1、第七章 真核細胞內膜系統、蛋白質分選與膜泡運輸細胞質基質的涵義與功能細胞內膜系統及其功能內質 網 高爾基體溶酶體與過氧化物酶體 細胞內蛋白質的分選與膜泡運輸第一節 細胞質基質的涵義與功能細胞質基質 在真核細胞的細胞質中，除去可分辨的細胞器以外的膠狀物質。 細胞質基質是細胞的重要的結構成分，其體積約占細胞質的一半。細 胞 組 分 數 目 體 積 比細胞質基質細胞核內質網高爾基體溶酶體胞內體過氧化物酶體線粒體 1 1 1 1 300 200 400 1700 54 6 12 3 1 1 1 22肝細胞中細胞質基質及細胞其它組分的數目及所占的體積比(%) （引自Albert.2019） 主要成分：中

2、間代謝有關的數千種酶類、細胞質骨架結構。 蛋白質含量占20-30%，形成粘稠的膠體。 主要特點：細胞質基質是一個高度有序的體系； 通過弱鍵而相互作用處于動態平衡的結構體系。細胞質基質的涵義(cytosol, cytoplasmic matrix)1.卵母細胞中mRNA和蛋白質的特定分布形成位 置信息。2.糖酵解的酶系形成多酶復合體與微絲結合。1. 完成各種中間代謝過程 如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等2. 蛋白質脂肪酸的合成，蛋白質的分選與運輸3. 細胞內信號轉導4. 與細胞質骨架相關的功能 維持細胞形態、細胞運動、胞內物質運輸及能量傳遞等 細胞質基質的功能細胞內信號轉導5. 蛋白質的

3、修飾、蛋白質選擇性的降解蛋白質的修飾 （磷酸化、糖基化、甲基化、酰基化等）控制蛋白質的壽命N端的第一個氨基酸（不穩定氨基酸的泛素化途徑） 降解變性和錯誤折疊的蛋白質（疏水基團的暴露） 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（heat shock protein, HSP)細胞質基質的功能第二節 細胞內膜系統及其功能（endomembrane system）細胞內膜系統是指細胞內在結構、功能及發生上相關的由膜包繞形成的細胞器或細胞結構。真核細胞細胞內的區域化（compartmentalization）細胞內的膜相結構-細胞器（organelles）。一、內質網Porter等于19

4、45年發現于培養的小鼠成纖維細胞，因最初看到的是位于細胞質內部的網狀結構，故名endoplasmic reticulum，ER。（一）形態與組成由封閉的管狀或扁平囊狀膜系統及其包被的腔形成互相溝通的三維網絡結構。約占細胞總膜面積的一半，體積占細胞總體積10%以上。在細胞周期的各個階段，內質網的變化復雜，要經過解體和重建。是合成蛋白質，脂質和糖類的基地。合成的種類與細胞質中合成的不同。內質網遍布整個細胞質由喹啉藍熒光染料染色的細胞在熒光顯微鏡下顯示的內質網結構分為粗面內質網RER和滑面內質網SER。RER呈扁平囊狀，排列整齊，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R

5、ER或SER，它們分別是ER連續結構的一部分。（二）ER的功能（一）蛋白質合成內質網上合成的蛋白主要有：向細胞外分泌的蛋白、如抗體、激素；膜的整合蛋白；構成內膜系統細胞器中的可溶性駐留蛋白。（二） 脂類的合成ER合成細胞所需絕大多數膜脂（包括磷脂和膽固醇）磷脂轉位因子（phospholipid translocator）/ 轉位酶（flippase）與膜質轉位（胞質到內質網腔）磷脂的轉運: 以出芽的方式轉運到高爾基體、溶酶體和細胞質膜上 磷脂轉換蛋白（PEP）在膜間轉移磷脂（三）蛋白質的修飾與加工包括糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵形成等，幾乎所有內質網上合成的蛋白最終都被糖基化。糖基化在gly

6、cosyltransferase作用下發生在ER腔 N-連接的糖基化：與天冬酰胺殘基的NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。酰基化發生在ER的細胞質基質側：軟脂酸CysProtein glycosylation in RERN-乙酰葡萄糖胺甘露糖葡萄糖磷酸多萜醇（四）新生肽鏈的折疊、組裝和運輸無法正確折疊的蛋白被轉入溶酶體降解，約90%的新合成T細胞受體亞單位和Ach受體都被降解，而從未到達靶膜。非還原性的內腔，易于二硫鍵形成 蛋白二硫鍵異構酶：切斷二硫鍵，幫助新合成的蛋白重新形成二硫鍵并于正確折疊的狀態未折疊蛋白疏水核心外露，易聚集 結合蛋白：識別錯誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進重新折

7、疊與裝配。 又稱SS鍵。是2個SH基被氧化而形成的SS形式的硫原子間的鍵。在生物化學的領域中，通常是指在肽和蛋白質分子中的半胱氨酸殘基中的鍵。此鍵在蛋白質分子的立體結構形成上起著一定的重要作用。二硫鍵（五）內質網的其它作用解毒，如肝細胞的細胞色素P450酶系。參與甾體類激素的合成。儲存鈣離子，作為胞內信號物質，如肌質網。提供酶附著的位點和機械支撐作用。二、高爾基體發現于1855年，1889年，Golgi用銀染法，在貓頭鷹的神經細胞內觀察到了清晰的結構，因此定名為高爾基體。（一）形態與組成由扁平囊泡堆積而成，有極性。通常48個(某些藻類較多)扁平囊在一起，構成Golgi stack。分布于ER與

8、細胞膜間，呈弓形或半球形。凸出的一面對著ER稱為順面（cis face），凹進的一面對著質膜稱為反面（trans face）。Structure of the Golgi Complex高爾基體不同區域的標志：嗜鋨反應：鋨酸，cis面膜囊被特異地染色；焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）：trans面的膜囊；煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）：顯示中間的膜囊；胞嘧啶單核苷酸（CMP酶）：trans面的囊狀和管狀結構。（二）功能區隔順面高爾基體管網狀結構（cis Golgi network），CGN是入口區域。高爾基體中間膜囊（medial Golgi），多數糖基修飾，糖脂的形成以及與高爾基體有關的多

9、糖合成發生于此處。反面高爾基體管網狀結構（trans Golgi network），TGN是出口區域，參與蛋白質的分類與包裝，最后輸出。 Golgi network（三）主要功能1、參與細胞分泌活動：RER合成PrER腔COPII小泡CGNmedial Gdgi加工TGN區形成運輸泡與質膜融合、排出。高爾基體依據信號序列或信號斑對蛋白質分類。2、蛋白質的O-連接的糖基化：糖的供體為核苷糖。絲氨酸 (serine, Ser,S) 特 征 N-連接 O-連接1. 合成部位 粗面內質網高爾基體2. 合成方式來自同一個寡糖前體一個個單糖加上去3.與之結合的氨基酸殘基 天冬酰胺 絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸

10、、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N-連接與O-連接的寡糖比較蛋白質糖基化的生物學意義糖基化的主要作用是蛋白質在成熟過程中折疊成正確構象和增加蛋白質的穩定性；多羥基糖側鏈影響蛋白質的水溶性及蛋白質所帶電荷的性質。 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。 3、蛋白質在高爾基體中酶解加工的幾種類型 無生物活性的蛋白原（proprotein）高爾基體切除N-端或兩端的序列成熟的多肽。如胰

11、島素及血清白蛋白等。 含多個相同氨基酸序列的前體高爾基體水解同種有活性的多肽，如神經肽等。 含有不同信號序列的蛋白質前體高爾基體加工成不同的產物。同一種蛋白質前體不同細胞、以不同的方式加工不同的多肽。加工方式多樣性的可能原因確保小肽（如5個氨基酸的神經肽）分子的有效合成；彌補缺少包裝并轉運到分泌泡中的必要信號；有效地防止這些活性物質在合成它的細胞內起作用。三、溶酶體與過氧化物酶體溶酶體幾乎存在于所有的動物細胞中。溶酶體（lysosome）是單層膜圍繞、內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的消化作用。（一）溶酶體的結構 溶酶體膜的特征： 嵌有V-型質子泵，形成和維持溶酶體中

12、酸性的內環境； 具有多種載體蛋白用于水解的產物向外轉運； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。 溶酶體的標志酶：酸性磷酸酶 類型初級溶酶體（primary lysosome） 次級溶酶體（secondary lysosome） 自噬溶酶體（autophagolysosome） 異噬溶酶體（phagolysosome）殘余小體（residual body），又稱后溶酶體。 溶酶體是以含有大量酸性水解酶為共同特征、不同形態大小，執行不同生理功能的一類異質性（heterogenous）的細胞器 。1、初級溶酶體（primary lysosome）由高爾基體分泌形成，含多種酸性水解酶。2

13、、次級溶酶體（secondary lysosome） 是正在進行或完成消化作用的溶酶體，分為自噬溶酶體和異噬溶酶體。由初級溶酶體與胞吞泡或自噬泡或異噬泡融合形成。3、殘體（residual body） 又稱后溶酶體（post-lysosome），已失去酶活性，僅留未消化的殘渣，故名。可排出細胞，也可能留在細胞內逐年增多，如表皮細胞的老年斑，肝細胞的脂褐質。肝細胞脂褐質動物細胞溶酶體系統示意圖 （二）溶酶體的功能清除無用的生物大分子、衰老的細胞器及衰老損傷和死亡的細胞防御功能（病原體感染刺激單核細胞分化成巨噬細胞而吞噬、消化）作為細胞內的消化“器官”為細胞提供營養；分泌腺細胞中，溶酶體攝入分泌顆

14、粒參與分泌過程的調節參與清除贅生組織或退行性變化的細胞；受精過程中的精子的頂體（acrosome）反應。溶酶體與疾病 溶酶體酶缺失或溶酶體酶的代謝環節故障，影響細胞代謝，引起疾病。 如臺-薩氏（Tay-Sachs）等各種儲積癥 （隱性的遺傳病） 某些病原體（麻風桿菌、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體中的酸性環境） 臺-薩氏綜合癥溶酶體的同心圓結構溶酶體酶的合成及N-連接的糖基化修飾（RER） 高爾基體cis膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸轉移酶高爾基體trans-膜囊和TGN膜（M6P受體）溶酶體酶分選與局部濃縮以

15、出芽的方式轉運到前溶酶體磷酸葡萄糖苷酶磷酸化識別信號：信號斑發生途徑 甘露糖（Mannose）五、過氧化物酶體Rhodin 1954發現于鼠腎小管上皮細胞，又稱微體。具有異質性，由單層膜圍繞而成。過氧化物酶體中常含有兩種酶： 依賴于黃素（FAD）的氧化酶，其作用是將底物氧化形成H2O2； 過氧化氫酶，作用是將H2O2分解，形成水和氧氣。Peroxisome of hepatocyte微體與初級溶酶體的特征比較過氧化物酶體的功能在動物中：（肝細胞或腎細胞）中過氧化物酶體可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。過氧化物酶體分解脂肪酸等高能分子向細胞直接提供熱能。在植物細胞中，過氧化物酶體的功能：

16、 在綠色植物葉肉細胞中，它催化CO2固定反應副產物的氧化，即所謂光呼吸反應； 乙醛酸循環的反應，在種子萌發過程中，過氧化物酶體降解儲存的脂肪酸乙酰輔酶A琥珀酸葡萄糖。 過氧化物酶體的發生 細胞內原有的過氧化物酶體經分裂后形成子代的細胞器，子代的過氧化物酶體還需要進一步裝配形成成熟的細胞器。 內質網參與過氧化物酶體的發生。過氧化物酶體的膜脂可能在內質網上合成后轉運而來。 組成過氧化物酶體的蛋白均由核基因編碼，主要在細胞質基質中合成，然后轉運到過氧化物酶體中。 蛋白質的分選：即蛋白質的定向轉運，是蛋白質在核糖體上合成后被轉運至細胞的特定部位并組裝成結構與功能的復合體的過程。第三節 細胞內蛋白質的分

17、選與膜泡運輸蛋白分選機制信號假說：信號肽（signal peptide)：含16-26個氨基酸殘基，位于分泌性蛋白質的N端。信號識別顆粒(signal recognition particle, SRP)：存在于細胞質中。信號識別顆粒的受體/停泊蛋白(docking protein, DP)：位于內質網膜上，與SRP特異地結合。Blobel等（1975）提出信號假說，認為蛋白質N端的信號肽，指導蛋白質轉至內質網上合成，獲2019年諾貝爾生理醫學獎。Blobel with members of his laboratoryGnter Blobel蛋白質轉移到內質網合成涉及以下成分：信號肽：位于N端，約1626個氨基酸，含有6-15個連續排列的帶正電荷的非極性氨基酸，又稱開始轉移序列。信號識別顆粒（SRP）：6種多肽和1個7S RNA組成，屬RNP（ Ribose nuclear protein ，核糖核蛋白）。與信號序列結合，導致蛋白質合成暫停。SRP受體，ER膜的整合蛋白，異二聚體，可與SRP特異結合。停止轉移序列，肽鏈中的某些序列與內質網膜的親合力很高，阻止肽鏈繼續進入網腔，從而成為跨膜蛋白。如肽鏈無停止轉移序列則進入內質網腔。轉位因子，由3-4個Sec61蛋白構成的通道，每個Sec61