖基化有关的氨基酸残基出现后，通过内质网腔侧面上的寡糖转移酶的催化，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬酰胺残基上（图4-6）。图4-5N－糖基化的蛋白质细胞生物学第四章第二节内质网图4-6在rER腔内蛋白质的糖基化作用细胞生物学第四章第二节内质网（3）蛋白质的转运

新合成的分泌蛋白在内质网腔中经过糖基化等修饰加工之后，由内质网分离出来的囊泡所包裹，形成运输小泡，并转运到高尔基体中。随后便在高尔基体内转变为浓缩泡，再经浓缩泡浓缩形成分泌颗粒而被排出细胞之外。这是分泌蛋白的常见排出途径。另一种途径是含有分泌蛋白的小泡由内质网脱落后，直接形成浓缩泡，再由浓缩泡变为分泌颗粒而被排出。细胞生物学第四章第二节内质网2.脂类的合成内质网是脂类合成的重要场所。已经实验证明，大部分膜的脂双层是在内质网组装的。ER膜能合成几乎所有细胞需要的脂类，包括磷脂和胆固醇。其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱(又称卵磷脂)。磷脂酰胆碱是由两个脂肪酸、一个磷酸甘油和一个胆碱在三种酶的催化下合成的。这些酶位于sER的脂类双层内，它们的活性部位都朝向细胞质基质。这样，新合成的脂类分子最初只嵌入sER脂类双层的细胞质基质面。磷脂酰胆碱的合成过程如图4-7所示。首先由酰基转移酶催化细胞质中的脂酰辅酶A和3-磷酸甘油，将2个脂肪酸加到磷酸甘油上，形成磷脂酸，磷脂酸为非水溶性化合物，合成后便保留在脂类双层中；然后，在磷酸酶的作用下，将磷脂酸转化为二酰基甘油；最后，再在胆碱磷酸转移酶的催化下，由二酰基甘油和CDP-胆碱合成磷脂酰胆碱。除磷脂酰胆碱外，其它几种磷脂，如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸以及磷脂酰肌醇等都以类似的方式合成。细胞生物学第四章第二节内质网在内质网膜上合成的磷脂很快就由细胞质基质侧转向内质网膜腔面，其中有的插入到脂双分子里，有的向其它膜转运。其转运主要有两种方式：一种是以出芽的方式，以运输小泡转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；另一种方式是凭借一种水溶性的载体蛋白，即磷脂转换蛋白（phospholipidexchangeprotein，PEP）在膜之间转移磷脂。其转运模式是：PED与磷脂分子结合形成水溶性的复合物进入细胞质基质，通过自由扩散，直到靶膜时，PEP将磷脂释放出来，并安插在膜上，结果使磷脂从含量高的膜转移到缺少磷脂的膜上。细胞中转移到线粒体或过氧化物酶体膜上的磷脂就是通过此方式转运的。细胞生物学第四章第二节内质网图4-7磷脂酰胆碱在ER膜上合成的过程细胞生物学第四章第二节内质网3.糖类代谢已有实验证明内质网参与糖原的分解。在sER膜上含有葡萄糖-6-磷酸酶，它可以催化细胞基质中肝糖原降解所产生的葡萄糖-6-磷酸，使之分解成磷酸和葡萄糖，然后葡萄糖进入内质网腔再被释放到血液中。4.解毒作用肝的解毒作用主要是由肝细胞的sER来完成的。生化研究得知，sER膜上集中着重要的氧化酶系，如细胞色素－、NADPH－细胞色素c还原酶等。许多对有机体有害的物质，如药物和毒物等经氧化酶系的氧化、羟化等作用后，或被解除毒性，或转化为易于排泄的物质而排出体外。细胞生物学第四章第三节高尔基体一、高尔基体的形态结构

图4-8高尔基体立体结构细胞生物学第四章第三节高尔基体1.高尔基体顺面膜囊及顺面网状结构这部分是由高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊和与其相连的网状结构组成，是中间多孔而呈连续分支的管状结构。其膜厚约6nm，比高尔基体其它部位的膜略薄，但与内质网膜厚接近。在顺面可见许多由糙面内质网“芽生”的运输小泡，并可观察到运输小泡与扁平囊的顺面向融合的现象。一般认为该结构的主要功能是接受和分选由内质网新合成的蛋白质和脂类，分选后将其大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质和脂类再返回内质网。顺面高尔基体网状结构可被锇酸特异地染色，此反应可作为高尔基体顺面的标志反应。细胞生物学第四章第三节高尔基体2.高尔基体中间膜囊高尔基体中间膜囊是由扁平膜囊与管道组成，形成不同的间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。该部分主要执行糖基化修饰、糖脂形成及多糖的合成等功能。高尔基中间膜囊中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶(NADP酶)是该结构的标志酶。3.高尔基体反面膜囊及反面网状结构这部分是由高尔基体反面最外侧的扁平膜囊和与其相连的网状结构组成，形态呈管网状，并有分泌泡与之相连。该结构的主要功能是对蛋白质进行分类和包装，之后这些蛋白质将由分泌泡输出或运向溶酶体。通常采用焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)和胞嘧啶核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应显示该结构。细胞生物学第四章第三节高尔基体图4-9高尔基体三维结构模型细胞生物学第四章第三节高尔基体二、高尔基体的化学组成对高尔基体膜的成分分析表明，其蛋白质含量约占60%，脂类含量约占40%。其中具有一些和ER共同的蛋白质成分，膜脂成分介于ER和质膜之间，这说明高尔基体是处于内质网和细胞膜之间的一种过渡性的细胞器。高尔基体中的酶主要有催化糖及蛋白质生物合成的糖基转移酶；催化糖脂合成的磺基-糖基转移酶；催化磷脂合成的转移酶和磷脂酶以及酪蛋白磷酸激酶、甘露糖苷酶等。高尔基体的标志酶是焦磷酸硫胺素酶和胞嘧啶核苷酸酶及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶。细胞生物学第四章第三节高尔基体三、高尔基体的功能1.参与细胞的分泌活动应用放射自显影技术，可观察到高尔基体在细胞分泌活动中的作用。图4-10H－亮氨酸追踪分泌蛋白运输过程示意图细胞生物学第四章第三节高尔基体2.蛋白质的修饰与加工（1）蛋白质的糖基化及其修饰

O-连接的主要或全部是在高尔基体内进行的，这些蛋白质的丝氨酸、苏氨酸残基侧链的－OH基与寡糖共价结合，形成0－连接寡糖蛋白。

图4-11N-连接寡糖在内质网和高尔基体中的加工过程（至少有11种以上的酶参与引自Albertetal.，1989）细胞生物学第四章第三节高尔基体内质网和高尔基体中，所有与糖基化及寡糖的加工有关的酶都是整合膜蛋白。它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。寡糖链的合成与加工非常像在一条装配流水线上，糖蛋白从细胞器的一个间隔运送到另一个间隔，固定在间隔内壁上的一套排列有序的酶系，依次进行一道道加工，前一个反应的产物又作为下一个反应的底物，确保只有加工过的底物才能进入下一道工序。要正确修饰加工某种蛋白，必须依次通过所有的工序。细胞生物学第四章第三节高尔基体（2）特异蛋白的水解有很多肽激素和神经多肽，在转运到高尔基体的反面网状结构及其所生成的小泡中时，经其上的蛋白质水解酶的作用，发生特异地水解，从而成为有生物活性的多肽。蛋白质在高尔基体中酶解加工的方式有三种：一是将没有生物活性的蛋白原端或两端的序列切除形成有活性的多肽，如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白等；二是将含有重复氨基酸序列的前体切割成有活性的多肽，如神经肽等；三是根据前体中不同的信号序列或同一前体在不同细胞中的不同加工方式而加工成不同种的多肽。细胞生物学第四章第三节高尔基体3.分选蛋白质的功能经修饰后形成的溶酶体酶、分泌蛋白和膜蛋白，在高尔基体中通过形成不同的转运泡，以不同的途径被分选、转运到细胞的不同部位，发挥其特殊功能。下面以溶酶体蛋白的分选为例，说明高尔基体分选蛋白质的功能。

由上述功能可知高尔基体是一个结构复杂、高度组织化的细胞器。每个部分都有其独持的结构和酶系统，发挥着不同的作用。最近，有人提出了高尔基体的扁平囊泡具有生化区室的看法。他们用密度梯度离心的方法，分出三个不同密度的高尔基体碎片，每种碎片都有它特定的酶。进一步研究发现，－乙酰葡萄糖胺转移酶I只在高尔基体叠层中央的两三个扁囊里，即中间膜囊；半乳糖转移酶存在于反面膜囊中；磷酸转移酶存在于顺面膜囊内。可见，蛋白质在不同的区室内进行不同的修饰。因此，区室化可能对分类运送蛋白质有着重要作用。蛋白质经过高尔基体不同部分的连续修饰，最后形成各种不同去向的物质(图4-12)。

细胞生物学第四章第三节高尔基体图4-12高尔基体中的功能区隔化示意图（仿B.Albert，等）Man(甘露糖)GlcNAc(N－乙酰葡萄糖胺)Gal(半乳糖)NANA(唾液酸)细胞生物学第四章第四节溶酶体一、溶酶体的形态结构及类型1.溶酶体的形态结构溶酶体通常为球形，其大小差异较大。直径一般在0.2～0.8m之间，最小的为0.05m，最大的可达几微米。由于溶酶体中含有高浓度的酸性磷酸酶，因此用Gomori的酸性磷酸酶法显示，在光镜下成为可见的小颗粒。用电镜细胞化学方法观察，可见溶酶体是由一层厚约6nm的单位膜包围、内含多种高浓度酸性水解酶的一种球形囊状结构。在不同的细胞内溶酶体的形态和数量有很大差异,即使在同一种细胞中，溶酶体的大小、形态也有很大区别，这主要是由于每个溶酶体处于其不同生理功能阶段的缘故。细胞生物学第四章第四节溶酶体2.溶酶体的类型溶酶体的酶蛋白是在糙面内质网的核糖体上合成的，溶酶体形成的主要部位是高尔基体。根据溶酶体的发育和生理功能状况，可将溶酶体分为初级溶酶体、次级溶酶体和残余溶酶体。初级溶酶体呈球形，直径约0.2～0.5m，膜厚7.5nm，内含物均匀，无明显颗粒，是高尔基体分泌形成的（图4-13）。含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有酶活性。这时的溶酶体尚未开始进行消化作用。图4-13初级(A)和次级(B)溶酶体细胞生物学第四章第四节溶酶体次级溶酶体是初级溶酶体与细胞内的自噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体（图4-13）。可分为异噬溶酶体和自噬溶酶体，前者消化的物质来自外源，后者消化的物质来自细胞本身的各种组分。两者都是正在进行消化作用的溶酶体。图4-14动物细胞溶酶体系统示意图

细胞生物学第四章第四节溶酶体二、溶酶体的功能1.细胞的消化作用溶酶体内含消化各类大分子的酶，主要功能是消化分解各种生物高分子物质，它是细胞内一个极其复杂而精致的消化系统。溶酶体酶也可外倾至细胞外发挥作用。根据被消化物质的来源不同，细胞内的消化可分为异噬作用和自噬作用。（1）异噬作用

溶酶体对细胞外源性异物的消化过程称为异噬作用。细胞经常从外界环境中摄取营养或异物(如大分子物质或微生物)。

（2）自噬作用

溶酶体消化细胞自身衰老的细胞器和生物大分子的过程称为自噬作用。

细胞生物学第四章第四节溶酶体自噬作用主要出现于以下情况：①在细胞新陈代谢中，一些衰老或变性的细胞结构通过自噬作用，逐渐被消化，由此对细胞内的细胞器、膜性结构和酶进行不断的更新；细胞在饥饿状态下溶酶体消化细胞自身的部分物质，以维持细胞的生存，提供营养，以避免整个细胞的死亡；②细胞在衰老或病理状态下，也会发生自噬作用，这可能是一种病态反应，开始或许有利于延续细胞的生存，但结果加速了细胞的破坏与死亡。细胞生物学第四章第四节溶酶体2.细胞的自溶作用自溶作用是指在细胞内溶酶体膜破裂，释放出其中的水解酶,引起细胞自身的溶解、死亡，使整个细胞被释放的酶所消化的过程，又称为细胞自溶。在正常的个体发生过程中，器官、组织的改建，通常是通过组织细胞的破坏和新生实现的。这涉及到程序性细胞死亡或细胞凋亡的问题，虽然引起这些过程的机制尚不十分清楚，但一般认为溶酶体起着重要的作用。溶酶体不仅使细胞崩解，而且使生物的大分子分解代谢，其中一些物质又可供给组织细胞再利用。

3.溶酶体在细胞外的作用一般情况下溶酶体在细胞内行使功能，但有时溶酶体酶释放到细胞外去发挥作用。

细胞生物学第四章第五节过氧化物酶体一、过氧化物酶体的结构过氧化物酶体是由单层膜包裹、内含一种或几种氧化酶类的圆球形小体。(图4-15)。图4-15哺乳动物细胞过氧化物酶体细胞生物学第四章第五节过氧化物酶体过氧化物酶体在不同的组织细胞中，其数目、结构和形状