第7章 细胞质基质和内膜系统

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1、第七章 细胞基质与细胞内膜系统第一部分 细胞质基质一、细胞质基质的基本涵义在细胞质中，除去可辨认细胞器以外的胶状物质 。A.与中间代谢有关的数千种酶类例如：糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径；糖原的合成、蛋白质与脂肪合成的重要场所 B.细胞周期、增殖、分化、衰老、凋亡的调控因子。 主要成分： 蛋白质占总量的2030%，以水化物的形式存在： C.骨架系统（微丝 、微管、中间纤维）:是细胞质机 制的组织者 D.mRNA细胞质基质的组织结构1.细胞质基质是一个高度有序的凝胶结构体系，形成 精细的区域。细胞骨架纤维形成复杂的三维纤维网络。多数蛋白直 接或间接地与骨架结合或与生物膜结合2.在细胞质基质结构

2、体系中，蛋白质与蛋白质、蛋白 质与其他大分子之间都是通过弱键相互作用的。3.各组分之间的作用常常处于动态平衡之中。细胞质基质所依赖的特殊环境高蛋白浓度； 特定的离子环境1.各种复杂的代谢反应是如何有条不紊地进行？ 各个环节之间是如何相互关联、相互制约？2.数以千种的生物大分子和代谢产物又是如何定 向装运的？3.调节细胞增殖、分化、衰老、凋亡等重大生命 活动的信号转导及其网络的确切途径是什么？在基质中的课题1.中间代谢的场所（蛋白质合成和脂肪酸合成）2.维持细胞形态、运动，细胞内物质的运输机能量 传递及细胞器定位3.蛋白的分选及定向运输4.由于细胞骨架的组织，使细胞中的成分，在结构 功能上形成更

3、为精细的区域。实现了细胞质中各 功能的区域化。5.维持细胞的内环境二、细胞质基质的功能各膜质细胞器 细胞核 细胞质基质细胞内房室化6.蛋白质的修饰1.辅基或辅酶与酶的共价结合2.磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性。3.糖基化。多数为O-连接的糖基化。在哺乳动物细胞中把N-乙酰葡萄糖胺分子加到蛋白质的 丝氨酸的羟基上 。4.蛋白质N端的甲基化修饰，使蛋白质维持较长的寿命。例如：组蛋白 中间纤维5.酰基化。 蛋白质与脂肪酸形成脂蛋白。跨膜蛋白在内质网、高尔基体的转运过程中，暴露在细 胞质基质中的结构域被酰基化。7.降解变性与错误折叠的蛋白和短寿命蛋白质 真核细胞中，蛋白质降解途径有两条

4、：一是不依赖于ATP的溶 酶体途径；二是依赖ATP的泛素途径降解短寿命蛋白。 泛素：是一个由76个氨基酸残基构成的小分子蛋白质。 功能： .帮助清理细胞中短寿命蛋白和错误折叠的蛋白质； .参与细胞周期调控； .DNA修复； .细胞的程序性死亡。 降解机制：共价地结合于底物蛋白的赖氨酸残基。被泛素标记的 蛋白将被特异性的识别，并迅速被降解泛素在一系列酶的作用 下与靶蛋白结合，使靶蛋白被泛素标记，从而被蛋白酶体水解 。错误折叠的内质网蛋白的降解和输出8.帮助变形或错误折叠的蛋白重新折叠，形成正 确的分子构象 利用热休克蛋白（heat shock protein ）Hsp,在消 耗ATP的情况下把变

5、性蛋白重新折叠成正确的构象 。 热休克蛋白有三个家族：25kD、75kD、90kD错变形或错误折叠的蛋白正确的分子构象 HspATPADP三、细胞质基质与胞质溶胶 细胞质基质是由微管、微丝和中间纤维等形成的相互联系的结构 体系。其中蛋白质和其他大分子以凝聚状态或暂时以 凝聚状态存在与周围的溶液分子处于动态平衡。是一种由精细区域化的凝胶结构体系，细胞在不同的 发育阶段和不同的生理状态下，可能有所不同 。作为一个蛋白质是否属于细胞质基质中的结构成分， 主要取决于其在生命活动中是结合在细胞骨架上，还 是溶解在周围的溶液中。 胞质溶胶早期的实验细胞学家和生化学家用差速离心的方法分 离细胞匀浆的各组分，

6、获得的上清液称之为胞质溶胶 。乳胶小球实验：将乳胶小球用微注射的方法注入非洲 爪蟾的卵母细胞中，经一段时间后，取出乳胶小球， 分析渗入小球中的蛋白质。结合在细胞质基质中的蛋 白质不容易渗入乳胶小球。胞质溶胶与细胞质基质的关系包涵关系内膜系统：指位于细胞质内，在结构、功能乃至发生上相关的膜围绕的细胞器或细胞结构的总称。它包括核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体及液泡和其他各种小泡。内膜系统是真核细胞特有的结构。第二部分 内膜系统细胞内组分的合成、分泌和内吞途径内膜系统 一、内质网 二、高尔基复合体 三、溶酶体 四、过氧化物酶体由KR. Porter、A. Claude 和 EF. Ful

7、lam等人于1945年 发现，他们在观察培养的小鼠成纤维细胞时，发现细胞 质内部具有网状结构，建议叫做内质网endoplasmic reticulum，ER，后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“ 内质”部，通常还有质膜和核膜相连，并且与高尔基体 关系密切，并且常伴有许多线粒体。 内质网(一) 内质网的形态结构与类型 内质网：膜厚56nm；由一层单位膜围成的管状、泡状、扁囊状连接成网状； 内质网形态结构、分布状态、数量与细胞类型、生理状态及分化程度极为相关； 内质网占膜系统的一半，占细胞总体积的10%以上。内质网小管小泡扁囊状细胞膜核膜(一)粗面内质网（RER):膜表面附着核糖体；形态多为板层状排

8、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。(二)滑面内质网(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。核糖体粗面内质网滑面内质网内质网的类型(二) 内质网的化学组成 内质网膜含有的蛋白质比细胞膜的多(种类达30多种)如粗面内质网膜上有SRP(信号识别颗粒)受体蛋白；脂类较细胞膜的少，鞘磷脂少，卵磷脂多。 葡萄糖-6-磷酸酶(G-6-P酶)被视为内质网膜的标志酶1.与细胞膜相连：甚至有管道相通2.与外层核膜相接：内质网腔与核周隙相通3.与高尔基体在结构、功能与发生上关系密切4.rER与线粒体紧密相依： 过去：供能

9、 最近：与脂质的相互交换及Ca2+释放的调节关系密切5.ER的分布与微管走向一致(核膜内质网高尔基体质膜)(三) 内质网与细胞内其它细胞器的关系微粒体：细胞匀浆和超速离心，特别是密度梯度离心 过程中，由破碎的内质网等形成的近似球形的封闭小 泡结构，它包括内质网膜与核糖体两种基本成分。 很好的研究材料微粒体仍具有内 质网的基本特征 ；粗面微粒体仍 保留RER所具 备的功能100nm一)粗面内质网(RER)的功能:二)滑面内质网(SER)的功能:(四)内质网的功能1. 蛋白质合成 核糖体 2. 蛋白质折叠 3. 蛋白质修饰 4. 蛋白质运输1.脂类的合成 2.糖原的分解 3.解毒作用 4.肌肉收缩

10、(肌质网)：储存Ca2+肌细胞中的sER 5.盐酸的分泌、渗透压调节蛋白质合成始于细胞质基质，但部分很快转至内质网膜上 。 以共转移(边合成边转移)的方式， 在粗面型内质网上 合成的蛋白：1.向胞外分泌的蛋白质。2.膜的整合蛋白。其方向性在内质网膜上合成时就确定。3.构成细胞器中的可溶性驻留蛋白。1.蛋白质的合成附着核糖体：主要合成分泌性蛋白质游离核糖体：主要合成结构性蛋白质 功能状态都为多聚核糖体，非功能状态为大、小亚基分开核糖体的存在形式注：当Mg2+的浓度为10mmol/L时,大小亚基聚合;Mg2+的浓度降至 0.1mmol/L时,大小可解离核糖体小亚基 mRNA穿通隧道 大亚基 中央通

11、道正在合成的多肽链35核糖体是合成蛋白质的细胞器 主要成分蛋白质和rRNA 功 能：按照mRNA的指令合成多肽链mRNA核糖体 A部位：氨基酸部位或受位，接受氨酰基tRNA P部位：肽基部位或放位，肽基tRNA移交肽链后，tRNA被释放的部位 T因子：肽基转移酶催化P位上的氨酰基结合到A位的氨酰tRNA上附着的多聚核糖体，主要 合成分泌蛋白游离的多聚 核糖体，主 要合成结构 性蛋白RERmRNA信号假说 信号密码：位于起始密码(AUG)之后，有一组编码特殊氨基酸序列的密码子。 信号肽：蛋白质合成时，首先在游离核糖体上由信号密码翻译出一段肽链，这一小段额外的肽链为疏水的氨基酸序列，约有1530个

12、氨基酸组成。信号肽是个信号，是附着核糖体的标记。 信号识别颗粒(signal recognition particle，SRP)，它是由6条不同的肽链结合在1分子的7SrRNA上组成的llS核糖体蛋白，它能特异识别结合信号肽。SRP占据了核糖体的A位，阻挡了携带氨基酸的tRNA进入核糖体，使蛋白质的合成暂时中止。 SRP受体(SRP receptor)，它是结合在内质网膜上的镶嵌蛋白，分子量约72000，它可以识别结合SRP。 信号肽酶：水解信号肽的酶。内质网腔细胞质SRP受体信号识别颗粒 (SRP) 核糖体结合蛋白tRNAAP核糖体mRNA信号肽A信号假说1.游离核糖体上信号肽合成；2.胞质

13、中SRP识别信号肽，形成SRP-核糖体复合体， 从而使多肽链合成暂停。3.核糖体与粗面内质网结合，形成SRP-SRP受体-核糖 体复合体；4.SRP脱离并参加再循环，核糖体上的多肽链合成继 续进行。5.信号肽被ER膜上的信号肽酶切掉，合成后的多肽链 落入内质网腔中；6.附着核糖体脱离内质网膜，大小亚基分开，回到胞 质基质中参加再循环，内质网膜上的受体小管消失 。 附着核糖体与蛋白质的合成过程蛋白质折叠分子伴侣：蛋白质折叠需要内质网腔内的某 些可溶性驻留蛋白参与，这类蛋白能特异性地识 别新生肽链或部分折叠的多肽并与之结合，帮助 这些多肽进行折叠、装配和转运，而其本身并不 参与最终产物的形成。1.

14、蛋白二硫键异构酶 切断二硫键，帮助其重新形成二硫键，并处于正确的状态2.结合蛋白(Bip) 能识别不正确的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进其重新 折叠与组装3.肽信号 滞留在内质网中的蛋白质的信号(-Lys-Asp-Glu-Leu-COO)折叠错误、畸形肽链、未装配等胞质通过Sec61p复合体被蛋白酶体降解内质网的结构和功能蛋白羧基端的一个四肽序列: Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL信号序列。这段序列在高尔基 体的膜受有相应的受体, 一旦进入高尔基体就会被高尔基体上的受体结合, 形成回流小泡被运回内质网, 所以将该序列 称为内质网滞留信号。如Bip就带有KDEL信号, 它

15、是内质网中的分子伴侣,如果从Bip上除去这种信号, Bip蛋白就会 分泌出来; 如果将KDEL信号加到别的分泌蛋白上, 这种蛋白也就变成了滞留在内质网中的蛋白质。RER的蛋白质修饰功能l蛋白质的糖基化：是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白。l包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等。l蛋白质糖基化的概念、作用、方式。u细胞质基质中只发现少数几种简单的糖基化糖糖基转移酶寡糖链与磷酸多萜醇相接糖蛋白寡糖转移酶与新生肽上的天冬酰胺相连蛋白糖基化的基本过程蛋白质边合成边糖基化糖供体为核苷糖：UDP -葡萄糖、CMP-唾液酸、GDP-甘露糖蛋白质糖基化的作用u使蛋白质能够抵抗消化酶的作用u赋予蛋白质

16、传导信号的功能u某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠u在细胞表面形成糖萼蛋白质糖基化作用方式N-连接的糖基化：发生在内质网腔内，糖蛋白中最普遍的一种。O-连接的糖基化：主要或全部在高尔基复合体中进行。在粗面内质网中，糖链被连接在多肽链中天冬酰胺残基(Asn)的氨基基团上，故称之为N-连接糖基化。在内质网腔中N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖的多个分子按顺序先后被连接到内质网膜中叫多萜醇的脂质分子上，成为寡聚糖，并使寡聚糖活化。已活化的寡聚糖即由糖基转移酶催化N-连接的糖基化N-连接寡糖前体的生物合成N-连接的糖基化O-连接的寡糖的糖基化 O-连接的寡糖是指与蛋白质的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基侧链上的羟基基团连接的寡糖。 O-连接的寡糖的糖链中又增加了半乳糖、岩藻糖和唾液酸等糖残基。特征N-连接O-连接合成部位糙面内质网糙面内质网或高尔基体合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去与之结合的氨基酸 残基天冬酰胺丝氨酸、