第五章

細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)生命學院李紹軍細胞生物學課件細胞質基質概念細胞質基質：真核細胞中除去可分辨的細胞器以外的所有物質。胞質溶膠：經(jīng)過超速離心后所留下的上清液部分。主要區(qū)別：是否考慮骨架結構其它名詞：透明質、細胞液、細胞質第一節(jié)細胞質基質細胞質基質結構胞質溶膠的化學組成小分子類：水、無機離子和溶解的氣體中分子類：各種代謝中間產(chǎn)物如脂類、糖、氨基酸、核苷酸和核苷酸衍生物大分子類：游離的大分子主要包括蛋白質、脂蛋白和RNA。細胞骨架、核糖體其中的主要酶或酶系：有關蛋白質、核酸、脂肪酸合成的酶；糖酵解、戊糖磷酸途徑、糖原代謝作用的酶或酶系。細胞質基質的涵義高度有序的體系細胞質骨架纖維貫穿在粘稠的蛋白質膠體中，多數(shù)的蛋白質（酶）直接或間接地與骨架結合，或與生物膜結合，從而完成特定的生物學功能大分子間以弱鍵相互作用，處于動態(tài)平衡。有精密定位，代謝控制相互協(xié)調高效水分子以水化物的形式結合在大分子表面的極性部位，少數(shù)游離存在細胞質基質的主要功能中間代謝活動（EMP/PPP）蛋白質的合成、轉運、修飾、降解（蛋白質氨基酸序列定位、修飾作用、壽命信號，泛素降解途徑；熱激蛋白）脂肪酸的合成維持細胞器的完整性，提供其所需底物和微環(huán)境（離子、骨架）維持細胞形態(tài)與運動第二節(jié)內質網(wǎng)內質網(wǎng)

（endoplasmicreticulum）發(fā)現(xiàn)：1897年，堿性染料，分泌旺盛的細胞，動質；1945年，電鏡網(wǎng)狀結構伴隨大量線粒體一、內質網(wǎng)的兩種基本類型粗面內質網(wǎng)：內質網(wǎng)與核糖體共同形成，主要合成分泌性蛋白和多種膜蛋白。扁囊。分泌細胞（分泌蛋白、膜蛋白、酶蛋白）光面內質網(wǎng)：由分支的管道形成立體結構，是脂類合成的重要場所，往往以出芽的方式將內質網(wǎng)上合成的蛋白質或脂類轉移到高爾基體內。小管或小囊。膽固醇合成腺細胞、肌細胞、腎細胞（脂類合成）二者是一個連續(xù)的整體，功能區(qū)別很大。內質網(wǎng)常與質膜、核膜相連，與高爾基體在結構、功能與發(fā)生上的關系更為密切。內質網(wǎng)總與線粒體緊密相依；其分布與微管及其結合蛋白相關胰腺腺泡細胞中的rER二、內質網(wǎng)的功能行使多種重要功能的復雜的結構體系（1）粗面內質網(wǎng)蛋白質的合成、加工和轉運（2）光滑內質網(wǎng)脂質的合成；糖原分解（6-磷酸葡萄糖酶）；解毒（細胞色素P450家族酶系）；離子調節(jié)（鈣庫）；滲透壓調節(jié)；膽汁、胃酸、血小板形成等（3）除此之外，內質網(wǎng)還通過其與細胞核之間結構上的關聯(lián)向核傳遞信息，影響基因表達蛋白質的合成

細胞中的蛋白質都是在核糖體上合成的，并都是起始于細胞質基質之中在內質網(wǎng)上合成的蛋白指在胞質中剛開始合成不久就轉到內質網(wǎng)上的蛋白。包括分泌蛋白（胰腺細胞的酶、漿細胞的抗體、細胞外基質成分）膜蛋白（質膜、內質網(wǎng)膜、高爾基體膜、溶酶體膜蛋白）在合成和加工過程中保持其方向性需要與其他組分隔離或進行復雜修飾的蛋白(修飾\折疊裝配)細胞器駐留蛋白溶酶體或液泡中的酸性水解酶類內質網(wǎng)、高爾基體、胞內體中的駐留蛋白有重要生物活性的蛋白內質網(wǎng)的功能蛋白質的修飾與加工N-連接的糖基化（寡糖的N-乙酰葡萄糖胺與Asn天冬酰胺連接）：發(fā)生在內質網(wǎng)腔面O-連接的糖基化在高爾基體上進行酰基化：發(fā)生在內質網(wǎng)的胞質側，將軟脂酸鏈共價連接在某些跨膜蛋白的暴露在細胞質基質中的半胱氨酸殘基上羥基化-S-S-的形成N-連接糖基化的蛋白質N-連接寡糖的合成過程磷酸多萜醇載體的合成及轉位寡糖前體的合成及轉移內質網(wǎng)的功能新生的多肽折疊與組裝新合成的蛋白質要在內質網(wǎng)內停留，進行正確折疊和組裝正確折疊需要分子伴侶參與通過一系列識別過程，錯誤折疊的蛋白將被降解分子伴侶：本身并不構成最終產(chǎn)物的組分，幫助新生肽鏈進行轉運、折疊或組裝Bip屬于熱休克蛋白Hsp70家族內質網(wǎng)的功能脂類的合成包括磷脂和膽固醇在內幾乎全部的膜脂在內質網(wǎng)膜的胞質側合成，迅速轉位到內質網(wǎng)腔面合成后以出芽方式經(jīng)高爾基體分泌或憑借磷脂轉換蛋白（PEP）在胞質中擴散至線粒體或過氧化物酶體膜磷脂酰膽堿在內質網(wǎng)膜上的合成肌質網(wǎng)肌細胞中發(fā)達特化的光面內質網(wǎng)鈣庫，肌質網(wǎng)膜上鈣泵內有鈣結合蛋白髓樣體存在于視網(wǎng)膜的色素上皮細胞中雙凸透鏡形可能依賴光的刺激進行功能活動（能量、信息的傳遞）第三節(jié)高爾基體高爾基體的形態(tài)結構由一些排列較為整齊的扁平膜囊堆疊在一起，周圍有大量大小不等的囊泡結構。扁囊直徑10m左右，每層扁囊之間的距離約15～30nm，在不同細胞中扁囊的數(shù)目差異很大，少至1～2個，多至十幾個。高爾基體是有極性的。其靠近細胞核的一面稱順面（cisface）；面向胞質的一面稱反面（transface）。目前將高爾基體分為順面的網(wǎng)狀結構（CGN）、中間囊膜和反面管網(wǎng)結構（TGN）三部分。Golgibody高爾基體在不同細胞中，或同一細胞的不同發(fā)育時期形態(tài)都有變化在動物細胞中含量較少，不易分離提純其形態(tài)與細胞骨架密切相關CGN：接受來自ER的物質；O-連接的糖基化；跨膜蛋白在細胞質基質一側結構域的?；虚g膜囊：多糖合成TGN：蛋白質的分類與包裝囊泡：CGN面的來自內質網(wǎng)；TGN面的是高爾基體的分選泡高爾基復合體的形態(tài)學極性特征形成面成熟面扁平囊泡內容物膜厚度膜內面糖衣小、窄、不連續(xù)稀薄透明6nm薄大、寬、囊管狀致密濃縮8nm厚高爾基體的功能主要功能是為細胞供給一個內部的運輸環(huán)境，用來完成蛋白質和脂質的運輸；除此之外，還有合成與加工的功能。高爾基體與細胞中的膜泡運輸溶酶體酶的分選及溶酶體的發(fā)生蛋白在高爾基體中的分選及轉運信息存在于編碼該蛋白質的基因本身流感病毒與水泡性口炎病毒的包膜蛋白附：分泌泡出胞蛋白質分選信號的證據(jù)流感病毒和水泡性口炎病毒包膜蛋白由rER合成，通過高爾基體轉運，定位在上皮細胞流感病毒包膜蛋白定位于上皮細胞的游離端；水泡性口炎病毒包膜蛋白定位于上皮細胞基底面試驗發(fā)現(xiàn)，水泡性口炎病毒包膜蛋白含有Asp－X－Gln序列，該信號使高爾基體將其運輸?shù)缴掀ぜ毎酌?，而不是游離端在ER發(fā)生N-連接的糖基化（識別過程與酶的空間結構有關）在CGN形成M6P溶酶體蛋白在TGN與膜上的M6P受體結合，出芽向溶酶體中轉移前溶酶體的形成：膜上有質子泵，胞內呈酸性。使受體與酶分離以上僅為一個特例，并非所有融酶體蛋白都具有M6P信號；很多蛋白質的分選也不以糖鏈作為信號蛋白質的糖基化及其修飾由內質網(wǎng)和高爾基體協(xié)同，真核細胞發(fā)展了復雜的蛋白質糖基化加工過程。糖鏈僅連接在幾種氨基酸殘基上，即Asn（N－連接）或Ser、Thr、Hly/Hpr（O-連接）糖基化的確切生物學功能尚不清除高爾基體還進行蛋白聚糖的裝配糖脂的裝配可能與糖蛋白的裝配相似植物細胞的高爾基體合成更加豐富的多糖蛋白質的糖基化及其修飾典型的N-連接的低聚糖前體的結構含有3個葡萄糖（Glc）、9個甘露糖（Man）和2個N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）組成的分枝低聚糖。另外還有一類是高甘露糖型，不含Glc。O-連接的低聚糖是由Gal或GalNAc連接到蛋白質絲氨酸、蘇氨酸或羥賴氨酸殘基的羥基上。一般只有1～３個糖鏈，而在ABO血型上出現(xiàn)的抗原較長，有5～6個殘基。N-連接寡糖的合成過程磷酸多萜醇載體的合成及轉位寡糖前體的合成及轉移N-連接寡糖在ER和Golgi的加工過程來自內質網(wǎng)的糖蛋白進一步在高爾基體中進行加工N-連接與O-連接的寡糖比較特征N-連接O-連接合成部位rERrER或Golgi合成方式來自同一個寡糖前體一個個單糖加上去與之結合的氨基酸殘基AsnSer、Thr、Hpr、Hly最終長度至少5個糖殘基一般1~4個糖殘基第一個糖殘基N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺等蛋白質的水解和其他加工過程有些蛋白在合成時沒有活性，在囊泡運輸前才被特異性水解一部分肽段，成為有活性的蛋白硫酸化作用也在高爾基體內進行溶酶體溶酶體是單層膜圍繞，內含多種酸性水解酶類的異質性細胞器。其主要功能是進行細胞內的消化作用。存在于所有動物細胞中。植物細胞的圓球體、糊粉粒及中央液泡與其功能近似。溶酶體的結構初級溶酶體：尚未進行消化作用直徑0.2～0.5um，單層外膜厚7.5nm。pH5左右，內含物均一，為多種酸性水解酶。溶酶體膜嵌有向內運輸H+的質子泵及向外轉運水解產(chǎn)物的多種載體蛋白。膜蛋白高度糖基化。次級溶酶體：消化泡。分為自噬溶酶體和異噬溶酶體。內容物多樣，形狀各異。殘余小體：已經(jīng)完成消化作用，內部僅剩下未消化的殘渣。自噬性溶酶體(autolysosome)是一種自體吞噬泡,作用底物是內源性的,即細胞內的蛻變、破損的某些細胞器或局部細胞質。這種溶酶體廣泛存在于正常的細胞內，在細胞內起“清道夫”作用，作為細胞內細胞器和其它結構自然減員和更新的正常途徑。在組織細胞受到各種理化因素傷害時，自噬性溶酶體大量增加，因此對細胞的損傷起一種保護作用。內質網(wǎng)形成一個雙膜的杯形結構(a,b),衰老的細胞器(線粒體)從杯口進入(c),然后封口(d),形成雙膜的小泡。小泡與成熟的溶酶體融合(e),或與來自溶酶體分泌小泡融合(f),溶酶體的酶降解融合泡中的底物(g)。

異噬性溶酶體(heterolysosome)又稱異體吞噬泡,它的作用底物是外源性的,即細胞經(jīng)吞噬、胞飲作用所攝入的胞外物質。異噬性溶酶體實際上是初級溶酶體同內吞泡融合后形成的。溶酶體的功能消化營養(yǎng)：與吞噬泡或胞飲泡融合。防御功能：識別并吞噬入侵的病毒或細菌，將其殺死并降解。自體吞噬清除無用的生物大分子、衰老的細胞器及衰老損傷和死亡的細胞饑餓的原生動物將自身的部分物質作為營養(yǎng)自溶作用：指在細胞內，引起細胞自身的溶解、死亡，整個細胞被釋放的酶所消化。溶酶體不是一個簡單的廢料站，其消化功能對細胞營養(yǎng)、生長以及發(fā)育起了調節(jié)作用。溶酶體的發(fā)生過程M6P、GERL植物溶酶體圓球體(spherosome)是植物細胞中由一層單位膜包裹的含有細微結構的球形顆粒，直徑為0.5～1μm，內含酸性水解酶，相當于動物細胞的溶酶體。與動物細胞的溶酶體不同，圓球體能夠被脂溶性的染料染色,因此推測圓球體含有大量的脂類成份。由于含有大量的脂，有理由推測圓球體的功能可能是參與脂的儲存植物溶酶體液泡(vacuoles)植物中由膜包裹的結構,幾乎占據(jù)了細胞總體積的90%。植物細胞的液泡也含有多種水解酶類,具有與動物細胞溶酶體酶類似的功能。液泡膜上具有H+-ATPase,能夠將H+運輸?shù)揭号葜?同時在液泡膜上還有一些運輸?shù)鞍?幫助液泡行使一些特殊的功能。過氧化物酶體單層膜圍繞，內含氧化酶類，異質性細胞器特征酶：依賴于黃素的氧化酶；過氧化氫酶功能：氧化反應；解毒；降解生物大分子動物細胞與線粒體共同完成脂肪酸的β-氧化。與細胞的解毒作用有關植物細胞中涉及光呼吸的乙醇酸循環(huán)和油料種子萌發(fā)時降解脂肪為糖的乙醛酸循環(huán)發(fā)生：與線粒體或葉綠體相似，經(jīng)分裂形成

過氧化物酶體過氧化物酶體與初級溶酶體的特征比較特征溶酶體微體形態(tài)大小多呈球形，直徑0.2~0.5μm，無酶晶體球形，0.15~0.25μm，內常有酶晶體酶種類酸性水解酶含有氧化酶類pH5左右7左右是否需氧不需要需要功能細胞內的消化作用多種功能發(fā)生酶在rER合成經(jīng)G出芽形成酶在CP中合成，經(jīng)分裂與裝配形成識別的標志酶酸性水解酶等過氧化氫酶煙草葉片的過氧化物酶體細胞內蛋白質的分選

與細胞結構的裝配信號假說為什么有些核糖體翻譯過程在內質網(wǎng)上進行，有些在胞質進行？分泌性蛋白N端序列作為信號肽，指導分泌性蛋白到內質網(wǎng)膜上合成，在蛋白合成結束之前信號肽被切除信號假說獲1999年諾貝爾醫(yī)學獎信號假說信號肽/開始轉移序列蛋白質N端16～26個氨基酸殘基，包括疏水核心區(qū)、C端和N端。尚未發(fā)現(xiàn)共同的信號序列。但都是疏水的。信號識別顆粒（SPR）由6種多肽和一個7S的RNA組成的復合物可與信號肽、核糖體、停泊蛋白（DP）結合停泊蛋白（DP）SPR在內質網(wǎng)膜上的的受體分泌蛋白在內質網(wǎng)上的合成過程——共轉移

蛋白在胞質中起始合成延伸至80氨基酸