细胞生物学第二章细胞质基质与细胞内膜系统

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1、1 第 二 章 细 胞 质 基 质 与 细 胞 内 膜 系 统细 胞 质 基 质 ： 是 细 胞 内 除 细 胞 器 和 内 含 物 以 外 的 ，较 为 均 质 半 透 明 的 液 态 胶 状 物 质 ； 主 要 含 有 与 物 质中 间 代 谢 有 关 的 酶 类 、 细 胞 骨 架 结 构 及 糖 原 和 脂 滴 。细 胞 内 膜 系 统 ： 是 在 结 构 、 功 能 或 发 生 上 相 关 的 膜围 绕 的 细 胞 器 或 细 胞 结 构 ， 主 要 指 内 质 网 、 高 尔 基器 、 溶 酶 体 、 胞 内 体 、 过 氧 化 物 酶 体 等 。内 膜 系 统 形 成 了 一 种

2、 胞 内 网 络 结 构 ， 其 功 能 ： 其 一 是 扩 大 膜 的 总 面 积 ， 为 酶 提 供 附 着 的 支 架 ， 如 脂 肪 代 谢 、 氧 化 磷 酸 化 相 关的 酶 都 结 合 在 细 胞 膜 上 。其 二 是 将 细 胞 内 部 区 分 为 不 同 的 功 能 区 域 ， 保 证 各 种 生 化 反 应 所 需 的 独 特 的 环境 。 2 主 要 成 分 ：v （ 1） 小 分 子 ： 水 、 无 机 离 子 （ K+、 Na+、 Mg2+、 Ca2+、 Cl- ）v （ 2） 中 等 分 子 :脂 类 、 糖 类 、 氨 基 酸 、 核 苷 酸v （ 3） 大 分

3、子 ： 蛋 白 质 、 脂 蛋 白 、 多 糖 、 RNA2.1细 胞 质 基 质功 能 ：（ 1） 在 细 胞 物 质 代 谢 中 起 重 要 作 用 。（ 2） 与 细 胞 骨 架 的 形 成 及 存 在 有 关 。（ 3） 胞 液 在 蛋 白 的 修 饰 ， 蛋 白 选 择 性 降 解 ， 控 制蛋 白 寿 命 及 帮 助 变 性 或 错 误 折 叠 的 Pr重 新 折 叠 形 成正 常 的 分 子 构 象 等 方 面 起 着 重 要 作 用 。 4 从 系 统 发 生 来 看 内 膜 系 统 起 源 于 质 膜 的 内 陷 和 内 共 生 （ 线 粒 体 、 叶 绿 体 ） ， 从 个

4、体 发 生 来 看 新 细 胞 的 内 膜 系 统 来 源 于 原 有 内 膜 系 统 的 分 裂 。 当 细 胞 进 行 分 裂 时 ，不 仅 要 进 行 染 色 体 和 细 胞 核 的 复 制 ， 同 时 各 种 细 胞 器 通 过 吸 收 新 合 成 的 成 分 长 大 ，然 后 随 着 细 胞 的 分 裂 分 配 到 子 细 胞 中 去 。 细 胞 不 能 从 无 到 有 产 生 所 有 膜 性 细 胞 器 ，新 的 膜 性 细 胞 器 来 源 于 已 存 在 细 胞 器 的 分 裂 。 如 果 彻 底 移 除 细 胞 内 所 有 的 过 氧 化物 酶 体 ， 细 胞 根 本 不 能

5、重 建 新 的 过 氧 化 物 酶 体 ， 因 为 过 氧 化 物 酶 体 中 具 有 选 择 性地 接 受 细 胞 质 内 合 成 的 蛋 白 质 的 转 位 因 子 （ translocator） 。 细 胞 内 合 成 的 蛋 白质 、 脂 类 等 物 质 之 所 以 能 够 定 向 的 转 运 到 特 定 的 细 胞 器 取 决 于 两 个 方 面 ： 其 一 是蛋 白 质 中 包 含 特 殊 的 信 号 序 列 （ signal sequence or targeting sequence ） ，其 二 是 细 胞 器 上 具 特 定 的 信 号 识 别 装 置 （ 分 选 受 体

6、， sorting receptor） ， 因 此 内膜 系 统 的 发 生 具 有 核 外 遗 传 （ epigenetic） 的 特 性 。 5 6 7 一 、 蛋 白 质 分 选 信 号细 胞 类 至 少 存 在 两 类 蛋 白 质 分 选 的 信 号 信 号 序 列 （ signal sequence） ： 存 在 于 蛋 白 质 一 级 结 构 上 的 线 性 序 列 ， 通 常15-60个 氨 基 酸 残 基 . 信 号 斑 （ signal patch） ： 存 在 于 完 成 折 叠 的 蛋 白 质 中 ， 构 成 信 号 斑 的 信 号 序列 之 间 可 以 不 相 邻 ，

7、折 叠 在 一 起 构 成 蛋 白 质 分 选 的 信 号 。2.1 蛋 白 质 分 选 的 基 本 原 理 8 功 能 信 号 序 列输 入 细 胞 核 -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-输 出 细 胞 核 -Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-输 入 线 粒 体 +H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-输 入 质 体 +H3N-Met-Val-Al

8、a-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu- Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu- Gln-Gly-输 入 过 氧 化物 酶 体 -Ser-Lys-Leu-COO -输 入 内 质 网 +H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys- Glu

9、-Val-Phe-Gln-返 回 内 质 网 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（ KDEL）由 质 膜 到 内体 Tyr-X-X- 9 二 、 蛋 白 质 分 选 运 输 的 途 径蛋 白 质 的 分 选 运 输 途 径 主 要 有 三 类 ：1、 门 控 运 输 （ gated transport） ： 如 核 孔 可 以 选 择 性 的 主 动 运 输 大 分 子 物 质 和 RNP复 合 体 ， 并 且 允 许 小 分 子 物 质 自 由 进 出 细 胞 核 。2、 跨 膜 运 输 （ transmembrane transport） ： 蛋 白 质 通 过 跨 膜 通 道 进

10、 入 目 的 地 。 如细 胞 质 中 合 成 的 蛋 白 质 在 信 号 序 列 的 引 导 下 ， 通 过 线 粒 体 上 的 转 位 因 子 ， 以 解 折 叠 的线 性 分 子 进 入 线 粒 体 。3、 膜 泡 运 输 （ vesicular transport） ： 蛋 白 质 被 选 择 性 地 包 装 成 运 输 小 泡 ， 定 向 转运 到 靶 细 胞 器 。 如 内 质 网 向 高 尔 基 体 的 物 质 运 输 、 高 尔 基 体 分 泌 形 成 溶 酶 体 、 细 胞 摄入 某 些 营 养 物 质 或 激 素 ， 都 属 于 这 种 运 输 方 式 。这 几 种 运 输

11、 机 制 都 涉 及 信 号 序 列 的 引 导 和 靶 细 胞 器 上 受 体 蛋 白 的 识 别 。 10 11 一 、 衣 被 类 型已 知 三 类 具 有 代 表 性 的 衣 被 蛋 白 ， 即 ： 笼 形 蛋 白 （ clathrin）、 COPI和 COPII， 个 介 导 不 同 的 运 输 途 径 （ 表 2） 。表 2 衣 被 小 泡 的 类 型 与 功 能衣 被 类 型 GTP酶 组 成 与 衔 接 蛋 白 运 输 方 向clathrin Arf Clathrin重 链 与 轻链 ， AP2 质 膜 内 体Clathrin重 链 与 轻链 ， AP1 高 尔 基 体 内 体

12、Clathrin重 链 与 轻链 ， AP3 高 尔 基 体 溶 酶 体高 尔 基 体 植 物 液 泡COP I Arf COP 高 尔 基 体 内 质 网COP II Sar 1 Sec23/Sec24复 合 体 ， Sec 13/31复 合 体 ， Sec 16，Sec 12 内 质 网 高 尔 基 体 12 2.2 内 质 网 1945年 ,KR. Porter、 A. Claude 和 EF. Fullam等 观 察 培 养 的 小 鼠 成 纤 维 细 胞 人于 发 现 ， 建 议 叫 做 内 质 网 endoplasmic reticulum， ER.内 质 网 膜 约 占 细 胞

13、总 膜 面 积 的 一 半 ， 是 真 核 细 胞 中 最 多 的 膜 。 13 2.2 内 质 网由 单 位 膜 围 成 的 膜 管 状 结 构 ； 是 一 系 列 重 要 生 物 大分 子 如 蛋 白 质 、 酯 类 和 糖 类 合 成 的 基 地 。 14 1.内 质 网 的 类 型粗 面 内 质 网 ： 呈 扁 囊 状 ， 排 列 较 为 整 齐 ， 其膜 表 面 分 布 着 大 量 的 核 糖 体 。 参 与 合 成 分 泌 蛋白 质 和 多 种 膜 蛋 白 。滑 面 内 质 网 ： 多 呈 分 支 管 道 状 ， 是 脂 类 合 成的 重 要 场 所 。髓 样 体 和 环 状 片

14、层 ： 15 16 17 18 19 20 21 2.内 质 网 的 化 学 组 成qER膜 含 有 丰 富 的 磷 脂 酰 胆 碱 而 鞘 磷 脂 含 量 很 少qER膜 蛋 白 质 含 量 比 质 膜 的 多qER具 有 大 量 的 酶 ， 其 中 G-6-P酸 酶 视 为 ER膜 的 标 志酶 ， 还 有 重 要 的 标 志 酶 是 电 子 传 递 体 系 。qER包 含 参 与 甘 油 三 脂 、 磷 脂 、 糖 脂 、 脂 肪 酸 、 胆 固醇 、 类 固 醇 激 素 、 胆 汁 酸 等 生 物 合 成 酶 系 。 24 3.内 质 网 的 功 能 ：参 与 蛋 白 质 的 合 成

15、、 修 饰 加 工 、 输 运 出 细 胞 的 过 程（ 1） 蛋 白 质 的 合 成 和 转 移 ；（ 2） 转 移 到 ER腔 内 蛋 白 质 进 行 加 工 修 饰 ；参 与 脂 类 的 合 成 ；参 与 糖 类 的 分 解 ；参 与 解 毒 作 用 ： 在 电 子 传 递 体 系 参 与 下 ， 使 多 种 脂 溶 性 的 物 质 如药 物 、 毒 物 等 氧 化 ,消 灭 其 毒 性 。 26 (1)蛋 白 质 合 成 的 信 号 假 说C. Milstein（ 1972） 发 现 从 骨 髓 瘤 细 胞 提 取 的 免 疫球 蛋 白 分 子 N端 要 比 分 泌 到 细 胞 外 的

16、 N端 多 出 一 段 。G. Blobel和 D. Sabatini等 根 据 进 一 步 的 实 验 ， 提 出了 信 号 假 说 （ Signal hypothesis） ， 认 为 蛋 白 质 上的 信 号 肽 ， 指 导 蛋 白 质 转 至 内 质 网 上 合 成 。 Blobel因 此 项 发 现 获 1999年 诺 贝 尔 生 理 医 学 奖 。 27 (1)蛋 白 质 合 成 的 信 号 假 说 蛋 白 质 的 合 成 开 始 于 胞 液 中 的 核 蛋 白 体 上 ， 在 核 糖 体 所 转 译 的 肽 链 中 包 含一 段 疏 水 的 氨 基 酸 序 列 ， 作 为 信 号

17、 指 导 游 离 核 糖 体 附 着 到 ER膜 的 表 面 ， 并 结 合于 该 处 ， 继 续 转 译 过 程 ； 核 糖 体 所 转 译 的 多 肽 链 中 若 没 有 这 样 的 信 号 序 列 ， 就留 在 胞 液 中 ， 在 胞 液 中 进 行 由 遗 传 信 使 翻 译 成 多 肽 的 过 程 。ER信 号 肽 指 导 多 肽 到 ER膜 ,需 要 通 过 两 种 成 分 介 导 ：1.信 号 识 别 颗 粒 （ SRP） ：2.信 号 识 别 颗 粒 （ SRP） 受 体 ： 28 29 30 蛋 白 质 的 修 饰 与 加 工 包 括 糖 基 化 、 羟 基 化 、 酰 基

18、化 、 二 硫 键 形 成 等 ， 其 中 最 主 要 的 是 糖 基 化 ， 几 乎所 有 内 质 网 上 合 成 的 蛋 白 质 最 终 被 糖 基 化 。 糖 基 化 的 作 用 是 ： 使 蛋 白 质 能 够 抵抗 消 化 酶 的 作 用 ； 赋 予 蛋 白 质 传 导 信 号 的 功 能 ； 某 些 蛋 白 只 有 在 糖 基 化 之 后 才能 正 确 折 叠 。 糖 基 一 般 连 接 在 4种 氨 基 酸 上 ， 分 为 2种 ：lO-连 接 的 糖 基 化 （ O-linked glycosylation） ： 与 Ser、 Thr和 Hyp的 OH连 接 ， 连 接 的 糖

19、为 半 乳 糖 或 N-乙 酰 半 乳 糖 胺 ， 在 高 尔 基 体 上 进 行 O-连 接 的糖 基 化 。lN-连 接 的 糖 基 化 （ N-linked glycosylation） ： 与 天 冬 酰 胺 残 基 的 NH2连接 ， 糖 为 N-乙 酰 葡 糖 胺 。 31 32 33 34 35 36 37 2.3 高 尔 基 器1889年 ， Golgi用 银 染 法 在 猫 头 鹰 的 神 经 细 胞 内 观 察 到 了 清 晰 的 结 构 ， 因 此定 名 为 高 尔 基 体 。 1.形 态 结 构由 单 位 膜 围 成 的 扁 平 囊 构 成 高 尔 基 堆 ， 其 周

20、围 结 合 一些 小 管 和 小 泡 。 高 尔 基 堆 至 少 可 分 为 三 个 区 隔 ：v顺 面 区 隔 （ 凸 面 ） ： 对 着 内 质 网 称 为 形 成 面 （ forming face） 或 顺 面 （ cis face） ,含 磷 酸 转 移 酶 ， 催 化 磷 酸 基 团 加 到 溶 酶 体 蛋 白 上 ；v中 间 区 隔 ： 具 有 N-已 酰 葡 萄 糖 胺 基 转 移 酶 ， 催 化 N-已 酰 葡 萄 糖 胺 加 到 糖 蛋 白 上 ；v反 面 区 隔 （ 凹 面 ） ： 面 对 着 质 膜 称 为 成 熟 面 （ mature face） 或 反 面（ tran

21、s face） 含 有 半 乳 糖 转 移 酶 及 唾 液 酸 基 转 移 酶 ； 38 39 40 41 42 2. 高 尔 基 器 中 的 酶 ： 43 3. 高 尔 基 器 的 功 能 ：参 与 蛋 白 质 的 加 工 、 分 选 、 包 装 与 运 输 ；参 与 蛋 白 的 糖 基 化 及 其 复 杂 的 加 工 与 修 饰 ；参 与 多 肽 的 酶 解 及 多 糖 的 合 成 ；在 细 胞 的 “ 膜 流 ” 中 起 重 要 作 用 ； 46 47 48 2.4 溶 酶 体q1955年 de Duve与 Novikoff首 次 发 现 溶 酶 体 （ lysosome） 。 q1.溶

22、 酶 体 的 形 成 一 般 认 为 溶 酶 体 形 成 的 主 要 位 置 是 在 高 尔 基 器 ， 从高 尔 基 器 端 部 膨 大 脱 落 下 来 形 成 初 级 溶 酶 体 ， 逐 级演 化 成 次 级 溶 酶 体 ， 溶 酶 体 膜 上 具 有 质 子 泵 ， 依 赖ATP水 解 放 出 能 量 ， 将 H+泵 入 溶 酶 体 内 维 持 其 内 腔 的酸 性 环 境 。q2.形 态 结 构由 单 位 膜 围 成 的 球 形 小 体 ， 小 体 内 PH=5.0， 其 内 含有 60多 种 酸 性 水 解 酶 ， 概 括 起 来 包 括 ： 蛋 白 酶 、 核酸 酶 、 糖 苷 酶

23、 、 脂 酶 、 磷 酸 酶 、 硫 酸 脂 酶 和 磷 脂 酶等 。 51 52 3.溶 酶 体 的 功 能 ：1、 清 除 无 用 的 生 物 大 分 子 、 衰 老 细 胞 器 和衰 老 损 伤 和 死 亡 的 细 胞 。 此 消 化 功 能 对 细 胞 的营 养 、 生 长 及 发 育 起 调 节 作 用 。2、 清 除 异 物 或 病 原 菌 ， 增 强 细 胞 的 防 御 功 能3、 参 与 两 栖 类 发 育 中 蝌 蚪 尾 巴 的 退 化 ；4、 参 与 受 精 过 程 ；5、 溶 酶 体 与 疾 病 ； 1 矽 肺2 肺 结 核结 核 杆 菌 的 菌 体 成 分 硫 酸 脑

24、苷 脂 能 抵 抗 胞 内 的 溶 菌 杀 伤 作 用 ， 使 结 核 杆 菌 在 肺泡 内 大 量 生 长 繁 殖 ， 导 致 巨 噬 细 胞 裂 解 ， 释 放 出 的 结 核 杆 菌 再 被 吞 噬 而 重 复 上述 过 程 ， 最 终 引 起 肺 组 织 钙 化 和 纤 维 化 。 3 各 类 贮 积 症贮 积 症 （ storage disease） 是 由 于 遗 传 缺 陷 引 起 的 ，台 -萨 氏 综 合 征 （ Tay-Sachs diesease） ： 要 叫 黑 蒙 性 家 族 痴 呆 症 ， 溶 酶 体 缺少 氨 基 已 糖 酯 酶 A（ -N-hexosaminid

25、ase） ， 导 致 神 经 节 甘 脂 GM2积 累 （ 图6-30） ， 影 响 细 胞 功 能 ， 造 成 精 神 痴 呆 ， 26岁 死 亡 。 患 者 表 现 为 渐 进 性 失 明 、病 呆 和 瘫 痪 ， 该 病 主 要 出 现 在 犹 太 人 群 中 。4 类 风 湿 性 关 节 炎 溶 酶 体 膜 很 易 脆 裂 ， 其 释 放 的 酶 导 致 关 节 组 织 损 伤 和 发 炎 56 2.5 过 氧 化 物 酶 体由 J. Rhodin（ 1954） 首 次 在 鼠 肾 小 管 上 皮 细 胞 中 发 现 。 1.形 态 结 构 ： 是 由 单 位 膜 包 裹 的 卵 圆

26、形 小 体 ，在 哺 乳 动 物 体 的 肝 、 肾 内 可 看 到 典 型 的 结 构 。小 体 内 含 有 多 种 催 化 生 成 H2O2的 氧 化 酶 及 分 解H2O2的 过 氧 化 氢 酶 。 2.功 能 ： 解 毒 的 功 能 。 57 58 l在 动 物 中 过 氧 化 物 酶 体 参 与 脂 肪 酸 的 氧 化 （ 另 一 细 胞 器 是 线 粒 体 ） ， 大 鼠 肝细 胞 过 氧 化 物 酶 体 在 服 用 降 脂 灵 后 ， 酶 浓 度 升 高 10倍 。l过 氧 化 物 酶 体 还 具 有 解 毒 作 用 ， 因 为 过 氧 化 氢 酶 能 利 用 H2O2将 酚 、 甲 醛 、 甲酸 和 醇 等 有 害 物 质 氧 化 ， 饮 入 的 酒 精 1/4是 在 过 氧 化 物 酶 体 中 氧 化 为 乙 醛 。