第5章 细胞内膜系统及蛋白质的质量控制 [兼容模式]
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• 约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统。 • 分为RER和SER。 • RER呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。 • SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。 • 细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。 • 葡糖-6-磷酸酶是ER标志酶。
RER
SER
粗面内质网由核糖体附 着在扁平连续的内质网 囊胞质侧形成的。 光 面内质网由管状的膜结 构组成的相互连通的网 架。
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2013-10-12
细胞质基质的功能:
细胞质基质是蛋白质、脂肪酸合成及细胞中多种中间 代谢的区域。 完成各种中间代谢过程 ：例如糖酵解、核苷酸和氨基酸代谢；
糖原的合成与部分分解过程; 蛋白质和脂肪酸的合成。 蛋白质和脂肪酸的合成
基质中细胞骨架：增大细胞质中大分子物质附着面 积，细胞运动，物质运输等。维持细胞的形态、细胞运动、细胞内
膜脂的合成 • 大多数膜脂完全在内质网上合成。两类膜脂例外: •（1）糖鞘脂和糖脂合成开始于内质网上，在高尔基体中完成。 •（2）线粒体、叶绿体中的独特的脂由自身合成。 （ ）线粒体 叶绿体中的独特的脂由自身合成
卵磷脂在内质网膜上合成过程的示意图
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不同细胞器的膜脂组成差异很大。 通过出芽从内质网转运至高尔基体、溶酶体、质膜。 通过不同种类的磷脂转换蛋白（PEP）与特定种类的磷脂形成水溶性颗粒, 从磷脂含量高的细胞器转运至磷脂含量低的细胞器（如线粒体、过氧化 物酶体等）。
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肝细胞中主要细胞区室（细胞器）所占的相对体积
细胞内区室
所占体积（％） 54 22 9 6 6 1 1 1
细胞质基质 (cytoplasmic matrix) 线粒体 (mitochondrion) 粗面内质网 (rough endoplasmic reticulum) 滑面内质网及高尔基体 (smooth ER and Golgi body) 细胞核 (nucleus) 过氧化物酶体 (peroxisome) 溶酶体 (lysosome) 胞内体 (endosome)
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肌质网是储存Ca2+的细胞器：肌质网膜上的Ca2+-ATPase将细胞质基质 中的Ca2+泵入肌质网腔中，储存起来，当肌细胞受到神经冲动刺激后， Ca2+释放，肌肉收缩。
5.2.3 内质网应激及其 信号调控 ERS and signalling
内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）：外界因素引起细胞内质 网生理功能发生紊乱，钙稳态失衡，未 折叠及错误折叠的蛋白质的内质网腔内 超量积累，会激活一些相关信号通路， 引发内质网应激反应 以应对条件的变 引发内质网应激反应，以应对条件的变 化和恢复内质网内良好的蛋白质折叠环 境。ERS是一种自我保护机制，也是一套 完整的质量监控机制。 ERS机制事关细胞生死抉择（cell life and death decision），是一个存 活程序和调亡程序同时被激活的过程。
(麦芽糖糊精酶）
非正常折叠的蛋白运出内质网经泛素途径化降解
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在内质网腔中二硫键形 成及重排。 只有在内质网腔中才具 有氧化–SH 形成二硫键 的氧化环境。 PDI: 蛋白二硫键异构酶， 在内质网腔中大量存在。
质量控制: 确保错误折叠的蛋白不能离开内质网。 Quality control: ensuring that misfolded proteins do not leave ER
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变性与错误折叠蛋白质的重新折叠
The protein synthesis, degradation and modification.
细胞精密监测细胞中错误折叠的蛋白数量，胞质溶胶中错误蛋白的积累可以诱发细 胞热休克反应，激活编码胞质溶胶中分子伴侣蛋白等基因的转录。这些蛋白的产生 可帮助蛋白分子重新折叠。
双重荧光染色
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SER-
微粒体与内质网关系
微粒体(100-200nm)是在细 胞组分分离中得到的主要 由内质网膜组分形成的大 小一致的异质性微囊。微 粒体在纯化过程中保持了 活性，具有蛋白合成、蛋 白糖基化 脂质合成等内 白糖基化、脂质合成等内 质网功能。可用于内质网 研究。
RER-
C. 内膜系统的动态特征 Dynamic characteristics of endomembrane 内膜系统处于动态变化中。其中的大多数细胞器之 间通过运输小泡联系。在细胞分裂时解体与重建。 在生物合成中，蛋白质、碳水化合物、脂类在细胞 内移动。 在细胞分泌过程中，向胞外排出蛋白等。 在内吞途径中，内吞物质转运至细胞内。
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C. 新合成蛋白质的修饰和加工Modification and processing of newly synthesized proteins: glycosylation in the rER
蛋白的N连接糖基化发生在内质网中。蛋白在内质网内（上）还可发生羟基 化，酰基化及形成二硫键等修饰。
2013-10-12
第5章 真核细胞内膜系统及蛋白质的质量控制 Chapter 5. Endomembrane system and the quality control of proteins
1. 真核细胞的区室化，细胞质基质。 真核细胞的 化 细胞质 质 2. 真核细胞中内质网结构和功能。 3. 高尔基体结构和功能。 4. 溶酶体结构和功能。 5. 过氧化物酶体功能。
B. 内膜系统 endomembrane system
内膜系统 :由结构和功能相关的细胞器组成，包括内质 网、高尔基体、溶酶体、胞内体运输小泡、分泌泡等。 膜性细胞器： 指细胞质中所有具有膜结构的细胞器。包括细胞核、内质网、 高尔基体、胞内体、溶酶体、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体。
4Baidu Nhomakorabea
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D.新生多肽的折叠与组装---新合成蛋白的质量控制
Quality control of of newly synthesized proteins---The role of Nlinked glycosylation in ER protein folding
内质网腔中含有: 分子伴侣chaperones ：结合蛋白 （Bip）等钙连接蛋白 （calnexin ） ，它们可以识别、 结合未折叠或错误折叠的蛋白并 帮助这些蛋白正确折叠。 蛋白二硫键异构酶(Protein disulfide isomerase， PDI ) ：打 开二硫键帮助蛋白正确折叠。 葡糖基转移酶（glucosyltransferase，GT）：是一种监控酶， 识别未折叠或错误折叠的蛋白并 添加一个葡萄糖至低聚糖末端。
内质网中的糖基化发生在蛋白合成过程中，由膜上的糖基转移酶把膜结合的多萜醇上 的寡糖链转到特殊三肽序列的天冬酰胺上。在真核生物中转移的14个糖的寡糖链是相 同的。后期在内质网中还对寡糖链进行剪切修饰，剪除3个葡萄糖和一个甘露糖。寡 糖链在转运过程中还可进行切添加糖基。Dolichol 多萜醇。
• 糖基化的作用：
5.2 内质网 Endoplasmic reticulum
5.2.1 内质网形态与组成
内质网（endoplasmic reticulum, ER)是由Porter和Claude等 在1945年发现的。它是细胞质中由膜围成的管状或扁囊状的 结构 相互连通成网贯穿整个细胞 结构，相互连通成网贯穿整个细胞。
依赖泛素的蛋白质降解
Ubiquitin-and proteasome-mediated protein degradation
通过电镜负染色照片获得的蛋白酶体结构图（Ａ）及蛋白酶体识别与降解泛素化蛋 白的示意图（Ｂ）：1. E1活化泛素分子；2. 泛素分子转移至E2；3. E3催化形成 异肽键；4. 蛋白酶体识别泛素化靶蛋白、ATP水解驱动泛素移除、靶蛋白折叠转入 蛋白酶体核心内被降解。
A. 细胞质基质(Cytoplasmic matrix) 细胞质基质及其功能Cytoplasmic matrix and its functions
细胞质基质: 细胞质中膜类细胞器之外的液体成 分区域。是包括细胞骨架纤维在内的大分子、小分 子形成的动态的、有组织的结构体系。 细胞质基质与胞质溶胶的区别： 两个实验： 两个实验 原位杂交显示卵细胞不同mRNA分布。 爪蟾卵母细胞蛋白乳胶球扩散实验。
– ①使蛋白质能够抵抗 消化酶的作用； – ②赋予蛋白质传导信 号的功能； – ③某些蛋白只有在糖 基化之后才能正确折 叠。
N-连接的糖基化发生在内质网中: 糖基连接到天冬酰胺的侧链的氨基上。 O-连接的糖基化发生在高尔基体中:糖基连接到丝氨酸或苏氨酸侧链的羟基上 （羟脯氨酸或羟赖氨酸）。 N-linked: linked to the amide nitrogen of asparagine (ER) O-linked: linked to the hydroxyl group serine or threonine via GalNac (in Golgi)
SER的功能Functions of the sER
脂质合成：如分泌细胞中合成固醇类物质。 肝细胞中对毒性化合物脱毒： 依赖光面内质网膜上含有细胞色素P450 多功 能氧化酶把聚集在内质网膜上的脂溶性有害物质 羟基化，使之溶于水并被排除细胞，随尿排出体 外。 容纳 Ca2+： Ca2+-ATPase位于肌细胞等光面内质网膜上。
5.2.2 内质 网的功能
The structure and functions of Endoplasmic reticulum
TEM photo
A. 粗面内质网是蛋 白质合成的场所
Proteins synthesized on ribosomes ib of f rER ER
SEM photo
LSCM photo
E. 内质网的其他功能Other functions of ER
肝细胞内质网的解毒作用（detoxification）：肝细胞的SER含有介导氧化、还原及 水解作用的酶，使有毒物质由脂溶性转变为水溶性而排出体外。研究最深入的是细胞 色素P450家族酶系的解毒作用。Cyt P450是一类以还原态与CO结合后在波长450nm处 有吸收峰的含血红素的单链蛋白质，具有混合功能氧化酶的活性。细胞色素P450类是 涉及药物代谢与生物激活作用的主要酶类，约占到各种代谢反应总数的75%。
5.1 真核细胞的区室化及细胞质基质
(Cell compartmentalization and cytoplasmic matrix) 生物膜把真核细胞细胞质化分成明显的隔室，细胞区室化 （compartmentalization）是真核细胞结构与功能的基本特征之一。 真核细胞中被膜分隔的三类结构: ( ) 细胞内膜系统：内质网（ER）、高尔基体、溶酶体、分泌小泡等。 (1) 细胞内膜系统 内质网（ ） 高尔基体 溶酶体 分泌小泡等 (2) 其他膜包围的细胞器：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核。 (3) 细胞质基质。
D. 膜系统研究的几种常用方法 A few approaches to the study of endomembranes 放射自显影;
亚细胞组分生化分析; 遗传突变体研究;
分泌蛋白放射性自显影显示合 成——分泌不同阶段在不同细 胞器中的位置。3H-亮氨酸脉 冲标记。
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胰腺细胞的粗面内质网
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粗面内质网功能: 蛋白质合成、修饰和 正确折叠。 附着在粗面内质网 上的核糖体合成的 蛋白质包括：
分泌蛋白, 膜整合蛋白, 细胞器中的可溶性蛋白。
共翻译分选 翻译后分选
蛋白质细胞内分选。Nascent 新生的
B. 光面内质网是脂质合成的重要场所
的物质运输和能量传递；也为细胞质基质中的其它成分和细胞器提供锚定位点。
蛋白质修饰：辅酶与酶连接，磷酸化去磷酸化，糖 基化 基化，甲基化，酰基化。 基化 酰基化 蛋白质降解：控制蛋白质的寿命，如泛素化降解。 蛋白质折叠： 控制蛋白质的寿命，降解变性和错误折叠的蛋白质； 帮助
变性或错误折叠的蛋白质重新折叠
RER
SER
粗面内质网由核糖体附 着在扁平连续的内质网 囊胞质侧形成的。 光 面内质网由管状的膜结 构组成的相互连通的网 架。
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细胞质基质的功能:
细胞质基质是蛋白质、脂肪酸合成及细胞中多种中间 代谢的区域。 完成各种中间代谢过程 ：例如糖酵解、核苷酸和氨基酸代谢；
糖原的合成与部分分解过程; 蛋白质和脂肪酸的合成。 蛋白质和脂肪酸的合成
基质中细胞骨架：增大细胞质中大分子物质附着面 积，细胞运动，物质运输等。维持细胞的形态、细胞运动、细胞内
膜脂的合成 • 大多数膜脂完全在内质网上合成。两类膜脂例外: •（1）糖鞘脂和糖脂合成开始于内质网上，在高尔基体中完成。 •（2）线粒体、叶绿体中的独特的脂由自身合成。 （ ）线粒体 叶绿体中的独特的脂由自身合成
卵磷脂在内质网膜上合成过程的示意图
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不同细胞器的膜脂组成差异很大。 通过出芽从内质网转运至高尔基体、溶酶体、质膜。 通过不同种类的磷脂转换蛋白（PEP）与特定种类的磷脂形成水溶性颗粒, 从磷脂含量高的细胞器转运至磷脂含量低的细胞器（如线粒体、过氧化 物酶体等）。
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肝细胞中主要细胞区室（细胞器）所占的相对体积
细胞内区室
所占体积（％） 54 22 9 6 6 1 1 1
细胞质基质 (cytoplasmic matrix) 线粒体 (mitochondrion) 粗面内质网 (rough endoplasmic reticulum) 滑面内质网及高尔基体 (smooth ER and Golgi body) 细胞核 (nucleus) 过氧化物酶体 (peroxisome) 溶酶体 (lysosome) 胞内体 (endosome)
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肌质网是储存Ca2+的细胞器：肌质网膜上的Ca2+-ATPase将细胞质基质 中的Ca2+泵入肌质网腔中，储存起来，当肌细胞受到神经冲动刺激后， Ca2+释放，肌肉收缩。
5.2.3 内质网应激及其 信号调控 ERS and signalling
内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）：外界因素引起细胞内质 网生理功能发生紊乱，钙稳态失衡，未 折叠及错误折叠的蛋白质的内质网腔内 超量积累，会激活一些相关信号通路， 引发内质网应激反应 以应对条件的变 引发内质网应激反应，以应对条件的变 化和恢复内质网内良好的蛋白质折叠环 境。ERS是一种自我保护机制，也是一套 完整的质量监控机制。 ERS机制事关细胞生死抉择（cell life and death decision），是一个存 活程序和调亡程序同时被激活的过程。
(麦芽糖糊精酶）
非正常折叠的蛋白运出内质网经泛素途径化降解
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在内质网腔中二硫键形 成及重排。 只有在内质网腔中才具 有氧化–SH 形成二硫键 的氧化环境。 PDI: 蛋白二硫键异构酶， 在内质网腔中大量存在。
质量控制: 确保错误折叠的蛋白不能离开内质网。 Quality control: ensuring that misfolded proteins do not leave ER
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变性与错误折叠蛋白质的重新折叠
The protein synthesis, degradation and modification.
细胞精密监测细胞中错误折叠的蛋白数量，胞质溶胶中错误蛋白的积累可以诱发细 胞热休克反应，激活编码胞质溶胶中分子伴侣蛋白等基因的转录。这些蛋白的产生 可帮助蛋白分子重新折叠。
双重荧光染色
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SER-
微粒体与内质网关系
微粒体(100-200nm)是在细 胞组分分离中得到的主要 由内质网膜组分形成的大 小一致的异质性微囊。微 粒体在纯化过程中保持了 活性，具有蛋白合成、蛋 白糖基化 脂质合成等内 白糖基化、脂质合成等内 质网功能。可用于内质网 研究。
RER-
C. 内膜系统的动态特征 Dynamic characteristics of endomembrane 内膜系统处于动态变化中。其中的大多数细胞器之 间通过运输小泡联系。在细胞分裂时解体与重建。 在生物合成中，蛋白质、碳水化合物、脂类在细胞 内移动。 在细胞分泌过程中，向胞外排出蛋白等。 在内吞途径中，内吞物质转运至细胞内。
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C. 新合成蛋白质的修饰和加工Modification and processing of newly synthesized proteins: glycosylation in the rER
蛋白的N连接糖基化发生在内质网中。蛋白在内质网内（上）还可发生羟基 化，酰基化及形成二硫键等修饰。
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第5章 真核细胞内膜系统及蛋白质的质量控制 Chapter 5. Endomembrane system and the quality control of proteins
1. 真核细胞的区室化，细胞质基质。 真核细胞的 化 细胞质 质 2. 真核细胞中内质网结构和功能。 3. 高尔基体结构和功能。 4. 溶酶体结构和功能。 5. 过氧化物酶体功能。
B. 内膜系统 endomembrane system
内膜系统 :由结构和功能相关的细胞器组成，包括内质 网、高尔基体、溶酶体、胞内体运输小泡、分泌泡等。 膜性细胞器： 指细胞质中所有具有膜结构的细胞器。包括细胞核、内质网、 高尔基体、胞内体、溶酶体、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体。
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D.新生多肽的折叠与组装---新合成蛋白的质量控制
Quality control of of newly synthesized proteins---The role of Nlinked glycosylation in ER protein folding
内质网腔中含有: 分子伴侣chaperones ：结合蛋白 （Bip）等钙连接蛋白 （calnexin ） ，它们可以识别、 结合未折叠或错误折叠的蛋白并 帮助这些蛋白正确折叠。 蛋白二硫键异构酶(Protein disulfide isomerase， PDI ) ：打 开二硫键帮助蛋白正确折叠。 葡糖基转移酶（glucosyltransferase，GT）：是一种监控酶， 识别未折叠或错误折叠的蛋白并 添加一个葡萄糖至低聚糖末端。
内质网中的糖基化发生在蛋白合成过程中，由膜上的糖基转移酶把膜结合的多萜醇上 的寡糖链转到特殊三肽序列的天冬酰胺上。在真核生物中转移的14个糖的寡糖链是相 同的。后期在内质网中还对寡糖链进行剪切修饰，剪除3个葡萄糖和一个甘露糖。寡 糖链在转运过程中还可进行切添加糖基。Dolichol 多萜醇。
• 糖基化的作用：
5.2 内质网 Endoplasmic reticulum
5.2.1 内质网形态与组成
内质网（endoplasmic reticulum, ER)是由Porter和Claude等 在1945年发现的。它是细胞质中由膜围成的管状或扁囊状的 结构 相互连通成网贯穿整个细胞 结构，相互连通成网贯穿整个细胞。
依赖泛素的蛋白质降解
Ubiquitin-and proteasome-mediated protein degradation
通过电镜负染色照片获得的蛋白酶体结构图（Ａ）及蛋白酶体识别与降解泛素化蛋 白的示意图（Ｂ）：1. E1活化泛素分子；2. 泛素分子转移至E2；3. E3催化形成 异肽键；4. 蛋白酶体识别泛素化靶蛋白、ATP水解驱动泛素移除、靶蛋白折叠转入 蛋白酶体核心内被降解。
A. 细胞质基质(Cytoplasmic matrix) 细胞质基质及其功能Cytoplasmic matrix and its functions
细胞质基质: 细胞质中膜类细胞器之外的液体成 分区域。是包括细胞骨架纤维在内的大分子、小分 子形成的动态的、有组织的结构体系。 细胞质基质与胞质溶胶的区别： 两个实验： 两个实验 原位杂交显示卵细胞不同mRNA分布。 爪蟾卵母细胞蛋白乳胶球扩散实验。
– ①使蛋白质能够抵抗 消化酶的作用； – ②赋予蛋白质传导信 号的功能； – ③某些蛋白只有在糖 基化之后才能正确折 叠。
N-连接的糖基化发生在内质网中: 糖基连接到天冬酰胺的侧链的氨基上。 O-连接的糖基化发生在高尔基体中:糖基连接到丝氨酸或苏氨酸侧链的羟基上 （羟脯氨酸或羟赖氨酸）。 N-linked: linked to the amide nitrogen of asparagine (ER) O-linked: linked to the hydroxyl group serine or threonine via GalNac (in Golgi)
SER的功能Functions of the sER
脂质合成：如分泌细胞中合成固醇类物质。 肝细胞中对毒性化合物脱毒： 依赖光面内质网膜上含有细胞色素P450 多功 能氧化酶把聚集在内质网膜上的脂溶性有害物质 羟基化，使之溶于水并被排除细胞，随尿排出体 外。 容纳 Ca2+： Ca2+-ATPase位于肌细胞等光面内质网膜上。
5.2.2 内质 网的功能
The structure and functions of Endoplasmic reticulum
TEM photo
A. 粗面内质网是蛋 白质合成的场所
Proteins synthesized on ribosomes ib of f rER ER
SEM photo
LSCM photo
E. 内质网的其他功能Other functions of ER
肝细胞内质网的解毒作用（detoxification）：肝细胞的SER含有介导氧化、还原及 水解作用的酶，使有毒物质由脂溶性转变为水溶性而排出体外。研究最深入的是细胞 色素P450家族酶系的解毒作用。Cyt P450是一类以还原态与CO结合后在波长450nm处 有吸收峰的含血红素的单链蛋白质，具有混合功能氧化酶的活性。细胞色素P450类是 涉及药物代谢与生物激活作用的主要酶类，约占到各种代谢反应总数的75%。
5.1 真核细胞的区室化及细胞质基质
(Cell compartmentalization and cytoplasmic matrix) 生物膜把真核细胞细胞质化分成明显的隔室，细胞区室化 （compartmentalization）是真核细胞结构与功能的基本特征之一。 真核细胞中被膜分隔的三类结构: ( ) 细胞内膜系统：内质网（ER）、高尔基体、溶酶体、分泌小泡等。 (1) 细胞内膜系统 内质网（ ） 高尔基体 溶酶体 分泌小泡等 (2) 其他膜包围的细胞器：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核。 (3) 细胞质基质。
D. 膜系统研究的几种常用方法 A few approaches to the study of endomembranes 放射自显影;
亚细胞组分生化分析; 遗传突变体研究;
分泌蛋白放射性自显影显示合 成——分泌不同阶段在不同细 胞器中的位置。3H-亮氨酸脉 冲标记。
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胰腺细胞的粗面内质网
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粗面内质网功能: 蛋白质合成、修饰和 正确折叠。 附着在粗面内质网 上的核糖体合成的 蛋白质包括：
分泌蛋白, 膜整合蛋白, 细胞器中的可溶性蛋白。
共翻译分选 翻译后分选
蛋白质细胞内分选。Nascent 新生的
B. 光面内质网是脂质合成的重要场所
的物质运输和能量传递；也为细胞质基质中的其它成分和细胞器提供锚定位点。
蛋白质修饰：辅酶与酶连接，磷酸化去磷酸化，糖 基化 基化，甲基化，酰基化。 基化 酰基化 蛋白质降解：控制蛋白质的寿命，如泛素化降解。 蛋白质折叠： 控制蛋白质的寿命，降解变性和错误折叠的蛋白质； 帮助
变性或错误折叠的蛋白质重新折叠