细胞质基质和内膜系统

细胞质基质和内膜系统第一页，共六十页，2022年，8月28日概念细胞质基质(cytoplasmicmatrix/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(cellsap)、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、过氧化物酶体和分泌泡等。第二页，共六十页，2022年，8月28日第一节细胞质基质(cytomatrix)第三页，共六十页，2022年，8月28日一细胞质基质的成分1.小分子：水和无机离子2.中等分子:糖类、脂类、核苷酸、氨基酸及其衍生物；3.大分子物质：蛋白质、脂蛋白、多糖、糖原、脂滴和RNA；

第四页，共六十页，2022年，8月28日细胞质基质并非一个杂乱无章的体系：

空间高度区隔化：内膜系统和细胞骨架将其高度区隔化，蛋白质直接或间接地与细胞骨架或生物膜结合，

大分子复合体：蛋白之间或与核酸等其他大分子之间可形成复合体。

形成某些特定功能区第五页，共六十页，2022年，8月28日核糖体蛋白质mRNAtRNA骨架蛋白第六页，共六十页，2022年，8月28日二细胞质基质的功能1.中间代谢：糖酵解过程、脂肪酸合成、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。第七页，共六十页，2022年，8月28日3.蛋白质合成、修饰和选择性降解：1）蛋白质合成

所有蛋白质合成起始于细胞质基质第八页，共六十页，2022年，8月28日

2）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)某些蛋白N端甲基化修饰。(5)酰基化。第九页，共六十页，2022年，8月28日3)蛋白质的降解

a.蛋白质N端的第一个aa残基可决定其寿命,为Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，则稳定；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。第十页，共六十页，2022年，8月28日依赖于泛素(遍在蛋白,ubiquitin)的蛋白降解途径泛素：含76个aa，可共价结合到不稳定蛋白N端，起标签作用。蛋白酶体：含多个亚单位的蛋白复合体，可特异识别结合泛素的蛋白，将其水解，是“蛋白垃圾处理厂”。蛋白酶体第十一页，共六十页，2022年，8月28日1.

泛素活化酶（E1）在ATP供能下激活泛素分子。2.

泛素结合酶

（E2）结合活化的泛素分子。3.泛素连接酶（E3）辨认需被销毁的蛋白，指引E2将泛素分子连接到指定蛋白上。

2004诺贝尔化学奖细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程：第十二页，共六十页，2022年，8月28日泛素结合酶泛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第十三页，共六十页，2022年，8月28日蛋白酶体4.被泛素标记的蛋白从E3上释放。5.重复上述过程，目的蛋白上加上一个泛素链。6.蛋白酶体识别泛素分子标签并将蛋白质切成短肽链，但泛素不被破坏，可重新利用。

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：第十四页，共六十页，2022年，8月28日

最初发现蛋白质的胞外降解不需能，如同大楼自然倒塌，勿需炸药爆破。如人吃进的蛋白质在消化道中被降解为氨基酸，后被吸收，这主要依靠蛋白水解酶，无须ATP。２０世纪５０年代：发现蛋白质在胞内降解需能？七八十年代的系列研究，揭示了这种需能、高效、指向性强的降解过程。这如同定时、定点、定向地拆除大楼，则需要炸药进行爆破。

就象一位质量监督员的严格把关，把没通过质检的蛋白（约３０％新合成的蛋白质）销毁。把关不严，就会使次品蛋白蒙混过关；过严则又会使合格蛋白供不应求。这都容易使生物体出现一系列问题。如Ｐ５３蛋白质可以抑制细胞发生癌变，若对其生产把关不严，就会导致抑制细胞癌变的能力下降，诱发癌症。第十五页，共六十页，2022年，8月28日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折叠，形成正确的分子构象靠热休克蛋白(heatshockprotein，Hsp或称stress-responseprotein)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。第十六页，共六十页，2022年，8月28日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。第十七页，共六十页，2022年，8月28日一内质网的形态结构与类型1内质网的形态结构

内质网(endoplasmicreticulum，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。

内质网膜与外层核膜和质膜是连续的，ER内腔与两层核膜间的腔相通连。

原核细胞中的细胞膜代行内质网的某些功能。第十八页，共六十页，2022年，8月28日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第十九页，共六十页，2022年，8月28日第二十页，共六十页，2022年，8月28日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）第二十一页，共六十页，2022年，8月28日粗面内质网

(roughendoplasmicreticulum，rER)：表面粗糙，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：合成分泌性蛋白和多种膜蛋白；第二十二页，共六十页，2022年，8月28日滑面内质网

(smoothendoplasmicreticulum，sER)：表面光滑，无核糖体附着，常由分支小管或圆形小泡构成，小管直径50～100nm，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。第二十三页，共六十页，2022年，8月28日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）第二十四页，共六十页，2022年，8月28日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(sarcoplasmicreticulum)粗面内质网的多少可用来估计细胞分化程度和功能状态：

分化程度低细胞中，内质网很少；在分化程度不同的肿瘤细胞中，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。第二十五页，共六十页，2022年，8月28日粗面内质网的发达程度可作为细胞分化程度和功能状态的一种形态特征，下面那种说法是错误的：

A．分化程度低的细胞，粗面内质网不发达B．胰腺细胞中粗面内质网发达C．胚胎细胞及干细胞中粗面内质网不发达D．浆细胞中粗面内质网发达

E．生长速度快，恶性程度高的肿瘤细胞中，粗面内质网发达第二十六页，共六十页，2022年，8月28日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60～120min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,称为微粒体。第二十七页，共六十页，2022年，8月28日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。

第二十八页，共六十页，2022年，8月28日三内质网的功能合成蛋白质及脂类；糖代谢和解毒作用；物质运输、物质交换；细胞机械支持。第二十九页，共六十页，2022年，8月28日（一）蛋白质合成

所有蛋白质合成起始于游离核糖体，其中有些再转移到内质网上继续合成,主要有：①分泌到胞外的蛋白：如抗体、激素；②膜整合蛋白；③某些细胞器的驻留蛋白（溶酶体、液泡、线粒体和高尔基体）；④需修饰的蛋白：如糖蛋白。第三十页，共六十页，2022年，8月28日附着核糖体游离核糖体游离和附着核糖体上合成的蛋白第三十一页，共六十页，2022年，8月28日信号假说(signalhypothesis)

G．Blobel&D．Sabatini等(1975)提出，即分泌性蛋白N端序列含有信号肽，指导分泌性蛋白到达内质网膜，然后继续完成合成，在蛋白合成结束前信号肽被切除。

1999年诺贝尔医学和生理学奖分泌性蛋白如何准确进入内质网？（P231)第三十二页，共六十页，2022年，8月28日细胞质基质ER腔信号肽第三十三页，共六十页，2022年，8月28日①信号肽(signalpeptide)：位于蛋白质N端，含13-26个氨基酸，其在游离核糖体上翻译合成，能引导肽链跨内质网膜进入内质网腔，又称开始转移序列。N端：含带正电荷氨基酸（≥1)；

中部：10-15个疏水氨基酸(丙氨酸、异亮/亮氨酸、

缬氨酸、苯丙氨酸)；C-端：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分泌蛋白转移到内质网合成过程中涉及组分：第三十四页，共六十页，2022年，8月28日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-Ser↓Arg．．．前IgG轻Met-Asp-Met-Arg-Ala-Pro-Ala-Gln-Ile-Phe-Gly-Phe-Leu-Leu-Leu-Leu-Phe-Pro-Gly-Thr-Arg-Cys↓Asp．．．溶酶体酶前体PrelysozymeMet-Arg-Ser-Leu-Leu-Ile-Leu-Val-Leu-Cys-Phe-Leu-Pro-Leu-Ala-Ala-Leu-Gly↓Lys．．．↓为信号肽酶切割位点第三十五页，共六十页，2022年，8月28日三个功能结构域

位于细胞质基质中

组成：

7sRNA(300个碱基)+6种不同的蛋白质

②信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP）：7sRNA第三十六页，共六十页，2022年，8月28日功能：1)识别并结合信号肽，防止新生肽N端受损和成熟前折叠

；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。第三十七页，共六十页，2022年，8月28日③SRP受体：也称停泊蛋白(dockingprotein，DP)，为膜整合蛋白，位于内质网膜的胞质面。可识别并特异结合SRP。④易位子(translocon)：

由TRAM蛋白和Sec61蛋白构成，结合信号肽和停止转移序列，引导新生肽进入ER腔，协助跨膜蛋白形成。第三十八页，共六十页，2022年，8月28日⑤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高，结合易位子后阻止肽链继续进入网腔，是跨膜蛋白的跨膜段。停止转移序列第三十九页，共六十页，2022年，8月28日+微粒体＋SRP

＋DP产生含信号肽的完整多肽合成70～100aa后，肽链停止延伸信号肽途径中各组分功能的实验确定信号肽切除，肽链进入微粒体ER腔中含切除信号肽的酶含信号肽的蛋白游离核糖体+含编码信号序列的mRNASRP阻止蛋白合成DP可重新启动由SRP阻止的蛋白合成第四十页，共六十页，2022年，8月28日第四十一页，共六十页，2022年，8月28日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→信号肽结合SRP→肽链延伸终止→SRP结合DP→核糖体结合ER膜上的核糖体受体→SRP脱离信号肽，被释放→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。第四十二页，共六十页，2022年，8月28日停泊蛋白易位子第四十三页，共六十页，2022年，8月28日跨膜蛋白：多肽链疏水性节段形成的α螺旋跨膜。内信号肽：位于多肽链内部的疏水性信号序列，内信号肽具有起始转移和终止转移信号功能。停止信号可以使易位子钝化，使多肽链转移停止，跨膜。3跨膜蛋白形成膜第四十四页，共六十页，2022年，8月28日1）单次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：

a有一个末端起始转移序列（信号肽）和一个停止转移序列，依靠停止转移序列跨膜。

b有一个中间转移信号序列,依靠其转移和跨膜。第四十五页，共六十页，2022年，8月28日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。第四十六页，共六十页，2022年，8月28日3）多次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：

具有两个以上中间转移序列和停止转移序列，多肽链来回重复穿过脂双层。第四十七页，共六十页，2022年，8月28日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第四十八页，共六十页，2022年，8月28日（二）蛋白质的修饰与加工

糖基化羟基化酰基化形成二硫键第四十九页，共六十页，2022年，8月28日蛋白糖基化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。第五十页，共六十页，2022年，8月28日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。糖基转移酶第五十一页，共六十页，2022年，8月28日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？第五十二页，共六十页，2022年，8月28日（三）新生蛋白的折叠与装配

新生蛋白在内质网内靠多肽链间的疏水相互作用和侧链基团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：①ER膜腔面的蛋白二硫键异构酶

可切断新蛋白中错误的二硫键，形成正确二硫键并正确折叠；②结合蛋白(bindingprotein，Bip，一种Hsp70)：识别并结合未装配好或错误折叠蛋白，使其重新折叠与装配；③Sec61复合转运体（易位子）识别畸形肽链，将其转运入胞质，被蛋白酶体降解。④钙联结蛋白（Calnexin）：结合钙离子的分子伴侣,监督糖基化蛋白的折叠第五十三页，共六十页，2022年，8月28日（四）膜脂的合成合成几乎所有细胞膜需要的脂类；膜脂合成与蛋白质合成和运输密切相关；细胞膜成分“源泉”。第五十四页，共六十页，2022年，8月28日①磷脂在胞质面合成：