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1、第7章细胞质基质与内膜系统 本章主要内容 细胞质基质及其功能细胞内膜系统及其功能内质网高尔基体溶酶体过氧化物酶体 真核细胞内区室化 肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比 引自Albert 1998 第一节细胞质基质及其功能 1 经典细胞学 电镜下 在真核细胞的细胞质中 除去可分辨的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为细胞质基质 2 生物化学 用差速离心的方法分级离心细胞匀浆物中的各种细胞组分 先后除去细胞核 线粒体 溶酶体 高尔基体和细胞膜等细胞器或细胞结构后 存留在上清液中的部分称为胞质溶胶 3 学术争议 有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴 是细胞器 也有人认为细胞骨架
2、是细胞质基质的主要结构体系 是其他成分锚定的骨架 同时它们经常处于装配和解聚的动态平衡中 其解聚的亚单位仍保持在液相中 一 细胞质基质的含义 细胞质基质很可能是一种高度有序的体系关键在于细胞质骨架纤维贯穿其中 起重要的组织作用主要特点 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主要成分 中间代谢有关的数千种酶类 细胞质骨架结构 大分子类 蛋白质 脂蛋白 RNA 多糖等 细胞质基质是细胞真正的内环境 其组成成分复杂 主要含有与中间代谢有关的数千种酶类 依分子大小大致划分为下列几种 小分子和各种离子 如水K Cl Na Mg Ca 等 中分子类 脂类 糖类 氨基酸 核
3、苷酸类等 故认为它呈复杂的胶体性质 可随环境条件的改变由溶胶变为凝胶状态或者相反 这成为某些细胞运动方式的动力 大分子拥挤 Macromolecularcrowding Thecrowdedstateofthecytoplasmin a eukaryoticand b E colicells 二 细胞质基质的功能 完成各种中间代谢过程如糖酵解过程 磷酸戊糖途径 糖醛酸途径等为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态 细胞运动 胞内物质运输及能量传递 细胞质基质结构体系的组织者与细胞膜相关的功能细胞质基质产生区室化 依靠细胞膜或细胞器膜上的泵蛋白和离子通道维持细胞内外
4、跨膜的离子梯度蛋白质的修饰 蛋白质选择性的降解 1 蛋白质的修饰 辅酶或辅基与酶的共价结合磷酸化与去磷酸化蛋白质糖基化作用甲基化修饰酰基化 2 控制蛋白质的寿命 N端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号 泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径 ubiquitin andproteasome mediatedpathway 3 降解变性和错误折叠的蛋白质 细胞质基质中的变性蛋白质 错误折叠的蛋白质 含有被氧化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白质 不管其N端氨基酸残基是否稳定 常常很快被降解清除 2004年诺贝尔化学奖 发现泛素调节的蛋白质降解 CentralDogmaofBiology DNA RN
5、A PROTEIN translation replication transcription folding assembly targeting degradation aminoacids peptides regulationofconformation function FUNCTIONALPROTEIN Proteasomesystems Ubiquitin dependentProteasomeSystem UPS Ubiquitin independentProteasomeSystem Ubiquitin ProteasomeSystem UPS Ub Ub Proteaso
6、me Ub Ub Ub Ub Protein Ub Ub Proteindegradation Ub E1 E3 E2 E3 E3 E1 ubiquitin activatingenzyme E2 ubiquitin conjugatingenzyme E3 ubiquitinligase Ubiquitination Degradation Lys DUBs DUBs Deubiquitinatingenzymes Ub Ubiquitin P116 TypesofUbiquitination Ub K Ub K Ub K Ub K Ub K Ub Ub Ub Ub Monoubiquiti
7、nation Multi monoubiquitination Polyubiquitination N terminalubiquitination aminogroupoftheN terminalresidue aminogroupoflysineresidue SumoylationandDesumoylation SUMO peptide Uba2 Aos1 E1 SUMO SUMO SUMO Ulp1 Protein SUMO E2 Ubc9 Ubc9 1 Maturation E3 ATP AMP PPi Ulp1 Uba2 Aos1 2 Activation 3 Conjuga
8、tion 4 Ligation 4 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠 热休克蛋白 heatshockprotein HSP 一类进化上高度保守的蛋白质家族 作为分子伴侣 molecularchaperone 发挥多种作用 协助细胞内蛋白质合成 分选 折叠与装配等 热休克蛋白 heatshockprotein Hsp DNA序列分析表明热休克蛋白有3个主要家族即25kD 70kD和90kD的蛋白 每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白 有的基因在正常条件下表达 而有些则在温度增高或其它异常情况下大量表达 以保护细胞 减少异常环境的损伤 已有证据表明在正常的细胞中 90kD和70kD 特别是70
9、kD的热休克蛋白选择性的与畸形的蛋白质及其形成的聚合物结合 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具有正确构象的蛋白质 第二节细胞内膜系统及其功能 真核细胞膜结合区室的主要功能 内膜系统可能的进化过程 内膜系统 内质网 endoplasmicreticulum 高尔基复合体 Golgicomplex 溶酶体 lysosomes 过氧化氢体 peroxisomes 核膜 小泡 intracellularcompartments endosomes Nuclear ER Golgi ER lysosome 细胞内的房室化 TheEndomembraneSystemisComple
10、x 25 细胞的内膜系统 endomembranesystem 是指细胞内在结构 功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构 主要包括 内质网 高尔基体 溶酶体 胞内体和分泌泡等 内膜系统使真核细胞内区域化 compartmentalization 意义 内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特点之一 其意义在于 大大增加了细胞内膜的表面积 为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点 酶系统的隔离与连接 蛋白质 糖 脂肪的合成 加工和包装 运输分泌物 扩散屏障及膜电位建立 离子梯度的维持等 质膜内膜 生物膜 原核细胞 质膜构成的单一区室真核细胞 内膜 各种细胞器 内膜系统出现的意
11、义 各自独立 各司其职相互依存 协调同一大大提高了细胞代谢反应的效率 1945年 K R Poter 电子显微镜 小鼠成纤维细胞 28 一 内质网ER endoplasmicreticulum 一 内质网的形态结构 二 内质网的化学组成 三 内质网的类型 四 内质网的主要功能 五 内质网的病理性变化 内质网ER endoplasmicreticulum 核膜外层 一 内质网的形态结构 内质网 ER是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管 小泡 扁囊状结构 相互连接形成一个连续的网状膜系统 小管 小泡 扁囊状 细胞膜 核膜 内质网 细胞膜 内质网的内腔相互连通 30 二 内质网的化学组成 1 脂类
12、 30 40 以磷脂中的磷脂酰胆碱为主 比细胞膜丰富 鞘磷脂少2 蛋白质 60 70 30多种不同的酶或者酶系标志酶 葡萄糖 6 磷酸酶 三 内质网的类型 TypesofER 核糖体 粗面内质网 滑面内质网 TherearetwobasickindsofER Rough granularendoplasmicreticulum RER 粗面 颗粒内质网 hasribosomesattached Smooth agranularendoplasmicreticulum SER 滑 光面 无颗粒内质网 noribosomes 32 粗面内质网 RER 滑面内质网 SER roughendoplas
13、micreticulum RER rER 膜表面附着核糖体 膜上有核糖体连接蛋白 形态多为板层状排列的扁囊 网腔内含低电子或中等电子密度的物质 多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内 Russell sbody ThesmoothER SER sER 膜表面无核糖体附着 形态多为分枝小管或小泡 多分布在一些特化的细胞中 35 糙面内质网与光面内质网结构 胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网 内质网膜及外核膜上附有核糖体黄体细胞有丰富的光面内质网Cos 7细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布 绿色显示两种形式的内质网 叠加色 黄 显示糙面内质网区 另外还有两个概念 微粒体和肌质网 可将它们看成是特
14、殊类型的内质网 微粒体 microsome 在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内膜系统 主要是内质网和高尔基体 自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构 多数情况下 由破碎的内质网自我融合形成的微粒体 包含内质网膜和核糖体两种基本成分 这些小囊泡的直径大约100nm左右 是异质性的集合体 在体外实验中 具有蛋白质合成 蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能 特殊类型的内质网 p117 肌质网 sarcoplasmicreticulum 心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网 其功能是参与肌肉收缩活动 肌质网膜上的Ca2 ATP酶将细胞基质中的Ca2 泵入肌质网中储存起来 使肌质网Ca2 的浓
15、度比胞质溶胶高出几千倍 受到神经冲动刺激后 Ca2 释放出来 参与肌肉收缩的调节 p122 四 内质网的功能 向细胞外分泌的蛋白质膜的整合蛋白细胞器中的可溶性驻留蛋白 1 蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能 合成磷脂所需要的3种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞质基质侧 2 光面内质网是脂质合成的重要场所 酰基转移酶 磷脂酸 rER胞质侧 磷酸酶 二酰基甘油 DG 胆碱磷酸转移酶 卵磷脂 rER腔面 先由酰基转移酶将胞质中的脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷脂酸 留在脂双层中 在磷酸酶作用下 由磷脂酸和磷酸甘油组成DG 最后 再在胆碱磷酸转移酶催化下由DG和CDP 胆碱合成卵磷脂 翻转酶 flipase
16、41 磷脂转位蛋白或称转位酶 flippase 膜脂的不对称性 P119 A 通过膜泡转运脂质B 通过PEP介导的脂质转运C 膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触 内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式 3 蛋白质的修饰与加工 发生在内质网和高尔基体的蛋白质糖基化在内质网发生二硫键的形成蛋白质折叠和多亚基蛋白的装配在内质网 高尔基体和分泌泡发生特异性的蛋白质水解切割 蛋白质糖基化 N 连接糖基化与O 连接糖基化的比较N 连接糖基化与之直接结合的糖是N 乙酰葡糖胺O 连接糖基化与之直接结合的糖是N 乙酰半乳糖胺 N 连接与O 连接的寡糖比较 在内质网发生的蛋白质N 连接糖基化的加工 转移至高尔基体后还会经过一系列复杂的修饰 糙面内质网中蛋白质N 连接糖基化过程 p121 内质网腔二硫键形成 4 新生多肽的折叠与组装 蛋白二硫键异构酶和Bip等蛋白质都具有4肽驻留信号 KDEL或HDEL 以保证它们滞留在内质网中 并维持很高的浓度 内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所 折叠错误的多肽被送到细胞质中 被泛素 ubiquitin 结合 然后送到蛋白酶体 proteosome 中降解 内质网
