第06章 细胞质基质与内膜系统

在不同种类的细胞中, 分散高尔基体的大小、数 量和结构也会有所不同：
有些细胞：一个 真菌：一个潴泡 原生生物、无脊椎动物和高等植物细胞：多个 （肝细胞: 50个；有些藻类细胞: 25,000个）。
哺乳动物附睾管上皮细胞中的高尔基复合体
细胞中含有超大环形高尔基复合体
M ER
D
玉米根冠细胞中存在若干分散高尔基体
分枝状圆泡
窗孔
15~30nm
潴泡 1m
分散高尔基体(dictyosome) 的三维立体结构图解
分枝状小管
在植物细胞及无脊椎动物细胞中：
分散高尔基体(dictyosome) 遍布于整个细胞质中 与RER无明显的结构联系
植物细胞中分散高尔基体 的电镜图像
高尔基复合体(Golgi complex)：若干个分散的高尔基 体相互连接成复杂的网状结构。
质膜
激素或神经 递质等信号
信号传导
分拣 (sorting)
受调控的膜融合
高尔基复合体
肽激素、胰蛋白酶
等物质的分泌泡
受调控和不受调控的分泌路线示意图
不连续分泌 (discontinuous secretion)
内质网的结构和功能蛋白的羧基端的一个四肽序列:Lys-AspGlu-Leu-COO-，即KDEL信号序列是内质网的滞留信号。
讲授提纲
第一节 细胞质基质 第二节 内质网 第三节 高尔基体 第四节 溶酶体和过氧化物酶体 第五节 信号肽学说和蛋白质的分选
第一节 细胞质基质
一、基本概念：
用差速离心分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核 、线粒体 、 溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器 或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基 质成分。生物化学家称之为胞质溶胶。
NADH 还原酶
电 子 传 ATP 递
第一节 细胞质溶质
从摄取食物开始直至代谢 废物的代谢反应图解
示细胞质基质中所进行的 中间代谢反应，如糖酵解、 氨基酸代谢和脂肪酸氧化
第一节 细胞质溶质
(二) 细胞形态与运动、胞内物质运输及大分子定位
细胞质骨架
细胞的形态 细胞的运动 胞内物质运输 能量传递 结构的组织者 细胞分裂
酶原颗粒移至细胞顶部，同质膜
）
融合后将内容物释放到胞外
、
高
在Golgi区蛋白质被包装成酶原颗粒
尔
基
体
与
细
胞
新生蛋白质由RER输往Golgi复合体
的
分
泌
蛋白质在RER处合成
活
动
新生可溶性蛋白 新生膜脂
不受调控 的膜融合
新生膜蛋白 内陷 胞质
部分质wenku.baidu.com返 回高尔基区
TGN (反面高尔基网)
连续分泌 (continuous secretion)
分泌 蛋白 KDEL 受体
KDEL 受体 前向运输
ER驻留蛋 白(KDEL)
返回运输
微管
CGN 高尔基潴泡
TGN
内质网驻留蛋白自高尔基体返回的途径与机理
（二）、蛋白质和脂类的糖基化
N-连接寡糖(N-linked oligosaccharides)
• 多数糖基化、糖脂的形成及多糖的形成。
3.高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结 构（TGN）
• CMP酶是该区的标志酶
• 参与蛋白质的分类包装以及蛋白质的转运
三、 高尔基复合体的功能
1.高尔基体与细胞的分泌活动 2. 蛋白质和脂类的糖基化 3. 蛋白质的加工改造 4. 细胞内的膜泡运输
（
一
细胞质中几种主要组分的模式图解
二、细胞质基质的功能:
第一节 细胞质溶质
(一) 中间代谢反应的进行
所有中间代谢都是在细胞质中进行的，其中大部分是 在细胞质溶质中进行的。
例如：糖酵解、核苷酸、脂肪酸和氨基酸代谢
反应必需的微环境；
细胞质基质 反应所需前体物；
合成细胞结构、完成生命活动的大分子前体物
糖 酵 解
N- linked glycosylation（Asn） O- linked glycosylation
（Ser/Thr or Hylys/Hypro） 酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸 →Cys
1) 预先合成的寡糖链
寡
糖
链
的
预
合成
先 合
的寡 糖链
成
过
程
图
解
2) N-连接糖基化
R E R 膜 蛋 白 的 N连 接 糖 基 化 作 用
细胞组分
数
目
体积比
细胞质基质
1
54
细胞核
1
6
内质网
1
12
高尔基体
1
3
溶酶体
300
1
胞内体
200
1
过氧化物酶体
400
1
线粒体
1700
22
第一节 细胞质溶质
成分：中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构。 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。
蛋白质
核糖体 RNA
50nm
内质网
核膜
溶酶 体
内吞体 微体
分泌泡 细胞质基质
溶酶体 高尔基复合体 线粒体
细胞质基质
内质网
游离多 核糖体
核膜 质膜
高尔基复合体质膜 分泌泡 微体游离 线粒体 核糖体
一个动物细胞的模式图
示各种主要的细胞内分区
一个肝细胞的部分电镜图象
示几种主要的细胞内膜成分
内膜系统：在结构、功能以及发生上相关的，由膜围绕的细胞 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。
(rough endoplasmic reticulum, RER)
糙面内质网
多为扁囊状
广泛存在于合成 蛋白质的细胞中
内质网的三维立体结构
潴泡(cisterna) 大而扁平的片状结构
小管 小囊
Smooth ER
Rough ER
胞质面(cytoplasmic face) 膜向胞质的一面
腔面(luminal face) 膜向腔的一面
表明在膜上含有不同的磷脂修饰酶。
磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；
脂酰CoA
磷酸酶
酰基转移酶
胆碱磷酸转移酶
卵磷脂合成过程示意图
转位酶
磷脂的转运: transport by budding：
ER→GC、Ly、PM
transport by phospholipid exchange proteins（PEP）:
ER→other organelles（including Mit and Chl）。
5. 解毒作用
解毒作用(detoxification)：使外源性有害物质(如药物)失活的作用 SER中含有一些酶： 与外源性物质结合 → 使其氧化 → 失活 !
清除脂溶性废物、代谢产生的有害物质和外源性有害物质
细胞色素P-450：50kDa的末端氧化酶→药物羟基化→失活→尿液 服用大量药物→与解毒有关的酶活性大量增加→SER增生
识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位， 并促进重新折叠与装配。
Bip在ER蛋白的转移和装配中的作用
Bip蛋白是重链结合蛋白 (heavy-chain binding protein) 的简称,因为它能 够同IgG抗体的重链结合。 Bip是一类属于Hsp70分子 伴侣家族,在内质网中有两 个作用。
在三维立体结构上，内质网是由膜形成的一些形状大小不同的小管、 小囊或潴泡(cisterna)构成的一个连续的网状膜系统, 其内腔是相通的。
在不同细胞中，其形态具有多样性，其数量和分布不同； 即使是同种细胞，在不同细胞部位、不同发育时期，甚至生
理状态不同，内质网的形态、数量和分布也有差异；
尽管如此，在同种细胞中，内质网的形态却是相对恒定的。
变性的不正常蛋白质
第一节 细胞质溶质
决定蛋白质寿命的信号：
N-端的第一个氨基酸残基：
Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro：稳定 ! 其它12个氨基酸：不稳定 !
第一节 细胞质溶质
蛋白质选择性降解的机制：
泛素依赖性途径
(ubiquitin-dependent path)
胞质靶蛋白
蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI） 切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处 于正确折叠的状态 错误折叠或未装配的蛋白亚单位则停留在内质网腔或借助
Sec61p从内质网腔运至细胞质，被蛋白酶体降解。 结合蛋白（Binding protein，Bip，chaperone）
第一节 细胞质溶质
（三）蛋白质的修饰与选择性降解
细胞质基质
蛋白质的修饰
N-端甲基化 糖基化? 酰基化 磷酸化、去磷酸化
在其侧链 的特定位 点上进行
辅酶和辅基的共价结合等
蛋白质寿命控制 选择性降解
降
解
对 象
催化限速反应的一些重要酶类 细胞癌基因(如fos和myc)等的产物 没有被及时运出的其它部位的蛋白质 错误折叠的不正常蛋白质
6. 糖原代谢
胞质溶 胶
SER腔
光面内质网参与的糖原代 谢过程图解
糖原颗粒
糖原颗 粒
葡萄糖-6磷酸酶
葡萄糖
磷酸化酶 葡萄糖-1-磷酸
葡萄糖-6-磷酸
Pi
SER膜 进入血液
7.储存钙离子
肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网 腔中
第三节 高尔基体
一、高尔基体的的形态结构
在不同细胞中, 高尔基复合体的形态、大小和分布均差异很大。 在大多数脊椎动物细胞中，高尔基复合体为复杂的网状结构。
氨基基团 Lys残基
泛素-蛋白复合物
释
放
蛋
白
泛素化酶 复合物
泛素
小肽片段
蛋白质小体的电镜照片及其模式图解
第一节 细胞质溶质
（四）维持细胞内环境(pH、离子环境)的稳定性
缓冲pH值： 为各种中间代谢反应的进行提供了适宜
的微环境 离子环境：
细胞器等正常结构维持所必需的离子环境
第二节 内质网
1945年, K. R. Porter等：培养成纤维细
寡糖链
多 肽 链
核心区
复 合 型
高
甘
露
糖
末端区
型
在糙面内质网添加上的两类主要N-连接寡糖链
形成脂锚定蛋白
新合成的蛋白质通过酰基化同ER膜上的糖脂结合,将自己锚定在ER膜上。 形成的脂锚定糖蛋白通过进一步的运输成为质膜外侧的膜蛋白。
蛋白质附着到糖基磷脂酰肌醇成为脂锚定蛋白
3.新生肽的折叠与组装
新生肽的折叠组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成； 正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL or HDEL信号
4. 脂类的合成
ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇） 两种例外： 鞘磷脂和糖脂（ER开始→Golgi complex完
成）Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。
各种不同的细胞器具有明显不同的脂类组成： 卵磷脂（PC）：ER→GC→PM（高→低） 磷脂酰丝氨酸（PS）：PM→GC→ER（高→低）
防止新合成的蛋白质在转运过 程中变性或断裂。通过重组DNA
技术,将酵母中编码Bip蛋白的基因突变 成温度敏感型后，当提高细胞培养温度 时，Bip的功能就会丧失，蛋白质向ER 的转移也会停止，推测由于Bip功能的丧 失，导致蛋白质在ER中的聚集，抑制了 新生肽向ER的转移。
Bip同进 入内质网 的未折叠 蛋白质的 疏水氨基 酸结合， 防止多肽 链不正确 地折叠和 聚合
(D,分散高尔基体; M,线粒体; ER,内质网)
结构极性
(CGN)
(TGN)
高尔基复合体的模式图解
1.高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构 （cis或CGN)
• 成分与内质网相似，接受内质网新合成蛋白并 运入高再返回内质网，高尔基体中间膜囊，小 部分蛋白与脂质。凡是O-连接糖基化
2.高尔基体中间膜囊
6
内质网
1
12
高尔基体
1
3
溶酶体
300
1
胞内体
200
1
过氧化物酶体
400
1
线粒体
1700
22
内质网在形态上又分为两个区域：
无核糖体附着，表面光滑 (smooth endoplasmic reticulum, SER)
光面内质网
多为小管 或小囊状
广泛存在于 合成类固醇 的细胞中
其胞质面附着有核糖体，表面粗糙
三、内质网的功能
1. 蛋白质的合成
共转译方式合成的蛋白： •分泌蛋白； •整合膜蛋白； •内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白 后转译方式合成的蛋白： •细胞质基质中的驻留蛋白核输入蛋白 •转运到线粒体 •叶绿体 •过氧物酶体的蛋白
2. 多肽链的修饰与加工
糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等
糖基化在glycosyltransferase作用下 发生在ER腔面
胞--电子显微镜下观察----网状结构----内质网。
内质网(endoplasmic reticulum, ER)
一、内质网的形态结构
内质网是由一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结 构，并形成一个连续的网膜系统。
膜厚约5~6nm，单位膜结构; 总面积很大.
细胞组分
数
目
体积比
细胞质基质
1
54
细胞核
1
第七章 细胞质基质与内膜系统
Chapter 7 cytomatrix and endomembrane system
细胞质的组成
细胞质基质 较为均质和半透明的胶状物质
细胞质
如内质网、高尔基复合体、
有界膜的细胞器： 溶酶体、过氧化物酶体、
细胞器
线粒体和叶绿体等
无界膜的细胞器： 如核糖体、中心粒等
内含物 色素等一些有形成份