第七章細胞質基質和內膜系統第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一Acoupledreactioninbiologyisachemicalreactionhavingacommonintermediateandinwhichenergyistransferredfromonesideofthereactiontotheother.AnexamplewouldbeamoleculeofsucrosebeingsynthesisedfromglucoseandfructoseattheexpenseoftheenergystoredinATPandtransferredbyglucose-1-phosphate.第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第七章細胞質基質與內膜系統第一節細胞質基質及其功能第二節細胞內膜系統及其功能第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一細胞器（organelle）：真核細胞內各種膜包被的功能性結構。內膜系統（endomembranesystem）：指在結構、功能乃至發生上相互關聯的由單層膜包被的細胞器或細胞結構的總稱。主要包括內質網、高爾基體、溶酶體、胞內體、分泌泡和液泡等。第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一真核細胞的內區室化細胞內區室化：真核細胞細胞內具有發達的膜相結構，將細胞質區分成不同的隔室，這是真核細胞結構和功能的基本特征之一。

細胞內被膜區分為3類結構：（1）細胞質基質；（2）內膜系統；（3）其它由膜所包被的細胞器。真核細胞內典型區室化特征示意圖第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第一節細胞質基質及其功能一、細胞質基質的含義二、細胞質基質的功能第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一定義：在真核細胞的細胞質中，除去可分辨的細胞器以外的液相內容物（黏稠膠體），占據著細胞質膜內和細胞核膜外的細胞內空間。細胞質基質可能是一個高度有序且又不斷變化的動態結構體系。主要成分：代謝有關的數千種酶類、細胞質骨架結構。主要特點：細胞質基質是一個高度有序的體系；通過弱鍵而相互作用處于動態平衡的結構體系。一、細胞質基質的含義第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一二、細胞質基質的功能四大主要功能：蛋白質和脂肪酸的合成場所（許多中間代謝途徑）；

細胞質骨架為其它成分和細胞器提供錨定位點，而且與維持細胞的形態、運動、物質運輸及能量傳遞有關；細胞內的膜相把細胞質基質區室化，并通過質膜或細胞器膜上的膜轉運蛋白維持細胞內外的跨膜電化學梯度；蛋白質的修飾和選擇性降解。第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一D、蛋白質的修飾和選擇性降解（一）蛋白質的修飾：1.輔因子與酶的共價連接；2.磷酸化與去磷酸化：磷酸化位點為Ser、Thr、Tyr、His和Lys；

3.糖基化：把N-乙酰葡萄糖胺加到蛋白質的Ser殘基的羥基上；

4.酰基化：把src基因編碼的酪氨酸蛋白激酶與質膜上豆蔻酸共價連接；Ras的酰基化；

5.甲基化：對很多細胞骨架蛋白N端和組蛋白上Lys和Arg的甲基化修飾。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一1.

決定蛋白質壽命的信號：存在于N端的第一個氨基酸殘基，若N端的第一個氨基酸是Met、Ser、Thr等，則蛋白質往往是穩定的；若是其它則往往不穩定。2.識別并降解不穩定或錯誤折疊蛋白質的機制：

泛素-蛋白酶體所介導的蛋白質降解途徑。

生物學功能：包括蛋白質質量監控、影響細胞代謝、信號轉導和受體調整、免疫反應、細胞周期、轉錄調節和DNA修復等。（二）控制蛋白質的壽命：第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一泛素-蛋白酶體介導的蛋白質降解途徑泛素（ubiquitin）：普遍存在于真核細胞熱穩定的高度保守的小分子球蛋白（76aa）。

通過其C端的Gly與要被降解的不穩定的或錯誤折疊的靶蛋白質的Lys殘基的ε-氨基形成異肽鍵而共價連接，并指引該靶蛋白質運到蛋白酶體中進行降解。蛋白酶體（proteasome）：真核細胞質基質中降解被泛素標記的蛋白質的中空桶狀多亞基蛋白復合體。

其中間由28種蛋白質亞基組成的20S催化核心；兩端各結合一個由16~18種蛋白質亞基組成的19S調節和識別帽，其中6種亞基具有ATPase活性，負責為蛋白質降解活動提供能量。第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一泛素-蛋白酶體介導的蛋白質降解途徑（ubiquitin-proteasome-mediatedpathway）第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（三）降解異常或畸形的蛋白質

細胞質基質中的變性的、錯誤折疊、不完整的及含有被氧化或其它非正常修飾氨基酸的蛋白質，也常常很快被降解清除。（四）幫助變性或錯誤折疊的蛋白質重新正確折疊

熱休克蛋白（HSP，heatshockprotein）來完成。

第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第二節細胞內膜系統及其功能一、內質網二、高爾基體三、溶酶體四、過氧化物酶體內膜系統各區室之間，通過生物合成、蛋白質修飾與分選、膜泡運輸和各種質量監控機制，維系其系統的動態平衡。第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一一、內質網內質網（endoplasmicreticulum，ER）：是由小管、囊泡和扁平囊互相溝通形成的三維網絡結構。它是真核細胞中最普遍、最多變和適應性最強的細胞器。微粒體（microsome）：是在細胞勻漿和超速離心過程中由破碎的內質網形成的近似球形的囊泡結構，常常把它與內質網等同。第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一1、內質網的兩種基本類型糙面內質網（roughendoplasmicreticulum，rER）光面內質網（smoothendoplasmicreticulum，sER）內質網的分布：綠色為“糙面和光面”；黃色為“糙面”。第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.1蛋白質的合成-糙面內質網的主要功能2、內質網的功能胞外分泌蛋白；膜的整合蛋白；細胞器中可溶性駐留蛋白。第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.2脂類的合成-光面內質網的主要功能A：通過膜泡轉運脂質B：通過PEP（磷脂交換蛋白）介導的脂質轉運C：膜嵌入蛋白介導的膜間直接接觸膽固醇與磷脂在供體膜與受體膜之間可能的轉運機制第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.3蛋白質的修飾與加工修飾加工：糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵形成等；糖基化：在糖基轉移酶作用下發生在ER腔面N-linkedglycosylation（Asn）；酰基化：發生在ER的細胞質基質側。發生在糙面內質網蛋白質N-連接的糖基化過程第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一N-連接糖基化與O-連接糖基化的比較N-連接涉及內質網和高爾基體N-連接中肽鏈糖基化位點：即Asn-X-Ser/Thr中的AsnO-連接發生在高爾基體第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.4

新生肽的折疊與組裝合成后折疊成正確構象并裝配完成；結合蛋白（Bindingprotein，Bip）結合蛋白屬于熱休克蛋白70家族成員，普遍存在于內質網中，能識別錯誤折疊的蛋白或未裝配好的蛋白亞單位，并促進重新折疊與裝配。第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.5

內質網的其他功能肝的解毒作用（Detoxification）：肝細胞光面內質網合成外輸性蛋白及氧化降解酶，如細胞色素p450家族；儲存鈣離子：肌質網膜上的Ca2+-ATP酶將細胞質基質中Ca2+泵入肌質網腔中；合成固醇類激素。有些細胞中光面內質網非常發達。第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一3、內質網應激（ERS）反應3.1未折疊蛋白質應答反應（unfoldedproteinresponse,UPR)；3.2固醇調節元件結合蛋白質（sterolregulatoryelementbindingprotein,SREBP）介導的信號途徑；3.3內質網超負荷反應（Endoplasmicreticulumoverloadresponse,EOR);3.4引發細胞凋亡。第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一未折疊蛋白質應答反應圖示A：3條不同的平行信號轉導途徑執行未折疊蛋白質應答反應（UTR）B：IRE1膜蛋白介導的UTR第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一固醇調控元件結合蛋白（SREBP）的膽固醇敏感調控示意圖第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一1889年，Golgi用銀染法在貓頭鷹的神經細胞內觀察到了清晰的結構，因此定名為高爾基體。20世紀50年代以后才正確認識它的存在和結構。二、高爾基體（Golgibody）定義：一種由相對排列整齊的弓形扁平膜囊體系和大小不一的形態多變的囊泡體系組成的極性細胞器。第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一常分布于內質網與細胞膜之間，呈弓形或半球形。凸出的一面對著內質網稱為形成面或順面（cisface）；凹進的一面對著質膜稱為成熟面或反面（transface）；中間囊膜；順面和反面都有網狀結構（CGN和TGN)。1、形態結構與極性第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一扁平囊直徑約1um，單層膜構成，中間為囊腔，周緣多呈泡狀，4~8個扁平囊在一起，構成高爾基體的主體(Golgistack)。高爾基體膜含有大約60%的蛋白和40%的脂類，具有一些和ER共同的蛋白成分，中性脂類主要包括膽固醇，膽固醇酯和甘油三酯。酶主要有：糖基轉移酶、磺基-糖基轉移酶、氧化還原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、轉移酶和磷脂酶等不同的類型。標志酶為糖基轉移酶。高爾基體結構組成第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一高爾基體的極性形態學極性：在細胞中往往有比較恒定的位置與方向，

物質從高爾基體的一側輸入，從另一側輸出，因此每層膜囊也各不相同。（注意：高爾基體的順面并非總是在高爾基體的凸面，在細胞發育的某個階段可能位于高爾基體的凹面。）高爾基體的生化極性：

（1）嗜鋨反應→順面；（2）NADP酶的細胞化學反應→中間幾層扁平囊；（3）TPP酶的細胞化學反應→反面的1~2層膜囊；（4）CMP酶和酸性磷酸酶的細胞化學反應→靠近反面膜囊狀和反面管網結構。生物學上的極性：指細胞、細胞群、組織或個體所表現的沿著一個方向的，各部分彼此相對兩端具有某些不同的形態特征或者生理特征的現象。

第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2、高爾基體的功能對ER轉運來的脂分子及蛋白質進行加工、修飾、分類、包裝以及分選；高爾基體也是細胞內糖類合成的工廠；高爾基體是細胞內大分子轉運的樞紐或“集散地”。參與細胞分泌活動；蛋白質的糖基化；蛋白酶的水解和其它加工過程；蛋白聚糖的硫酸化。具體介紹：第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一高爾基體TGN區是蛋白質包裝與分選的關鍵樞紐，至少涉及3條分選途徑：（1）溶酶體酶的包裝與分選途徑（溶酶體酶參與）；（2）可調節型分泌途徑（受到適宜信號的調節）；（3）組成型分泌途徑（連續的不需調節）。2.1參與細胞分泌活動第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.2

蛋白質的糖基化及其修飾糖基化的生物學功能有：（1）糖鏈促進蛋白質折疊和增強蛋白質穩定性的作用；（2）糖鏈作為對蛋白質包裝和分選的信號；（3）寡糖鏈參與介導細胞間或細胞與細胞外基質間的識別、黏著與雙向通訊，或參與分化和發育等多種過程；（4）多羥基糖鏈還可影響蛋白質的水溶性和所帶電荷的性質。

大多數蛋白質（可溶性分泌蛋白、質膜上大多數膜蛋白和溶酶體酶）或膜脂的糖基化修飾和與高爾基體有關的多糖的合成，主要發生在高爾基體。第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一脊椎動物細胞糖蛋白N-連接寡糖在高爾基體各膜囊區間的加工過程第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（1）對于沒有生物活性的蛋白原（proprotein）,將蛋白原N端或兩端的序列切除形成成熟的多肽。（2）有些蛋白質含有多個相同氨基酸序列（串聯）的前體，然后在高爾基體中被水解形成同種有活性的多肽，如神經胎。（3）一個蛋白質分子的前體中含有不同的信號序列，最后加工形成不同的產物；（4）同一種蛋白質前體在不同的細胞中可能以不同的方式加工，產生不同種類的多肽。2.3蛋白酶的水解和其它加工過程第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一三、溶酶體（lysosome）定義：單層膜圍繞的內含多種酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，其主要作用是行使細胞內的消化作用。

某些細胞的溶酶體還具有防御功能和其它重要的生理功能。

植物細胞內也有與溶酶體功能類似的細胞器，如圓球體、糊粉粒和中央大液泡。溶酶體一種異質性的細胞器：

指不同的溶酶體的形態大小，乃至其中所含水解酶的種類都可能有很大的不同。第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一溶酶體膜在成分上也與其它生物膜不同：①嵌有質子泵（溶酶體酶的最適pH為5.0左右）；②具有多種載體蛋白（水解產物外運）；③膜蛋白高度糖基化（防止被降解）。溶酶體酶：已發現60余種，多為可溶性酶，少數整合在膜上；具有某些特征性同源序列；與相關的非溶酶體酶是一類結構與功能上相似的酶家族，在進化上同源。第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一1、溶酶體的形態結構與類型初級溶酶體：呈球形，內容物均一，不含有明顯的顆粒物質，外面由一層脂蛋白膜圍繞。次級溶酶體：初級溶酶體與細胞內的自噬泡或異噬泡（吞噬泡或胞飲泡）融合形成的進行消化作用的復合體，外部形態不規則，內部結構多樣。殘質體：小鼠膀胱上皮細胞中的溶酶體第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2、溶酶體的功能清除無用的生物大分子、衰老的細胞器及衰老損傷和死亡的細胞：溶酶體起著“清道夫”的作用。

防御功能：巨噬細胞識別并吞噬入侵的病毒或細菌，在溶酶體作用下將其殺死并進一步降解。其它重要的生理功能：（1）為細胞提供營養，如降解內吞的血清脂蛋白，獲得膽固醇等營養；（2）在分泌腺細胞中，攝入分泌顆粒，參與分泌過程的調節；（3）吞噬細胞溶酶體消化清除凋亡細胞；（4）參與受精過程中的頂體反應，精子的頂體相當于特化的溶酶體。第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一溶酶體消化作用的3種途徑第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一3、溶酶體的發生

溶酶體酶在糙面內質網合成和初加工，以出芽形式離開內質網形成膜泡到高爾基體，經高爾基體再加工，以出芽形式離開高爾基體形成膜泡到溶酶體。溶酶體膜蛋白如何同其它蛋白質區分開來而特異地分選到溶酶體膜上，機制仍不明。第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一新合成的可溶性溶酶體酶從高爾基TGN和細胞表面轉運到溶酶體的示意圖第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一矽(xi)肺：二氧化硅塵粒（矽塵）吸入肺泡后被巨噬細胞吞噬，導致吞噬細胞溶酶體破裂，水解酶釋放，細胞崩解，矽塵釋出，后又被其他巨噬細胞吞噬，如此反復進行。肺組織全部纖維化。用老百姓的話說，肺變成一個土疙瘩。

4、溶酶體與疾病溶酶體貯積癥（lysosomalstoragedisorder）：該疾病以缺乏某種溶酶體酶為特征，從而不能降解相應底物而貯積在溶酶體內。病例：第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一肺結核：結核桿菌不產生內、外毒素,也無莢膜和侵襲性酶。但是菌體成分硫酸腦苷脂能抵抗溶酶體的殺傷作用,使結核桿菌在肺泡內大量生長繁殖,導致巨噬細胞裂解,釋放出的結核桿菌再被吞噬而重復上述過程，引起肺組織鈣化和纖維