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1、第七章 真核细胞内膜细胞、蛋白质分选与膜泡运输 一、细胞质基质的涵义与功能 (一)细胞质基质的涵义 细胞质基质(cytoplasmic matrix or cytomatrix)是指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。基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半。 在细胞质基质中，主要含有与中间代谢有关的数千种酶类及与维持细胞形态的细胞质骨架结构。细胞质基质是蛋白质和脂肪合成的重要场所。所合成的蛋白质，半数以上将分门别类地转移到细胞核和细胞器中。 (二)细胞质基质的功能 (1)生物合成与代谢。 细胞质基质是许多生化合成和代谢的重要场所，如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛
2、酸途径、糖原合成与分解、蛋白质与脂肪合成、细胞信号转导、多种信号通路、蛋白质运输等等，都发生在细胞质基质中。 (2)参与细胞质骨架。 细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，不仅与维持细胞形态、细胞运动、细胞内物质运输及能量传递有关，而且也是细胞质基质结构体系的组织者，为细胞质基质中的其他成分和细胞器提供锚定位点。细胞质基质对生物大分子的定位，不是靠生物膜来维持，而是通过与骨架蛋白分子间的选择性结合，使生物大分子锚定在细胞骨架三维空间的特定区域。 (3)蛋白质的修饰。 大多数蛋白质的修饰是由专一的酶作用于蛋白质侧链特定位点上，这对于细胞的生命活动十分重要。在细胞质基质中发生蛋白质修饰的类型主要
3、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。糖基化主要发生在内质网和高尔基体中，在细胞质基质中发现的糖基化是指在动物细胞中把N-一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。 (4)蛋白质选择性的降解。 在蛋白质分子的氨基酸序列中，除了决定蛋白质在细胞内定位的信号和与修饰作用有关的信号外，还有决定蛋白质寿命的信号。这种信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基。如第一个氨基酸是Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro等，则蛋白质是稳定的；若是其他的12种氨基酸之一，则是不稳定的。在真核细胞
4、的细胞质基质中，有识别蛋白质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。 泛素是一个由76个氨基酸残基的小分子蛋白，具有多种生物学功能。在蛋白质降解过程中，多个泛素分子共价结合到含有不稳定的氨基酸残基的蛋白质的N端，然后由一种26S的蛋白酶复合体(或称蛋白酶体(proteosome)将蛋白质完全水解。这种依赖于泛素的蛋白酶体，还参与细胞周期调控过程。 (5)降解变性和错误折叠的蛋白质。 在细胞质基质中的变性蛋白、错误折叠的蛋白、含氧化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白，不管其N端氨基酸是否稳定，也常被很快清除。这种降解作用可能是这些畸形蛋白质暴露了N端不稳定的氨基酸残基，
5、并被识别，同样被依赖于泛素的蛋白降解途径彻底水解。 (6)帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象。 这一功能主要依靠热休克蛋白(heat shock protein，Hsp或称stress-response protein)完成。研究表明，在正常细胞中，热休克蛋白选择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。 二、细胞内膜系统及其功能 (一)内质网的形态结构与功能 内质网(endoplasmic reticulum，ER)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互相沟通的网状结构。 内质网通常占细胞
6、膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的10以上。内质网是细胞内除核酸以外的一系列重要的生物大分子如蛋白质、脂质和糖类合成的基地。其合成的上述物质的种类与细胞质基质中合成的物质有明显的不同。原核细胞内没有内质网，由细胞膜代行其某些类似的功能。 1内质网的两种基本类型 根据结构与功能，内质网可分为两种：糙面内质网(rough endoplasmic reticulum，sER)；光面内质网(smooth endoplasmic reticulum，sER)。 糙面内质网和光面内质网的比较，如表7-1所示。 易位子(translocon)是内质网上的蛋白复合体，直径为85nm，中心有一个直径为2nm
7、的“通道”。易位子的功能与新合成的多肽进入内质网有关。内质网对外界因素的作用(如射线、化学毒物、病毒等)非常敏感，糙面内质网发生的最普遍的病理变化是内质网腔扩大并形成空泡，继而核糖体从内质网上脱落，蛋白质合成受阻。 2内质网的功能 (1)蛋白质的合成。 细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中，有些蛋白质刚起始合成不久便转移到内质网膜上，继续进行蛋白质合成。合成的蛋白质主要包括： 向细胞外分泌的蛋白质。如胰腺细胞分泌的酶、浆细胞分泌的抗体、小肠杯状细胞分泌的粘蛋白，内分泌腺分泌的多肽类激素及细胞外基质成分等； 膜的整合蛋白。细胞膜、内质网、高尔基体、及溶酶体膜上的膜蛋白等；
8、 构成细胞器中的可溶性驻留蛋白。如内质网、高尔基体和胞内体(endosome)固有的蛋白及其他重要生物活性的蛋白。 (2)脂质合成。 内质网合成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，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱(卵磷脂)。合成磷脂所需要的三种酶都定位于内质膜上，其活性部位在膜的细胞质基质的一侧。合成的磷脂很快由细胞质基质侧转向内质网腔面，然后再向其他膜转运。转运的方式有两种：以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂转换蛋白(phospholipid exchange proteins，PEP)在膜之间转移磷脂。 (3)蛋白质的修饰与加工。
9、 进入内质网中的蛋白质发生的主要化学修饰作用有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。 3新生多肽的折叠与装配 已转移到ER腔内的多肽链在ER腔里进行折叠和组装。在ER腔内有许多蛋白质是去其目的地的途中，暂时经过的；同时ER腔内也有高浓度的驻留蛋白，因为它含有ER保留信号，即在蛋白质的C端有4个氨基酸(-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-)负责保留蛋白在ER腔中。如果这种ER保留信号用遗传工程方法去除了，则这些蛋白就被分泌出去；如果这信号被转移到分泌蛋白，这种蛋白便保留在ER腔中，ER驻留蛋白中。 有一些蛋白的功能是作为催化剂，协助转移ER腔的许多蛋白，进行正确地折叠和组装。例如，一种E
10、R驻留蛋白是分子伴侣蛋白，通称为结合蛋白(binding protein，Bip)。在细胞中这类蛋白能识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽，并与多肽的一定部位相结合，帮助这些多肽的转移、折叠或组装，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。 另一种ER驻留蛋白是蛋白二硫异构酶(Protein disulfide isomerase，PDI)。它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状态。 蛋白二硫键异构酶和Bip等蛋白都具有4肽信号以保证它们滞留在内质网中。并维持很高的浓度。 4内质网的其他功能 (1
11、)肝细胞中的光面内质网中还含有一些酶，用以清除脂溶性的废物和代谢产生的有害物质，因而内质网有解毒作用。 (2)合成类固醇激素作用。如睾丸间质细胞中，光面内质网也含有制造胆固醇并进一步产生固醇类激素的酶。 (3)具有储存的功能。肌细胞中含有发达的特化的光面内质网，称肌质网。它具有贮存Ca2+的能力。内质网不仅作为Ca2+的储存库，而且由于高浓度的Ca2+及与之结合的钙结合蛋白的存在，可能阻止内质网以出芽的方式形成运输小泡。 5内质网与基因表达的调控 内质网蛋白主要在糙面内质网上合成，也有一部分是在细胞质中合成后转入内质网中。大量的蛋白需要在内质网中折叠、装配、加工、包装及向高尔基体转运。这一过程
12、需要精确的基因调控。 (二)高尔基体的形态结构与极性 高尔基体(Golgi body)又称高尔基器(Golgi apparatus)或高尔基复合体(Golgi complex)，是真核细胞中普遍存在的一种细胞器。 高尔基体的形态结构。在电镜下，高尔基体最明显的特征是由一些(常常48个)排列较为整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠在一起，构成了高尔基体的主体结构。扁囊大多呈弓形，也有的呈半球形或球形，膜囊周围又有大量的大小不等的囊泡结构。扁囊的数目差异很大，有的12个，有的多至十几个。 扁囊弯曲成凸面的一面，对着内质网，称为形成面(forming face)或顺面(cis face)。凹进的一
13、面对着质膜，称为成熟面(mature face)或反面(trans face)。 对高尔基体电镜细胞化学分析，发现各部分膜囊特有成分有四种标志的化学反应： (1)嗜锇反应，经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色。 (2)焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应，可特异地显示高尔基体的trans面的12层膜囊。 (3)胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应，常常可显示靠近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。 (4)烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应，是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应。 高尔基体是一个复杂的由许多功能不同的间隔所组成的
14、完整体系。目前，多数学者认为，高尔基体至少由互相联系的四个部分组成：高尔基体顺面膜囊(cis Golgi)或顺面网状结构(cis Golgi network，CGN)；高尔基体中间膜囊(medial Golgi)；高尔基体反面的膜囊(trans Golgi)以及反面高尔基体网状结构(trans Golgi network，TGN)；高尔基体的周围大小不等的囊泡。 (三)高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类、包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂质一部分也要通过高尔基体向细胞膜和溶酶体等部位运输。因此，高尔基体是细胞内大分子
15、运输的一个主要交通枢纽。此外，高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂，在细胞生命活动中起多种重要的作用。 1高尔基体与细胞的分泌活动 细胞内分泌性蛋白，及细胞膜上的膜蛋白、溶酶体中酸性水解酶及胶原纤维等胞外基质成分都是通过高尔基体完成转运的。 2蛋白质的糖基化及其修饰 溶酶体中的水解酶类、多数细胞膜上的膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白，而在细胞质基质和细胞核中绝大多数蛋白质都无糖基化修饰，而在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，另外，在从内质网向高尔基体及在高尔基体各膜囊之间的转运过程中，连接在蛋白侧链上的寡糖基会发生一系列有序的加工与修饰。研究表明，糖蛋白的糖基化可能是依靠是各种酶，这种糖基化可能为各种蛋白质打上不同的标志，以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。 糖基化还可影响多肽的构象。对多数由高尔基体分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号，而更主要的作用是可能是蛋白质在成熟过程中折叠成正确的构象和增加蛋白质的稳定
