细胞质基质与细胞内膜系统示范课件

细胞质基质与细胞内膜系统（优选）细胞质基质与细胞内膜系统第一节细胞质基质(cytomatrix)一细胞质基质的成分1.水和无机离子H2O以游离态和结合态两种方式存在，以游离态存在的H2O主要用作溶剂；2.糖类、脂类、核苷酸、氨基酸及其衍生物等中等分子；3.糖原和脂滴等处于储藏状态的化合物；4.蛋白质、脂蛋白、多糖和RNA等大分子 蛋白质约占20~30％数千种酶类&骨架结构蛋白；细胞质基质是一个高度有序的体系蛋白质直接或间接地与细胞骨架或生物膜结合；蛋白之间或与其他大分子之间可形成复合体。核糖体蛋白质mRNAtRNA骨架蛋白二细胞质基质的功能1.完成中间代谢糖酵解过程、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质骨架实现，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。3.蛋白质的修饰和选择性降解1）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)对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰。(5)酰基化。

2）控制蛋白质的寿命

a.蛋白质N端的第一个aa残基可决定蛋白质寿命,其为Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，则蛋白质稳定；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。

最初的一些研究发现，蛋白质的降解不需要能量，这如同一幢大楼自然倒塌一样，并不需要炸药来爆破。比如人吃进食物，食物中的蛋白质在消化道中就被降解为氨基酸，随后被人体吸收。此过程主要依靠蛋白水解酶，无须ATP。20世纪50年代蛋白质胞外降解不需能，而在胞内降解却需能。这成为困惑科学家很长时间的一个谜。20世纪7080年代一系列研究，揭示了一种需要能量、高效率、指向性很强的降解过程。这如同拆楼一样，如果大楼自然倒塌，并不需要能量，但如果要定时、定点、定向地拆除一幢大楼，则需要炸药进行爆破。原因它如同一位重要的质量监督员，通过它的严格把关，把没有通过质检蛋白质（３０％新合成的蛋白质）销毁。把关不严，就会使不合格蛋白质蒙混过关；如果过严，又会使合格的蛋白质供不应求。这都容易使生物体出现一系列问题。比如，一种称为“基因卫士”的Ｐ５３蛋白质可以抑制细胞发生癌变，但如果对Ｐ５３蛋白质的生产把关不严，就会导致人体抑制细胞癌变的能力下降，诱发癌症。依赖于泛素(遍在蛋白,ubiquitin)的蛋白降解途径泛素含76个氨基酸的蛋白，可共价结合到含不稳定aa残基的蛋白的N端，起标签作用，被贴上“标签”的蛋白质就会被运送到细胞内的“垃圾处理厂”内降解。蛋白酶体由多个亚单位形成的复合体，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1.泛素活化酶（E1）:激活泛素分子，需ATP供能。2.泛素结合酶（E2）:激活的泛素分子结合3.泛素连接酶（E3）:可辨认需被销毁的蛋白，指引E2将泛素分子绑在指定蛋白上。

2004诺贝尔化学奖细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程：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蛋白酶体4.被泛素标记的蛋白从E3上释放。5.上述过程重复进行，在目的蛋白上形成一个泛素链。6.蛋白酶体识别泛素分子标签并将蛋白质切成短肽链，但不破坏泛素，泛素可被重新利用。

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：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stressresponseprotein)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。为何跨膜糖蛋白的糖基总在细胞膜ES面？被泛素标记的蛋白从E3上释放。蛋白之间或与其他大分子之间可形成复合体。水和无机离子H2O以游离态和结合态两种方式存在，以游离态存在的H2O主要用作溶剂；功能合成脂质的重要场所.糖前体寡糖多萜醇中间产物。2004诺贝尔化学奖酰基转移酶、磷酸酶、胆碱磷酸转移酶（位于内质网膜上，活性部位朝向细胞质基质）细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程：被泛素标记的蛋白从E3上释放。蛋白质N端的第一个aa残基可决定蛋白质寿命,其为Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，则蛋白质稳定；把关不严，就会使不合格蛋白质蒙混过关；蛋白酶体识别泛素分子标签并将蛋白质切成短肽链，但不破坏泛素，泛素可被重新利用。蛋白质N端的第一个aa残基可决定蛋白质寿命,其为Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，则蛋白质稳定；细胞的膜成分“源泉”。细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。此过程主要依靠蛋白水解酶，无须ATP。4微粒体研究内质网的好材料这都容易使生物体出现一系列问题。(1)辅酶或辅基与酶的共价结合。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。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。内质网膜和外层核膜是连续的，ER内腔与两层核膜中间的腔相通连，和质膜也是连续的。在原核细胞中，细胞膜代行内质网的某些功能。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）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。功能合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白；滑面内质网(smoothendoplasmicreticulum，sER)表面光滑，没有核糖体附着，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。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）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)细胞中，粗面内质网的多少，常常可作为估计细胞分化程度和功能状态的一个指标。在分化程度不同的肿瘤细胞中，如实验大白鼠的肝癌，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。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。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。三内质网的功能

蛋白质合成；蛋白质的修饰加工（糖基化等）；脂质合成；其他功能。（一）蛋白质合成蛋白质都是在核糖体上合成的，且起始于细胞质基质，有些蛋白在合成开始不久后便转在内质网上合成,主要包括①胞外分泌的蛋白如抗体、激素；②膜整合蛋白；③某些细胞器的驻留蛋白（溶酶体、液泡、溶 酶体和高尔基体）；④需修饰的蛋白如糖蛋白。附着核糖体游离核糖体蛋白合成起始于胞质中游离的核糖体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。细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程：由TRAM蛋白和Sec61蛋白构成，可结合信号肽和停止转移序列，引导新生肽进入ER腔，在形成跨膜蛋白中有重要作用。这成为困惑科学家很长时间的一个谜。细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程：3内质网在不同细胞中的分布(smoothendoplasmicreticulum，sER)蛋白质N端的第一个aa残基可决定蛋白质寿命,其为Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，则蛋白质稳定；小鼠睾丸间质细胞滑面内质网（下）功能合成脂质的重要场所.脂类合成旺盛细胞②膜整合蛋白；以比自发翻转快105倍的速度，将脂类分子从细胞质基质面膜层翻转到ER腔面膜层中。上述过程重复进行，在目的蛋白上形成一个泛素链。合成蛋白如何准确进入内质网？依赖于泛素(遍在蛋白,ubiquitin)的蛋白降解途径②结合蛋白(bindingprotein，Bip，Hsp70的一种)可识别未装配好的蛋白亚单位或错误折叠蛋白，促进其重新折叠与装配；功能合成脂质的重要场所.蛋白之间或与其他大分子之间可形成复合体。新生多肽需在内质网内依靠多肽链之间的疏水相互作用，和侧链基团之间的相互作用进行折叠和装配。G．Blobel&D．Sabatini等(1975)提出，即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。信号假说(signalhypothesis)

G．Blobel&D．Sabatini等(1975)提出，即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。

1999年诺贝尔医学和生理学奖合成蛋白如何准确进入内质网？①信号肽(signalpeptide)位于蛋白质N端的一段肽链，其在游离核糖体上即由信号密码翻译合成，引导肽链跨内质网膜进入内质网腔，又称开始转移序列。长为13~26个aa，N端至少含有一个带正电荷的aa;中部为10~15个高度疏水性的aa(丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸),此区极重要，置换其中某一个aa为非极性氨基酸时，信号肽即失去其功能；C端有信号肽酶识别位点。

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蛋白转移到内质网合成过程中涉及成分：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．．．三个功能结构域

存在于细胞质基质中，由一个7sRNA(约300个碱基)和6种不同的蛋白质紧密结合组成的复合物。

②信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP）：7sRNA功能：1结合信号肽，防止新生肽N端受损伤和成熟前折叠

；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。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。功能:可识别并特异结合SRP。④易位子(translocon)：

由TRAM蛋白和Sec61蛋白构成，可结合信号肽和停止转移序列，引导新生肽进入ER腔，在形成跨膜蛋白中有重要作用。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很高，和易位子结合后阻止肽链继续进入网腔，是跨膜Pr的跨膜段。停止转移序列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→信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与DP结合→核糖体和ER膜上的核糖体受体结合→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。停靠蛋白易位子跨膜蛋白：多肽链疏水性节段形成的α螺旋跨膜。3跨膜蛋白形成膜1）单次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：单次跨膜蛋白有一个末端起始转移序列，一个停止转移序列，依靠停止转移序列跨膜。或只有一个中间转移信号序列,依靠其转移和跨膜。细胞的膜成分“源泉”。细胞的膜成分“源泉”。蛋白合成起始于胞质中游离的核糖体（四）新生多肽的折叠与装配处于细胞内膜系统的中心地位，是其它内膜结构膜的来源。信号假说(signalhypothesis)核糖体结合糖蛋白(ribophorin):RER；第一节细胞质基质(cytomatrix)功能合成脂质的重要场所.蛋白质直接或间接地与细胞骨架或生物膜结合；细胞质基质内依赖泛素的蛋白降解过程：靠热休克蛋白(heatshockprotein，Hsp或称stressresponseprotein)来完成。寡糖基与多肽链中的Asn共价连接，内质网内的防止蛋白错误折叠机制2）双次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：Met-Arg-Ser-Leu-Leu-Ile-Leu-Val-Leu-Cys-Phe-Leu-Pro-Leu-Ala-Ala-Leu-Gly↓Lys．．．此过程主要依靠蛋白水解酶，无须ATP。具有两个以上中间开始转移序列和停止转移序列，多肽链前后来回重复的通过脂双层。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。3）多次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：

具有两个以上中间开始转移序列和停止转移序列，多肽链前后来回重复的通过脂双层。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（二）蛋白质的修饰与加工

糖基化羟基化酰基化形成二硫键蛋白糖基化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。N连接糖基化:糖基化和多