细胞生物学第七章--细胞质基质与细胞内膜系统

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1、CYTOMATRIX AND ENDOMEMBRANE SYSTEM,第七章 细胞质基质与细胞内膜系统,一、细胞质基质（cytomatrix）,（一）概念 1、经典细胞学:电镜下，除去可见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、细胞生物学:分级离心后，除去所有细胞器和颗粒剩下的清液部分称为胞质溶胶（cytosol）. 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. 细胞质基质的涵义：细胞质基质是一个高度有序的统一整体。,（二）

2、化学组成,细胞质基质是细胞质中均质而半透明的胶体部分，充填于其它有形结构之间。 成分复杂，不易分析，所以，只是反映了大部分细胞生化成分，即是许多细胞器生化反应的底物和产物的运输通道，本身又涉及了多种细胞代谢途径。离心分离中，易发生混杂和丢失，破碎的细胞器及液泡内含物可能混入可溶相，而另外一些本属基质的物质，如可溶性酶又可依附在细胞器碎片上被分离掉。,细胞质基质的大致成分：,小分子：包括水、无机离子等 中等分子：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等 大分子：包括多糖、蛋白质、脂蛋白和RNA等 生物结构：复合物颗粒、细胞骨架等。,（三）细胞质基质功能,1、具有较大的缓冲容量，为细胞内各类生化反应

3、的正常进行提供了相对稳定的离子环境。 2、是进行某些细胞生化活动的场所，如蛋白质的合成、核酸的合成、脂肪酸合成、糖酵解、磷酸戊糖途径、糖原代谢、信号转导。 3、供给细胞器行使其功能所需要的一切底物。,4、细胞骨架参与维持细胞形态，做为细胞器和酶的附着点，并与细胞运动、物质运输和信号转导有关。 5、参与合成蛋白质的加工、运输、选择性降解： 磷酸化与去磷酸化，糖基化，甲基化，酰基化。 依赖泛素标记的蛋白酶体中的蛋白质降解途径。 热休克蛋白HSP帮助变性或畸形蛋白质重新折叠。 6、物质贮存和运输，如:膜系统和细胞骨架系统解聚后的物质均贮存于细胞质基质中，被称为“分子库”，当需重新组装时由此提供元件。

4、,泛素依赖的蛋白酶体,热休克蛋白,二内膜系统与膜运输,真核细胞的膜系统：细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、内体和分泌泡等。 以上细胞器通过蛋白质分选(protein sorting)和膜泡运输实现膜结构和成分的相互转换。,图9-1 内膜系统和膜运输,2.1 内膜系统的动态性质,内膜系统的最大特点是动态性质(图)。 内膜系统将细胞中的生化合成、分泌和内吞作用连接成动态的、相互作用的网络。在内质网合成的蛋白和脂通过分泌活动进入分泌小泡运送到工作部位(包括细胞外);细胞通过内吞途径将细胞外的物质送到溶酶体降解。,图 真核细胞中生化合成、 分泌和内吞作用的动态网络,内膜系统的进化,膜结合细胞器的进化有

5、两种途径，一种是内共生途径（如mt和chl），另一种则是通过细胞质膜的内陷分化途径形成的。 内膜系统形成的意义 内膜系统的形成, 使得真核细胞内部结构复杂化了, 正是这种复杂化, 保证了细胞生命活动的顺利进行。,图 核膜和ER膜进化的可能途径,2.2 内膜系统与蛋白质分选(protein sorting),蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。 细胞中蛋白质的运输有两种方式:共翻译运输和翻译后运输,内膜系统参与共翻译运输,是分泌蛋白质分选的主要系统。,蛋白质分选定位的时空概念, 从时间上考虑,蛋白质的合成分选有两种情况:先合成,再分选；边合成边分选。 从蛋白质定位

6、的空间看,包括了细胞内各个部分,即使是具有蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需要从细胞质中获取所需蛋白质。,图 细胞质中蛋白质合成和空间定位路线,蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式,从蛋白质转运过程的三种类型: 没有膜障碍的,如胞质溶胶； 有完全封闭的膜障碍,如mt等； 有膜障碍,但膜上有孔,如核。 可三种不同方式进行运输定位。 核孔运输： 被运输的蛋白需要有核定位信号。 跨膜运输：被运输的蛋白要有信号肽或导肽。 小泡运输：蛋白质在内质网、高尔基、溶酶体、分泌泡、细胞质膜、细胞外之间的转运则是由一种被称为运输小泡介导的。,图 膜结合细胞器的三种运输机制,信号序列指导蛋白质的正确运输, 信号序列的

7、作用,图 信号序列在蛋白质分选中的作用 (a)具有ER定位信号序列的蛋白质被运输到ER中,而没有引导序列的蛋白质存在于胞质溶胶中。 (b)通过重组DNA技术将引导序列与胞质溶胶的蛋白基因重组,表达的胞质溶胶蛋白被定位到ER, 相反,被剥夺了ER定位信号的蛋白质则只能存在于胞质溶胶中。该实验说明引导序列对所引导的蛋白质没有特异性。, 信号序列特性 通常为15-60个氨基酸长度，一般位于新生肽的N端，不同的膜结合细胞器具有不同的蛋白质定位的信号序列(表)。 信号序列的类型 入核信号: 入核信号指导核蛋白的运输 引导肽: 引导肽指导线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白的运输 信号肽: 指导内膜系统的蛋白

8、质运输。,3 内质网(endoplasmic reticulum, ER),内质网是由K.R.Porter和A.D.Claude等在1945年发现的。 （1）形态结构和化学组成形态： 内质网是由一层单位膜所形成的扁平囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。由于它靠近细胞质的内侧，故称为内质网。 分类: 粗面内质网和光面内质网。 结构： 由于内质网是一种封闭的囊状、泡状和管状结构，它就有两个面，内质网的外表面称为胞质溶胶面, 内表面称为潴泡面。,图 细胞中内质网与 细胞核、高尔基体的立体结构, 粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER) 多呈大的扁平膜

9、囊状, 在电镜下观察排列极为整齐。它是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构, 普遍存在于分泌蛋白质的细胞中, 其主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。 光面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER) 无核糖体附着的内质网称为光面内质网, 通常为小的膜管和小的膜囊状, 而非扁平膜囊状,广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。 光面内质网是脂类合成的重要场所,它往往作为出芽的位点, 将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。,ER,RER,SER, 微粒体(microsome) ：在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由

10、破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构,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。 肌质网(sarcoplasmic reticulum) （课本181页）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。,（2） 、光面内质网的功能, 糖原分解释放游离的葡萄糖 肝细胞的一个重要功能是维持血液中葡萄糖水平的恒定, 这一功能与葡萄糖-6-磷酸酶的作用密切相关。光面内质网中的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液(图)，供细胞之用。,图 光面内质网在糖原裂解中的作用 在肝细胞中,糖原裂解释放葡萄糖-

11、1-磷酸,然后再转变成葡萄糖-6-磷酸,由于磷酸化的葡萄糖不能通过细胞质膜,光面内质网上的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解为葡萄糖和磷酸后,葡萄糖就可穿过细胞质膜进入血液。, 类固醇激素的合成,分泌类固醇激素的细胞如肾上腺细胞、睾丸间质细胞和黄体细胞都有丰富的光面内质网，并在光面内质网上含有合成胆固醇和将胆固醇转化为激素的全套酶系；所以光面内质网能够合成胆固醇，然后将胆固醇氧化、还原、水解进一步转变成各种类固醇激素。 类固醇激素的合成涉及多个途径中的酶，包括存在于胞质溶胶和光面内质网中的酶类。但是合成的起始物质是胆固醇前体物质甲羟戊酸(mevalonate),它的合成是由光面内质网中的

12、HMG-CoA还原酶催化的。,脂的合成与转运（P179）,细胞膜的磷脂是在光面内质网上合成的：,图 在光面内质网膜中合成磷脂酰胆碱 首先，内质网膜中脂肪酸与胞质溶胶中的磷酸甘油结合,然后脱磷,并在内质网膜中胆碱磷脂转移酶的作用下,将胞质溶胶中的CDP-胆碱与内质网膜中的甘油脂肪酸结合形成磷脂酰胆碱。新合成的磷脂酰胆碱朝向胞质溶胶一侧,但可在内质网膜中磷脂转位酶的作用下翻转到内质网的腔面。,磷脂转位蛋白与翻转酶(flippase),磷脂的合成都是在内质网的胞质溶胶面，但在内质网上合成的磷脂几分钟之后就由胞质溶胶面转向膜的另一面，即内质网腔面, 磷脂的转位是由内质网膜中磷脂转位蛋白(phospho

13、lipid translocator)或称翻转酶帮助的。 翻转酶催化的磷脂移动也是有选择性的,如能够翻转磷脂酰胆碱的翻转酶则不能催化其他的磷脂翻转, 这样保证了膜中磷脂分布的不对称。,磷脂交换蛋白(phospholipid exchang proteins, PEP)与磷脂转运,磷脂转运有两种方式。 一种是凭借磷脂交换蛋白的作用; 另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上。,图9-14 膜磷脂转移的两种方式 (a)通过小泡运输将内质网上合成的脂转运到靶膜上包括细胞核膜; (b)通过磷脂转运蛋白将内质网上合成的脂转运到mt、chl和过氧化物酶体等的膜中。,解毒作用(detoxifi

14、cation), 肝细胞解毒 光面内质网能够对外来的有毒物质,如农药、毒素和污染物进行解毒。多数解毒反应与氧化作用有关,有些也涉及还原和水解,或者三者结合,使有毒物质由脂溶性转变成水溶性而被排出体外,此过程称为肝细胞的解毒作用, 主要在肝细胞的光面内质网中进行。 细胞色素P-450 (cytochrome P-450)的羟基化作用,图 混合功能氧化酶将底物羟基化的机制 (1)被羟基化的底物与细胞色素P-450结合;(2)细胞色素P-450中的铁原子被NADPH所还原; (3)氧与细胞色素P-450结合;(4)底物被一个氧原子所氧化,另一个氧用于形成水。,Ca2+离子的调节作用,肌质网是细胞内特

15、化的光面内质网, 是贮存Ca2+的细胞器。肌质网膜上重要的膜蛋白是Ca2+-ATP酶, 光面内质网可构成心肌和骨胳肌肌原纤维周围的肌质网。 当肌细胞膜的兴奋信号传递到肌质网时则引起肌质网释放Ca2+, 从而导致肌细胞的收缩活动。当肌肉松弛时, 钙离子又重新泵回肌质网。 肌质网实际上是钙库, 其内有钙结合蛋白, 每个钙结合蛋白可以结合约30个的Ca2+。,（3） 粗面内质网的功能蛋白质转运 （信号肽假说）,蛋白质转入内质网合成的过程：,信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与受体结合SRP脱离信号肽肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔信号肽切除肽链延伸至终止。 这种肽链边合成

16、边向内质网腔转移的方式，称为co-translation，即共转运运输。, 信号序列的一般特征 长度一般为1535个氨基酸残基, N-末端含有1个或多个带正电荷的氨基酸,其后是612个连续的疏水残基; 在蛋白质合成中将核糖体引导到内质网,进入内质网后通常被切除。,图 ER跨膜可切除信号的一般结构,信号序列的发现与作用： (a) 在不含RER小泡的无细胞体系中翻译分泌蛋白,其N-端有信号序列,故比从细胞中分泌出来的相同蛋白质肽链长; (b)在加有RER小泡的无细胞体系中翻译分泌蛋白,信号序列在RER小泡中被切除,得到的产物与从细胞中合成分泌的相同。, 信号识别颗粒(SRP) 沉降系数为11S，含有分子量为72kd、68kDa、54kDa、19kDa、14kDa及9kDa的6条多肽和一个7S(长约300个核苷酸)的scRNA(图)。 SRP的作用是识别信号序列,并使蛋白质合成暂时中止，并将核糖体引导到内质网上。 停靠蛋白 (DP) 即SRP在内质网膜上的受体蛋白,它能够与