第六章細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)

1、 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)概念細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)(cytoplasmic matrix/cytomatrix)：真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)除細(xì)胞器和內(nèi)含物外的較為均質(zhì)、半透明的液態(tài)物質(zhì)。 曾用名：細(xì)胞液(cell sap)、透明質(zhì)(hyaloplasm)、胞質(zhì)溶膠(cytoso1)。細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)：在結(jié)構(gòu)、功能乃至發(fā)生上相關(guān)的，由膜圍繞的細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、胞內(nèi)體和分泌泡等。第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)(cytomatrix)一 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的成分1.水和無機(jī)離子：H2O以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種方式存在，以游離態(tài)存在的H2O主要用作溶劑；2.糖類、脂類、核苷酸、氨基酸及其衍生物等中等分子；3. 糖原

2、和脂滴等處于儲(chǔ)藏狀態(tài)的化合物；4. 蛋白質(zhì)、脂蛋白、多糖和RNA等大分子： 蛋白質(zhì)約占2030：數(shù)千種酶類&骨架結(jié)構(gòu)蛋白；細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是一個(gè)高度有序的體系： 蛋白質(zhì)直接或間接地與細(xì)胞骨架或生物膜結(jié)合； 蛋白之間或與其他大分子之間可形成復(fù)合體。核糖體蛋白質(zhì)mRNAtRNA骨架蛋白二 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能1.完成中間代謝：糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑、糖原的合成與部分分解，蛋白質(zhì)的分選及轉(zhuǎn)運(yùn)。2. 維持細(xì)胞形態(tài)和運(yùn)動(dòng)、胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸及大分子定位：通過細(xì)胞質(zhì)骨架實(shí)現(xiàn)，把蛋白質(zhì)、mRNA等生物大分子固定在特定的位點(diǎn)，在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中形成了更為精細(xì)的區(qū)域，使復(fù)雜的代謝反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行。3. 蛋白質(zhì)的修

3、飾和選擇性降解：1）蛋白質(zhì)修飾：(1)輔酶或輔基與酶的共價(jià)結(jié)合。(2)磷酸化與去磷酸化。(3)糖基化。(4)對(duì)某些蛋白質(zhì)的N端進(jìn)行甲基化修飾。(5)?；?。 2）控制蛋白質(zhì)的壽命 a. 蛋白質(zhì)N端的第一個(gè)aa殘基可決定蛋白質(zhì)壽命,其為Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，則蛋白質(zhì)穩(wěn)定；若為其他氨基酸，則不穩(wěn)定。 b.細(xì)胞質(zhì)中存在依賴于泛素（遍在蛋白,ubiquitin）的蛋白降解途徑。最初的一些研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的降解不需要能量，這如同一幢大樓自然倒塌一樣，并不需要炸藥來爆破。比如人吃進(jìn)食物，食物中的蛋白質(zhì)在消化道中就被降解為氨基酸，隨后被人體吸收。此過程主要依靠蛋白水

4、解酶，無須ATP。20世紀(jì)50年代：蛋白質(zhì)胞外降解不需能，而在胞內(nèi)降解卻需能。這成為困惑科學(xué)家很長時(shí)間的一個(gè)謎。20世紀(jì)70-80年代：一系列研究，揭示了一種需要能量、高效率、指向性很強(qiáng)的降解過程。這如同拆樓一樣，如果大樓自然倒塌，并不需要能量，但如果要定時(shí)、定點(diǎn)、定向地拆除一幢大樓，則需要炸藥進(jìn)行爆破。原因：它如同一位重要的質(zhì)量監(jiān)督員，通過它的嚴(yán)格把關(guān)，把沒有通過質(zhì)檢蛋白質(zhì)（新合成的蛋白質(zhì)）銷毀。把關(guān)不嚴(yán)，就會(huì)使不合格蛋白質(zhì)蒙混過關(guān)；如果過嚴(yán)，又會(huì)使合格的蛋白質(zhì)供不應(yīng)求。這都容易使生物體出現(xiàn)一系列問題。比如，一種稱為“基因衛(wèi)士”的蛋白質(zhì)可以抑制細(xì)胞發(fā)生癌變，但如果對(duì)蛋白質(zhì)的生產(chǎn)把關(guān)不嚴(yán)，就會(huì)

5、導(dǎo)致人體抑制細(xì)胞癌變的能力下降，誘發(fā)癌癥。依賴于泛素(遍在蛋白,ubiquitin)的蛋白降解途徑泛素：含76個(gè)氨基酸的蛋白，可共價(jià)結(jié)合到含不穩(wěn)定aa殘基的蛋白的N端，起標(biāo)簽作用，被貼上“標(biāo)簽”的蛋白質(zhì)就會(huì)被運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)的“垃圾處理廠”內(nèi)降解。蛋白酶體：由多個(gè)亞單位形成的復(fù)合體，可特異識(shí)別結(jié)合泛素的蛋白，將其水解，是蛋白“垃圾處理廠”。蛋白酶體1. 泛素活化酶（E1）:激活泛素分子，需ATP供能。2. 泛素結(jié)合酶 （E2）:激活的泛素分子結(jié)合3. 泛素連接酶（E3）:可辨認(rèn)需被銷毀的蛋白，指引E2將泛素分子綁在指定蛋白上。 2004 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)依賴泛素的蛋白降解過程：泛素結(jié)合酶泛

6、素細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)依賴泛素的蛋白降解過程：泛素活化酶要降解蛋白泛素連接酶蛋白酶體4.被泛素標(biāo)記的蛋白從E3上釋放。5.上述過程重復(fù)進(jìn)行，在目的蛋白上形成一個(gè)泛素鏈。6. 蛋白酶體識(shí)別泛素分子標(biāo)簽并將蛋白質(zhì)切成短肽鏈，但不破壞泛素，泛素可被重新利用。 細(xì)胞內(nèi)短壽命和一些異常蛋白降解的普遍途徑細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)依賴泛素的蛋白降解過程： 3）降解變性和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì) 一些畸形蛋白質(zhì)，不管其N端氨基酸殘基是否穩(wěn)定，也常常很快被清除。 可能機(jī)理：畸形蛋白質(zhì)暴露出的疏水氨基酸基團(tuán)被識(shí)別，由此啟動(dòng)對(duì)其N端第一個(gè)aa殘基的作用，形成N端不穩(wěn)定的氨基酸，被依賴于泛素的蛋白降解途徑水解。4）幫助變性或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)重新

7、折疊，形成正確的分子構(gòu)象 靠熱休克蛋白(heat shock protein，Hsp或稱stress-response protein)來完成。1962年，Ritossa在研究果蠅唾液腺染色體時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種在細(xì)胞高溫應(yīng)激時(shí)對(duì)細(xì)胞有保護(hù)作用的蛋白質(zhì)，因而命名為“熱休克蛋白”。最初只認(rèn)為HSP在高溫下可有效保護(hù)蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)，真核細(xì)胞和原核細(xì)胞在高溫時(shí)均可產(chǎn)生HSP。進(jìn)一步研究表明，其他許多刺激，如病毒感染、發(fā)熱、炎癥、組織損傷、代謝性疾病、癌癥、心肌肥大等均可使HSP產(chǎn)生異常升高。第二節(jié) 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處于細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的中心地位，是其它內(nèi)膜結(jié)構(gòu)膜的來源。一 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)與類型1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu) 內(nèi)質(zhì)

8、網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)： 存在于真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，由單位膜圍成的小管(tubule)、小泡( vesicle)或扁囊(cisternae)連接而成的連續(xù)網(wǎng)狀膜系統(tǒng)。 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和外層核膜是連續(xù)的，ER內(nèi)腔與兩層核膜中間的腔相通連，和質(zhì)膜也是連續(xù)的。 在原核細(xì)胞中，細(xì)胞膜代行內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的某些功能。小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)雞輸卵管細(xì)胞粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細(xì)胞中的分布圖2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的分類粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（rER）滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（sER） 雞輸卵管細(xì)胞粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（上）小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（下）粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (rough endoplasmic reticulum，rER)： 表面粗

9、糙，有核糖體附著，常由板層狀排列扁囊構(gòu)成，腔內(nèi)含有均質(zhì)的低或中等電子密度的蛋白樣物質(zhì)。 功能：合成分泌性的蛋白和多種膜蛋白；滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (smooth endoplasmic reticulum，sER)： 表面光滑，沒有核糖體附著，常由分支小管或圓形小泡構(gòu)成，小管直徑50100nm，很少有扁囊。 功能：合成脂質(zhì)的重要場所.細(xì)胞不含純粹的RER或SER，它們分別是ER連續(xù)結(jié)構(gòu)的一部分。兩種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)差異模式圖糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (扁平囊狀)光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(分支管狀或圓形小泡，形成較復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)）3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在不同細(xì)胞中的分布rER： 多分布于分泌蛋白旺盛的細(xì)胞（胰腺細(xì)胞，漿細(xì)胞） 未分化細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中較

10、少；sER： 脂類合成旺盛細(xì)胞： 肝、骨骼肌及腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞 特化細(xì)胞： 肌肉細(xì)胞中的肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmic reticulum)細(xì)胞中，粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的多少，常?？勺鳛楣烙?jì)細(xì)胞分化程度和功能狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。在分化程度不同的腫瘤細(xì)胞中，如實(shí)驗(yàn)大白鼠的肝癌，分化程度高、生長速度慢的癌細(xì)胞粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)達(dá)，而分化程度低、生長速度快的癌細(xì)胞中只有少量粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。 4 微粒體-研究內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的好材料微粒體（microsome） ：將組織或細(xì)胞勻漿經(jīng)低速離心除去核及線粒體后，再以每分種10萬的轉(zhuǎn)速離心60120 min后，可得到許多較小的直徑約100nm的封閉小囊泡結(jié)構(gòu)，此為ER膜在勻漿中被破碎而形成的

11、,稱為微粒體。二 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的化學(xué)組成 1 脂類 膜脂主要是磷脂，卵磷脂多，鞘磷脂少，少或不含膽固醇。 2 蛋白 膜結(jié)合及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白各30多種，呈異質(zhì)性分布：葡糖-6-磷酸酶(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)標(biāo)志酶): RER & SER; 核糖體結(jié)合糖蛋白(ribophorin): RER； 細(xì)胞色素P450酶系(通過羥基化反應(yīng)解毒): SER。 三 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能 蛋白質(zhì)合成； 蛋白質(zhì)的修飾加工（糖基化等）； 脂質(zhì)合成； 其他功能。（一）蛋白質(zhì)合成 蛋白質(zhì)都是在核糖體上合成的，且起始于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，有些蛋白在合成開始不久后便轉(zhuǎn)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成,主要包括： 胞外分泌的蛋白：如抗體、激素； 膜整合蛋白； 某些細(xì)胞器的駐留蛋白（

12、溶酶體、液泡、溶 酶體和高爾基體）； 需修飾的蛋白：如糖蛋白。附著核糖體游離核糖體蛋白合成起始于胞質(zhì)中游離的核糖體信號(hào)假說(signal hypothesis) GBlobel& DSabatini等(1975)提出，即分泌性蛋白N端序列作為信號(hào)肽，指導(dǎo)分泌性蛋白到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成，在蛋白合成結(jié)束之前信號(hào)肽被切除。 1999年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)合成蛋白如何準(zhǔn)確進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)？信號(hào)肽(signal peptide)：位于蛋白質(zhì)N端的一段肽鏈，其在游離核糖體上即由信號(hào)密碼翻譯合成，引導(dǎo)肽鏈跨內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，又稱開始轉(zhuǎn)移序列。長為1326個(gè)aa，N端至少含有一個(gè)帶正電荷的aa;中部為1015個(gè)高度

13、疏水性的aa(丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、異亮氨酸和苯丙氨酸),此區(qū)極重要，置換其中某一個(gè)aa為非極性氨基酸時(shí)，信號(hào)肽即失去其功能；C-端有信號(hào)肽酶識(shí)別位點(diǎn)。信號(hào)肽的一級(jí)序列信號(hào)肽一級(jí)序列由疏水核心（h）、C端（c）和N端（n）三個(gè)區(qū)域構(gòu)成。1 蛋白轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成過程中涉及成分：一些信號(hào)肽序列蛋白質(zhì)信號(hào)序列前白蛋白原 Met-Lys-Trp-Val-Thr-Phe-Leu-Leu-Leu-Leu-Phe-Ile-Ser- Gly-Ser-Ala-Phe-SerArg前IgG輕Met-Asp-Met-Arg-Ala-Pro-Ala-Gln-Ile-Phe-Gly-Phe-Leu- Leu-Leu-

14、Leu-Phe-Pro-Gly- Thr-Arg-CysAsp溶酶體酶前體PrelysozymeMet-Arg-Ser-Leu-Leu-Ile-Leu-Val-Leu-Cys-Phe-Leu- Pro-Leu-Ala-Ala-Leu-GlyLys三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域 存在于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，由一個(gè)7sRNA(約300個(gè)堿基)和6種不同的蛋白質(zhì)緊密結(jié)合組成的復(fù)合物。 信號(hào)識(shí)別顆粒（signal recognition particle，SRP）：7sRNA功能：1結(jié)合信號(hào)肽，防止新生肽N端受損傷和成熟前折疊 ；2結(jié)合核糖體，占據(jù)其A位點(diǎn)，使蛋白合成暫停。 3識(shí)別ER膜上的SRP受體，轉(zhuǎn)移新生肽到ER腔。S

15、RP受體： 也稱停泊蛋白(docking protein，DP)，為膜整合蛋白，位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的胞質(zhì)面。 功能:可識(shí)別并特異結(jié)合SRP。易位子(translocon)： 由TRAM蛋白和Sec61蛋白構(gòu)成，可結(jié)合信號(hào)肽和停止轉(zhuǎn)移序列，引導(dǎo)新生肽進(jìn)入ER腔，在形成跨膜蛋白中有重要作用。停止轉(zhuǎn)移序列： 僅存在于跨膜蛋白上的一段aa序列，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的親合力很高，和易位子結(jié)合后阻止肽鏈繼續(xù)進(jìn)入網(wǎng)腔，是跨膜Pr的跨膜段。停止轉(zhuǎn)移序列2 釋放到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白的合成（分泌蛋白和駐留蛋白）信號(hào)肽在游離核糖體上合成信號(hào)肽與SRP結(jié)合肽鏈延伸終止SRP與DP結(jié)合核糖體和ER膜上的核糖體受體結(jié)合 SRP脫離信號(hào)肽，被釋

16、放肽鏈繼續(xù)合成，信號(hào)肽開啟ER膜上的易位子，引導(dǎo)新生肽鏈進(jìn)入ER腔信號(hào)肽被切除肽鏈延伸至終止。?？康鞍滓孜蛔涌缒さ鞍祝憾嚯逆?zhǔn)杷怨?jié)段形成的螺旋跨膜。3 跨膜蛋白形成膜1）單次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：單次跨膜蛋白有一個(gè)末端起始轉(zhuǎn)移序列，一個(gè)停止轉(zhuǎn)移序列，依靠停止轉(zhuǎn)移序列跨膜?；蛑挥幸粋€(gè)中間轉(zhuǎn)移信號(hào)序列,依靠其轉(zhuǎn)移和跨膜。2）雙次跨膜蛋白整合到ER膜的方式： 一個(gè)中間開始轉(zhuǎn)移序列，一個(gè)停止轉(zhuǎn)移信號(hào)，依靠二者共同跨膜。3）多次跨膜蛋白整合到ER膜的方式： 具有兩個(gè)以上中間開始轉(zhuǎn)移序列和停止轉(zhuǎn)移序列，多肽鏈前后來回重復(fù)的通過脂雙層?？缒つさ鞍椎姆较蛐?跨膜蛋白的方向性在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成時(shí)就形成了，膜

17、蛋白不能做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故在以后隨膜流轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中也不再變化。 膜蛋白不對(duì)稱性源頭之一（二）蛋白質(zhì)的修飾與加工 糖基化 羥基化 ?；?形成二硫鍵蛋白糖基化N-連接糖基化： 寡糖基與多肽鏈中的Asn共價(jià)連接， 同Asn直接連接的是N-乙酰葡萄糖胺。O-連接糖基化 寡糖基與多肽鏈中的Ser、Thr、Hyp共價(jià)連接， 與aa殘基相連的是N-乙酰半乳糖胺。 發(fā)生在高爾基體中。N連接糖基化: 糖基化和多肽合成同時(shí)進(jìn)行糖前體：寡糖多萜醇中間產(chǎn)物。催化酶：ER膜內(nèi)側(cè)面的糖基轉(zhuǎn)移酶。糖基轉(zhuǎn)移酶內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中糖基化跨膜蛋白的運(yùn)輸膜蛋白不對(duì)稱性源頭之二為何跨膜糖蛋白的糖基總在細(xì)胞膜ES面？（三）膜脂的合成 合成幾乎所有細(xì)

18、胞膜需要的脂類； 膜脂的合成與蛋白質(zhì)的合成、運(yùn)輸過程密切相關(guān)； 細(xì)胞的膜成分“源泉”。磷脂在胞質(zhì)面合成： 新合成脂類分子最初只嵌入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脂雙層的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)面。底物： 磷酸甘油、脂酰輔酶A、膽堿（均存在于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中）催化酶：?；D(zhuǎn)移酶、磷酸酶、膽堿磷酸轉(zhuǎn)移酶（位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，活性部位朝向細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)）翻轉(zhuǎn)酶 (flipase) : 以比自發(fā)翻轉(zhuǎn)快105倍的速度，將脂類分子從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)面膜層翻轉(zhuǎn)到ER腔面膜層中。 特點(diǎn)：選擇性轉(zhuǎn)移，對(duì)含膽堿的磷脂轉(zhuǎn)位能力強(qiáng)，故ER膜腔面磷脂酰膽堿(卵磷脂)和鞘磷脂（含膽堿）的含量較高。磷脂翻轉(zhuǎn)到ER腔面膜層中：新合成的脂類翻轉(zhuǎn)酶磷脂合成酶不對(duì)稱的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的脂雙層膜脂

19、不對(duì)稱性的源頭合成的磷脂的轉(zhuǎn)運(yùn)：以出芽的方式轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體、溶酶體和細(xì)胞膜上；憑借一種水溶性的載體蛋白，稱為磷脂轉(zhuǎn)換蛋白(PEP)在膜之間轉(zhuǎn)移磷脂。PEP（四）新生多肽的折疊與裝配 新生多肽需在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)依靠多肽鏈之間的疏水相互作用，和側(cè)鏈基團(tuán)之間的相互作用進(jìn)行折疊和裝配。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的防止蛋白錯(cuò)誤折疊機(jī)制： ER膜腔面含蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 ，可切斷錯(cuò)誤的二硫鍵，幫助新蛋白重新形成正確二硫鍵并正確折疊； 結(jié)合蛋白(binding protein，Bip，Hsp70的一種)可識(shí)別未裝配好的蛋白亞單位或錯(cuò)誤折疊蛋白，促進(jìn)其重新折疊與裝配； 畸形肽鏈被識(shí)別后可通過“易位子”進(jìn)入胞質(zhì)，被蛋白酶體降解。1）外輸性脂類的合成 SER包含一整套合成脂類的酶系，合成幾乎所有脂類（除了合成膜脂以外，還合成包括脂肪、磷脂、膽固醇、甾類激素等其它的脂類）。（五）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其他功能（滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)） 2） 糖原代謝 肝細(xì)胞內(nèi)的滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)胞質(zhì)面附著的糖原顆粒，可被6-磷酸葡萄糖酶催化降解，生成葡萄糖。 糖原顆粒 1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖+磷酸 葡萄糖釋