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1、第六章 细胞质基质与细胞内膜系统,一、细胞质基质(cytoplasm matrix): （一）概念: 经典细胞学：光镜下，除去可见的细胞器及内含颗粒的透明质部分 称为细胞液。 细胞生物学： 1电镜下，除去可见的细胞器及亚微结构以外的细胞质部分称细胞质基质。 2分级离心后，除去所有细胞和颗粒剩下的清液部分称胞质溶胶。,细胞骨架的学术争议： 有人认为细胞骨架不属于细胞质基质范畴，是细胞器； 也有人认为细胞骨架是细胞质基质的主要结构体系，是其他成份错交的骨架，同时它们经常处于装配和解聚的动态平衡中，其解聚的亚单位仍保持在液相内。,（二）化学组成: 成份复杂，不易分析。因为反映了大部分细胞生化成分，即
2、是许多细胞器生化反应的底物和产物的运输通道，本身又涉及了几种细胞代谢途径。离心分离中，易发生混杂和丢失，破碎的细胞器及液泡内含物可能进入可溶相，而另一些本属基质的物质如可溶性酶又可能吸附在细胞器碎片上被分离掉。,（三）细胞质基质的功能: 1是进行某些细胞生化活动的场所，糖酵解、脂酸合成，有些供细胞自身结构和代谢所需要的蛋白质如组蛋白、非组蛋白，肌球蛋白质、糖体蛋白都在游离核糖体合成。 2为维持细胞器稳定，提供适宜的离子环境。 3供应细胞器内发生反应的底物。,4对蛋白质修饰，选择性降解，&物象修正： pi化与去pi化，糖基化，甲基化，酰基化； 依赖泛素标记到蛋白质酶体中的蛋白质降解途径； 热休克
3、蛋白Hsp（分子伴侣）帮助变性or畸形蛋白质重新折叠。 5物质贮存和运输，例如内膜系统和细胞骨架系统解聚后的物质贮存于细胞质基质，被称为“分子库”（pool） 。当需要重新组装时由此提供元件。,二、内膜系统（endomembrane system）（ES）: （一）概念: 1内膜和ES: 内膜电统下可见的在细胞内的膜相结构，ES 由内膜围成的泡状，管状，扁囊状的亚微结构和细胞器构成复杂且精密的胞内系统。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、过氧化物酶体以及衍生的小泡和液泡。ES在细胞质中的区域分布是依靠细胞骨架和立体网络支撑。 注意：一般不把线粒体，叶绿体作为内膜系统成员，除二者之外，其他
4、细胞器都属于ES。,2内膜的共同结构特点: 都是单位膜结构； 仅存在真核细胞中； 均处于动态平衡中，膜之间有转化现象。 3内膜与质膜的结构差别: 单位膜的层次区别不如质膜明显； 厚度稍薄67nm； 膜上的抗原不同。,三、内质网(endoplasmic reticulum， ER): 1ER的结构和分布: 由单层内膜围成的扁平囊状，管状结构，连通成网，周边区域常见由其出芽分离形成的小泡，按形态差别可分为两类： 膜外表附有核糖体的称为粗面内质网(rough ER rER)，一般呈平行囊状分布，多数是围绕在细胞核附近，其内的腔与双层核膜之间的腔（核周池）相通。 而膜外表无核糖体的称为光面内质网(sm
5、ooth ER sER)，呈分支管状或小泡状。往往分布在rER的外侧，这两种内质网是连通的，还可与质膜相连。,ER,图6-20 RER 的形态,图6-21 SER 的形态,在不同类型细胞中，其数量和类型有不同，例如: 卵细胞、胚胎细胞、癌细胞中内质网不发达，而分泌细胞和肝细胞中却很多，又例，脂肪细胞，肾上腺皮质细胞、肝细胞、平滑肌细胞中，sER多；而胰腺细胞和浆细胞中则是rER多，这种差异与细胞合成功能不同有关。 另外内质网数量还与动物生理状态相关，极度饥饿时，内质网少，喂食后重新增多当长期服用药物时，肝细胞中s ER增多。,2内质网的化学组成: 依据对微粒体（microsome）的组分分析（
6、微粒体是经分散离心得到的内质网碎片形成的泡状人工产物，不是天然存在的），以蔗糖密度梯度离心可将 rER & sER分离开，再以脱H胆脂酸盐处理，可将核糖体分离出来。 ER 膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。 ER 约有30 多种膜结合蛋白， 另有30 多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER， P450 酶系只分布在SER。,3内质网的功能: （1）蛋白质的合成: 附在rER膜外表面核糖体合成多肽链，从
7、“易位子”孔道进入内质网腔内，rER合成的蛋白质合成的蛋白质包括： 1. 分泌蛋白（分泌的酶、抗体、多肽类激素等）、 2. 膜蛋白（将转运到质膜和其他内膜） 3. 细胞器中可溶性驻留蛋白（转运到高尔基体、溶酶体、胞内体与植物液泡等细胞器） 4. 需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。,图6-22 蛋白质转移到内质网上合成的过程,转位因子,（2）蛋白质折叠，装配和修饰加工: 新合成的多肽由结合蛋白 Bip & 蛋白二硫键异物酶（分子伴侣）帮助折叠装配，前者起识别促进作用（是Hsp70家族成员），后者起切断&重结二硫键作用，凡错误折叠装配的肽链皆由易位子返回细胞质基质，由依赖于激素的蛋白质酶体降解。 内质
8、网中合成蛋白质的糖基化是最常见的修饰加工，分为N-连接糖基化和O-连接糖基化两种方式，前者是在膜上的糖基转移酶作用下，将膜内侧的pi多萜醇上的寡糖侧链移到多肽链的天冬酰胺残基上；而后者则是转移到丝氨酸、苏氨酸，羟赖氨酸 or羟脯氨酸残基上。,Protein glycosylation in RER,N-连接的糖基化,糖基转移酶,磷酸长醇,寡糖转移酶,（3）脂类合成: 磷脂，胆固醇和甾类激素都在内质网中合成。合成磷脂所需的三种酶（酰基转移酶, pi 酶，胆碱pi转移酶）都位于膜上，其活性部位朝膜外，合成磷脂的底物来自细胞质基质，合成后在磷脂转位因子帮助下翻转（转位），迅速进入内质网腔内。其合成的
9、脂类除部分用于自身的膜装配，其余转运到别的细胞器，转运方式：类似于膜蛋白的膜流动和膜泡出芽转移，还可由磷脂转换蛋白 PEP载体运送到线粒体和过氧化物酶体等缺磷脂的细胞器膜上。,（4）内膜的生成及分化: rER膜可不断自身装配生成，再通过一系列化学结构上的膜改造（如核糖体脱落添加or减少膜上的酶，脂类及糖基）等实现各类型内膜的转化，其膜物质的生成中心是rER，转运方式：凡连通的内膜由膜流动性转运，凡不连通的则由小泡（包括衣被小泡）输送。 （5）解毒作用： sER中有些酶（如细胞色素P-450酶系）能催化脂溶性药物（如苯巴比妥）氧化失效。,（6）糖原分解： 动物的糖原颗粒（肝糖原、肌糖原）贮存在细
10、胞质基质中，当生理活动需消耗能量时，在激素控制下由cAMP介导糖原被-Glucose Pi化酶降解成Glucose6pi，再由sER膜上的pi脂酶催化去掉pi根，Glucose穿过膜进入sER腔，运出细胞进入血液供生理需要。 （7） Ca2+的贮存： 内质网膜上的Ca2+泵将细胞质基质中的Ca2+大量泵入腔中贮存，一旦受胞外信号刺激时，内质网膜的Ca2+通道打开， Ca2+迅速涌出作为胞内信号传递。肌质网是肌细胞中特化的sER ，平时其内贮存的Ca2+浓度比肌质高数千倍，当兴奋冲动刺激使，肌质网大量释放Ca2+ ，激活ATP 酶，促使肌肉收缩。,（8）合成物质的运输&交换： 是胞内物质合成运输
11、的通道，以3H一亮氨酸脉冲标记追踪观察 rER合成的分泌性多肽，经sER腔转运到高尔基体，包装成分泌颗粒，再输出胞外or其他细胞器。此外，由内质网膜与细胞质基质之间形成了巨大的物质交换面，例如1ml肝细胞中有11M2的内质网膜面积，小分子物质&离子在内质网膜能发生穿膜扩散&主动运输。,四、高尔基复合体： 高尔基体（Golgibody），or称高尔基器（Golgi apparatus），or 称高尔基复合体（Golgi complex Golgibody）。 （一）形态结构与分布： 由一层膜包围组成的囊状、管状&泡状复合结构的堆叠，可大致分为三部分区域： 1高尔基体顺面膜囊（Cis Golgi
12、or CGN）： 高尔基体在位置，朝向和物质运输上都表现有极性，一般弯曲成弓形，其凸面称形成面（or 顺面）朝向细胞核；其凹面朝向质膜称为成熟面（or反面）。高尔基体顺面的几个膜囊，是中间多孔而具连续分支的管网结构，其膜厚6nm，与内质网膜相似，CGN区域将内质网运来的物质分类后大部分转运至中间膜囊，小部分返回内质网，返回驻留内质网的蛋白质有KDEL信号序列。,图6-24 高尔基体各部分的名称,2高尔基体中间膜囊： 是进行糖基化修饰，糖脂形成和高糖合成的主要区域。 3Golgibaly 反面膜囊（trans golgi or TGN）： 是蛋白质分类，包装和转运的主要区域。 4. Golgib
13、ody周围的囊泡： 是由膜囊周缘膨大出芽形成，负责物质转运。,图6-25 培养的上皮细胞中高尔基体的分布（高尔基体为红色，核为绿色）,图6-26 高尔基体的三个功能区域,（二）Gdgibody 的功能: 1细胞内大分子运输枢纽： 内质网合成的蛋白质和脂质在此加工，分类和包装后，分别运送到细胞特定部分or分泌到细胞外。,2蛋白质糖基化修饰： 质膜上的许多膜蛋白和分泌蛋白以及溶酶体的水解酶类，部分糖蛋白，还有胞外基质中的蛋白聚糖等，皆是在高尔基体完成糖基化修饰、加工、包装及分选 糖基化有两类，即N-连接&O-连接： N-连接糖基化始于rER，直至高尔基体反面膜囊，要经过9个step.11种以上酶的
14、催化，部分切除&添加等加工修饰才能最终形成成熟的糖蛋白，那些参与加工的都是固定整合在内质网& Golgi body的腔内侧，组成修饰加工流水线。,蛋白质糖基化的功能有： 作为分选的标志，例：在CGN区域开始装配的溶酶体酶都具有6-pi甘露糖M6P共同标志，所以到TGN区域由M6P受体分选转运到溶酶体； 保证多肽正确折叠； 增强构象稳定性； 影响蛋白质水溶性及电荷，糖脂的加工途径方式与糖蛋白类似，再由高尔基体转运到溶酶体膜or质膜上。 M6P标志其走向溶酶体。,3蛋白质酶解加工： 无生物活性的的蛋白原切除N端or两端序列，例胰岛素修剪或胰岛素； 前体水解切割成多段同种有活性的多肽，例神经肽（长度
15、短）； 对含不同信号序列的蛋白质在前体以不同方式加工成不同产物。 4在细胞分泌中起主要作用： 例消化道分泌物（唾液、胃液、肠液、胰液、胆汁等）呼吸道分泌物（痰液等）都是高浓度的糖蛋白质或糖胺聚糖or 蛋白聚糖。再例：皮脂腺，汗腺中分泌的糖脂类。,5是酶原粒和初级溶酶的发源地，酶原是无活性的蛋白质前体如胃蛋白酶原，膜蛋白酶原等。 6在植物细胞分裂末期参与细胞多糖合成。 7是细胞内的膜泡进行“膜流”的调控枢纽，细胞内的膜泡除转运内含物质外，还转运了膜物质，故称为膜流（membrane flow）。其方向有：外内，内内，&内外：这是维持质膜及内膜system的动态平衡的膜物质循环途径。,五、溶酶体（
16、lysosome）&过氧化物酶体（peroxisome）: 溶酶体内含多种水解酶，能降解，消化各种大分子物质。是广泛存在动物细胞中的重要细胞器，植物细胞中有与其功能类似的圆球体，中央液泡。,（一）溶酶体的结构（植物无溶酶体）: 由单层膜包围形成的泡状细胞器，膜厚是7.5nm，其内部无结构，但大小相差极大，其直径为0.20.5um不等。所含的水解酶有60余种（包括蛋白酶，核酸酶，糖苷酶 ,磷脂酶等）都是酸性水解酶，最适PH5.0左右，其中酸性pi 酶是溶酶体的标志酶。,图6-27 初级溶酶体,图6-28 次级溶酶体,图6-29 肝细胞中的脂褐质残体,图6-30 台-萨氏综合征神经元中同心圆状的溶
17、酶体,溶酶体膜的特点： 嵌有质子泵，能维持泡中酸性的环境； 具有多种载体蛋白，能将水解产物向外转运； 膜蛋白高度糖基化，可能对防止自身膜物质降解有利。,（二）溶酶体的功能： 1细胞内消化： 降解胞吞进入的大分子异物，为细胞代谢提供营养，饥饿时，溶酶体也分解细胞内的生物大分子以保证机体所需能量。 2防御功能： 颗粒白细胞和巨噬细胞可吞噬baeteria、 virus，在溶酶体中将其杀死，消化降解后的产物供细胞营养。 3自噬清除胞内衰老损伤的生物大分子和细胞器: 胞内生物大分子&细胞器都有一定寿命，衰老损伤的由溶酶体和蛋白酶体消化清除。有用物质被转化更新。 4对机体中衰老病变细胞的清除： 主要由巨
18、噬细胞吞噬到溶酶体中降解。 5对发育过程中凋亡细胞的清除: 如蝌蚪尾巴的退化，断乳期乳腺的退化变化等。 6受精时精子顶体效应： 细胞毒T 细胞释放分泌溶酶体酶，穿孔素颗粒酶。,（三）溶酶体的发生（前溶酶体指胞内体）： 如前所述，合成过程中的溶酶体在高尔基体CGN区域发生pi化，形成M6P标志，到TGN区域由M6P受体分选富集，再出芽以网格小泡运往前溶酶体中。由于前溶酶体膜上有H+泵，泡内偏酸（PH6左右）引起M6P去pi化，与受体分离，M6P受体穿梭于高尔基体和前溶酶体之间，反复使用，此外还有部分含M6P溶酶体酶先分泌在胞外再由质膜上的M6P受体介导的有被小泡运送到前溶酶体，其M6P受体在质膜
19、与前溶酶体之间往返。,（四）过氧化物酶体的特征功能及发生（微体microbody）： 也就是单层膜围绕而成的泡状细胞器,其主要特征是因为内含氧化酶类，PH7左右，常见晶体结构，其识别的标志酶是过氧化H酶。 过氧化物酶体中常含两种酶 ，依赖黄素的氧化酶&过氧化H酶，前者能将底物氧化形成H2O2分解成水和O2，所以两种酶偶联反应，能保护细胞。 有人认为过氧化物酶体能分解脂肪酸等高能分子，对细胞直接提供热能，可不必通过ATP途径供热能。,图6-31 人肝细胞过氧化物酶体 （Ps，没有尿酸氧化酶结晶）,植物叶肉细胞中的过氧化物酶体是植物光呼吸反应中的乙醇酸代谢场所，乙醇酸氧化的结果耗O2并释放CO2
20、，是在光照下与叶绿体及线粒体联合完成的（注意！光呼吸（需光照，耗O2 ，放CO2）“细胞呼吸”（自身氧化pi化放CO2耗O2 、不需光照）以及光合作用（需光照，固定CO2放O2 ）都是完全不相同的）。 植物种子萌发时，其过氧化物酶体催化乙醛酸循环反应，将种子中的脂肪酸最终转化成Glucose（动物细胞中不能进行这种直接转化）。 过氧化物酶体能分裂，但子代的过氧化物酶体的成熟则需增添外部物质来装配，其蛋白质是由细胞质基质中合成转运而来，其膜脂是在内质网合成后由磷脂转换蛋白or膜泡转运的。,图6-32 烟草叶肉细胞的过氧化物酶体 （中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心）,叶绿体,过氧化物酶体,线粒体
21、,六、细胞内蛋白质的定向转运（蛋白质targeting，分选蛋白质sorting）： （一）信号假说与蛋白质分选信号： 为什么有些蛋白质在细胞质基质中合成，而另一些在rER中合成，究竟是什么指令确定蛋白质在细胞内的合成部位以致最终影响它们的不同去向和用途？对此的理论解释是“信号假说” singal hypothesis，该假说创建者GBlokel为此获1999年诺贝尔奖。,图6-22 蛋白质转移到内质网上合成的过程,指导分泌蛋白在rER中合成的关键因素为： 信号肽：singal peptidc; 信号识别颗粒SRP； SRP的受体，又称停泊蛋白 DP。 信号肽是位于新合成的蛋白质 N端，由16
22、26个氨基酸组成，是先在细胞质基质的核糖体上起始合成一小段，随即结合上SRP，使肽链合成暂停，然后SRP与内质网膜上的DP结合，使得核糖体停泊在内质网膜的易位子(translocon)上结合,SRP则脱离返回细胞质基质去重复使用。信号肽由易位子孔道过膜引导肽链袢环进入内质网腔。当腔面酶切信号肽后，其后多肽链的合成延伸继续直至合成完毕，上述过程是需GTP的耗能过程。,关于这样的多肽链边合成边转移到内质网腔中的方式称为“共转移”(translocation)。然而，那些无信号肽的多肽链合成，由于不可能共转移进入rER，当然只能在细胞质基质中完成。由此而论，某种蛋白质究竟会在何处合成，是取决于其N端
23、有否信号肽，而这又是依据其mRNA上的编码，归根结底，是由其DNA编码序列所决定的。 N端的信号肽是起始转移序列，有的肽链中部还有停止转移序列。如果一种多肽中只有信号肽而无停止转移序列，其合成后就进入内质网腔内；而既有信号肽又有停止转移序列的则成为跨膜蛋白质。因此，含有多个起始转移序列和多个停止转移序列的多肽就会形成多次跨膜的膜蛋白。,参与线粒体，叶绿体，过氧化物酶体装配的外来蛋白质也是以类似方式进入的。原核细胞（如大肠杆菌）的一些分泌蛋白的N端也具有类似信号肽的信号序列，但这些蛋白质的合成不是共转移，而是后转移，即蛋白质合成完毕才转移。跨膜前须消耗ATP使多肽去折叠，跨膜后还需某些蛋白质(如
24、热休克蛋白质 Hsp 70)帮助折叠。 这些类似信号肽的信号序列被统称为导肽（leader peptide）, 类似于SRP和Hsp 70的辅助蛋白质被称为分子伴侣（or 分子伴娘 molecular chaperones），分子伴侣的作用是可以识别正在参与蛋白质最终产物的形成。,现已知一系列类似信号肽的蛋白质分选信号序列，能指导蛋白质定向转运： 1蛋白质的跨膜转运； 2膜泡运输； 3选择性门控转运：核孔、胞间连丝； 4细胞质基质中的蛋白质转运：依靠在细胞骨架上定向运输，例：神经轴突上的运输。,（三）膜泡运输： 1网格蛋白有被小泡： 第五章曾讲网格有被小泡是以受体介导的细胞内吞方式之一，（外内
25、）而这种运输小泡还可以从Golgi body TGN将蛋白质向质膜、胞内体、溶酶体or plant液泡运送，由于运送的特异分子是由其受体选择性结合的，故被浓缩在泡内。其结构与质膜内吞形成的相同。,图6-7 COPI 和COPII 衣被小泡,2COP有被小泡： 由内质网膜出芽形成，向Golgi body运送物质，其结构由COP蛋白.Sar蛋白内质网膜受体所装配成小泡的包被并出芽，跨膜受体在内质网腔中捕获并浓缩转运物质。当COP有被小泡与靶膜融合前，包被也会脱落。,图6-9 COP II衣被小泡的组装,3COP有被小泡：负责回收内质网逃逸蛋白。由于内质网的normal驻留蛋白的C端都有一端C（段）
26、回收信号序列KDEL。如果他们意外逃逸进入转运泡被运到Golgi body CGN区膜上有KDEL受体捕获，以COP有被小泡将其返回内质网，因此，同在运往Golgi body的内质网蛋白上，若无KDEL序列，则不会返回。 此外，细胞内膜泡定向运输的完成，还取决于膜泡对靶膜的选择性锚定和融合。,图6-8 KDEL 序列,习题： 一. 名词解释： 1. 细胞基质. 2. rER. 3. 信号肽. 4. 多聚核糖体. 5. TGN. 6. 膜流. 7. 分子库. 8. 分子伴侣. 二. 问答题： 1. 内质网的生物学功能. 2. 细胞如何控制不同的蛋白质在不同的区域合成. 3. 高尔基体的生物学功能. 4. 高尔基体如何参与细胞的分泌活动. 5. 细胞内膜系统如何完成物质运输. 6. 溶酶体的生物学功能. 7. 什么是信号肽学说?它解释了什么现象？,