細胞生物學第七章細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)

1、細胞生物學第七章細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)一、細胞質基質（cytomatrix）（一）概念1、經典細胞學:電鏡下，除去可見的細胞器及其亞微結構以外的細胞質部分稱為細胞質基質.2、細胞生物學:分級離心后，除去所有細胞器和顆粒剩下的清液部分稱為胞質溶膠（cytosol）. 學術爭議:有人認為細胞骨架不屬于細胞質基質的范疇，是細胞器，也有人認為細胞骨架是細胞質基質的主要結構體系，是其他成分錨定的骨架，同時它們經常處于裝配和解聚的動態(tài)平衡中，其解聚的亞單位仍保持在液相中.細胞質基質的涵義：細胞質基質是一個高度有序的統(tǒng)一整體。（二）化學組成 細胞質基質是細胞質中均質而半透明的膠體部分，充填于其它有形結構之

2、間。成分復雜，不易分析，所以，只是反映了大部分細胞生化成分，即是許多細胞器生化反應的底物和產物的運輸通道，本身又涉及了多種細胞代謝途徑。離心分離中，易發(fā)生混雜和丟失，破碎的細胞器及液泡內含物可能混入可溶相，而另外一些本屬基質的物質，如可溶性酶又可依附在細胞器碎片上被分離掉。細胞質基質的大致成分：小分子：包括水、無機離子等中等分子：脂類、糖類、氨基酸、核苷酸及其衍生物等 大分子：包括多糖、蛋白質、脂蛋白和RNA等 生物結構：復合物顆粒、細胞骨架等。（三）細胞質基質功能 1、具有較大的緩沖容量，為細胞內各類生化反應的正常進行提供了相對穩(wěn)定的離子環(huán)境。 2、是進行某些細胞生化活動的場所，如蛋白質的合

3、成、核酸的合成、脂肪酸合成、糖酵解、磷酸戊糖途徑、糖原代謝、信號轉導。 3、供給細胞器行使其功能所需要的一切底物。4、細胞骨架參與維持細胞形態(tài)，做為細胞器和酶的附著點，并與細胞運動、物質運輸和信號轉導有關。 5、參與合成蛋白質的加工、運輸、選擇性降解： 磷酸化與去磷酸化，糖基化，甲基化，?；?依賴泛素標記的蛋白酶體中的蛋白質降解途徑。 熱休克蛋白HSP幫助變性或畸形蛋白質重新折疊。6、物質貯存和運輸，如:膜系統(tǒng)和細胞骨架系統(tǒng)解聚后的物質均貯存于細胞質基質中，被稱為“分子庫”，當需重新組裝時由此提供元件。 泛素依賴的蛋白酶體熱休克蛋白二內膜系統(tǒng)與膜運輸真核細胞的膜系統(tǒng)：細胞核、內質網、高爾基

4、體、溶酶體、內體和分泌泡等。以上細胞器通過蛋白質分選(protein sorting)和膜泡運輸實現膜結構和成分的相互轉換。圖9-1 內膜系統(tǒng)和膜運輸 內膜系統(tǒng)的動態(tài)性質內膜系統(tǒng)的最大特點是動態(tài)性質(圖)。內膜系統(tǒng)將細胞中的生化合成、分泌和內吞作用連接成動態(tài)的、相互作用的網絡。在內質網合成的蛋白和脂通過分泌活動進入分泌小泡運送到工作部位(包括細胞外);細胞通過內吞途徑將細胞外的物質送到溶酶體降解。圖 真核細胞中生化合成、分泌和內吞作用的動態(tài)網絡 內膜系統(tǒng)的進化 膜結合細胞器的進化有兩種途徑，一種是內共生途徑（如mt和chl），另一種則是通過細胞質膜的內陷分化途徑形成的。 內膜系統(tǒng)形成的意義內膜

5、系統(tǒng)的形成, 使得真核細胞內部結構復雜化了, 正是這種復雜化, 保證了細胞生命活動的順利進行。圖 核膜和ER膜進化的可能途徑 2.2 內膜系統(tǒng)與蛋白質分選(protein sorting)蛋白質是由核糖體合成的，合成之后必須準確無誤地運送到細胞的各個部位。細胞中蛋白質的運輸有兩種方式:共翻譯運輸和翻譯后運輸,內膜系統(tǒng)參與共翻譯運輸,是分泌蛋白質分選的主要系統(tǒng)。蛋白質分選定位的時空概念 從時間上考慮,蛋白質的合成分選有兩種情況:先合成,再分選；邊合成邊分選。 從蛋白質定位的空間看,包括了細胞內各個部分,即使是具有蛋白質合成機器的線粒體和葉綠體也需要從細胞質中獲取所需蛋白質。圖 細胞質中蛋白質合成

6、和空間定位路線 蛋白質分選定位的空間障礙及運輸方式從蛋白質轉運過程的三種類型:沒有膜障礙的,如胞質溶膠；有完全封閉的膜障礙,如mt等；有膜障礙,但膜上有孔,如核?？扇N不同方式進行運輸定位。 核孔運輸： 被運輸的蛋白需要有核定位信號。 跨膜運輸：被運輸的蛋白要有信號肽或導肽。 小泡運輸：蛋白質在內質網、高爾基、溶酶體、分泌泡、細胞質膜、細胞外之間的轉運則是由一種被稱為運輸小泡介導的。圖 膜結合細胞器的三種運輸機制 信號序列指導蛋白質的正確運輸 信號序列的作用圖 信號序列在蛋白質分選中的作用(a)具有ER定位信號序列的蛋白質被運輸到ER中,而沒有引導序列的蛋白質存在于胞質溶膠中。(b)通過重組D

7、NA技術將引導序列與胞質溶膠的蛋白基因重組,表達的胞質溶膠蛋白被定位到ER, 相反,被剝奪了ER定位信號的蛋白質則只能存在于胞質溶膠中。該實驗說明引導序列對所引導的蛋白質沒有特異性。 信號序列特性通常為15-60個氨基酸長度，一般位于新生肽的N端，不同的膜結合細胞器具有不同的蛋白質定位的信號序列(表)。 信號序列的類型入核信號: 入核信號指導核蛋白的運輸引導肽: 引導肽指導線粒體、葉綠體和過氧化物酶體蛋白的運輸信號肽: 指導內膜系統(tǒng)的蛋白質運輸。3 內質網(endoplasmic reticulum, ER)內質網是由K.R.Porter和A.D.Claude等在1945年發(fā)現的。（1）形態(tài)結

8、構和化學組成形態(tài)：內質網是由一層單位膜所形成的扁平囊狀、泡狀和管狀結構，并形成一個連續(xù)的網膜系統(tǒng)。由于它靠近細胞質的內側，故稱為內質網。分類:粗面內質網和光面內質網。結構：由于內質網是一種封閉的囊狀、泡狀和管狀結構，它就有兩個面，內質網的外表面稱為胞質溶膠面, 內表面稱為潴泡面。圖 細胞中內質網與細胞核、高爾基體的立體結構 粗面內質網(rough endoplasmic reticulum, RER) 多呈大的扁平膜囊狀, 在電鏡下觀察排列極為整齊。它是核糖體和內質網共同構成的復合機能結構, 普遍存在于分泌蛋白質的細胞中, 其主要功能是合成分泌性的蛋白質、多種膜蛋白和酶蛋白。 光面內質網(sm

9、ooth endoplasmic reticulum, SER) 無核糖體附著的內質網稱為光面內質網, 通常為小的膜管和小的膜囊狀, 而非扁平膜囊狀,廣泛存在于各種類型的細胞中，包括合成膽固醇的內分泌腺細胞、肌細胞、腎細胞等。 光面內質網是脂類合成的重要場所,它往往作為出芽的位點, 將內質網上合成的蛋白質或脂類轉運到高爾基體。ERRERSER 微粒體(microsome) ：在細胞勻漿和差速離心過程中獲得的由破碎的內質網自我融合形成的近似球形的膜囊泡狀結構,在體外實驗中,具有蛋白質合成、蛋白質糖基化和脂類合成等內質網的基本功能。 肌質網(sarcoplasmic reticulum) （課本1

10、81頁）心肌和骨骼肌細胞中的一種特殊的內質網,其功能是參與肌肉收縮活動。（2） 、光面內質網的功能 糖原分解釋放游離的葡萄糖肝細胞的一個重要功能是維持血液中葡萄糖水平的恒定, 這一功能與葡萄糖-6-磷酸酶的作用密切相關。光面內質網中的葡萄糖-6-磷酸酶將葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖和無機磷，釋放游離的葡萄糖進入血液(圖)，供細胞之用。圖 光面內質網在糖原裂解中的作用在肝細胞中,糖原裂解釋放葡萄糖-1-磷酸,然后再轉變成葡萄糖-6-磷酸,由于磷酸化的葡萄糖不能通過細胞質膜,光面內質網上的葡萄糖-6-磷酸酶將葡萄糖-6-磷酸水解為葡萄糖和磷酸后,葡萄糖就可穿過細胞質膜進入血液。 類固醇激素的合成

11、分泌類固醇激素的細胞如腎上腺細胞、睪丸間質細胞和黃體細胞都有豐富的光面內質網，并在光面內質網上含有合成膽固醇和將膽固醇轉化為激素的全套酶系；所以光面內質網能夠合成膽固醇，然后將膽固醇氧化、還原、水解進一步轉變成各種類固醇激素。類固醇激素的合成涉及多個途徑中的酶，包括存在于胞質溶膠和光面內質網中的酶類。但是合成的起始物質是膽固醇前體物質甲羥戊酸(mevalonate),它的合成是由光面內質網中的HMG-CoA還原酶催化的。 脂的合成與轉運（P179）細胞膜的磷脂是在光面內質網上合成的：圖 在光面內質網膜中合成磷脂酰膽堿首先，內質網膜中脂肪酸與胞質溶膠中的磷酸甘油結合,然后脫磷,并在內質網膜中膽堿

12、磷脂轉移酶的作用下,將胞質溶膠中的CDP-膽堿與內質網膜中的甘油脂肪酸結合形成磷脂酰膽堿。新合成的磷脂酰膽堿朝向胞質溶膠一側,但可在內質網膜中磷脂轉位酶的作用下翻轉到內質網的腔面。 磷脂轉位蛋白與翻轉酶(flippase)磷脂的合成都是在內質網的胞質溶膠面，但在內質網上合成的磷脂幾分鐘之后就由胞質溶膠面轉向膜的另一面，即內質網腔面, 磷脂的轉位是由內質網膜中磷脂轉位蛋白(phospholipid translocator)或稱翻轉酶幫助的。翻轉酶催化的磷脂移動也是有選擇性的,如能夠翻轉磷脂酰膽堿的翻轉酶則不能催化其他的磷脂翻轉, 這樣保證了膜中磷脂分布的不對稱。 磷脂交換蛋白(phosphol

13、ipid exchang proteins, PEP)與磷脂轉運磷脂轉運有兩種方式。一種是憑借磷脂交換蛋白的作用; 另一種是以出芽的方式轉運到高爾基體、溶酶體和細胞質膜上。圖9-14 膜磷脂轉移的兩種方式(a)通過小泡運輸將內質網上合成的脂轉運到靶膜上包括細胞核膜;(b)通過磷脂轉運蛋白將內質網上合成的脂轉運到mt、chl和過氧化物酶體等的膜中。 解毒作用(detoxification) 肝細胞解毒光面內質網能夠對外來的有毒物質,如農藥、毒素和污染物進行解毒。多數解毒反應與氧化作用有關,有些也涉及還原和水解,或者三者結合,使有毒物質由脂溶性轉變成水溶性而被排出體外,此過程稱為肝細胞的解毒作用,

14、 主要在肝細胞的光面內質網中進行。 細胞色素P-450 (cytochrome P-450)的羥基化作用圖 混合功能氧化酶將底物羥基化的機制(1)被羥基化的底物與細胞色素P-450結合;(2)細胞色素P-450中的鐵原子被NADPH所還原; (3)氧與細胞色素P-450結合;(4)底物被一個氧原子所氧化,另一個氧用于形成水。Ca2+離子的調節(jié)作用肌質網是細胞內特化的光面內質網, 是貯存Ca2+的細胞器。肌質網膜上重要的膜蛋白是Ca2+-ATP酶, 光面內質網可構成心肌和骨胳肌肌原纖維周圍的肌質網。當肌細胞膜的興奮信號傳遞到肌質網時則引起肌質網釋放Ca2+, 從而導致肌細胞的收縮活動。當肌肉松弛

15、時, 鈣離子又重新泵回肌質網。肌質網實際上是鈣庫, 其內有鈣結合蛋白, 每個鈣結合蛋白可以結合約30個的Ca2+。（3） 粗面內質網的功能蛋白質轉運（信號肽假說）蛋白質轉入內質網合成的過程：信號肽與SRP結合肽鏈延伸終止SRP與受體結合SRP脫離信號肽肽鏈在內質網上繼續(xù)合成，同時信號肽引導新生肽鏈進入內質網腔信號肽切除肽鏈延伸至終止。這種肽鏈邊合成邊向內質網腔轉移的方式，稱為co-translation，即共轉運運輸。 信號序列的一般特征長度一般為1535個氨基酸殘基, N-末端含有1個或多個帶正電荷的氨基酸,其后是612個連續(xù)的疏水殘基;在蛋白質合成中將核糖體引導到內質網,進入內質網后通常被

16、切除。圖 ER跨膜可切除信號的一般結構 信號序列的發(fā)現與作用：(a) 在不含RER小泡的無細胞體系中翻譯分泌蛋白,其N-端有信號序列,故比從細胞中分泌出來的相同蛋白質肽鏈長;(b)在加有RER小泡的無細胞體系中翻譯分泌蛋白,信號序列在RER小泡中被切除,得到的產物與從細胞中合成分泌的相同。 信號識別顆粒(SRP)沉降系數為11S，含有分子量為72kd、68kDa、54kDa、19kDa、14kDa及9kDa的6條多肽和一個7S(長約300個核苷酸)的scRNA(圖)。 SRP的作用是識別信號序列,并使蛋白質合成暫時中止，并將核糖體引導到內質網上。 ?？康鞍?(DP) 即SRP在內質網膜上的受體

17、蛋白,它能夠與結合有信號序列的SRP牢牢地結合,使正在合成蛋白質的核糖體?？康絻荣|網上來。 圖 信號識別顆粒(SRP)的組成 蛋白質共翻譯轉運的機理:信號假說如果合成的是分泌的蛋白,除了信號序列被信號肽酶切除外,全部進入內質網腔。若是膜蛋白,則由一個或多個停止轉移信號將蛋白質錨定在內質網膜上。膜結合核糖體體的蛋白質合成與轉運 信號肽跨膜的能量來源研究證明SRP受體和SRP都是G蛋白,它們不僅將合成蛋白質的核糖體引導到內質網, 而且通過GTP-GDP的交換, 將內質網膜中的易位子通道打開, 讓信號序列與之結合。圖 GTP在蛋白質轉運中的作用 膜蛋白的共翻譯轉運機理 起始轉移信號(start-tr

18、ansfer signal)蛋白質氨基末端的信號序列除了作為信號被SRP識別外, 還具有起始穿膜轉移的作用。在蛋白質共翻譯轉運過程中,信號序列的N-端始終朝向內質網的外側,插入蛋白質轉運通道后與通道內的信號序列結合位點(受體)結合,其后的肽序列是以袢環(huán)的形式通過運輸通道。 內含信號序列與單次跨膜蛋白內含信號序列又稱內含信號肽,它不位于N-末端,但具信號序列的作用,故稱為內含信號序列。它可作為蛋白質共翻譯轉移的信號被SRP識別,同時它也是起始轉移信號。由于內含信號序列是不可切除的,又是疏水性,所以成為膜蛋白的一部分。在與轉運通道結合過程中,始終保持具有較多正電荷氨基酸的一端朝向胞質溶膠一側。內含

19、信號序列與單次跨膜蛋白的整合 停止轉移肽與單次跨膜蛋白單次跨膜蛋白的形成除了與含有內含信號序列有關外,終止轉移肽也與單次跨膜蛋白的形成相關。 圖 終止轉移信號與單次跨膜蛋白的形成 二次跨膜蛋白與多次跨膜蛋白二次跨膜的形成與內含信號序列和終止轉移信號相關。如果是二次跨膜,則含有一個內含信號序列和一個停止轉移信號(圖)。多次跨膜蛋白的形成一定含有多個內含信號序列和多個停止轉移信號。圖 二次跨膜蛋白的形成 Bip在ER蛋白的轉移和裝配中的作用（P181）研究發(fā)現進入內質網腔中的蛋白質片段很快被一些稱為Bip的蛋白結合。Bip蛋白：重鏈結合蛋白 (heavy-chain binding protein

20、) 的簡稱。Bip是一類分子伴侶,屬于Hsp70家族,在內質網中有兩個作用。Bip同進入內質網的未折疊蛋白質的疏水氨基酸結合，防止多肽鏈不正確地折疊和聚合(圖)。 Bip的第二個作用是防止新合成的蛋白質在轉運過程中變性或斷裂。圖 Bip在ER腔中的作用（二）、蛋白質的修飾與加工包括糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵形成等，其中最主要的是糖基化，幾乎所有內質網上合成的蛋白質最終被糖基化。糖基化的作用：使蛋白質能夠抵抗消化酶的作用；賦予蛋白質傳導信號的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正確折疊。糖基一般連接在4種氨基酸上，分為2種：O-連接的糖基化（O-linked glycosylation）：與S

21、er、Thr和Hyp的OH連接，連接的糖為半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高爾基體上進行。N-連接的糖基化（N-linked glycosylation）：與天冬酰胺殘基的NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。內質網中的N-連接的糖基化（P180）圖 正在ER中合成蛋白質的N-連接糖基化 （三）、新生肽鏈的折疊、組裝和運輸COP II介導由內質網輸出的膜泡運輸，這種膜泡由內質網的排出位點（exit sites）以出芽的方式排出。不同的蛋白質在內質網腔中停留的時間不同，這主要取決于蛋白質完成正確折疊和組裝的時間，這一過程是在屬于hsp70家族的ATP酶的作用下完成的，需要消耗能量。有些無法完成正確折疊的蛋

22、白質被輸出內質網，轉入溶酶體中降解掉，大約90%的新合成的T細胞受體亞單位和乙酰膽堿受體都被降解掉，而從未到達靶細胞膜。4.高爾基復合體(Golgi complex)由意大利科學家Camillo Golgi在1898年發(fā)現的。功能：與細胞的分泌功能有關；與溶酶體的形成；并參與細胞的胞飲和胞吐過程。高爾基體的形態(tài)結構和極性 形態(tài)結構電子顯微鏡所觀察到的高爾基體最富有特征性的結構是由一些( 通常是48個) 排列較為整齊的扁平膜囊(saccules)堆疊在一起, 構成了高爾基體的主體結構。圖 煙草根尖細胞高爾基體的電鏡照片 高爾基復合體由平行排列的扁平膜囊、大囊泡和小囊泡等三種膜狀結構所組成。它有兩

23、個面:形成面和成熟面。 圖 高爾基體的膜囊結構及其排列 扁平膜囊(saccules) 是高爾基復合體的主體部分。一般由310層扁平膜囊平行排列形成一個扁平膜囊堆，每層膜囊之間150300, 扁平囊膜厚67nm。 小泡(vesicle) 在扁平囊的周圍有許多小囊泡, 直徑400-800。這些小囊泡較多地集中在高爾基復合體的形成面。兩者的關系：一般認為小泡是由附近的粗面內質網出芽形成的運輸泡.它們不斷地與高爾基體的扁平膜囊融合, 使扁平膜囊的膜成分不斷得到補充。 高爾基體的極性 結構上的極性:靠近內質網的一面稱為順面(cis face), 或稱形成面(forming face)；高爾基體中間膜囊(

24、medial Golgi); 靠近細胞質膜的一面稱為反面高爾基網絡 (trans Golgi network，TGN)。 功能上的極性:高爾基體執(zhí)行功能時是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能進行下一道工序。 數量和分布數量平均為每細胞20個。在低等真核細胞中, 高爾基復合體有時只有12個，有時可達一萬多個。在分泌功能旺盛的細胞中, 高爾基復合體都很多。如胰腺外分泌細胞、唾液腺細胞和上皮細胞等。而肌細胞和淋巴細胞中高爾基復合體較少見。分布在一定類型的細胞中, 高爾基復合體的位置比較恒定,如外分泌細胞中高爾基體常位于細胞核上方，其反面朝向細胞質膜；神經細胞的高爾基體有很多膜囊堆分散于細胞核的周

25、圍。 高爾基體的化學組成 蛋白質從蛋白質含量看, 高爾基復合體高于內質網和質膜: 質膜蛋白質含量為 40%, 內質網的蛋白質含量為20%, 而高爾基體的蛋白質含量占60%。 脂從總磷脂看, 高爾基體介于內質網和質膜之間(表)。表 內質網、高爾基復合體和質膜的磷脂組成膜類型總磷脂 磷脂類型神經鞘磷 脂磷脂酰膽 堿磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨 酸磷脂肌醇膽固醇粗面內質網61%3.447.836.85.60.12高爾基體45%14.231.436.54.70.47細胞質膜40%19.232.034.44.60.51 酶類高爾基復合體的膜上含有豐富的酶類,如糖基轉移酶、磺化糖基轉移酶、氧化還原酶、磷酸酶、激

26、酶、甘露糖苷酶、磷脂酶等。但在膜上的分布并不均一。高爾基復合體的標志酶是糖基轉移酶。高爾基體的功能 對多種蛋白質進行加工、分類與轉運。高爾基體是細胞內物質運輸的交通樞紐。 蛋白質和脂的運輸 ER與高爾基體順面間的蛋白質運輸主流運輸：內質網出芽形成的膜泡運輸至CGN，并融合。偶爾也有從高爾基體各個部位形成的小泡沿微管回流到內質網。圖 高爾基體和ER間的雙向運輸的模型從ER出芽形成的小泡到高爾基體順面稱為正向運輸,從高爾基體形成的小泡都可獨立地通過微管運回ER。 KDEL：內質網滯留信號(P185、P206)內質網結構蛋白和功能蛋白的羧基端有KDEL信號序列：Lys-Asp-Glu-Leu-COO

27、-。KDEL信號在高爾基復合體各個部分的膜上都有相應的受體?？膳c逃出的ER蛋白結合,并形成小泡, 將這些ER蛋白“押送”回到ER(圖)。KDEL信號及其受體維持ER蛋白的穩(wěn)定 蛋白質從順面高爾基網絡向反面高爾基網絡運輸圖 穿梭小泡從順面高爾基體網絡向反面高爾基體網絡移動 蛋白質的糖基化對于進入到高爾基體的糖蛋白來說, 形成高甘露糖基寡聚糖側鏈所需的修飾比較簡單, 只要切除3 分子葡萄糖即可(右圖), 這一過程在RER中完成的。圖 高甘露糖側鏈的修飾 O-連接的糖基化(O-linked glycosylation)(P189)而形成復合寡聚糖則比較復雜, 要切除5分子甘露糖, 加上2分子N-乙酰

28、葡萄糖胺、2分子半乳糖、2分子唾液酸(右圖), 有時還要加上巖藻糖。O-連接糖基化概念：將糖鏈轉移到多肽鏈的絲氨酸、蘇氨酸或羥賴氨酸的羥基的氧原子上。哺乳動物高爾基體中進行的O-連接糖基化修飾過程 蛋白聚糖(proteoglycan)的合成（P190）除了蛋白質的糖基化以外，高爾基體中也可以進行多糖的合成。動物細胞中合成的多糖主要是透明質酸，這是一種氨基聚糖, 是細胞外基質的主要成分。植物細胞壁中的幾種多糖，包括半纖維素、果膠也是在高爾基體中合成的。 蛋白原的水解胰島素是在胰島B細胞中合成的：ER中：合成前胰島素原，經信號肽酶切除信號肽后成為胰島素原。運輸到高爾基體后, 通過蛋白酶的水解作用,

29、 生成一個分子由51個氨基酸殘基組成的胰島素和一個分子C肽(圖)。圖 胰島素分子的加工成熟和運輸 蛋白質的分選 高爾基體反面網絡的功能是進行蛋白質的分選。 分選作用主要是由信號序列和受體之間的相互作用決定的，如KDEL序列是內質網的滯留信號一樣，不同部位的蛋白具有不同的信號，在反面高爾基網絡被分選包裝到不同的小泡,沒有特別信號的則進入非特異分泌小泡。圖 高爾基體反面網絡的蛋白分選 5. 溶酶體(lysosome)5.1 溶酶體的形態(tài)結構 溶酶體的形態(tài)溶酶體是一種異質性細胞器, 不同來源的溶酶體形態(tài)、大小, 甚至所含有酶的種類都有很大的不同。溶酶體呈小球狀, 大小變化很大，直徑一般0.250.8

30、m，最大的可超過1m,最小的直徑只有2550nm。圖 溶酶體的形態(tài)大小具吞噬作用的肝Kupper細胞中不同大小的溶酶體, 圖中示出至少10個不同大小的溶酶體。 溶酶體膜的穩(wěn)定性溶酶體的外被是一層單位膜, 內部沒有任何特殊的結構。溶酶體在生活細胞中必須是高度穩(wěn)定的： 溶酶體膜中有質子運輸泵(H+-ATPase),將H+ 泵入溶酶體內, 同時, 膜上有Cl-離子通道蛋白，從而維持溶酶體內部的酸性環(huán)境(pH4.64.8)。 溶酶體膜含有各種不同酸性的、高度糖基化膜整合蛋白, 這些膜整合蛋白的功能可能是保護溶酶體的膜免遭溶酶體內酶的攻擊, 有利于防止自身膜蛋白的降解。 溶酶體膜含有較高的膽固醇, 促進

31、了膜結構的穩(wěn)定。5.2 溶酶體的發(fā)現與溶酶體的酶類溶酶體內含有50多種酶類,這些酶的最適pH值是5.0, 故均為酸性水解酶(acid hydrolases)。酸性磷酸酶是溶酶體的標志酶，正是對這種酶的細胞定位研究導致溶酶體的發(fā)現。溶酶體的形態(tài)、大小、及所含主要酶類示意圖 溶酶體的酶 溶酶體的酶都是水解酶類，在酸性條件下具有最高活性。5.3 溶酶體的類型 初級溶酶體(primary lysosome)剛從反面高爾基體形成小囊泡, 僅含有水解酶類，但無作用底物，其中的酶處于非活性狀態(tài)。 次級溶酶體(secondary lysosome)含有水解酶和相應的底物，是一種將要或正在進行消化作用的溶酶體。

32、分為自噬性溶酶體、異噬性溶酶體。 自噬性溶酶體(autolysosome) 異噬性溶酶體(heterolysosome)5.4 溶酶體的功能溶酶體的主要功能是消化作用(圖9-39)。自體吞噬, 吞噬的是細胞內原有的物質; 異體吞噬A. 通過吞噬形成的吞噬體消化有害物質; B. 通過內吞作用提供的營養(yǎng)物質。圖9-39 溶酶體的類型及在細胞消化過程中的作用 吞噬作用(phagocytosis) 吞噬作用 吞噬細胞如巨噬細胞和中性粒細胞擔任機體中的保護防御任務。 吞噬作用也包括對衰老的、進入編程死亡的細胞的吞噬。吞噬作用 自噬作用(autophagy) 自噬作用電鏡照片所示是衰老的線粒體和過氧化物酶

33、體被包裹在一個雙層膜結構中,該膜來自于內質網。被ER膜包裹而成的自噬體將會與溶酶體融合,進而被溶酶體酶降解。圖 自噬作用 自溶作用(autolysis)自溶作用是細胞的自我毀滅(cellular self-destruction), 即溶酶體將酶釋放出來將自身細胞降解。在正常情況下, 溶酶體的膜是十分穩(wěn)定的,不會對細胞自身造成傷害。如果細胞受到嚴重損傷, 造成溶酶體破裂, 那么細胞就會在溶酶體酶的作用下被降解, 如某些紅細胞常會有這種情況發(fā)生。在多細胞生物的發(fā)育過程中，自溶對于形態(tài)建成具有重要作用。 細胞外的消化作用(extracellular digestion)頂體(acrosome)反應

34、圖 頂體反應(a)海膽精子前端的頂體, 正好位于細胞核的前面; (b) 當精子的質膜與卵細胞周圍物質接觸時,精子釋放出頂體中溶酶體的酶,消化卵細胞外的物質,使精子得以與卵細胞接觸。5.5 溶酶體的生物發(fā)生目前比較清楚的是甘露糖-6-磷酸途徑：溶酶體的酶尋靶過程、涉及的細胞器及機理 溶酶體酶蛋白的M6P標記研究發(fā)現溶酶體的酶上都有一個特殊的標記6-磷酸甘露糖(M6P)。形成過程為： 糖基化溶酶體酶蛋白先以共轉譯運輸的方式在內質網合成后，進行N-連接糖基化, 攜9個甘露糖殘基和2個N-乙酰葡萄糖胺殘基轉運到高爾基體。 信號斑(signal patch)信號斑是溶酶體酶蛋白多肽形成的一種結構, 是由

35、三段信號序列構成的, 可被磷酸轉移酶特異性識別。圖 9-45 信號斑 甘露糖磷酸化的酶（P195）一種酶是N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉移酶，另一個酶是N-乙酰葡萄糖苷酶, 功能是釋放N-乙酰葡萄糖胺(圖)。順面高爾基體中N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉移酶有兩個功能位點, 識別位點識別信號斑并與之結合；催化位點與高甘露糖N-連接的寡聚糖以及UDP-GlcNAc結合。圖 溶酶體酶蛋白信號斑與磷酸化酶相互作用 磷酸化反應反應中磷酸基的供體是UDP N-乙酰葡萄糖胺(N-acetyglucosamine，GlcNAc), 甘露糖殘基磷酸化的位點是第六位碳原子(圖)。每個溶酶體酶蛋白至少有一個甘露糖殘基被磷酸化。圖

36、溶酶體酶蛋白甘露糖殘基磷酸化的生化反應 溶酶體酶的M6P分選途徑溶酶體酶甘露糖6-磷酸分選途徑和溶酶體形成的主要過程。 M6P受體也位于細胞質膜中, 它能夠同偶爾分泌到細胞外磷酸化的溶酶體酶結合, 并形成由網格蛋白包被的運輸泡, 最后同樣被傳遞給溶酶體。M6P分選途徑的特點:M6P作為分選信號; 包埋在高爾基體中的受體能夠被網格蛋白包裝成分泌小泡; 出芽形成的溶酶體酶的運輸小泡只同酸性的次級內體融合; 通過次級內體的分選作用使受體再循環(huán)。內體(endosome)分為初級內體和次級內體。初級內體是由于細胞的內吞作用而形成的含有內吞物質的膜結合的細胞器。次級內體中的pH呈酸性, 且具有分揀作用。內

37、體膜上具有質子泵，保證了內部pH的酸性(圖)。圖9-49 溶酶體酶運輸小泡與次級內體的融合及次級內體的分選作用 溶酶體與疾病已知有不少疾病與溶酶體有關, 如貯積癥(storage diseases)、矽肺、類風濕性關節(jié)炎等。 矽肺病(silicosis) 型糖原貯積癥(glycogen storage disease type )五、過氧化物酶體Rhodin 1954發(fā)現于鼠腎小管上皮細胞。是一種具有異質性的細胞器。直徑通常0.5um，呈圓形，橢圓形或啞呤形不等，由單層膜圍繞而成。特點：含過氧化氫酶（標志酶）和一至多種依賴黃素（flavin）的氧化酶，已發(fā)現40多種氧化酶，各類氧化酶的共性是將

38、底物氧化后生成過氧化氫。而過氧化氫酶又利用H2O2去氧化其它底物。RH2+O2R+H2O2Peroxisome of hepatocyte在動物中： 參與脂肪酸的-氧化； 具有解毒作用，可以將酚、甲醛、甲酸和醇等有害物質氧化，飲入的酒精1/4是在過氧化物酶體中氧化為乙醛。在植物中：參與光呼吸，將光合作用的副產物乙醇酸氧化為乙醛酸和過氧化氫，在萌發(fā)的種子中，進行脂肪的-氧化，產生乙酰輔酶A，經乙醛酸循環(huán)，由異檸檬酸裂解為乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循環(huán)，因涉及乙醛酸循環(huán)，又稱乙醛酸循環(huán)體。過氧化物酶體中所有的酶都由核基因編碼，在細胞質基質中合成，在信號肽的引導下，進入過氧化物酶體。引導蛋白質進入微

39、體的信號序列是-Ser-Lys-Leu-COO-。膜脂在內質網上合成后，通過磷脂轉移蛋白PTP轉移而來。已有的過氧化物酶體在細胞分裂時，以分裂方式傳給子代細胞。再進行進一步的裝配。 第三節(jié)、 細胞的分選與膜泡運輸一、 細胞分泌細胞分泌活動涉及內質網、高爾基體、細胞質膜三部分，它們相當于三道關卡，嚴格地控制著產品的質量。 內質網相當于生產基地，高爾基體相當于產品的精加工和質量檢測分配部門，而細胞質膜相當于海關。細胞的分泌與內吞作用二、信號假說與蛋白質的分選1、信號序列與蛋白質分選途徑 信號肽：內質網引導序列；共轉譯運輸。導肽：線粒體、葉綠體、過氧化物酶體引 導序列；轉譯后運輸。核定位信號：細胞核

40、引導序列；轉譯后運輸 信號肽假說 2、蛋白質分選的基本類型跨膜轉運：信號序列引導，分子伴侶幫助。膜泡運輸：不同運輸小泡特異性介導運輸。選擇性門控運輸：轉移后的核定位運輸。細胞質基質中的轉運：與細胞骨架密切相關。三、膜泡運輸1、運輸小泡的類型和分選信號在細胞分泌和內吞途徑中三種類型的被膜小泡及運輸途徑 分泌小泡的類型 披網格蛋白小泡(clathrin-coated vesicle)介導從TGN到PM、從PM到TGN的運輸。但兩種小泡所用的銜接蛋白(adaptin)不同。 COP被膜小泡(COP coated vesicle)介導小泡的非選擇性運輸, 參與從ER到CGN、從CGN到高爾基體中間膜囊

41、、從中間膜囊到TGN的運輸。由COP亞基組裝。 COP被膜小泡(COPcoated vesicle)介導蛋白質從Golgi體運回ER,包括從TGN運向CGN,以及將蛋白質從TGN運回到ER。三種不同小泡雖然有差異,但在小泡形成的方式和所需的成份基本一致(圖)。小GTP結合蛋白;外被體;銜接蛋白;膜受體蛋白。參與被膜小泡出芽形成的一些組分 三種類型小泡間的差異 銜接蛋白（即接合素蛋白）目前已知三種:AP1、AP2和AP3。AP1: 參與TGN的披網格蛋白小泡的出芽。AP2: 由銜接蛋白(鏈)和銜接蛋白(鏈) 組成異二聚體。參與TGN的披網格蛋白小泡的組裝。AP3: 最近在酵母和鼠的研究中發(fā)現 A

42、P3，具有AP3突變的酵母,反面高爾基體的某些蛋白就不能被運輸到液泡、溶酶體。銜接蛋白與膜受體細胞質結構域中的信號序列相互作用 2、小泡運輸的分選信號3、三種運輸小泡的形成機理銜接子(adapter) ；網格蛋白(Clathrin)；發(fā)動蛋白(dynamin)成纖維細胞質面的網格蛋白被膜小窩的電子顯微鏡照片 （1）、網格蛋白小泡形成機理 網格蛋白(clathrin)及包被亞基(coat subunits)圖9-66 網格蛋白的結構(a) 網格蛋白的三腿復合物;(b)網格蛋白包被亞基;(c)披網格蛋白小泡。發(fā)動蛋白(dynamin)發(fā)動蛋白是一種胞質溶膠蛋白,有900個氨基酸, 能夠同GTP結合

43、并將GTP水解。發(fā)動蛋白的作用是在被膜小窩的頸部聚合,通過水解GTP調節(jié)自己收縮, 最后將小泡與質膜割開。 披網格蛋白小泡的形成和運輸披網格蛋白小泡的形成分為三個基本過程 被膜小窩(clathrin-coated pit)的形成； 披網格蛋白小泡的形成；無被小泡的形成：在真核細胞中有一種分子伴侶Hsc70催化披網格蛋白小泡的外被去聚合形成三腿復合物, 并重新用于披網格蛋白小泡的裝配。 Ca2+ 參與調節(jié)披網格蛋白小泡包被的形成和去被。形成包被時, 鈣泵將Ca2+ 泵出細胞外, 使胞質中的Ca2+ 保持低濃度, 有利于有被小窩的形成。一旦形成被膜小泡, Ca2+ 同網格蛋白的輕鏈結合, 使包被不穩(wěn)定而脫去。披網格蛋白小泡的形成過程 （2）COP-被膜小泡形成的機理COP-被膜小泡介導的是非選擇性的小泡運輸, 包括從內質網到高爾基體潴泡、從一個潴泡到另一個潴泡、到反面高爾基體網絡以及從反面高爾基體向ER的回運。 小GTP結合蛋白(small GTP binding protein)小GTP結合蛋白是胞內的一個蛋白家族, 以兩種狀態(tài)存在: 同GTP結合時, 具活性狀態(tài); 同GDP結合, 則是非活性狀態(tài)?；钚院头腔钚誀顟B(tài)的轉變取決于兩種蛋白: 一是鳥嘌呤核苷釋放蛋