第五章 细胞质基质与细胞内膜系统

第五章
细胞质基质与细胞内膜系统
一 细胞质基质及内膜系统
二 内质网
三 高尔基复合体
四 溶酶体与过氧化物酶体
五 细胞内蛋白的分选
一 细胞质基质
细胞质基质的基本功能： （一）细胞质基质是许多代谢活动的场所，如糖酵解过程等。 （三）细胞质骨架作为细胞质基质的主要成分，不仅与维持细胞的 形态、细胞的运动、细胞内物质运输及能量传递有关，而且 也是细胞质基质结构体系的组织者，为细胞质基质中其它成 分和细胞器提供锚定位点。 （四）蛋白质的修饰。 （五）蛋白质寿命的控制：通过依赖于泛素的降解途径被降解掉。 （六）降解变性和错误折叠的蛋白质。 （七）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。
细胞的形状与运动。
3 蛋白质的水解和其它加工过程
1）无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体 切除N-端或两端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血 糖素及血清白蛋白等。 2）蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神 经肽。
3）含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同
TGN）
除了以上结构，膜囊周围又有大量的大小不等的囊泡结构。 （二）高尔基体的功能 1 高尔基体与细胞的分泌； 2 蛋白质的糖基化及其它修饰； 3 蛋白质的水解和其它加工过程； 4 高尔基体在细胞内膜泡运输中起到重要的枢纽作用。
高尔基体的极性
1 位置极性： 电镜下高尔基体是由扁平膜囊和大小不等的囊泡 构成，靠近核分布,有两个面：形成面(内侧，面 向细胞核)和成熟面(外侧，面向细胞膜)。 2 物质转运极性：在高尔基中加工的物质，从形成面输入，从成熟 面输出。 3 生化组成极性：高尔基体不同部分的膜囊其化学组成不同，不 同的部分分别对应有４种标志细胞化学反应。 另外，高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基 体分布在MTOC(负端)。 高尔基的膜囊上存在马达蛋白（cytoplasmic dynein和 kinesin）和微丝的马达蛋白（myosin）。最近还发现特 异的血影蛋白（spectrin）网架 ，它们在维持高尔基体 动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起重要的作用。
常见的蛋白质修饰。寡糖链连接在插入膜内的磷酸
多萜醇上，当与糖基化有关的氨基酸残基出现后，
通过在膜上的糖基转移酶的作用，将寡糖基由磷酸
多萜醇转移到相应的氨基酸残基上。 O－连接的糖基化 N－连接的糖基化
蛋白质的糖基化
（四）新生多肽的折叠与装配
1 内质网腔是一种非还原性的环境，极易形成二硫键， 这些都对肽链的正确折叠带来了很大困难。内质网中 有一种蛋白二硫键异构酶，它附着在内质网膜腔面上， 可以切断二硫键，形成自由能最低的蛋白构象，以帮 助新合成的蛋白质重新形成二硫键并处于正确折叠的 状态。
（五）过氧化物酶体
过氧化物酶体(peroxisom)又称微体(microbody)，是 由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞 器。
1 过氧化物酶体与溶酶体的区别 2 过氧化物酶体的功能
3 过氧化物酶体的发生
1 过氧化物酶体与溶酶体的区别
特 征 形态大小 溶 酶 体 多呈球形，直径 0.2～0.5μ m， 无酶晶体 酶种类 pH 值 是否需 O2 功能 发生 酸性水解酶 5 左右 不需要 细胞内的消化作用 酶在粗面内质网合成经高尔基体 出芽形成 识别的标志酶 酸性水解酶等 微 体
3）在植物细胞中过氧化物酶体的功能：
在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼 吸反应；
乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂
肪酸乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。
3 过氧化物酶体的发生
1 从个体发生的角度来看，过氧化物酶体来源于已存在过 氧化物酶体的分裂。过氧化物酶体中所有的酶都由核基 因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下，进 入过氧化物酶体，引导蛋白质进入过氧化物酶体的信号 序列一般是C端的Ser-Lys-Leu序列。
至少5个 糖残基 N—乙酰葡萄 糖胺
蛋白质糖基化的特点及其生物学意义
1）糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在
细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。
2）糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正确构 象和增加蛋白质的稳定性；多羟基糖侧链影响蛋白质的水 溶性及蛋白质所带电荷的性质。对多数分选的蛋白质来 说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。 3）进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其 它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的 祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制
高尔基体不同部分４种标志细胞化学反应
1 嗜锇反应－－显示高尔基体cis面膜囊；
2 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）反应－－显示trans面1～2层膜囊；
3 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）反应－－显示靠近trans面膜囊状 和管状结构； 4 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）反应－－显示中间扁平 囊。
2 内质网中含有一种结合蛋白（ Binding protein，Bip，
chaperone ），可以识别不正确折叠的蛋白或未装配
好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与装配。
内质网上合成脂质的转运
三 高尔基复合体
（一）形态结构： 高尔基体是有极性的细胞器，至少由互相联系的3部分组成： 1 高尔基体顺面膜囊及顺面网状结构（cis Golgi network，CGN） 2 高尔基体中间膜囊（medial Gdgi） 3 高尔基体反面膜囊及反面高尔基网状结构（trans Golgi network，
它膜的转运主要有两种方式：
以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；
凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂交换蛋
白在膜之间转移磷脂。
（三）蛋白质的修饰与加工
1 进入内质网中的蛋白质发生的主要化学修饰作用有 糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。 2 糖基化伴随着多肽链合成同时进行，是内质网中最
泛素作为蛋白质分解信号的假说
2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙· 切哈诺沃(Aaron Ciechanover， 57岁 )、阿夫拉姆· 赫什科(Avram Hershko，67岁)和美国科学家欧文· 罗斯 (Irwin Rose，78岁) ，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解。 泛素系统(UPS)广泛存在于真核生物中，是精细的特异性的蛋白质降解系统。 它由泛素、26S蛋白酶体、多种酶（如E1、E2、E3、去泛素酶）构成。在泛 素系统中，泛素（Ubiquitin Ub,最初从小牛胰脏中分离到 ）是一种含有76个 氨基酸，序列保守的小分子蛋白，蛋白质与泛素结合后，被蛋白酶体以ATP 依赖的方式降解。E1、E2酶分别称为泛素活化酶和泛素载体酶，使泛素通过 Ub-腺苷酸中间产物形成E2-Ub巯基酯。泛素连接酶E3负责连接泛素和特异性 的底物，这样泛素化的底物可以被26S蛋白酶体降解为若干肽段。
蛋白质糖基化类型
特 征
1. 合成部位 2. 合成方式 3. 与之结合的 氨基酸残基 4 最终长度 5. 第 一 个 糖 残 基
N-连接
粗面内质网 来自同一个 寡糖前体 天冬酰胺
O-连接
粗面内质网或高尔基体 一个个单糖加上去 丝氨酸、苏氨酸、 羟赖氨酸、羟脯氨酸 一般1～4个糖残基， 但ABO血型抗原较长 N—乙酰半乳糖胺等
高尔基体形态
1 高尔基体与细胞的分泌
细胞中分泌性蛋白、很多细胞膜上的膜蛋白、溶 酶体中的酸性水解酶以及胶原纤维等细胞外基质 成分都是通过高尔基体的分类包装而完成定向转 运的。
2 蛋白质的糖基化及其它修饰
1）许多糖蛋白同时具有N-连接的糖链和O-连接的糖链。 N-连接的糖链合成起始于内质网，完成于高尔基体。O连接的糖基化在高尔基体中进行。 2）高尔基体上还可以将一至多个氨基聚糖链通过木糖安装 在核心蛋白的丝氨酸残基上，形成蛋白聚糖。 3）糖脂的糖侧链也是以与糖蛋白相同的途径和方式合成与 加工的，最后由高尔基体转运到膜或细胞膜上。
内质网的类型
（一）内质网上合成的蛋白质
微粒体
（二）脂质的合成
1）内质网合成构成细胞所需的包括磷脂和胆固醇在内的几乎 全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。 2）合成磷脂所需要的3种酶（如酰基转移酶，磷酸酶，胆碱磷 酸转移酶）都定位在内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质
基质一侧。
3）在内质网膜上合成的磷脂几分钟后就由细胞质基质侧转向内 质网腔面（膜磷脂的翻转运动）。合成的磷脂由内质网向其
细胞内膜系统
细胞内膜系统是指真核细胞内在结构、功能 及发生上相关 的由膜包绕形成的细胞器或细 胞结构。包括内质网、高尔基体、溶酶体、 胞内体、液泡和分泌泡等。
二 内质网
内质网（endoplasmic reticulum, ER）是真核细胞重要的细胞器。它由封闭的膜 系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构。由Porter和Claude等于1945年发 现。 微粒体（microsome），在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，它包含内质网膜与核糖体两种基本成分。在生化研 究中，常常把微粒体与内质网等同看待，是研究蛋白质合成、蛋白质糖基化 和脂质合成等良好材料。 内质网的功能： （一）蛋白质的合成 1 分泌性蛋白质； 2 膜整合蛋白； 3 细胞器中的可溶性驻留蛋白。 （二）脂质的合成 （三）蛋白质的修饰与加工 （四）新生多肽的折叠与装配 （五）内质网的解毒功能 （六）内质网具有储存Ca2+的功能
（一）溶酶体的类型
1 初级溶酶体：内含物均一，无明显颗粒，是高尔基体分泌形成的，含有多种水 解酶，已知60余种，均属于酸性水解酶，反应的最适PH值为4.6 左右。 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。 ② 具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运。 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：次级溶酶体都是消化泡，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，可分为异噬溶酶体（phagolysosome） 和自噬溶酶体（autophagolysosome）。 3 残余小体： 又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残 渣故名。