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生命学院李绍军细胞生物学课件细胞质基质概念细胞质基质：真核细胞中除去可分辨的细胞器以外的所有物质。胞质溶胶：经过超速离心后所留下的上清液部分。主要区别：是否考虑骨架结构其它名词：透明质、细胞液、细胞质第一节细胞质基质细胞质基质结构胞质溶胶的化学组成小分子类：水、无机离子和溶解的气体中分子类：各种代谢中间产物如脂类、糖、氨基酸、核苷酸和核苷酸衍生物大分子类：游离的大分子主要包括蛋白质、脂蛋白和RNA。细胞骨架、核糖体其中的主要酶或酶系：有关蛋白质、核酸、脂肪酸合成的酶；糖酵解、戊糖磷酸途径、糖原代谢作用的酶或酶系。细胞质基质的涵义高度有序的体系细胞质骨架纤维贯穿在粘稠的蛋白质胶体中，多数的蛋白质（酶）直接或间接地与骨架结合，或与生物膜结合，从而完成特定的生物学功能大分子间以弱键相互作用，处于动态平衡。有精密定位，代谢控制相互协调高效水分子以水化物的形式结合在大分子表面的极性部位，少数游离存在细胞质基质的主要功能中间代谢活动（EMP/PPP）蛋白质的合成、转运、修饰、降解（蛋白质氨基酸序列定位、修饰作用、寿命信号，泛素降解途径；热激蛋白）脂肪酸的合成维持细胞器的完整性，提供其所需底物和微环境（离子、骨架）维持细胞形态与运动第二节内质网内质网

（endoplasmicreticulum）发现：1897年，碱性染料，分泌旺盛的细胞，动质；1945年，电镜网状结构伴随大量线粒体一、内质网的两种基本类型粗面内质网：内质网与核糖体共同形成，主要合成分泌性蛋白和多种膜蛋白。扁囊。分泌细胞（分泌蛋白、膜蛋白、酶蛋白）光面内质网：由分支的管道形成立体结构，是脂类合成的重要场所，往往以出芽的方式将内质网上合成的蛋白质或脂类转移到高尔基体内。小管或小囊。胆固醇合成腺细胞、肌细胞、肾细胞（脂类合成）二者是一个连续的整体，功能区别很大。内质网常与质膜、核膜相连，与高尔基体在结构、功能与发生上的关系更为密切。内质网总与线粒体紧密相依；其分布与微管及其结合蛋白相关胰腺腺泡细胞中的rER二、内质网的功能行使多种重要功能的复杂的结构体系（1）粗面内质网蛋白质的合成、加工和转运（2）光滑内质网脂质的合成；糖原分解（6-磷酸葡萄糖酶）；解毒（细胞色素P450家族酶系）；离子调节（钙库）；渗透压调节；胆汁、胃酸、血小板形成等（3）除此之外，内质网还通过其与细胞核之间结构上的关联向核传递信息，影响基因表达蛋白质的合成

细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质之中在内质网上合成的蛋白指在胞质中刚开始合成不久就转到内质网上的蛋白。包括分泌蛋白（胰腺细胞的酶、浆细胞的抗体、细胞外基质成分）膜蛋白（质膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜蛋白）在合成和加工过程中保持其方向性需要与其他组分隔离或进行复杂修饰的蛋白(修饰\折叠装配)细胞器驻留蛋白溶酶体或液泡中的酸性水解酶类内质网、高尔基体、胞内体中的驻留蛋白有重要生物活性的蛋白内质网的功能蛋白质的修饰与加工N-连接的糖基化（寡糖的N-乙酰葡萄糖胺与Asn天冬酰胺连接）：发生在内质网腔面O-连接的糖基化在高尔基体上进行酰基化：发生在内质网的胞质侧，将软脂酸链共价连接在某些跨膜蛋白的暴露在细胞质基质中的半胱氨酸残基上羟基化-S-S-的形成N-连接糖基化的蛋白质N-连接寡糖的合成过程磷酸多萜醇载体的合成及转位寡糖前体的合成及转移内质网的功能新生的多肽折叠与组装新合成的蛋白质要在内质网内停留，进行正确折叠和组装正确折叠需要分子伴侣参与通过一系列识别过程，错误折叠的蛋白将被降解分子伴侣：本身并不构成最终产物的组分，帮助新生肽链进行转运、折叠或组装Bip属于热休克蛋白Hsp70家族内质网的功能脂类的合成包括磷脂和胆固醇在内几乎全部的膜脂在内质网膜的胞质侧合成，迅速转位到内质网腔面合成后以出芽方式经高尔基体分泌或凭借磷脂转换蛋白（PEP）在胞质中扩散至线粒体或过氧化物酶体膜磷脂酰胆碱在内质网膜上的合成肌质网肌细胞中发达特化的光面内质网钙库，肌质网膜上钙泵内有钙结合蛋白髓样体存在于视网膜的色素上皮细胞中双凸透镜形可能依赖光的刺激进行功能活动（能量、信息的传递）第三节高尔基体高尔基体的形态结构由一些排列较为整齐的扁平膜囊堆叠在一起，周围有大量大小不等的囊泡结构。扁囊直径10m左右，每层扁囊之间的距离约15～30nm，在不同细胞中扁囊的数目差异很大，少至1～2个，多至十几个。高尔基体是有极性的。其靠近细胞核的一面称顺面（cisface）；面向胞质的一面称反面（transface）。目前将高尔基体分为顺面的网状结构（CGN）、中间囊膜和反面管网结构（TGN）三部分。Golgibody高尔基体在不同细胞中，或同一细胞的不同发育时期形态都有变化在动物细胞中含量较少，不易分离提纯其形态与细胞骨架密切相关CGN：接受来自ER的物质；O-连接的糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化中间膜囊：多糖合成TGN：蛋白质的分类与包装囊泡：CGN面的来自内质网；TGN面的是高尔基体的分选泡高尔基复合体的形态学极性特征形成面成熟面扁平囊泡内容物膜厚度膜内面糖衣小、窄、不连续稀薄透明6nm薄大、宽、囊管状致密浓缩8nm厚高尔基体的功能主要功能是为细胞供给一个内部的运输环境，用来完成蛋白质和脂质的运输；除此之外，还有合成与加工的功能。高尔基体与细胞中的膜泡运输溶酶体酶的分选及溶酶体的发生蛋白在高尔基体中的分选及转运信息存在于编码该蛋白质的基因本身流感病毒与水泡性口炎病毒的包膜蛋白附：分泌泡出胞蛋白质分选信号的证据流感病毒和水泡性口炎病毒包膜蛋白由rER合成，通过高尔基体转运，定位在上皮细胞流感病毒包膜蛋白定位于上皮细胞的游离端；水泡性口炎病毒包膜蛋白定位于上皮细胞基底面试验发现，水泡性口炎病毒包膜蛋白含有Asp－X－Gln序列，该信号使高尔基体将其运输到上皮细胞基底面，而不是游离端在ER发生N-连接的糖基化（识别过程与酶的空间结构有关）在CGN形成M6P溶酶体蛋白在TGN与膜上的M6P受体结合，出芽向溶酶体中转移前溶酶体的形成：膜上有质子泵，胞内呈酸性。使受体与酶分离以上仅为一个特例，并非所有融酶体蛋白都具有M6P信号；很多蛋白质的分选也不以糖链作为信号蛋白质的糖基化及其修饰由内质网和高尔基体协同，真核细胞发展了复杂的蛋白质糖基化加工过程。糖链仅连接在几种氨基酸残基上，即Asn（N－连接）或Ser、Thr、Hly/Hpr（O-连接）糖基化的确切生物学功能尚不清除高尔基体还进行蛋白聚糖的装配糖脂的装配可能与糖蛋白的装配相似植物细胞的高尔基体合成更加丰富的多糖蛋白质的糖基化及其修饰典型的N-连接的低聚糖前体的结构含有3个葡萄糖（Glc）、9个甘露糖（Man）和2个N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）组成的分枝低聚糖。另外还有一类是高甘露糖型，不含Glc。O-连接的低聚糖是由Gal或GalNAc连接到蛋白质丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸残基的羟基上。一般只有1～３个糖链，而在ABO血型上出现的抗原较长，有5～6个残基。N-连接寡糖的合成过程磷酸多萜醇载体的合成及转位寡糖前体的合成及转移N-连接寡糖在ER和Golgi的加工过程来自内质网的糖蛋白进一步在高尔基体中进行加工N-连接与O-连接的寡糖比较特征N-连接O-连接合成部位rERrER或Golgi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AsnSer、Thr、Hpr、Hly最终长度至少5个糖残基一般1~4个糖残基第一个糖残基N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺等蛋白质的水解和其他加工过程有些蛋白在合成时没有活性，在囊泡运输前才被特异性水解一部分肽段，成为有活性的蛋白硫酸化作用也在高尔基体内进行溶酶体溶酶体是单层膜围绕，内含多种酸性水解酶类的异质性细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。存在于所有动物细胞中。植物细胞的圆球体、糊粉粒及中央液泡与其功能近似。溶酶体的结构初级溶酶体：尚未进行消化作用直径0.2～0.5um，单层外膜厚7.5nm。pH5左右，内含物均一，为多种酸性水解酶。溶酶体膜嵌有向内运输H+的质子泵及向外转运水解产物的多种载体蛋白。膜蛋白高度糖基化。次级溶酶体：消化泡。分为自噬溶酶体和异噬溶酶体。内容物多样，形状各异。残余小体：已经完成消化作用，内部仅剩下未消化的残渣。自噬性溶酶体(autolysosome)是一种自体吞噬泡,作用底物是内源性的,即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。这种溶酶体广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用，作为细胞内细胞器和其它结构自然减员和更新的正常途径。在组织细胞受到各种理化因素伤害时，自噬性溶酶体大量增加，因此对细胞的损伤起一种保护作用。内质网形成一个双膜的杯形结构(a,b),衰老的细胞器(线粒体)从杯口进入(c),然后封口(d),形成双膜的小泡。小泡与成熟的溶酶体融合(e),或与来自溶酶体分泌小泡融合(f),溶酶体的酶降解融合泡中的底物(g)。

异噬性溶酶体(heterolysosome)又称异体吞噬泡,它的作用底物是外源性的,即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。异噬性溶酶体实际上是初级溶酶体同内吞泡融合后形成的。溶酶体的功能消化营养：与吞噬泡或胞饮泡融合。防御功能：识别并吞噬入侵的病毒或细菌，将其杀死并降解。自体吞噬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饥饿的原生动物将自身的部分物质作为营养自溶作用：指在细胞内，引起细胞自身的溶解、死亡，整个细胞被释放的酶所消化。溶酶体不是一个简单的废料站，其消化功能对细胞营养、生长以及发育起了调节作用。溶酶体的发生过程M6P、GERL植物溶酶体圆球体(spherosome)是植物细胞中由一层单位膜包裹的含有细微结构的球形颗粒，直径为0.5～1μm，内含酸性水解酶，相当于动物细胞的溶酶体。与动物细胞的溶酶体不同，圆球体能够被脂溶性的染料染色,因此推测圆球体含有大量的脂类成份。由于含有大量的脂，有理由推测圆球体的功能可能是参与脂的储存植物溶酶体液泡(vacuoles)植物中由膜包裹的结构,几乎占据了细胞总体积的90%。植物细胞的液泡也含有多种水解酶类,具有与动物细胞溶酶体酶类似的功能。液泡膜上具有H+-ATPase,能够将H+运输到液泡中,同时在液泡膜上还有一些运输蛋白,帮助液泡行使一些特殊的功能。过氧化物酶体单层膜围绕，内含氧化酶类，异质性细胞器特征酶：依赖于黄素的氧化酶；过氧化氢酶功能：氧化反应；解毒；降解生物大分子动物细胞与线粒体共同完成脂肪酸的β-氧化。与细胞的解毒作用有关植物细胞中涉及光呼吸的乙醇酸循环和油料种子萌发时降解脂肪为糖的乙醛酸循环发生：与线粒体或叶绿体相似，经分裂形成

过氧化物酶体过氧化物酶体与初级溶酶体的特征比较特征溶酶体微体形态大小多呈球形，直径0.2~0.5µm，无酶晶体球形，0.15~0.25µm，内常有酶晶体酶种类酸性水解酶含有氧化酶类pH5左右7左右是否需氧不需要需要功能细胞内的消化作用多种功能发生酶在rER合成经G出芽形成酶在CP中合成，经分裂与装配形成识别的标志酶酸性水解酶等过氧化氢酶烟草叶片的过氧化物酶体细胞内蛋白质的分选

与细胞结构的装配信号假说为什么有些核糖体翻译过程在内质网上进行，有些在胞质进行？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获1999年诺贝尔医学奖信号假说信号肽/开始转移序列蛋白质N端16～26个氨基酸残基，包括疏水核心区、C端和N端。尚未发现共同的信号序列。但都是疏水的。信号识别颗粒（SPR）由6种多肽和一个7S的RNA组成的复合物可与信号肽、核糖体、停泊蛋白（DP）结合停泊蛋白（DP）SPR在内质网膜上的的受体分泌蛋白在内质网上的合成过程——共转移

蛋白在胞质中起始合成延伸至80氨基酸