第七章 整合细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输
学习要点 第一节 细胞质基质的含义与功能
一、 细胞质基质的涵义
细胞质基质（cytoplasmic matrix）是真核细胞的细胞质中除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，曾被称作细胞液（cell sap）/透明质（hyaloplasm）、胞质溶胶（cyto-sol）等。细胞质基质的主要成分为参与中间代谢的数千种酶类、细胞质骨架结构、糖原和脂滴等物质。
细胞质基质是一个高度有序的体系，其中胞质骨架纤维贯穿其中，多数蛋白质直接或间接地与骨架或生物膜结合。执行某一生物学过程的酶类彼此之间靠弱键结合，形成多酶复合体，催化一系列反应，此体系中前一个反应的产物极为下一个反应的底物。蛋白质与蛋白质之间，蛋白质与其他大分子（如mRNA）之间都可以通过弱键相互作用，处于动态平衡之中。这种高度有序的结构体系形成可以使细胞高效的完成复杂的代谢过程。但此结构体系的维持必须依靠细胞质基质中高浓度的蛋白质以及其周围特定的离子环境。
细胞质基质和细胞质溶胶是从不同的角度提出的概念，二者虽然有一些差别，但人们常把这两个名词等同起来。细胞质基质是真核细胞的细胞质中除去可以分辨的细胞器以外的胶状物质，式结构上的概念，在描述细胞结构是倾向于用此概念。细胞质溶胶是用差速离心的方法分离细胞匀浆物种的各种细胞组分过程中，离心除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的成分，是生物化学上的概念。
细胞质基质的概念的两种新理解：一种认为，细胞质基质主要有微管、微丝和中间纤维等形成的相互联系的结构系统，其中蛋白质和其他分子以凝聚状态或暂时的凝聚状态存在，与周围溶液的分子处于动态平衡，包括作为细胞质基质主要成分的多种酶和代谢中间产物，以及呈溶解状态存在的微观蛋白，但不包括游离在周围溶液中的物质，即只有直接或间接结合在细胞质骨架上的成分才是细胞质基质的成分；另一种认为，细胞质骨架是细胞中独立存在的结构体系，而不应把其看成是细胞质基质中的组分。 二、细胞质基质的功能
① 许多中间代谢过程都在细胞质基质中进行，如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖原的合成、某些生物大分子的分解过程、蛋白质的合成、核苷酸代谢等。 ② 提供物质运输和能量传递通路。 ③ 蛋白质在细胞质基质中分选及转运。
④ 维持细胞形态和运动、胞内物质运输及大分子定位。通过细胞质骨架把蛋白质、mRNA等生物大分子固定在特定的位点，在细胞质基质中形成了更为精细的区域，使复杂的代谢反应高效而有序的进行。
⑤ 进行蛋白质的修饰，如辅酶或辅基与酶的共价结合、磷酸化与去磷酸化、糖基化作用、对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰、酰基化。 ⑥ 控制蛋白质的寿命。
⑦ 降解变性和错误折叠的蛋白质。
畸形蛋白质暴露出的疏水氨基酸基团被识别，形成N端不稳定的氨基酸，被依赖于泛素的蛋白质降解途径水解。
⑧ 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确的分子构象。这一功能主要依靠热休。克蛋白（heat shock protein,stress-response protein）来完成。
第二节 细胞内膜系统及其功能
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（endoplasmic reticulum,ER）、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。
一、 内质网的形态结构与功能 (一) ①
内质网的两种基本类型
糙面内质网（rough endoplasmic reticulum,RER）。其上附有核糖体，由板层状排列的扁囊构成，主要合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白。糙面内质网
多分布于分泌蛋白旺盛的细胞（胰腺细胞、浆细胞），为分化细胞和肿瘤细胞中较少。 ②
光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，SER）。表面光滑，无核糖体附着，常由分支小管或圆形小泡构成，小管直径50~100nm，很少有扁囊。
光面内质网是合成脂质的重要场所，分布于脂类合成旺盛的细胞，如肝和肾上腺皮质细胞以及骨骼肌（含特化内质网——肌浆网，是钙储存库）。 （二）内质网的功能
1．蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能
细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质之中。在糙面内质网上，多肽链一边延伸一边穿过内质网膜进入内质网腔中，以这种方式合成的蛋白质主要包括向细胞外分泌的蛋白质、膜的整合蛋白、构成内膜系统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
内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。 3．蛋白质的修饰与加工
对其上的蛋白进行的修饰主要有糖基化、羟基化、酰基化以及形成二硫键等。 4．新生多肽的折叠与组装
1
内质网提供相依内环境促使新生多肽进行正确的折叠和组装。 内质网防止蛋白错误折叠的机制：
① 内质网膜腔面含蛋白二硫键异构酶，可切断错误形成的二硫键，重新形成正确的二硫键；
② 靠结合蛋白（binding protein,Bip,Hsp70的一种）识别未组装好的蛋白亚单位或错误折叠蛋白，促进其重新折叠与组装； ② 畸形肽链被识别后可通过―易位子‖进入胞质，被蛋白酶降解。 5．内质网的其他功能
肝细胞的内质网中附着着的糖原颗粒可被6-磷酸葡萄糖酶催化降解，生成葡萄糖，参与糖原代谢。光面内质网膜上集中着重要的氧化还原酶系（如P450酶系），可将药物、毒物经氧化、羟基化后，消除其作用或毒性，特别是经羟基化后极性增强，易于被排泄出体外，起排毒作用。
肌细胞中的光面内质网特化成成肌质网，其膜上的Ca2+—ATP酶将细胞质基质中的Ca2+泵入其内，储存起来。收到神经冲动刺激后，Ca2+释放出来，使肌肉收缩。
（三）内质网与基因表达的调控
内质网通过膜脂成分的变化、内质网腔内未折叠蛋白和折叠好蛋白的累积来完成和细胞核的对话，实现二者之间的信号传导，调节相关基因表达。 二、高尔基体的形态结构与功能
高尔基体（Golgi body）是内膜系统的一部分,结构复杂，由许多扁囊、小泡、大泡组成，又称高尔基器（Golgi apparatus）或高尔基复合体(Golgi complex)。 （一）高尔基体的形态结构与极性
高尔基体由一些（4-8个）排列较为整齐的呈弓形、半球形或球形的扁平膜囊（saccules）堆叠形成。膜囊周围还分布有泡囊。 1,。高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构
顺面高尔基体管网状结构（cis Golgi network，CGN）是位于顺面最外侧的管状网络结构，可初步分选来自内质网的蛋白质，并参与蛋白的O-连接糖基化及酰基化。
2．高尔基体中间囊膜
高尔基体中间囊膜（medial Golgi）由扁平膜囊与管道组成，参与合成多糖以及蛋白质和脂类的糖基化修饰。 3．高尔基体反面囊膜以及反面高尔基体管网状结构
反面高尔基体管网状结构（trans Golgi network,TGN）的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，以及某些―晚期‖蛋白质的修饰，如半乳糖（α）2.，6位的唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工作用等。 （二）高尔基体的功能 1.高尔基体与细胞的分泌活动
分泌蛋白的分泌过程：蛋白质在RER上合成…进入ER腔…出芽成囊泡…进入CGN…中间膜囊中加工…TGN…形成囊泡…囊泡与质膜融合…排出胞外。 蛋白质在高尔基体中的分选及转运信息存在于其基因本身。 2.蛋白质的糖基化及其修饰
RER上合成的大多数蛋白质在从内质网向高尔基体及在高尔基体各膜囊之间的转运过程中，连接在蛋白侧链上的寡糖基会发生一系列有序的加工与修饰。 糖基化的两种形式：N-连接糖基化，O-连接糖基化。 二者的区别如下表所示：
特征 合成部位 合成方式 与糖连接的氨基酸 最终长度 第一个糖残基 糖基化可能具有下列功能。
{1}给蛋白打上标志，利于高尔基体的分类与包装，保证糖蛋白从RER至高尔基体膜囊方向转移。 {2}影响多肽构象，促使其正确折叠，侧链上的多羟基糖还可以影响蛋白的水溶性及所带电荷的性质。 {3}增强蛋白稳定性，抵御水解酶降解。
{4}在细胞表面形成糖萼，起细胞识别和保护质膜作用。 3.蛋白酶的水解和其他加工过程
有些蛋白质如胰岛素等多肽激素和神经多肽等，合成时先形成无生物活性的前体物，经加工改造后才具备活性。此过程在TGN中发生，相关蛋白水解酶多结合在ＴＧＮ膜上。在分选的最后一站发生此过程，可以有效的防止它们在合成细胞内起作用。
三，溶酶体的形态结构与功能
溶酶体（ｌｙｓｏｓｏｍｅ）是单层膜围绕，内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。
N-连接 糙面内质网和高尔基体 来自同一个寡糖前体 天冬酰胺 至少５个糖残基 Ｎ－乙酰葡萄糖胺等 Ｏ－连接 高尔基体 一个个单糖加上去 丝氨酸，苏氨酸，羟赖氨酸羟脯氨酸 一般１．．．４个糖残基，但ABO血型较长 N-乙酰半乳糖胺等 2
（一）溶酶体的形态结构与类型
1溶酶体的形态结构
电镜观察下，溶酶体是外包一层单位膜的圆泡状结构。溶酶体膜的化学成分主要是脂蛋白，磷脂含量也较多。其中脂类和蛋白多高度糖基化，对溶酶体本身所含酶具有抗性，而膜一旦破裂，则会消化细胞，危及组织。
溶酶体膜的特点：１．嵌有质子泵，以形成和维持酸性内环境。２．具有多种载体蛋白，用于向外转运水解产物。３．膜蛋白高度糖基化，可防止被自身所含水解酶降解。
内含物主要是多种酸性水解酶类，酶的最适ＰＨ值为４．６左右，其中酸性磷酸酶是常用的标志酶。
溶酶体的类型
1初级溶酶体：由高尔基复合体分选产生的运输小泡和前溶酶体融合形成，内含多种酸性水解酶，但未与底物结合，内容物均一，呈球形，直径为０．２．．．０．５ＵＭ
2次级溶酶体：由初级溶酶体同消化物融合形成，形态不规则，直径可达几微米。次级溶酶体可分为异噬溶酶体和自噬溶酶体。
3残余体：由未被消化的残渣物质累计在次级溶酶体中形成。
（二）溶酶体的功能
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的细胞。溶酶体含有的多种水解酶几乎可以降解生物体内所有的大分子物质，依靠自噬泡可以降解细胞中无用的蛋白，脂和核酸等大分子物质和细胞器，依靠巨噬细胞清除衰老细胞。当溶酶体中某中酶缺乏时，则造成某些物质在细胞中累计，形成各类储积症。
2防御功能。某些细胞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。但是某些病原体如蚂蜂杆菌和利什曼原虫可以抑制吞噬泡的酸化，从而抑制溶酶体酶的活性，避免被杀死。通过受体介导的胞吞作用侵入细胞的病毒，则利用酸性环境脱掉衣壳。
3作为细胞内的消化器官为细胞提供营养，如降解内屯及体内存在的生物大分子物质，为小分子物质，供细胞利用。
4在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，可能参与分泌过程的调节。
5协助受精。精子细胞内的顶体是一个大的特化的溶酶体。在受精过程中顶体中的水解酶协助精子穿透卵外层，进入卵子，完成受精。
（三）溶酶体的发生
溶酶体的发生主要涉及溶酶体酶的分选，转运和激活的过程。
1溶酶体酶在ＲＥＲ上合成并进行Ｎ－连接糖基化修饰，加上甘露糖。
2ＣＧＮ区中的Ｎ－乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶识别溶酶体蛋白的信号斑，并在乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶的协助下磷酸化其上的甘露糖，产生分选信号Ｍ６Ｐ。
3ＴＧＮ区Ｍ６Ｐ受体特异性识别并结合Ｍ６Ｐ。在反面膜囊溶酶体酶聚集处，出芽形成有被小泡。
4有被小炮脱被形成无被运输小炮，无被小泡与前溶酶体逐渐融合，在酸性条件下，Ｍ６Ｐ受体和Ｍ６Ｐ分离，Ｍ６Ｐ受体返回高尔基体中。
（四）溶酶体与过氧化物酶体
过氧化物酶体又称微体，是一种由单位膜围城的细胞器，呈卵球形，哑铃型，圆球形，在大小上与溶酶体类似，但常含酶结晶。植物细胞中的过氧化物酶体又称乙醛酸循环体。
过氧化物酶体中常含有两种酶：依赖于黄素的氧化酶和过氧化镁。依赖于黄素的氧化酶江底物氧化，并形成h2o2.其催化反应如下；
3
RH2+O2……R+H2O2
过氧化氢酶占过氧化物酶体总蛋白量的0.40,为过氧化物酶体的标志酶。其催化反应如下： H2O2+RH2……R+2Ｈ２Ｏ
1过氧化物酶体与溶酶体的区别
特征 形态 溶酶体 多呈球形，直径0.2…0.5UM。无酶晶体 过氧化物酶体 球形，直径0.15…0.25UM，多有酶晶体 氧化酶类 7.0 需要 由老细胞器分裂和装配形成，酶在细胞质基质中合成 酶种类 ＰＨ值 是否需O2 发生 酸性水解酶 5.0 不需要 高尔基出芽形成，酶在RER中合成 标志酶 3.过氧化物酶体的发生
酸性磷酸酶 过氧化氢酶 新过氧化物酶体由成熟过氧化物酶体分裂形成，新过氧化物酶体接受来自细胞质基质中的蛋白组分和来自内质网的膜成分而逐渐长大成熟。
过氧化物酶体的内蛋白均由核基因编码，在细胞质基质中合成后转运到其中。过氧化物酶体蛋白C端和N端分别含有PTSI和ＰＴＳ２序列，其可识别并结合过氧化物酶体上的受体蛋白而进入其中。
第三节 细胞内蛋白质的分选和膜泡运输
核编码的蛋白均在细胞质基质中的核糖体上合成，然后转运至细胞的特定部位，并装配呈结构和功能的复合体，参与细胞生命活动，此过程称为蛋白质的定向转运或蛋白质帅选。
一、信号假说与蛋白质分选信号
１９７５年，Ｇ．ＢＬＯＢＬＥ和ＤSABATINI等提出信号假说，即分泌性蛋白N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白合成结束之前信号肽被切除，随后发现其他类型的蛋白也含有类似的信号序列，指导蛋白完成定向运输。
已发现的指导蛋白定位运转的信号包括指导蛋白向内质网转运的信号肽，引导蛋白向线粒体转运的导肽，引导蛋白向叶绿体转运的转运太，过氧化物酶体蛋白C端含有PTSI，N端含PTS2序列，亲核蛋白含核定位信号。
二、蛋白质分选的基本途径与类型 1、蛋白质分选的两条途径
（1）翻译后转运途径。完全在细胞质基质合成的蛋白，转运至膜围绕的细胞器（线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核）及细胞质基质的特定部位。 （2）共翻译转运途径：合成起始后转移至RER，合成的蛋白质竟高尔基体运至溶酶体，细胞膜，或分泌到细胞外。 2.蛋白质转运的四中类型
（1）跨膜转运，在细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网，线粒体，肢体和过氧化物酶体等细胞器。蛋白以非折叠肽跨膜。 （2）膜泡运输，蛋白由不同类型转运小炮从其RER合成部位转运至高尔基体，进而分选运至细胞的不同部位。 （3）选择性的门控转运，细胞质基质中合成的蛋白质通过核空复合体到核内或相反。 （4）细胞质基质中蛋白质的转运。此过程和细胞骨架相关。 三．膜泡运输
1.COPⅡ有被小泡的组装与运输 （1）结构组分
Sar1：GTP酶，结合ＧＤＰ失活，结合ＧＴＰ活化，调节包装的装配和去装配，召集其他包被蛋白形成包被。 Sec23/Sec24复合体：和Sar一起构成包被内层。 Sec13/Sec31复合体：构成包被外层。 Sec16：可能作为骨架蛋白起作用。 Sec12：Sar1的鸟甘酸交换因子。
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(2) COPⅡ有被小泡的装配和运输过程． Sar1-GDP Sec12
Sar1-GTP（活化） 激活磷脂酶Ｄ， 将一些磷脂水 解，使包被蛋 白牢固地生 物结合在膜上 Sar1 露出一条脂肪酸 的尾巴，插入ER膜
Sec23/Sec24复合体和Sec13/Sec31复合体结合
形成运 输小泡 包被小 泡释放
v-SNARE 暴露 Sar1-GDP
包被解体
结合CGN上的t-SNARE，COPⅡ和 CGN融合，内含物释放
2. COPⅠ又被小泡的组装与运输。
COPⅠ包被含有7中蛋白亚基和一种调节膜泡转运的ＧＤＰ结合蛋白ARF，其组装和去组装依赖于ＡＲＦ COPⅠ有被小泡负责回收转运内质网逃逸蛋白，内质网膜酯以及膜以上蛋白返回内质网。
内质网中保留及回收蛋白质的两种机制：运输跑将赢被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运，以COPⅠ有被小泡的形式捕获逃逸蛋白。 内质网蛋白的回收信号：网腔的蛋白是LYS-ＡＳＰ－GUL－LEU。膜蛋白是LYS-LYS－Ｘ－Ｘ ． ３．网格蛋白有被小泡的组装和运输
-网格蛋白有被小泡介导蛋白质从高尔基体ＴＧＮ到质膜，胞内体，溶酶体或植物液泡的运输。 在受体介导的细胞胞吞途径中负责将物质从质膜晕倒细胞质，以及从胞内体运输到溶酶体。 四，细胞结构体系的组装
生物大分子的组装方式：自我组装，协助组装，和直接组装。 组装具有下列重要的生物学意义
1减少和校正蛋白质合成中出现的错误
2可以大大的减少所需要的遗传物质信息量
3通过组装与去组装更容易调节与控制多种生物学过程
习题解答
1、谈谈你对细胞质基质的结构组成以及在细胞生命活动中作用的理解
答（１）细胞质基质的组成
细胞质基质是真核细胞的细胞质内除细胞器和内含物的较为均质，半透明的液态物质，结构组成包括水，无机离子，糖类，脂类，核苷酸，氨基酸及其衍生物等中分子，以及糖原，脂滴，蛋白质，多糖，和ＲＮＡ等大分子。
（２）细胞质基质在生命活动中的作用
｛１｝完成中间代谢。如糖酵解过程，磷酸戊糖途径，糖苷算途径，糖原的合成与部分分解以及蛋白质的分选和转运。 ｛２｝维持细胞形态和运动，胞内物质运输及大分子定位
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