細胞質基質和內(nèi)膜系統(tǒng)

關于細胞質基質和內(nèi)膜系統(tǒng)第1頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三第七章細胞質基質與內(nèi)膜系統(tǒng)第一節(jié)細胞質基質及其功能第二節(jié)細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能第2頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三細胞器（organelle）：真核細胞內(nèi)各種膜包被的功能性結構。內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembranesystem）：指在結構、功能乃至發(fā)生上相互關聯(lián)的由單層膜包被的細胞器或細胞結構的總稱。主要包括內(nèi)質網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、胞內(nèi)體、分泌泡和液泡等。第3頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三真核細胞的內(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)達的膜相結構，將細胞質區(qū)分成不同的隔室，這是真核細胞結構和功能的基本特征之一。

細胞內(nèi)被膜區(qū)分為3類結構：（1）細胞質基質；（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4頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)細胞質基質及其功能一、細胞質基質的含義二、細胞質基質的功能第5頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三定義：在真核細胞的細胞質中，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)著細胞質膜內(nèi)和細胞核膜外的細胞內(nèi)空間。細胞質基質可能是一個高度有序且又不斷變化的動態(tài)結構體系。主要成分：代謝有關的數(shù)千種酶類、細胞質骨架結構。主要特點：細胞質基質是一個高度有序的體系；通過弱鍵而相互作用處于動態(tài)平衡的結構體系。一、細胞質基質的含義第6頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三二、細胞質基質的功能四大主要功能：蛋白質和脂肪酸的合成場所（許多中間代謝途徑）；

細胞質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、物質運輸及能量傳遞有關；細胞內(nèi)的膜相把細胞質基質區(qū)室化，并通過質膜或細胞器膜上的膜轉運蛋白維持細胞內(nèi)外的跨膜電化學梯度；蛋白質的修飾和選擇性降解。第7頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三D、蛋白質的修飾和選擇性降解（一）蛋白質的修飾：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-乙酰葡萄糖胺加到蛋白質的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膜上豆蔻酸共價連接；Ras的?；?/p>

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。第8頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三1.

決定蛋白質壽命的信號：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的機制：

泛素-蛋白酶體所介導的蛋白質降解途徑。

生物學功能：包括蛋白質質量監(jiān)控、影響細胞代謝、信號轉導和受體調整、免疫反應、細胞周期、轉錄調節(jié)和DNA修復等。（二）控制蛋白質的壽命：第9頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三泛素-蛋白酶體介導的蛋白質降解途徑泛素（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的Lys殘基的ε-氨基形成異肽鍵而共價連接，并指引該靶蛋白質運到蛋白酶體中進行降解。蛋白酶體（proteasome）：真核細胞質基質中降解被泛素標記的蛋白質的中空桶狀多亞基蛋白復合體。

其中間由28種蛋白質亞基組成的20S催化核心；兩端各結合一個由16~18種蛋白質亞基組成的19S調節(jié)和識別帽，其中6種亞基具有ATPase活性，負責為蛋白質降解活動提供能量。第10頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三泛素-蛋白酶體介導的蛋白質降解途徑（ubiquitin-proteasome-mediatedpathway）第11頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三（三）降解異?；蚧蔚牡鞍踪|

細胞質基質中的變性的、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，也常常很快被降解清除。（四）幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新正確折疊

熱休克蛋白（HSP，heatshockprotein）來完成。

第12頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能一、內(nèi)質網(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、蛋白質修飾與分選、膜泡運輸和各種質量監(jiān)控機制，維系其系統(tǒng)的動態(tài)平衡。第13頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三一、內(nèi)質網(wǎng)內(nèi)質網(wǎng)（endoplasmicreticulum，ER）：是由小管、囊泡和扁平囊互相溝通形成的三維網(wǎng)絡結構。它是真核細胞中最普遍、最多變和適應性最強的細胞器。微粒體（microsome）：是在細胞勻漿和超速離心過程中由破碎的內(nèi)質網(wǎng)形成的近似球形的囊泡結構，常常把它與內(nèi)質網(wǎng)等同。第14頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三1、內(nèi)質網(wǎng)的兩種基本類型糙面內(nèi)質網(wǎng)（roughendoplasmicreticulum，rER）光面內(nèi)質網(wǎng)（smoothendoplasmicreticulum，sER）內(nèi)質網(wǎng)的分布：綠色為“糙面和光面”；黃色為“糙面”。第15頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2.1蛋白質的合成-糙面內(nèi)質網(wǎng)的主要功能2、內(nèi)質網(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。第16頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2.2脂類的合成-光面內(nèi)質網(wǎng)的主要功能A：通過膜泡轉運脂質B：通過PEP（磷脂交換蛋白）介導的脂質轉運C：膜嵌入蛋白介導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運機制第17頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2.3蛋白質的修飾與加工修飾加工：糖基化、羥基化、?；⒍蜴I形成等；糖基化：在糖基轉移酶作用下發(fā)生在ER腔面N-linkedglycosylation（Asn）；?；喊l(fā)生在ER的細胞質基質側。發(fā)生在糙面內(nèi)質網(wǎng)蛋白質N-連接的糖基化過程第18頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三N-連接糖基化與O-連接糖基化的比較N-連接涉及內(nèi)質網(wǎng)和高爾基體N-連接中肽鏈糖基化位點：即Asn-X-Ser/Thr中的AsnO-連接發(fā)生在高爾基體第19頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2.4

新生肽的折疊與組裝合成后折疊成正確構象并裝配完成；結合蛋白（Bindingprotein，Bip）結合蛋白屬于熱休克蛋白70家族成員，普遍存在于內(nèi)質網(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。第20頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2.5

內(nèi)質網(wǎng)的其他功能肝的解毒作用（Detoxification）：肝細胞光面內(nèi)質網(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：肌質網(wǎng)膜上的Ca2+-ATP酶將細胞質基質中Ca2+泵入肌質網(wǎng)腔中；合成固醇類激素。有些細胞中光面內(nèi)質網(wǎng)非常發(fā)達。第21頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三3、內(nèi)質網(wǎng)應激（ERS）反應3.1未折疊蛋白質應答反應（unfoldedproteinresponse,UPR)；3.2固醇調節(jié)元件結合蛋白質（sterolregulatoryelementbindingprotein,SREBP）介導的信號途徑；3.3內(nèi)質網(wǎng)超負荷反應（Endoplasmicreticulumoverloadresponse,EOR);3.4引發(fā)細胞凋亡。第22頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三未折疊蛋白質應答反應圖示A：3條不同的平行信號轉導途徑執(zhí)行未折疊蛋白質應答反應（UTR）B：IRE1膜蛋白介導的UTR第23頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三固醇調控元件結合蛋白（SREBP）的膽固醇敏感調控示意圖第24頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三1889年，Golgi用銀染法在貓頭鷹的神經(jīng)細胞內(nèi)觀察到了清晰的結構，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結構。二、高爾基體（Golgibody）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。第25頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三常分布于內(nèi)質網(wǎng)與細胞膜之間，呈弓形或半球形。凸出的一面對著內(nèi)質網(wǎng)稱為形成面或順面（cisface）；凹進的一面對著質膜稱為成熟面或反面（transface）；中間囊膜；順面和反面都有網(wǎng)狀結構（CGN和TGN)。1、形態(tài)結構與極性第26頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三扁平囊直徑約1um，單層膜構成，中間為囊腔，周緣多呈泡狀，4~8個扁平囊在一起，構成高爾基體的主體(Golgistack)。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，中性脂類主要包括膽固醇，膽固醇酯和甘油三酯。酶主要有：糖基轉移酶、磺基-糖基轉移酶、氧化還原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、轉移酶和磷脂酶等不同的類型。標志酶為糖基轉移酶。高爾基體結構組成第27頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三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，

物質從高爾基體的一側輸入，從另一側輸出，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→順面；（2）NADP酶的細胞化學反應→中間幾層扁平囊；（3）TPP酶的細胞化學反應→反面的1~2層膜囊；（4）CMP酶和酸性磷酸酶的細胞化學反應→靠近反面膜囊狀和反面管網(wǎng)結構。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。

第28頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2、高爾基體的功能對ER轉運來的脂分子及蛋白質進行加工、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)大分子轉運的樞紐或“集散地”。參與細胞分泌活動；蛋白質的糖基化；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：第29頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三

高爾基體TGN區(qū)是蛋白質包裝與分選的關鍵樞紐，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）可調節(jié)型分泌途徑（受到適宜信號的調節(jié)）；（3）組成型分泌途徑（連續(xù)的不需調節(jié)）。2.1參與細胞分泌活動第30頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2.2

蛋白質的糖基化及其修飾糖基化的生物學功能有：（1）糖鏈促進蛋白質折疊和增強蛋白質穩(wěn)定性的作用；（2）糖鏈作為對蛋白質包裝和分選的信號；（3）寡糖鏈參與介導細胞間或細胞與細胞外基質間的識別、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的水溶性和所帶電荷的性質。

大多數(shù)蛋白質（可溶性分泌蛋白、質膜上大多數(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的多糖的合成，主要發(fā)生在高爾基體。第31頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三脊椎動物細胞糖蛋白N-連接寡糖在高爾基體各膜囊區(qū)間的加工過程第32頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三（1）對于沒有生物活性的蛋白原（proprotein）,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第33頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三三、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、糊粉粒和中央大液泡。溶酶體一種異質性的細胞器：

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。第34頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三溶酶體膜在成分上也與其它生物膜不同：①嵌有質子泵（溶酶體酶的最適pH為5.0左右）；②具有多種載體蛋白（水解產(chǎn)物外運）；③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；與相關的非溶酶體酶是一類結構與功能上相似的酶家族，在進化上同源。第35頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三1、溶酶體的形態(tài)結構與類型初級溶酶體：呈球形，內(nèi)容物均一，不含有明顯的顆粒物質，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作用的復合體，外部形態(tài)不規(guī)則，內(nèi)部結構多樣。殘質體：小鼠膀胱上皮細胞中的溶酶體第36頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2、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，精子的頂體相當于特化的溶酶體。第37頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三溶酶體消化作用的3種途徑第38頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三3、溶酶體的發(fā)生

溶酶體酶在糙面內(nèi)質網(wǎng)合成和初加工，以出芽形式離開內(nèi)質網(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區(qū)分開來而特異地分選到溶酶體膜上，機制仍不明。第39頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三新合成的可溶性溶酶體酶從高爾基TGN和細胞表面轉運到溶酶體的示意圖第40頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三矽(xi)肺：二氧化硅塵粒（矽塵）吸入肺泡后被巨噬細胞吞噬，導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（lysosomalstoragedisorder）：該疾病以缺乏某種溶酶體酶為特征，從而不能降解相應底物而貯積在溶酶體內(nèi)。病例：第41頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三肺結核：結核桿菌不產(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,使結核桿菌在肺泡內(nèi)大量生長繁殖,導致巨噬細胞裂解,釋放出的結核桿菌再被吞噬而重復上述過程，引起肺組織鈣化和纖維化。類風濕性關節(jié)炎：溶酶體膜很易脆裂。病例：第42頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三四、過氧化物酶體（peroxisome）：定義：又稱微體（microbody），是真核細胞中由單層膜圍繞的含有一種或幾種氧化酶類的細胞器，能夠利用分子氧氧化有機物。鼠肝細胞超微切片所示的過氧化物酶體和其他細胞器（如線粒體）第43頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三是一種具有異質性的細胞器。直徑通常0.5um，呈圓形，橢圓形或啞呤形不等，由單層