细胞生物学(翟中和)细胞质基质与内膜系统教案

第七章细胞质基质与内膜系统

细胞内区室化（compartmentalization）是真核细胞结构和功能的基本特征之一。

与原核细胞物不同，真核细胞具有复杂的内膜系统，把细胞质区分成不同的功能区隔。

细胞内被膜区分为3类结构：

细胞质基质

内膜系统（主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等）

其它膜相细胞器（如线粒体，叶绿体，过氧化物酶体，细胞核）

第一节细胞质基质及其功能

细胞质基质：真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，占据着细胞膜内、细胞核外的细胞内空间，称细胞质基质。

一、细胞质基质的含义

细胞质基质是一种高度有序的、有精细区域化的、动态的凝胶结构体系。（不是简单、均一的溶液）

二、细胞质基质的功能

1. 进行各种生化代谢活动（糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等）

2. 为部分蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所

3．和细胞骨架一起，辅助完成物质的运输、细胞的运动、维持细胞形态

4. 维持细胞器的实体完整性，供给细胞器行使功能所需要的底物，提供细胞生命活动所需要的

离子环境

5.修饰或降解蛋白质

（1）蛋白质的修饰

与辅酶或辅基的结合、磷酸化和去磷酸化、糖基化、甲基化、酰基化等

（2）控制蛋白质的寿命

真核细胞的细胞质基质中，有一种识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制：泛素化和蛋白酶体介导的蛋白质降解途径。

共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和错误折叠或异常蛋白降解的普遍途径，泛素相当于蛋白质被摧毁的标签。

（3）降解变性和错误折叠的蛋白质

变性和错误折叠的蛋白质的降解作用，可能涉及对畸形蛋白质所暴露出的氨基酸疏水基团的识别，并由此启动对蛋白质N端第1个氨基酸残基的作用，结果形成了N端不稳定信号，被依赖于泛素的蛋白酶体途径彻底降解。

（NOTE：另一条途径是溶酶体消化清除。）

（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

主要靠热休克蛋白(heat shock protein, HSP)来完成。

在正常细胞中，HSP选择性地与畸形蛋白质结合形成聚合物，利用水解ATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解，并进一步折叠成正确构象的蛋白质。

第二节细胞内膜系统及其功能

细胞内膜系统（广义）：指在结构，功能乃至发生上相关的细胞内膜形成的细胞结构，包括核被膜、内质网、高尔基体及其形成的溶酶体和分泌泡等，以及其它细胞器如线粒体，质体和过氧化物酶体等膜包围的细胞器（膜性细胞器）。

细胞内膜系统（狭义）：由单层膜包被的细胞器或细胞结构，他们在结构，功能乃至发生上是相互关联的动态整体。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。

内膜系统形成了一种胞内网络结构，其功能主要在于两个方面：

一、扩大膜的总面积，为酶提供附着的支架，如脂肪代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上。

二、将细胞内部区分为不同的功能区域，保证各种生化反应所需的独特的环境。

一、内质网

内质网是一种动态结构，具有高度的多型性。

微粒体

是细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，包含内质网膜与核糖体2种基本组分。生物化学家称之为微粒体（microsome）。

（一）内质网的两种基本类型

根据结构与功能，内质网可分为2种基本类型：糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，RER）和光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，SER）。

细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。

1. 糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，RER）

RER呈扁平囊状，排列整齐，膜外有核糖体附着。

分泌性蛋白和多种膜蛋白合成的基地。

膜上有蛋白复合体——移位子（translocon），中心形成直径约2nm的“通道”，与新合成的多肽转移有关。

2. 光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，SER）

SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。

是脂质合成的重要场所。

肌肉细胞中的肌质网是一种特化的SER，称为肌质网，可贮存Ca2+，与肌肉收缩有关。

3. 内质网的化学组成

ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类。

ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶；

核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER；

P450酶系只分布在SER。

（二）内质网的功能

1．蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能

蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质游离的核糖体。

有些蛋白质在合成开始不久后便转移到内质网上继续合成，多肽链边延伸边穿过内质网膜进入内质网腔中。这些蛋白质主要有：

（1）向细胞外分泌的蛋白质

如消化酶、抗体、激素；

（2）整合膜蛋白

在内质网合成时方向性就已确定，在后续转运过程中，其拓扑学特性始终保持不变。

（3）细胞器中的可溶性驻留蛋白

如溶酶体和液泡中的酸性水解酶，内质网、高尔基体和胞内体中可溶性驻留蛋白。

（4）需要进行修饰的蛋白

如糖蛋白。

2. 光面内质网是脂质合成的重要场所

大多数膜脂是完全在SER中合成的。

3．蛋白质的修饰与加工

包括糖基化、羟基化（Pro和Lys）、酰基化(发生在内质网胞质侧，通常是软脂酸共价结合在跨膜蛋白的Cys残基上)、二硫键形成等。

其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。

糖基化的概念：

蛋白质糖基化是指在蛋白质合成的同时或合成后，在酶催化下将寡糖链连接在肽链特定的糖基化位点，形成糖蛋白。

糖基化的类型：分为2种，O-连接的糖基化和N-连接的糖基化

4．新生多肽的折叠与组装

内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所。不能正确折叠的畸形肽链或未组装成寡聚体的蛋白质亚基，一般都不能进入高尔基体，被识别后通过Sec61p复合体从内质网腔转至细胞质基质，进而通过泛素依赖性蛋白酶体途径降解。

内质网膜腔面上附着有蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase, PDI），可以切断二硫键，帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并产生正确折叠的构象。

内质网上合成的蛋白质的折叠和组装还需要分子伴侣Bip（binding protein, 属于hsp70家族的ATP酶）的帮助，需要消耗能量。

蛋白二硫键异构酶和Bip等内质网驻留蛋白都具有4肽驻留信号KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu)

或HDEL（His-Asp-Glu-Leu），以保证他们驻留于内质网中，并维持很高的浓度。

分子伴侣：帮助其它蛋白质正确折叠、组装和易位转运的一类蛋白质，本身并不成为最终产物的成员。

5. 内质网的其它功能

（1）解毒作用

（2）特化为肌质网，储存Ca2+和调节细胞Ca2+浓度

（3）固醇类激素的合成

（4）调节血糖浓度

（5）支撑作用

二、高尔基体（高尔基器、高尔基复合体）

（一）高尔基体的形态结构与极性

1. 高尔基体的形态结构

高尔基体由数个扁平膜囊整齐堆叠成主体结构，周围有许多大小不等的囊泡结构。

高尔基体至少由互相联系的4个部分组成连续的整体结构：高尔基体顺面膜囊或顺面网状结构（cis Golgi network,CGN）、高尔基体中间膜囊、高尔基体反面膜囊、反面高尔基网状结构（trans Golgi network,TGN）。

2.高尔基体的极性

高尔基体是一种有高度极性的细胞器。

（二）高尔基体的功能

高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类（分选）与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外；内质网合成的脂质一部分也通过高尔基体向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输。此外，高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂。

1. 高尔基体参与细胞的分泌活动

高尔基体负责对在内质网合成的蛋白质进行加工，分类（选）并运出。

高尔基体对蛋白质的分类（分选），依据的是蛋白质本身所具有的信号序列或信号斑。2. 蛋白质的糖基化及其修饰

蛋白质糖基化的作用（目前对其生物学意义了解还不够完善和深入）：

①糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进蛋白质正确折叠和增强蛋白稳定性的作用；

②糖基化修饰使不同蛋白质携带不同的标志，以利于在高尔基体进行分选与包装，同时保证糖蛋白从糙面内质网至高尔基体膜囊单向转移；(如溶酶体酶的M6P标记)

③细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，可通过与另一个细胞表面的凝集素之间发生特异性相互作用，直接介导细胞间的双向通讯，或参与分化、发育等多种过程；

④多羟基糖侧链作为分子标志之一，可能参机体细胞间识别，以及宿主细胞与病原微生物之间的识别。

⑤寡糖链形成保护性的细胞外被，限制其他大分子接近细胞表面的膜蛋白，同时又不像细胞壁那样限制细胞的形状与运动。（这一点可能糖基化的进化意义）

3．蛋白酶的水解和其他加工过程

高尔基体中蛋白酶解加工方式可归纳为3种类型：

（1）将没有生物活性的蛋白原(proprotein)N端或两端的序列切除形成成熟多肽。

如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白等。

（2）将含有多个相同氨基序列的前体水解为同种有活性的多肽。

如神经肽。

（3）将具有不同信号序列的蛋白前体分子加工成不同的产物。

三、溶酶体

溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器；

溶酶体具有异质性，形态大小及内含的水解酶种类都可能随不同生理功能阶段有很大的不同；

常用的标志酶为酸性磷酸酶。

溶酶体的主要功能是进行细胞内的消化作用。

（一）溶酶体的形态结构与类型

1、初级溶酶体

溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同，主要区别是：

①膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低。（V型质子泵）

②有多种载体蛋白，用于水解产物向外转运。

③膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。

2、次级溶酶体

初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡（胞饮泡或吞噬泡）融合形成的进行消化作用的复合体，是正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物。

3、残质体

又称后溶酶体（post-lysosome），已失去酶活性，仅留未消化的残渣，故名。

（二）溶酶体的功能

溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，是细胞内的消化器官。

消化作用可概括成3种途径：内吞作用、吞噬作用、自噬作用。

1. 清除细胞中无用的生物大分子，衰老的细胞器、衰老损伤和死亡的细胞。

2. 防御功能

如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解。

3. 作为细胞内的消化“器官”，为细胞提供营养

4. 在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄人分泌颗粒，参与分泌过程的调节

如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。

5. 参与细胞凋亡

如蝌蚪尾巴的退化。

6. 形成精子的顶体

（三）溶酶体的发生

初级溶酶体是在高尔基体的trans面以出芽的形式形成的。

溶酶体酶以多种分选途径进入溶酶体。

了解比较清楚的溶酶体分选途径是M6P途径。

M6P途径：

内质网上核糖体合成溶酶体蛋白→进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰→进入高尔基体Cis面膜囊→N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑→将N-乙酰葡糖胺磷酸转移在1~2个甘露糖残基上→在中间膜囊磷酸葡糖苷酶切去N-乙酰葡糖胺形成M6P标志→与trans 膜囊上的M6P受体结合(或通过组成型分泌途径转运到细胞表面或分泌到细胞外→与质膜M6P 受体结合)→选择性地包装成网格蛋白/AP包被膜泡→脱被转运泡/内吞泡→与晚期胞内体融合，酶去磷酸化和与受体解离，受体返回TGN或质膜循环利用→形成初级溶酶体。

图7-17 新合成的可溶性溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体的示意图

1. 具有M6P标记的溶酶体酶与膜受体结合在TGN出芽，形成网格蛋白/AP包被膜泡。

2. 包被复合物解聚，形成脱包被转运膜泡。

3. 转运膜泡与晚期胞内体（前溶酶体）融合。

4. 磷酸化的酶去磷酸化，与受体解离（与胞内体呈酸性有关，pH6.0左右），形成溶酶体；2a和4a表示包被蛋白和受体可循环利用。

5. 某些受体可转运到细胞表面，磷酸化的溶酶体酶偶尔也会通过组成型分泌途径转运到细胞表面或分泌到细胞外。

6～8. 分泌的酶通过受体介导的内吞作用被回收。

NOTE：溶酶体几乎存在于所有动物细胞。

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、中央液泡。

四、过氧化物酶体（peroxisome）

又称微体（microbody）。

是一种具有异质性的细胞器，在不同生物及不同发育阶段有所不同。

由单层膜围绕而成。

内含1至多种依赖黄素（FAD）的氧化酶和过氧化氢酶（标志酶）。已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urate oxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心。

（一）过氧化物酶体与溶酶体的区别

（二）过氧化物酶体的功能

在动物中：

过氧化物酶体参与脂肪酸的β氧化（另一细胞器是线粒体）

过氧化物酶体还具有解毒作用

因为过氧化氢酶能利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在过氧化物酶体中氧化为乙醛。

在植物中：

①参与光呼吸作用，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢；

②在萌发的种子中，进行脂肪的β-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体（glyoxysome）。