1、第七章第七章 细胞质基质与内膜系统细胞质基质与内膜系统第一节第一节 细胞质基质及其功能细胞质基质及其功能第二节第二节 细胞内膜系统及其功能细胞内膜系统及其功能细胞内区室化与内膜系统l 细胞内区域化（细胞内区域化（compartmentalization）：）：真核细胞细胞内具有发达的膜相结构，将细胞质区分成不同的隔室，称为细胞内区室化细胞内区室化。这是真核细胞结构和功能的基本特征之一。细胞内被膜区分细胞内被膜区分为为3类结构：类结构：细胞质基质、内膜系统和其它由膜所包被的细胞器。l 细胞器（细胞器（organelle）：）：真核细胞内各种膜包被的功能性结构。l 内膜系统（内膜系统（endome
2、mbrane system）：）：细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联的由单层膜包被的细胞器或细胞结构的总称。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡和液泡等。真核细胞内典型区室化特征示意图（A）与小鼠回肠Paneth细胞超微结构的一部分（B）（图7-1）第一节第一节 细胞质基质及其功能细胞质基质及其功能一、细胞质基质的含义一、细胞质基质的含义二、细胞质基质的功能二、细胞质基质的功能一、细胞质基质的含义一、细胞质基质的含义l 细胞质基质（细胞质基质（cytoplasmic matrix,cytosol）：）：在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的液相内容物（黏稠胶体）
3、，占据着细胞质膜内和细胞核膜外的细胞内空间。细胞质基质可能是一个高度有序且又不断变化的动态结构体系。l 细胞质骨架纤维的组织作用：细胞质骨架纤维的组织作用：细胞质骨架纤维贯穿于细胞质基质中，起重要的组织作用，多数蛋白质直接或间接地与骨架结合，或与生物膜结合，其周围又吸附了多种分子，构成高度有序的有着精细区域化的各种复合体，以完成多种复杂的生物学功能。二、细胞质基质的功能（二、细胞质基质的功能（1）四大主要功能四大主要功能l 蛋白质和脂肪酸的合成场所（许多中间代谢途径）l 细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，贯穿其中，不仅是细胞质基质结构体系的组织者，为细胞质基质中其它成分和细胞器提供锚定位
4、点，而且与维持细胞的形态、细胞的运动、细胞内物质运输及能量传递有关。l 细胞内的膜相把细胞质基质区室化，并通过质膜或细胞器膜上的膜转运蛋白维持细胞内外的跨膜电化学梯度。l 蛋白质的修饰和选择性降解二、细胞质基质的功能（二、细胞质基质的功能（2）蛋白质的修饰和选择性降解蛋白质的修饰和选择性降解（一）、在细胞质基质中发生的蛋白质修饰的主要类型：（一）、在细胞质基质中发生的蛋白质修饰的主要类型：1.辅因子与酶的共价连接2.磷酸化与去磷酸化：磷酸化位点为Ser、Thr、Tyr、His和Lys3.糖基化：把N-乙酰葡萄糖胺加到蛋白质的Ser残基的羟基上4.酰基化：把src基因编码的酪氨酸蛋白激酶与质膜上
5、豆蔻酸共价连接；Ras的酰基化5.甲基化：对很多细胞骨架蛋白N端和组蛋白上Lys和Arg的甲基化修饰（二）、控制蛋白质的寿命：（二）、控制蛋白质的寿命：1.决定蛋白质寿命的信号：决定蛋白质寿命的信号：在蛋白质分子的氨基酸序列中，不仅含有决定蛋白质定位和功能的靶向信号和修饰信号，而且还含有决定蛋白质寿命的信号。这种信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基，若N端的第一个氨基酸是Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro，则蛋白质往往是稳定的；若是其它氨基酸，则往往是不稳定的。2.识别并降解不稳定或错误折叠蛋白质的机制：识别并降解不稳定或错误折叠蛋白质的机制：在细胞质基质中，有一
6、种识别并降解不稳定或错误折叠蛋白质的机制，即泛素-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径，这是“细胞给予需要损毁的蛋白质一个化学的死亡之吻”。泛素-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径具有多种生物学功能：包括蛋白质质量监控、影响细胞代谢、信号转导和受体调整、免疫反应、细胞周期、转录调节和DNA修复等。泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径l 蛋白酶体（蛋白酶体（proteasome）：）：真核细胞质基质中降解被泛素标记的蛋白质的26S中空桶状多亚基蛋白复合体。其中间由28种蛋白质亚基组成的20S催化核心；两端各结合一个由1618种蛋白质亚基组成的19S调节和识别帽，其中6种亚基具有ATPase活性，负责为蛋白质
7、降解活动提供能量。l 泛素（泛素（ubiquitin）：）：真核细胞中普遍存在的具有热稳定性的高度保守的小分子蛋白（76个氨基酸残基），通过其C端的Gly与要被降解的不稳定的或错误折叠的靶蛋白质的Lys残基的-氨基形成异肽键（isopeptide bond）而共价连接，并指引该靶蛋白质运到蛋白酶体中进行降解。l 泛素泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径（蛋白酶体介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-proteasome-mediated pathway）：）：在E1（泛素活化酶）、E2（泛素结合酶或泛素载体蛋白）和E3（泛素连接酶）三种酶的催化下，通过一系列级联反应将泛素通过异肽键连接到靶蛋
8、白上，被泛素化的靶蛋白由19S蛋白酶体帽特异性识别，并利用ATP水解提供的能量驱动泛素分子的切除和靶蛋白解折叠，去折叠的靶蛋白转移至20S的蛋白酶体核心腔内降解，同时释放出泛素单体以备循环利用。l 注意：注意：靶蛋白通过寡聚泛素链（至少4个泛素单体）而被泛素化；与靶蛋白相连的泛素分子上不同位点的Lys残基的泛素化修饰往往会产生不同的生理效应。由泛素和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径示意图（图7-2）（三）、降解异常或畸形的蛋白质：（三）、降解异常或畸形的蛋白质：细胞质基质中的变性的、错误折叠的、多肽链不完整的、含有被氧化或其它非正常修饰氨基酸的蛋白质，也常常很快被降解清除。这可能涉及对异常或畸形
9、蛋白质所暴露出来的氨基酸疏水基团的识别，并由此启动对蛋白质N端第一个氨基酸残基的作用，结果形成了N端不稳定信号，同样被泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径彻底降解。（四）、帮助变性或错误折叠的蛋白质重新正确折叠：四）、帮助变性或错误折叠的蛋白质重新正确折叠：分子伴侣（chaperone，molecular chaperon）是一种与其他多肽或蛋白质结合的蛋白质，协助细胞内蛋白质合成、折叠、装配与分选。热休克蛋白（HSP，heat shock protein）是普遍存在的分子伴侣，如HSP100、HSP90、HSP70、HSP60和sHSP（小HSP）。陪伴蛋白（chaperonin）是HSP60
10、家族中的成员，如GroEL，由14个亚基形成的柱形复合物，在其内部空间帮助其他蛋白质进行正确折叠。第二节第二节 细胞内膜系统及其功能细胞内膜系统及其功能一、内质网一、内质网二、高尔基体二、高尔基体三、溶酶体三、溶酶体四、过氧化物酶体四、过氧化物酶体 内膜系统各区室之间，通过生物合成、内膜系统各区室之间，通过生物合成、蛋白质修饰与分选、膜泡运输和各种质量蛋白质修饰与分选、膜泡运输和各种质量监控机制，维系其系统的动态平衡。监控机制，维系其系统的动态平衡。一、内质网一、内质网 内质网（内质网（endoplasmic reticulum，ER）：）：内质网是由小管、囊泡和扁平囊互相沟通形成的三维网络结
11、构。它是真核细胞中最普遍、最多变和适应性最强的细胞器。1945年，有人在细胞质的内质部分首次观察到有网状结构。微粒体（微粒体（microsome）：）：微粒体是在细胞匀浆和超速离心过程中由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，在生化和研究中常常把它与内质网等同看待。（一）、内质网的两种基本类型 （二）、内质网的功能（一）、内质网的两种基本类型（一）、内质网的两种基本类型1.糙面内质网（糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER）：）：糙面内质网多呈扁平膜囊状，排列较为整齐，因其膜表面附着有大量的核糖体而得名，主要功能是合成分泌性蛋白、膜整合蛋白、溶酶体蛋白以及膜
12、脂分子。l糙面内质网膜上有一种蛋白质复合物“通道”被称为移位子（translocon），其功能与新合成的多肽转移有关。l在代谢旺盛的细胞内，糙面内质网总是与线粒体紧密相依，可能与线粒体供能、脂质转移以及Ca2+释放的调节密切相关。2.光面内质网（光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）：）：没有附着核糖体的内质网部分。光面内质网常呈分支管状，形成较为复杂的 立体结构，膜表面没有附着有核糖体，主要功能包括脂质合成、类固醇激素的合成、有机物的解毒、将葡萄糖-6-磷酸迅速转化成葡萄糖以及Ca2+的储存等。l光面内质网只是内质网这种连续结构的一小部分，也没有糙面内
13、质网复杂，往往作为出芽的位点，把内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体内。l在内质网上，可能存在某些特殊的装置，将光面内质网与糙面内质网隔开，并维持其形态。l内质网可能由细胞膜演化而来，并且与核膜在发生上有同源关系。光面内质网与高尔基体在结构、功能与发生上的关系更为密切。l内质网对外界因素的作用非常敏感，尤其是糙面内质网。糙面内质网与光面内质网结构（图7-3）l A：糙面内质网l B：光面内质网l C：内质网的分布：绿色为“糙面和光面”；黄色为“糙面”（二）、内质网的功能（二）、内质网的功能 内质网是蛋白质合成、折叠、组装、运输和参与脂质内质网是蛋白质合成、折叠、组装、运输和参与脂质代谢的重
14、要场所，也是细胞内储存代谢的重要场所，也是细胞内储存Ca2+的主要场所。的主要场所。1.糙面内质网的主要功能是合成蛋白质糙面内质网的主要功能是合成蛋白质（1）向细胞外分泌的蛋白质（2）膜的整合蛋白（3）细胞器中的可溶性驻留蛋白2.光面内质网是脂质合成的重要场所光面内质网是脂质合成的重要场所（1）合成磷脂和胆固醇等膜脂（卵磷脂通过磷脂转位蛋白磷脂转位蛋白即翻转酶翻转酶更容易转位到内质网膜的腔面）（2）在内质网合成的磷脂向其它膜的转运主要有在内质网合成的磷脂向其它膜的转运主要有3种可能的种可能的机制：机制：以出芽的方式通过膜泡转运膜泡转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上；凭借水溶性小分子蛋白即磷脂交
15、换蛋白磷脂交换蛋白（PEP）在膜之间转移磷脂（如到线粒体膜）；供体膜与受体膜之间通过膜嵌入（融合）蛋白膜嵌入（融合）蛋白介导的直接接触。卵磷脂在内质网膜上合成过程的示意图（图7-4）胆固醇与磷脂在供体膜与受体膜之间可能的转运机制（图7-5）l A：通过膜泡转运脂质l B：通过PEP（磷脂交换蛋白）介导的脂质转运l C：膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触3.蛋白质的修饰与加工蛋白质的修饰与加工 在糙面内质网的膜蛋白和可溶性分泌蛋白在它们分选各就各位之前，通常要发生分选各就各位之前，通常要发生4种基本修饰种基本修饰与加工与加工：（1）糖基化（内质网和高尔基体）；（2）二硫键的形成（内质网）；（3）折叠和
16、装配；（4）特异性水解切割（内质网、高尔基体和分泌泡）。蛋白质糖基化是指在蛋白质合成中或合成后，在酶的催化下把寡糖链连接到肽链的特定糖基化位点上，形成糖蛋白。蛋白质糖基化修饰对蛋白质折叠、分选和定位有重要的影响；糖链结构不同还将影响糖蛋白的半寿期和降解。l N-连接糖基化（连接糖基化（N-linked glycosylation）：）：N-连接糖基化指糖基化发生在靶蛋白的Asn残基上。N-连接糖基化发生在内质网和高尔基体，与靶蛋白直接结合的糖是N-乙酰葡糖胺。N-连接糖基化起始于内质网，以磷酸多萜醇为载体，先合成14个残基的寡糖链Glc3Man9GlcNAc2前体，然后通过膜上糖基转移酶的作用
17、，将寡糖链由磷酸多萜醇上转移至肽链糖基化位点（Asn-X-Ser/Thr）的Asn残基上，然后经内质网特异性糖苷酶加工，形成高甘露糖型Man8GlcNAc2糖蛋白，再转移至高尔基体完成蛋白质N-连接糖基化修饰。l O-连接糖基化（连接糖基化（O-linked glycosylation）：）：O-连接糖基化指糖基化发生在靶蛋白的Ser/Thr残基上，或发生在靶蛋白的Hypro/Hylys残基上。O-连接糖基化发生在高尔基体，与靶蛋白直接结合的糖是N-乙酰半乳糖胺。l 其它还有酰基化（酰基化（acylation）和羟基化（羟基化（hydroxylation）等修饰N-连接与O-连接的寡糖比较（表
18、7-1）N-连接糖基化与O-连接糖基化的比较（图7-6）l N-连接涉及内质网和高尔基体l N-连接中肽链糖基化位点：即Asn-X-Ser/Thr中的Asnl O-连接发生在高尔基体发生在糙面内质网蛋白质N-连接的糖基化过程（图7-7）4.新生多肽链的折叠与组装新生多肽链的折叠与组装 内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控质量监控的重要场所。不能正确折叠的畸形肽链或未组装成寡聚体的蛋白质亚基，不论在内质网膜上还是在内质网腔中，一般都不能进入高尔基体，并通过Sec61p复合体从内质网腔转至细胞质基质，进而通过泛素依赖性降解途径泛素依赖性降解途径被蛋白酶体所降解。蛋白质错误折叠会引起疾病引起疾病
19、，究其机制大体可分为2类彼此重叠的情况：一是丢失正常功能；二是获得异常功能。附着在内质网膜腔面上的蛋白二硫键异构酶（蛋白二硫键异构酶（PDI）可以切断错误的二硫键，形成自由能最低的蛋白质构象，从而帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并产生正确折叠的构象。内质网中的一种结合免疫球蛋白蛋白（结合免疫球蛋白蛋白（Bip）是属于HSP70家族的分子伴侣，在内质网中有2个作用：一是Bip同进入内质网的未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合，或者识别错误折叠的蛋白质或未装配好的蛋白质亚单位，并促进它们重新折叠与装配；二是防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂。Bip还可同还可同Ca2+结
20、合结合，可能通过Ca2+与带负电荷的磷脂头部基团相互作用，使Bip结合到内质网膜上。5.（光面）内质网的其它功能（光面）内质网的其它功能l 肝细胞的解毒作用（肝细胞的解毒作用（detoxification）：）：肝细胞中含有丰富的光面内质网，它是合成外输性脂蛋白颗粒的基地。这些光面内质网含有一些酶（如混合功能氧化酶P450），介导氧化、还原和水解反应，使有毒物质由脂溶性转变成水溶性而被排出体外，此过程称为肝细胞的解毒作用。l 内质网有储存并调节的内质网有储存并调节的Ca2+作用：作用：肌细胞中发达的特化的光面内质网肌质网（sarcoplasmic reticulum），储存有高浓度的Ca2+。
21、l 合成固醇类激素：合成固醇类激素：睾丸间质细胞的光面内质网可合成固醇类激素。（三）、内质网应激及其信号调控（三）、内质网应激及其信号调控l 内质网应激（内质网应激（ERS）反应：）反应：当某些细胞内外因素使细胞内质网功能失调时，细胞会激活一些相关的应对信号通路，引发内质网应激反应，它既是一种自我保护的机制，也是一套完整的质量监控机制。各种应激因素主要包括：各种应激因素主要包括：未折叠或错误折叠蛋白质在ER腔内聚集、Ca2+平衡紊乱、异常糖基化、缺氧和病毒感染等。l ERS反应是一个存活程序和凋亡程序同时被激活的过程：反应是一个存活程序和凋亡程序同时被激活的过程：细胞可以整合应激反应，调动应激
22、反应蛋白以减轻应激因素对细胞的损伤，调整细胞稳态；同时细胞也可以启动细胞凋亡来处理不能修复的损伤细胞，因此，ERS机制事关细胞生死抉择。l ERS反应包括：反应包括：（1）UPR（未折叠蛋白质应答反应）：错误折叠或未折叠蛋白过多积累引起；（2）EOR（内质网超负荷应答反应）：正确折叠蛋白和膜蛋白异常堆积引起；（3）固醇调节级联反应：胆固醇损耗所致，SREBP（固醇调控元件结合蛋白）介导；（4）启动凋亡程序：内质网功能持续紊乱所致。内质网应激（ERS）反应（图7-8）1.UPR（未折叠蛋白质应答反应）（未折叠蛋白质应答反应）在UPR信号转导途径中起感受器作用的3种跨ER膜蛋白：IRE1（需要肌醇
23、酶1）、PERK（PKR样内质网激酶；PKR 即dsRNA激活的蛋白激酶）和ATF6（激活性转录因子）。平时它们与内质网腔中的调控蛋白Bip/GRP78（结合免疫球蛋白蛋白/葡萄糖调节蛋白78）结合成无活性的复合物，应激时解离并分别引发不同的3条平行信号途径。（1）IRE1（需要肌醇酶（需要肌醇酶1）：）：ER腔面结构域（分子伴侣Bip/GRP78 结合位点）；胞质面结构域（双功能：蛋白激酶/核酸内切酶自我交叉磷酸化和mRNA的剪接）（2）PERK（PKR样内质网激酶）：样内质网激酶）：ER腔面结构域（分子伴侣Bip/GRP78 结合位点）；胞质面结构域（蛋白激酶自我交叉磷酸化和eIF2的磷酸
24、化）（3）ATF6（激活性转录因子）：（激活性转录因子）：跨ER膜ATF6转位至高尔基体被S1P和S2P蛋白酶裂解而激活 ATF6进入细胞核 促进含内质网应激反应元件（ERSE）的转录因子（如XBP-1）及未折叠蛋白质应答反应元件（UPRE）的UPR 靶分子（Bip/GRP78）等基因转录。未折叠蛋白质应答反应图示（图7-9）l A：3条不同的平行信号转导途径执行未折叠蛋白质应答反应（UTR）l B：IRE1膜蛋白介导的UTR2.固醇调节级联反应固醇调节级联反应 固醇调节级联反应是指胆固醇缺乏引发的固醇调控元件结合蛋白（SREBP）信号通路调节基因转录的反应。（1）当胆固醇水平过高时，跨ER膜
25、蛋白insig-1（2）与SCAP上固醇敏感结构域结合，将SCAP-SREBP 复合物锚定在内质网膜上。（2）在胆固醇水平降低时，insig-1（2）与SCAP解离，容许SCAP-SREBP 复合物以膜泡转运的形式移动到高尔基体；在高尔基体上，SREBP随即在2个位点分别被蛋白酶S1P和S2P切割，从而使SREBP转录因子N端bHLH结构域得以释放；释放后的bHLH结构域称作nSREBP（核-SREBP），并转位到核内，调控具有SRE（固醇调控元件）的靶基因的转录。固醇调控元件结合蛋白（SREBP）的胆固醇敏感调控示意图（图7-10）3.ERS反应引发的细胞凋亡反应引发的细胞凋亡 尽管ERS介
26、导的细胞凋亡信号通路的细节尚不清楚，但已知细胞内Ca2+稳态失衡和calpain（需Ca2+蛋白酶）及caspase-12的激活是关键的环节。l Calpain（需（需Ca2+蛋白酶）：蛋白酶）：存在于细胞质中，由大小2个亚基组成：大亚基有4个结构域，包含活性部位；小亚基有2个结构域，包含调节部位；大小亚基均有Ca2+的结合位点。高水平的Ca2+导致calpain酶原大小亚基水解而被激活。l Caspase-12（天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶）（天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶）：唯一存在于内质网膜的胞质侧的caspase家族成员。Calpain在T132/A133和K158/T1592个切割
27、位点切割caspase-12酶原，将其激活。l ERS介导的细胞凋亡信号通路：介导的细胞凋亡信号通路：ERS凋亡信号内质网膜IP3R（IP3受体）通道 Ca2+释放至细胞质中激活calpain切割底物 vinculin（黏着斑蛋白）/Bcl-xL/caspase-12酶原 细胞凋亡（途径）二、高尔基体二、高尔基体l 高尔基体（高尔基体（Golgi body）/高尔基器（高尔基器（Golgi apparatus）/高尔基复合体（高尔基复合体（Golgi complex）：）：一种由相对排列整齐的弓形扁平膜囊体系和大小不一的形态多变的管泡网结构组成的极性细胞器。l 高尔基体的主要功能：高尔基体的主
28、要功能：对ER转运来的脂分子及蛋白质进行加工、修饰、分类、包装以及分选。此外，高尔基体也是细胞内糖类合成的工厂。l 高尔基体是高度动态的结构，而且难以分离与纯化，目前积累的资料仍不足以彻底阐明高尔基体的结构与功能。（一）、高尔基体的极性 （二）、高尔基体的功能高尔基体的形态结构（图7-11）（一）、高尔基体的极性（一）、高尔基体的极性l 高尔基体的形态学极性：高尔基体的形态学极性：高尔基体是一种有极性的细胞器，这不仅表现在它在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，而且物质从高尔基体的一侧输入，从另一侧输出，因此每层膜囊也各不相同。在很多细胞中，高尔基体靠近细胞核的一侧，扁囊弯曲成凸面（又称形成面或
29、顺面）；面向细胞质膜的一侧常呈凹面（又称成熟面或反面）。注意：注意：高尔基体的顺面并非总是在高尔基体的凸面，在细胞发育的某个阶段可能位于高尔基体的凹面。l 高尔基体的生化极性：高尔基体的生化极性：常用4种细胞化学（染色）反应来表现高尔基体的生化极性：（1）嗜锇反应顺面；（2）NADP酶的细胞化学反应中间几层扁平囊；（3）TPP酶的细胞化学反应反面的12层膜囊；（4）CMP酶和酸性磷酸酶的细胞化学反应 靠近反面膜囊状和反面管网结构。l 高尔基体至少由互相联系的高尔基体至少由互相联系的5个部分组成个部分组成：（1）高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体网状结构：）高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体网状结构：顺
30、面高尔基体网状结构（CGN）是位于高尔基体顺面最前面的顺面膜囊（薄似内质网），呈中间多孔而连续分支状的网状结构。一般认为一般认为，CGN接受来自内质网新合成的物质，并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，少部分蛋白质和脂质再返回内质网。CGN也可能负责蛋白质的O-连接糖基化，跨膜蛋白细胞质一侧结构域的酰基化，溶酶体酶上寡糖的磷酸化，日冕病毒的装配也发生于此处。（2）高尔基体中间膜囊：）高尔基体中间膜囊：由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上又是连续而完整的膜囊体系。多数糖基修饰与加工、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊。（3）高尔基体反面膜囊或反面高尔基体网状结构：
31、）高尔基体反面膜囊或反面高尔基体网状结构：反面高尔基体网状结构（TGN）处于高尔基体反面最外层的管网状结构，此处pH可能比高尔基体其它部位低，主要功能是负责对蛋白质进行分选（枢纽区），蛋白质包装形成网格蛋白/衔接蛋白包被膜泡，并定向将蛋白质转运到细胞内或细胞外的最终位置。此外，某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN，如蛋白原的水解加工。TGN在蛋白质和脂质的转运过程中可能起“瓣膜”的作用，以保证这些物质的单向转运。l 解释高尔基体高度动态结构和极性的组织与维持解释高尔基体高度动态结构和极性的组织与维持的的2种模型：种模型：（1）膜泡运输模型：）膜泡运输模型：高尔基体的膜囊群主体是相对稳态的结构
32、，膜囊自身的更新和各部膜囊的生化极性（特征性酶和驻留蛋白的变化）是通过不同类型转运膜泡在相邻膜囊间正向（顺面反面）和反向（反面顺面）有序转移实现的。（2）膜囊成熟模型：）膜囊成熟模型：高尔基体的膜囊群主体是动态的结构，源自ER的泡管结构首先形成高尔基体CGN，随后膜囊自身从顺面到反面逐次成熟并迁移，一些不当转移的膜囊特征性酶或驻留蛋白通过反向COP转运膜泡再没收回来。l 细胞骨架细胞骨架在维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起着重要的作用。解释高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的膜泡运输模型（A）和膜囊成熟模型（B）（图7-12）（二）、高尔基体的功能（二）、高尔基体的功能 高尔基体
33、在蛋白质的加工、分选、包装与转运以及在细胞内的“膜流”中起重要作用。高尔基体是细胞内大分子转运的枢纽或“集散地”。1.高尔基体与细胞的分泌活动：高尔基体与细胞的分泌活动：糙面内质网是同时合成多种蛋白质（分泌蛋白、质膜蛋白、溶酶体酶以及内质网和高尔基体等的驻留蛋白等）的主要场所，高尔基体高尔基体TGN区是蛋白质包装与分选区是蛋白质包装与分选的关键枢纽，这里至少涉及的关键枢纽，这里至少涉及3条分选途径条分选途径：（1）溶酶体酶的包装与分选途径；（2）可调节型分泌途径；（3）组成型分泌途径。（1）溶酶体酶的包装与分选途径溶酶体酶的包装与分选途径：具有在高尔基体顺面膜囊上形成甘露糖-6-磷酸（M6P）
34、标记的溶酶体酶与高尔基体反面膜囊和TGN膜上相应膜受体结合，以出芽方式形成网格蛋白/衔接蛋白包被膜泡，再转运至晚期胞内体，在此溶酶体酶（M6P残基）与膜受体解离，受体返回再利用，溶酶体酶则被运到溶酶体。（2）可调节型分泌途径：）可调节型分泌途径：特化型分泌细胞中新合成的可溶性分泌蛋白先在细胞质周边的分泌泡中选择性聚集、储存并浓缩，只在受到适宜的信号刺激后，才与质膜融合将内容物分泌到细胞表面或细胞外。（3）组成型分泌途径：）组成型分泌途径：细胞内合成的蛋白质通过分泌泡以连续的不需调节的方式向胞外进行分泌。发生在高尔基体TGN区的蛋白质分选途径（图7-13）2.蛋白质的糖基化及其修饰：蛋白质的糖基
35、化及其修饰：大多数蛋白质（可溶性分泌蛋白、质膜上大多数膜蛋白和溶酶体酶）或膜脂的糖基化修饰和与高尔基体有关的多糖的合成，主要发生在高尔基体。蛋白质的糖基蛋白质的糖基化的生物学功能有化的生物学功能有：（1）糖蛋白的糖链具有促进蛋白质折叠和增强蛋白质稳定性的作用；（2）糖蛋白的糖链作为高尔基体对蛋白质进行包装和分选的指导信号；（3）负责糖基化的酶类由管家基因编码；细胞表面和细胞外基质密集存在的寡糖链参与介导细胞间或细胞与细胞外基质间的识别、黏着与双向通讯，或参与分化和发育等多种过程；（4）多羟基糖链还可能影响蛋白质的水溶性和所带电荷的性质。蛋白质的糖基化修饰主要有N-连接糖基化和O-连接糖基化2种
36、类型。l N-连接糖基化：连接糖基化：所有的N-连接寡糖链都有一个共同的前体（详见内质网），在糙面内质网和在通过高尔基体各膜囊间隔的转移过程中，寡糖链经过一系列加工、切除和添加特定的单糖，最后形成成熟的糖蛋白。所有成熟的N-连接寡糖链都含有2个N-乙酰葡糖胺和3个甘露糖残基。N-连接寡糖链又可分为高甘露糖N-连接寡糖（只含有N-乙酰葡糖胺和甘露糖）和复杂的N-连接寡糖（除此之外，还含有半乳糖、岩藻糖和唾液酸等）。l O-连接糖基化：连接糖基化：在高尔基体中进行，由不同的糖基转移酶催化，每次添加一个单糖。l 内质网和高尔基体中所有与糖基化及寡糖加工有关的酶都是内在膜蛋白所有与糖基化及寡糖加工有关
37、的酶都是内在膜蛋白，它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。另外，植物细胞中的糖基化远比动物细胞复杂得多。脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程（图7-14）3.蛋白酶的水解和其它加工过程：蛋白酶的水解和其它加工过程：不同的蛋白质在高尔基体中酶解加工的方式各不相同。（1）没有生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，将蛋白原N端或两端的序列切除形成成熟的多肽。（2）有些蛋白质分子在糙面内质网合成时是含有多个相同氨基酸序列的前体，然后在高尔基体中被水解形成同种有活性的多肽。（3）一个蛋白质分子的前体中含有不同的信号序列，最后加工形成
38、不同的产物；同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工，产生不同种类的多肽。l 蛋白聚糖的硫酸化蛋白聚糖的硫酸化也是在高尔基体中进行的。三、溶酶体三、溶酶体（一）、溶酶体的形态结构与类型（二）、溶酶体的功能（三）、溶酶体的发生（四）、溶酶体与疾病（一）、溶酶体的形态结构与类型（一）、溶酶体的形态结构与类型l 溶酶体（溶酶体（lysosome）：）：溶酶体是单层膜围绕的内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要作用是行使细胞内的消化作用。某些细胞的溶酶体还具有防御功能和其它重要的生理功能。植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器，如圆球体、糊粉粒和中央大液泡。l 溶酶体是一种异质性的细胞器
39、：溶酶体是一种异质性的细胞器：指不同的溶酶体的形态大小，乃至其中所含水解酶的种类都可能有很大的不同。溶酶体膜在成分上也与其它生物膜不同：溶酶体膜在成分上也与其它生物膜不同：嵌有质子泵（溶酶体酶的最适pH为5.0左右）；具有多种载体蛋白（水解产物外运）；膜蛋白高度糖基化（防止被降解）。溶酶体酶：溶酶体酶：已发现60余种，多为可溶性酶，少数整合在膜上；具有某些特征性同源序列；与相关的非溶酶体酶是一类结构与功能上相似的酶家族，在进化上同源。l 初级溶酶体（初级溶酶体（primary lysosome）：）：初级溶酶体呈球形，内容物均一，不含有明显的颗粒物质，外面由一层脂蛋白膜围绕。l 次级溶酶体（次
40、级溶酶体（secondary lysosome）：）：初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡（吞噬泡或胞饮泡）融合形成的进行消化作用的复合体，分别称之为自自噬溶酶体噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体异噬溶酶体（heterophagic lysosome）。次级溶酶体的特点是外部形态不规则，内部结构复杂多样。l 后溶酶体即残质体（后溶酶体即残质体（residual body）：）：次级溶酶体内经历消化后，小分子物质可通过膜上载体蛋白转运到细胞质基质中，供细胞代谢利用，未被消化的物质残留在溶酶体内形成残质体。残质体可通过类似胞吐的方式将内容物排出细胞。小鼠膀胱上皮细胞中的溶酶体
41、（图7-15）（二）、溶酶体的功能（二）、溶酶体的功能 溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，这对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的侵染都有重要的意义。溶酶体的消化作用一般可概括为3条途径：内吞作用、吞噬作用和自噬作用。1.清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞：的细胞：溶酶体起着“清道夫”的作用。2.防御功能：防御功能：防御功能是某些细胞（如巨噬细胞）特有的功能，它们可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解。3.其它重要的生理功能：其它重要的生理功能：（1）作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养，
42、如降解内吞的血清脂蛋白，获得胆固醇等营养成分等；（2）在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节；（3）吞噬细胞溶酶体消化清除凋亡细胞；（4）参与受精过程中的顶体反应，因为精子的顶体相当于特化的溶酶体。溶酶体消化作用的3种途径（图7-16）（三）、溶酶体的发生（三）、溶酶体的发生（四）、溶酶体与疾病（四）、溶酶体与疾病（三）、溶酶体的发生（三）、溶酶体的发生 溶酶体酶在糙面内质网合成和初加工，以出芽形式离开内质网形成膜泡到高尔基体，经高尔基体再加工，以出芽形式离开高尔基体形成膜泡到溶酶体。溶酶体酶的构象或三级结构中隐含信号斑（signal patch），涉及溶酶体酶加工的酶借此
43、识别溶酶体酶；在溶酶体酶的每条寡糖链上形成多个M6P残基；M6P受体通过膜泡穿梭于高尔基体和前溶酶体（脱包被的转运泡或晚期胞内体）之间；在质膜是也存在M6P受体，可与分泌出去的溶酶体酶结合，经受体介导的内吞作用将酶送到前溶酶体中。溶酶体膜蛋白如何同其它蛋白质区分开来而特异地分选到溶酶体膜上，机制仍不明。（四）、溶酶体与疾病（四）、溶酶体与疾病 溶酶体贮积症（lysosomal storage disorder）：该疾病以缺乏某种溶酶体酶为特征，从而不能降解相应底物而贮积在溶酶体内。由于溶酶体功能缺陷而引起多种病症，使人们越来越多地关注该细胞器。新合成的可溶性溶酶体酶从高尔基TGN和细胞表面转运
44、到溶酶体的示意图（图7-17）四、过氧化物酶体四、过氧化物酶体 过氧化物酶体（peroxisome）：真核细胞中由单层膜围绕的含有一种或几种氧化酶类的细胞器，能够利用分子氧氧化有机物。过氧化物酶体是一种微体（microbody）。（一）、过氧化物酶体与溶酶体的区别 （二）、过氧化物酶体的功能 （三）、过氧化物酶体的发生鼠肝细胞超微切片所示的过氧化物酶体和其他细胞器（如线粒体）（图7-18）（一）、过氧化物酶体与溶酶体的区别（一）、过氧化物酶体与溶酶体的区别（见表7-2）l 与溶酶体一样也是一种异质性的细胞器，但在酶的种类、功能和发生等方面都与溶酶体有很大区别（二）、过氧化物酶体的功能（二）、过
45、氧化物酶体的功能l 过氧化物酶体是一种异质性细胞器，不同生物的细胞中，甚至单细胞生物的不同个体中所含酶的种类及其行使的功能都有所不同。l 过氧化物酶体是真核细胞直接利用分子氧的细胞器，其中常含有2种酶：一是依赖于FAD的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2；二是H2O2酶，其作用是将H2O2分解，形成水和氧气。二酶偶联，消除H2O2的毒害。l 过氧化物酶体可降解生物大分子；分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。l 在植物细胞中过氧化物酶体参与光呼吸作用；在油料种子萌发时，特殊过氧化物酶体即乙醛酸循环体将脂肪转化成糖。l 乙醛酸循环体（glyoxysome）：植物细胞中的一种细胞器，是将储存
46、的脂肪酸转变成糖类的酶促反应的部位。（三）、过氧化物酶体的发生（三）、过氧化物酶体的发生l 过氧化物酶体的发生有2种途径：一是细胞内已有的成熟过氧化物酶体经分裂增殖而产生子代氧化物酶体；二是在细胞内重新发生。l 过氧化物酶体重新发生包括3个阶段的装配过程：过氧化物酶体的装配起始于内质网，即由内质网出芽衍生出前体膜泡，然后过氧化物酶体的膜蛋白掺入，形成过氧化物酶体雏形；具有过氧化物酶体靶向信号PTS1（Ser-Lys-Leu）和PTS2（Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu）分选信号的基质蛋白，在膜蛋白的介导下完成基质蛋白的输入，产生成熟的过氧化物酶体；成熟的过氧化物酶体
47、经分裂产生子代过氧化物酶体。构成过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后，通过磷脂交换蛋白（PEP）或膜泡运输方式完成其转运。过氧化物酶体的三维发生与分裂过程的模型（图7-19）本章概要（一）本章概要（一）l 细胞质基质可能是一个高度有序且又不断变化的动态结构体系。多数的中间代谢反应及蛋白质合成与转运发生在细胞质基质中。某些蛋白质的修饰和选择性的降解等过程也在细胞质基质中进行。细胞骨架纤维贯穿其中并对多种功能行使组织者作用。l 细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联，由膜包被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。l 内质网是细胞内蛋白质与膜脂合成的基地。
48、糙面内质网主要合成分泌蛋白、膜蛋白及内质网、高尔基体和溶酶体中的蛋白质。新生多肽的折叠与组装，分子伴侣在这些过程中起重要作用，蛋白质N-连接糖基化也发生在内质网中，内质网在功能上还参与质量监控与调节基因表达。膜脂在光面内质网的细胞质基质膜面上合成随后部分膜脂转移到内质网腔面膜上，进而通过出芽、磷脂转换蛋白的协助或膜的融合方式，运送到其他部位。本章概要（二）本章概要（二）l 高尔基体在形态及生化特征方面是一种有极性的细胞器，由互相联系的几个部分组成，即高尔基体的cis面膜囊、中间膜囊、trans面膜囊和反面网状结构（TGN）。高尔基体与细胞分泌活动关系密切。高尔基体在蛋白质的加工、分选、包装与转
49、运以及在细胞内的“膜流”中起重要作用。此外，包括N-连接和O-连接的糖基化修饰，多肽的酶解加工以及多糖的合成等也发生在高尔基体中，溶酶体酶的M6P 特异标志是目前研究高尔基体分选机制中较为清楚的一条途径。l 溶酶体中含有多种酸性水解酶类，主要的功能是进行细胞内的消化作用。由于溶酶体功能缺陷而引起多种病症，使人们越来越多地关注该细胞器。某些细胞的溶酶体还具有防御功能和其他重要的生理功能。过氧化物酶体是真核细胞直接利用分子氧的细胞器，与溶酶体一样也是一种异质性的细胞器，但在酶的种类、功能和发生等方面都与溶酶体有很大区别，对动物细胞中过氧化物酶体的功能了解不多，在植物细胞中它参与光呼吸作用和乙醛酸循环反应。过氧化物酶体像线粒体一样，可通过分裂而增殖，也可重新发生。
