第7章细胞质基质与内膜系统

1、翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第细胞生物学（第4版）版）第第7章章 细胞质基质与内膜系统细胞质基质与内膜系统本章主要内容本章主要内容 细胞质基质及其功能 细胞内膜系统及其功能 内质网 高尔基体 溶酶体 过氧化物酶体真核细胞内区室化真核细胞内区室化第一节第一节 细胞质基质及其功能细胞质基质及其功能一、细胞质基质的含义 在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，占据着细胞膜内、细胞核外的细胞内空 间，称细胞质基细胞质基质（质（cytoplasmic matrix） 生物化学家多称之为胞质溶胶胞质溶胶（cytosol） 细胞质基质很可能是一种高度一种高度有序的体系有序的体系

2、关键在于细胞质骨架纤维贯穿其中，起重要的组织作用大分子拥挤大分子拥挤 (Macromolecular crowding)The crowded state of the cytoplasm in (a) eukaryotic and (b) E. coli cells二、细胞质基质的功能 完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等 为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所 与细胞质骨架相关的功能 维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递；细胞质基质结构体系的组织者 与细胞膜相关的功能 细胞质基质产生区室化；依靠细胞膜或细胞器膜上的泵蛋白和离子通道维持细胞 内外跨膜的离子梯

3、度 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解1. 蛋白质的修饰蛋白质的修饰 辅酶或辅基与酶的共价结合 磷酸化与去磷酸化 蛋白质糖基化作用 甲基化修饰 酰基化2. 控制蛋白质的寿命控制蛋白质的寿命N 端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-and proteasome-mediated pathway）2004 年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 发现泛素调节的蛋白质降解3. 降解变性和错误折叠的蛋白质降解变性和错误折叠的蛋白质细胞质基质中的变性蛋白质、错误折叠的蛋白质、 含有被氧化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白质，不管

4、其 N 端氨基酸残基是否稳定，常常很快被降解清除4. 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠热休克蛋白（热休克蛋白（heat shock protein， HSP）：一类进化上高度保守的蛋 白质家族，作为分子伴分子伴 侣（侣（molecular chaperone）发挥多种作用，协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配等第二节第二节 细胞内膜系统及其功能细胞内膜系统及其功能一、内质网 糙面内质网（rER） 光面内质网（sER） 特殊类型的内质网特殊类型的内质网 微粒体微粒体 (microsome) 肌质网肌质网 (sarcoplasmic reticulum)（一）

5、内质网的两种基本类型（一）内质网的两种基本类型糙面内质网与光面内质网结构糙面内质网与光面内质网结构A.胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，内质网膜及外核膜上附有核糖体B.黄体细胞有丰富的光面内质网C. Cos-7 细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布：绿色显示两种形式的内质网，叠加色（黄）显示糙面内质网区rER和和sER的分离的分离（二）内质网的功能（二）内质网的功能 向细胞外分泌的蛋白质向细胞外分泌的蛋白质 膜的整合蛋白膜的整合蛋白 细胞器中的可溶性驻留蛋白细胞器中的可溶性驻留蛋白1. 蛋白质的合成是糙面内质网蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能的主要功能合成磷脂所需要的3 种酶活性部位都定位在

6、内质网膜的细胞质基质侧细胞质基质侧2光面内质网是脂质合成的重要场所光面内质网是脂质合成的重要场所磷脂转位蛋白或称转位酶（磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）膜脂的不对称性？膜脂的不对称性？A. 通过膜泡转运脂质通过膜泡转运脂质 B. 通过通过PEP 介导的脂质转运介导的脂质转运C. 膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式3. 蛋白质的修饰与加工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

7、水解切割蛋白质糖基化蛋白质糖基化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 -连接与连接与O -连接的寡糖比较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糙面内质网中蛋白质糙面内质网中蛋白质N -连接糖基化过程连接糖基化过程内质网腔二硫键形成内质网腔二硫键形成4. 新生多肽的折叠与组装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

8、分泌转运途径中行使质量监控的重要场所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折叠错误的多肽被送到细胞质中,被泛素被泛素(ubiquitin)结合结合,然后送到然后送到蛋白酶体蛋白酶体(proteosome)中降解中降解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Molecular & Cellular Proteomics May 2007 vol. 6 no. 5 798-811 5. 内质网的其他功能内质网的其他功能 肝细胞的解毒作用细胞色素P-4505. 内质网的其他功能内质网的其他功能

9、 肌质网储存和释放Ca2+ 5. 内质网的其他功能内质网的其他功能 内质网上糖原的合成与分解 固醇类激素的合成 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 条途径引发内质网内质网应激（应激（ERS）反应）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（三）内质网应激及其信号调控（三）内质网应激及其信号调控未折叠蛋白质应答反应（未折叠蛋白质应答反应（UPR）SREBP 的胆固醇敏感调控的胆固醇敏感调控Nature , 2006, 443, 796-802ERS 反应引发的细胞凋亡反应引发的

10、细胞凋亡二、高尔基体Camillo Golgi 1898 年，意大利医生Camillo Golgi 用镀银法首次在神经细胞内观察到一种网状结构， 命名为内网器（internal reticular apparatus）。后来在很多细胞中相继发现了类似的结构并称之为高尔基体。直到20世纪50 年代以后随着电子显微镜技术的应用和超薄切片技术的发展，才确证了高尔基体的存在（一）高尔基体的形态结构与极性（一）高尔基体的形态结构与极性高尔基体是一种有极性的细胞器高尔基体的种标志细胞化学反应高尔基体的种标志细胞化学反应 嗜锇反应（顺面膜囊） 焦磷酸硫胺素酶（TPP 酶）反应（反面的12 层膜囊） 胞嘧啶单

11、核苷酸酶（CMP 酶）和酸性磷酸酶反应（反面膜囊状和反面管 网结构） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应（中间几层）A. 膜泡运输模型 B. 膜囊成熟模型高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种模型高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种模型（二）高尔基体的功能（二）高尔基体的功能 高尔基体是细胞内大分子加工转运的枢纽 对内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后定向转运 内质网合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输 高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂1. 高尔基体与细胞的分泌活动高尔基体与细胞的分泌活动 高尔基体TGN区是蛋白质包装分选的关键枢纽，至少有3 条分选途径（1）溶酶

12、体酶的包装与分选途径 甘露糖-6- 磷酸（M6P）标记（2）可调节性分泌（regulated secretion）途径 特化类型的分泌细胞（3）组成型分泌（constitutive secretion）途径 所有真核细胞，均可通过分泌泡连续分泌某些蛋白质至细胞表面发生在高尔基体发生在高尔基体TGN 区的蛋白质分选途径区的蛋白质分选途径2. 蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白质糖基化的生物学功能 蛋白质糖基化类型 蛋白聚糖在高尔基体中组装 植物细胞多糖的合成与分泌 糖脂的合成与加工（1）蛋白质糖基化的生物学功能）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

13、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（2）蛋白质糖基化类型）蛋白质糖基化类型特特 征征 N-连接连接 O-连接连接合成部位粗面内质网高尔基体合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去与之结合的氨基酸残基一个个单糖加上去丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸最终长度 至少5个糖残基一般14个糖残基，但ABO血型抗原较长第一个

14、糖残基N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺等N -连接寡糖的核心糖基是在内质网装配后转移到的高尔基体的；N -连接寡糖的进一步加工修饰在高尔基体上完成N -连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程（3）蛋白聚糖在高尔基体中组装）蛋白聚糖在高尔基体中组装由一个或 多个糖氨聚糖 (glycosaminoglycan)结合到核心蛋白的丝氨酸Ser残基上，直接与Ser羟基结合的不是N-乙酰半乳糖胺而是木糖（xylose）3. 蛋白酶的水解和其他加工过程蛋白酶的水解和其他加工过程 无生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，切除N 端或两端的序列形成成熟多肽

15、。如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白等 含有多个相同氨基酸序列的前体，在高尔基体中被水解形成同种有活性的多肽，如神经肽等 同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工，产生不同种类的多肽，增加了细胞信号分子的多样 性胰岛素原的加工胰岛素原的加工三、溶酶体图 溶酶体的发现过程（酸性磷酸酶存在于膜结合小泡中）左：造成膜泡破裂及酸性磷酸酶释放的条件右：鼠肝线粒体分离组分置于低渗条件下检测的酸性磷酸酶活性曲线（一）溶酶体的形态结构与类型（一）溶酶体的形态结构与类型 异质性细胞器 初级溶酶体 次级溶酶体 残质体（一）溶酶体的形态结构与类型（一）溶酶体的形态结构与类型 溶酶体含有多种酸性水解酶类，酶的最

16、适pH 为5.0 左右 酸性磷酸酶是常用的标志酶 溶酶体膜成分特殊 嵌有质子泵 具有多种载体蛋白 膜蛋白高度糖基化 次级溶酶体分为自噬溶酶体和异噬溶酶体（二）溶酶体的功能（二）溶酶体的功能溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，一般可概括成内吞作用内吞作用、 吞噬作用和自噬吞噬作用和自噬作用作用3 种途径1. 清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老 损伤和死损伤和死 亡的细胞亡的细胞Aaron Ciechanover. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2005, 6, 79-872. 防御功能防御功能 防御功能

17、是某些细胞特有的功能，它可以识别并 吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并 进一步降解3. 其他重要的生理功能其他重要的生理功能 作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养 在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒， 参与分泌过程的调节 程序性死亡后的细胞被周围吞噬细胞溶酶体消化清除 受精过程中的顶体反应细菌的哪部分结构细菌的哪部分结构类似溶酶体？类似溶酶体？植物细胞液泡植物细胞液泡（三）溶酶体的发生（三）溶酶体的发生溶酶体酶的合成及溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（连接的糖基化修饰（rER） 高尔基体高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化M6PN-乙

18、酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶磷酸转移酶高尔基体高尔基体trans-膜囊和膜囊和TGN膜（膜（M6P受体）受体）溶酶体酶分选与局部浓缩溶酶体酶分选与局部浓缩以出芽的方式转运到前溶酶体以出芽的方式转运到前溶酶体磷酸葡萄糖苷酶磷酸葡萄糖苷酶磷酸化识别信号：信号斑磷酸化识别信号：信号斑溶酶体酶的加工与分选溶酶体酶的加工与分选溶酶体酶从高尔基体溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体和细胞表面转运到溶酶体溶酶体酶分选途径多样化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，同样可与胞外的溶酶体酶结

19、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 还存在不依赖于不依赖于M6P的分选途径的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体的perforin和granzyme） （四）溶酶体与疾病（四）溶酶体与疾病 溶酶体储积症（lysosomal storage diseases）：溶酶体缺乏某种水解酶，导致相应的底物不能被降解而积蓄在溶酶体内 如泰萨二氏病；细胞病等 溶酶体膜稳定性下降，水解酶外溢导致的相关疾病 如矽肺、类风湿性关节炎等四、过氧化物酶体 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细胞器 存在于所有动物细胞和很多植物细胞中 异

20、质性细胞器鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体和其他细胞 器如线粒体等（一）过氧化物酶体与溶酶体的区别（一）过氧化物酶体与溶酶体的区别 过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征 通过密度梯度离心密度梯度离心可分离过氧化物酶体和溶酶体过氧化物酶体与溶酶体在成分、功能及发生方式等方面的差异过氧化物酶体与溶酶体的特征比较过氧化物酶体与溶酶体的特征比较（二）过氧化物酶体的功能（二）过氧化物酶体的功能 动物细胞中： 参与脂肪酸的-氧化具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入