細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和內(nèi)膜系統(tǒng)

關(guān)于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和內(nèi)膜系統(tǒng)第七章細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與內(nèi)膜系統(tǒng)第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)及其功能第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞器（organelle）：真核細(xì)胞內(nèi)各種膜包被的功能性結(jié)構(gòu)。內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembranesystem）：指在結(jié)構(gòu)、功能乃至發(fā)生上相互關(guān)聯(lián)的由單層膜包被的細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)的總稱。主要包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、胞內(nèi)體、分泌泡和液泡等。第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天真核細(xì)胞的內(nèi)區(qū)室化細(xì)胞內(nèi)區(qū)室化：真核細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)具有發(fā)達(dá)的膜相結(jié)構(gòu)，將細(xì)胞質(zhì)區(qū)分成不同的隔室，這是真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的基本特征之一。

細(xì)胞內(nèi)被膜區(qū)分為3類結(jié)構(gòu)：（1）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)；（2）內(nèi)膜系統(tǒng)；（3）其它由膜所包被的細(xì)胞器。真核細(xì)胞內(nèi)典型區(qū)室化特征示意圖第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)及其功能一、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的含義二、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天定義：在真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，除去可分辨的細(xì)胞器以外的液相內(nèi)容物（黏稠膠體），占據(jù)著細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)和細(xì)胞核膜外的細(xì)胞內(nèi)空間。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)可能是一個(gè)高度有序且又不斷變化的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)體系。主要成分：代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類、細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)。主要特點(diǎn)：細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是一個(gè)高度有序的體系；通過弱鍵而相互作用處于動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)體系。一、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的含義第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天二、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能四大主要功能：蛋白質(zhì)和脂肪酸的合成場(chǎng)所（許多中間代謝途徑）；

細(xì)胞質(zhì)骨架為其它成分和細(xì)胞器提供錨定位點(diǎn)，而且與維持細(xì)胞的形態(tài)、運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)輸及能量傳遞有關(guān)；細(xì)胞內(nèi)的膜相把細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)區(qū)室化，并通過質(zhì)膜或細(xì)胞器膜上的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白維持細(xì)胞內(nèi)外的跨膜電化學(xué)梯度；蛋白質(zhì)的修飾和選擇性降解。第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天D、蛋白質(zhì)的修飾和選擇性降解（一）蛋白質(zhì)的修飾：1.輔因子與酶的共價(jià)連接；2.磷酸化與去磷酸化：磷酸化位點(diǎn)為Ser、Thr、Tyr、His和Lys；

3.糖基化：把N-乙酰葡萄糖胺加到蛋白質(zhì)的Ser殘基的羥基上；

4.酰基化：把src基因編碼的酪氨酸蛋白激酶與質(zhì)膜上豆蔻酸共價(jià)連接；Ras的?；?；

5.甲基化：對(duì)很多細(xì)胞骨架蛋白N端和組蛋白上Lys和Arg的甲基化修飾。第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.

決定蛋白質(zhì)壽命的信號(hào)：存在于N端的第一個(gè)氨基酸殘基，若N端的第一個(gè)氨基酸是Met、Ser、Thr等，則蛋白質(zhì)往往是穩(wěn)定的；若是其它則往往不穩(wěn)定。2.識(shí)別并降解不穩(wěn)定或錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的機(jī)制：

泛素-蛋白酶體所介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑。

生物學(xué)功能：包括蛋白質(zhì)質(zhì)量監(jiān)控、影響細(xì)胞代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和受體調(diào)整、免疫反應(yīng)、細(xì)胞周期、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和DNA修復(fù)等。（二）控制蛋白質(zhì)的壽命：第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天泛素-蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑泛素（ubiquitin）：普遍存在于真核細(xì)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(cuò)誤折疊的靶蛋白質(zhì)的Lys殘基的ε-氨基形成異肽鍵而共價(jià)連接，并指引該靶蛋白質(zhì)運(yùn)到蛋白酶體中進(jìn)行降解。蛋白酶體（proteasome）：真核細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中降解被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)的中空桶狀多亞基蛋白復(fù)合體。

其中間由28種蛋白質(zhì)亞基組成的20S催化核心；兩端各結(jié)合一個(gè)由16~18種蛋白質(zhì)亞基組成的19S調(diào)節(jié)和識(shí)別帽，其中6種亞基具有ATPase活性，負(fù)責(zé)為蛋白質(zhì)降解活動(dòng)提供能量。第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天泛素-蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑（ubiquitin-proteasome-mediatedpathway）第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（三）降解異?；蚧蔚牡鞍踪|(zhì)

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的變性的、錯(cuò)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(zhì)，也常常很快被降解清除。（四）幫助變性或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)重新正確折疊

熱休克蛋白（HSP，heatshockprotein）來完成。

第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能一、內(nèi)質(zhì)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(zhì)修飾與分選、膜泡運(yùn)輸和各種質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制，維系其系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)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(luò)結(jié)構(gòu)。它是真核細(xì)胞中最普遍、最多變和適應(yīng)性最強(qiáng)的細(xì)胞器。微粒體（microsome）：是在細(xì)胞勻漿和超速離心過程中由破碎的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的近似球形的囊泡結(jié)構(gòu)，常常把它與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等同。第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本類型

糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（roughendoplasmicreticulum，rER）

光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（smoothendoplasmicreticulum，sER）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的分布：綠色為“糙面和光面”；黃色為“糙面”。第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.1蛋白質(zhì)的合成-糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能2、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能胞外分泌蛋白；膜的整合蛋白；細(xì)胞器中可溶性駐留蛋白。第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.2脂類的合成-光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能A：通過膜泡轉(zhuǎn)運(yùn)脂質(zhì)B：通過PEP（磷脂交換蛋白）介導(dǎo)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)C：膜嵌入蛋白介導(dǎo)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(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.3蛋白質(zhì)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(zhuǎn)移酶作用下發(fā)生在ER腔面N-linkedglycosylation（Asn）；?；喊l(fā)生在ER的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)。發(fā)生在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)N-連接的糖基化過程第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天N-連接糖基化與O-連接糖基化的比較N-連接涉及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體N-連接中肽鏈糖基化位點(diǎn)：即Asn-X-Ser/Thr中的AsnO-連接發(fā)生在高爾基體第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.4

新生肽的折疊與組裝合成后折疊成正確構(gòu)象并裝配完成；結(jié)合蛋白（Bindingprotein，Bip）結(jié)合蛋白屬于熱休克蛋白70家族成員，普遍存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，能識(shí)別錯(cuò)誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進(jìn)重新折疊與裝配。第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.5

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其他功能肝的解毒作用（Detoxification）：肝細(xì)胞光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成外輸性蛋白及氧化降解酶，如細(xì)胞色素p450家族；儲(chǔ)存鈣離子：肌質(zhì)網(wǎng)膜上的Ca2+-ATP酶將細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+泵入肌質(zhì)網(wǎng)腔中；合成固醇類激素。有些細(xì)胞中光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)非常發(fā)達(dá)。第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS）反應(yīng)3.1未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)（unfoldedproteinresponse,UPR)；3.2固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白質(zhì)（sterolregulatoryelementbindingprotein,SREBP）介導(dǎo)的信號(hào)途徑；3.3內(nèi)質(zhì)網(wǎng)超負(fù)荷反應(yīng)（Endoplasmicreticulumoverloadresponse,EOR);3.4引發(fā)細(xì)胞凋亡。第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)圖示A：3條不同的平行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑執(zhí)行未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)（UTR）B：IRE1膜蛋白介導(dǎo)的UTR第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白（SREBP）的膽固醇敏感調(diào)控示意圖第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1889年，Golgi用銀染法在貓頭鷹的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)觀察到了清晰的結(jié)構(gòu)，因此定名為高爾基體。20世紀(jì)50年代以后才正確認(rèn)識(shí)它的存在和結(jié)構(gòu)。二、高爾基體（Golgibody）定義：一種由相對(duì)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(xì)胞器。第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天常分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與細(xì)胞膜之間，呈弓形或半球形。凸出的一面對(duì)著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)稱為形成面或順面（cisface）；凹進(jìn)的一面對(duì)著質(zhì)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(jié)構(gòu)（CGN和TGN)。1、形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天扁平囊直徑約1um，單層膜構(gòu)成，中間為囊腔，周緣多呈泡狀，4~8個(gè)扁平囊在一起，構(gòu)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(zhuǎn)移酶、磺基-糖基轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、轉(zhuǎn)移酶和磷脂酶等不同的類型。標(biāo)志酶為糖基轉(zhuǎn)移酶。高爾基體結(jié)構(gòu)組成第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天高爾基體的極性形態(tài)學(xué)極性：在細(xì)胞中往往有比較恒定的位置與方向，

物質(zhì)從高爾基體的一側(cè)輸入，從另一側(cè)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(xì)胞發(fā)育的某個(gè)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(yīng)→順面；（2）NADP酶的細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)→中間幾層扁平囊；（3）TPP酶的細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)→反面的1~2層膜囊；（4）CMP酶和酸性磷酸酶的細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)→靠近反面膜囊狀和反面管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。生物學(xué)上的極性：指細(xì)胞、細(xì)胞群、組織或個(gè)體所表現(xiàn)的沿著一個(gè)方向的，各部分彼此相對(duì)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,共51頁，2024年2月25日，星期天2、高爾基體的功能對(duì)ER轉(zhuǎn)運(yùn)來的脂分子及蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、修飾、分類、包裝以及分選；高爾基體也是細(xì)胞內(nèi)糖類合成的工廠；高爾基體是細(xì)胞內(nèi)大分子轉(zhuǎn)運(yùn)的樞紐或“集散地”。參與細(xì)胞分泌活動(dòng)；蛋白質(zhì)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,共51頁，2024年2月25日，星期天

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(diào)節(jié)型分泌途徑（受到適宜信號(hào)的調(diào)節(jié)）；（3）組成型分泌途徑（連續(xù)的不需調(diào)節(jié)）。2.1參與細(xì)胞分泌活動(dòng)第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.2

蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾糖基化的生物學(xué)功能有：（1）糖鏈促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊和增強(qiáng)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的作用；（2）糖鏈作為對(duì)蛋白質(zhì)包裝和分選的信號(hào)；（3）寡糖鏈參與介導(dǎo)細(xì)胞間或細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間的識(shí)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(zhì)的水溶性和所帶電荷的性質(zhì)。

大多數(shù)蛋白質(zhì)（可溶性分泌蛋白、質(zhì)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(guān)的多糖的合成，主要發(fā)生在高爾基體。第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天脊椎動(dòng)物細(xì)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,共51頁，2024年2月25日，星期天（1）對(duì)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(zhì)含有多個(gè)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(gè)蛋白質(zhì)分子的前體中含有不同的信號(hào)序列，最后加工形成不同的產(chǎn)物；（4）同一種蛋白質(zhì)前體在不同的細(xì)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,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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(xì)胞器，其主要作用是行使細(xì)胞內(nèi)的消化作用。

某些細(xì)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(xì)胞內(nèi)也有與溶酶體功能類似的細(xì)胞器，如圓球體、糊粉粒和中央大液泡。溶酶體一種異質(zhì)性的細(xì)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,共51頁，2024年2月25日，星期天溶酶體膜在成分上也與其它生物膜不同：①嵌有質(zhì)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(yùn)）；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(guān)的非溶酶體酶是一類結(jié)構(gòu)與功能上相似的酶家族，在進(jìn)化上同源。第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1、溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與類型初級(jí)溶酶體：呈球形，內(nèi)容物均一，不含有明顯的顆粒物質(zhì)，外面由一層脂蛋白膜圍繞。次級(jí)溶酶體：初級(jí)溶酶體與細(xì)胞內(nèi)的自噬泡或異噬泡（吞噬泡或胞飲泡）融合形成的進(jìn)行消化作用的復(fù)合體，外部形態(tài)不規(guī)則，內(nèi)部結(jié)構(gòu)多樣。殘質(zhì)體：小鼠膀胱上皮細(xì)胞中的溶酶體第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2、溶酶體的功能清除無用的生物大分子、衰老的細(xì)胞器及衰老損傷和死亡的細(xì)胞：溶酶體起著“清道夫”的作用。

防御功能：巨噬細(xì)胞識(shí)別并吞噬入侵的病毒或細(xì)菌，在溶酶體作用下將其殺死并進(jìn)一步降解。其它重要的生理功能：（1）為細(xì)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(xì)胞中，攝入分泌顆粒，參與分泌過程的調(diào)節(jié)；（3）吞噬細(xì)胞溶酶體消化清除凋亡細(xì)胞；（4）參與受精過程中的頂體反應(yīng)，精子的頂體相當(dāng)于特化的溶酶體。第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天溶酶體消化作用的3種途徑第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3、溶酶體的發(fā)生

溶酶體酶在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成和初加工，以出芽形式離開內(nèi)質(zhì)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(zhì)區(qū)分開來而特異地分選到溶酶體膜上，機(jī)制仍不明。第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天新合成的可溶性溶酶體酶從高爾基TGN和細(xì)胞表面轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體的示意圖第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天矽(xi)肺：二氧化硅塵粒（矽塵）吸入肺泡后被巨噬細(xì)胞吞噬，導(dǎo)致吞噬細(xì)胞溶酶體破裂，水解酶釋放，細(xì)胞崩解，矽塵釋出，后又被其他巨噬細(xì)胞吞噬，如此反復(fù)進(jìn)行。肺組織全部纖維化。用老百姓的話說，肺變成一個(gè)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(yīng)底物而貯積在溶酶體內(nèi)。病例：第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天肺結(jié)核：結(jié)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(jié)核桿菌在肺泡內(nèi)大量生長繁殖,導(dǎo)致巨噬細(xì)胞裂解,釋放出的結(jié)核桿菌再被吞噬而重復(fù)上述過程，引起肺組織鈣化和纖維化。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎：溶酶體膜很易脆裂。病例：第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天四、過氧化物酶體（peroxisome）：定義：又稱微體（microbody），是真核細(xì)胞中由單層膜圍繞的含有一種或幾種氧化酶類的細(xì)胞器，能夠利用分子氧氧化有機(jī)物。鼠肝細(xì)胞超微切片所示的過氧化物酶體和其他細(xì)胞器（如線粒體）第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天是一種具有異質(zhì)性的細(xì)胞器。直徑通常0.5um，呈圓形，橢圓形或啞呤形不等，由單層膜圍繞而成。含過氧化氫酶（標(biāo)志酶）和一至多種依賴黃素（flavin