內(nèi)蒙古大學細胞生物學講義07細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)

1、第七章 細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)第一節(jié) 細胞質(zhì)基質(zhì)及其功能一、細胞質(zhì)基質(zhì)的涵義1、基本概念：用差速離心分離細胞勻漿物組分，先后除去細胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體和細胞質(zhì)膜等細胞器或細胞結(jié)構(gòu)后，存留在上清液中的主要是細胞質(zhì)基質(zhì)成分。生物化學家稱之為胞質(zhì)溶膠。 2、成分：中間代謝有關(guān)的酶類、細胞骨架結(jié)構(gòu)。 3、特點：細胞質(zhì)基質(zhì)是一個高度有序的體系，通過弱鍵而相互作用處于動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)體系。二、細胞質(zhì)基質(zhì)的功能1、許多中間代謝過程在細胞基質(zhì)中完成：如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等；2、與細胞質(zhì)骨架相關(guān)的功能細胞質(zhì)骨架維持細胞形態(tài)、運動、胞內(nèi)物質(zhì)運輸及能量傳遞，構(gòu)成細胞基質(zhì)結(jié)構(gòu)體系。細胞基質(zhì)

2、與骨架蛋白分子間選擇性結(jié)合，使生物大分子錨定在細胞骨架的三維空間的特定區(qū)域；3、在蛋白質(zhì)的修飾、蛋白質(zhì)選擇性的降解等方面起重要作用；蛋白質(zhì)的修飾的主要類型： 輔酶或輔基與酶的共價結(jié)合； 糖基化：N乙酰葡萄糖胺加到蛋白質(zhì)絲氨酸殘基的羥基上； 磷酸化和去磷酸化； N端甲基化； ?；褐舅?Pro。4、控制蛋白質(zhì)的壽命：N-Met，Ser，Thr，Ala，Val，Cys，Gly或Pro；降解變性和錯誤折疊的蛋白質(zhì)；5、幫助變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)重新折疊：靠Hsp水解ATP來完成。第二節(jié) 細胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能定義：結(jié)構(gòu)、功能和發(fā)生上相關(guān)的內(nèi)膜形成的細胞結(jié)構(gòu)稱為細胞內(nèi)膜系統(tǒng)，如核被膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基

3、體、溶酶體等。功能：區(qū)隔化，增加內(nèi)表面積，提高代謝和調(diào)節(jié)能力。從系統(tǒng)發(fā)生來看內(nèi)膜系統(tǒng)起源于質(zhì)膜的內(nèi)陷和內(nèi)共生。從個體發(fā)生來看新細胞的內(nèi)膜系統(tǒng)來源于原有內(nèi)膜系統(tǒng)的分裂，具有核外遺傳的特性。一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)K. R. Porter等于1945年發(fā)現(xiàn)于培養(yǎng)的小鼠成纖維細胞，因最初看到的是位于細胞質(zhì)內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故名內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticlm，ER）。后來發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)不僅僅存在于細胞的“內(nèi)質(zhì)”部，通常還與質(zhì)膜和核膜相連，并且與高爾基體關(guān)系密切，并且常伴有許多線粒體。1、形態(tài)與組成約占細胞總膜面積的一半，是封閉的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。分為粗面型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和光面型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。-RER呈扁平囊狀，排列整齊，膜圍成

4、的空間稱為ER腔，有核糖體附著。-SER呈分支管狀或小泡狀，無核糖體附著。細胞不含純粹的RER或SER，它們分別是ER連續(xù)結(jié)構(gòu)的一部分。ER主要功能是合成蛋白質(zhì)和脂類，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。-ER膜中含大約60%的蛋白和40%的脂類，脂類主要成分為磷脂，磷脂酰膽堿含量較高，鞘磷脂含量較少，沒有或很少含膽固醇。-ER約有30多種膜結(jié)合蛋白，另有30多種位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，這些蛋白的分布具有異質(zhì)性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，被認為是標志酶，核糖體結(jié)合糖蛋白只分布在RER，P450酶系只分布在SER。 2、ER的功能（RER）1）參與蛋白質(zhì)合成 蛋白質(zhì)都是在核糖體上合成的，

5、并且起始于細胞質(zhì)基質(zhì)中“游離”核糖體，但是有些蛋白質(zhì)在合成開始不久后便轉(zhuǎn)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，這些蛋白主要有：向細胞外分泌的蛋白、如抗體、激素；膜的整合蛋白；需要與其它細胞組合嚴格分開的酶，如溶酶體的各種水解酶；其它的多肽是在細胞質(zhì)基質(zhì)中“游離”核糖體上合成的。包括：細胞質(zhì)基質(zhì)中的駐留蛋白；質(zhì)膜外周蛋白；核輸入蛋白；轉(zhuǎn)運到線粒體、葉綠體和過氧物酶體的蛋白。2）脂類的合成：ER合成細胞所需絕大多數(shù)膜脂（包括磷脂和膽固醇）。兩種例外 鞘磷脂和糖脂（ER開始Golgi complex完成）Mit/Chl某些單一脂類是在它們的膜上合成的。各種不同的細胞器具有明顯不同的脂類組成： phosphatidylch

6、oline（PC）：ERGCPM（高低） phosphatidylserine（PS）：PMGCER（高低） 表明在膜上含有不同的磷脂修飾酶。磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位點朝向cytosol；磷脂的轉(zhuǎn)運有兩種方式:-transport by bdding：ERGC、Ly、PM；- transport by phospholipid exchange proteins（PEP）：ERother organelles。3）蛋白質(zhì)的修飾與加工包括糖基化、羥基化、?；?、二硫鍵形成等，其中最主要的是糖基化，幾乎所有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)最終被糖基化。糖基化的作用： 使蛋白質(zhì)能夠抵抗消化酶的作用；

7、賦予蛋白質(zhì)傳導(dǎo)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Ser、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-乙酰葡萄糖胺。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上進行N-連接的糖基化。糖的供體為核苷糖，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、DP-N-乙酰葡萄糖胺。糖分子首先被糖基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移到膜上的磷酸長醇（dolichol phosphate）分子上，裝配成寡糖鏈。再被寡糖轉(zhuǎn)移酶

8、轉(zhuǎn)到新合成肽鏈特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺殘基上。X是除Pro以外的任何氨基酸。4）新生肽鏈的折疊、組裝和運輸不同的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中停留的時間不同，這主要取決于蛋白質(zhì)完成正確折疊和組裝的時間。有些無法完成正確折疊的蛋白質(zhì)被輸出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，轉(zhuǎn)入溶酶體中降解掉。新生肽的折疊組裝：ER內(nèi)腔是非還原性的，易于二硫鍵形成；蛋白二硫鍵異構(gòu)酶切斷二硫鍵，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)。 5）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其它作用（SER）合成磷脂、膽固醇等膜脂，合成后以出芽的方式轉(zhuǎn)運至高爾基體，溶酶體和質(zhì)膜上，或借磷脂轉(zhuǎn)移蛋白（PTP）形成水溶性復(fù)合物，轉(zhuǎn)至其他膜上。解毒：如肝細

9、胞的細胞色素P450酶系，通常可將脂溶性有毒物質(zhì)，代謝為水溶性物質(zhì)，使有毒物質(zhì)排出體外。 參與甾體類激素的合成：在生殖腺和腎上腺的內(nèi)分泌細胞中，SER、線粒體，可能還有高爾基體上的一些酶共同參與甾體類激素的合成。調(diào)節(jié)血糖濃度：使葡糖6-磷酸水解為磷酸和葡萄糖，釋放糖至血液中。儲存鈣離子，作為細胞內(nèi)信號物質(zhì)，如肌質(zhì)網(wǎng)。支撐作用：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)最豐富的膜，形成了一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供機械支撐作用，并成為細胞質(zhì)中酶附著的支架。二、高爾基體最早發(fā)現(xiàn)于1855年。1889年，Golgi用銀染法在貓頭鷹的神經(jīng)細胞內(nèi)觀察到了清晰的結(jié)構(gòu)，因此定名為高爾基體。20世紀50年代以后才正確認識它的存在和結(jié)構(gòu)。1、形態(tài)與

10、組成是由數(shù)個扁平囊泡堆在一起形成的高度有極性的細胞器。常分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與細胞膜之間，呈弓形或半球形。凸出的一面對著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)稱為形成面或順面。凹進的一面對著質(zhì)膜稱為成熟面或反面。順面和反面都有一些或大或小的運輸小泡。扁平囊直徑約1m，單層膜構(gòu)成，中間為囊腔，周緣多呈泡狀，48個扁平囊在一起(某些藻類可達一二十個)，構(gòu)成高爾基體的主體，即高爾基體堆(Golgi stack)。2、功能區(qū)隔1）高爾基體順面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Cis Golgi network，CGN）：是高爾基體的入口區(qū)域。接受由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的物質(zhì)并分類后轉(zhuǎn)入中間膜囊。2）高爾基體中間膜囊（Medial Golgi）：多數(shù)糖基修飾、糖脂的形成以及

11、與高爾基體有關(guān)的糖合成均發(fā)生此處。3）高爾基體反面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Trans Golgi network，TGN）：由反面一側(cè)的囊泡和網(wǎng)管組成， 是高爾基體的出口區(qū)域，功能是參與蛋白質(zhì)的分類與包裝，最后輸出。4）高爾基體周圍還存在大小不等的囊泡 高爾基體各部分膜囊具有不同的細胞化學反應(yīng)： 嗜鋨反應(yīng)：cis面膜囊被鋨酸特異地染色； 焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)：可特異顯示高爾基體的trans面的12層膜囊； 胞嘧啶單核苷酸酶(CMP酶)：可顯示靠近trans面上的一些膜囊狀和管狀結(jié)構(gòu)，CMP酶也是溶酶體的標志酶。 煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)：可顯示高爾基體中間幾層扁平囊；高爾基體與細胞骨架

12、關(guān)系密切，在非極性細胞中，高爾基體分布在微管的負端-微管組織中心（MTOC）。高爾基的膜囊上存在馬達蛋白（cytoplasmic dynein和kinesin）和微絲的馬達蛋白（myosin）。最近還發(fā)現(xiàn)特異的血影蛋白網(wǎng)架。它們在維持高爾基體動態(tài)的空間結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的膜泡運輸中起重要的作用。3、高爾基體主要功能1）參與細胞分泌活動2）負責對細胞合成的蛋白質(zhì)進行加工，分類，并運出，其過程是：SER上合成蛋白質(zhì)進入ER腔以出芽形成囊泡進入CGN在Medial Gdgi中加工在TGN形成囊泡囊泡與質(zhì)膜融合、排出。 高爾基體對蛋白質(zhì)的分類，依據(jù)的是蛋白質(zhì)上的信號肽或信號斑。3）溶酶體酶的分選：M6P和反

13、面膜囊M6P受體 在肝細胞中溶酶體酶還存在不依賴于M6P的另一種分選途徑。4）參與蛋白質(zhì)的糖基化蛋白質(zhì)糖基化類型N-連接與O-連接的寡糖比較 特 征 N-連接O-連接1. 合成部位 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體2. 合成方式 來自同一個寡糖前體一個個單糖加上去3.與之結(jié)合的氨基酸殘基天冬酰胺 絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸、羥脯氨酸4 最終長度 至少5個 糖殘基一般14個糖殘基， 但ABO血型抗原較長5.第一個糖殘基N乙酰葡萄糖胺N乙酰半乳糖胺等蛋白質(zhì)糖基化的特點及其生物學意義：糖蛋白寡糖鏈的合成與加工都沒有模板，靠不同的酶在細胞不同間隔中經(jīng)歷復(fù)雜的加工過程才能完成。糖基化的主要作用是使蛋白質(zhì)在成

14、熟過程中折疊成正確構(gòu)象和增加蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性；多羥基糖側(cè)鏈影響蛋白質(zhì)的水溶性及蛋白質(zhì)所帶電荷的性質(zhì)。對多數(shù)分選的蛋白質(zhì)來說，糖基化并非作為蛋白質(zhì)的分選信號。進化上的意義：寡糖鏈具有一定的剛性，從而限制了其它大分子接近細胞表面的膜蛋白，這就可能使真核細胞的祖先具有一個保護性的外被，同時又不象細胞壁那樣限制細胞的形狀與運動。5）參與蛋白酶水解和其他加工過程三、溶酶體與過氧化物酶體1、溶酶體的結(jié)構(gòu)溶酶體（lysosome）：是單層膜圍繞、內(nèi)含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，其主要功能是進行細胞內(nèi)消化。C. de Dve與B. Novikoff 1955年首次發(fā)現(xiàn)，幾乎存在于所有的動物細胞中。具有異質(zhì)性

15、，形態(tài)大小及內(nèi)含的水解酶種類都可能有很大的不同。執(zhí)行不同生理功能。2、溶酶體的類型根據(jù)完成其生理功能的不同階段可分為：初級溶酶體（Primary lysosome）次級溶酶體（Secondary lysosome）殘體（Residual body）。1) 初級溶酶體：內(nèi)含物均一，無明顯顆粒，是高爾基體分泌形成的。含有多種水解酶，但沒有活性，只有當溶酶體破裂，或其它物質(zhì)進入，才有酶活性。水解酶包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酯酶、磷脂酶類，已知60余種，這些酶均屬于酸性水解酶，反應(yīng)的最適PH值為5左右。溶酶體膜雖然與質(zhì)膜厚度相近，但成分不同，主要區(qū)別是： 膜有質(zhì)子泵，將H+泵入溶酶體，使其

16、PH值降低。 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。 具有多種載體蛋白用于水解的產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運；2) 次級溶酶體：是正在進行或完成消化作用的溶酶體，內(nèi)含水解酶和相應(yīng)的底物，可分為異噬溶酶體和自噬溶酶體。前者消化的物質(zhì)來自外源，后者消化的物質(zhì)來自細胞本身的各種組分。3) 殘體：又稱后溶酶體已失去酶活性，僅留未消化的殘渣，故名。殘體可通過外排作用排出細胞，也可能留在細胞內(nèi)逐年增多，如表皮細胞的老年斑，肝細胞的脂褐質(zhì)。3、溶酶體的功能1) 自體吞噬：清除無用的生物大分子，衰老細胞、細胞器、個體發(fā)育中多余的細胞。許多生物大分子的半衰期只有幾小時至幾天，肝細胞中線粒體的平均壽命約10天左右。2)

17、 細胞內(nèi)消化：如高等動物內(nèi)吞低密脂蛋白獲得膽固醇，單細胞真核生物利用溶酶體的消化食物。3) 防御作用：如巨噬細胞可吞入病原體，在溶酶體中將病原體殺死和降解。病原體感染刺激單核細胞分化成巨噬細胞而吞噬、消化。巨噬細胞中含有大量溶酶體。4) 作為細胞內(nèi)的消化器官為細胞提供營養(yǎng)；5) 參與分泌過程的調(diào)節(jié)：如將甲狀腺球蛋白降解成有活性的甲狀腺素。6) 細胞凋亡：個體發(fā)生過程中往往涉及組織或器官的改造或重建，如昆蟲和蛙類的變態(tài)發(fā)育等。這一過程是在基因控制下實現(xiàn)的，稱為程序性細胞死亡，注定要消除的細胞以出芽的形式形成凋亡小體，被巨噬細胞吞噬并消化。7) 形成精子的頂體：受精過程中的精子的頂體相當于一個化學

18、鉆，可溶穿卵子的皮層，使精子進入卵子。 某些病原體（麻瘋桿菌、利什曼原蟲或病毒）被細胞攝入，進入吞噬泡但并未被殺死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞內(nèi)體中的酸性環(huán)境）。4、溶酶體的發(fā)生初級溶酶體是在高爾基體的Trans面以出芽的形式形成，形成過程：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上核糖體合成溶酶體蛋白進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔進行N-連接的糖基化修飾進入高爾基體Cis面膜囊磷酸轉(zhuǎn)移酶識別溶酶體水解酶的信號斑將乙酰葡糖胺磷酸轉(zhuǎn)移在12個甘露糖殘基上在中間膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配體與Trans膜囊上的受體結(jié)合通過Clathrin衣被包裝成初級溶酶體。發(fā)生途徑 依賴于M6P 的分選途徑：效率不高，部分溶酶體酶通過運輸小泡直接分泌到

19、細胞外。在細胞質(zhì)膜上也存在依賴于鈣離子的M6P受體，同樣可與胞外的溶酶體酶結(jié)合，通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，將酶送至前溶酶體中，M6P受體返回細胞質(zhì)膜，反復(fù)使用。不依賴于M6P的分選途徑：如酸性磷酸酶合成后直接經(jīng)高爾基體到細胞表面，再依賴其細胞基質(zhì)部分酪氨酸殘基信號，從細胞表面轉(zhuǎn)運到溶酶體。酶的加工方式多樣化。5、過氧化物酶體過氧化物酶體，又稱微體。Rhodin于1954年發(fā)現(xiàn)于鼠腎小管上皮細胞。是由單層膜圍繞而成的內(nèi)含一種或幾種氧化酶類的異質(zhì)性細胞器，呈圓形，橢圓形或啞呤形不等。特點：含過氧化氫酶（標志酶）和一至多種依賴黃素的氧化酶，已發(fā)現(xiàn)40多種氧化酶，其中尿酸氧化酶的含量極高，以至于在有些種類形成酶結(jié)晶構(gòu)成的核心。各類氧化酶的共性是將