(2.6)-6 細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)

第六章細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)第一節(jié)細胞質(zhì)基質(zhì)細胞質(zhì)基質(zhì)（cytoplasmicmatrixorcytomatrix）細胞內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembranesystem）第二節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum,ER)的形態(tài)結(jié)構(gòu)ER的功能內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與基因表達的調(diào)控第三節(jié)高爾基體高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)高爾基體的功能高爾基體與細胞內(nèi)的膜泡運輸?shù)谒墓?jié)溶酶體與過氧化物酶體第五節(jié)細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選與細胞結(jié)構(gòu)的組裝分泌蛋白合成的模型---信號假說蛋白質(zhì)分選與分選信號膜泡運輸細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝一、細胞質(zhì)基質(zhì)

（cytoplasmicmatrixorcytomatrix）

細胞質(zhì)基質(zhì)是細胞的重要的結(jié)構(gòu)成分，其體積約占細胞質(zhì)的一半基本概念： 用差速離心法分離細胞勻漿物組分，先后除去細胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體和細胞質(zhì)膜等細胞器或細胞結(jié)構(gòu)后，存留在上清液中的主要是細胞質(zhì)基質(zhì)的成分。生物化學(xué)家多稱之為胞質(zhì)溶膠。主要成分：中間代謝有關(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。完成各種中間代謝過程 如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等蛋白質(zhì)的分選與運輸與細胞質(zhì)骨架相關(guān)的功能 維持細胞形態(tài)、細胞運動、胞內(nèi)物質(zhì)運輸及能量傳遞等蛋白質(zhì)的修飾、蛋白質(zhì)選擇性的降解 蛋白質(zhì)的修飾 控制蛋白質(zhì)的壽命降解變性和錯誤折疊的蛋白質(zhì)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)象二、細胞內(nèi)膜系統(tǒng)

（endomembranesystem）細胞內(nèi)膜系統(tǒng)概述細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的研究方法細胞內(nèi)膜系統(tǒng)概述細胞內(nèi)膜系統(tǒng)是指細胞內(nèi)在結(jié)構(gòu)、功能及發(fā)生上相關(guān)的由膜包繞形成的細胞器或細胞結(jié)構(gòu)。真核細胞細胞內(nèi)的區(qū)域化（compartmentalization）：細胞骨架纖維為組織者的Cytomatrix形成有序的動態(tài)結(jié)構(gòu)；細胞內(nèi)的膜相結(jié)構(gòu)----細胞器（organelles）。細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的研究方法

DeDuve,A.ClaudeandG.Palade,1974NobelPlrize放射自顯影（Autoradiography）;生化分析（Biochemicalanalysis）;遺傳突變分析（Geneticmutants）一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu) 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本類型粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（roughendoplasmicreticulum，rER）光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（smoothendoplasmicreticulum，sER）微粒體（microsome）二、ER的功能 ER是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)與脂類合成的基地，幾乎全部脂類和多種重要蛋白都是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的。rER的功能蛋白質(zhì)合成 蛋白質(zhì)的修飾與加工 新生肽的折疊與組裝 脂類的合成sER的功能類固醇激素的合成（生殖腺內(nèi)分泌細胞和腎上腺皮質(zhì)）肝的解毒作用（Detoxification） Systemofoxygenases---cytochromep450family；肝細胞葡萄糖的釋放（G-6PG）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)腔中蛋白質(zhì)合成分泌蛋白；整合膜蛋白；內(nèi)膜系統(tǒng)各種細胞器內(nèi)的可溶性蛋白 （需要隔離或修飾）。其它的多肽是在細胞質(zhì)基質(zhì)中“游離”核糖體上合成的：包括：細胞質(zhì)基質(zhì)中的駐留蛋白、質(zhì)膜外周蛋白、核輸入蛋白、轉(zhuǎn)運到線粒體、葉綠體和過氧物酶體的蛋白。注意：細胞中蛋白質(zhì)都是在核糖體上合成的， 并都是起始于細胞質(zhì)基質(zhì)中“游離”核糖體。蛋白質(zhì)的修飾與加工修飾加工：糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵形成等糖基化在glycosyltransferase作用下發(fā)生在ER腔面 N-linkedglycosylation（Asn）O-linkedglycosylation（Ser/ThrorHylys/Hypro）酰基化發(fā)生在ER的細胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)：軟脂酸→Cys新生肽的折疊與組裝

新生肽的折疊組裝：非還原性的內(nèi)腔，易于二硫鍵形成； 正確折疊涉及駐留蛋白：具有KDELorHDEL信號蛋白二硫鍵異構(gòu)酶（proteindisulfideisomerase，PDI）切斷二硫鍵，幫助新合成的蛋白重新形成二硫鍵并處于正確折疊的狀態(tài)結(jié)合蛋白（Bindingprotein，Bip，chaperone） 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。脂類的合成

ER合成細胞所需絕大多數(shù)膜脂（包括磷脂和膽固醇）。 兩種例外：鞘磷脂和糖脂（ER開始→Golgicomplex完成）； Mit/Chl某些單一脂類是在它們的膜上合成的。

各種不同的細胞器具有明顯不同的脂類組成： phosphatidylcholine（PC）：ER→GC→PM（高→低） phosphatidylserine（PS）：PM→GC→ER（高→低）phospholipdtranslocator/flippase與膜質(zhì)轉(zhuǎn)位 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位點朝向cytosol； 磷脂的轉(zhuǎn)運: transportbybudding：ER→GC、Ly、PM transportbyphospholipidexchangeproteins（PEP）： ER→otherorganelles（includingMitandChl）。三、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與基因表達的調(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)特異基因表達一、高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)電鏡下高爾基體結(jié)構(gòu)是由扁平膜囊和大小不等的囊泡構(gòu)成高爾基體是有極性的細胞器：位置、方向、物質(zhì)轉(zhuǎn)運與生化極性高爾基體各部膜囊的４種標志細胞化學(xué)反應(yīng)：高爾基體至少由互相聯(lián)系的4個部分組成，每一部分又可能劃分出更精細的間隔高爾基體與細胞骨架關(guān)系密切，在非極性細胞中，高爾基體分布在MTOC(負端)高爾基的膜囊上存在微管的馬達蛋白（cytoplasmicdynein和kinesin）和微絲的馬達蛋白（myosin）。最近還發(fā)現(xiàn)特異的血影蛋白（spectrin）網(wǎng)架。 它們在維持高爾基體動態(tài)的空間結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的膜泡運輸中起重要的作用。扁囊彎曲成凸面 又稱形成面（formingface）或順面（cisface）面向質(zhì)膜的凹面（concave）又稱成熟面（matureface）或反面（transface）高爾基體各部膜囊的４種標志細胞化學(xué)反應(yīng)嗜鋨反應(yīng)的高爾基體cis面膜囊；焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）細胞化學(xué)反應(yīng)，顯示trans面1～2層膜囊；胞嘧啶單核苷酸酶（CMP酶）細胞化學(xué)反應(yīng)，顯示靠近trans面膜囊狀和管狀結(jié)構(gòu)GERL結(jié)構(gòu)：60年代初，Novikoff發(fā)現(xiàn)CMP和酸性磷酸酶存在于高爾基體的一 側(cè)，稱這種結(jié)構(gòu)為GERL，意為與高爾基體（G）密切 相關(guān)，但 它是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）的一部分，參與溶酶體（L）的生成。煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的細胞化學(xué)反應(yīng)，顯示中間扁平囊高爾基體順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（cis-Golginetwork，CGN） 又稱cis膜囊高爾基體中間膜囊（medialGolgi） 多數(shù)糖基修飾； 糖脂的形成； 與高爾基體有關(guān)的多糖的合成高爾基體反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（transGolginetwork，TGN）周圍大小不等的囊泡 順面囊泡稱ERGIC/VTC----ERGIC53/58蛋白（結(jié)合Mn）反面體積較大的分泌泡與分泌顆粒高爾基體順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)RER（蛋白質(zhì)和脂類）——（蛋白質(zhì)KDEL或HDEL）CGN；蛋白絲氨酸殘基發(fā)生O--連接糖基化；跨膜蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)結(jié)構(gòu)域的酰基化；日冕病毒的裝配高爾基體反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TGN中的低pH值；標志酶CMP酶陽性TGN的主要功能： 參與蛋白質(zhì)的分類與包裝、運輸； 某些“晚期”的蛋白質(zhì)修飾（如唾液酸化、蛋白質(zhì)酪氨酸殘基的硫酸化及蛋白原的水解加工）在蛋白質(zhì)與脂類的轉(zhuǎn)運過程中的“瓣膜”作用，保證單向轉(zhuǎn)運二、高爾基體的功能

高爾基體與細胞的分泌活動 蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾蛋白酶的水解和其它加工過程高爾基體與細胞的分泌活動

蛋白質(zhì)的分選及其轉(zhuǎn)運的信息僅存在于編碼該蛋白質(zhì)的基因本身 ·流感病毒囊膜蛋白特異性地轉(zhuǎn)運上皮細胞游離端的質(zhì)膜 ·水泡性口炎病毒囊膜蛋白特異性地轉(zhuǎn)運上皮細胞基底面的質(zhì)膜 ·水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)的雙酸分選信號 Asp-X-Gln或DXE）起重要的作用溶酶體酶的分選：M6P反面膜囊M6P受體在肝細胞中溶酶體酶還存在不依賴于M6P的另一種分選途徑。蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾 蛋白質(zhì)糖基化類型 蛋白質(zhì)糖基化的特點及其生物學(xué)意義 蛋白聚糖在高爾基體中組裝植物細胞中高爾基體合成和分泌多種多糖

蛋白質(zhì)糖基化類型蛋白質(zhì)糖基化的特點及其生物學(xué)意義糖蛋白寡糖鏈的合成與加工都沒有模板，靠不同的酶在 細胞不同間隔中經(jīng)歷復(fù)雜的加工過程才能完成。糖基化的主要作用是蛋白質(zhì)在成熟過程中折疊成正確構(gòu)象和增加蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性；多羥基糖側(cè)鏈影響蛋白質(zhì)的水溶性及蛋白質(zhì)所帶電荷的性質(zhì)。對多數(shù)分選的蛋白質(zhì)來說，糖基化并非作為蛋白質(zhì)的分選信號。進化上的意義：寡糖鏈具有一定的剛性，從而限制了其它大分子接近細胞表面的膜蛋白，這就可能使真核細胞的祖先具有一個保護性的外被，同時又不象細胞壁那樣限制細胞的形狀與運動。蛋白聚糖在高爾基體中組裝

一個或多個糖胺聚糖（通過木糖）結(jié)合到核心蛋白的Ser殘基上

植物細胞高爾基體合成和分泌多種多糖蛋白質(zhì)在高爾基體中酶解加工的幾種類型

無生物活性的蛋白原（proprotein）高爾基體切除N-端或兩 端的序列成熟的多肽。如胰島素、胰高血糖素及血清白蛋白等。蛋白質(zhì)前體高爾基體水解同種有活性的多肽，如神經(jīng)肽等。含有不同信號序列的蛋白質(zhì)前體高爾基體加工成不同的產(chǎn)物。同一種蛋白質(zhì)前體不同細胞、以不同的方式加工不同的多肽。加工方式多樣性的可能原因： 確保小肽分子的有效合成； 彌補缺少包裝并轉(zhuǎn)運到分泌泡中的必要信號； 有效地防止這些活性物質(zhì)在合成它的細胞內(nèi)起作用。在高爾基體中進行的肽鏈酪氨酸殘基的硫酸化作用三、高爾基體與細胞內(nèi)的膜泡運輸

高爾基體在細胞內(nèi)膜泡蛋白運輸中起重要的樞紐作用一、溶酶體的結(jié)構(gòu)類型

溶酶體膜的特征： 嵌有質(zhì)子泵，形成和維持溶酶體中酸性的內(nèi)環(huán)境； 具有多種載體蛋白用于水解的產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶體的標志酶：酸性磷酸酶（acidphosphatase）類型 類型 初級溶酶體（primarylysosome） 次級溶酶體（secondarylysosome） 自噬溶酶體（autophagolysosome） 異噬溶酶體（phagolysosome） 殘余小體（residualbody），又稱后溶酶體。 溶酶體是以含有大量酸性水解酶為共同特征、 不同形態(tài)大小，執(zhí)行不同生理功能的一類異質(zhì)性 （heterogenous）的細胞器。二、溶酶體的功能phagocytosisphagosomeendocytosisearlyendosomelateendosomelysosomeautophagyautophagosome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防御功能（病原體感染刺激單核細胞分化成巨噬細胞而吞噬、消化）其它重要的生理功能溶酶體與疾病 其它重要的生理功能作為細胞內(nèi)的消化“器官”為細胞提供營養(yǎng)；分泌腺細胞中，溶酶體攝入分泌顆粒參與分泌過程的調(diào)節(jié)參與清除贅生組織或退行性變化的細胞；受精過程中的精子的頂體（acrosome）反應(yīng)。溶酶體與疾病溶酶體酶缺失或溶酶體酶的代謝環(huán)節(jié)故障，影響細胞代謝，引起疾病。如臺-薩氏（Tay-Sachs）等各種儲積癥（隱性的遺傳?。┠承┎≡w（麻瘋桿菌、利什曼原蟲或病毒）被細胞攝入，進入吞噬泡但并未被殺死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞內(nèi)體中的酸性環(huán)境）三、溶酶體的發(fā)生發(fā)生途徑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，同樣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。還存在不依賴于M6P的分選途徑（如酸性磷酸酶、分泌溶酶體的perforin和granzyme）四、溶酶體與過氧化物酶體 過氧化物酶體(peroxisome)又稱微體(microbody)，是由單層膜圍繞的內(nèi)含一種或幾種氧化酶類的異質(zhì)性細胞器。 過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別 過氧化物酶體的功能 過氧化物酶體的發(fā)生過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別1y???ˉ????ì?oí3???èü??ì?μ?D?ì?ó?′óD?àà??￡?μ?1y???ˉ????ì??Dμ??ò?á???ˉ??μè3￡D?3é?§??×′?á11￡??é×÷?aμ??μ??ê?±eμ??÷òaì??÷?￡í¨1yà?D??é·?à?1y???ˉ????ì?oíèü??ì?過氧化物酶體和溶酶體的差別過氧化物酶體的功能動物細胞（肝細胞或腎細胞）中過氧化物酶體可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。 過氧化物酶體中常含有兩種酶： 依賴于黃素（FAD）的氧化酶，其作用是將底物氧化形成H2O2； 過氧化氫酶，作用是將H2O2分解，形成水和氧氣。過氧化物酶體分解脂肪酸等高能分子向細胞直接提供熱能。在植物細胞中過氧化物酶體的功能： 在綠色植物葉肉細胞中，它催化CO2固定反應(yīng)副產(chǎn)物的氧化， 即所謂光呼吸反應(yīng)； 乙醛酸循環(huán)的反應(yīng)，在種子萌發(fā)過程中，過氧化物酶體 降解儲存的脂肪酸乙酰輔酶A琥珀酸葡萄糖。過氧化物酶體的發(fā)生氧化物酶體經(jīng)分裂后形成子代的細胞器，子代的過氧化物酶體 還需要進一步裝配形成成熟的細胞器。組成過氧化物酶體的蛋白均由核基因編碼，主要在細胞質(zhì)基質(zhì)中合成，然后轉(zhuǎn)運到過氧化物酶體中。過氧化物酶體蛋白分選的信號序列（Peroxisomal-targetingsignal，PTS）： PTS1為Ser-lys-leu，多存在于基質(zhì)蛋白的C端。 PTS2為Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基質(zhì)蛋白N-端。 過氧化物酶體膜上存在幾種可與信號序列相識別的可能的受體蛋白。過氧化物酶體的膜脂可能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成后轉(zhuǎn)運而來。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也參與過氧化物酶體的發(fā)生一、分泌蛋白合成的模型---信號假說信號假說(Signalhypothesis) G．Blobeletal：Signalhypothesis,1975信號肽（Signalpeptide）與共轉(zhuǎn)移（Cotranslocation）導(dǎo)肽（Leaderpeptide）與后轉(zhuǎn)移（Posttranslocation）信號假說信號假說內(nèi)容指導(dǎo)因子：蛋白質(zhì)N-端的信號肽（signalpeptide）信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）信號識別顆粒的受體（又稱停泊蛋白dockingprotein，DP）等在非細胞系統(tǒng)中蛋白質(zhì)的翻譯過程與SRP、DP和微粒體的關(guān)系信號肽與共轉(zhuǎn)移 信號肽（Signalpeptides）與信號斑（Signalpatches）起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列的數(shù)目決定多肽跨膜次數(shù)跨膜蛋白的取向?qū)щ呐c后轉(zhuǎn)移基本的特征： 蛋白質(zhì)在細胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后再轉(zhuǎn)移到這些細胞器中，稱后轉(zhuǎn)移（posttranslocation）。蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移過程需要ATP使多肽去折疊，還需要一些蛋白質(zhì)的幫助（如熱休克蛋白Hsp70）使其能夠正確地折疊成有功能的蛋白。二、蛋白質(zhì)分選（proteinsorting）

與分選信號（sortingsignals）分選途徑分選信號分選途徑（Roadmap）門控運輸（gatedtransport）；跨膜運輸（transmembranetransport）；膜泡運輸（vesiculartransport）拓撲學(xué)等價性（Topologicallyequivalent）的維持三．膜泡運輸膜泡運輸是蛋白運輸?shù)囊环N特有的方式，普遍存在于真核細胞中。在轉(zhuǎn)運過程中不僅涉及蛋白本身的修飾、加工和組裝，還涉及到多種不同膜泡定向運輸及其復(fù)雜的調(diào)控過程。三種不同類型的包被小泡具有不同的物質(zhì)運輸作用。膜泡運輸是特異性過程，涉及多種蛋白識別、組裝、去組裝的復(fù)雜調(diào)控三種不同類型的包被小泡

具有不同的物質(zhì)運輸作用網(wǎng)格蛋白包被小泡COPII包被小泡COPI包被小泡網(wǎng)格蛋白包被小泡負責蛋白質(zhì)從高爾基體TGN質(zhì)膜、胞內(nèi)體或溶酶體和植物液泡運輸在受體介導(dǎo)的細胞內(nèi)吞途徑也負責將物質(zhì)從質(zhì)膜內(nèi)吞泡(細胞質(zhì))胞內(nèi)體溶酶體運輸高爾基體TGN是網(wǎng)格蛋白包被小泡形成的發(fā)源地COPII包被小泡 負責從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體的物質(zhì)運輸； COPII包被蛋白由5種蛋白亞基組成； 包被蛋白的裝配是受控的； COPII包被小泡具有對轉(zhuǎn)運物質(zhì)的選擇性并使之濃縮。COPI包被小泡COPI包被含有8種蛋白亞基，包被蛋白復(fù)合物的裝配與去裝配依賴于ARF(GTP-bindingprotein)；負責回收、轉(zhuǎn)運內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白(escapedproteins）ER。細胞器中保留及回收蛋白質(zhì)的兩種機制： 轉(zhuǎn)運泡將應(yīng)被保留的駐留蛋白排斥在外，防止出芽轉(zhuǎn)運； 通過識別駐留蛋白C-端的回收信號(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特異性受體，以COPI-包被小泡的形式捕獲逃逸蛋白。COPI-包被小泡在非選擇性的批量運輸(bulkflow)中行使功能,負責rERGolgiSVPM。COPI-包被