第七章细胞质基质与内膜系统及蛋白质分选转运

第一节 细胞质基质　一、细胞质基质的涵义　　　　　　　细胞质基质指细胞质中除去细胞器和内膜系统留下的无一定形态结构的胶状物质。有的学者称为胞质溶胶。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类以及与维持细胞形态和物质运输有关的细胞质骨架结构。已有的证据显示，细胞质基质可能是一个高度有序且又不断变化的结构体系，细胞骨架纤维贯穿其中。二、细胞质基质的功能1、许多中间代谢过程在细胞质基质中进行。包括糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原合成与分解以及蛋白质与脂酸肪的合成等。2、细胞质骨架是细胞基质的主要结构成分，与维持细胞形态、细胞运动、物质运输及能量传递有关。3、与蛋白质的修饰及选择性降解有关。（1）蛋白质的修饰在细胞质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：①辅酶或辅基与酶的共价结合；②磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性；③糖基化；④对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰；⑤酰基化； （2）控制蛋白质的寿命：例如依赖于泛素的降解途径，泛素是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白质，可与待降解的蛋白质的N端共价结合，即对蛋白质进行泛素化，这是该蛋白质将被降解的重要标志；（3）降解变性和错误折叠的蛋白质；（4）帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠形成正确的分子构象。　　第二节 内质网（ER）一、内质网的结构由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包围的腔形成相互沟通的三维网络结构。在不同类型细胞中或同一细胞不同生理状态下，内质网的数量、类型与形态差异很大。标志酶是葡萄糖-6-磷酸酶。内质网是连续的整体结构，可分为两种基本类型：糙面内质网和光面内质网两种。1、粗面内质网（rER）糙面内质网：多呈扁平囊状，排列整齐，表面有核糖体附着，并存在易位子蛋白复合体，易位子的功能与新合成的多肽链进入内质网有关。2、光面内质网（sER）光面内质网：常由分支的管道形成复杂的网状，膜上无核糖体附着，sER所占的区域通常较小，往往作为出芽的位点，将内质网上合成的蛋白质和脂质转移到高尔基体内。sER是合成脂类的重要场所。二、内质网的功能内质网是细胞蛋白质与几乎全部脂质合成的基地，还能合成部分糖类物质。具体的功能如下：1、蛋白质的合成　　所有蛋白质的合成都起始于细胞质基质中的核糖体上。有些蛋白质合成开始不久转至内质网上继续合成，蛋白质合成主要是粗面内质网的功能，合成的蛋白包括：①分泌蛋白；②膜蛋白；③内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白；④需要进行复杂修饰的蛋白。2、脂类的合成　　 sER合成了几乎全部的膜脂，包括磷脂和胆固醇。膜脂在光面内质网的细胞质基质膜面上合成，随后部分膜脂转移到内质网腔面膜上，进而通过出芽的方式或借助于磷脂转移蛋白（PEP）的协助，运送到其他部位。3、蛋白质的修饰与加工 蛋白质在内质网中的化学修饰主要有：糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化是内质网中最常见的蛋白修饰，伴随着多肽合成同时进行。在糙面内质网中进行的是N-连接的糖基化，即N-乙酰葡糖胺与天冬氨酸的-NH2连接。酰基化主要是指软脂酸和半胱氨酸共价结合，发生在内质网的细胞质基质侧。4、新生的多肽折叠与装配①易位子将错误折叠或组装的蛋白质运至细胞质基质，进而被蛋白酶降解；②附着在内质网膜腔面上的蛋白二硫键异构酶可切断二硫键，帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并处于正确的折叠状态；③内质网中的结合蛋白可识别错误折叠或未装配好的蛋白亚基单位，并促进其重新折叠与装配。5、其它功能：肝细胞中的光面内质网具有解毒功能，因为其中含有一些酶可以清除脂溶性的废物和代谢产生的有害物，并与固醇类激素的合成、糖原分解有关等。 肌细胞中含有发达的特化的光面内质网，称肌质网。肌质网的主要功能是贮存Ca2＋。提供酶附着的位点并起到机械支持作用。　　　　微粒体实际上是在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的囊泡结构，它包括内质网与核糖体两种基本成分。第三节 高尔基体一、高尔基体的形态结构　　高尔基体由一些（常常4－8个）排列较为整齐的扁平的膜囊堆叠在一起，这些扁囊均由光滑的膜围成，构成高尔基体的主体结构。　　高尔基体是一种有极性的细胞器，表现在它在细胞中有恒定的位置，物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出；扁囊堆常明显地具有一凸面和一凹面。凸面（形成面、顺面）靠近细胞核，凹面（成熟面、反面）面向细胞质膜。高尔基体是一个复杂的油多个功能不同的间隔所组成的完整体系，至少由互相联系的以下4部分组成：①顺面网状结构（CGN）与膜囊：位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，是中间多孔呈连续分支状的管网结构，接受来自内质网新合成的物质，并将其分类后转入高尔基体中间膜囊，带有KDEL信号的蛋白质与脂类再返回内质网，发生O-连接的糖基化修饰。②中间膜囊：由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔但功能上是连续的完整的膜囊体系，其特殊的形态使其具有很大的膜表面，从而增加了糖的合成和修饰的有效面积。多数 糖基的修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在这里。③反面网状结构（TGN）与膜囊：位于反面的最外层，TGN与反面的扁平囊相连，呈管网状，并有囊泡与之相连。其中PH较低，TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出。④周围大小不等的囊泡：与物质运输有关。高尔基体的标志酶是糖基转移酶。二、高尔基体的功能对内质网合成的蛋白质进行加工、分类、包装、转运；转运内质网合成的脂质；合成糖类。1、高尔基体与细胞分泌活动　 高尔基体与细胞的分泌活动有关。最有力的证据是Caro的放射示踪实验。除分泌性蛋白外，很多细胞膜上的膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶及胶原纤维等细胞外基质成分都是通过高尔基体完成其定向转动过程。对溶酶体发生过程的认识有助于了解高尔基体完成其分选功能的作用机制。顺面网状结构（CGN）与膜囊中含有N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶和N-乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶，可将溶酶体上的甘露糖残基进行磷酸化，形成M6P，可被TGN区的受体特异性地识别并结合，实现溶酶体酶的分选。2、蛋白质的糖基化及修饰　 发生O－连接的糖基化修饰，即半乳糖或N-乙酰半乳糖胺与丝氨酸、苏氨酸，羟脯氨酸、羟赖氨酸残基的-OH连接，在高尔基体内进行。高尔基体中含有糖基转移酶，其主要作用是对糖基的寡糖链进行修饰。3、蛋白酶的水解和其他加工过程　很多蛋白质经与高尔基体结合的蛋白水解酶的作用,经特异地水解才成为有生物活性的多肽。如胰岛素。　　硫酸化作用也在高尔基体进行。三、高尔基体与细胞内的膜泡运输　　分泌性蛋白，多数质膜的膜蛋白都是在粗面内质网上合成，经高尔基体的加工与分装通过膜泡运输的方式进入细胞表面，同样通过内吞作用质膜外的复杂物质及质膜的膜蛋白以膜泡运输的方式进入细胞内。在这种膜泡运输过程中，细胞内形成复杂的“膜流”，高尔基体在膜流的调控中起着枢纽作用。高尔基体膜无论在厚度上或是化学组成上均介于内质网与质膜之间，说明从高尔基体的形成面到成熟面必然存在着膜的转化过程。第四节 溶酶体与过氧化物酶体　　溶酶体是外包单层膜、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞消化。　　溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中，植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器——圆球体、糊粉粒及中央液泡。溶酶体膜在成分上与其它生物膜有所不同。一、溶酶体的结构类型　　溶酶体是一种多样性和异质性的细胞器，在不同的细胞内其形态、数量迥异。根据溶酶体处于其生理功能的不同阶段，一般可分为以下几类：1、初级溶酶体　 指刚从高尔基体边缘膨大分离出来，还未同消化物融合的潜伏状态的溶酶体，呈球形，内容物均一，含有多种酸性水解酶类，包括蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、磷酸酯酶和硫酸酸酶等，最适PH为5左右。2、次级溶酶体　　次级溶酶体为消化泡，是初级溶酶体与细胞内的自噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体，分别称为自噬溶酶体和异噬溶酶体。自噬溶酶体又称为自噬小体或自体吞噬泡，其作用的底物是内源性的，即细胞内蜕变，破损的某些细胞器或局部细胞质，起到“清道夫”的作用，是细胞内细胞器或其他结构自然减员和更新的正常途径。异噬溶酶体又称为异噬小体或异体吞噬泡，它作用的底物是外源性的，即细胞经吞噬，胞饮作用所摄取的胞外物质。3、残余小体（后溶酶体）是次级溶酶体中的物质被消化完毕后，其残渣存在的泡状结构，是已经行使完消化功能的溶酶体。又叫残体。残体可通过类似胞吐的方式将内容物排出细胞，也可以留在细胞内。　　酸性磷脂酶为溶酶体的主要标志酶，以此可辨认不同形态与大小的溶酶体来。二、溶酶体的功能1、清除作用--消化无用的生物大分子、衰老的细胞器及细胞。自噬现象是真核细胞中细胞成分的更新和转化的基本特征。2、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，形成异噬溶酶体。在溶酶体的作用理将其杀死并降解。3、营养作用--正常的消化作用，为细胞提供营养。4、在分泌细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节。5、精子的顶体相当于特化的溶酶体，在受精过程中发生顶体反应，促进受精。三、溶酶体的发生⑴在糙面内质网上的核糖体合成溶酶体酶蛋白；⑵进入内质网腔，进行N-连接的糖基化修饰；⑶在高尔基体顺面膜囊，寡糖链上的甘露糖残基磷酸化形成M6P；⑷与高尔基体反面膜囊和反面网状结构膜上的M6P受体结合；⑸以出芽的方式转至运输小泡；⑹运输小泡与前溶酶体融合，溶酶体酶进入溶酶体，而M6P返回高尔基体。四、溶酶体与过氧化物酶体过氧化物酶体又称微体，是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的细胞器，普遍存在于所有的动物细胞和很多植物细胞中。　　过氧化物酶体也是一种异质性的细胞器，在酶的种类、功能和发生等方面都与溶酶体在很大区别。 过氧化物酶体与初级溶酶体的特征比较：A.溶酶体（大，球形、酸性水解酶 、不需要氧 、细胞内的消化作用 、在粗面内质网合成 、识别的标志酶：酸性水解酶等） B.微体（小，球形，有酶晶体（尿酸氧化酶）、含有氧化酶类 、需要氧 、多种功能 、在细胞质基质中合成 、识别的标志酶：过氧化氢酶） 　　功能：在动物细胞中的氧化解毒作用，过氧化物酶体中含有两种酶，一是依赖于黄素（FAD）的氧化酶，可将底物氧化成H2O2；另一种是过氧化氢酶，可将H2O2分解形成水和氧气。⑵可能参与脂肪酸的β-氧化，向细胞直接供热能。⑶植物细胞中的过氧化物酶体又叫乙醛酸循环体，参与光呼吸和乙醛酸循环反应。第五节 蛋白质的分选与细胞结构的装配绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中开始合成。随后，或在细胞质基质或在糙面内质网上继续合成。然后通过不同的途径转动到细胞的特定部位，这一过程称为蛋白质的分选或定向运转。一、信号假说与蛋白质分选信号信号假说，即指导分泌性蛋白合成的mRNA在AUG起始密码子之后有一信号密码子顺序，可指导合成一段疏水性氨基酸序列称为信号肽。信号肽有引导合成中的分泌蛋白多肽链穿过内质网膜进入内质网腔的 指导分泌蛋白在粗面内质网上合成的决定因素是蛋白质N端的信号肽。信号识别颗粒和内质网膜上的信号识别颗粒受体等因子协助完成这一过程。肽链上的信号序列决定了多肽在细胞质中的合成部位，并最终决定成熟蛋白的去向。分子伴侣在这些过程中起重要作用。分子伴侣：细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位结合，从而帮助这些多肽转动、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称这分子伴侣。信号识别颗粒就是一种分子伴侣，它可与信号肽结合，帮助多肽转动。二、蛋白质分选的基本途径与类型（见讲义）三、膜泡运输是蛋白质运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。 目前发现三种类型的有被小泡具有不同的物质运输作用，包括有网格被小泡、CopⅠ有被小泡和CopⅡ有被小泡等。四、细胞结构体系的装配蛋白质的装配与去装配不仅存在于蛋白质分选的过程中，而且普遍存在于整个细胞生命活动中，具有重要的生物学意义。分子伴侣在蛋白质分选与装配的某些环节中起重要作用。