第六章 细胞质基质与 细胞内膜系统,细胞质基质 内质网 高尔基复合体 溶酶体、过氧化物酶体 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的装配,细胞质基质,基本概念 细胞质基质的组成与特点 细胞质基质的功能 (细胞内膜系统),细胞质基质——基本概念,细胞质(cytoplasm)：细胞膜内除去核以外的所有物质 细胞质基质(cytoplasmic matrix, cytomatrix)：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 胞质溶胶(cytosol)：用差速离心的方法分离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，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分，生物化学家称之为胞质溶胶 细胞液(cell sap)、透明质(hyaloplasm)、胞质溶胶、细胞质基质· · · · · ·,细胞质基质——组成与特点,主要成分：与中间代谢有关的各种酶类、细胞质骨架结构 ①小分子：水、无机盐溶液，气体(O2、CO2) ②中分子：各种代谢物(糖、脂类、核苷酸、氨基酸) ③大分子：脂蛋白、多糖、 RNA、蛋白质 特点： - 是一个高度有序的体系， 组分间通过弱键相互作用 而处于动态平衡 - 是具有粘滞性、弹性的胶 体系统，可在溶胶与凝胶 间转换 - pH值6.8左右，偏酸(细胞 核pH值偏碱性，7.6～7.8),细胞质基质——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、糖原合成与部分分解、蛋白质合成、脂肪酸合成等 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等 蛋白质的分选与运输 蛋白质的修饰及选择性降解 - 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,细胞内膜系统 (endomembrane system ),细胞内膜系统是指细胞内在结构、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、 分泌泡等 功能：区 隔化；增 加细胞的 内表面积,内 质 网,内质网的形态结构 内质网的功能 内质网与基因表达的调控,内质网的形态结构,内质网(endoplasmic reticulum, ER)是真核细胞重要的细胞器(原核细胞由细胞膜代行其某些类似的职能) ER由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构，占细胞膜系统的一半左右，约占细胞总体积的10％以上,内质网的形态结构,粗面内质网(rER)，多呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。
主要功能是合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白，在分泌细胞(如胰腺腺泡细胞)和分泌抗体的浆细胞中非常发达 光面内质网(sER)，分支管状或小泡状，形成复杂的立体结构，无核糖体附着细胞不含纯粹的sER，它只是ER连续结构的一部分，是脂质合成的重要场所,内质网的形态结构,微粒体(microsome)，是生化学家从细胞质中分离出的近似球形的囊泡结构，实际上是在细胞匀浆和超速离心过程中由破碎的内质网形成的，在体外仍具有内质网的基本功能 易位子(translocon)，内质网上的一种蛋白复合体，直径约8.5 nm，中心有直径为2 nm的“通道”，与新合成的多肽进入内质网有关,内质网的功能——蛋白质的合成,内质网是行使多种重要功能的复杂的结构体系内质网是细胞内蛋白质与脂质合成的基地，几乎全部的脂质和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的,蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质，有些蛋白质在合成开始不久后便转到内质网上合成，这些蛋白质主要有： 向细胞外分泌的蛋白，如抗体、激素、酶等 膜蛋白，并且决定膜蛋白在膜中的排列方式 细胞器中的可溶性驻留蛋白，需要与其他细胞组分严格分开，如溶酶体的各种水解酶 需要进行修饰与加工的蛋白，如糖蛋白,内质网的功能——蛋白质的修饰与加工,进入内质网中的蛋白质发生的化学修饰主要有糖基化、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 糖基一般连接在4种氨基酸上： ① N-连接的糖基化，与天冬 酰胺残基的NH2连接，连接的糖 为N-乙酰葡糖胺 ② O-连接的糖基化，与丝氨酸、 苏氨酸、羟赖氨酸或羟脯氨酸的 OH连接，连接的糖为半乳糖 或N-乙酰半乳糖胺，主要发生 在高尔基体中,内质网的功能——新生多肽的折叠与装配,肽链的合成仅需几十秒至几分钟，在内质网停留的时间往往长达几十分钟 大量蛋白在内质网中合成，非还原性内腔易于二硫键形成 蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase, PDI)，附着在内质网膜腔面上，可以切断二硫键，形成自由能最低的蛋白构象，以帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态 结合蛋白(binding protein, Bip)，可以识别不正确折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与装配 一旦这些蛋白形成正确构象或装配完成，便与Bip分离，进入高尔基体,内质网的功能——脂质的合成,内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂、固醇类在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱合成脂类所 需的酶位于 内质网膜上， 活性部位在 膜的细胞质 基质一侧,内质网的功能——脂质的合成,合成的磷脂由细胞质基质侧转向内质网腔面的过程可能由磷脂转位因子或称转位酶(flippase)协助完成合成的磷脂由内质网向其他膜的 转运主要有2种方式： ①以出芽的方式转运到高尔基体、 溶酶体和细胞膜上 ②凭借一种水溶性的载体蛋白 ——磷脂转换蛋白(phospholipid exchange proteins, PEP)在膜之间 转移磷脂,内质网的功能——其他功能,肝细胞中的光面内质网丰富，含有一些酶具有解毒功能(P450家族酶系) 睾丸间质细胞中的光面内质网参与固醇类激素的合成 肌细胞中特化的光面内质网——肌质网(sarcoplasmic reticulum)通过其上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中的Ca2+泵入肌质网中储存起来 内质网为细胞质基质中很多蛋白包括多种酶类，提供了附着位点 内质网的扁囊和管道还有储存与运输物质的功能，在能量与信息的传递、细胞的支持和运动等方面可能也具有一定的作用,内质网与基因表达的调控,内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔基体转运的复杂过程，需要有一个精确调控的过程 影响内质网-细胞核信号转导的三种因素： ① 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累 ② 折叠好的膜蛋白的超量积累 ③ 内质网膜上膜脂成份的变化——主要是固醇缺乏 不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达,高尔基复合体,高尔基体的形态结构 高尔基体的功能,高尔基体的形态结构,1898年，意大利医生Camill Golgi在猫头鹰的神经细胞内观察到一种网状结构，命名为内网器，后称为高尔基体(Golgi body) 又称高尔基器(Golgi apparatus) ，高尔基复合体(Golgi complex) 高尔基体不仅存在于动植物细胞，也存在于原生动物和真菌细胞,动物细胞,植物细胞,原生动物,真菌细胞,高尔基体形态结构——电镜下结构特征,主体结构：由一些(常常4～8个) 排列较为整齐的扁平膜囊堆叠在一起，扁囊多呈弓形，也有的呈半球形或球形，直径多在1μm左右，扁囊之间约15-30 nm 周围有大量大小不等的囊泡结构,高尔基体形态结构——具有极性,在细胞中有较恒定的位置与方向 物质从一侧进入，从另一侧输出 靠近细胞核的一面，扁囊弯曲呈凸面，称形成面(forming face)或顺面(cis face)，面向细胞膜的一面常呈凹面，称成熟面(mature face)或反面(trans face),高尔基体形态结构,高尔基体形态结构——组成(功能区隔),顺面膜囊(cis Golgi)及顺面网状结构(cis Golgi network, CGN),位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊称为cis膜囊，是中间多孔而呈连续分支状的管网结构 CGN膜厚约6 nm，比其他部位略薄，与内质网膜厚度接近 CGN接受来自内质网新合成的物质，将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂质再返回内质网 CGN区域还具有其他生物活性，如蛋白丝氨酸残基发生O-连接的糖基化、跨膜蛋白的酰基化、日冕病毒的装配,高尔基体形态结构——组成(功能区隔),中间膜囊(medial Golgi),由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系 多数糖基化修饰、糖 脂的形成以及与高尔 基体有关的多糖的合 成都发生于此 扁平膜囊具有很大的 膜表面，从而大大增 加了进行糖的合成与 修饰的有效面积,高尔基体形态结构——组成(功能区隔),反面膜囊(trans Golgi)及反面网状结构(trans Golgi network, TGN),TGN位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入反面的细胞质中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连 在不同的细胞中，TGN的形态结构有很大区别，细胞化学特征也有所差异，TGN中的pH可能比高尔基体其他部位低 TGN的主要功能 - 参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出 - 某些“晚期”的蛋白质修饰，如唾液酸化、蛋白质酪氨酸 残基的硫酸化及蛋白原的水解加工 - 在蛋白质与脂质转运中起“瓣膜”作用，保证单方向转运,高尔基体形态结构——组成(功能区隔),周围囊泡,高尔基体周围常常有大小不等的囊泡 顺面一侧的囊泡可能是内质网与高尔基体之间的运输小泡，称为ERGIC(endoplasmic reticulum-Golgi intermediate compartment)，或称VTCs(Vesicular-tubular clusters) 反面一侧可见到体积较大的分泌泡与分泌颗粒，将经过高尔基体分类与包装的物质运送到细胞特定的部位,高尔基体形态结构——电镜细胞化学,嗜锇反应，高尔基体cis面膜囊被特异染色 焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)细胞化学反应，可特异显示trans面的1～2层膜囊 胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)细胞化学反应，显示靠近trans面的膜囊状和管状结构。
CMP酶也是溶酶体的标志酶 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)细胞化学反应，显示中间扁平囊,高尔基体形态结构——电镜细胞化学,高尔基体的功能——参与细胞分泌活动,主要功能是将内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外,负责对细胞合成的蛋白质进行加工、分类并运出 sER上合成蛋白质→ 进入ER腔→以出芽形式形成囊泡 →进入CGN→在medial Golgi中加工→在TGN形成囊泡 →囊泡运送到质膜→融合、排出 对蛋白质的分类依据蛋白质上的信号肽或信号斑,高尔基体的功能——参与细胞分泌活动,高尔基体的功能——蛋白质糖基化及修饰,糙面内质网上合成的大多数蛋白质在内质网和高尔基体中发生了糖基化；蛋白聚糖也在高尔基体中装配 蛋白质糖基化的意义： ①为各种蛋白质打上不同的标志，利于高尔基体的分类与包装，同时保证糖蛋白从糙面内质网至高尔基体膜囊单方向进行转移；②糖基化可以影响多肽的构象，从而使蛋白质在成熟过程中能够正确折叠；③增强了糖蛋白的稳定性 O-连接的糖基化在内质网、高尔基体中进行，通过逐次将糖基转移到丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸或羟脯氨酸的OH上形成寡糖链，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺 N-连接的糖基化,高尔基体的功能——蛋白质糖基化及修饰,蛋白质糖基化类型,高尔基体的功能——蛋白质水解及其他加工,有些多肽在粗面内质网中切除信号肽后便成为有活性的多肽，但有些需要转运至TGN，经TGN膜结合的蛋白水解酶特异水解后才成为有生物活性的多肽，如肽激素 高尔基体中酶解加工方式： ① 无生物活性的蛋白原(proprotein) →高尔基体→切除N- 端或两端的序列→成熟的多肽，如胰岛素、胰高血糖 素及血清白蛋白等 ② 含有多个相同氨基酸序列的前体→高尔基体→水解→ 同种有活性的多肽，如神经肽等 ③ 含有不同信号序列的蛋白质前体→高尔基体→加工成 不同的产物 ④ 同一种蛋白质前体→不同细胞、以不同的方式加工→ 不同的多肽,。