细胞生物学 第四章

细胞生物学基础第四章细胞质基质与细胞内膜系统第一节细胞质基质一、细胞质基质的概念和组成1.细胞质基质的概念细胞质中除去细胞器和内含物以外的、较为均质半透明的液态胶状物质称为细胞质基质（cytoplasmicmatrix或cytomatrix）,也称为胞质溶胶（cytosol,或胞液）。2.细胞质基质的组成经生化分析表明，细胞质基质中含有大量的水和无机离子，如、、、、等；含有各种代谢的中间产物，如脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等；还含有蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等大分子物质。细胞质基质中存在着大量的酶，这些酶大多数与细胞进行蛋白质合成、核酸合成、脂肪酸合成、糖酵解途径以及糖原代谢作用等代谢反应有关。同时构成微丝微管的各种蛋白、细胞进行各种反应所需的ATP等都存在于细胞质基质中。第一节细胞质基质二、细胞质基质的功能1.细胞质基质是细胞内物质代谢的重要场所经研究表明，细胞内所有的中间代谢过程均发生在细胞质中，其中大部分是在细胞质基质中进行的。2.细胞质基质与细胞质骨架密切相关由于构成细胞质骨架的蛋白质存在于细胞质基质中，因此许多学者认为细胞质骨架是细胞质基质的主要结构成分，它对维持细胞的形态、细胞运动、细胞内的物质运输以及能量传递等有着重要作用，同时也为细胞质基质中的其他成分及细胞器提供了锚定位点。如果离开了细胞质骨架的支持和组织，细胞质基质中的其他成分就失去了锚定点，随之也就丧失了其复杂的高度有序的结构体系，无法完成各种生物学功能。第一节细胞质基质3.细胞质基质在蛋白质的修饰、蛋白质寿命的控制以及蛋白质选择性降解等方面有重要作用现已发现的蛋白质侧链修饰有100余种，其中绝大多数的修饰是由专一的酶作用于蛋白质侧链的特定位点。已知在细胞质基质中发生蛋的白质修饰主要有：辅酶或辅基与酶的共价结合；蛋白生物活性的磷酸化、去磷酸化；将N-乙酰葡萄糖胺分子加到丝氨酸残基上的糖基化以及某些蛋白质分子末端的甲基化修饰等。这些不同形式的修饰，用以调节蛋白质的生物活性。同时，细胞质基质还在控制蛋白质寿命、降解变性和错误折叠的蛋白质以及帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠为新的正确的分子构象等方面起重要作用。第二节内质网一、内质网的形态结构和类型1.内质网的形态结构内质网是由一层单位膜围成的小管、小囊和扁囊所构成的网状结构。其膜厚约5～6nm。通常情况下，这些小管、小囊或扁囊相互连接，形成一个连续的、封闭的网状膜系统，其内腔是相连通的（图4-1）。内质网通常占细胞膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的10%以上。在不同类型的细胞或同一细胞不同的发育，内质网数量、类型与形态差异很大。图4-1内质网立体结构模式图第二节内质网2.内质网的类型根据内质网表面有无核糖体，可分为糙面内质网（roughendoplasmicreticulum,rER）和光面内质网（smoothendoplasmicreticulum,sER）两种基本类型。（1）糙面内质网（rER）糙面内质网又称为粗面或颗粒型内质网。rER在细胞中多呈扁囊状，排列较为整齐，因其膜的外表面附着有大量颗粒状的核糖体，所以表面粗糙，称为糙面内质网。（2）光面内质网（sER）光面内质网又称滑面内质网或无颗粒型内质网。这类内质网的膜表面没有核糖体附着，所以表面光滑。光面内质网的结构与糙面内质网不同，多为分支小管或小囊构成的细网，很少有扁囊状的。小管直径为50～100nm，它们连接成网，形成较为复杂的立体结构（图4-3）。第二节内质网图4-2胰腺腺泡细胞中发达的糙面内质网图4-3sER的形态第二节内质网3.内质网的主要组成应用蔗糖密度离心方法，可以从细胞匀浆中分离出内质网的碎片—微粒体。通过对微粒体的生化分析，得知内质网膜和所有细胞的生物膜一样，也由脂类和蛋白质组成。ER中脂类约占1/3，蛋白质约占2/3，相比较而言，rER中蛋白质含量多于sER。内质网膜的脂类含量比细胞膜的少，蛋白质含量比细胞膜的多。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多种蛋白质位于内质网腔中，这些蛋白的分布具有异质性。内质网膜还含有大量的酶，其中葡萄糖-6-磷酸酶被视为内质网膜的标志酶。第二节内质网二、内质网的功能1.蛋白质的合成、加工修饰和转运（1）蛋白质的合成和转移细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质中。但是有些蛋白质在合成开始不久便转到内质网膜上进行合成。附着在rER上的核糖体所合成的蛋白质主要有：向细胞外分泌的分泌蛋白，如酶、抗体，激素和细胞外基质成分等；跨膜蛋白；驻留蛋白和溶酶体蛋白；需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白等。这些蛋白质的多肽链往往是边合成边进入内质网。图4-4在结合膜的核糖体上合成分泌蛋白示意图第二节内质网①信号肽的合成。蛋白质的合成是从mRNA结合到游离的核糖体开始的。信号假说认为，在合成分泌蛋白时，游离的核糖体首先合成了一段多肽，在这段多肽的N端含有—信号序列——为18～30个非极性氨基酸残基构成，它指导新生多肽到内质网膜上。这种能引导新合成的肽链转移到内质网上的多肽就是信号肽（signalpeptide）。信号肽还能引导游离的核糖体与内质网膜结合，从而成为附着核糖体，而那些不能合成信号肽的核糖体仍散布于细胞质基质中，即为游离核糖体。第二节内质网②SRP－核糖体复合体形成。近年来研究证明，在细胞质基质中有一种信号识别颗粒（signalrecognitionparticle,SRP）它主要由6个不同的多肽亚单位和一个小的RNA分子组成，为一种GTP结合蛋白。当信号肽从核糖体上一出现，就被信号识别颗粒（SRP）所识别。SRP迅速与信号肽和糖核体结合，形成SRP－核糖体复合体。此时，SRP占据了核糖体上与tRNA结合的位置，阻止了携带氨基酸的tRNA进入核糖体，从而使蛋白质的合成暂时中止。第二节内质网③SRP－核糖体复合体与内质网膜结合。SRP不仅可识别核糖体上的信号肽，而且还能识别糙面内质网膜上的SRP受体。当SRP－核糖体复合体形成后，在SRP的介导下逐渐向内质网膜靠近，与之接触后便与膜上的SRP受体结合。与此同时，核糖体则与内质网膜上的转移器相结合，从而加强了核糖体与内质网结合的稳定性。SRP受体亦称停泊蛋白，为膜嵌蛋白，暴露于内质网膜的外表面，可与SRP特异结合，当核糖体附着于内质网膜之后，SRP便与SRP受体分离，又回到细胞质基质中，准备完成下一次介导任务，实现了SRP循环。转移器也是膜嵌蛋白，它只存在于糙面内质网，而不存在于光面内质网和原核细胞的细胞膜。第二节内质网④多肽链进入内质网腔。一旦核糖体牢固结合于内质网膜上，新生肽链含信号肽的一端插入到转移器的通道，信号肽结合到转移器内的一个位点，触发打开到内质网腔的通道，同时SRP被释放，先前处于暂停状态的肽链合成又重新开始，新生肽链随信号肽继续延伸，并通过转移器的通道进入内质网腔。新生的多肽链边合成边向ER腔转移，当新合成的蛋白质的羧基端通过ER膜时，由位于内质网腔面的信号肽酶的作用将信号肽切除，并从转移器孔释放出来，进入内质网腔，很快被其他蛋白酶降解成氨基酸。此时转移器通道关闭，核糖体也随之解离，脱离内质网，重新加入“核糖体循环”。第二节内质网综上所述，蛋白质转入内质网合成的过程可简单表示为：信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在内质网上继续合成，同时信号肽打开转移器的通道→新生肽链进入内质网腔→信号肽被切除→肽链延伸至终止→合成体系解散。值得说明的是，ER上核糖体所合成的如果是分泌蛋白，多肽链则全部穿过ER膜进入ER腔中；若是膜蛋白则存留于ER膜上，形成跨膜蛋白。注定留在膜内的跨膜蛋白的转移过程比可溶性蛋白的转移更为复杂。第二节内质网（2）蛋白质的修饰与加工进入内质网的蛋白质发生的化学修饰作用主要有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。糖基化是内质网中最常见的蛋白质修饰，是指一些糖共价地结合到蛋白质上形成糖蛋白的过程。在ER合成的多肽链进入ER腔后，大部分可溶蛋白或结合膜的蛋白质，包括那些注定到高尔基体、溶酶体、质膜或细胞外空间的蛋白质都需要进行糖基化，形成糖蛋白。而在细胞质中游离核糖体上所合成的可溶性蛋白不进行糖基化。第二节内质网经研究发现，ER腔里连接到蛋白质上的糖是一种由N－乙酰葡萄糖胺、甘露糖、葡萄糖组成的寡糖，这种寡糖是与蛋白质的天冬酰胺（Asn）残基侧链上的氨基基团连接（图4-5）。在ER腔面，寡糖通过高能的焦磷酸键连接到插入ER膜内的多萜醇上，当新生肽链中与糖基化有关的氨基酸残基出现后，通过内质网腔侧面上的寡糖转移酶的催化，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬酰胺残基上（图4-6）。图4-5N－糖基化的蛋白质第二节内质网图4-6在rER腔内蛋白质的糖基化作用第二节内质网（3）蛋白质的转运新合成的分泌蛋白在内质网腔中经过糖基化等修饰加工之后，由内质网分离出来的囊泡所包裹，形成运输小泡，并转运到高尔基体中。随后便在高尔基体内转变为浓缩泡，再经浓缩泡浓缩形成分泌颗粒而被排出细胞之外。这是分泌蛋白的常见排出途径。另一种途径是含有分泌蛋白的小泡由内质网脱落后，直接形成浓缩泡，再由浓缩泡变为分泌颗粒而被排出。第二节内质网2.脂类的合成内质网是脂类合成的重要场所。已经实验证明，大部分膜的脂双层是在内质网组装的。ER膜能合成几乎所有细胞需要的脂类，包括磷脂和胆固醇。其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱(又称卵磷脂)。磷脂酰胆碱是由两个脂肪酸、一个磷酸甘油和一个胆碱在三种酶的催化下合成的。这些酶位于sER的脂类双层内，它们的活性部位都朝向细胞质基质。这样，新合成的脂类分子最初只嵌入sER脂类双层的细胞质基质面。磷脂酰胆碱的合成过程如图4-7所示。首先由酰基转移酶催化细胞质中的脂酰辅酶A和3-磷酸甘油，将2个脂肪酸加到磷酸甘油上，形成磷脂酸，磷脂酸为非水溶性化合物，合成后便保留在脂类双层中；然后，在磷酸酶的作用下，将磷脂酸转化为二酰基甘油；最后，再在胆碱磷酸转移酶的催化下，由二酰基甘油和CDP-胆碱合成磷脂酰胆碱。除磷脂酰胆碱外，其它几种磷脂，如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸以及磷脂酰肌醇等都以类似的方式合成。第二节内质网在内质网膜上合成的磷脂很快就由细胞质基质侧转向内质网膜腔面，其中有的插入到脂双分子里，有的向其它膜转运。其转运主要有两种方式：一种是以出芽的方式，以运输小泡转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；另一种方式是凭借一种水溶性的载体蛋白，即磷脂转换蛋白（phospholipidexchangeprotein，PEP）在膜之间转移磷脂。其转运模式是：PED与磷脂分子结合形成水溶性的复合物进入细胞质基质，通过自由扩散，直到靶膜时，PEP将磷脂释放出来，并安插在膜上，结果使磷脂从含量高的膜转移到缺少磷脂的膜上。细胞中转移到线粒体或过氧化物酶体膜上的磷脂就是通过此方式转运的。第二节内质网图4-7磷脂酰胆碱在ER膜上合成的过程第二节内质网3.糖类代谢已有实验证明内质网参与糖原的分解。在sER膜上含有葡萄糖-6-磷酸酶，它可以催化细胞基质中肝糖原降解所产生的葡萄糖-6-磷酸，使之分解成磷酸和葡萄糖，然后葡萄糖进入内质网腔再被释放到血液中。4.解毒作用肝的解毒作用主要是由肝细胞的sER来完成的。生化研究得知，sER膜上集中着重要的氧化酶系，如细胞色素－、NADPH－细胞色素c还原酶等。许多对有机体有害的物质，如药物和毒物等经氧化酶系的氧化、羟化等作用后，或被解除毒性，或转化为易于排泄的物质而排出体外。第三节高尔基体一、高尔基体的形态结构图4-8高尔基体立体结构第三节高尔基体1.高尔基体顺面膜囊及顺面网状结构这部分是由高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊和与其相连的网状结构组成，是中间多孔而呈连续分支的管状结构。其膜厚约6nm，比高尔基体其它部位的膜略薄，但与内质网膜厚接近。在顺面可见许多由糙面内质网“芽生”的运输小泡，并可观察到运输小泡与扁平囊的顺面向融合的现象。一般认为该结构的主要功能是接受和分选由内质网新合成的蛋白质和脂类，分选后将其