第7章-细胞质基质与内膜系统(翟中和第四版)

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TheEndomembraneSystemisComplex25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28一、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。30（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.32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。35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+的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激后，Ca2+释放出来，参与肌肉收缩的调节。p122（四）内质网的功能•向细胞外分泌的蛋白质•膜的整合蛋白•细胞器中的可溶性驻留蛋白1.蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能合成磷脂所需要的3种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞质基质侧2．光面内质网是脂质合成的重要场所酰基转移酶磷脂酸rER胞质侧磷酸酶二酰基甘油(DG)胆碱磷酸转移酶卵磷脂rER腔面先由酰基转移酶将胞质中的脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷脂酸(留在脂双层中)。在磷酸酶作用下，由磷脂酸和磷酸甘油组成DG;最后,再在胆碱磷酸转移酶催化下由DG和CDP-胆碱合成卵磷脂。翻转酶(flipase)。41磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）膜脂的不对称性？P119A.通过膜泡转运脂质B.通过PEP介导的脂质转运C.膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式3.蛋白质的修饰与加工•发生在内质网和高尔基体的蛋白质糖基化•在内质网发生二硫键的形成•蛋白质折叠和多亚基蛋白的装配•在内质网、高尔基体和分泌泡发生特异性的蛋白质水解切割蛋白质糖基化N-连接糖基化与O-连接糖基化的比较N-连接糖基化与之直接结合的糖是N-乙酰葡糖胺O-连接糖基化与之直接结合的糖是N-乙酰半乳糖胺N-连接与O-连接的寡糖比较在内质网发生的蛋白质N-连接糖基化的加工，转移至高尔基体后还会经过一系列复杂的修饰糙面内质网中蛋白质N-连接糖基化过程p121内质网腔二硫键形成4.新生多肽的折叠与组装•蛋白二硫键