第七章細胞質(zhì)基質(zhì)和內(nèi)膜系統(tǒng)

第七章

細胞質(zhì)基質(zhì)和內(nèi)膜系統(tǒng)真核細胞內(nèi)典型區(qū)室化特征示意圖（A）

與小鼠回腸Paneth細胞超微結(jié)構(gòu)的一部分（B）§1細胞質(zhì)基質(zhì)及其功能細胞質(zhì)基質(zhì)的含義細胞質(zhì)基質(zhì)的功能細胞質(zhì)基質(zhì)的含義在真核細胞中，除去可分辨的細胞器以外的膠狀物質(zhì)。細胞質(zhì)基質(zhì)的成分水、無機離子等小分子脂類、糖類、氨基酸、核苷酸及其衍生物蛋白質(zhì)、脂蛋白、多糖、DNA糖原等處于儲藏狀態(tài)的化合物細胞質(zhì)基質(zhì)的功能完成各種中間代謝過程細胞形態(tài)與運動、胞內(nèi)物質(zhì)的運輸以及各種大分子物質(zhì)的定位維持細胞內(nèi)環(huán)境（pH、離子環(huán)境）的穩(wěn)定性蛋白質(zhì)的修飾控制蛋白的壽命幫助變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)重新折疊，形成正確的分子構(gòu)象蛋白質(zhì)的修飾蛋白質(zhì)的修飾主要在其側(cè)鏈的特定位點進行N-端甲基化糖基化?；姿峄c去磷酸化輔酶與輔基的共價結(jié)合控制蛋白質(zhì)的壽命控制蛋白質(zhì)壽命的信號定位在蛋白質(zhì)N-端的第一個氨基酸殘基不被降解：Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro被降解其他氨基酸降解變性和錯誤折疊的蛋白質(zhì)變性、錯誤折疊的蛋白質(zhì)常常被降解清除依賴泛素降解途徑被降解幫助變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)重新折疊，形成正確的分子構(gòu)象第二節(jié)細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的基本類型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的化學(xué)組成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與基因表達的調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與其他細胞結(jié)構(gòu)的關(guān)系內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細胞細胞質(zhì)內(nèi)由小管、小囊和扁囊連成的細胞器。扁囊(cisterna)腔面(1uminalface)胞質(zhì)面(cytoplasmicface)或原生質(zhì)面(protoplasmicface)小管小囊電鏡下顯示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（蘭色），核糖體顆粒（綠色）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的基本類型

糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(roughendoplasmicreticulum，RER)光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(smoothendoplasmicreticulum，SER)

其他類型髓樣小體環(huán)孔片層(annulatelamellae)肌質(zhì)網(wǎng)rER和sER的分離內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的化學(xué)組成微粒體(microsome)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的化學(xué)成分在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中，脂類約占1/3，蛋白質(zhì)約占2/3脂類蛋白質(zhì)糖蛋白、電子傳遞鏈成分、網(wǎng)質(zhì)蛋白、受體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能蛋白質(zhì)的合成脂類合成與轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)的修飾與加工新生多肽的折疊與組裝其他功能蛋白質(zhì)的合成糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的蛋白質(zhì)分泌蛋白膜蛋白可溶性駐留蛋白脂質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運合成膜脂合成磷脂的轉(zhuǎn)運方式（1）出芽（2）磷脂轉(zhuǎn)換蛋白合成其他脂類光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是脂質(zhì)合成的重要場所合成磷脂所需要的3種酶活性部位都定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的細胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)膜脂的不對稱性？磷脂轉(zhuǎn)位蛋白或稱轉(zhuǎn)位酶（flippase）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的磷脂轉(zhuǎn)運的三種可能方式A.通過膜泡轉(zhuǎn)運脂質(zhì)B.通過PEP介導(dǎo)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運C.膜嵌入蛋白介導(dǎo)的膜間直接接觸蛋白質(zhì)的修飾與加工發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的蛋白質(zhì)糖基化在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生二硫鍵的形成蛋白質(zhì)折疊和多亞基蛋白的裝配在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和分泌泡發(fā)生特異性的蛋白質(zhì)水解切割蛋白質(zhì)糖基化N-連接糖基化與O-連接糖基化的比較

N-連接糖基化與之直接結(jié)合的糖是N-乙酰葡糖胺O-連接糖基化與之直接結(jié)合的糖是N-乙酰半乳糖胺N-連接與O-連接的寡糖比較在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生的蛋白質(zhì)N-連接糖基化的加工，轉(zhuǎn)移至高爾基體后還會經(jīng)過一系列復(fù)雜的修飾蛋白質(zhì)糖基化內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生的二硫鍵形成新生多肽的折疊與裝配Bip（重鏈結(jié)合蛋白）與IgG抗體的重鏈的抗體相結(jié)合屬于分子伴侶Hsp70家族其作用為：與進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的未折疊蛋白質(zhì)的疏水氨基酸結(jié)合，防止多肽鏈不正確地折疊與裝配，然后與ATP結(jié)合并通過ATP的水解釋放出結(jié)合的多肽。防止新合成的蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)運過程中變性或斷裂。新生多肽的折疊與組裝蛋白二硫鍵異構(gòu)酶和Bip等蛋白質(zhì)都具有4肽駐留信號（KDEL或HDEL）以保證它們滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，并維持很高的濃度內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是蛋白質(zhì)分泌轉(zhuǎn)運途徑中行使質(zhì)量監(jiān)控的重要場所折疊錯誤的多肽被送到細胞質(zhì)中,被泛素(ubiquitin)結(jié)合,然后送到蛋白酶體(proteosome)中降解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其他功能解毒作用:滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲藏鈣離子為細胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白、多種酶類，提供了附著位點物質(zhì)運輸膜的生成糖原代謝肝細胞的解毒作用肌質(zhì)網(wǎng)儲存和釋放Ca2+內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上糖原的合成與分解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及其信號調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)的合成、加工、折疊、組裝、轉(zhuǎn)運及向高爾基體轉(zhuǎn)運的復(fù)雜過程顯然是需要有一個精確調(diào)控的過程。影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)細胞核信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的三種因素：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊蛋白的超量積累折疊好的膜蛋白的超量積累內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上膜脂成份的變化——主要是固醇缺乏不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，最終調(diào)節(jié)細胞核內(nèi)特異基因表達內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及其信號調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)在各種應(yīng)激因素（錯誤折疊或未折疊蛋白質(zhì)在ER腔內(nèi)聚集、Ca2+平衡紊亂、缺氧、異常糖基化和病毒感染等）作用下，主要通過3條途徑引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS）反應(yīng)，影響特定基因表達。如果內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能持續(xù)紊亂，細胞將最終啟動凋亡程序未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)（UPR）圖示SREBP的膽固醇敏感調(diào)控示意圖內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與其他細胞結(jié)構(gòu)的關(guān)系與細胞膜的關(guān)系與核膜的關(guān)系與高爾基體的關(guān)系與線粒體的關(guān)系與細胞骨架的關(guān)系膜的生成二、高爾基體高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性高爾基體的細胞化學(xué)反應(yīng)高爾基體的化學(xué)組成高爾基體的功能CamilloGolgi高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性基本結(jié)構(gòu)扁平囊:多呈弓形，也有半球形或球形小管和囊泡高爾基體的極性順面(cisface)

靠近細胞中心一面，或稱形成面(formingface)，常為凸形反面(transface)

靠細胞核遠端的一面，或稱成熟面(maturingface)，常為凹形。高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性形成面成熟面空腔分泌小泡高爾基體的精細結(jié)構(gòu)高爾基體順面膜囊(cisGolgi)或順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cisGolginetwork，CGN)高爾基體中間膜囊(medialGolgi)高爾基體反面的膜囊(transGolgi)以及反面高爾基體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(transGolginetwork，TGN)囊泡高爾基體的細胞化學(xué)反應(yīng)嗜鋨反應(yīng)經(jīng)鋨酸浸染后，高爾基體的cis面膜囊被特異地染色。焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的細胞化學(xué)反應(yīng)可特異地顯示高爾基體的trans面的1～2層膜囊。胞嘧啶單核苷酸酶(CMP酶)的細胞化學(xué)反應(yīng)

反面膜囊和反面管網(wǎng)結(jié)構(gòu)煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的細胞化學(xué)反應(yīng)是高爾基體中間幾層扁平囊的標志反應(yīng)。解釋高爾基體結(jié)構(gòu)組織及膜囊間蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運的兩種模型

A.膜泡運輸模型B.膜囊成熟模型高爾基體的化學(xué)組成脂類高爾基復(fù)合體膜中各種脂類成分的比例與其它膜結(jié)構(gòu)略有不同，膜脂成分介于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜之間。從糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復(fù)合體到質(zhì)膜中，神經(jīng)鞘磷脂和膽固醇的比例依次遞增，而磷脂酰膽堿的比例則依次降低，其他磷脂的比例則較為恒定。多糖主要有唾液酸、糖脂及其它活性糖酶類：特征酶為糖基轉(zhuǎn)移酶高爾基體的功能高爾基體與細胞的分泌活動對蛋白質(zhì)的的修飾加工蛋白質(zhì)分選蛋白質(zhì)的水解和其他加工過程參與膜的轉(zhuǎn)化高爾基復(fù)合體在精細胞發(fā)育中與頂體(acrosome)形成有關(guān)參與植物細胞壁的形成高爾基體與細胞的分泌活動發(fā)生在高爾基體TGN區(qū)的蛋白質(zhì)分選途徑高爾基體與細胞的分泌活動高爾基體TGN區(qū)是蛋白質(zhì)包裝與分選的關(guān)鍵樞紐，至少有三條分選途徑：溶酶體酶的包裝和分選途徑調(diào)節(jié)型分泌途徑組成型分泌途徑糖基化

O-連接的糖基化主要或全部在高爾基復(fù)合體內(nèi)進行的。

A.維持蛋白質(zhì)的正確構(gòu)象，增加穩(wěn)定性。

B.給蛋白質(zhì)打上不同的標記，從而有利于高爾基體的分類、包裝，使蛋白質(zhì)到達不同的部位（尤其是溶酶體酶的形成最具有代表性）。

C.在細胞表面形成糖萼，起細胞識別與保護細胞膜的作用。

N-連接的寡糖的核心糖在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)裝配后轉(zhuǎn)移到高爾基體，再進一步修飾加工。硫酸化作用蛋白質(zhì)的修飾加工蛋白質(zhì)糖基化的生物學(xué)功能糖基化的蛋白質(zhì)其寡糖鏈具有促進蛋白質(zhì)折疊和增強糖蛋白穩(wěn)定性的作用蛋白質(zhì)糖基化修飾利于高爾基體進行分選與包裝，保證糖蛋白從rER至高爾基體膜囊單向轉(zhuǎn)移細胞內(nèi)一些負責(zé)糖鏈合成與加工的酶類均由管家基因編碼；細胞表面、細胞外基質(zhì)密集存在的寡糖鏈，直接介導(dǎo)細胞間的雙向通訊，或參與分化、發(fā)育等多種過程多羥基糖側(cè)鏈還可能影響蛋白質(zhì)的水溶性及蛋白質(zhì)所帶電荷的性質(zhì)蛋白質(zhì)的水解和加工不同的蛋白質(zhì)可歸納為以下幾種類型：沒有生物活性的蛋白原(proprotein)進入高爾基體后，將蛋白原N端或兩端的序列切除形成成熟的多肽。有些蛋白質(zhì)分子在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成時便含有多個相同氨基酸序列的前體，然后在高爾基體中水解成同種有活性的多肽，如神經(jīng)肽等。某些蛋白分子的前體中含有不同的信號序列，最后加工成不同的產(chǎn)物。高爾基體的功能高爾基體與細胞的分泌活動對蛋白質(zhì)的的修飾加工蛋白質(zhì)分選蛋白質(zhì)的水解和其他加工過程參與膜的轉(zhuǎn)化：在膜流的調(diào)控中可能起著重要的樞紐作用。高爾基復(fù)合體在精細胞發(fā)育中與頂體(acrosome)形成有關(guān)參與植物細胞壁的形成高爾基體的功能高爾基體與細胞的分泌活動對蛋白質(zhì)的的修飾加工蛋白質(zhì)分選蛋白質(zhì)的水解和其他加工過程參與膜的轉(zhuǎn)化：在膜流的調(diào)控中可能起著重要的樞紐作用。高爾基復(fù)合體在精細胞發(fā)育中與頂體(acrosome)形成有關(guān)參與植物細胞壁的形成三、溶酶體溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與類型溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)溶酶體的類型溶酶體的功能溶酶體與疾病溶酶體的發(fā)生溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)溶酶體（lysome）是細胞質(zhì)基質(zhì)中一類包著多種水解酶的小泡。溶酶體膜溶酶體酶的特點

溶酶體膜較薄，僅有6nm。在成分上也與其他生物膜不同：嵌有質(zhì)子泵（非常突出的特征）具有多種載體蛋白膜蛋白高度糖基化溶酶體膜含有較多的膽固醇（起穩(wěn)定膜的作用）與鞘磷脂（起防止氧化酶水解的作用），另外，溶酶體膜中還含有相當數(shù)量的碳水化合物。膜兩側(cè)都有較高的負電荷膜的透性：易透過300Da以下的小分子。溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)溶酶體（lysome）是細胞質(zhì)基質(zhì)中一類包著多種水解酶的小泡。溶酶體膜溶酶體酶的特點種類豐富大多數(shù)為酸性水解酶溶酶體其含有多種水解酶類，其共同的特征是都屬酸性水解酶，最適pH為5左右。多數(shù)溶酶體酶是帶有負電荷的糖蛋白特征酶：酸性磷酸酶溶酶體的類型初級溶酶體(primarylysosome)次級溶酶體(secondarylysosome)異噬溶酶體自噬溶酶體混合性溶酶體殘質(zhì)體(residualbody)

老年斑即為殘留在老年時細胞內(nèi)的殘余小體——脂褐質(zhì)小體。動物細胞溶酶體系統(tǒng)示意圖溶酶體的功能細胞內(nèi)消化防御功能細胞內(nèi)衰老和多余細胞器的清除參與器官、組織形成與更新協(xié)助受精植物種子萌發(fā)中的功能細胞內(nèi)消化作用是指通過內(nèi)含多種酶類消除細胞內(nèi)無用的生物大分子、衰老細胞器及衰老和死亡的細胞，獲得降解的產(chǎn)物提供給細胞營養(yǎng)再利用。溶酶體的功能細胞內(nèi)消化防御功能細胞內(nèi)衰老和多余細胞器的清除參與器官、組織形成與更新協(xié)助受精植物種子萌發(fā)中的功能清道夫溶酶體的功能細胞內(nèi)消化防御功能細胞內(nèi)衰老和多余細胞器的清除參與器官、組織形成與更新協(xié)助受精植物種子萌發(fā)中的功能自溶作用的概念溶酶體的自溶作用是指在一定的調(diào)節(jié)機制下，細胞內(nèi)的溶酶體膜自行破裂，釋放出其中的水解酶到細胞質(zhì)中，結(jié)果引起細胞自身物質(zhì)的溶解、整個細胞被釋放的酶所消化。溶酶體常常被人們稱為自殺式囊或自殺袋。個體死亡一分鐘內(nèi)就會發(fā)生自溶作用。溶酶體的功能細胞內(nèi)消化防御功能細胞內(nèi)衰老和多余細胞器的清除參與器官、組織形成與更新協(xié)助受精植物種子萌發(fā)中的功能自溶作用的生理意義在個體發(fā)生過程中，器官、組織的形態(tài)建成，通常是通過溶酶體的自溶作用來實現(xiàn)的。溶酶體的活動受到嚴格的調(diào)控，在正常生理條件下，溶酶體不會對細胞的生存構(gòu)成威脅，這是因為：①構(gòu)成溶酶體膜的蛋白質(zhì)高度糖基化，可抵御水解酶的降解，不會輕易破裂②溶酶體酶的活性的最適酸度為pH5，而細胞質(zhì)基質(zhì)的酸度為pH7.2，溶酶體酶一旦離開溶酶體進入細胞質(zhì)基質(zhì)，活性即會喪失。溶酶體的功能細胞內(nèi)消化防御功能細胞內(nèi)衰老和多余細胞器的清除參與器官、組織形成與更新協(xié)助受精植物種子萌發(fā)中的功能溶酶體的功能細胞內(nèi)消化防御功能細胞內(nèi)衰老和多余細胞器的清除參與器官、組織形成與更新協(xié)助受精植物種子萌發(fā)中的功能溶酶體與疾病肺結(jié)核矽肺貯積病Ⅱ型肝糖病黑朦性先天愚病(Tav-Sachsdisease)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoidarthritis)溶酶體的發(fā)生溶酶體的發(fā)生部位發(fā)生的變化（1）核糖體合成前蛋白（2）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)輸入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔；切除信號肽；N-連接糖基化（3）高爾基體修飾；形成M6P配體；同M6P受體結(jié)合；末端糖基化（4）初級溶酶體與M6P受體分離；前酶初步水解；去磷酸化；開始與其他小泡融合（5）次級溶酶體水解酶成熟；降解溶酶體酶的合成及N-連接的糖基化修飾（RER）高爾基體cis膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶高爾基體trans-膜囊和TGN膜（M6P受體）溶酶體酶分選與局部濃縮以出芽的方式轉(zhuǎn)運到前溶酶體磷酸葡萄糖苷酶磷酸化識別信號：信號斑發(fā)生途徑

溶酶體酶甘露糖殘基的磷酸化GlcNAc-磷酸轉(zhuǎn)移酶識別溶酶體酶信號斑溶酶體酶的加工與分選溶酶體酶的加工與分選新合成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溶酶體酶分選途徑多樣化依賴于M6P的分選途徑的效率不高，部分溶酶體酶通過運輸小泡直接分泌到細胞外在細胞質(zhì)膜上也存在依賴于鈣離子的M6P受體，可與胞外的溶酶體酶結(jié)合，通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，將酶送至前溶酶體中，M6P受體返回細胞質(zhì)膜，反復(fù)使用不依賴于M6P的分選途徑（如酸性磷酸酶、分泌溶酶體的perforin和granzyme）四、過氧化物酶體過氧化物酶體的化學(xué)組成過氧化物酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別過氧化物酶體的發(fā)生過氧化物酶體的功能過氧化物酶體的化學(xué)組成過氧化物酶體含有40多種酶，主要是氧化酶和過氧化氫酶。過氧化物酶