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1、第7章 细胞质基质与内膜系统,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,第一节 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，称细胞质基质（cytoplasmic matrix）生物化学家多称之为胞质溶胶（cytosol）细胞质基质很可能是一种高度有序的体系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(Macromolecular crowding),The crowded state of the cytoplasm in(
2、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 内外跨膜的离子梯度蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解,1.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,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
3、介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-and proteasome-mediated pathway）,2004 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,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,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 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 细胞内膜系统及
4、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 微粒体(microsome)肌质网(sarcoplasmic reticulum),（一）内质网的两种基本类型,糙面内质网与光面内质网结构,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黄体细胞有丰富的光面内质网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sER的分离,（二）内质网的功能,向细胞外分泌的蛋白质膜的整合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的主要功能,合成磷脂所需要的3 种酶活性部位都定位在内质网
5、膜的细胞质基质侧,2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（flippase）,膜脂的不对称性？,A.通过膜泡转运脂质 B.通过PEP 介导的脂质转运C.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,3.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水解切割,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O-连接的寡糖比较,在内质网发生的蛋白
6、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N-连接糖基化过程,内质网腔二硫键形成,4.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,被泛素(ubiquitin)结合,然后送到蛋白酶体(proteosome)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,Molecular&Cellular Proteomics May 2007 vol.6 no.5 798-8
7、11,5.内质网的其他功能,肝细胞的解毒作用,细胞色素P-450,5.内质网的其他功能,肌质网储存和释放Ca2+,5.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 条途径引发内质网应激（ERS）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,未折叠蛋白质应答反应（UPR）,SREBP 的胆固醇敏感调控,Nature,2006,443,796-802,ERS 反应引发的细胞凋亡,二、高尔基体,Camill
8、o 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,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,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
9、（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,（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 se
10、cretion）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TGN 区的蛋白质分选途径,2.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,糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进蛋白质折叠和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
11、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,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,（3）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,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。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
12、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,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,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,溶酶体含有多种酸性水解酶类，酶的最适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
13、异噬溶酶体,（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、吞噬作用和自噬作用3 种途径,1.清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老 损伤和死 亡的细胞,Aaron Ciechanover.Nature Reviews Molecular Cell Biology,2005,6,79-87,2.防御功能,防御功能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,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
14、消化清除受精过程中的顶体反应,细菌的哪部分结构类似溶酶体？,植物细胞液泡,（三）溶酶体的发生,溶酶体酶的加工与分选,溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体,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M6P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,溶酶体储积症（lysosomal storage diseases）：溶
15、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,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，可作为电镜下识别的主要特征通过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
16、的差异,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,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，饮入的酒精1/2是在微体中氧化为乙醛植物细胞中：参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢在萌发的种子中，进行脂肪酸-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体,（二）过氧化物酶体的功能,过氧化物酶体中的两种酶依赖于黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2过氧化氢酶，其含量常占过氧化物酶体蛋白质总量的40，它 的作用是将H2
17、O2 分解，形成水和氧气,（三）过氧化物酶体的发生,膜蛋白和可溶性的基质蛋白均由细胞核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后分选转运到过氧化物酶体中发生途径一是细胞内已有的成熟过氧化物酶体 经分裂增殖而产生子代细胞器二是在细胞内重新发生（de novo）,过氧化物酶体的生物发生与分裂过程的模型,本章小结,细胞质基质是一个高度有序且又不断变化的动态结构体系细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联，由膜包被的细胞器或细胞结构内质网是细胞内蛋白质与膜脂合成的基地高尔基体有极性，在蛋白质的加工、分选、包装与转运以及在细胞内的“膜流”中起重要作用溶酶体含有多种酸性水解酶，进行细胞内消化过氧化物酶体直接利用分子氧,Thank you!,
