第六章細胞質基質與細胞內膜系統第一節細胞質基質細胞質基質（cytoplasmicmatrixorcytomatrix）細胞內膜系統（endomembranesystem）第二節內質網內質網(endoplasmicreticulum,ER)的形態結構ER的功能內質網與基因表達的調控第三節高爾基體高爾基體的形態結構高爾基體的功能高爾基體與細胞內的膜泡運輸第四節溶酶體與過氧化物酶體第五節細胞內蛋白質的分選與細胞結構的組裝分泌蛋白合成的模型---信號假說蛋白質分選與分選信號膜泡運輸細胞結構體系的組裝一、細胞質基質

（cytoplasmicmatrixorcytomatrix）

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基本概念： 用差速離心法分離細胞勻漿物組分，先后除去細胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體和細胞質膜等細胞器或細胞結構后，存留在上清液中的主要是細胞質基質的成分。生物化學家多稱之為胞質溶膠。主要成分：中間代謝有關的數千種酶類、細胞質骨架結構。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。完成各種中間代謝過程 如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等蛋白質的分選與運輸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蛋白質的修飾、蛋白質選擇性的降解 蛋白質的修飾 控制蛋白質的壽命降解變性和錯誤折疊的蛋白質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二、細胞內膜系統

（endomembranesystem）細胞內膜系統概述細胞內膜系統的研究方法細胞內膜系統概述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）：細胞骨架纖維為組織者的Cytomatrix形成有序的動態結構；細胞內的膜相結構----細胞器（organelles）。細胞內膜系統的研究方法

DeDuve,A.ClaudeandG.Palade,1974NobelPlrize放射自顯影（Autoradiography）;生化分析（Biochemicalanalysis）;遺傳突變分析（Geneticmutants）一、內質網的形態結構 內質網的兩種基本類型粗面內質網（roughendoplasmicreticulum，rER）光面內質網（smoothendoplasmicreticulum，sER）微粒體（microsome）二、ER的功能 ER是細胞內蛋白質與脂類合成的基地，幾乎全部脂類和多種重要蛋白都是在內質網合成的。rER的功能蛋白質合成 蛋白質的修飾與加工 新生肽的折疊與組裝 脂類的合成sER的功能類固醇激素的合成（生殖腺內分泌細胞和腎上腺皮質）肝的解毒作用（Detoxification） Systemofoxygenases---cytochromep450family；肝細胞葡萄糖的釋放（G-6PG）儲存鈣離子：肌質網膜上的Ca2+-ATP酶將細 胞質基質中Ca2+泵入肌質網腔中蛋白質合成分泌蛋白；整合膜蛋白；內膜系統各種細胞器內的可溶性蛋白 （需要隔離或修飾）。其它的多肽是在細胞質基質中“游離”核糖體上合成的：包括：細胞質基質中的駐留蛋白、質膜外周蛋白、核輸入蛋白、轉運到線粒體、葉綠體和過氧物酶體的蛋白。注意：細胞中蛋白質都是在核糖體上合成的， 并都是起始于細胞質基質中“游離”核糖體。蛋白質的修飾與加工修飾加工：糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵形成等糖基化在glycosyltransferase作用下發生在ER腔面 N-linkedglycosylation（Asn）O-linkedglycosylation（Ser/ThrorHylys/Hypro）酰基化發生在ER的細胞質基質側：軟脂酸→Cys新生肽的折疊與組裝

新生肽的折疊組裝：非還原性的內腔，易于二硫鍵形成； 正確折疊涉及駐留蛋白：具有KDELorHDEL信號蛋白二硫鍵異構酶（proteindisulfideisomerase，PDI）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結合蛋白（Bindingprotein，Bip，chaperone） 識別錯誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進重新折疊與裝配。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）。 兩種例外：鞘磷脂和糖脂（ER開始→Golgicomplex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： phosphatidylcholine（PC）：ER→GC→PM（高→低） phosphatidylserine（PS）：PM→GC→ER（高→低）phospholipdtranslocator/flippase與膜質轉位 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位點朝向cytosol； 磷脂的轉運: transportbybudding：ER→GC、Ly、PM transportbyphospholipidexchangeproteins（PEP）： ER→otherorganelles（includingMitandChl）。三、內質網與基因表達的調控內質網蛋白質的合成、加工、折疊、組裝、轉運及向高爾基體轉運的復雜過程顯然是需要有一個精確調控的過程。影響內質網細胞核信號轉導的三種因素： 內質網腔內未折疊蛋白的超量積累。 折疊好的膜蛋白的超量積累。 內質網膜上膜脂成份的變化——主要是固醇缺乏 不同的信號轉導途徑，最終調節細胞核內特異基因表達一、高爾基體的形態結構電鏡下高爾基體結構是由扁平膜囊和大小不等的囊泡構成高爾基體是有極性的細胞器：位置、方向、物質轉運與生化極性高爾基體各部膜囊的４種標志細胞化學反應：高爾基體至少由互相聯系的4個部分組成，每一部分又可能劃分出更精細的間隔高爾基體與細胞骨架關系密切，在非極性細胞中，高爾基體分布在MTOC(負端)高爾基的膜囊上存在微管的馬達蛋白（cytoplasmicdynein和kinesin）和微絲的馬達蛋白（myosin）。最近還發現特異的血影蛋白（spectrin）網架。 它們在維持高爾基體動態的空間結構以及復雜的膜泡運輸中起重要的作用。扁囊彎曲成凸面 又稱形成面（formingface）或順面（cisface）面向質膜的凹面（concave）又稱成熟面（matureface）或反面（transface）高爾基體各部膜囊的４種標志細胞化學反應嗜鋨反應的高爾基體cis面膜囊；焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）細胞化學反應，顯示trans面1～2層膜囊；胞嘧啶單核苷酸酶（CMP酶）細胞化學反應，顯示靠近trans面膜囊狀和管狀結構GERL結構：60年代初，Novikoff發現CMP和酸性磷酸酶存在于高爾基體的一 側，稱這種結構為GERL，意為與高爾基體（G）密切 相關，但 它是內質網（ER）的一部分，參與溶酶體（L）的生成。煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的細胞化學反應，顯示中間扁平囊高爾基體順面網狀結構（cis-Golginetwork，CGN） 又稱cis膜囊高爾基體中間膜囊（medialGolgi） 多數糖基修飾； 糖脂的形成； 與高爾基體有關的多糖的合成高爾基體反面網狀結構（transGolginetwork，TGN）周圍大小不等的囊泡 順面囊泡稱ERGIC/VTC----ERGIC53/58蛋白（結合Mn）反面體積較大的分泌泡與分泌顆粒高爾基體順面網狀結構RER（蛋白質和脂類）——（蛋白質KDEL或HDEL）CGN；蛋白絲氨酸殘基發生O--連接糖基化；跨膜蛋白在細胞質基質一側結構域的酰基化；日冕病毒的裝配高爾基體反面網狀結構TGN中的低pH值；標志酶CMP酶陽性TGN的主要功能： 參與蛋白質的分類與包裝、運輸； 某些“晚期”的蛋白質修飾（如唾液酸化、蛋白質酪氨酸殘基的硫酸化及蛋白原的水解加工）在蛋白質與脂類的轉運過程中的“瓣膜”作用，保證單向轉運二、高爾基體的功能

高爾基體與細胞的分泌活動 蛋白質的糖基化及其修飾蛋白酶的水解和其它加工過程高爾基體與細胞的分泌活動

蛋白質的分選及其轉運的信息僅存在于編碼該蛋白質的基因本身 ·流感病毒囊膜蛋白特異性地轉運上皮細胞游離端的質膜 ·水泡性口炎病毒囊膜蛋白特異性地轉運上皮細胞基底面的質膜 ·水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞質基質側的雙酸分選信號 Asp-X-Gln或DXE）起重要的作用溶酶體酶的分選：M6P反面膜囊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。蛋白質的糖基化及其修飾 蛋白質糖基化類型 蛋白質糖基化的特點及其生物學意義 蛋白聚糖在高爾基體中組裝植物細胞中高爾基體合成和分泌多種多糖

蛋白質糖基化類型蛋白質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 細胞不同間隔中經歷復雜的加工過程才能完成。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。對多數分選的蛋白質來說，糖基化并非作為蛋白質的分選信號。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。蛋白聚糖在高爾基體中組裝

一個或多個糖胺聚糖（通過木糖）結合到核心蛋白的Ser殘基上

植物細胞高爾基體合成和分泌多種多糖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。如胰島素、胰高血糖素及血清白蛋白等。蛋白質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。在高爾基體中進行的肽鏈酪氨酸殘基的硫酸化作用三、高爾基體與細胞內的膜泡運輸

高爾基體在細胞內膜泡蛋白運輸中起重要的樞紐作用一、溶酶體的結構類型

溶酶體膜的特征： 嵌有質子泵，形成和維持溶酶體中酸性的內環境； 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（acidphosphatase）類型 類型 初級溶酶體（primarylysosome） 次級溶酶體（secondarylysosome） 自噬溶酶體（autophagolysosome） 異噬溶酶體（phagolysosome） 殘余小體（residualbody），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。二、溶酶體的功能phagocytosisphagosomeendocytosisearlyendosomelateendosomelysosomeautophagyautophagosome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）其它重要的生理功能溶酶體與疾病 其它重要的生理功能作為細胞內的消化“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體中的酸性環境）三、溶酶體的發生發生途徑分選途徑多樣化依賴于M6P的分選途徑的效率不高，部分溶酶體酶通過運輸小泡直接分泌到細胞外；在細胞質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合，通過受體介導的內吞作用，將酶送至前溶酶體中，M6P受體返回細胞質膜，反復使用。還存在不依賴于M6P的分選途徑（如酸性磷酸酶、分泌溶酶體的perforin和granzyme）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含一種或幾種氧化酶類的異質性細胞器。 過氧化物酶體與溶酶體的區別 過氧化物酶體的功能 過氧化物酶體的發生過氧化物酶體與溶酶體的區別1y???ˉ????ì?oí3???èü??ì?μ?D?ì?ó?′óD?àà??￡?μ?1y???ˉ????ì??Dμ??ò?á???ˉ??μè3￡D?3é?§??×′?á11￡??é×÷?aμ??μ??ê?±eμ??÷òaì??÷?￡í¨1yà?D??é·?à?1y???ˉ????ì?oíèü??ì?過氧化物酶體和溶酶體的差別過氧化物酶體的功能動物細胞（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。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： 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。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。過氧化物酶體蛋白分選的信號序列（Peroxisomal-targetingsignal，PTS）： PTS1為Ser-lys-leu，多存在于基質蛋白的C端。 PTS2為Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基質蛋白N-端。 過氧化物酶體膜上存在幾種可與信號序列相識別的可能的受體蛋白。過氧化物酶體的膜脂可能在內質網上合成后轉運而來。內質網也參與過氧化物酶體的發生一、分泌蛋白合成的模型---信號假說信號假說(Signalhypothesis) G．Blobeletal：Signalhypothesis,1975信號肽（Signalpeptide）與共轉移（Cotranslocation）導肽（Leaderpeptide）與后轉移（Posttranslocation）信號假說信號假說內容指導因子：蛋白質N-端的信號肽（signalpeptide）信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）信號識別顆粒的受體（又稱停泊蛋白dockingprotein，DP）等在非細胞系統中蛋白質的翻譯過程與SRP、DP和微粒體的關系信號肽與共轉移 信號肽（Signalpeptides）與信號斑（Signalpatches）起始轉移序列和終止轉移序列起始轉移序列和終止轉移序列的數目決定多肽跨膜次數跨膜蛋白的取向導肽與后轉移基本的特征： 蛋白質在細胞質基質中合成以后再轉移到這些細胞器中，稱后轉移（posttranslocation）。蛋白質跨膜轉移過程需要ATP使多肽去折疊，還需要一些蛋白質的幫助（如熱休克蛋白Hsp70）使其能夠正確地折疊成有功能的蛋白。二、蛋白質分選（proteinsorting）

與分選信號（sortingsignals）分選途徑分選信號分選途徑（Roadmap）門控運輸（gatedtransport）；跨膜運輸（transmembranetransport）；膜泡運輸（vesiculartransport）拓撲學等價性（Topologicallyequivalent）的維持三．膜泡運輸膜泡運輸是蛋白運輸的一種特有的方式，普遍存在于真核細胞中。在轉運過程中不僅涉及蛋白本身的修飾、加工和組裝，還涉及到多種不同膜泡定向運輸及其復雜的調控過程。三種不同類型的包被小泡具有不同的物質運輸作用。膜泡運輸是特異性過程，涉及多種蛋白識別、組裝、去組裝的復雜調控三種不同類型的包被小泡

具有不同的物質運輸作用網格蛋白包被小泡COPII包被小泡COPI包被小泡網格蛋白包被小泡負責蛋白質從高爾基體TGN質膜、胞內體或溶酶體和植物液泡運輸在受體介導的細胞內吞途徑也負責將物質從質膜內吞泡(細胞質)胞內體溶酶體運輸高爾基體TGN是網格蛋白包被小泡形成的發源地COPII包被小泡 負責從內質網高爾基體的物質運輸； COPII包被蛋白由5種蛋白亞基組成； 包被蛋白的裝配是受控的； COPII包被小泡具有對轉運物質的選擇性并使之濃縮。COPI包被小泡COPI包被含有8種蛋白亞基，包被蛋白復合物的裝配與去裝配依賴于ARF(GTP-bindingprotein)；負責回收、轉運內質網逃逸蛋白(escapedproteins）ER。細胞器中保留及回收蛋白質的兩種機制： 轉運泡將應被保留的駐留蛋白排斥在外，防止出芽轉運； 通過識別駐留蛋白C-端的回收信號(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特異性受體，以COPI-包被小泡的形式捕獲逃逸蛋白。COPI-包被小泡在非選擇性的批量運輸(bulkflow)中行使功能,負責rERGolgiSVPM。COPI-包被