1、What is a coupled reaction(偶聯(lián)）and why do cells couple reactions?,A reaction occurs that releases energy (like ATP losing a phosphate to become ADP + Pi). If this is uncoupled, the energy will merely turn into heat. If it is coupled, then it can be used to fuel some other process. For instance, if yo

2、u couple the ATP - ADP reaction to a certain protein, the energy can be used to modify the shape of that protein.,A coupled reaction in biology is a chemical reaction having a common intermediate and in which energy is transferred from one side of the reaction to the other. An example would be a mol

3、ecule of sucrose being synthesised from glucose and fructose at the expense of the energy stored in ATP and transferred by glucose-1-phosphate.,第七章 細胞質(zhì)基質(zhì)與內(nèi)膜系統(tǒng),第一節(jié) 細胞質(zhì)基質(zhì)及其功能 第二節(jié) 細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能,細胞器（organelle）：真核細胞內(nèi)各種膜包被的功能性結(jié)構(gòu)。 內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembrane system）：指在結(jié)構(gòu)、功能乃至發(fā)生上相互關(guān)聯(lián)的由單層膜包被的細胞器或細胞結(jié)構(gòu)的總稱。主要包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、

4、胞內(nèi)體、分泌泡和液泡等。,真核細胞的內(nèi)區(qū)室化,細胞內(nèi)區(qū)室化：真核細胞細胞內(nèi)具有發(fā)達的膜相結(jié)構(gòu)，將細胞質(zhì)區(qū)分成不同的隔室，這是真核細胞結(jié)構(gòu)和功能的基本特征之一。 細胞內(nèi)被膜區(qū)分為3類結(jié)構(gòu)： （1）細胞質(zhì)基質(zhì)； （2）內(nèi)膜系統(tǒng)； （3）其它由膜所包被的細胞器。,真核細胞內(nèi)典型區(qū)室化特征示意圖,第一節(jié) 細胞質(zhì)基質(zhì)及其功能,一、細胞質(zhì)基質(zhì)的含義 二、細胞質(zhì)基質(zhì)的功能,定義：在真核細胞的細胞質(zhì)中，除去可分辨的細胞器以外的液相內(nèi)容物（黏稠膠體），占據(jù)著細胞質(zhì)膜內(nèi)和細胞核膜外的細胞內(nèi)空間。細胞質(zhì)基質(zhì)可能是一個高度有序且又不斷變化的動態(tài)結(jié)構(gòu)體系。 主要成分：代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類、細胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)。 主要特點：細

5、胞質(zhì)基質(zhì)是一個高度有序的體系；通過弱鍵而相互作用處于動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)體系。,一、細胞質(zhì)基質(zhì)的含義,二、細胞質(zhì)基質(zhì)的功能,四大主要功能：,蛋白質(zhì)和脂肪酸的合成場所（許多中間代謝途徑）； 細胞質(zhì)骨架為其它成分和細胞器提供錨定位點，而且與維持細胞的形態(tài)、運動、物質(zhì)運輸及能量傳遞有關(guān)； 細胞內(nèi)的膜相把細胞質(zhì)基質(zhì)區(qū)室化，并通過質(zhì)膜或細胞器膜上的膜轉(zhuǎn)運蛋白維持細胞內(nèi)外的跨膜電化學梯度； 蛋白質(zhì)的修飾和選擇性降解。,D、蛋白質(zhì)的修飾和選擇性降解,（一）蛋白質(zhì)的修飾： 1. 輔因子與酶的共價連接； 2. 磷酸化與去磷酸化：磷酸化位點為Ser、Thr、Tyr、His和Lys； 3. 糖基化：把N-乙酰葡萄糖胺加到

6、蛋白質(zhì)的Ser殘基的羥基上； 4. ?；喊裺rc基因編碼的酪氨酸蛋白激酶與質(zhì)膜上豆蔻酸共價連接；Ras的?；?5. 甲基化：對很多細胞骨架蛋白N端和組蛋白上Lys和Arg的甲基化修飾。,1. 決定蛋白質(zhì)壽命的信號：存在于N端的第一個氨基酸殘基，若N端的第一個氨基酸是Met、Ser、Thr等，則蛋白質(zhì)往往是穩(wěn)定的；若是其它則往往不穩(wěn)定。 2. 識別并降解不穩(wěn)定或錯誤折疊蛋白質(zhì)的機制： 泛素-蛋白酶體所介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑。 生物學功能：包括蛋白質(zhì)質(zhì)量監(jiān)控、影響細胞代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和受體調(diào)整、免疫反應(yīng)、細胞周期、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和DNA修復(fù)等。,（二）控制蛋白質(zhì)的壽命：,泛素-蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降

7、解途徑,泛素（ubiquitin）：普遍存在于真核細胞熱穩(wěn)定的高度保守的小分子球蛋白（76aa）。 通過其C端的Gly與要被降解的不穩(wěn)定的或錯誤折疊的靶蛋白質(zhì)的Lys殘基的-氨基形成異肽鍵而共價連接，并指引該靶蛋白質(zhì)運到蛋白酶體中進行降解。 蛋白酶體（proteasome）：真核細胞質(zhì)基質(zhì)中降解被泛素標記的蛋白質(zhì)的中空桶狀多亞基蛋白復(fù)合體。 其中間由28種蛋白質(zhì)亞基組成的20S催化核心；兩端各結(jié)合一個由1618種蛋白質(zhì)亞基組成的19S調(diào)節(jié)和識別帽，其中6種亞基具有ATPase活性，負責為蛋白質(zhì)降解活動提供能量。,泛素-蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑（ubiquitin-proteasome-me

8、diated pathway ）,（三）降解異?；蚧蔚牡鞍踪|(zhì) 細胞質(zhì)基質(zhì)中的變性的、錯誤折疊、不完整的及含有被氧化或其它非正常修飾氨基酸的蛋白質(zhì)，也常常很快被降解清除。 （四）幫助變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)重新正確折疊 熱休克蛋白（HSP，heat shock protein）來完成。,第二節(jié) 細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能,一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 二、高爾基體 三、溶酶體 四、過氧化物酶體,內(nèi)膜系統(tǒng)各區(qū)室之間，通過生物合成、蛋白質(zhì)修飾與分選、膜泡運輸和各種質(zhì)量監(jiān)控機制，維系其系統(tǒng)的動態(tài)平衡。,一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）：是由小管、囊泡和扁平囊互相溝通形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它

9、是真核細胞中最普遍、最多變和適應(yīng)性最強的細胞器。,微粒體（microsome）：是在細胞勻漿和超速離心過程中由破碎的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的近似球形的囊泡結(jié)構(gòu)，常常把它與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等同。,1、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本類型 糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ rough endoplasmic reticulum，rER） 光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（smooth endoplasmic reticulum，sER）,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的分布：綠色為“糙面和光面” ；黃色為“糙面”。,2.1 蛋白質(zhì)的合成-糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能,2、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能,胞外分泌蛋白； 膜的整合蛋白； 細胞器中可溶性駐留蛋白。,2.2 脂類的合成-光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能,A：通過膜泡轉(zhuǎn)運脂質(zhì) B

10、：通過PEP（磷脂交換蛋白）介導(dǎo)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運 C：膜嵌入蛋白介導(dǎo)的膜間直接接觸,膽固醇與磷脂在供體膜與受體膜之間可能的轉(zhuǎn)運機制,2.3 蛋白質(zhì)的修飾與加工,修飾加工：糖基化、羥基化、?；?、二硫鍵形成等； 糖基化：在糖基轉(zhuǎn)移酶作用下發(fā)生在ER腔面N- linked glycosylation（Asn）； 酰基化：發(fā)生在ER的細胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)。,發(fā)生在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)N-連接的糖基化過程,N-連接糖基化與O-連接糖基化的比較,N-連接涉及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體 N-連接中肽鏈糖基化位點：即Asn-X-Ser/Thr中的Asn O-連接發(fā)生在高爾基體,2.4 新生肽的折疊與組裝,合成后折疊成正確構(gòu)象并裝配完成

11、； 結(jié)合蛋白（Binding protein，Bip） 結(jié)合蛋白屬于熱休克蛋白70家族成員，普遍存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，能識別錯誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進重新折疊與裝配。,2.5 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其他功能,肝的解毒作用（Detoxification）：肝細胞光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成外輸性蛋白及氧化降解酶，如細胞色素 p450 家族； 儲存鈣離子：肌質(zhì)網(wǎng)膜上的Ca2+-ATP酶將細胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+ 泵入肌質(zhì)網(wǎng)腔中； 合成固醇類激素。,有些細胞中光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)非常發(fā)達。,3、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ ERS ）反應(yīng),3.1 未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)（unfolded protein response, UPR)； 3.2 固

12、醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白質(zhì)（sterol regulatory element binding protein, SREBP）介導(dǎo)的信號途徑； 3.3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)超負荷反應(yīng)（Endoplasmic reticulum overload response, EOR); 3.4 引發(fā)細胞凋亡。,未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)圖示,A：3條不同的平行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑執(zhí)行未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)（UTR） B：IRE1膜蛋白介導(dǎo)的UTR,固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白（ SREBP ）的膽固醇敏感調(diào)控示意圖,1889年，Golgi用銀染法在貓頭鷹的神經(jīng)細胞內(nèi)觀察到了清晰的結(jié)構(gòu)，因此定名為高爾基體。 20世紀50年代以后才正確認識它的存在和

13、結(jié)構(gòu)。,二、高爾基體（Golgi body）,定義：一種由相對排列整齊的弓形扁平膜囊體系和大小不一的形態(tài)多變的囊泡體系組成的極性細胞器。,常分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與細胞膜之間，呈弓形或半球形。 凸出的一面對著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)稱為形成面或順面（cis face）； 凹進的一面對著質(zhì)膜稱為成熟面或反面（trans face）； 中間囊膜； 順面和反面都有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（CGN和TGN)。,1、形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性,扁平囊直徑約1um，單層膜構(gòu)成，中間為囊腔，周緣多呈泡狀，48個扁平囊在一起，構(gòu)成高爾基體的主體(Golgi stack)。 高爾基體膜含有大約60%的蛋白和40%的脂類，具有一些和ER共同的蛋白成分，中性脂類主要包括

14、膽固醇，膽固醇酯和甘油三酯。 酶主要有：糖基轉(zhuǎn)移酶、磺基-糖基轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、轉(zhuǎn)移酶和磷脂酶等不同的類型。 標志酶為糖基轉(zhuǎn)移酶。,高爾基體結(jié)構(gòu)組成,高爾基體的極性,形態(tài)學極性：在細胞中往往有比較恒定的位置與方向， 物質(zhì)從高爾基體的一側(cè)輸入，從另一側(cè)輸出，因此每層膜囊也各不相同。 （注意：高爾基體的順面并非總是在高爾基體的凸面，在細胞發(fā)育的某個階段可能位于高爾基體的凹面。） 高爾基體的生化極性： （1）嗜鋨反應(yīng)順面；（2）NADP酶的細胞化學反應(yīng)中間幾層扁平囊 ；（3）TPP酶的細胞化學反應(yīng)反面的12層膜囊 ；（4）CMP酶和酸性磷酸酶的細胞化學反應(yīng) 靠近反面膜

15、囊狀和反面管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。,生物學上的極性：指細胞、細胞群、組織或個體所表現(xiàn)的沿著一個方向的，各部分彼此相對兩端具有某些不同的形態(tài)特征或者生理特征的現(xiàn)象。,2、高爾基體的功能,對ER轉(zhuǎn)運來的脂分子及蛋白質(zhì)進行加工、修飾、分類、包裝以及分選； 高爾基體也是細胞內(nèi)糖類合成的工廠； 高爾基體是細胞內(nèi)大分子轉(zhuǎn)運的樞紐或“集散地”。,參與細胞分泌活動； 蛋白質(zhì)的糖基化； 蛋白酶的水解和其它加工過程； 蛋白聚糖的硫酸化。,具體介紹：,高爾基體TGN區(qū)是蛋白質(zhì)包裝與分選的關(guān)鍵樞紐，至少涉及3條分選途徑： （1）溶酶體酶的包裝與分選途徑（溶酶體酶參與）； （2）可調(diào)節(jié)型分泌途徑（受到適宜信號的調(diào)節(jié)）； （3）組成型

16、分泌途徑（連續(xù)的不需調(diào)節(jié)）。,2.1 參與細胞分泌活動,2.2 蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾,糖基化的生物學功能有： （1）糖鏈促進蛋白質(zhì)折疊和增強蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的作用； （2）糖鏈作為對蛋白質(zhì)包裝和分選的信號； （3）寡糖鏈參與介導(dǎo)細胞間或細胞與細胞外基質(zhì)間的識別、黏著與雙向通訊，或參與分化和發(fā)育等多種過程； （4）多羥基糖鏈還可影響蛋白質(zhì)的水溶性和所帶電荷的性質(zhì)。,大多數(shù)蛋白質(zhì)（可溶性分泌蛋白、質(zhì)膜上大多數(shù)膜蛋白和溶酶體酶）或膜脂的糖基化修飾和與高爾基體有關(guān)的多糖的合成，主要發(fā)生在高爾基體。,脊椎動物細胞糖蛋白N-連接寡糖在高爾基體各膜囊區(qū)間的加工過程,（1）對于沒有生物活性的蛋白原（propro

17、tein）, 將蛋白原N端或兩端的序列切除形成成熟的多肽。 （2）有些蛋白質(zhì)含有多個相同氨基酸序列（串聯(lián)）的前體，然后在高爾基體中被水解形成同種有活性的多肽，如神經(jīng)胎。 （3）一個蛋白質(zhì)分子的前體中含有不同的信號序列，最后加工形成不同的產(chǎn)物； （4）同一種蛋白質(zhì)前體在不同的細胞中可能以不同的方式加工，產(chǎn)生不同種類的多肽。,2.3 蛋白酶的水解和其它加工過程,三、溶酶體（lysosome）,定義：單層膜圍繞的內(nèi)含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，其主要作用是行使細胞內(nèi)的消化作用。 某些細胞的溶酶體還具有防御功能和其它重要的生理功能。 植物細胞內(nèi)也有與溶酶體功能類似的細胞器，如圓球體、糊粉粒和中央大

18、液泡。,溶酶體一種異質(zhì)性的細胞器： 指不同的溶酶體的形態(tài)大小，乃至其中所含水解酶的種類都可能有很大的不同。,溶酶體膜在成分上也與其它生物膜不同： 嵌有質(zhì)子泵（溶酶體酶的最適pH為5.0左右）； 具有多種載體蛋白（水解產(chǎn)物外運）； 膜蛋白高度糖基化（防止被降解）。 溶酶體酶：已發(fā)現(xiàn)60余種，多為可溶性酶，少數(shù)整合在膜上；具有某些特征性同源序列；與相關(guān)的非溶酶體酶是一類結(jié)構(gòu)與功能上相似的酶家族，在進化上同源。,1、溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與類型,初級溶酶體：呈球形，內(nèi)容物均一，不含有明顯的顆粒物質(zhì)，外面由一層脂蛋白膜圍繞。 次級溶酶體：初級溶酶體與細胞內(nèi)的自噬泡或異噬泡（吞噬泡或胞飲泡）融合形成的進行消化

19、作用的復(fù)合體，外部形態(tài)不規(guī)則，內(nèi)部結(jié)構(gòu)多樣。 殘質(zhì)體：,小鼠膀胱上皮細胞中的溶酶體,2、溶酶體的功能,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：溶酶體起著“清道夫”的作用。 防御功能：巨噬細胞識別并吞噬入侵的病毒或細菌，在溶酶體作用下將其殺死并進一步降解。 其它重要的生理功能： （1）為細胞提供營養(yǎng)，如降解內(nèi)吞的血清脂蛋白，獲得膽固醇等營養(yǎng)； （2）在分泌腺細胞中，攝入分泌顆粒，參與分泌過程的調(diào)節(jié)； （3）吞噬細胞溶酶體消化清除凋亡細胞； （4）參與受精過程中的頂體反應(yīng)，精子的頂體相當于特化的溶酶體。,溶酶體消化作用的3種途徑,3、溶酶體的發(fā)生 溶酶體酶在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成和初加工

20、，以出芽形式離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成膜泡到高爾基體，經(jīng)高爾基體再加工，以出芽形式離開高爾基體形成膜泡到溶酶體。 溶酶體膜蛋白如何同其它蛋白質(zhì)區(qū)分開來而特異地分選到溶酶體膜上，機制仍不明。,新合成的可溶性溶酶體酶從高爾基TGN和細胞表面轉(zhuǎn)運到溶酶體的示意圖,矽(xi)肺： 二氧化硅塵粒（矽塵）吸入肺泡后被巨噬細胞吞噬，導(dǎo)致吞噬細胞溶酶體破裂，水解酶釋放，細胞崩解，矽塵釋出，后又被其他巨噬細胞吞噬，如此反復(fù)進行。 肺組織全部纖維化。用老百姓的話說，肺變成一個土疙瘩。,4、溶酶體與疾病 溶酶體貯積癥（lysosomal storage disorder）：該疾病以缺乏某種溶酶體酶為特征，從而不能降解相應(yīng)底物而貯積在溶酶體內(nèi)。,病例：,肺結(jié)核： 結(jié)核桿菌不產(chǎn)生內(nèi)、外毒素, 也無莢膜和侵襲性酶。但是菌體成分硫酸腦苷脂能抵抗溶酶體的殺傷作用, 使結(jié)核桿菌在肺泡內(nèi)大量生長繁殖, 導(dǎo)致巨噬細胞裂解, 釋放出的結(jié)核桿菌再被吞噬而重復(fù)上述過程，引起肺組織鈣化