細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)

1、第六章 細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)直到20世紀初，觀察染色的組織學切片提示人們，在細胞質內似乎存在一個膜相網絡：電鏡出現(xiàn)后，通過形態(tài)學觀察和生化證據(jù)使人們確認，真核細胞的細胞質內具有發(fā)達的內膜系統(tǒng)(endomembrane system)，形成了細胞質基質以及膜圍繞的細胞器。細胞的內膜系統(tǒng)是在結構、功能乃至發(fā)生上是相關的，由膜圍繞的細胞器或細胞結構。主要包括內質網、高爾基體、溶酶體、胞內體和分泌泡等。過氧化物酶體與溶酶體有某些類似之處，但又是完全不同的兩種細胞器，為便于與溶酶體進行比較，因此也在本章討論。本章的主要內容：細胞質基質（基質的含義、功能、與胞質溶膠的區(qū)別）內質網（類型、功能）高爾基復

2、合體（形態(tài)結構、功能）溶酶體與過氧化物酶體（結構類型及功能）細胞內蛋白質的分選與細胞結構的裝配（分選的基本途徑與類型、膜泡轉運、細胞結構體系的裝配）第一節(jié) 細胞質基質一、細胞質基質的涵義用差速離心的方法分離細胞勻漿物中的各種細胞組分，先后除去細胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體和細胞膜等細胞器或細胞結構后，存留在上清液中的主要是細胞質基質的成分。生物化學家多稱之為胞質溶膠。 細胞質基質的組成成分：有水、無機離子( 如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-)等小分子，還有脂類、糖類、氨基酸、核苷酸及其衍生物中等分子，以及蛋白質、脂蛋白、RNA、多糖等大分子。由它們組成與中間代謝有關的數(shù)千種酶類，與

3、維持細胞形態(tài)和細胞內物質運輸有關的細胞質骨架結構。在細胞質基質中蛋白質含量約占2030，形成一種粘稠的膠體；胞質基質中的蛋白包括水溶性蛋白，不是以溶解狀態(tài)存在，而是直接或間接地與細胞質骨架結合，與生物膜結合；如與糖酵解過程有關的一些酶結合在微絲上，在橫紋肌細胞中則結合于肌原纖維的特異位點上。這種特異性的結合與細胞的生理狀態(tài)、組織發(fā)育和細胞分化的程度有關。非肌細胞中，肌動蛋白的mRNA主要分布于胞質外周。胞液中的蛋白質之間或蛋白質與其他大分子之間可能通過非常弱的鍵結合，如與糖酵解有關的酶彼此間可能以此弱鍵形成多酶復合物，定位于胞液中的特定部位，催化從葡萄糖到丙酮酸的一系列反應，前一個反應的產物即

4、為后一反應的底物。每個反應途徑之間可能也以類似的方式互相聯(lián)系，高效有序地完成各種復雜的代謝活動，由此也說明細胞質基質是一種高度有序的復雜的結構體系。多數(shù)的水分子（70%）是以水化物的形式緊密地結合在蛋白質和其他大分子表面的極性部位，只有部分水分子以游離態(tài)存在，起溶劑作用。二、細胞質基質的功能主要功能：細胞質基質在物質代謝中起重要作用。胞液的另一功能與細胞骨架有關。胞液在蛋白質的修飾、控制蛋白的壽命、選擇性降解以及協(xié)助變性或錯誤折疊的蛋白重新折疊成正常分子構象等方面均的重要作用。具體表現(xiàn)：（一）細胞質基質在物質代謝中起重要作用許多中間代謝(intermediiary metabolism)過程都

5、在細胞質基質中進行，如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑、糖原的合成與部分分解過程等等。蛋白質的合成與脂肪酸的合成也在細胞質基質中進行。細胞信號轉導是細胞代謝及細胞增殖、分化、衰老和凋亡的基本調控途徑。近些年來所取得的最主要的進展是：蛋白質在細胞質基質中的分選及其轉運機制的研究。如證明了蛋白質的合成起始于胞液，由于N端含有某種信號序列起始后很快就轉移到內質網上，以及在蛋白質合成后如何通過膜泡運輸?shù)姆绞接蓛荣|網轉運至高爾基體。其他蛋白質的合成均在細胞質基質中完成，并根據(jù)蛋白自身所攜帶的信號，分別轉運到線粒體、葉綠體、微體以及細胞核中，也有些蛋白則駐留在細胞質基質中，構成本身的結構成分。 （二）

6、細胞質基質另一方面的功能是與細胞質骨架相關的。細胞質骨架作為細胞質基質的主要結構成分，不僅與維持細胞的形態(tài)、細胞的運動、細胞內的物質運輸及能量傳遞有關，而且也是細胞質基質結構體系的組織者，為細胞質基質中其他成分和細胞器提供錨定位點。有人估計一個直徑為16m的細胞，其細胞骨架的表面積可達50×103100×103m2而相同直徑的球形細胞的表面積僅有0.8×103m2。這樣大的表面積不僅限制了水分子的運動，而且把蛋白質、mRNA等生物大分子固定在特定的位點，在細胞質基質中形成了更為精細的區(qū)域，使復雜的代謝反應高效而有序地進行，其功能在某種程度上類似于細胞的內膜系統(tǒng)，使

7、細胞有了細胞核與細胞質及各種膜圍繞的細胞器的區(qū)分。（三）細胞質基質在蛋白質的修飾、蛋白質選擇性的降解等方面也起著重要作用。 1蛋白質的修飾 2控制蛋白質的壽命 3降解變性和錯誤折疊的蛋白質 4幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新折疊，形成正確的分子構象 蛋白質修飾(1)輔酶或輔基與酶的共價結合。(2)磷酸化與去磷酸化，用以調節(jié)很多蛋白質的生物活性。(3)糖基化。把N-乙酰葡萄糖胺分子（N-acetyl-glucosamine) 加到蛋白質的絲氨酸殘基的羥基上(4)對某些蛋白質的N端進行甲基化修飾。如很多細胞骨架蛋白和組蛋白等，甲基化后不易被細胞內的蛋白水解酶水解，從而使蛋白在細胞中維持較長的壽命。(

8、5)酰基化。把軟脂酸鏈共價地連接在某些跨膜蛋白的露在細胞質基質中的結構域；另一類?；揎棸l(fā)生在諸如src基因和ras基因這類細胞癌基因的產物上，催化這一反應的酶可識別蛋白中的信號序列，將脂肪酸鏈共價地結合到蛋白質特定的位點上。2控制蛋白質的壽命在控制蛋白質壽命方面，胞液中蛋白質的壽命長短不一，大部分可維持幾天，有一些合成后幾分鐘即降解。在蛋白質分子的氨酸序列中有決定修飾的信號，也有決定蛋白質壽命的信號。后一個信號位于蛋白質N端的第一個氨基酸殘基，若N端的第一個氨基酸是Met(甲硫氨酸)、Ser(絲氨酸)、Thr(蘇氨酸)、Ala(丙氨酸)、Val(纈氨酸)、Cys(半胱氨酸)、Gly(甘氨酸

9、)或Pro(脯氨酸)，則蛋白質是穩(wěn)定的；如是其他12種氨基酸之一，則是不穩(wěn)定的。在真核細胞的細胞質基質中，有一個很復雜的機制，識別蛋白質N端不穩(wěn)定的氨基酸信號并準確地將這種蛋白質降解，是依賴于泛素的降解途徑(ubiquitin-dependentpathway)。 降解變性和錯誤折疊的蛋白質細胞質基質中的變性蛋白、錯誤折疊的蛋白、含有被氧化或其他非正常修飾氨基酸的蛋白，不管其N端氨基酸殘基是否穩(wěn)定，也常常很快被清除。主要通過泛素降解（遍在蛋白）途徑，與多個遍在蛋白分子結合，通過ATP蛋白酶將變性和錯誤折疊的蛋白質水解。 幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新折疊，形成正確的分子構象 這一功能主要靠熱休

10、克蛋白(heat shock protein，Hsp或稱stress-response protein)來完成。DNA序列分析表明，熱休克蛋白有主要3個家族（分子量為25、70、90），每一家族中都有由不同基因編碼的數(shù)種蛋白成員。有的基因在正常條件下表達，有些則在溫度增高或其他異常情況下大量表達，以保護細胞，減少異常環(huán)境的損傷。在正常細胞中，熱休克蛋白選擇性地與畸形蛋白質結合形成聚合物，利用水解ATP釋放的能量使聚集的蛋白質溶解，并進一步折疊成正確構象的蛋白質。 三、細胞質基質與胞質溶膠一種觀點認為：細胞質基質內包含由微管、微絲和中間纖維等在內的除細胞器以外的所有物質。其中蛋白質和其他分子以凝

11、聚狀態(tài)或暫時的凝聚狀態(tài)存在，與周圍溶液的分子處于動態(tài)平衡。包括作為細胞質基質主要成分的多種酶和代謝中間產物，以及呈溶解狀態(tài)存在的微管蛋白。胞質溶膠的成分是否與細胞質基質周圍溶液的成分相同呢？Paine用乳膠小球實驗證明，能夠滲入小球中的多肽只占所檢測多肽總量的20%，80%的多肽結合在細胞質基質上。另外mRNA和核糖體也都是結合在細胞質基質上。胞質溶膠中的多數(shù)蛋白質，特別是相對分子量較大的蛋白質，可能通過較弱的次級鍵直接或間接地結合在細胞質基質的骨架纖維上。也有一些學者試圖把細胞質骨架排除在細胞質基質概念之外。細胞質骨架固然是細胞中主要結構體系，然而離開了細胞質骨架的支持與組織，細胞質基質中的

12、其他成分就失去了錨定的位點，隨之也就喪失了這種復雜的高度有序的結構，也就無法完成各種生物學功能。從細胞骨架的角度來看，骨架的主要成分，特別是微管和微絲的裝配和解聚與周圍的液相始終處在一種動態(tài)平衡之中，離開這種特定的環(huán)境，骨架系統(tǒng)也難以行使其功能。 第二節(jié) 內質網內質網(endoplasmic reticulum，ER)是真核細胞重要的細胞器。它由封閉的膜系統(tǒng)及其圍成的腔形成互相溝通的網狀結構。內質網通常占細胞膜系統(tǒng)的一半左右，體積約占細胞總體積的10以上。在不同類型的細胞中，內質網的數(shù)量、類型與形態(tài)差異很大。同一細胞在不同發(fā)育階段和不同的生理狀態(tài)下，內質網的結構與功能也發(fā)生明顯變化。一、內質網

13、的兩種基本類型糙面內質網(rough endoplasmic reticulum,rER)光面內質網（smooth endoplasmic reticulum,sER）糙面內質網（rER） 多呈扁囊狀，排列較為整齊，因在其膜表面分布著大量的核糖體而命名。它是內質網與核糖體共同形成的復合機能結構，其主要功能是合成分泌性的蛋白和多種膜蛋白。因此在分泌細胞(如胰腺腺泡細胞)和分泌抗體的漿細胞中，糙面內質網非常發(fā)達。核糖體（核蛋白體或核糖核蛋白體，ribosome)由一大一小兩個亞基組成，主要成分是RNA和蛋白質，為蛋白質合成的主要部位。核蛋白體附著的膜系多為扁囊（小池）單位成分，有時可見扁囊內的物質

14、積累而使其膨大，普遍存在于分泌蛋白質的細胞中，其數(shù)量隨細胞而異，越是分泌旺盛的細胞中越多。核蛋白體除了結合于ER膜表面外，許多則游離于細胞質中。在胞液中有共同的核蛋白體庫，用于合成保留在胞液中或運輸?shù)紼R的蛋白質。結合膜的核蛋白體和游離的核蛋白體在結構和功能上是相同的，不同點在于在核蛋白體上產生的蛋白質是否具有ER信號肽。如果在胞液的核蛋白體上開始合成具ER信號肽的蛋白質，此信號肽便指導核蛋白體到ER膜。如果在胞液中核蛋白體合成的蛋白質不具信號肽，蛋白質合成后則保留在胞液中。在ER核蛋白體上合成的蛋白質有2類：形成跨膜蛋白，即合成的蛋白質部分保留在質膜或其他細胞器的膜內。合成水溶性蛋白，能完全

15、轉移橫過ER膜釋放到ER腔，如血漿蛋白（包括抗體）、酶原或肽類激素等。光滑內質網（sER）表面沒有核糖體結合的內質網稱光面內質網。光面內質網常為分支管狀、形成較為復雜的立體結構細胞中幾乎不含有純的光面內質網，它們只是作為內質網這一連續(xù)結構的一部分。光面內質網所占的區(qū)域通常較小，往往作為出芽的位點，將內質網上合成的蛋白質或脂質轉移到高爾基體內。在某些細胞中，光面內質網非常發(fā)達并具有特殊的功能，如合成固醇類激素的細胞及肝細胞等。光面內質網與高爾基體在結構、功能與發(fā)生上的關系更為密切。此外，在合成旺盛的細胞內，糙面內質網總是與線粒體緊密相依。光滑內質網廣泛存在于能合成類固醇的細胞，如精巢的間質細胞、

16、腎上腺皮質和其他分泌固醇類激素的細胞。二、內質網的功能內質網是細胞內蛋白質與脂質合成的基地，幾乎全部的脂質和多種重要的蛋白質都是在內質網上合成的。目前對內質網的功能尚不完全了解，對其中很多細節(jié)知之甚少。就已積累的材料可以看出，內質網是行使多種重要功能的復雜的結構體系。內質網的主要功能包括：蛋白質的合成和轉移脂質的合成蛋白質的修飾與加工新生多肽的折疊與裝配其他功能具體表現(xiàn)：蛋白質的合成和轉移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。有些蛋白質剛起始合成不久便轉移至內質網膜上，繼續(xù)進行蛋白質合成。 在糙面內質網上，多肽鏈一邊延伸一邊穿過內質網膜進人內質網腔中，合成的蛋白質及其

17、轉移位置：向細胞外分泌的蛋白質（胞外）膜的整合蛋白（膜上）構成細胞器中的可溶性駐留蛋白（細胞器內）另外，還有一些蛋白質在合成后需要進行修飾加工，這需要高爾基體與內質網的共同參與。細胞質基質中的合成的蛋白質與內質網上合成的蛋白質各具有自己的特點，內質網則為這些蛋白質準確有效地到達目的地提供了必要的條件。蛋白質合成步驟：多肽鏈合成開始于游離的核蛋白體上，當信號肽從核蛋白體上一出現(xiàn)，被SRP識別并與之結合；翻譯停止，直到接觸到rER膜，由SRP受體和轉移器介導核蛋白體附著于ER膜；信號肽（以成環(huán)的構型）結合到轉移器的成分，打開通道到ER腔；SRP從其受體上釋放，多肽鏈通過通道轉移。新生多肽鏈進入ER

18、腔后，信號肽被信號肽酶切除。(1)向細胞外分泌的蛋白質向細胞外分泌的蛋白，如胰腺細胞分泌的酶、漿細胞分泌的抗體、小腸杯狀細胞分泌的粘蛋白(mucin)、內分泌腺分泌的多肽類激素以及胞外基質成分等。這類蛋白質常以分泌泡的形式通過細胞的胞吐作用輸送到細胞外，而且這種蛋白運輸?shù)姆绞揭怖诜置谶^程的調控。（2）膜的整合蛋白進入ER的蛋白不是所有的全釋放到ER腔，有些則駐留在ER膜中。細胞膜上的膜蛋白及內質網、高爾基體和溶酶體膜上的膜蛋白等都具有方向性，其方向性在內質網上合成時就已確定，在以后的轉運過程中，其拓撲學特性始終保持不變。跨膜蛋白又可分為：單次跨膜蛋白、多次跨膜蛋白膜的整合蛋白單次跨膜蛋白留在

19、ER膜內的蛋白轉移過程比可溶蛋白的轉移復雜。單次跨膜蛋白插入ER膜，通過一種較簡單的機制是新生肽鏈協(xié)同翻譯插入(co-translation insertion)在新生跨膜蛋白的肽鏈中既有N端的信號肽，又有停止轉移肽(stop-tranfer peptide),它也是肽鏈中的疏水節(jié)段。N端的ER信號肽給予開始轉移信號，肽鏈繼續(xù)轉移，當停止信號進入轉移器并與其結合位點相互作用，轉移器成為鈍化狀態(tài)。整個多肽鏈尚未被全部轉移之前停止轉移過程，ER信號肽從轉移器釋放去除；而停止轉移肽則留在膜中成為單次跨膜節(jié)段，其蛋白的N端在膜的腔內側，C端在胞液側。另一種機制是，信號肽不是在蛋白的N端，而是在肽鏈的內

20、部，稱為內信號肽(internal signal peptide)。它像N端信號肽那樣被SRP識別，并協(xié)帶正在合成蛋白的核蛋白體到ER膜，又作為開始轉移信號啟動蛋白的轉移，多肽鏈被轉移，從轉移器釋放。內信號肽能以兩個不同的方向結合到轉移器。內信號肽插入的方向決定于蛋白帶電荷的氨基酸節(jié)段在內信號肽之前或在其后的分布，它決定跨膜蛋白的羧端在ER腔面、N端在胞液面或者與之相反。膜的整合蛋白多次跨膜蛋白多次跨膜蛋白整合到ER膜比單次跨膜蛋白的轉移過程更復雜。它是多肽鏈前后來回地重復通過脂雙層。內信號肽作為蛋白開始轉移信號啟動肽鏈的轉移直到一個停止轉移信號到達，才停止轉移。內信號肽和停止轉移信號肽均整合

21、在膜內。（3）構成細胞器中的駐留蛋白有些駐留蛋白需要與其他細胞組分嚴格隔離，如溶酶體與植物液泡中的酸性水解酶類；內質網、高爾基體和胞內體(endosome)中固有的蛋白以及其他有重要生物活性的蛋白，在合成后進人內質網，便于與其他細胞組分進一步區(qū)分，也有利于對它們的加工與活化。2脂質的合成ER是脂類合成的一個重要場所。大部分膜的脂雙層是在ER組裝的。ER膜能合成幾乎所有細胞膜需要的脂類，包括磷脂和固醇。主要的磷脂是磷脂酰膽堿（卵磷脂），其他幾種主要的膜磷脂：磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰絲氨酸(PS)及磷脂酰肌醇(PI)都是以這種方式合成的。磷脂合成的特點：磷脂的合成只發(fā)生在ER脂雙層胞液面的一半

22、，因為合成所需的酶均存在于ER膜上，在ER膜的胞液面有其活性位點，合成磷脂所需要的底物存在于胞液中。合成過程：這種磷脂由脂酰輔酶A、甘油-3-磷酸和胞苷二磷酸膽堿(CDP-膽堿）合成的。脂酰轉移酶（acyl transferase)催化脂酰輔酶A(fatty acyl CoA）和甘油-3-磷酸，將兩個脂肪酸加到磷酸甘油形成磷脂酸(phosphatidic acid)。這種化合物不溶于水，合成后便保留在脂雙層中。由磷酸酶和膽堿磷酸轉移酶(choline phosphotransferase)催化，最后形成脂類分子的頭部基團。脂質合成后的轉位：在內質網膜上合成的磷脂幾分鐘后就由細胞質基質側轉向內質

23、網腔面；其轉位速度比自然轉位速度高105倍，可能是借助一種磷脂轉位因子(phospholipid translocator)或稱轉位酶(flippase)的幫助來完成的。這種因子對含膽堿的磷脂要比對含絲氨酸、乙醇胺和肌醇的磷脂轉位能力強，因此磷脂酰膽堿更容易轉到內質網膜的腔面。合成的磷脂由內質網向其他膜的轉運主要有兩種方式：一種是以出芽的方式轉運到高爾基體、溶酶體和細胞膜上；另一種方式是憑借水溶性的載體蛋白，稱為磷脂轉換蛋白(phospholipid exchange proteins，PEP)在膜之間轉移磷脂，將磷脂從ER運輸?shù)骄€粒體、葉綠體和過氧化物酶。磷脂轉換蛋白(phospholipi

24、d exchange proteins，PEP)在膜之間轉移磷脂，其轉運模式為：PEP與磷脂分子結合形成水溶性的復合物進入細胞質基質通過自由擴散，直到遇到靶膜PEP將磷脂釋放出來，并安插在膜上。結果是：磷脂從含量高的膜轉移到缺少磷脂的膜上。3. 蛋白質的修飾與加工N-連接的糖基化（N-linked glycosylation）在ER腔里連接到蛋白質的寡糖主要的是由N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖組成，此類寡糖與天冬酰胺殘基側鏈的氨基基團連接。N-連接的寡糖只是在ER腔中才加到蛋白質上，N-糖基化是在ER腔面通過結合膜的寡糖轉移酶（oligosacharyl transferase)催化完成的。

25、寡糖在ER腔的合成和加工是通過多萜醇(dolichol)的介導作用。幾乎是當新生肽鏈一出現(xiàn)在ER膜內表面，整個預先形成的寡糖就被轉移到天冬酰胺的殘基上。前體寡糖的合成途徑：在ER膜的寡糖轉移酶，一個拷貝結合一個蛋白轉移器。連接脂類的前體寡糖是通過高能的焦磷酸連到多萜醇。高能鍵提供反應的能量。整個寡糖在轉移到蛋白以前是在結合膜的脂類分子上一個個糖組裝的。這些糖在胞液中首先通過核苷酸糖中間物的形成被活化，然后它將糖依次移給脂類。通過這一過程，連接寡糖的脂類從ER膜的胞液面翻轉到腔面。4新生多肽的折疊與裝配已轉移到ER腔 內的多肽鏈在ER 腔里進行折疊和組裝。在ER腔內有許多蛋白質是去其目的地的途中

26、，暫時經過的；同時ER腔內也有高濃度的駐留蛋白，因為它含有ER保留信號，即在蛋白質的C 端有4個氨基酸（-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-)負責保留蛋白在ER腔中。如果這種ER保留信號用遺傳工程方法去除了，則這些蛋白就被分泌出去；如果這信號被轉移到分泌蛋白，這種蛋白便保留在ER腔中，ER駐留蛋白中。有一些蛋白的功能是作為催化劑，協(xié)助轉移ER腔的許多蛋白，進行正確地折疊和組裝。例如，一種ER駐留蛋白是“伴娘”蛋白，通稱為結合蛋白（binding protein, Bip)。在細胞中這類蛋白能識別正在合成的多肽或部分折疊的多肽，并與多肽的一定部位相結合，幫助這些多肽的轉移、折疊或組裝，一旦

27、這些蛋白形成正確構象或裝配完成，便與Bip分離，進入高爾基體。另一種ER-駐留蛋白是蛋白二硫異構酶（Protein disulfide isomerase,PDI)。它附著在內質網膜腔面上，可以切斷二硫鍵，形成自由能最低的蛋白構象，以幫助新合成的蛋白重新形成二硫鍵并處于正確折疊狀態(tài)。蛋白二硫鍵異構酶和Bip等蛋白都具有4肽信號以保證它們滯留在內質網中。并維持很高的濃度。 5. 內質網的其他功能解毒作用肝細胞中光面內質網很豐富，與解毒作用有關的酶系主要大量存在于此。它是合成外輸性脂蛋白顆粒的基地，肝細胞中的光面內質網中還含有一些酶，用以清除脂溶性的廢物和代謝產生的有害物質，因而光面內質網具有解毒

28、功能。某些藥物如苯巴比妥(phenobarbitol)進入體內，肝細胞中與解毒反應有關的酶便大量合成，幾天之中光面內質網的面積成倍增加。一旦毒物消失，多余的光面內質網也隨之被溶酶體消化，5天內又恢復原來的大小。sER解毒作用機制：對藥物、毒物進行氧化、羥化，消除其作用或毒性；且羥化后出現(xiàn)羥基，極性增強，易于排泄。但也有的藥物或毒物經氧化作用后反而增強了毒性。如黃曲霉素等致癌物在體內經sER的氧化作用生成環(huán)氧化物可與核酸大分子作用而導致癌變。合成固醇在某些合成固醇類激素的細胞如睪丸間質細胞中，光面內質網也非常豐富，其中含有制造膽固醇并進一步產生固醇類激素的一系列的酶。作為Ca2+的儲存庫內質網不

29、僅作為Ca2+的儲存庫，而且由于高濃度的Ca2+及與之結合的鈣結合蛋白的存在，可能阻止內質網以出芽方式形成運輸小泡。因此Ca2+濃度的變化對運輸小泡的形成，可能起重要的調節(jié)作用。除此之外，內質網還為細胞質基質中很多蛋白，包括多種酶類，提供了附著位點，有人認為內質網的扁囊和管道還有儲存與運輸物質的功能，在能量與信息的傳遞、細胞的支持和運動等方面可能也具有一定的作用。第三節(jié) 高爾基復合體高爾基體(Golgi body)又稱高爾基器(Golgi apparatus)或高爾基復合體(Golgi complex)，是比較普遍地存在于真核細胞內的一種細胞器。1898年，意大利醫(yī)生Camillo Golgi

30、用鍍銀法首次在神經細胞內觀察到一種網狀結構，命名為內網器(internal reticular apparatus)。后來在很多細胞中相繼發(fā)現(xiàn)了類似的結構并稱之為高爾基體。 主要內容：高爾基體的形態(tài)結構高爾基體的功能高爾基體與細胞內的膜泡運輸一、高爾基體的形態(tài)結構(A) Three-dimensional reconstruction from electron micrographs of the Golgi apparatus in a secretory animal cell. (B) Electron micrograph of a Golgi apparatus in a plan

31、t cell (the green alga Chlamydomonas) seen in cross-section 根據(jù)高爾基體的各部分膜囊特有的成分，可用電鏡細胞化學的方法對高爾基體的結構成分作進一步的分析。常用的4 種標志細胞化學反應是：(1)嗜鋨反應，經鋨酸浸染后，高爾基體的cis 面膜囊被特異地染色。(2)焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的細胞化學反應，可特異地顯示高爾基體的trans面的12層膜囊。(3)胞嘧啶單核苷酸酶(CMP酶)的細胞化學反應。常常可顯示靠近trans面上的一些膜囊狀和管狀結構，CMP酶也是溶酶體的標志酶。(4)煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的細胞化學反應，

32、是高爾基體中間幾層扁平囊的標志反應。高爾基體是一個復雜的由許多功能不同的間隔所組成的完整體系。目前，多數(shù)學者認為，高爾基體至少由互相聯(lián)系的4個部分組成：1.高爾基體順面膜囊(cis Golgi)或順面網狀結構(cis Golgi network，CGN) 位于高爾基體順面最外側的扁平膜囊，又稱cis膜囊，是中間多孔而呈連續(xù)分支的管網結構。CGN接受來自內質網新合成的物質并將其分類后大部分轉入高爾基體中間膜囊，小部分蛋白質與脂質再返回內質網。CGN區(qū)域參與蛋白絲氨酸殘基的O-連接糖基化；跨膜蛋白在細胞質基質一側結構域的酰基化等。2高爾基體中間膜囊(medial Golgi)由扁平囊與管道組成，形

33、成不同間隔，但功能上是連續(xù)的、完整的膜囊體系。多數(shù)糖基化修飾、糖脂的形成以及與高爾基體有關的多糖的合成都發(fā)生在中間膜囊中。扁平膜囊特殊的形態(tài)使其具有很大的膜表面，從而大大增加了進行糖的合成與修飾的有效面積。3高爾基體反面的膜囊(trans Golgi)以及反面高爾基體網狀結構(trahs Golgi network，TGN) TGN位于反面的最外層，與反面的扁平膜囊相連，另一側伸入反面的細胞質中，形態(tài)呈管網狀，并有囊泡與之相連。TGN的主要功能是參與蛋白質的分類與包裝，最后從高爾基體中輸出，某些“晚期”的蛋白質修飾也發(fā)生在TGN中。TGN在蛋白質與脂質的轉運過程中還起到“瓣膜”的作用，保證這些

34、物質向單方向轉運。4.高爾基體的周圍大小不等的囊泡 順面一側的囊泡可能是內質網與高爾基體之間的物質運輸小泡，稱之為ERGIC（endoplasmic reticulum-Golgi intermediate compartment）高爾基體的反面一側可以見到體積較大的分泌泡與分泌顆粒，將經過高爾基體分類與包裝的物質運送到細胞特定的部位。二、高爾基體的功能高爾基器參加細胞的分泌過程，而且對分泌的糖蛋白和其他的糖蛋白具有修飾加工分類包裝以供轉運的作用，高爾基器是糖類生物合成的主要場所高爾基體是ER產物的分選和發(fā)送站，它所合成的糖類，很大比例作為寡糖側鏈連接到從ER來的蛋白質和脂類上，某些寡糖基團經

35、磷酸化作為標記指導特異蛋白質到溶酶體或其他部位。高爾基體的主要功能：高爾基體與細胞的分泌活動蛋白質的糖基化及其修飾蛋白酶的水解的和其他加工過程具體表現(xiàn)：1. 高爾基體與細胞的分泌活動高爾基體參加細胞的分泌活動過程，而且對分泌的糖蛋白和其他的糖蛋白具有修飾加工分類包裝以供轉運的作用。高爾基器是糖類生物合成的主要場所，如完成糖蛋白的合成、多糖的合成、以及氨基多糖的硫酸化。植物細胞分泌的細胞壁的多糖類成分纖維素果膠是高爾基器合成的分泌產物。動物細胞如軟骨細胞分泌的粘多糖和糖蛋白也是在高爾基器中合成的，其中硫酸軟骨素的硫酸基團是在高爾基器的扁囊內加到糖蛋白的糖鏈部分的。2. 蛋白質的糖基化及其修飾真核

36、細胞中普遍存在的糖基化，如溶酶體中的水解酶類、多數(shù)細胞膜上的膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白。為什么蛋白要進行糖基化？為各種蛋白質打上不同的標志，以利于高爾基體的分類與包裝，同時保證糖蛋白從糙面內質網至高爾基體膜囊單方向進行轉移。糖基化的另一種功能是影響多肽的構象，影響合成多肽的去留。如用抗生素tumcamycm阻斷蛋白質糖基化，糙面內質網中合成的多肽，如分泌蛋白IgG抗體或分送到質膜上的糖蛋白如血凝素等，由于缺少糖基側鏈不能正確折疊而滯留在內質網中。糖基化增強糖蛋白的穩(wěn)定性。真核細胞中寡糖鏈一般結合在肽鏈的4 種氨基酸殘基上，由此可分成兩大類不同的糖基化修飾，即N-連接(連接到天冬酰胺的酰胺氮原子

37、上)和O-連接(連接到絲氨酸、蘇氨酸或在膠原纖維中的羥賴氨酸或羥脯氨酸的羥基上)糖基化。N-連接與O-連接的寡糖在成分和結構上有很大的不同，合成與加工的方式也完全不同。所有成熟的N-連接的寡糖鏈都含有兩個N-乙酰葡萄糖胺和3個甘露糖殘基。根據(jù)其結構特征又可分為：高甘露糖N-連接寡糖(high mannose N-linked oligosaccharide)、復雜的N-連接寡糖(complex N-linked oligosaccharide)。The two main classes of asparagine-linked (N-linked) oligosaccharides found

38、 in mature glycoproteins. O-連接、復雜的N-連接糖基一個共同的特點是：最后一步加上唾液酸殘基，反應都發(fā)生在高爾基器反面膜囊和TGN中。高爾基器功能區(qū)隔化：內質網和高爾基體中所有與糖基化及寡糖的加工有關的酶都是整合膜蛋白。它們固定在細胞的不同間隔中，其活性部位均位于內質網或高爾基體的腔面；在不同的間隔中，膜上的載體蛋白也有所不同，不同的間隔完成不同的功能。蛋白聚糖(proteoglycan)在高爾基體中裝配蛋白聚糖是由一個或多個糖胺聚糖(glycosaminoglycans)結合到核心蛋白的絲氨酸殘基上。與一般O-連接寡糖不同，它直接與絲氨酸羥基結合的不是N-乙酰半乳

39、糖胺而是木糖(xylose)。蛋白聚糖多為胞外基質的成分，有些也整合在細胞膜上，很多上皮細胞分泌的保護性粘液常常是蛋白聚糖和高度糖基化的糖蛋白的混合物。3. 蛋白酶的水解和其他加工過程有些多肽，需在糙面內質網中切除信號肽后才能成為有活性的成熟多肽。還有很多肽激素和神經多肽(neuropeptides)需經特異性地水解(常常發(fā)生在與一對堿性氨基酸相鄰的肽鍵上)才成為有生物活性的多肽。不同的蛋白質在高爾基體中酶解加工的方式各不相同，可歸納為以下幾種類型：（1)比較簡單的形式是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。如胰島素。(2)有些

40、蛋白質分子在糙面內質網中合成時便是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，如神經肽等。(3)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物；有些情況下，同一種蛋白質前體在不同的細胞中可能以不同的方式加工而產生不同種的多肽，這樣大大增加了細胞信號分子的多樣性。不同的多肽采用不同的加工方式，其原因可能是：。（4）硫酸化作用也在高爾基體中進行，硫酸化的蛋白質主要是蛋白聚糖。高爾基體在細胞內膜泡蛋白運輸中起重要的樞紐作用。 The intracellular compartments of the eucaryotic cell involved in th

41、e biosynthetic-secretory and endocytic pathways 第四節(jié) 溶酶體與過氧化物酶體溶酶體(1ysosome)是單層膜圍繞、內含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器。其主要功能是進行細胞內的消化作用。溶酶體幾乎存在于所有的動物細胞中，植物細胞內也有與溶酶體功能類似的細胞器圓球體及植物中央液泡，原生動物細胞中也存在類似溶酶體的結構。典型的動物細胞中約含有數(shù)百個溶酶體，但在不同的細胞內溶酶體的數(shù)量 和形態(tài)有很大差異，即使在同一種細胞中，溶酶體的大小、形態(tài)也有很大區(qū)別，這主要是由于每個溶酶體處于其不同生理功能階段的緣故。一、溶酶體的形態(tài)結構溶酶體的形態(tài)大小差異較大，

42、直徑一般在0.20.8 m，最小的為0.05 m，最大的達幾微米。到目前已發(fā)現(xiàn)約有60余種酸性水解酶存在于其中。概括起來包括：蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、酯酶、磷脂酶、磷酸酶和硫酸酶等。這些酶在酸性溶液內能分解重要的生物化合物蛋白質、核酸、多糖及脂類。溶酶體膜在成分上與其他生物膜有不同。在溶酶體膜上嵌有質子泵(proto pump)依賴ATP水解放出能量將H+泵入溶酶體內以維持其內腔的酸性pH；具有多種載體蛋白用于水解的產物向外轉運；構成溶酶體膜的蛋白質高度糖基化，可保護膜免受溶酶體內蛋白酶的消化。溶酶體的分類溶酶體是一種異質性（heterogenous)細胞器，根據(jù)其所處的完成其生理功能的不同階

43、段，大致可分為初級溶酶體、次級溶酶體和殘余體。 初級溶酶體(primary lysosome):（又名原溶酶體，致密體）呈球形，直徑約為0.20.5 m，內容物均一，不含有明顯的顆粒物質，外面由一層脂蛋白膜圍繞。其中的酶無活性。 次級溶酶體(secondary lysosome) 當初級溶酶體與來自細胞外部或內部的物質相互作用時形成次級溶酶體。次級溶酶體形狀常不規(guī)則，較大，且含有正在消化的顆?；蚰さ乃槠?。由于初級溶酶體與所作用物質的來源不同，次級溶酶體又可分為：自噬溶酶體（與自噬泡結合）、異噬溶酶體(與異噬泡結合)。 殘余小體(residual body)正常情況下，在次級溶酶體內進行消化作

44、用完成后，形成的小分子物質可通過膜上的載體蛋白轉運到細胞質中，供細胞代謝用。剩下的消化不了的殘渣物質，稱為殘余小體。殘余小體可通過胞吐作用的方式將內容物排出細胞。二、溶酶體的功能按被消化物質的來源可分為：1自體吞噬作用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。當溶酶體缺失或產生溶酶體酶和某些代謝環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時，上述物質不能被水解而積留在溶酶體中，結果細胞成分與結構得不到更新，直接影響細胞的代謝，引起疾病。如臺-薩氏病，由于溶酶體中缺少氨基已糖酯酶A，神經細胞中的神經節(jié)苷脂GM2不能被溶酶體水解而積累在細胞內，特別是腦細胞，造成精神呆滯。2內吞作用為細

45、胞提供營養(yǎng)、防御功能作為細胞內的消化“器官”為細胞提供營養(yǎng)，如降解內吞的血清脂蛋白，獲得膽固醇等營養(yǎng)成分。防御功能是某些細胞特有的功能，它可以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。動物細胞中有幾種吞噬細胞(phagocyte)常常位于肝、脾和其他血管通道中，用以清除形成抗原抗體復合物的有機體顆粒及吞噬的細菌、病毒等人侵者。同時也不斷清除衰老死亡的細胞和血管中顆粒物質。當機體被感染后，單核細胞(monocyte)移至感染或發(fā)炎的部位分化成巨噬細胞，巨噬細胞中溶酶體非常豐富，并含有過氧化氫、超氧物(O2-)等與溶酶體酶等共同作用殺死細菌。3自溶作用其他重要的生理功能(1)

46、在分泌腺細胞中，溶酶體常常含有攝入的分泌顆粒，可能參與分泌過程的調節(jié)。甲狀腺球蛋白形成甲狀腺素，發(fā)揮其調節(jié)功能。 (2) 通過自溶作用，引起細胞自身的溶解、死亡，整個程序性死亡細胞被周圍活細胞釋放的酶所消化，如兩棲類發(fā)育過程中蝌蚪尾巴的退化，昆蟲變態(tài)幼蟲組織的消失。三、溶酶體的形成溶酶體形成的過程：在rER內形成溶酶體酶（糖蛋白，具有N-連接的寡糖鏈）在CGN內寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化形成M6P標記 在TGN內具有M6P基團的寡糖鏈被受體蛋白識別并與之結合包涵素被包裝 從TGN出芽，成為特異的運輸囊泡 與晚胞內體融合 在晚胞內體酸性環(huán)境中水解酶從M6P受體上分離下來 水解酶去磷酸化成為溶酶體

47、的酶。M6P標記的作用是把可溶性蛋白結合在特異的膜受體上。大部分溶酶體水解酶具有多個寡糖，它們可形成許多個M6P基團。這對M6P受體提供了很強的易于識別的信號。溶酶體水解酶典型的結合到磷酸轉移酶的識別位點，其親和常數(shù)Ka約為105L/mol，多磷酸化水解酶結合M6P受體的親和常數(shù)約為109L/mol，親和力增加了10000倍。溶酶體酶甘露糖殘基磷酸化過程由兩種酶催化溶酶體酶甘露糖殘基的磷酸化。N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉移酶（GlcNAc-P-ransferase,phosphotransferase)，其上具有特異地結合水解酶的識別位點（recognition site)和磷酸轉移酶反應的催化位點

48、（catalytic site)。被識別位點所識別的信號是水解酶信號斑的構象，一旦水解酶的信號斑被識別與信號位點結合，磷酸轉移酶即將GlcNAc-磷酸加到每個寡糖鏈的1或2個甘露糖殘基上。GlcNAc-磷酸糖苷酶(phosphoglycosidase)切去GlcNAc殘基，形成M6P標記的水解酶。在溶酶體中除了水解性的酶外，還有一些結合在膜上的酶，如葡萄糖苷酯酶，此外還有溶酶體膜上的特異膜蛋白，這些蛋白也是在內質網上合成，經高爾基體加工和分類的，與溶酶體中可溶性酶蛋白不同的是這類蛋白不再進行磷酸化。溶酶體的發(fā)生可能是多種途徑的復雜過程。不同種類的細胞可能采取不同的途徑，同一種細胞也有不同的方式

49、，甚至某些酶還可能通過不同的渠道進入溶酶體中。四、溶酶體與過氧化物酶體過氧化物酶體(peroxisome)，又稱微體(microbody)，是單層膜圍繞的、內含一種或幾種氧化酶類的細胞器。過氧化物酶體是一種異質性（在同一有機體不同細胞中可含有不同組的酶）的、多功能（含有50余種酶，具有不同的活性）的細胞器，不同生物的細胞中，甚至單細胞生物的不同個體中所含酶的種類及其行使的功能都有所不同。1過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別2過氧化物酶體的功能過氧化物酶體的氧化酶（依賴于黃素FAD)利用分子氧在氧化反應中脫去特異有機底物上的H原子，產生氫的過氧化物H2O2；過氧化氫酶又利用H2O2通過氧化反應去氧化其他

50、各種底物包括酚、甲醛、甲酸和醇，這類反應在肝和腎細胞中特別重要，因為過氧化氫酶體可去除進入血流中的各種有毒性分子，飲進的酒精幾乎半數(shù)是在過氧化物酶體中氧化成乙醛的。在植物細胞中過氧化物酶體起著重要的作用。一是在綠色植物葉肉細胞中，它催化CO2固定反應副產物的氧化，即所謂光呼吸反應；二是在種子萌發(fā)過程中，過氧化物酶體降解儲存在種子中的脂肪酸產生乙酰輔酶A，并進一步形成琥珀酸，琥珀酸離開過氧化物酶體進一步轉變成葡萄糖。因上述轉化過程伴隨著一系列稱為乙醛酸循環(huán)的反應，因此又將這種過氧化物酶體稱為乙醛酸循環(huán)體(glyoxysome)。在動物細胞中沒有乙醛酸循環(huán)反應，因此動物細胞不能將脂肪中的脂肪酸直接

51、轉化成糖。3過氧化物酶體的發(fā)生過氧化物酶體膜包括特異的輸入受體蛋白，所有過氧化物酶體蛋白，包括輸入受體的新拷貝都是在胞液的核蛋白體上合成的，然后輸入到細胞器。新合成的蛋白在信號肽的指導下進入過氧化物酶體。已發(fā)現(xiàn)的過氧化物酶體蛋白分選信號序列（peroxiso-mal targeting singal,PTS)為：PST1(-Ser-Lys-Leu-)存在于基質蛋白的C端；PTS2（Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu-）存在于N端的前2030個氨基酸序列中。第五節(jié) 細胞內蛋白質的分選與細胞結構的裝配絕大多數(shù)的蛋白質均在細胞質基質中的核糖體上開始合成，然后轉運至細胞的特定

52、部位，也只有轉運至正確的部位并裝配成結構與功能的復合體，才能參與細胞的生命活動。這一過程稱蛋白質的定向轉運(protein targeting)或分選(protein sorting)。 信號假說與蛋白質分選信號 主要內容 蛋白質分選的基本途徑與類型 膜泡運輸 細胞結構體系的裝配一、信號假說與蛋白質分選信號1972年，C.Milstein等發(fā)現(xiàn)在骨髓瘤細胞中提取的免疫球蛋白分子的N端要比分泌到細胞外的免疫球蛋白分子N端的氨基酸序列多出一截。1975年，G.Blobel和D.Sabatini等根據(jù)進一步實驗依據(jù)，提出了信號假說，即分泌性蛋白N端序列作為信號肽，指導分泌性蛋白到內質網膜上合成，在蛋

53、白合成結束之前信號肽被切除。經過十多年的深入研究，信號假說已得到普遍的承認。因此，G.Blobel關于信號序列控制蛋白質在細胞內的轉移與定位的研究成果，獲得1999年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎?，F(xiàn)已確認，指導分泌性蛋白在糙面內質網上合成的決定因素是蛋白質N端的信號肽(singal sequence或singal peptide)，信號識別顆粒(singal recognition particle,SRP)和內質網上的信號識別顆粒的受體(又稱停泊蛋白，docking protein,DP)等因子協(xié)助完成信號肽位于蛋白質的N端，一般有1626個氨基酸殘基，包括三部分：疏水核心區(qū)、信號肽的C端和N端。信

54、號肽似乎沒有嚴格的專一性，如大鼠的胰島素原蛋白接上真核或原核細胞的信號肽，均可通過大腸桿菌的細胞膜分泌到細胞外。目前尚未發(fā)現(xiàn)共同的信號序列。信號識別蛋白由6種多肽和一個7S的RNA組成的復合物，相對分子質量約325×103；它既可與新生肽信號序列和核糖體結合，又可與停泊蛋白結合。停泊蛋白相對分子質量為72×103，存在于內質網上，可特異地與信號識別蛋白結合。分泌蛋白在內質網上合成的過程：蛋白質在細胞質基質游離核糖體上起始復制 多肽延伸至80個氨基酸左右時，N端信號序列與信號識別顆粒結合 肽鏈延伸暫時停止 核糖體與內質網膜的易位子結合 信號識別顆粒脫離信號序列和核糖體，返回到

55、細胞質基質中重復使用 信號肽進入內質網腔 腔面上的信號肽酶切除信號肽 肽鏈繼續(xù)延伸直至完成整個多肽鏈的合成細胞內蛋白質的分選共轉移(cotranslocation)肽鏈邊合成邊轉移至內質網腔中的方式。開始轉移序列(start transfer sequence)引導肽鏈穿過內質網膜的信號肽。停止轉移序列(stop transfer sequence)肽鏈中的某種序列與內質網膜有很強的親和力而結合在脂雙層之中，這段序列不再轉入內質網腔中。二、蛋白質分選的基本途徑和類型蛋白質的分選大體可分兩條途徑：細胞質基質中完成多肽鏈的合成，然后轉運至膜圍繞的細胞器，如線粒體(或葉綠體)、過氧化物酶體、細胞核及細胞質基質的特定部位，最近發(fā)現(xiàn)有些還可轉運至內質網中；蛋白質合成起始后轉移至糙面內質網，新生肽邊合成邊轉入糙面內質網腔中，隨后經高爾基體運至溶酶體、細胞膜或分泌到細胞外，內質網與高爾基體本身的蛋白成分的分選也是通過這一途徑完成的。如果從蛋白質分選的類型或機制的角度看，又可分為四種基本類型：1蛋白質的