1、第七章 真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输,第一节 细胞质基质及其功能第二节 细胞内膜系统及其功能,本章主要内容,第一节 细胞质基质,细胞质基质(cytoplasmic matrix or cytomatrix)，是指在真核细胞的细胞质中，除去可分辩的细胞器以外的胶状物质，其体积约占细胞一半，含有与中间代谢有关的数千种酶类，与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨架结构，又称胞质溶胶(cytosol)。,一、细胞质基质的涵义,胞质溶胶(cytosol)，用差速离心的方法分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，最终得到的富含蛋白质的成分。,细胞质基质不是简单的酶溶液，其中的蛋白质分子和颗粒性物质
2、的扩散速率仅为水溶液中的1/5，说明它们并不是以溶解状态存在的，mRNA在细胞中呈区域性分布，而更大的结构如分泌泡和细胞器等则固定在细胞质基质的某些部位上，或沿细胞骨架定向运动。细胞质基质是高度有组织的体系，其中细胞质骨架纤维贯穿在粘稠的蛋白质胶体中，多数蛋白质直接或间接地与骨架结合，或与生物膜结合，一些功能相关的酶彼此可能一弱键结合形成多酶复合体，从而更好的完成特定的生物学功能。,二、细胞质基质的功能,（1）是许多中间代谢过程完成的场所,蛋白质的合成及其在细胞质中的分选与转运脂肪酸的合成和糖原的合成等糖酵解及其他生物大分子的降解等代谢活动细胞信号转导的很多步骤,（2）与细胞骨架和膜相结构相关
3、的功能：维持细胞形态、细胞运动、细胞内物质运输及能量传递,（3）蛋白质的修饰,（4）控制蛋白质的寿命,辅酶或辅基与酶的共价结合；磷酸化与去磷酸化，调节蛋白的活性；糖基化(N乙酰葡萄糖胺连接到Ser残基的羟基上)；甲基化，维持蛋白的寿命；酰基化；,决定蛋白质寿命的信号存在于其N端，若N端的第一个氨基酸残基是Met, Ser, Thr, Ala, Val, Cys, Gly或Pro,则该蛋白稳定；若是其它12种氨基酸，则不稳定。,识别短命蛋白质并将其降解的途径是：泛素依赖的降解途径(ubiquitin-dependent pathway) 。,泛素(ubiquitin)是含有76个氨基酸残基的碱性
4、蛋白质，广泛存在于真核细胞，在进化中高度保守，酵母与哺乳动物只差3个氨基酸。,Aaron Ciechanover,Avram Hershko,Irwin Rose,Israe,Israe,US,“for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation”The Nobel Prize in Chemistry 2004,泛素C末端Gly的羧基能与蛋白质Lys残基的氨基形成肽键，使泛素与蛋白质末端共价结合，然后由一种26S的蛋白酶复合体(proteosome)将蛋白质水解。,（5）降解变性和错误折叠的蛋白质 其降解涉及依赖泛素的蛋白降
5、解途径,（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 这一功能主要涉及热休克蛋白(Hsp)等分子伴侣,内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联、由单层膜包围形成的囊状、管状和泡状的细胞器和结构。包括内质网，高尔基体，溶酶体和微体等。,第二节 细胞内膜系统（endomembrane system ）,一、内质网 (endoplasmic eticulum, ER),发现于1945年(Porter)，证实于1954年(Palade & Porter)内质网由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构，占膜系统的一半，其体积占细胞体积的10%。,微粒体（microsome）细
6、胞匀浆和超速离心过程中形成的近似球形的囊泡结构，由内质网膜与核糖体组成。,（一）内质网的两种基本类型,糙面内质网(rough enndoplasmic reticulum，rER),光面内质网(smooth endoplasmic reticulum，sER)。,糙面内质网是蛋白质合成和运输的重要场所光面内质网是脂质合成的重要场所 3.内质网是蛋白质的修饰、加工的场所4.是新生多肽的折叠与装配场所5. 其它功能,（二） 内质网的功能,向细胞外分泌的蛋白膜整合蛋白 构成内质网和高尔基体等细胞器中的可溶性驻留蛋白,1. 蛋白质的合成,2. 脂质的合成,2脂酰辅酶A+3-磷酸甘油,酰基转移酶,磷脂酸
7、,磷酸酶,二酰基甘油,胆碱磷酸转移酶,磷脂酰胆碱,CoA,Pi,CMP,CDP胆碱,合成的磷脂在磷脂转位酶的作用下由细胞质基质侧转向内质网腔面(翻转运动)；以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；或由磷脂转换蛋白在膜之间转移磷脂。,Synthesis of membrane lipids,Most membrane lipids are synthesized enterly within the ER. There are two exceptions:sphingomyelin and glycolipids, (begins in ER; completed in Golgi);
8、(2) some of the unique lipids of the Mit and Chl membranes (themself).The membranes of different 0rganelles have markedly different lipids composition.Transport by budding：ERGC、Ly、PMTransport by phospholipid exchange proteins(PEP)：ERother organelles（including Mit and Chl）,The role of phospholipid tr
9、anslocators in lipid bilayer synthesis,The precursor of 14 residues is the same in plants, animals, and single-celled eukaryotes,then remove 3 glucoses and 1 mannose in the ER,3. 蛋白质的修饰与加工糖基化、羟基化、酰基化、二硫键的形成,Asn-X-Ser/Thr,N-连接的糖基化 Asn N-乙酰葡萄糖胺O-连接的糖基化 Ser/Thr N-乙酰半乳糖胺,磷酸多萜醇,糖基转移酶,酰 基 化,软脂酸共价结合在跨膜蛋白的C
10、ys残基上,PDI的作用,Protein disulfide isomerase(PDI)（二硫键异构酶）,4. 新生多肽的折叠与装配,BAP regulates the ATPase cycle of BiP for proper protein folding.In healthy cells, ERdj recruits ATP-bound BiP to unfolded proteins and stimulates BiPs ATPase activity to hydrolyze ATP to ADP, thereby locking the ADP-bound form of B
11、iP onto the unfolded substrates. The nucleotide-exchange factor BAP catalyzes the release of ADP from BiP, which becomes free to rebind ATP. Once ATP-bound, BiP is released from the substrate, allowing the folding process to proceed to completion. In cells lacking BAP, the cycle is disrupted, and ma
12、ny ADP-bound BiP molecules will fail to be released and recycled, leaving many unfolded proteins unattended.,5. 内质网的其它作用,解毒，细胞色素P450酶系(sER)。参与甾体类激素的合成(sER)。储存钙离子，作为细胞内信号物质，如肌质网。提供酶附着的位点和机械支撑作用。糖原分解。,糖原分解释放游离的葡萄糖,蛋白激酶A,附在sER上的糖原,葡萄糖-1-磷酸,激素,cAMP,葡萄糖-1-磷酸酶,葡萄糖和磷酸,葡萄糖磷酸变位酶,葡萄糖-6-磷酸,sER上的葡萄糖-6-磷酸酶, 葡萄糖-
13、6-磷酸酶是内质网的标志酶,内质网与基因表达的调控人们发现至少有3种不同的从内质网到细胞核的信号转导途径：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. 内质网上膜脂成分的变化。,ATF6DC translocates to the nucleus to activate ER-stress inducible target genes that code for proteins involved in protein folding.,XBP1(S) binds to the promoters of several genes involved in retr
14、ograde transport of misfolded proteins from the ER to the cytosol and in ER-induced protein degradation.,PERK-dependent phosphorylation of eIF2 on Ser 51 leads to attenuation of protein translation and thereby reduces the workload of the ER.,Under normal conditions, BiP serves as a negative regulato
15、r of IRE1, PERK and ATF6 activation.,二、 高尔基体的结构与功能,高尔基复合体(Golgi complex)，又称高尔基体(Golgi body)，高尔基器(Golgi apparatus)。,1898年意大利医生Camillo Golgi用镀银法首次在神经细胞内发现。,20世纪50年代证实。,（一）高尔基体的形态结构与极性,由一些排列较为整齐的扁平囊(saccules)堆叠一起而成。靠近核的一面，扁囊弯曲成凸面，又称形成面(forming face)或顺面(cis face)；面向细胞膜的一面常呈凹面(concave)又称成熟面(mature face)或
16、反面(trans face)。,四种标志细胞化学反应,高尔基体是一种有极性的细胞器，这不仅表现在它在细胞中有比较恒定的位置与方向，而且物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出，因此每层膜囊各不相同。人们常用电镜细胞化学法对高尔基体的极性进行进一步的鉴定。Cis面囊膜的嗜锇反应；Trans面1-2层囊膜的焦磷酸硫胺素(TPP)酶反应；靠近Trans面囊膜的胞嘧啶单核苷酸(CMP)酶反应；中间几层囊膜的烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADP)酶的标志反应。,甘露糖苷酶,核苷二磷酸酶,高尔基体的分区,1.高尔基体顺面膜囊或顺面网状结构(cis Golgi network,CGN)，,5.高尔基体反面囊膜及反
17、面高尔基体网状结构(trans Golgi network,TGN),3.高尔基体中间囊膜,4.高尔基体反面囊膜,2.高尔基体顺面囊膜,（二）高尔基体的功能,1、参与细胞分泌活动,RER上合成蛋白质进入ER腔COPII运输泡进入CGN在medial Golgi中加工在TGN形成运输泡运输与质膜融合、排出。,高尔基体怎样完成对蛋白质的分类和转运功能1. 甘露糖-6-磷酸（M-6-P）是溶酶体酶的重要标志2. 存在于编码蛋白质基因本身的分选信号，如流感病毒和水泡性口炎病毒包膜蛋白的分选，前者总是特异的转运到上皮细胞游离端的细胞膜上，后者则转运到基底面的细胞膜上。这是由于水泡性口炎病毒包膜蛋白在细胞
18、质基质一侧有双酸分选信号（Asp-X-Gln，DXE）的存在。3. 但是，高尔基体对其他多种蛋白的分选以及对各种蛋白质所携带信号的识别机制还不很清楚。,Golgi complex also plays a key role in the assembly of the carbohydrate component of glycoproteins and glycolipids.,2.蛋白质的糖基化及其修饰,内质网,高尔基体cis,高尔基体中间囊膜,trans,将蛋白质N端或C端切除，成为有活性的物质,3、蛋白酶的水解和其他加工过程,或将含有多个相同氨基序列的前体水解为有活性的多肽，如神经肽。
19、,硫酸化（Phosphorylation）,作为对分子的稳定修饰，这种修饰主要发生在上蛋白聚糖上。3磷酸腺苷5磷酸硫酸从细胞质基质中转入高尔基体膜囊内，在酶的催化下，将硫酸根转移到肽链中的酪氨酸残基的羟基上。,蛋白聚糖的组装核心蛋白的糖基化,由一个或多个糖胺聚糖结合到蛋白聚糖的核心蛋白的丝氨酸残基上，所不同的是直接与丝氨酸羟基结合的不是N-乙酰半乳糖胺而是木糖。,三、溶酶体的形态结构和功能,溶酶体是含有（高浓度）能降解核酸、蛋白和多糖大分子的种种酸性水解酶的单层膜包裹的球形小泡，直径约0.2m0.5m,（一）溶酶体的结构类型,存在于所有动物细胞中，植物中与其对应的细胞器为液泡和圆球体。属异质性
20、(heterogenous)细胞器。,初级溶酶体(primary lysosome)、次级溶酶体(secondary lysosome)和残余体(residual body)。,初级溶酶体呈球形，不含有明显的颗粒物质，内有多种水解酶，pH值为5左右。,次级溶酶体是初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡（胞饮泡或吞噬泡）融合形成的复合物，分别称自噬溶酶体(autophago-lysosome)和异噬溶酶体(phagolysosome)。内含多种生物大分子、颗粒性物质、线粒体等细胞器和细胞等。,自噬溶酶体(autophagolysosome)和异噬溶酶体(phagolysosome),残余体（resi
21、dual body）又称后溶酶体（post-lysosome）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，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质。,溶酶体膜的特点,膜的成分与其它生物膜也有所不同：嵌有质子泵，维持其酸性环境；具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；膜蛋白高度糖基化。,溶酶体的主要酶类,（二） 溶酶体的功能,1. 细胞内消化：如高等动物内吞低密脂蛋白获得胆固醇，单细胞真核生物利用溶酶体的消化食物。,自体吞噬：清除无用的生物大分子，衰老细胞、细胞器、个体发育中多余的细胞。许多生物大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约1
22、0天左右。,2. 防御作用：如巨噬细胞杀死病原体。,3. 其他重要的生理功能：如参与分泌过程的调节：如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素；形成精子的顶体，等等。,矽肺：二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，导致吞噬细胞溶酶体破裂，水解酶释放，细胞崩解，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。,典型的矽结节是由呈同心圆状或旋涡状排列的、已发生玻璃样变的胶原纤维构成,在两肺遍布圆型阴影基础上出现团块状大阴影改变，有的大阴影在两上肺出现，有的大阴影在两肺上中下区连成一片,肺结核：结核杆菌不产生内、外毒素, 也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体
23、成分硫酸脑苷脂能抵抗溶酶体的杀伤作用, 使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖, 导致巨噬细胞裂解, 释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，引起肺组织钙化和纤维化。,类风湿性关节炎：溶酶体膜很易脆裂。,（三）溶酶体的发生,内质网上核糖体合成溶酶体蛋白进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰进入高尔基体cis面膜囊磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑将乙酰葡糖胺磷酸转移在12个甘露糖残基上在中间膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配体与trans膜囊上的受体结合通过clathrin衣被包装成初级溶酶体 。,Transport of newly synthesized hydrolases to lysosome
24、s,溶酶体酶蛋白甘露糖残基磷酸化的生化反应,甘露糖6-磷酸分选途径和溶酶体形成的主要过程,（四）溶酶体与过氧化物酶体(peroxisome),又称微体(microbody)，Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。为异质性的细胞器。直径通常0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。,特点：含过氧化氢酶（标志酶）和一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶，已发现40多种氧化酶，各类氧化酶的共性是将底物氧化后生成过氧化氢。而过氧化氢酶又利用H2O2去氧化其它底物。RH2+O2R+H2O2,在植物中：参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，在萌发的种子中，进行脂肪的-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体。,在动物中： 参与脂肪酸的-氧化； 具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。,已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞。再进行进一步的装配。,微体中所有的酶都由核基因编码，在细胞质基质中合成，在过氧化物酶体蛋白分选信号序列(peroxisomal targeting signal,PTS)的引导下，进入过氧化物酶体。,
