细胞分子生物学_7_1

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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,与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨

2、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(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

3、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 (丙氨酸), Val(缬氨酸), Cy

4、s(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克蛋白(Hsp)来完成.

5、 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骨架纤维上.4.对一种蛋白来说是否属于细胞质基

6、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构. 2.分类:分为粗面型内质网（rough endopl

7、asmic 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.ER膜蛋白的分布:约有30多

8、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。 ERRER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开始不久后 便转在内质网上合成

9、，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

10、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:P

11、EP + 磷脂分子 水溶性复合物 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

12、，分为2种： O-连接的糖基化（O-linked 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 RERIV、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，

13、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 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

14、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 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

15、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

16、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12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