第7章 细胞质基质与内膜系统

生物膜的基本特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？答案要点：生物膜的基本结构特征：①磷脂双分子层组成生物膜的基本骨架，具有极性的头部和非极性的尾部的脂分子在水相中具有自发形成封闭膜系统的性质，以非极性尾部相对，以极性头部朝向水相。这一结构特点为细胞和细胞器的生理活动提供了一个相对稳定的环境，使细胞与外界、细胞器与细胞器之间有了一个界面；②蛋白质分子以不同的方式镶嵌其中或结合于表面，蛋白质的类型、数量的多少、蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜不同的特性与功能；这些结构特征有利于物质的选择运输，提供细胞识别位点，为多种酶提供了结合位点，同时参与形成不同功能的细胞表面结构特征。说明Na+-K+泵的工作原理及其生物学意义。•答案要点：•Na+-K+泵是一种典型的主动运输方式，由ATP直接提供能量。Na+-K+泵存在于细胞膜上，是由α和β二个亚基组成的跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶活性。•工作原理：在细胞内侧α亚基与Na+相结合促进ATP水解，α亚基上的天门冬氨酸残基磷酸化引起α亚基构象发生变化，将Na+泵出细胞，同时细胞外的K+与α亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，α亚基构象再度发生变化将K+泵进细胞，完成整个循环。Na+依赖的磷酸化和K+依赖的去磷酸化引起构象变化有序交替进行。每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+和泵进2个K+。•生物学意义：动物细胞借助Na+-K+泵维持细胞渗透平衡，同时利用胞外高浓度的Na+所储存的能量，主动从细胞外摄取营养。翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）第7章细胞质基质与内膜系统本章主要内容•细胞质基质及其功能•细胞内膜系统及其功能–内质网–高尔基体–溶酶体–过氧化物酶体真核细胞内区室化细胞组分数目体积比细胞质基质细胞核内质网高尔基体溶酶体胞内体过氧化物酶体线粒体1111300200400170054612311122肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比（引自Albert.1998）第一节细胞质基质及其功能1、经典细胞学:电镜下，在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为细胞质基质.2、生物化学:用差速离心的方法分级离心细胞匀浆物中的各种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的部分称为胞质溶胶.3、学术争议:有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴，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，是其他成分锚定的骨架，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中.一、细胞质基质的含义•细胞质基质很可能是一种高度有序的体系关键在于细胞质骨架纤维贯穿其中，起重要的组织作用•主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系•主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。大分子类：蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等。细胞质基质是细胞真正的内环境，其组成成分复杂。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，依分子大小大致划分为下列几种。小分子和各种离子：如水K+、Cl-、Na+、Mg++、Ca++等。中分子类：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸类等。故认为它呈复杂的胶体性质，可随环境条件的改变由溶胶变为凝胶状态或者相反，这成为某些细胞运动方式的动力。大分子拥挤(Macromolecularcrowding)Thecrowdedstateofthecytoplasmin(a)eukaryoticand(b)E.colicells二、细胞质基质的功能•完成各种中间代谢过程–如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等•为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所•与细胞质骨架相关的功能–维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递；细胞质基质结构体系的组织者•与细胞膜相关的功能–细胞质基质产生区室化；依靠细胞膜或细胞器膜上的泵蛋白和离子通道维持细胞内外跨膜的离子梯度•蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解1.蛋白质的修饰•辅酶或辅基与酶的共价结合•磷酸化与去磷酸化•蛋白质糖基化作用•甲基化修饰•酰基化2.控制蛋白质的寿命N端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-andproteasome-mediatedpathway）3.降解变性和错误折叠的蛋白质细胞质基质中的变性蛋白质、错误折叠的蛋白质、含有被氧化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白质，不管其N端氨基酸残基是否稳定，常常很快被降解清除2004年诺贝尔化学奖•发现泛素调节的蛋白质降解CentralDogmaofBiologyDNARNAPROTEINtranslationreplicationtranscriptionfolding,assembly,targetingdegradationaminoacids,peptidesregulationofconformation/functionFUNCTIONALPROTEINProteasomesystemsUbiquitin-dependentProteasomeSystem(UPS)Ubiquitin-independentProteasomeSystemUbiquitin-ProteasomeSystem(UPS)UbUbProteasomeUbUbUbUbProteinUbUbProteindegradationUbE1E3E2E3E3E1:ubiquitin-activatingenzymeE2:ubiquitin-conjugatingenzymeE3:ubiquitinligaseUbiquitinationDegradationLysDUBs*DUBs:Deubiquitinatingenzymes*Ub:UbiquitinP116TypesofUbiquitinationUbKUbKUbKUbKUbKUbUbUbUbMonoubiquitinationMulti-monoubiquitinationPolyubiquitinationN-terminalubiquitination-aminogroupoftheN-terminalresidue-aminogroupoflysineresidueSumoylationandDesumoylationSUMOpeptideUba2Aos1E1SUMOSUMOSUMOUlp1ProteinSUMOE2Ubc9Ubc91.MaturationE3ATPAMP+PPiUlp1Uba2Aos12.Activation3.Conjugation4.Ligation4.帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠热休克蛋白（heatshockprotein，HSP）：一类进化上高度保守的蛋白质家族，作为分子伴侣（molecularchaperone）发挥多种作用，协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配等热休克蛋白(heatshockprotein，Hsp)DNA序列分析表明热休克蛋白有3个主要家族即25kD，70kD和90kD的蛋白，每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白。有的基因在正常条件下表达，而有些则在温度增高或其它异常情况下大量表达，以保护细胞，减少异常环境的损伤。已有证据表明在正常的细胞中，90kD和70kD，特别是70kD的热休克蛋白选择性的与畸形的蛋白质及其形成的聚合物结合，利用水解ATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解并进一步折叠成具有正确构象的蛋白质。第二节细胞内膜系统及其功能真核细胞膜结合区室的主要功能细胞器(区室)主要功能胞质溶胶代谢的主要场所；蛋白质合成部位细胞核基因组存在场所，DNA和RNA的合成地内质网大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地高尔基体蛋白质和脂的修饰、分选和包装溶酶体细胞内的降解作用内体内吞物质的分选线粒体通过氧化磷酸化合成ATP叶绿体进行光合作用过氧化物酶体毒性分子的氧化内膜系统可能的进化过程内膜系统内质网(endoplasmicreticulum)高尔基复合体(Golgicomplex)溶酶体(lysosomes)过氧化氢体(peroxisomes)(核膜、小泡)intracellularcompartments:endosomesNuclear-ERGolgiERlysosome细胞内的房室化TheEndomembraneSystemisComplex27细胞的内膜系统（endomembranesystem）是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构，主要包括：内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。内膜系统使真核细胞内区域化（compartmentalization）意义：内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特点之一，其意义在于：大大增加了细胞内膜的表面积；为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点；酶系统的隔离与连接；蛋白质、糖、脂肪的合成、加工和包装；运输分泌物；扩散屏障及膜电位建立；离子梯度的维持等。质膜内膜生物膜原核细胞–质膜构成的单一区室真核细胞–内膜–各种细胞器内膜系统出现的意义：各自独立，各司其职相互依存，协调同一大大提高了细胞代谢反应的效率1945年，K.R.Poter;电子显微镜;小鼠成纤维细胞30一、内质网ER(endoplasmicreticulum)（一）内质网的形态结构（二）内质网的化学组成（三）内质网的类型（四）内质网的主要功能（五）内质网的病理性变化内质网ER(endoplasmicreticulum)核膜外层（一）内质网的形态结构内质网ER是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管，小泡，扁囊状结构，相互连接形成一个连续的网状膜系统。小管小泡扁囊状细胞膜核膜内质网细胞膜内质网的内腔相互连通。32（二）内质网的化学组成1.脂类（30－40％）•以磷脂中的磷脂酰胆碱为主，比细胞膜丰富,鞘磷脂少2.蛋白质（60－70％）•30多种不同的酶或者酶系•标志酶：葡萄糖－6－磷酸酶（三）内质网的类型(TypesofER)核糖体粗面内质网滑面内质网TherearetwobasickindsofER:Rough/granularendoplasmicreticulum(RER，粗面/颗粒内质网)-hasribosomesattached.Smooth/agranularendoplasmicreticulum(SER，滑/光面/无颗粒内质网)-noribosomes.34粗面内质网(RER)滑面内质网(SER)roughendoplasmicreticulum(RER)rER:膜表面附着核糖体，膜上有核糖体连接蛋白；形态多为板层状排列的扁囊；网腔内含低电子或中等电子密度的物质；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。(Russell’sbody)ThesmoothER(SER)sER:膜表面无核糖体附着；形态多为分枝小管或小泡；多分布在一些特化的细胞中。37糙面内质网与光面内质网结构A.胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，内质网膜及外核膜上附有核糖体B.黄体细胞有丰富的光面内质网C.Cos-7细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布：绿色显示两种形式的内质网，叠加色（黄）显示糙面内质网区另外还有两个概念:微粒体和肌质网,可将它们看成是特殊类型的内质网。●微粒体(microsome)在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内膜系统（主要是内质网和高尔基体）自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。多数情况下，由破碎的内质网自我融合形成的微粒体，包含内质网膜和核糖体两种基本成分，这些小囊泡的直径大约100nm左右，是异质性的集合体。在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。特殊类型的内质网p117•●肌质网(sarcoplasmicreticulum)•心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞基质中的Ca2+泵入肌质网中储存起来，使肌质网Ca2+