細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)

關于細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月概念細胞質基質(cytoplasmicmatrix/cytomatrix)：真核細胞的細胞質內除細胞器和內含物外的較為均質、半透明的液態(tài)物質。曾用名：細胞液(cellsap)、透明質(hyaloplasm)、胞質溶膠(cytoso1)。細胞內膜系統(tǒng)：在結構、功能乃至發(fā)生上相關的，由膜圍繞的細胞器或細胞結構，包括內質網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、胞內體和分泌泡等。第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)細胞質基質(cytomatrix)第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一細胞質基質的成分1.水和無機離子：H2O以游離態(tài)和結合態(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.糖原和脂滴等處于儲藏狀態(tài)的化合物；4.蛋白質、脂蛋白、多糖和RNA等大分子：

蛋白質約占20~30％：數(shù)千種酶類&骨架結構蛋白；第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月細胞質基質是一個高度有序的體系：蛋白質直接或間接地與細胞骨架或生物膜結合；蛋白之間或與其他大分子之間可形成復合體。第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月核糖體蛋白質mRNAtRNA骨架蛋白第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月二細胞質基質的功能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，蛋白質的分選及轉運。2.維持細胞形態(tài)和運動、胞內物質運輸及大分子定位：通過細胞質骨架實現(xiàn)，把蛋白質、mRNA等生物大分子固定在特定的位點，在細胞質基質中形成了更為精細的區(qū)域，使復雜的代謝反應高效而有序地進行。第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.蛋白質的修飾和選擇性降解：1）蛋白質修飾：(1)輔酶或輔基與酶的共價結合。(2)磷酸化與去磷酸化。(3)糖基化。(4)對某些蛋白質的N端進行甲基化修飾。(5)酰基化。第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）控制蛋白質的壽命

a.蛋白質N端的第一個aa殘基可決定蛋白質壽命,其為Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro，則蛋白質穩(wěn)定；若為其他氨基酸，則不穩(wěn)定。

b.細胞質中存在依賴于泛素（遍在蛋白,ubiquitin）的蛋白降解途徑。第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

最初的一些研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質的降解不需要能量，這如同一幢大樓自然倒塌一樣，并不需要炸藥來爆破。比如人吃進食物，食物中的蛋白質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解酶，無須ATP。20世紀50年代：蛋白質胞外降解不需能，而在胞內降解卻需能。這成為困惑科學家很長時間的一個謎。20世紀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、定點、定向地拆除一幢大樓，則需要炸藥進行爆破。原因：它如同一位重要的質量監(jiān)督員，通過它的嚴格把關，把沒有通過質檢蛋白質（３０％新合成的蛋白質）銷毀。把關不嚴，就會使不合格蛋白質蒙混過關；如果過嚴，又會使合格的蛋白質供不應求。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Ｐ５３蛋白質可以抑制細胞發(fā)生癌變，但如果對Ｐ５３蛋白質的生產(chǎn)把關不嚴，就會導致人體抑制細胞癌變的能力下降，誘發(fā)癌癥。第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月依賴于泛素(遍在蛋白,ubiquitin)的蛋白降解途徑泛素：含76個氨基酸的蛋白，可共價結合到含不穩(wěn)定aa殘基的蛋白的N端，起標簽作用，被貼上“標簽”的蛋白質就會被運送到細胞內的“垃圾處理廠”內降解。蛋白酶體：由多個亞單位形成的復合體，可特異識別結合泛素的蛋白，將其水解，是蛋白“垃圾處理廠”。蛋白酶體第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.泛素活化酶（E1）:激活泛素分子，需ATP供能。2.泛素結合酶（E2）:激活的泛素分子結合3.

泛素連接酶（E3）:可辨認需被銷毀的蛋白，指引E2將泛素分子綁在指定蛋白上。

2004諾貝爾化學獎細胞質基質內依賴泛素的蛋白降解過程：第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月泛素結合酶泛素細胞質基質內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第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白酶體4.被泛素標記的蛋白從E3上釋放。5.上述過程重復進行，在目的蛋白上形成一個泛素鏈。6.蛋白酶體識別泛素分子標簽并將蛋白質切成短肽鏈，但不破壞泛素，泛素可被重新利用。

細胞內短壽命和一些異常蛋白降解的普遍途徑細胞質基質內依賴泛素的蛋白降解過程：第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3）降解變性和錯誤折疊的蛋白質

一些畸形蛋白質，不管其N端氨基酸殘基是否穩(wěn)定，也常常很快被清除?？赡軝C理：畸形蛋白質暴露出的疏水氨基酸基團被識別，由此啟動對其N端第一個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）幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新折疊，形成正確的分子構象靠熱休克蛋白(heatshockprotein，Hsp或稱stress-responseprotein)來完成。1962年，Ritossa在研究果蠅唾液腺染色體時發(fā)現(xiàn)了一種在細胞高溫應激時對細胞有保護作用的蛋白質，因而命名為“熱休克蛋白”。最初只認為HSP在高溫下可有效保護蛋白質折疊結構，真核細胞和原核細胞在高溫時均可產(chǎn)生HSP。進一步研究表明，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15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)內質網(wǎng)處于細胞內膜系統(tǒng)的中心地位，是其它內膜結構膜的來源。第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一內質網(wǎng)的形態(tài)結構與類型1內質網(wǎng)的形態(tài)結構

內質網(wǎng)(endoplasmicreticulum，ER)：存在于真核細胞的細胞質中，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)。

內質網(wǎng)膜和外層核膜是連續(xù)的，ER內腔與兩層核膜中間的腔相通連，和質膜也是連續(xù)的。在原核細胞中，細胞膜代行內質網(wǎng)的某些功能。第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月小鼠睪丸間質細胞滑面內質網(wǎng)雞輸卵管細胞粗面內質網(wǎng)內質網(wǎng)在細胞中的分布圖第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2內質網(wǎng)的分類粗面內質網(wǎng)（rER）滑面內質網(wǎng)（sER）

雞輸卵管細胞粗面內質網(wǎng)（上）小鼠睪丸間質細胞滑面內質網(wǎng)（下）第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月粗面內質網(wǎng)

(roughendoplasmicreticulum，rER)：表面粗糙，有核糖體附著，常由板層狀排列扁囊構成，腔內含有均質的低或中等電子密度的蛋白樣物質。

功能：合成分泌性的蛋白和多種膜蛋白；第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月滑面內質網(wǎng)

(smoothendoplasmicreticulum，sER)：表面光滑，沒有核糖體附著，常由分支小管或圓形小泡構成，小管直徑50～100nm，很少有扁囊。功能：合成脂質的重要場所.細胞不含純粹的RER或SER，它們分別是ER連續(xù)結構的一部分。第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種內質網(wǎng)結構差異模式圖糙面內質網(wǎng)(扁平囊狀)光面內質網(wǎng)(分支管狀或圓形小泡，形成較復雜的立體結構）第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3內質網(wǎng)在不同細胞中的分布rER：多分布于分泌蛋白旺盛的細胞（胰腺細胞，漿細胞）

未分化細胞和腫瘤細胞中較少；sER：脂類合成旺盛細胞：

肝、骨骼肌及腎上腺皮質細胞特化細胞：

肌肉細胞中的肌質網(wǎng)(sarcoplasmicreticulum)細胞中，粗面內質網(wǎng)的多少，常?？勺鳛楣烙嫾毎只潭群凸δ軤顟B(tài)的一個指標。在分化程度不同的腫瘤細胞中，如實驗大白鼠的肝癌，分化程度高、生長速度慢的癌細胞粗面內質網(wǎng)發(fā)達，而分化程度低、生長速度快的癌細胞中只有少量粗面內質網(wǎng)。第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月4微粒體-研究內質網(wǎng)的好材料微粒體（microsome）：將組織或細胞勻漿經(jīng)低速離心除去核及線粒體后，再以每分種10萬的轉速離心60～120min后，可得到許多較小的直徑約100nm的封閉小囊泡結構，此為ER膜在勻漿中被破碎而形成的,稱為微粒體。第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月二內質網(wǎng)的化學組成

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蛋白膜結合及內質網(wǎng)腔蛋白各~30多種，呈異質性分布：葡糖-6-磷酸酶(內質網(wǎng)標志酶):RER&SER;

核糖體結合糖蛋白(ribophorin):RER；細胞色素P450酶系(通過羥基化反應解毒):SER。

第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三內質網(wǎng)的功能

蛋白質合成；蛋白質的修飾加工（糖基化等）；脂質合成；其他功能。第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）蛋白質合成

蛋白質都是在核糖體上合成的，且起始于細胞質基質，有些蛋白在合成開始不久后便轉在內質網(wǎng)上合成,主要包括：①胞外分泌的蛋白：如抗體、激素；②膜整合蛋白；③某些細胞器的駐留蛋白（溶酶體、液泡、溶 酶體和高爾基體）；④需修飾的蛋白：如糖蛋白。第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月附著核糖體游離核糖體蛋白合成起始于胞質中游離的核糖體第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月信號假說(signalhypothesis)

G．Blobel&D．Sabatini等(1975)提出，即分泌性蛋白N端序列作為信號肽，指導分泌性蛋白到內質網(wǎng)膜上合成，在蛋白合成結束之前信號肽被切除。

1999年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎合成蛋白如何準確進入內質網(wǎng)？第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月①信號肽(signalpeptide)：位于蛋白質N端的一段肽鏈，其在游離核糖體上即由信號密碼翻譯合成，引導肽鏈跨內質網(wǎng)膜進入內質網(wǎng)腔，又稱開始轉移序列。長為13~26個aa，N端至少含有一個帶正電荷的aa;中部為10~15個高度疏水性的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aa為非極性氨基酸時，信號肽即失去其功能；C-端有信號肽酶識別位點。

信號肽的一級序列信號肽一級序列由疏水核心（h）、C端（c）和N端（n）三個區(qū)域構成。1蛋白轉移到內質網(wǎng)合成過程中涉及成分：第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一些信號肽序列蛋白質信號序列前白蛋白原

Met-Lys-Trp-Val-Thr-Phe-Leu-Leu-Leu-Leu-Phe-Ile-Ser-Gly-Ser-Ala-Phe-Ser↓Arg．．．前IgG輕Met-Asp-Met-Arg-Ala-Pro-Ala-Gln-Ile-Phe-Gly-Phe-Leu-Leu-Leu-Leu-Phe-Pro-Gly-Thr-Arg-Cys↓Asp．．．溶酶體酶前體PrelysozymeMet-Arg-Ser-Leu-Leu-Ile-Leu-Val-Leu-Cys-Phe-Leu-Pro-Leu-Ala-Ala-Leu-Gly↓Lys．．．第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三個功能結構域

存在于細胞質基質中，由一個7sRNA(約300個堿基)和6種不同的蛋白質緊密結合組成的復合物。

②信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）：7sRNA第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月功能：1結合信號肽，防止新生肽N端受損傷和成熟前折疊

；2結合核糖體，占據(jù)其A位點，使蛋白合成暫停。3識別ER膜上的SRP受體，轉移新生肽到ER腔。第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月③SRP受體：也稱停泊蛋白(dockingprotein，DP)，為膜整合蛋白，位于內質網(wǎng)膜的胞質面。

功能:可識別并特異結合SRP。④易位子(translocon)：

由TRAM蛋白和Sec61蛋白構成，可結合信號肽和停止轉移序列，引導新生肽進入ER腔，在形成跨膜蛋白中有重要作用。第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤停止轉移序列：僅存在于跨膜蛋白上的一段aa序列，與內質網(wǎng)膜的親合力很高，和易位子結合后阻止肽鏈繼續(xù)進入網(wǎng)腔，是跨膜Pr的跨膜段。停止轉移序列第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2釋放到內質網(wǎng)腔蛋白的合成（分泌蛋白和駐留蛋白）信號肽在游離核糖體上合成→信號肽與SRP結合→肽鏈延伸終止→SRP與DP結合→核糖體和ER膜上的核糖體受體結合→SRP脫離信號肽，被釋放→肽鏈繼續(xù)合成，信號肽開啟ER膜上的易位子，引導新生肽鏈進入ER腔→信號肽被切除→肽鏈延伸至終止。第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月?？康鞍滓孜蛔拥?7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月跨膜蛋白：多肽鏈疏水性節(jié)段形成的α螺旋跨膜。3跨膜蛋白形成膜第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1）單次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：單次跨膜蛋白有一個末端起始轉移序列，一個停止轉移序列，依靠停止轉移序列跨膜?；蛑挥幸粋€中間轉移信號序列,依靠其轉移和跨膜。第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2）雙次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：一個中間開始轉移序列，一個停止轉移信號，依靠二者共同跨膜。第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3）多次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：

具有兩個以上中間開始轉移序列和停止轉移序列，多肽鏈前后來回重復的通過脂雙層。第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月跨膜膜蛋白的方向性

跨膜蛋白的方向性在內質網(wǎng)上合成時就形成了，膜蛋白不能做翻轉運動，故在以后隨膜流轉運的過程中也不再變化。

膜蛋白不對稱性源頭之一第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）蛋白質的修飾與加工

糖基化羥基化?；纬啥蜴I第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白糖基化N-連接糖基化：

寡糖基與多肽鏈中的Asn共價連接，

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。第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月N連接糖基化:糖基化和多肽合成同時進行糖前體：寡糖多萜醇中間產(chǎn)物。催化酶：ER膜內側面的糖基轉移酶。糖基轉移酶第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月內質網(wǎng)中糖基化跨膜蛋白的運輸膜蛋白不對稱性源頭之二為何跨膜糖蛋白的糖基總在細胞膜ES面？第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）膜脂的合成合成幾乎所有細胞膜需要的脂類；膜脂的合成與蛋白質的合成、運輸過程密切相關；細胞的膜成分“源泉”。第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月①磷脂在胞質面合成：

新合成脂類分子最初只嵌入內質網(wǎng)脂雙層的細胞質基質面。底物：磷酸甘油、脂酰輔酶A、膽堿（均存在于細胞質基質中）催化酶：酰基轉移酶、磷酸酶、膽堿磷酸轉移酶（位于內質網(wǎng)膜上，活性部位朝向細胞質基質）第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月翻轉酶(flipase)

:

以比自發(fā)翻轉快105倍的速度，將脂類分子從細胞質基質面膜層翻轉到ER腔面膜層中。特點：選擇性轉移，對含膽堿的磷脂轉位能力強，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。②磷脂翻轉到ER腔面膜層中：新合成的脂類翻轉酶磷脂合成酶第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月不對稱的內質網(wǎng)的脂雙層膜脂不對稱性的源頭第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月合成的磷脂的轉運：以出芽的方式轉運到高爾基體、溶酶體和細胞膜上；憑借一種水溶性的載體蛋白，稱為磷脂轉換蛋白(PEP)在膜之間轉移磷脂。PEP第51頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）新生多肽的折疊與裝配

新生多肽需在內質網(wǎng)內依靠多肽鏈之間的疏水相互作用，和側鏈基團之間的相互作用進行折疊和裝配。內質網(wǎng)內的防止蛋白錯誤折疊機制：①ER膜腔面含蛋白二硫鍵異構酶

，可切斷錯誤的二硫鍵，幫助新蛋白重新形成正確二硫鍵并正確折疊；②結合蛋白(bindingprotein，Bip，Hsp70的一種)可識別未裝配好的蛋白亞單位或錯誤折疊蛋白，促進其重新折疊與裝配；③畸形肽鏈被識別后可通過“易位子”進入胞質，被蛋白酶體降解。第52頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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）內質網(wǎng)的其他功能（滑面內質網(wǎng)）第53頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2）糖原代謝

肝細胞內的滑面內質網(wǎng)胞質面附著的糖原顆粒，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