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1、第七章 细胞质基质与细胞内膜系统 第一节 细胞质基质 第二节 细胞内膜系统 第一节 细胞质基质 一 细胞质基质含义 二 细胞质基质功能 三 胞质溶胶 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 二 高尔基复合体 三 溶酶体与过氧化物酶体 四 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的装配 细胞质基质是一个高度有序的体系 其中细胞质骨 架纤维贯穿在粘稠的蛋白质胶体中 多数的蛋白质 直接或间接地与骨架结合 或与生物膜结合 从而完 成特定的生物学功能 第一节 细胞质基质 一 细胞质基质含义 在真核细胞的细胞质中 除去可分辨的细胞器以外的 胶状物质 称为细胞质基质 细胞质基质中主要含有 与中间代谢有关的数千种酶类 与维持细
2、胞形态和细 胞内物质运输有关的细胞质骨架结构 第一节 细胞质基质 二 细胞质基质的功能 1 许多中间代谢过程都在细胞质基质中进行 如糖酵解过 程 磷酸戊糖途径 糖醛酸途径 糖原的合成与部分分 解过程等 2 细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分 不仅与 维持细胞的形态 细胞的运动 细胞内的物质运输与能 量传递有关 而且也是细胞质基质结构体系的组织者 为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点 第一节 细胞质基质 二 细胞质基质的功能 3 细胞质基质中可进行蛋白质的修饰 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以形成正确的分子构象 第一节 细胞质基质
3、1 蛋白质的修饰 在细胞质基质中发生蛋白质修饰的类型主要有 辅酶或辅基与酶的共价结合 磷酸化与去磷酸化 用以调节很多蛋白质的生物活性 糖基化 在细胞质基质中发现的糖基化是指哺乳动物的细胞中 把N 乙酰葡萄糖胺分子加到蛋白质的丝氨酸残基的羟基上 对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰 酰基化 第一节 细胞质基质 2 控制蛋白质的寿命 细胞中的蛋白质处于不断地降解与更新的动态过程中 决定蛋白质寿命的信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基 识别蛋白质N端不稳定的氨基酸信号并准确地将这种蛋白质 降解 是依赖于泛素的降解途径 N端的第一个氨基酸是Met 甲硫氨酸 Ser 丝氨酸 Thr 苏氨 酸 Ala 丙氨
4、酸 Val 缬氨酸 Cys 半胱氨酸 Gly 甘氨酸 或 Pro 脯氨酸 则蛋白质是稳定的 如果是其他12种氨基酸之一 则是不稳定的 第一节 细胞质基质 3 降解变性和错误折叠的蛋白质 细胞基质中的变性蛋白 错误折叠的蛋白 含有被氧 化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白 无论其N端氨基 酸残基是否稳定 也常常很快被清除 降解作用可能涉及对畸形蛋白质所暴露出来的氨基酸疏水基 团的识别 并由此启动对蛋白质N端第一个氨基酸残基的作用 其结果形成了N端不稳定的氨基酸 同样被依赖于泛素的蛋白 降解途径彻底水解 第一节 细胞质基质 4 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠以形成正 确的分子构象 这一功能主要靠热休
5、克蛋白 Hsp 来完成 有证据表明 在正常细胞中 热休克蛋白选择性地与畸形蛋白 质结合形成聚合物 利用水解ATP释放的能量使聚集的蛋白 质溶解 并进一步折叠成正确构象的蛋白质 第一节 细胞质基质 三 胞质溶胶 1 细胞质基质和胞质溶胶是从不同的角度提出的概 念 二者虽然有一些差别 但过去在不少书中 常把这 两个名词等同起来 2 用差速离心的方法分离细胞匀浆中的各种细胞组 分 最终可获得富含蛋白质的组分 早期的实验细胞 学家和生化学家称之为胞质溶胶 第一节 细胞质基质 三 胞质溶胶 3 胞质溶胶中的多数蛋白质 特别是相对分子质量 较大的蛋白质 可能通过较弱的次级健直接或间接 地结合在细胞质基质的
6、骨架纤维上 4 对一种蛋白来说是否属于细胞质基质中的结构成 分 主要取决于其在细胞生命活动中 是结合在骨架 纤维上 还是游离在周围的溶液中 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 二 高尔基复合体 三 溶酶体与过氧化物酶体 四 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的装配 一 内质网 K R Porter等于1945年发现于培养的小 鼠成纤维细胞 因最初看到的是位于细胞 质内部的网状结构 故名内质网 endoplasmic reticulum ER 第二节 细胞内膜系统 一 形态与组成 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 1 定义 内质网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相互沟通的网状结
7、构 2 分类 分为粗面型内质网 rough endoplasmic reticulum RER 和光面型内质网 smooth endoplasmic reticulum SER 3 RER呈扁平囊状 排列整齐 有核糖体附着 4 SER呈分支管状或小泡状 无核糖体附着 5 细胞不含纯粹的RER或SER 它们分别是ER连续结构的 一部分 一 形态与组成 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 6 主功能 ER主要功能是合成蛋白质和脂类 分泌性蛋 白和跨膜蛋白都是在ER中合成的 7 成分 ER膜中含大约60 的蛋白和40 的脂类 脂类主 要成分为磷脂 磷脂酰胆碱含量较高 鞘磷脂含量较少 没有或很少含胆固醇
8、 8 ER膜蛋白的分布 约有30多种膜结合蛋白 另有30多 种位于内质网腔 这些蛋白的分布具有异质性 如 葡 糖 6 磷酸酶 普遍存在于内质网 被认为是标志酶 核糖体结合糖蛋白 ribophorin 只分布在RER P450 酶系只分布在SER ER RER 细胞质基质 核糖体 ER腔 SER 二 ER的功能 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 I 蛋白质的合成 II 脂质的合成 III 蛋白质的修饰与加工 IV 新生肽链的折叠 组装和运输 V 其它作用 I 蛋白质的合成 第二节 细胞内膜系统一 内质网 二 ER的功能 1 蛋白质都是在核糖体上合成的 并且起始于细 胞质基质 但是有些蛋白质在合成
9、开始不久后 便转在内质网上合成 这些蛋白主要有 1 向细胞外分泌的蛋白 如抗体 激素 2 膜的整合蛋白 3 需要与其它细胞组合严格分开的酶 如溶酶体的各 种水解酶 4 需要进行修饰的蛋白 如糖蛋白 I 蛋白质的合成 第二节 细胞内膜系统一 内质网 二 ER的功能 2 G Blobel等1975年提出了信号假说 Signal hypothesis 认为蛋白质N端的信号肽 指导 蛋白质转至内质网上合成 因此获1999年诺贝 尔生理医学奖 II 脂质的合成 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 二 ER的功能 1 构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几 乎全部的膜脂都是在内质网合成的 其中最主要 的磷
10、脂是磷脂酰胆碱 卵磷脂 2 合成磷脂所需要的3种酶都定位在内质网膜上 活性 部位在膜的细胞质基质一侧 3 合成磷脂的底物来自细胞质基质 反应的第一步是 增大膜面积 第二 三两步确定新合成磷脂的种类 II 脂质的合成 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 二 ER的功能 4 内质网合成的磷脂几分钟后就由细胞质基质侧 转向内质网腔面 其转位速度比自然转位速度高 105倍 5 合成的磷脂由内质网向其他膜的转运主要有两 种方式 一种是以出芽的方式转运到高尔基体 溶酶体和细胞膜上 另一种方式是凭借一种水溶 性的载体蛋白 称为磷脂转换蛋白 PEP 在膜之间 转移磷脂 其转运模式是 PEP 磷脂分子 水溶性复合
11、物 细胞质基质 靶膜 PEP释放磷脂 安插在膜上 实现磷脂从含量高的膜转移到 缺少磷脂的膜上 即从磷脂合成部位转移到线粒体 和过氧化物酶体膜上 自由扩散 III 蛋白质的修饰与加工 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 二 ER的功能 1 包括糖基化 羟基化 酰基化 二硫键形成等 其中最主要的是糖基化 几乎所有内质网上合成 的蛋白质最终被糖基化 糖基化的作用 使蛋白质能够抵抗消化酶的作用 赋予蛋白质传导信号的功能 某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠 III 蛋白质的修饰与加工 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 二 ER的功能 糖基一般连接在4种氨基酸上 分为2种 O 连接的糖基化 O linke
12、d glycosylation 与Ser Thr和Hyp的OH连接 连接的糖为半乳糖或 N 乙酰半乳糖胺 在RER或高尔基体上进行 N 连接的糖基化 N linked glycosylation 与天冬酰胺残基的NH2连接 糖为N 乙酰葡糖胺 在RER上进行 Protein glycosylation in RER IV 新生肽链的折叠和装配 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 二 ER的功能 不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同 这主 要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间 这一 过程是在属于hsp70家族的ATP酶的作用下完成的 需要消耗能量 有些无法完成正确折叠的蛋白质被输出内质网 转
13、入溶酶体中降解掉 大约90 的新合成的T细胞受体 亚单位和乙酰胆碱受体都被降解掉 而从未到达靶 细胞膜 V 内质网的其它作用 第二节 细胞内膜系统 一 内质网 二 ER的功能 1 解毒 如肝细胞的细胞色素P450酶系 2 参与甾体类激素的合成 3 储存钙离子 作为细胞内信号物质 如肌质网 肌肉细胞中的发达的特化的光面内质网 4 提供酶附着的位点和机械支撑作用 二 高尔基体 最早发现于1855年 1889年 Golgi用银染 法 在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的 结构 因此定名为高尔基体 20世纪50年代 以后才正确认识它的存在和结构 第二节 细胞内膜系统 一 形态与组成 第二节 细胞内膜系统
14、 二 高尔基体 1 定义 是由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的 细胞器 2 分布 常分布于内质网与细胞膜之间 呈弓形或半球形 3 结构 凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面 cis face 凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面 trans face 顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡 4 基本构造 扁平囊直径约1um 单层膜构成 中间为囊 腔 周缘多呈泡状 4 8个扁平囊在一起 某些藻类可达 一二十个 构成高尔基体的主体 Golgi stack 高尔基体 一 形态与组成 第二节 细胞内膜系统 二 高尔基体 5 成分 高尔基体膜含有大约60 的蛋白和40 的脂类 具有一些和ER共同的蛋白
15、成分 膜脂中磷脂酰胆碱 的含量介于ER和质膜之间 中性脂类主要包括胆固醇 胆固醇酯和甘油三酯 6 高尔基体中的酶 主要有糖基转移酶 磺基 糖基转 移酶 氧化还原酶 磷酸酶 蛋白激酶 甘露糖苷酶 转移酶和磷脂酶等不同的类型 7 标志酶为糖基转移酶 二 高尔基体的功能区隔 第二节 细胞内膜系统 二 高尔基体 1 高尔基体顺面的网络结构 cis Golgi network CGN 是高尔基体的入口区域 2 高尔基体中间膜囊 medial Golgi 多数糖基修 饰 糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生 此处 3 高尔基体反面的网络结构 trans Golgi network TGN 是高尔基体
16、的出口区域 功能是参与蛋白 质的分类与包装 最后输出 二 高尔基体的功能区隔 第二节 细胞内膜系统 二 高尔基体 4 高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应 嗜锇反应 cis面膜囊被锇酸特异地染色 焦磷酸硫胺素酶 TPP酶 可特异显示高尔基体的 trans面的1 2层膜囊 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶 NADP酶 可显示高尔 基体中间几层扁平囊 胞嘧啶单核苷酸酶 CMP酶 可显示靠近trans面上 的一些膜囊状和管状结构 CMP酶也是溶酶体的标志酶 三 高尔基体的功能 第二节 细胞内膜系统 二 高尔基体 1 参与细胞分泌活动 RER上合成蛋白质 进入ER腔 COPII运输泡 进入CGN 在 medial Gdgi中加工 在TGN形成运输泡 运输与质膜融合 排出 高尔基体对蛋白质的分类 依据的是蛋白质上的信号肽或信 号斑 2 蛋白质的糖基化 O 连接的糖基化在高尔基体中进行 糖的供体为核苷糖 三 高尔基体的功能 第二节 细胞内膜系统 二 高尔基体 3 进行膜的转化功能 内质网上合成的新膜脂转移至高尔基体后 经过修饰和加工 形成运输泡与质膜融合 4 将蛋白水解为活性物质 如将蛋白质N端或C端
