細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)

關(guān)于細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)概念細胞質(zhì)基質(zhì)(cytoplasmicmatrix/cytomatrix)：真核細胞的細胞質(zhì)內(nèi)除細胞器和內(nèi)含物外的較為均質(zhì)、半透明的液態(tài)物質(zhì)。曾用名：細胞液(cellsap)、透明質(zhì)(hyaloplasm)、胞質(zhì)溶膠(cytoso1)。細胞內(nèi)膜系統(tǒng)：在結(jié)構(gòu)、功能乃至發(fā)生上相關(guān)的，由膜圍繞的細胞器或細胞結(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2頁,共58頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細胞質(zhì)基質(zhì)(cytomatrix)第3頁,共58頁，2024年2月25日，星期天一細胞質(zhì)基質(zhì)的成分1.水和無機離子：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.糖原和脂滴等處于儲藏狀態(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20~30％：數(shù)千種酶類&骨架結(jié)構(gòu)蛋白；第4頁,共58頁，2024年2月25日，星期天細胞質(zhì)基質(zhì)是一個高度有序的體系：蛋白質(zhì)直接或間接地與細胞骨架或生物膜結(jié)合；蛋白之間或與其他大分子之間可形成復合體。第5頁,共58頁，2024年2月25日，星期天核糖體蛋白質(zhì)mRNAtRNA骨架蛋白第6頁,共58頁，2024年2月25日，星期天二細胞質(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。2.維持細胞形態(tài)和運動、胞內(nèi)物質(zhì)運輸及大分子定位：通過細胞質(zhì)骨架實現(xiàn)，把蛋白質(zhì)、mRNA等生物大分子固定在特定的位點，在細胞質(zhì)基質(zhì)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,共58頁，2024年2月25日，星期天3.蛋白質(zhì)的修飾和選擇性降解：1）蛋白質(zhì)修飾：(1)輔酶或輔基與酶的共價結(jié)合。(2)磷酸化與去磷酸化。(3)糖基化。(4)對某些蛋白質(zhì)的N端進行甲基化修飾。(5)酰基化。第8頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

2）控制蛋白質(zhì)的壽命

a.蛋白質(zhì)N端的第一個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.細胞質(zhì)中存在依賴于泛素（遍在蛋白,ubiquitin）的蛋白降解途徑。第9頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

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解酶，無須ATP。20世紀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(zhì)量監(jiān)督員，通過它的嚴格把關(guān)，把沒有通過質(zhì)檢蛋白質(zhì)（３０％新合成的蛋白質(zhì)）銷毀。把關(guān)不嚴，就會使不合格蛋白質(zhì)蒙混過關(guān)；如果過嚴，又會使合格的蛋白質(zhì)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(zhì)可以抑制細胞發(fā)生癌變，但如果對Ｐ５３蛋白質(zhì)的生產(chǎn)把關(guān)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,共58頁，2024年2月25日，星期天依賴于泛素(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(jié)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(zhì)就會被運送到細胞內(nèi)的“垃圾處理廠”內(nèi)降解。蛋白酶體：由多個亞單位形成的復合體，可特異識別結(jié)合泛素的蛋白，將其水解，是蛋白“垃圾處理廠”。蛋白酶體第11頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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(zhì)基質(zhì)內(nèi)依賴泛素的蛋白降解過程：第12頁,共58頁，2024年2月25日，星期天泛素結(jié)合酶泛素細胞質(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第13頁,共58頁，2024年2月25日，星期天蛋白酶體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(zhì)切成短肽鏈，但不破壞泛素，泛素可被重新利用。

細胞內(nèi)短壽命和一些異常蛋白降解的普遍途徑細胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)依賴泛素的蛋白降解過程：第14頁,共58頁，2024年2月25日，星期天3）降解變性和錯誤折疊的蛋白質(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。可能機理：畸形蛋白質(zhì)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(zhì)重新折疊，形成正確的分子構(gòu)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(zhì)，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(zhì)折疊結(jié)構(gòu)，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,共58頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處于細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的中心地位，是其它內(nèi)膜結(jié)構(gòu)膜的來源。第16頁,共58頁，2024年2月25日，星期天一內(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)網(wǎng)(endoplasmicreticulum，ER)：存在于真核細胞的細胞質(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。在原核細胞中，細胞膜代行內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的某些功能。第17頁,共58頁，2024年2月25日，星期天小鼠睪丸間質(zhì)細胞滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)雞輸卵管細胞粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細胞中的分布圖第18頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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）

雞輸卵管細胞粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（上）小鼠睪丸間質(zhì)細胞滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（下）第19頁,共58頁，2024年2月25日，星期天粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

(roughendoplasmicreticulum，rER)：表面粗糙，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；第20頁,共58頁，2024年2月25日，星期天滑面內(nèi)質(zhì)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(gòu)成，小管直徑50～100nm，很少有扁囊。功能：合成脂質(zhì)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(jié)構(gòu)的一部分。第21頁,共58頁，2024年2月25日，星期天兩種內(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，形成較復雜的立體結(jié)構(gòu)）第22頁,共58頁，2024年2月25日，星期天3內(nèi)質(zhì)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(zhì)細胞特化細胞：

肌肉細胞中的肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmicreticulum)細胞中，粗面內(nèi)質(zhì)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(nèi)質(zhì)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)。第23頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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60～120min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,稱為微粒體。第24頁,共58頁，2024年2月25日，星期天二內(nèi)質(zhì)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(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)標志酶):RER&SER;

核糖體結(jié)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,共58頁，2024年2月25日，星期天三內(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。第26頁,共58頁，2024年2月25日，星期天（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：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,共58頁，2024年2月25日，星期天附著核糖體游離核糖體蛋白合成起始于胞質(zhì)中游離的核糖體第28頁,共58頁，2024年2月25日，星期天信號假說(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(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。

1999年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎合成蛋白如何準確進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)？第29頁,共58頁，2024年2月25日，星期天①信號肽(signalpeptide)：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密碼翻譯合成，引導肽鏈跨內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，又稱開始轉(zhuǎn)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(gòu)成。1蛋白轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成過程中涉及成分：第30頁,共58頁，2024年2月25日，星期天一些信號肽序列蛋白質(zhì)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,共58頁，2024年2月25日，星期天三個功能結(jié)構(gòu)域

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

②信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）：7sRNA第32頁,共58頁，2024年2月25日，星期天功能：1結(jié)合信號肽，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，使蛋白合成暫停。3識別ER膜上的SRP受體，轉(zhuǎn)移新生肽到ER腔。第33頁,共58頁，2024年2月25日，星期天③SRP受體：也稱停泊蛋白(dockingprotein，DP)，為膜整合蛋白，位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的胞質(zhì)面。

功能:可識別并特異結(jié)合SRP。④易位子(translocon)：

由TRAM蛋白和Sec61蛋白構(gòu)成，可結(jié)合信號肽和停止轉(zhuǎn)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,共58頁，2024年2月25日，星期天⑤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)進入網(wǎng)腔，是跨膜Pr的跨膜段。停止轉(zhuǎn)移序列第35頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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）信號肽在游離核糖體上合成→信號肽與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,共58頁，2024年2月25日，星期天?？康鞍滓孜蛔拥?7頁,共58頁，2024年2月25日，星期天跨膜蛋白：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,共58頁，2024年2月25日，星期天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(zhuǎn)移序列，一個停止轉(zhuǎn)移序列，依靠停止轉(zhuǎn)移序列跨膜?；蛑挥幸粋€中間轉(zhuǎn)移信號序列,依靠其轉(zhuǎn)移和跨膜。第39頁,共58頁，2024年2月25日，星期天2）雙次跨膜蛋白整合到ER膜的方式：一個中間開始轉(zhuǎn)移序列，一個停止轉(zhuǎn)移信號，依靠二者共同跨膜。第40頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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(zhuǎn)移序列和停止轉(zhuǎn)移序列，多肽鏈前后來回重復的通過脂雙層。第41頁,共58頁，2024年2月25日，星期天跨膜膜蛋白的方向性

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

膜蛋白不對稱性源頭之一第42頁,共58頁，2024年2月25日，星期天（二）蛋白質(zhì)的修飾與加工

糖基化羥基化酰基化形成二硫鍵第43頁,共58頁，2024年2月25日，星期天蛋白糖基化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,共58頁，2024年2月25日，星期天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(nèi)側(cè)面的糖基轉(zhuǎn)移酶。糖基轉(zhuǎn)移酶第45頁,共58頁，2024年2月25日，星期天內(nèi)質(zhì)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,共58頁，2024年2月25日，星期天（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(zhì)的合成、運輸過程密切相關(guān)；細胞的膜成分“源泉”。第47頁,共58頁，2024年2月25日，星期天①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，活性部位朝向細胞質(zhì)基質(zhì)）第48頁,共58頁，2024年2月25日，星期天翻轉(zhuǎn)酶(flipase)

:

以比自發(fā)翻轉(zhuǎn)快105倍的速度，將脂類分子從細胞質(zhì)基質(zhì)面膜層翻轉(zhuǎn)到ER腔面膜層中。特點：選擇性轉(zhuǎn)移，對含膽堿的磷脂轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到ER腔面膜層中：新合成的脂類翻轉(zhuǎn)酶磷脂合成酶第49頁,共58頁，2024年2月25日，星期天不對稱的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的脂雙層膜脂不對稱性的源頭第50頁,共58頁，2024年2月25日，星期天合成的磷脂的轉(zhuǎn)運：以出芽的方式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換蛋白(PEP)在膜之間轉(zhuǎn)移磷脂。PEP第51頁,共58頁，2024年2月25日，星期天（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)鏈基團之間的相互作用進行折疊和裝配。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的防止蛋白錯誤折疊機制：①ER膜腔面含蛋白二硫鍵異構(gòu)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(jié)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(zhì)，被蛋白酶體降解。第52頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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)）第53頁,共58頁，2024年2月25日，星期天2）糖原代謝

肝細胞內(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-