6细胞质基质与细胞内膜系统

第六章 细胞质基质与细胞内膜系统 主要内容： 第一节 细胞质基质 第二节 内 质 网 第三节 高尔基体 第四节 溶酶体与过氧化物酶体 第五节 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装 第一节 细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytomatrix） 一、细胞质基质 1、概念：在真核细胞的细胞质中，除去可分辨得细胞器以外的胶状物质，它是细胞的重要结构成分，约占细胞质体积的一半 2、主要成分： 1）中间代谢相关酶类 a 小分子和各种离子：如水 K+、Cl-、 Na+、Mg++、Ca++等 b 中分子类：脂类、糖类、氨基酸、 核苷酸类等 c 大分子类：蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等。 2) 细胞质骨架: 微丝，微管，中间纤维 *​ The portion of the cytoplasm that extends from the nuclear envelope to the plasma membrane and surrounds the membrane-bounded organelles is known as the cytoplasmic matrix (or cytomatrix). It contains filamentous elements such as microtubules, microfilaments, and intermediate filaments which constitute the cytoskeleton. This serves to organize the cytoplasm and controls the location and movement of the different organelles, and of the cell itself. The cytomatrix also contains ribosomes that function in protein synthesis, as well as numerous soluble enzymes that carry out a myriad of biochemical reactions. Several ribosomes are usually engaged in the translation of a single mRNA molecule, thus forming a polyribosome or polysome. The term cytosol is sometimes applied to the soluble components of the matrix which during cell fractionation are recovered in high speed supernatants. 3、细胞质基质的功能 1）完成各种中间代谢过程 2） 蛋白质的分选与运输 3） 细胞质骨架可作为细胞质基质结构体系的组织者，为基质中其它成分或细胞器提供锚定位点；维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等。 4）蛋白质的修饰和选择性的降解 5）提供离子环境、提供底物、物质运输通路、细胞分化等 二、细胞内膜系统 1、概念：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：核膜、内质网、高尔基体及各种小泡和液泡。 2、意义： 使真核细胞细胞内区域化（compartmentalization）内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特点之一， 大大增加了细胞内膜的表面积；为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点；酶系统的隔离与连接；蛋白质、糖、脂肪的合成、加工和包装；运输分泌物；扩散屏障及膜电位建立；离子梯度的维持等。 3、细胞内膜系统的研究方法 1）放射自显影（Autoradiography）; 2） 生化（Biochemical analysis）; 3）遗传突变分析（Genetic mutants） 第二节 内 质 网（Endoplastic Reticulum） 一、内质网的形态结构 1、形态结构：是由封闭的膜系统及其围成的腔形成的互相沟通的网状结构。 2、类型： 1）粗面内质网（ rough endoplasmic reticulum，rER）：多呈扁囊状，排列较为整齐，并附着有大量核糖体； 2）光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）：多为分支管状，是复杂的立体结构； 3）微粒体（microsome）：是在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，它包含内质网膜和核糖体两种成分。 The endoplasmic reticulum is a series of double membranes that loop back and forth between the cell membrane and the nucleus. These membranes fill the cytoplasm but you cannot see them because they are very transparent. There are two distinct types of E.R.: The rough E.R. has ribosomes and is the site of protein synthesis; the smooth E.R. has no ribosomes. 二、内质网的功能 1、蛋白质的合成 细胞中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“游离”核糖体，有些蛋白在刚起始合成不久便转移到 糙面型内质网上继续进行蛋白的合成，这类蛋白一边合成一边进入内质网腔内，以这种方式合成的蛋白主要有： 1）向细胞外分泌蛋的白； 2）膜的整合蛋白； 3）构成细胞器中的可溶性驻留蛋白蛋白（需要隔离或修饰）。 其它的多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的，包括： 细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。 2、脂质的合成 主要发生在光面内质网上。 ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。 两种例外（1）鞘磷脂和糖脂（ER开始→Golgi complex完成）； （2）某些单一脂类是在Mit/Chl的膜上合成的。 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol； 3、蛋白质的修饰与加工 修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔面 酰基化发生在ER的细胞质基质侧 4、新生肽的折叠组装： 1） 非还原性的内腔，易于二硫键形成； 2） 正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL or HDEL信号 3）蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）切断二硫键，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 4）结合蛋白（Binding protein，Bip，chaperone）识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。 5、解毒作用 光面内质网可以产生一种能够清除脂溶性底物和代谢产生的有害毒物的酶类 6、储存功能： 储存Ca2+功能 三、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显然是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 这些变化将通过不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达 第三节 高尔基体 一、高尔基体的形态结构 1、高尔基体：是由扁平囊，大囊泡、小囊泡构成的细胞器。 2、高尔基体是有极性的细胞器： 1）在细胞中，其靠近细胞核侧的扁平囊弯曲呈凸面，称为形成面（forming）或顺面（cis face)，其面向细胞膜侧的常呈凹面(concave），称为成熟面（mature face）或反面（trans face)。 2）在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，物质从其一侧进入而从另一侧出来。 3、高尔基各部膜囊标志的细胞化学反应 1）嗜锇反应，发生在高尔基体cis面膜囊； 2）焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示trans面1～2层膜囊； 3） 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构 4） 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊。 4、高尔基体的4个组成部分 1）高尔基体顺面膜囊（cis-Golgi）或顺面网状结构（cis-Golgi network，CGN）：位于高尔基体顺面最外侧，是中间多孔而呈连续分支的管网结构，主要接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊。 2）高尔基体中间膜囊（medial Golgi）：由扁平囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的，完成各种生物大分子的修饰与加工：多数糖基修饰；糖脂的形成；与高尔基体有关的多糖的合成 3） 高尔基体反面膜囊（trans Golgi）或反面网状结构（trans Golgi network，TGN）： 位于反面的最外层，与反面的扁平囊相连，另一侧伸入反面的细胞质中，形态呈管网状，并有囊泡相连；其功能主要是：参与蛋白质的分类与包装、运输；某些“晚期”的蛋白质修饰 4）周围大小不等的囊泡 顺面可能是内质网与高尔基体之间的物质运输小泡； 反面是体积较大的分泌泡与分泌颗粒 二、高尔基体的功能 1、高尔基体主要功能 1）将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地将其运输到细胞特定部位或分泌到细胞外； 2）将内质网上合成的脂类运输到细胞膜和溶酶体膜上； 3）是细胞内糖类合成工厂。 2、高尔基体与细胞的分泌活动 1）溶酶体酶的分选： 溶酶体酶寡糖链中的甘露糖残基磷酸化产生6—磷酸甘露糖（M6P），这是溶酶体酶的标志，在高尔基体反面膜囊上有M6P受体，M6P与之结合，从而与其它酶分离开，而进入一个特殊区域，最后形成溶酶体。 在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。 2）蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身 流感病毒囊膜蛋白特异性地转运 上皮细胞游离端的质膜 水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞基底面的质膜 3、蛋白质糖基化及其修饰 2）蛋白质糖基化的特点及其生物学意义 糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。 糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性； 多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。 对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。 进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被。 3、蛋白质的水解和其他加工过程 1）蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型 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。 蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。 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。 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。 2）加工方式多样性的可能原因： 确保小肽分子的有效合成； 弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号； 有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。 三、高尔基体与细胞内的膜泡运输 高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用 第四节 溶酶体与过氧化物酶体 一、溶酶体的结构 1、定义：是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。具有异质性，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同，标志酶为酸性磷酸酶。 2、分布：存在于所有的动物细胞中，植物细胞有类似的细胞器，如 原球体和液泡。 3、溶酶体膜的特征： 1） 嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境； 2） 具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运； 3） 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。 Lysosomes are called suicide sacks. They are produced by the golgi body. They consist of a single membrane surrounding powerful digestive enzymes.They dissolve bacteria and other foreign bodies. Under some conditions the lysosomes in a cell will break open and a cell will self destruct in a process called autolysis (giving rise to the name "suicide sacks"). 4、溶酶体的类型 1）初级溶酶体（primary lysosome） 呈球形，直径约0.2~0.5um，膜厚7.5nm，内含物均一，无明显颗粒物质，是高尔基体分泌形成的。含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有酶活性。这些酶均属于酸性水解酶，反应的最适PH值为5左右。 溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同，主要区别是：①膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低。②膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。 2）次级溶酶体（secondary lysosome） 正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为异噬溶酶体（phagolysosome）和自噬溶酶体（autophagolysosome），前者消化的物质来自外源，后者消化的物质来自细胞本身的各种组分。 3) 残余小体（residual body）， 又称后 溶酶体 已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如肝细胞中的脂褐质。 二、溶酶体的功能 1、清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞； 2、防御功能，它可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解； 3、作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养； 4、分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节； 5、参与清除赘生组织或退行性变化的细胞； 6、在受精过程中，精子的顶体（acrosome）相当于特化的溶酶体。 三、溶酶体的发生 1、发生途径 2、分选途径多样化 1） 依赖于M6P 的分选途径： 这类途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外；在细胞质膜上也存在依赖于钙离子的M6P受体，同样可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用，将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜，反复使用。 2）不依赖于M6P的分选途径： 四、溶酶体与过氧化物酶体（peroxisome） 1、过氧化物酶体(peroxisome)：又称微体(microbody)，是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器。 2、过氧化物酶体与溶酶体的区别： 过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征。 3、过氧化物酶体的功能 1）解毒作用：动物细胞（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶： 依赖于黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2； 过氧化氢酶，作用是将H2O2分解，形成水和氧气。 2）供能作用：过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。 3）在植物细胞中过氧化物酶体的功能： 在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应； 乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。 4、过氧化物酶体的发生 1） 已有的过氧化物酶体经分裂后形成子代的过氧化物酶体，子代的过氧化物酶体还需要进一步装配形成成熟的细胞器； 2） 组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后转运到过氧化物酶体中； 3）过氧化物酶体蛋白分选的需要信号序列（Peroxisomal-targeting signal，PTS）指导； 4） 过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后转运而来； 5） 内质网也参与过氧化物酶体的发生。 第五节 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装 一、信号假说与蛋白质分选信号 1、蛋白质定向运输（蛋白分选）：蛋白质在细胞基质中核糖体上合成，然后转运到细胞的特定部位进行装配成结构和功能复合体，参与细胞的生命活动。 2、指导蛋白质在内质网上合成的决定因素： 1）N端信号肽、 2）信号识别颗粒（SRP） 3）SRP受体（停泊蛋白DP） 3、信号假说： （1） 编码分泌蛋白的mRNA，在起始密码子AUG之后，紧跟着一组特定的信号密码子，由此编码一段多肽。 （2）多肽链的开始合成在游离核糖体上，信号密码子转译信号肽 ，约有15-30个氨基酸（16-26）。 （3）在RER膜上有信号识别蛋白（ SRP），可以释放到细胞质中去，识别正在合成信号肽的核糖体，并与之结合，合成暂停，引导核糖体与ER膜上的易位子结合，而SRP 则与SRP受体（又称停泊蛋白，docking.P）结合，合成继续。 SRP脱离释放返回基质重复利用。 （4）信号肽与易位子作用并使RER形成隧道，合成的多肽链通过隧道进入内质网池。 （5）信号肽已无用，被位于RER膜内表面的信号肽酶（Signal peptidase）切掉。 （6）多肽链继续生长，直至合成完毕。 （7）最后在一种分离因子作用下，核糖体脱离开膜，隧道封闭。 4、分泌蛋白合成过程 游离的核糖体 蛋白质开始合成 多肽链延伸为80氨基酸 蛋白质N端信号肽与信号识别颗粒结合 肽链停止延伸，并防止新生肽N端损伤和成熟前折叠 信号识别颗粒与内质网上的信号识别受体结合，核糖体与内质网上的易位子结合 肽链开始延伸，信号识别颗粒脱离 信号肽与易位子结合，在耗能状态下使内质网上孔道打开 信号肽引导肽链以绊环形式进入内质网腔 信号肽被切除 肽链继续，直至完整肽链合成 5、共转移：肽链边合成边转移至内质网腔中的方式 6、开始转移序列：引导肽链穿过内质网膜的信号肽。 7、停止转移序列：肽链中与内质网有很强亲和力而结合在脂双层之中的序列，这段序列不再转入内质网腔中。 8、后转移：蛋白质在细胞质合成之后，在前导肽的指引下转移到特定细胞器中的方式 9、跨膜次数决定因素： 起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数 二、蛋白质分选的基本途径与类型 1、两条基本途径： 1） 在细胞质基质中完成多肽链合成，然后转运至各种膜包围的细胞器中，如 线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等。 2） 蛋白质合成起始后，转移到糙面内质网，新生肽边合成边转入内质网腔中，随后经高尔基体运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外。 2、四种基本类型： 1） 蛋白质的跨膜转运（transmembrane transport） 2 ）膜泡运输（vesicular transport） 3） 选择性门孔转运（gated transport）； 4 ）细胞质基质中的蛋白质转运 三、膜泡运输 膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜定向运输及其复杂的调控过程。 1、具有不同的物质运输作用 的有被小泡类型： 1）网格蛋白小泡： 负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输 在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜内吞泡(细胞质) 胞内体溶酶体运输 高尔基体TGN是网格蛋白有被小泡形成的发源地 2）COPII有被小泡 负责从内质网高尔基体的物质运输； COPII包被蛋白由5种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的； COPII包被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。 3）COPI包被小泡： 负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins）返回 ER。 COPI包被含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于ARF(GTP-binding protein)； COPI-包被小泡在非选择性的批量运输( bulk flow)中行使功能, 负责 rER Golgi 分泌泡 细胞表面。 COPI-包被小泡除行使Golgi→ER逆行转运外，也可行使顺行转运功能, 从ER→ER-Golgi IC→Golgi。 2、细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制 1）转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止被包被在出芽形式的转运泡中而被排出； 2）通过识别驻留蛋白C-端的回收信号(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特异性受体，以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。 四、细胞结构体系的组装 1、生物大分子的组装方式： 1）自我装配（self-assembly）：信息存在于装配亚基的本身，同时也不排除细胞提供的装配环境； 2）协助装配（aided-assembly）：除需要形成最终结构亚基，还需要其他成分介入，或对装配的亚基进行修饰； 3）直接装配（direct-assembly）：直接装配到已形成的结构上。 4) 复合物与细胞结构体系的组装 2、装配具有重要的生物学意义： 1）减少和校正蛋白质合成中出现 的错误 2）减少所需的遗传物质信息量 3）通过装配与去装配更容易调节 与控制多种生物学过程 3、分子“伴侣”（molecular chaperones）： 细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子“伴侣”。