2真核细胞主要细胞器和细胞骨架

3.亚细胞组分的生化分析
细胞匀浆后获得的 微粒体可以看做内 质网的模型
4.遗传突变体的研究
筛选细胞质膜上蛋白质表现出异常分布的酵母突变体细胞，研究 蛋白合成后的转运。
（二）、内质网
1 类型和分布： 粗面内质网（ rER） 多由板层状排列的扁平囊构成； 在分泌蛋 白质旺盛及大量合成膜的细胞中丰富，而 在未分化或者分化程度低的细胞中含量少。 光面内质网（sER） 多为管状或泡状，在合成类固醇激素、脂 类代谢旺盛的细胞中含量丰富。
线粒体的大小和数量反映了细胞的能量需求
图：细胞内线粒体和微管分布的关系
至少在酵母和培养的哺乳动物细胞中，线粒体不是以分散的、 单个形式存在，是形成高度分支的、相互连接的网络结构。
（a）相差显微镜下的成纤维细胞，可见线粒体是深色的小体，呈现出网状结构。 （b）线粒体纵向切片的透射电镜显微照片，展示内部结构，尤 其是内膜折叠形 成嵴。 （c）线粒体定位在精子的中段，它们围绕着鞭毛的近轴部分。精子运动所需的 ATP由这些线粒体提供。
线粒体膜上的三种蛋白转运通道
TOM, TIM和 OXA 复合物 是多亚基的膜蛋白，负责催 化蛋白的跨线粒体膜的转运。
TOM分布在线粒体的外膜， 负责蛋白跨越外膜。
TIM (TIM23 和 TIM22)分 布在内膜上，负责蛋白跨越 内膜。 OXA分布在内膜上， 负责 将在线粒体内合成的蛋白插 入到内膜上，也帮助TOM和 TIM将一些蛋白送至线粒体 基质中。
❖溶酶体酶具有一个共同的标志：６ - 磷酸甘露 糖（ M6P), 通过和高尔基体反面囊膜上结合的 M6P 受体的作用，使溶酶体的酶和其他蛋白质 分离并起到了局部浓缩的作用。
M6P作为溶酶体酶分选标记的发现

I-cell disease(I细胞疾病)是一种罕见致命的遗 传病，患者的许多细胞的溶酶体充满了未被 降解的物质。

许多遗传病的特征是单一的过氧化物酶缺 乏，如：肾上腺脑白质病变（ALD）。此 病是由于缺乏一种膜转运蛋白，致使不能 将极长链脂肪酸（VLCFA）转运到过氧化 物酶体中进行正常代谢。由于缺乏这种膜 转运蛋白，VLCFA在脑部中积累并破坏髓 鞘，引起肾上腺机能不全和神经功能异常。
二、细胞内膜系统

（３）在rER腔内进行蛋白质的修饰和 加工。
进入内质网中的蛋白质发生的主要化学 修饰有糖基化、羟基化、酰基化和二硫键 的形成。
糖基化伴随多肽的合成同时进行，是最 为常见的修饰方式，发生在内质网腔 面。 糖基化是在糖基转移酶的催化下，由磷 酸多萜醇将寡糖基转移到有关的氨基 酸上。
糖基化的方式： (1) N-连接的糖基化（内质网中） N-乙酰葡萄糖胺寡糖基转移到Asn残基 上 (2) O-连接的糖基化（主要在高尔基体中） N-乙酰半乳糖胺寡糖基转移到Ser, Thr 残基或者Hylys/Hypro上。
11避免生命活动的彼此干扰避免生命活动的彼此干扰22保护保护dnadna免受细胞骨架运动产生的机械力的损伤免受细胞骨架运动产生的机械力的损伤核被膜的解体与重建的动态变化核被膜的解体与重建的动态变化受细胞受细胞周期调控因子的调节周期调控因子的调节调节作用可能与调节作用可能与核纤层蛋白核纤层蛋白核孔复合体蛋白的核孔复合体蛋白的磷酸化磷酸化与去磷酸化与去磷酸化修饰有关修饰有关
将患者的成纤维细胞体外培养研究，发现 溶酶体酶的合成水平正常，但是分泌到培养 基中，而非靶向到溶酶体中。分泌的酶缺少 正常细胞中这些酶具有的M6P残基。 催化M6P生成的酶N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移 酶缺失


糖链在多数蛋白质的分选中并不起决定性 的作用,在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖 于M6P的另一种分选途径。
（４）新生多肽的折叠和组装
蛋白质在内质网中的停留时间很大程度上 取决于蛋白正确折叠所需的时间。 畸形肽链或未装配的蛋白亚基，一般不能 进入高尔基体中，在被识别后，通过转 位子Sec61p复合体从内质网腔转至细胞 质基质，被蛋白酶体降解。
内质网膜腔面上有蛋白二硫键异构酶，帮 助和促进蛋白正确折叠。 内质网中有结合蛋白（binding protein, Bip， chaperone ），属于Hsp70家族的 成员，可以识别异常折叠的或未装配好 的蛋白亚基，并促进它们重新的折叠和 装配。
蛋白质向线粒体的转运
蛋白质N-端的信号序列被TOM的受体识别，蛋白在特 定的位点跨越线粒体的两层膜。
线粒体前体蛋白在胞质中合成后，通过与胞质中的 hsp70分子伴侣的相互作用保持未折叠的状态。
ATP水解和H+ 梯度驱动了蛋白运输到线粒体中。
运输到内膜和膜间隙的蛋白要求2个信号序列。
2个信号序 列指导蛋白定 位到类囊体的 膜上。
这类蛋白需要和其他细胞组分严格隔离，或 者合成后需要进行修饰和加工。
在 “游离”核糖体上合成的蛋白
细胞质基质中的驻留蛋白
质膜外周蛋白 核输入蛋白 转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白
（2） sER的主要功能是脂类合成的重要 场所。
合成细胞所需的几乎全部的膜脂。
包括磷脂和胆固醇，其中最主要的是磷脂酰胆 碱（卵磷脂）。 在内质网膜上合成的磷脂迅速转向内质网腔面，可能 和磷脂转位因子（转位酶）有关。 磷脂的转运方式： 出芽或磷脂转换蛋白（PEP）的协助
Translocation into thylakoid space or thylakoid M can occur by any one of at least four routes.
（三）、线粒体和叶绿体的增殖和起源
细胞器的生长和分裂决定了细胞中线粒体和质体的数量。
Mit fission and fusion (a dividing Mit in a liver cell); Dividing or Budding of Mit. Chloroplasts: dividing and formation of chloroplasts from proplastids begins by the light-induced budding of the inner membrane.

指在结构、功能乃至发生上相互关联、有膜 包被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。 细胞质中其他几个膜性细胞器—线粒体、过 氧化物酶体和叶绿体不是内膜系统的部分。
合成、分泌和内吞途径 将内膜系统统一为一个 动态的网络
（一）、研究细胞内膜系统的技术
1 放射自显影技术：
mtDNA编码的基因包括 rRNAs, tRNAs和 一些线粒体蛋白。
The organization of the liverwort(地钱) Chl genome
线粒体和叶绿体对核遗传系统的依赖



参与构成线粒体和叶绿体的蛋白都有上千 种，而这两种细胞器DNA编码并在细胞器 内部合成的蛋白数量和种类非常有限。 绝大部分的蛋白质是由核基因编码的，在 细胞质核糖体上合成后，再转运到细胞器 中。 线粒体和叶绿体的生长和增殖受到核基因 组和自身基因组两套遗传系统的控制，前 者的作用更为重要。
第二部分
真核
线粒体、叶绿体 细胞内膜系统： 内质网、高尔基体、溶酶体等 细胞核 细胞骨架
一、线粒体和叶绿体


都是能量转换器，高效生成ATP。 双层膜结构，其中内膜在能量转换中起主 要作用。 都具有环状DNA以及自身的转录、翻译体 系。
（一）形态、结构和分布
中已经发现它们都存在一种酶—丙氨酸/乙醛酸氨
基转移酶。
通过蔗糖密度梯度离心分 离到的纯化的过氧化物酶体 的电镜照片，内部通常含有 致密的氧化酶晶体核心。
过氧化物酶体是过氧化氢 （H2O2）合成和降解的场 所，通过两步反应催化。

过氧化物酶体（也称微体）是一种多功能细胞器， 含有50多种酶。这些酶涉及各种不同的活性。
2 内质网的功能
（1）粗面内质网的功能 主要功能是进行外输性蛋白质的合成、 修饰加工、分选和转运。主要合成的蛋白 质包括分泌性蛋白、膜整合蛋白、可溶性 驻留蛋白。
一些蛋白是在刚起始合成不久转移到内质网膜 上，继续蛋白的合成。在rER上，多肽链边 合成边进入内质网腔，主要是： 分泌蛋白 膜整合蛋白 内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白：
（三）高尔基体
是细胞内大分子运输的一个主要的交 通枢纽以及细胞内糖类合成的工厂。
１．高尔基体和细胞分泌活动
❖除了分泌蛋白外，多种膜蛋白、溶酶体中酸性 水解酶、胶原纤维等胞外基质成分通过高尔基 体完成定向转运。 ❖蛋白质在高尔基体中分选及其转运的信息仅存 在于编码这个蛋白质的基因的本身。
溶酶体酶的分选
蛋白二硫键异构酶和Bip蛋白都含有4肽 信号，保证它们滞留在内质网中，并 维持较高的浓度。 Lys-Asp-Glu-Leu-COO- (KDEL) His--Asp-Glu-Leu-COO- (HDEL)
内质网的其他功能
❖ sER具有解毒的功能，如肝细胞的sER中含
有一些酶，可以清除脂溶性的废物和代谢产 生的有害物质。 ❖ 含合成制造胆固醇并进一步产生固醇类激素 的一系列酶，如睾丸间质细胞。 ❖ 具有储存Ca2+的功能，如在肌质网膜上存在 Ca2+-ATP酶，将泵入腔中。 ❖ 存在IP3受体，可能和信息传递有关。 ❖ 为细胞质基质中多种蛋白提供附着位点。
线粒体和叶绿体的 起源
通过比对多种细菌的 rRNA序列，推测：
线粒体是由紫细菌进化 而来；叶绿体是由蓝细 菌进化而来。
过氧化物酶体
线粒体和过氧化物酶体有一些共同特征：

两者都是通过预先存在的细胞器分裂而增殖的； 两者都从细胞质基质中输入预生成的蛋白质； 两者都能进行类似的氧化代谢。在一些哺乳动物

过氧化物酶体也存在于植物中，植物幼苗中含有一 种独特的过氧化物酶体——乙醛酸循环体。植物幼 苗依靠储存的脂肪酸提供能量和原料，以形成新的
植株。
植物幼苗中的乙醛酸循环体的定位（通过对过氧化氢酶的细 胞化学染色而显现）。棉花种子中子叶切片的光镜照片。
由线粒体或过氧化物酶体功能异常 引起的疾病
线粒体病可由核基因缺陷或线粒体基因缺陷 造成，因此这类疾病可有多种遗传模式，如母系 遗传、孟德尔遗传，或者两者均有。 更多的线粒体病是由线粒体DNA(mtDNA)的 突变引起的。线粒体DNA没有防止损伤的DNA 修复系统，容易受到高水平的致突变的氧自由基 的影响。如：帕金森病（PD）。

在光照下合成 叶绿素，前质 体发育成叶绿 体。
基质类囊体 又称基 质片层，伸展在 基质中彼此不重 叠； 基粒类囊体 或称基 粒片层，可自身 或与基质类囊体 重叠，组成基粒。
菠菜叶绿体切片的电镜照片示类囊体
（二）线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
细胞器DNA的大小类似病毒DNA。
线粒体和 叶绿体具 有自身的 遗传系统
❖蛋白N-连接的糖基化与新生蛋白的质量控制
内质网腔中含有： ➢Bip 和calnexin (分子伴侣) : 识别并结合未折叠的或者错 误折叠的蛋白，使其恢复正 确构象。 ➢蛋白二硫键异构酶 ( PDI ) ; ➢糖基转移酶（GT）：识别 未折叠或错误折叠的蛋白， 为寡糖链末端添加一个葡萄 糖。
质量控制可以保证错误折叠的蛋白不会离开内质网
线粒体的结构 （a）浸软的线粒体的扫描电镜照片， 显示被线粒体内膜折叠所围绕的内部 基质。 （b）线粒体的三维重建结构图 在重建图中，外围的线粒体内膜以蓝 色表示，而穿入基质形成嵴的内膜则 用黄色表示。 （c）线粒体的内部结构模式图
线粒体的分布



除了成熟的红细胞，线粒体普遍存在于真核细胞 在多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞质中， 但在某些些细胞中，线粒体的分布是不均一的，有 时线粒体聚集在细胞质的边缘。 在细胞质中，线粒体常常集中在代谢活跃的区域， 因为这些区域需要较多的ATP，如肌细胞中有很多 线粒体。 另外，在精细胞、鞭毛、纤毛和肾小管细胞的基部 都是线粒体分布较多的地方。 线粒体除了较多分布在需要ATP的区域外，也较为 集中的分布在有较多氧化反应底物的区域，如脂肪 滴，因为脂肪滴中有许多要被氧化的脂肪。
通过标记大分子的前体来示踪 大分子代谢的过程，分析它们 不同时 期在不同组织、细胞或 细胞器中被摄取、转运、贮存 及排出的动态变化，从而在不 破坏组织和细胞结构的情况下 了解细胞、组织和器官的代谢 状态 。
2.绿色荧光蛋白的应用
将编码GFP的DNA与编码所研究蛋白的DNA融合，得到的嵌 合DNA 导入能在显微镜下观察的细胞。嵌合DNA一旦进入细胞， 所表达的嵌合蛋白含有融合于所研究蛋白末端的GFP。