第7章细胞质基质与内膜系统

基本概念
在结构、功能乃至发生上是彼此相关的由单层膜包绕形成的动态
细胞器，包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等 。
糙面内质网：蛋白质合成，糖基化，二硫键形成与重排，折叠
内质网
与组装修饰，应激反应
光面内质网：膜脂合成，解毒作用，类固醇合成，钙离子储存
细 胞 质 基 质 与 内 膜 系 统
形态结构 极性:体现在形态、膜囊内的化学组成及功能不一样
内膜系统使真核细胞内区域化（compartmentalization）
意义：内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特 点之一，其意义在于：大大增加了细胞内膜的表面积；为多种 酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点；酶系统的隔离与 连接；蛋白质、糖、脂肪的合成、加工和包装；运输分泌物； 扩散屏障及膜电位建立；离子梯度的维持等。
溶酶体酶的分选：依赖或不依赖于M6P
相关疾病 又称微体；异质性细胞器
其他由膜
特征 常含氧化酶和过氧化氢酶
所包被的 细胞器
过氧化 物酶体
功能
动物细胞中：解毒；参与脂肪酸β氧化 植物细胞中:光呼吸作用
发生 蛋白由细胞核基因编码，两种发生途径
真核细胞内区室化
细胞组分
细胞质基质 细胞核 内质网
高尔基体 溶酶体 胞内体
高尔基体 功能 细胞分泌活动；蛋白质糖基化及其修饰
蛋白质水解和其他加工过程
内 膜 系 统
特征
异质性：初级、次级溶酶体和残质体
标志酶：酸性水解酶；最适pH为5.0左右 富含质子泵、载体蛋白和高度糖基化
溶酶体 功能 细胞内消化作用以及预防等
溶酶体酶的合成（信号肽）
发生 溶酶体酶的加工（信号斑）：形成M6P
There are two basic kinds of ER : Rough/granular endoplasmic reticulum (RER，粗面/颗 粒内质网) - has ribosomes attached. Smooth/agranular endoplasmic reticulum (SER，滑/光 面/ 无颗粒内质网) - no ribosomes.
粗面内质网 核糖体
滑面内质网
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粗面内质网(RER) 滑面内质网(SER)
rER: 膜表面附 着核糖体，膜上有 核糖体连接蛋白； 形态多为板层状排 列的扁囊；网腔内 含低电子或中等电 子密度的物质；多 分布在分泌活动旺 盛或分化较完善的 细胞内。(Russell’s
body)
rough endoplasmic reticulum (RER)
小分子和各种离子：如水 K+、Cl-、Na+、Mg++、Ca++等。
中分子类：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸类等。
大分子类：蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等。
故认为它呈复杂的胶体性质，可随环境条件的改变 由溶胶变为凝胶状态或者相反，这成为某些细胞运动方 式的动力。
大分子拥挤 (Macromolecular crowding)
4. 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠
热休克蛋白（heat shock protein， HSP）：一类进化上高度保守的蛋 白 质家族，作为分子伴侣（molecular chaperone）发挥多种作用，协助细胞 内蛋白质合成、分选、折叠与装配等 分子伴侣（molecular chaperone）：存在于细胞质基质或细胞器中，可以识别 正在合成或部分折叠的多肽，并与之某些部位结合，协助其转运、正确折叠或 装配的一类蛋白质，但其本身不参与终产物的形成。
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内质网 ER (endoplasmic reticulum)
（一）内质网的形态结构 （二）内质网的化学组成 （三） 内质网的类型 （四）内质网的主要功能 （五）内质网应激及其信号调控 （六）内质网的病理性变化
（一）内质网的形态结构
ER是由一层单位膜 围成的形状大小不同的
扁囊状
小管，小泡，扁囊状结 构，相互连接形成一个
热休克蛋白(heat shock protein ，Hsp)
DNA序列分析表明热休克蛋白有3个主要家族即25kD，70kD 和90kD的蛋白，每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白。 有的基因在正常条件下表达，而有些则在温度增高或其它异 常情况下大量表达，以保护细胞，减少异常环境的损伤。已 有证据表明在正常的细胞中，90kD和70kD，特别是70kD的热 休克蛋白选择性的与畸形的蛋白质及其形成的聚合物结合， 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 具有正确构象的蛋白质。
小管
连续的网状膜系统。 细胞膜
细内 胞质 膜网
核 内质网
膜 外
小泡
层
核膜
内质网的内腔相互连通。
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（二）内质网的化学组成
1.脂类（ 30－40％ ） • 以磷脂中的磷脂酰胆碱为主，比细胞膜丰
富,鞘磷脂少
2.蛋白质（60－70％） • 30多种不同的酶或者酶系 • 标志酶：葡萄糖－6－磷酸酶
（三）内质网的类型( Types of ER )
质膜
生物膜
内膜
原核细胞 – 质膜构成的单一区室 真核细胞 – 内膜 – 各种细胞器
内膜系统出现的意义： 各自独立，各司其职 相互依存，协调同一
大大提高了细胞代谢反应的效率
一、内质网 ER (endoplasmic reticulum)
1945年，K.R.Poter; 电子显微镜; 小鼠成纤维细胞
The crowded state of the cytoplasm in (a) eukaryotic and (b) E. coli cells
二、细胞质基质的功能
• 完成各种中间代谢过程
– 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等
• 为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所 • 与细胞质骨架相关的功能
Nuclear-ER
intracellular compartments:
endosomes
lysosome Golgi
细胞内的房室化 ER
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细胞的内膜系统（endomembrane system）是指细胞内在 结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结 构，主要包括：内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌 泡等 。
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第7章 细胞质基质与内膜系统
本章主要内容
• 细胞质基质及其功能 • 细胞内膜系统及其功能
– 内质网 – 高尔基体 – 溶酶体 – 过氧化物酶体
含义 在真核细胞中除去由生物膜形成的细胞器外的剩余空间
细胞质基质
功能
与细胞中间代谢相关；与细胞质骨架相关 与蛋白质合成、修饰、折叠和选择性降解等相关
The smooth ER(SER)
sER: 膜表面无核糖体附着；形态多为分枝小管 或小泡；多分布在一些特化的细胞中。
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糙面内质网与光面内质网结构
A. 胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，内质网膜及外核膜上附有核糖体 B. 黄体细胞有丰富的光面内质网 C. Cos-7 细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布：绿色显示两种形式的
内质网，叠加色（黄）显示糙面内质网区
特殊类型的内质网
另外还有两个概念:微粒体和肌质网,可将它们看成是特殊类型的 内质网。 ● 微粒体(microsome) 在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由 破碎的内膜系统（主要是内质网和高尔基体）自我融合形成的 近似球形的膜囊泡状结构。多数情况下，由破碎的内质网自我 融合形成的微粒体，包含内质网膜和核糖体两种基本成分，这 些小囊泡的直径大约100nm左右，是异质性的集合体。在体外 实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的 基本功能。 p117
• 细胞质基质很可能是一种高度 有序的体系关键在于细胞质骨 架纤维贯穿其中，起重要的组 织作用
• 主要特点：细胞质基质是一个 高度有序的体系；通过弱键而 相互作用处于动态平衡的结构 体系
• 主要成分：中间代谢有关的数 千种酶类、细胞质骨架结构。
细胞质基质是细胞真正的内环境，其组成成分复杂。主要含 有与中间代谢有关的数千种酶类，依分子大小大致划分为下列几 种。
过氧化物酶体 线粒体
数
目
1 1 1 1 300 200 400 1700
体积比
54 6
12 3 1 1 1 22
肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比 （引自Albert.1998）
第一节 细胞质基质及其功能
一、细胞质基质的含义
1、经典细胞学:电镜下，在真核细胞的细胞质中，除去可分 辨的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为细胞质基质. 2、生物化学:用差速离心的方法分级离心细胞匀浆物中的各 种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体 和细胞膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的部分称 为胞质溶胶. 3、学术争议:有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴， 是细胞器，也有人认为细胞骨架是细胞质基质的主要结构体 系，是其他成分锚定的骨架，同时它们经常处于装配和解聚 的动态平衡中，其解聚的亚单位仍保持在液相中.
通过氧化磷酸化合成ATP
叶绿体
进行光合作用
过氧化物酶体 毒性分子的氧化
内膜系统可能的进化过程
The Endomembrane System is Complex
内 膜内质网(endoplasmic reticulum) 系 统高尔基复合体(Golgi complex)
溶酶体(lysosomes)
2. 控制蛋白质的寿命
N 端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号
泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-and proteasomemediated pathway）
2004 年诺贝尔化学奖
• 发现泛素调节的蛋白质降解
3. 降解变性和错误折叠的蛋白质
细胞质基质中的变 性蛋白质、错误折 叠的蛋白质、 含有 被氧化或其他非正 常修饰氨基酸的蛋 白质，不管其 N 端 氨基酸残基是否稳 定，常常很快被降 解清除
第二节 细胞内膜系统及其功能
真核细胞膜结合区室的主要功能
细胞器(区室) 主要功能
胞质溶胶 代谢的主要场所；蛋白质合成部位
细胞核
基因组存在场所，DNA和RNA的合成地
内质网 高尔基体
大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散 地 蛋白质和脂的修饰、分选和包装
溶酶体
细胞内的降解作用
胞内体
内吞物质的分选
线粒体
（四）内质网的功能
1. 蛋白质的合成是糙面内质网 的主要功能
• 向细胞外分泌的蛋白质 • 膜的整合蛋白 • 细胞器中的可溶性驻留蛋白
2．光面内质网是脂质合成的重要场所
合成磷脂所需要的3 种 酶活性部位都定位在内 质网膜的细胞质基质侧
先由酰基转移酶将胞质中的脂肪酸和 磷酸甘油缩合成磷脂酸(留在脂双层中)。在 磷酸酶作用下，由磷脂酸和磷酸甘油组成 DG;最后,再在胆碱磷酸转移酶催化下由DG 和CDP-胆碱合成卵磷脂。翻转酶(flipase)。
N -连接与O -连接的寡糖比较
– 维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递； 细胞质基质结构体系的组织者
• 与细胞膜相关的功能
– 细胞质基质产生区室化；依靠细胞膜或细胞器膜上的泵 蛋白和离子通道维持饰、蛋白质选择性的降解
1. 蛋白质的修饰
• 辅酶或辅基与酶的共 价结合
• 磷酸化与去磷酸化 • 蛋白质糖基化作用 • 甲基化修饰 • 酰基化
rER胞质侧
酰基转 移酶
磷酸酶
胆碱磷酸 转移酶
rER腔面 磷脂酸 二酰基甘油(DG)
卵磷脂
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膜脂的不对称性？
磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）P119
内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式
A. 通过膜泡转运脂质
B. 通过PEP 介导的脂质转运
C. 膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触
3. 蛋白质的修饰与加工
• 发生在内质网和高尔基体 的蛋白质糖基化
• 在内质网发生二硫键的形 成
• 蛋白质折叠和多亚基蛋白 的装配
• 在内质网、高尔基体和分 泌泡发生特异性的蛋白质 水解切割
蛋白质糖基化
N -连接糖基化与O -连接糖基化的比较
N -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰葡糖胺 O -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰半乳糖胺
• ● 肌质网(sarcoplasmic reticulum) p122
• 心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉 收缩活动。肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞基质中的Ca2+ 泵入肌质网中储存起来，使肌质网Ca2+的浓度比胞质溶胶高 出几千倍。受到神经冲动刺激后， Ca2+释放出来，参与肌肉 收缩的调节。