細(xì)胞生物學(xué)：第六章 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)

1、第六章細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)電鏡出現(xiàn)后，人們發(fā)現(xiàn)，真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)具有發(fā)達(dá)的內(nèi)膜系統(tǒng)(endomembrane system)，形成了細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)以及膜圍繞的細(xì)胞器。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是指在真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，除去可分辨的細(xì)胞器以外的膠狀物質(zhì)，稱 (cytoplasmicmatrixOrcytomatrix)。其體積約占細(xì)胞質(zhì)的一半。細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)是在結(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)。主要包括內(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)一、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的組成用差速離心的方法分離細(xì)胞勻漿物中的各種細(xì)胞組分，存留在上清液中的主要是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的成分。生物化學(xué)家多稱之為

2、胞質(zhì)溶膠。在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，主要含有與中間代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類，以及與維持細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)的細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白質(zhì)含量約占2030，形成一種粘稠的膠體，多數(shù)的水分子是以水化物的形式緊密地結(jié)合在蛋白質(zhì)和其他大分子表面的極性部位，只有部分水分子以游離態(tài)存在，起溶劑作用。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白質(zhì)分子和顆粒性物質(zhì)的擴(kuò)散速率僅為水溶液中的15，更大的結(jié)構(gòu)如分泌泡和細(xì)胞器等則固定在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的某些部位上，或沿細(xì)胞骨架定向運(yùn)動。二、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能許多中間代謝過程都在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行 1蛋白質(zhì)的修飾 在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中發(fā)生蛋白質(zhì)修飾的類型主要有： (1) 輔酶或輔基與酶的共價結(jié)合。 (2) 磷

3、酸化與去磷酸化，用以調(diào)節(jié)很多蛋白質(zhì)的生物活性。 (3)糖基化。糖基化主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中(4)對某些蛋白質(zhì)的N端進(jìn)行甲基化修飾。 2控制蛋白質(zhì)的壽命在蛋白質(zhì)分子的氨基酸序列中，除了有決定蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)定位的信號和與修飾作用有關(guān)的信號外，還有決定蛋白質(zhì)壽命的信號。這種信號存在于蛋白質(zhì)N端的第一個氨基酸殘基，若N端的第一個氨基酸是Met(甲硫氨酸)、Ser (絲氨酸)、Thr(蘇氨酸)、Ala(丙氨酸)、Val(纈氨酸)、Cys(半胱氨酸)、Gly(甘氨酸)或Pro(脯氨酸)，則蛋白質(zhì)是穩(wěn)定的；如是其他12種氨基酸之一，則是不穩(wěn)定的。每種蛋白質(zhì)開始合成時，N端的第一個氨基酸都是甲硫氨酸(細(xì)

4、菌中為甲酰甲硫氨酸)，但合成后不久便被特異的氨基肽酶水解除去，然后由氨酰tRNA蛋白轉(zhuǎn)移酶(aminoacyl-tRNA-protein transferase)把一個信號氨基酸加到某些蛋白質(zhì)的N端，最終在蛋白質(zhì)的N端留下一個不穩(wěn)定的或穩(wěn)定的氨基酸殘基。在真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，有一個很復(fù)雜的機(jī)制，識別蛋白質(zhì)N端不穩(wěn)定的氨基酸信號并準(zhǔn)確地將這種蛋白質(zhì)降解，是依賴于泛素的降解途徑(ubiquitin-dependentpathway)。泛素是一個由76個氨基酸殘基組成的小分子蛋白，具有多種生物學(xué)功能。在蛋白質(zhì)降解過程中，多個泛素分子共價結(jié)合到含有不穩(wěn)定氨基酸殘基的蛋白質(zhì)的N端，然后一種 26S的

5、蛋白酶復(fù)合體或稱蛋白酶體(proteosome)將蛋白質(zhì)完全水解。 3降解變性和錯誤折疊的蛋白質(zhì) 4幫助變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)重新折疊，形成正確的分子構(gòu)象 第二節(jié) 內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是真核細(xì)胞中由封閉的膜系統(tǒng)及其圍成的腔形成互相溝通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通常占細(xì)胞膜系統(tǒng)的一半左右，體積約占細(xì)胞總體積的10以上。原核細(xì)胞內(nèi)沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，由細(xì)胞膜代行其某些類似的職能。 一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本類型 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可分為兩種基本類型：糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(rough endo plasmic reticulum，rER)和光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(smooth endoplasmic reticu

6、lum，sER)。糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)多呈扁囊狀，排列較為整齊，因在其膜表面分布著大量的核糖體而命名。它是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與核糖體共同形成的復(fù)合機(jī)能結(jié)構(gòu)，其主要功能是合成分泌性的蛋白和多種膜蛋白。因此在分泌細(xì)胞(如胰腺腺泡細(xì)胞)和分泌抗體的漿細(xì)胞中，糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)非常發(fā)達(dá)，而在一些未分化的細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞中則較為稀少。 表面沒有核糖體結(jié)合的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)稱光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)常為分支管狀，形成較為復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)。 光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是脂質(zhì)合成的重要場所，細(xì)胞中幾乎不含有純的光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，它們只是作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一部分。光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)所占的區(qū)域通常較小，往往作為出芽的位點(diǎn)，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)或脂質(zhì)轉(zhuǎn)移到高爾基體內(nèi)。在某些細(xì)胞中，光面內(nèi)質(zhì)

7、網(wǎng)非常發(fā)達(dá)并具有特殊的功能，如合成固醇類激素的細(xì)胞及肝細(xì)胞等。 二、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)與脂質(zhì)合成的基地，幾乎全部的脂質(zhì)和多種重要的蛋白質(zhì)都是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的。 1蛋白質(zhì)的合成細(xì)胞中的蛋白質(zhì)都是在核糖體上合成的，并都是起始于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)之中。有些蛋白質(zhì)剛起始合成不久便轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，繼續(xù)進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。在糙 面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，多肽鏈一邊延伸一邊穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，以這類方式合成的蛋白質(zhì)主要包括： (1)向細(xì)胞外分泌的蛋白質(zhì) 如胰腺細(xì)胞分泌的酶、漿細(xì)胞分泌的抗體、小腸杯狀細(xì)胞分泌的粘蛋白(mucin)、內(nèi)分泌腺分泌的多肽類激素以及胞外基質(zhì)成分等。這類蛋白質(zhì)常以分泌泡的形式通過細(xì)胞

8、的胞吐作用輸送到細(xì)胞外。 (2)膜的整合蛋白 膜蛋白等都具有方向性，其方向性在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成時就已確定。 (3)構(gòu)成細(xì)胞器中的可溶性駐留蛋白 2脂質(zhì)的合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成構(gòu)成細(xì)胞所需要的幾乎全部的膜脂，其中最主要的是磷脂酰膽堿(卵磷脂)。合成磷脂所需要的3種酶都定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，其活性部位在膜的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)。合成磷脂的底物是來自細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成的磷脂,幾分鐘后就由細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)轉(zhuǎn)向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面，其轉(zhuǎn)位可能是借助一種磷脂轉(zhuǎn)位因子(phospholipid translocator)或稱轉(zhuǎn)位酶(flippase)的幫助來完成的。合成的磷脂由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向其他膜的轉(zhuǎn)運(yùn)主要有兩種方式：一種是以出芽的方式

9、轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體、溶酶體和細(xì)胞膜上；另一種方式是憑借一種水溶性的載體蛋白，稱為磷脂轉(zhuǎn)換蛋白(phospholipid exchange proteins，PEP)在膜之間轉(zhuǎn)移磷脂。其轉(zhuǎn)運(yùn)模式是，首先PEP與磷脂分子結(jié)合形成水溶性的復(fù)合物,進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，通過自由擴(kuò)散到缺少磷脂的靶膜，如線粒體或過氧化物酶體膜上。PEP將磷脂釋放出來，并安插在膜上. 3蛋白質(zhì)的修飾與加工進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)發(fā)生的主要化學(xué)修飾作用有糖基化、羥基化、?；c二硫鍵的形成等。糖基化是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中最常見的蛋白質(zhì)修飾，伴隨著多肽合成同時進(jìn)行。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面，插入膜內(nèi)的磷酸多萜醇上連接有寡糖鏈，膜上的糖基轉(zhuǎn)移酶(glycosyl t

10、ransferase)能夠?qū)⒐烟腔闪姿岫噍拼嫁D(zhuǎn)移到相應(yīng)的氨基酸殘基上。N連接的糖基化:寡糖基轉(zhuǎn)移到天冬酰胺殘基上稱為N連接的糖基化(Nlinked glycosy lation)，與天冬酰胺直接結(jié)合的糖都是N乙酰葡萄糖胺。O連接的糖基化:主要發(fā)生在高爾基體中,糖基化是發(fā)生在絲氨酸或蘇氨酸殘基上，也可能發(fā)生在羥賴氨酸或羥脯氨酸上(如膠原蛋白)，稱O連接的糖基化(Olinkedglycosylation)，與之直接結(jié)合的糖是N乙酰半乳糖胺。其過程尚不完全了解。?；l(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的胞質(zhì)側(cè)，通常是軟脂酸共價結(jié)合在跨膜蛋白的半胱氨酸殘基上。 4新生多肽的折疊與裝配 肽鏈的合成僅需要幾十秒鐘至幾分鐘，而

11、新合成的多肽在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)停留的時間往往長達(dá)幾十分鐘。不同的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)停留的時間長短不一，這在很大程度上取決于蛋白正確折疊所需要的時間。 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)狹小的腔隙中常常同時有多種蛋白質(zhì)。側(cè)鏈基團(tuán)之間極易形成二硫鍵，對肽鏈的正確折疊帶來了很大困難。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中有一種蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(proteindisulfideisomerase)，它附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜腔面上，可以切斷二硫鍵，幫助新合成的蛋白重新形成二硫鍵并處于正確折疊的狀態(tài)。這種酶的存在大大加快了正確折疊的過程。折疊好的蛋白質(zhì)，內(nèi)部往往有個疏水的核心，未折疊的蛋白質(zhì)由于疏水核心的外露，即使在很低的濃度下，也很容易發(fā)生聚集，甚至與其他未折疊的蛋白形成復(fù)合物。

12、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)含有一種結(jié)合蛋白(binding protein，Bip)，可以識別不正確折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進(jìn)它們重新折疊與裝配。一旦這些蛋 白形成正確構(gòu)象或裝配完成，便與Bip分離，進(jìn)入高爾基體。 5內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其他功能 一般細(xì)胞中，光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)所占比例很小，但在某些細(xì)胞中非常發(fā)達(dá)。 肝細(xì)胞中的光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)很豐富，它是合成外輸性脂蛋白顆粒的基地。肝細(xì)胞中的光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中還含有一些酶，用以清除脂溶性的廢物和代謝產(chǎn)生的有害物質(zhì)，因而光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)具有解毒功能。 某些藥物如苯巴比妥(phenobarbit01)進(jìn)人體內(nèi)，肝細(xì)胞中與解毒反應(yīng)有關(guān)的酶便大量合成，幾天之中光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的面積成倍增加。一旦毒物消

13、失，多余的光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也隨之被溶酶體消化，5天內(nèi)又恢復(fù)到原來的大小。 在某些合成固醇類激素的細(xì)胞如睪丸間質(zhì)細(xì)胞中，光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也非常豐富，其中含有制造膽固醇并進(jìn)一步產(chǎn)生固醇類激素的一系列的酶。第三節(jié) 高爾基復(fù)合體高爾基體(Golgi body)又稱高爾基器(Golgi apparatus)或高爾基復(fù)合體(Goli complex)，是比較普遍地存在于真核細(xì)胞內(nèi)的一種細(xì)胞器。一、高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)高爾基體的主體結(jié)構(gòu)由一些(常常48個)排列較為整齊的扁平膜囊(saccules)堆疊在一起構(gòu)成。扁囊多呈弓形，也有的呈半球形或球形。膜囊周圍又有大量的大小不等的囊泡結(jié)構(gòu)。扁囊的直徑多在1mm左右，中間囊腔較

14、窄，周緣多呈泡狀，每層扁囊之間的距離約1530 nm。在不同細(xì)胞中扁囊的數(shù)目差異很大，少至 1-2個，多至十幾個。高爾基體是一種有極性的細(xì)胞器，它在細(xì)胞中往往有比較恒定的位置與方向，物質(zhì)從高爾基體的一側(cè)進(jìn)入，從另一側(cè)輸出，每層膜囊也各不相同。高爾基體靠近細(xì)胞核的一面，扁囊彎曲成凸面又稱形成面(forming face)或順面(cis face)，面向細(xì)胞膜的一面常呈凹面(concave)又稱成熟面(mature face)或反面(trans face)。 根據(jù)高爾基體的各部分膜囊特有的成分，可用電鏡細(xì)胞化學(xué)的方法對高爾基體的結(jié)構(gòu)成分作進(jìn)一步的分析。常用的4種標(biāo)志細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)是： (1)嗜鋨反應(yīng)

15、，經(jīng)鋨酸浸染后，高爾基體的cis面膜囊被特異地染色。 (2)焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)，可特異地顯示高爾基體的 trans面的12層膜囊。 (3)胞嘧啶單核苷酸酶(CMP酶)的細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)，常常可顯示靠近trans面上的一些膜囊狀和管狀結(jié)構(gòu)，CMP酶也是溶酶體的標(biāo)志酶。 (4)煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)，是高爾基體中間幾層扁平囊的標(biāo)志反應(yīng)。 高爾基體的各種標(biāo)志反應(yīng)不僅有助于對高爾基體結(jié)構(gòu)與功能的深入了解，而且可以用來更準(zhǔn)確地鑒別高爾基體的極性。 目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，高爾基體至少由互相聯(lián)系的 4個部分組成，每一部分又可能劃分出更精細(xì)的間隔。高爾基體各個膜囊之

16、間均由膜性結(jié)構(gòu)連在一起 1高爾基體順面膜囊(cis Golgi)或順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cisGolgi network，CGN)位于高爾基體順面最外側(cè)的扁平膜囊，又稱cis膜囊，是中間多孔而呈連續(xù)分支狀的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。CGN膜厚約6nm，比高爾基體其他部位略薄，但與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜厚度接近。一般認(rèn)為，CGN接受來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)新合成的物質(zhì)并將其分類后大部分轉(zhuǎn)入高爾基體中間膜囊，小部分蛋白質(zhì)與脂質(zhì)再返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)具有KDEL(或HDEL)這一信號序列，它是駐留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)蛋白的特有序列。CGN區(qū)域還可能具有其他生物活性，如蛋白絲氨酸殘基發(fā)生O連接的 糖基化；跨膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)結(jié)構(gòu)域的?；?；。 2高

17、爾基體中間膜囊(medial Golgi)由扁平膜囊與管道組成，形成不同間隔，但功能上是連續(xù)的、完整的膜囊體系。多數(shù)糖基化修飾、糖脂的形成以及與高爾基體有關(guān)的多糖的合成都發(fā)生在中間膜囊中。扁平膜囊特殊的形態(tài)使其具有很大的膜表面，從而大大增加了進(jìn)行糖的合成與修飾的有效面積。 3高爾基體反面的膜囊(trans Golgi)以及反面高爾基體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(trans Golginetwork，TGN)TGN位于反面的最外層，與反面的扁平膜囊相連，另一側(cè)伸人反面的細(xì)胞質(zhì)中，形態(tài)呈管網(wǎng)狀，并有囊泡與之相連。在不同的細(xì)胞中，TGN的形態(tài)結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。與高爾基體的其他結(jié)構(gòu)相比，TGN的形態(tài)是處于不斷的動態(tài)變化

18、之中。TGN的主要功能是參與蛋白質(zhì)的分類與包裝，最后從高爾基體中輸出，某些“晚期”的蛋白質(zhì)修飾也發(fā)生在TGN中，如半乳糖(a)2，6位的唾液酸化、蛋白質(zhì)酪氨酸殘基的硫酸化及蛋白原的水解加工作用等。有人認(rèn)為TGN在蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中還起到“瓣膜”的作用，保證這些物質(zhì)向單方向轉(zhuǎn)運(yùn)。在高爾基體的周圍常常有大小不等的囊泡。順面一側(cè)的囊泡可能是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體之間的物質(zhì)運(yùn)輸小泡，稱之為ERGIC(endoplasmic reticulum-Golgi intermediate compartment)，或稱VTCs(Vesicular-tubular clusters)。反面一側(cè)可以見到體積較大的

19、分泌泡與分泌顆粒，將經(jīng)過高爾基體分類與包裝的物質(zhì)運(yùn)送到細(xì)胞特定的部位。高爾基體周圍另一些囊泡推測是膜囊周緣膨大部分出芽形成的，它們可能負(fù)責(zé)膜囊之間的物質(zhì)運(yùn)輸。 二、 高爾基體的功能 高爾基體是細(xì)胞內(nèi)大分子運(yùn)輸?shù)囊粋€主要交通樞紐:高爾基體的主要功能是將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的多種蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、分類與包裝，然后分門別類地運(yùn)送到細(xì)胞特定的部位或分泌到細(xì)胞外。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的脂質(zhì)一部分也要通過高爾基體向細(xì)胞膜和溶酶體膜等部位運(yùn)輸，此外高爾基體還是細(xì)胞內(nèi)糖類合成的工廠。 1細(xì)胞的分泌活動 2蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中所有與糖基化及寡糖的加工有關(guān)的酶都是整合膜蛋白。它們固定在細(xì)胞的不同間隔中，其活性部

20、位均位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體的腔面。寡糖鏈的合成與加工非常像在一條裝配流水線上，糖蛋白從細(xì)胞器的一個間隔輸送到另一個間隔，固定在間隔內(nèi)壁上的一套排列有序的酶系，依次進(jìn)行一道道加工，前一個反應(yīng)的產(chǎn)物又作為下一個反應(yīng)的底物，確保只有加工過的底物才能進(jìn)入下一道工序。 細(xì)胞中還有一類重要的糖蛋白，即蛋白聚糖(proteoglycan)，也在高爾基體中裝配。在植物細(xì)胞中，高爾基體合成和分泌多種多糖，多數(shù)多糖呈分支狀且有很多共價修飾，遠(yuǎn)比動物細(xì)胞的復(fù)雜。涉及數(shù)百種酶。多數(shù)酶都存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中。 3蛋白酶的水解和其他加工過程 有些多肽，在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中高爾基體經(jīng)特異地水解才成為有生物活性的多肽。 不同的蛋

21、白質(zhì)在高爾基體中酶解加工的方式各不相同，可歸納為以下幾種類型： (1)比較簡單的形式是沒有生物活性的蛋白原(proprotein)進(jìn)入高爾基體后，將蛋白原N端或兩端的序列切除形成成熟的多肽。如胰島素、胰高血糖素及血清蛋白( 白蛋白等)。 (2)有些蛋白質(zhì)分子在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成時便是含有多個相同氨基酸序列的前體，然后在高爾基體中水解成同種有活性的多肽，如神經(jīng)肽等。 (3)某些蛋白分子的前體中含有不同的信號序列，最后加工成不同的產(chǎn)物；有些情況下，同一種蛋白質(zhì)前體在不同的細(xì)胞中可能以不同的方式加工而產(chǎn)生不同種的多肽，這樣大大增加了細(xì)胞信號分子的多樣性。不同的多肽采用不同的加工方式，推測其原因是：有些

22、多肽分子太小，在核糖體上難以有效地合成，如僅由5個氨基酸殘基組成的神經(jīng)肽；有些可能缺少包裝并轉(zhuǎn)運(yùn)到分泌泡中的必要信號；更重要的是可以有效地防止這些活性物質(zhì)在合成它的細(xì)胞內(nèi)起作用，硫酸化作用也在高爾基體中進(jìn)行。硫酸化的蛋白質(zhì)主要是蛋白聚糖。 第四節(jié) 溶酶體與過氧化物酶體 溶酶體(1ysosome)是單層膜圍繞、內(nèi)含多種酸性水解酶類的囊泡狀細(xì)胞器。其主要功能是進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的消化作用。溶酶體幾乎存在于所有的動物細(xì)胞中。 典型的動物細(xì)胞中約含有數(shù)百個溶酶體，但在不同的細(xì)胞內(nèi)溶酶體的數(shù)量 和形態(tài)有很大差異，即使在同一種細(xì)胞中，溶酶體的大小、形態(tài)也有很大區(qū)別，這主要是由于每個溶酶體處于其不同生理功能階段的緣

23、故。溶酶體在維持細(xì)胞正常代謝活動及防御等方面起著重要作用，特別是在病理學(xué)中具有重要意義，因此越來越引起人們對溶酶體研究的高度重視。一、溶酶體的結(jié)構(gòu)類型溶酶體是一種異質(zhì)性(heterogenous)細(xì)胞器，這是指不同的溶酶體的形態(tài)大小，甚至其中所包含的水解酶的種類都可能有很大的不同。根據(jù)溶酶體完成其生理功能的不同階段，大致可分為初級溶酶體(primary lysosome)、次級溶酶體(secondarylysosome)和殘余體(residualbody)。 初級溶酶體呈球形，直徑約0205mm，內(nèi)容物均一，不含有明顯的顆粒物質(zhì)，外面由一層脂蛋白膜圍繞，厚度為75mm。其中含有多種水解酶類，如

24、蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、酯酶、磷脂酶、磷酸酶和硫酸酶等，其共同的特征是都屬酸性水解酶，即酶的最適pH為5左右。 次級溶酶體是初級溶酶體與細(xì)胞內(nèi)的自噬泡或異噬泡、胞飲泡或吞噬泡融合形成的復(fù)合體，分別稱之為自噬溶酶體(autophago1ysosome)和異噬溶酶體 (phago1ysosome)，二者都是進(jìn)行消化作用的溶酶體。次級溶酶體中可能包含多種生物大分子、顆粒性物質(zhì)、線粒體等細(xì)胞器乃至細(xì)菌等，因此其形態(tài)不規(guī)則，直徑可達(dá)幾個微米； 經(jīng)過一段時間的消化后，未被消化的物質(zhì)殘存在溶酶體中形成殘余小體或稱后溶酶體。殘余小體可通過類似胞吐的方式將內(nèi)容物排出細(xì)胞。 溶酶體膜在成分上也與其他生物膜不同：嵌

25、有質(zhì)子泵，借助水解ATP釋放出的能量將H+泵人溶酶體內(nèi)，使溶酶體中的H濃度比細(xì)胞質(zhì)中高100倍以上，以形成和維持酸性的內(nèi)環(huán)境；具有多種載體蛋白用于水解的產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運(yùn)；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。目前已發(fā)現(xiàn)60余種溶酶體的酶類，多數(shù)為可溶性的酶，有些整合在溶酶體膜上。少量的溶酶體酶泄露到細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，并不會引起細(xì)胞損傷，其主要原因是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的pH為 70左右，在這種環(huán)境中溶酶體酶的活性大大降低。植物細(xì)胞的液泡中含有多種水解酶類，具有與動物細(xì)胞溶酶體類似的功能。二、溶酶體的功能 溶酶體的基本功能是對生物大分子的強(qiáng)烈的消化作用，這對于維持細(xì)胞的正常代謝活動及防御微生物的侵染

26、都有重要的意義。 1 清除無用的生物大分子、衰老的細(xì)胞器及衰老損傷和死亡的細(xì)胞真核細(xì)胞溶酶體通過降解的方式來清除暫時不需要的酶或某些代謝產(chǎn)物，清除衰老的細(xì)胞器、生物大分子、凋亡的細(xì)胞。臺薩氏(TaySachs)病就是由于溶酶體中缺少9氨基己糖酯酶A(bNhexosaminidaseA)。細(xì)胞膜的神經(jīng)節(jié)苷脂(ganglioside)GM2不能被溶酶體水解而積累在腦細(xì)胞中，造成精神呆滯，約26歲即死亡。除臺薩氏病外，已發(fā)現(xiàn)幾十種這類型的疾病，其共同特征是細(xì)胞溶酶體內(nèi)充滿了未被降解的物質(zhì)，因此稱為儲積癥，它是一種隱性的遺傳病，已越來越引起人們的重視。 2防御功能 某些有防御功能細(xì)胞可以識別并吞噬入侵

27、的病毒或細(xì)菌，在溶酶體作用下將其殺死并進(jìn)一步降解。巨噬細(xì)胞中溶酶體非常豐富 某些病原體如麻風(fēng)桿菌 (Mycobacteriurtz leprae)、利什曼原蟲(Leishmania)等，可在巨噬細(xì)胞的吞噬泡中繁殖，其原因主要是通過抑制吞噬泡的酸化從而抑制了溶酶體酶的活性。 3其他重要的生理功能 (1)作為細(xì)胞內(nèi)的消化“器官”為細(xì)胞提供營養(yǎng)，如降解內(nèi)吞的血清脂蛋白，獲得膽固醇等營養(yǎng)成分。在肝細(xì)胞中，每小時降解的蛋白質(zhì)占肝細(xì)胞蛋白總量的4.5，這一過程主要由溶酶體完成。 (2)在分泌腺細(xì)胞中，溶酶體常常含有攝人的分泌顆粒，可能參與分泌過程的調(diào)節(jié)。在甲狀腺中，甲狀腺球蛋白(thyroglobin)儲

28、存在腺體內(nèi)腔中，通過吞噬作用進(jìn)入分泌細(xì)胞內(nèi)并與溶酶體融合，甲狀腺球蛋白被水解成甲狀腺素，然后分泌到細(xì)胞外的毛細(xì)血管中。 (3)兩棲類發(fā)育過程中蝌蚪尾巴的退化，哺乳動物斷奶后乳腺的退行性變化等都涉及某些特定細(xì)胞編程性死亡及周圍活細(xì)胞對其的清除，這些過程都與溶酶體有關(guān)。(4)在受精過程中的作用，精子的頂體(acrosome)相當(dāng)于特化的溶酶體，其中含多種水解酶類，它能溶解卵細(xì)胞的外被及濾泡細(xì)胞，產(chǎn)生孔道，使精子進(jìn)入卵細(xì)胞。三、溶酶體的發(fā)生 四、溶酶體與過氧化物酶體過氧化物酶體(peroxisome)又稱微體(microbody)，是由單層膜圍繞的、內(nèi)含一種或幾種氧化酶類的細(xì)胞器(圖614)。它普遍

29、地存在于所有動物細(xì)胞和很多植物細(xì)胞中。由于過氧化物酶體在形態(tài)大小及降解生物大分子等功能上與溶酶體類似，再加上也是一種異質(zhì)性的細(xì)胞器，因此人們在很長時間里把它看作是某種溶酶體，直至 20世紀(jì)70年代才逐漸確認(rèn)過氧化物酶體是一種與溶酶體完全不同的細(xì)胞器。近些年來，對這一細(xì)胞器的成分、功能及其發(fā)生過程有了進(jìn)一步了解。 1過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別 這兩種細(xì)胞器在成分、功能及發(fā)生方式等方面都有很大的差異，詳見表63所示。 2過氧化物酶體的功能 過氧化物酶體中常含有兩種酶：一是依賴于黃素(FAD)的氧化酶，其作用是將底物氧化形成H202；二是過氧化氫酶，它的作用是將H202分解，形成水和氧氣。由這兩種酶

30、催化的反應(yīng)，相互偶聯(lián)，從而可使細(xì)胞免受H202的毒害。對動物細(xì)胞中過氧化物酶體的功能了解很少，已知在肝細(xì)胞或腎細(xì)胞中，它可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。例如飲進(jìn)的酒精幾乎半數(shù)是在過氧化物酶體中氧化成乙醛的。 在植物細(xì)胞中過氧化物酶體起著重要的作用。一是在綠色植物葉肉細(xì)胞中，它催化C02固定反應(yīng)副產(chǎn)物的氧化，即所謂光呼吸反應(yīng)；二是在種子萌發(fā)過程中，過氧化物酶體降解儲存在種子中的脂肪酸產(chǎn)生乙酰輔酶A，并進(jìn)一步形成琥珀酸，琥珀酸離開過氧化物酶體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成葡萄糖。因上述轉(zhuǎn)化過程伴隨著一系列稱為乙醛酸循環(huán)的反應(yīng)，因此又將這種過氧化物酶體稱為乙醛酸循環(huán)體(glyoxysome)。 在動物細(xì)胞中

31、沒有乙醛酸循環(huán)反應(yīng)，因此動物細(xì)胞不能將脂肪中的脂肪酸直接轉(zhuǎn)化成糖。 3過氧化物酶體的發(fā)生 第五節(jié) 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選與細(xì)胞結(jié)構(gòu)的裝配哺乳動物細(xì)胞中一般可檢測出1萬-2萬種蛋白質(zhì)，酵母細(xì)胞中也含有 5 000種以上的蛋白。絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)均在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的核糖體上開始合成，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞的特定部位，并裝配成結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合體，參與細(xì)胞的生命活動。這一過程稱蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運(yùn)(protein targeting)或分選(protein sorting)。蛋白質(zhì)分選與裝配是一個涉及多種信號調(diào)控的復(fù)雜而重要的細(xì)胞生物學(xué)問題。一、信號假說與蛋白質(zhì)分選信號 為什么有些蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成，而有些在糙面內(nèi)

32、質(zhì)網(wǎng)上合成?1975年， GBlobel和DSabatini等根據(jù)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)依據(jù)，提出了信號假說(signal hypothesis)，即分泌性蛋白N端序列作為信號肽，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)束之前信號肽被切除。經(jīng)過十多年的深入研究，信號假說已得到普遍的承認(rèn)。因此，GBlobel關(guān)于信號序列控制蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移與定位的研究成果，獲得1999年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎?，F(xiàn)已確認(rèn)，指導(dǎo)分泌性蛋白在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的決定因素是蛋白質(zhì)N端的信號肽(signal sequence或 signal peptide)。信號識別顆粒(signal recognition particle，

33、SRP)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的信號識別顆粒的受體(又稱停泊蛋白docking protein，DP)等因子協(xié)助完成這一過程。信號肽位于蛋白質(zhì)的N端，一般有1626個氨基酸殘基，其中包括疏水核心區(qū)、信號肽的C端和N端等三部分。信號肽似乎沒有嚴(yán)格的專一性。目前尚未發(fā)現(xiàn)共同的信號序列。信號識別蛋白由6種多肽和一個7S的RNA組成的復(fù)合物，相對分子質(zhì)量約325X103；它既可與新生肽信號序列和核糖體結(jié)合，又可與停泊蛋白結(jié)合。停泊蛋白相對分子質(zhì)量為72X103，存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，可特異地與信號識別蛋白結(jié)合。 蛋白質(zhì)首先在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)游離核糖體上起始合成，當(dāng)多肽鏈延伸至80個氨基酸左右后，N端的信號序列與信號識別顆粒

34、結(jié)合，使肽鏈延伸暫時停止，并防止新生肽N端損傷和成熟前折疊，直至信號識別顆粒與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的停泊蛋白 (SRP受體)結(jié)合，核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的易位子(translocon)結(jié)合。此后，信號識別顆粒脫離了信號序列和核糖體，返回細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中重復(fù)使用，肽鏈又開始延伸。以環(huán)化構(gòu)象存在的信號肽與易位子組分結(jié)合使孔道打開，信號肽穿入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，引導(dǎo)肽鏈以袢環(huán)的形式進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，這是一個需GTP的耗能過程。與此同時，腔面上的信號肽酶切除信號肽。肽鏈繼續(xù)延伸直至完成整個多肽鏈的合成。引導(dǎo)肽鏈穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的信號肽可以看作為開始轉(zhuǎn)移序列(start transfer sequence)。肽鏈中還可能有某些序列與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

35、膜有很強(qiáng)的親和力而結(jié)合在脂雙層之中，這段序列不再轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，稱為停止轉(zhuǎn)移序列(stop transfer sequence)。如果一種多肽只有N端信號序列而沒有停止轉(zhuǎn)移序列，那么這種多肽合成后一般進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中；如果一種多肽的停止轉(zhuǎn)移序列位于分子的中部，那么這種多肽最終會成為跨膜蛋白。含有多個起始轉(zhuǎn)移序列和多個停止轉(zhuǎn)移序列的多肽將成為多次跨膜的膜蛋白。這種肽鏈邊合成邊轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的方式稱共轉(zhuǎn)移(cotranslocation) 線粒體、葉綠體中絕大多數(shù)蛋白質(zhì)以及過氧化物酶體中的蛋白質(zhì)也是在某種信號序列的指導(dǎo)下進(jìn)入這些細(xì)胞器中。有人稱之為導(dǎo)肽或前導(dǎo)肽(1eaderpeptide)，其基本

36、的特征是蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后再轉(zhuǎn)移到這些細(xì)胞器中，因此稱后轉(zhuǎn)移(posttranslocation)。這種轉(zhuǎn)移方式在蛋白質(zhì)跨膜過程中不僅需要ATP使多肽去折疊，而且還需要一些蛋白質(zhì)的幫助(如熱休克蛋白Hsp70)使其能夠正確地折疊成有功能的蛋白。 繼信號肽后，人們又發(fā)現(xiàn)一系列蛋白分選信號序列統(tǒng)稱信號序列 (signalsequences)。有些還可能形成三維結(jié)構(gòu)的信號稱信號區(qū)指導(dǎo)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞的特定部位二、蛋白質(zhì)分選的基本途徑與類型蛋白質(zhì)的分選大體可分兩條途徑：一條是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中完成多肽鏈的合成，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至膜圍繞的細(xì)胞器，如線粒體(或葉綠體)、過氧化物酶體、細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的特定部

37、位，最近發(fā)現(xiàn)有些還可轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中；另一條途徑是蛋白質(zhì)合成起始后轉(zhuǎn)移至糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，新生肽邊合成邊轉(zhuǎn)入糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，隨后經(jīng)高爾基體運(yùn)至溶酶體、細(xì)胞膜或分泌到細(xì)胞外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體本身的蛋白成分的分選也是通過這一途徑完成的 如果從蛋白質(zhì)分選的類型或機(jī)制的角度看，又可分為四種基本類型： 1 蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)(transmembranetransport) 主要是指在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、質(zhì)體(包括葉綠體)和過氧化物酶體等細(xì)胞器，但進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與進(jìn)入線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等細(xì)胞器的機(jī)制又有所不同， 2膜泡運(yùn)輸(vesiculartransport) 指蛋白質(zhì)通過不同類

38、型的轉(zhuǎn)運(yùn)小泡,從其糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成部位轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體,進(jìn)而分選運(yùn)至細(xì)胞的不同部位，其中涉及各種不同的運(yùn)輸小泡的定向轉(zhuǎn)運(yùn)，以及膜泡出芽與融合的過程。 3選擇性的門控轉(zhuǎn)運(yùn)(gatedtransport) 是指在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì),通過核孔復(fù)合體選擇性地完成核輸入或從細(xì)胞核返回細(xì)胞質(zhì)。有人認(rèn)為通過植物胞間連絲的蛋白也屬這一類型。 4細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn) 由于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的結(jié)構(gòu)尚不清楚，因此對其中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方式了解很少。三、膜泡運(yùn)輸 膜泡運(yùn)輸是蛋白運(yùn)輸?shù)囊环N特有的方式，普遍存在于真核細(xì)胞中。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不僅涉及蛋白本身的修飾、加工和裝配，還涉及到多種不同膜泡定向運(yùn)輸及其復(fù)雜的調(diào)控過程。完成細(xì)胞內(nèi)的膜泡運(yùn)輸至少需要10種以上的運(yùn)輸小泡，每種小泡表面都有特殊的標(biāo)志，以保證將轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)運(yùn)至特定的細(xì)胞部位。目前發(fā)現(xiàn)三種不同類型的有被小泡具有不同的物質(zhì)運(yùn)輸作用。 1網(wǎng)格蛋白有被小泡A 負(fù)