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细胞质基质与内膜系统
这是一篇关于细胞质基质与内膜系统的思维导图，主要内容包括：内膜系统，真核细胞由于内膜的出现，使细胞质更为复杂。
编辑于2024-10-16 07:23:37- 相似推荐
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细胞质基质与内膜系统
真核细胞由于内膜的出现，使细胞质更为复杂
真核细胞内区室化
细胞质基质
涵义
真核细胞的细胞质中，除了可分辨的细胞器以外的胶状物质，称为细胞质基质 （cytoplasmic matrix）。
注意区分细胞质与细胞质基质
生化学家多称之为胞质溶胶（cytosol）。
细胞质基质可能是一种高度有序的体系 ，主要在于其中贯穿了细胞骨架，起组织的作用。
70%的水，以及溶于其中的离子和可溶性蛋白质分子为主的大分子。
小分子：水、离子、溶解的气体
多数水分子以水化物的形式结合在大分子表面的 极性部位。
部分水分子以游离态形式存在，起到溶剂的作用。
中等分子：糖、脂肪酸、核苷酸、氨基酸
大分子：蛋白质、脂蛋白、多糖、mRNA
功能
许多中间代谢过程都在基质中进行，由胞质溶胶中处于 相对游离状态的酶来完成。
糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原的合成和部分分解
部分蛋白质（线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核蛋白细胞质基质 驻留蛋白、细胞骨架蛋白）和脂肪酸的合成
与细胞骨架相关的功能
维持细胞形态、细胞运动、细胞内的物质运输及能量传递
细胞质基质结构体系的组织者，为细胞质基质中其他成分和细胞器提供 锚定位点，使复杂代谢反应高效而有序地进行。
细胞质基质中蛋白质的翻译后修饰、选择性降解
蛋白质修饰
辅基或辅酶与酶的结合
磷酸化与去磷酸化
蛋白质的糖基化：N- 乙酰葡糖胺加到蛋白质的丝氨酸残基的羟基上。
甲基化修饰
酰基化修饰
蛋白质寿命的控制
N端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号。
泛素-26S蛋白酶体途径
一种识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制
主 要 由 泛 素 (Ubiqitin,Ub) 、26S蛋白酶体和各种酶系统构成。目的蛋白经酶系统多泛素化后，经26S蛋白酶体降解。
泛素分子
泛素分子是由76个氨基酸组成的 小分子球蛋白，与目标蛋白结合， 可介导其降解。
蛋白质的泛素化修饰：泛素分 子共价结合到靶蛋白的赖氨酸 残基上
酶系统
E1 泛素活化酶
E2 泛素结合酶
E3 泛素蛋白连接酶
26S蛋白酶体
泛素-蛋白复合物主要被26S蛋白酶体识别并降解。
约50种蛋白质亚基组成的中空桶装结构，具有蛋白酶活性
28种蛋白亚基组成20S催化核心，有α和β两类蛋白，其中β环具有蛋白酶活性
一个或者两个由19 种蛋白亚基组成的19S调 节亚基，识别泛素化底物蛋白，切除泛素修饰和使蛋白去折叠。其中6种亚基具有ATPase活性，为蛋白降解提供能量
生物学功能
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
细胞周期调控
转录调节和DNA修复
帮助变性或者错误折叠的蛋白重新折叠
热休克蛋白（heat shock protein, HSP）：一类在进化上高度保守的蛋白质家族，作为分子伴侣（molecular chaperone）发挥多 种作用，协助细胞内蛋白质的合成、分选、折叠与装配等。
大多数是组成型表达，有些在胁迫条件下高水平表达
根据分子量大小、结构和功能，分为：HSP100、HSP90、HSP70、 HSP60和小分子sHSP等。
利用水解ATP释放的能量
分子伴侣： 一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞 内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后 与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份。
关键点
介导蛋白质成熟
不成为蛋白质组分
功能
新生蛋白的折叠
错误折叠蛋白的矫正
协助蛋白的正确运输和定位
分布
内质网、Golgi以及细胞质基质中
内膜系统
其他由膜包被的细胞器
内膜系统
定义：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
涉及主要细胞器
内质网
是真核细胞中最普遍、且形态多变、适应性最强的细胞器之一，由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成的互相联通的三维网络结构。
微粒体(microsome)：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体的囊泡结构，包括内质网膜和核糖体两部分，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。
基本类型
外周内质网根据形态不同，分为片层状内质网（ER sheet）和管状内 质网（tubular ER ）
粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, rER):内质网与核糖体共同形成的结构，主要功能合成分泌蛋白和膜蛋白；膜上具有移位子蛋白复合体
光面内质网(smooth endoplasmic reticulum, sER):表面没有附着核糖体，脂类合成主要场所。
功能
rER合成蛋白质
蛋白质合成始于细胞质基质，但部分很快转至内质 网膜上，继续肽链延伸并完成蛋白质合成。
分泌蛋白
膜整合蛋白
可溶性驻留蛋白
sER合成脂质
合成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部膜脂，其中，最主要的磷 脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。
合成脂类的酶都位于内质网脂质双层，活性部位朝向细胞质基质侧。
合成后的脂类通过翻转酶的作用由细胞质基质侧转向内质网腔面。
内质网上合成磷脂的三种可能转运方式
通过膜泡转运脂类
以出芽的方式通过膜泡运输运至高尔基体、溶酶体、质膜上
通过PEP介导脂类转运
与磷脂转换蛋白PEP结合形成水溶性复合物，通过自由扩散的方式运至靶 膜（线粒体或过氧化物酶体）
嵌入式蛋白介导的膜间直接接触
供体膜和受体膜之间通过膜嵌入蛋白介导的直接接触
蛋白质修饰加工
糖基化修饰
定义
在蛋白质合成的同时或合成后，在酶的催化下寡糖链被连接在肽链特定的糖基化位点，形成糖蛋白。
作用
某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠
增加蛋白质的稳定性，使蛋白质能够抵抗消化酶的作用
携带标志，利于蛋白分选
多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质
赋予蛋白质传导信号的功能
N-连接与O-连接的寡糖比较
N-连接
合成部位：糙面内质网和高尔基体
内质网和高尔基体中糖基化酶均为整合膜蛋白，活性部位位于腔面。
内质网和高尔基体不同的间隔含有不同的酶，对蛋白质寡糖链按顺序依次修饰，前一个反应的产物又作为下一个反应的底物。
过程：在内质网腔中N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖的多个分子按顺序先后被连 接到内质网膜中磷酸多萜醇分子上，成为寡聚糖（14个糖残基的寡糖链）。 寡聚糖由糖基转移酶催化转移至多肽链的Asn上。 在分子伴侣Bip和蛋白二硫键异构酶帮助下，蛋白折叠时，三个葡萄糖残基分 别被葡萄糖苷酶切除。 一个甘露糖残基被移除，形成高甘露糖型寡聚糖。转移至高尔基体，在高尔基体最终加工完成。
合成方式：来自同一个寡糖前体
与之结合的氨基酸残基：Asp
最终长度：至少5个糖残基
第一个糖残基：N-乙酰葡糖胺
与Asn直接结合的糖都是N-乙酰葡糖胺
O-连接
合成部位：高尔基体
合成方式：一个个单糖加上去
与之结合的氨基酸残基：Ser、Thr、HYP（羟辅氨酸）、Lys(羟赖氨酸）
最终长度：一般1~4个糖残基，ABO血型抗原较长
第一个糖残基：N-乙酰半乳糖胺
在内质网腔内形成二硫键
酰基化
羟基化
新生肽的脯氨酸和赖氨酸合成胶原蛋白的过程。
新生多肽的折叠与组装
蛋白二硫键异构酶（PDI）hsp70家族中的结合蛋白Bip等都具有4肽驻留信 号（KDEL或HDEL或称回收信号），保证其滞留在内质网中，并维持较高浓度。 ①Bip可同未折叠蛋白的疏水核心结合，防止多肽链不正确结合和聚合； ②识别错误折叠的蛋白质或未装配好的蛋白质亚基，促进其重新折叠和装配； 防止新合成的蛋白在转运过程中断裂或变性。结合有蛋白质的Bip在ATP水解后释放被结合的蛋白 。
内质网对于蛋白质质量具有监控作用，是分泌蛋白转运途中实行质量监控的重要场 所，无法正确折叠的蛋白，通过Sec61p复合体从内质网腔转至细胞质 基质，通过泛素-26S蛋白酶体降解。
内质网膜腔面上的二硫键异构酶（PDI）可切断错误形成的二硫键，帮助蛋 白重新折叠形成新的二硫键。
其他功能
肝细胞内光面内质网
解毒作用：细胞色素P450家族将光面内质网膜上的水不溶性 毒物或代谢产物羟基化，溶于水，随尿液排出体外
合成外输性脂蛋白颗粒。
肝细胞光面内质网膜上的葡萄糖-6-磷酸酶影响糖原代谢
心肌细胞和骨骼肌细胞中特化的光面内质网——肌质网
心肌细胞和骨骼肌细胞中发达的光面内质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中的钙离子泵入肌质网腔中储存起来，在细胞受到神经冲动刺激后，释放Ca2+，肌肉收缩。
其他细胞中的内质网：细胞信号通过第二信使IP3刺激Ca2+释放，引起下游反应。
内质网储存Ca2+的功能在于内质网中存在大量包括BiP在内的4种以上的钙离子结合蛋白，每个钙离子结合蛋白分子可与30个左右的钙离子结合。
内质网应激（ERS）
为折叠蛋白质应答反应UPR
内质网超负荷反应EOR
固醇调节级联反应
内质网功能持续紊乱，细胞将启动凋亡程序
高尔基体
特征结构
由排列较为整齐的扁平膜囊堆叠而成，囊堆构成了高尔基体的主体结构，扁平囊膜多呈弓形或半球形。囊膜周围又有许多大小不等的囊泡结构。
极性
在细胞中有比较恒定的位置与方向
物质从高尔基体的一侧输入，从另一侧输出，每层囊膜各不相同
靠近细胞核的一侧扁囊弯曲成凸面又称形成面或顺面。面向细胞质膜的一侧为凹面、成熟面或反面
顺面膜囊和顺面网状结构（cis Golgi network，CGN）
CGN：顺面最外侧的呈中间多孔而连续分支状的网络结构
接受内质网合成的物质，分类后转入中间膜囊或返回内质网。
O-连接的糖基化等蛋白质的修饰。
中间膜囊（medial Golgi）
由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔。
多数糖基修饰，糖脂的形成以及与多糖合成
反面膜囊和反面网络结构（trans Golgi network，TGN）
TGN：反面最外层，管网状
参与蛋白质的修饰、分类与包装，最后输出
高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种模型
膜泡运输模型
膜囊成熟模型
高尔基体的标志化学反应
嗜锇反应(顺面膜囊)，经饿酸浸染后，高尔基体的顺面膜囊被特异性染色
焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)反应(反面的1~2层膜囊)
胞嘧啶单核苷酸酶(CMP 酶)和酸性磷酸酶反应(可显示反面膜囊状和反面管网结构)，
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶(NADP酶)反应(中间几层)
功能
将ER合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类运送
溶酶体酶的分选
分泌蛋白和膜蛋白及胞外基质蛋白的分选
分泌蛋白-可调节性分泌：分泌细胞产生的分泌物储存在分泌泡内，当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出。
膜蛋白和胞外基质蛋白-组成型分泌：通过分泌泡连续分泌某些蛋白到细胞表面和胞外。
高尔基体驻留蛋白有精确的定位信号，以保证它们定位于正确的区隔，而不会沿着分泌途径被运输出去
驻守信号(ER retention signal): Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL信号序列 - KDEL信号受体：内质网膜，高尔基体膜
蛋白的糖基化及其修饰
N-连接的糖基化的加工修饰
内质网形成的糖蛋白进入高尔基体后，在各膜囊之间的转运过程中，发生了一系列有序的加工和修饰，糖链中的大部分甘露糖被切除，又被多种糖基转移酶依次加上了不同类型的糖分子，形成了结构各异的寡糖链。
O-连接的糖基化(O-linked glycosylation)
寡糖与蛋白质的丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸等残基侧链上的羟基 基团连接。 由不同的糖基转移酶催化的，每次加上一个单糖。 O-连接的寡糖的糖链中：与蛋白直接结合的寡糖是N-乙酰半乳糖胺，最后一 个是唾液酸残基，还有半乳糖、岩藻糖和唾液酸等糖残基。
蛋白聚糖的组装
蛋白聚糖多为胞外基质的成分，有时也整合在细胞质膜上
多个糖胺聚糖与核心蛋白Ser相连
与Ser直接相连的是木糖
蛋白酶的水解和其他加工过程
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 有些蛋白质分子在粗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 一个蛋白分子的前体中含有不同的信号序列，最后加工形成不同的产物;有些情况下，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，这样大大增加了细胞信号分子的多样性 硫酸化作用也在高尔基体中进行的，硫酸化的蛋白质主要是蛋白聚糖
内质网合成脂质的一部分向细胞质膜和溶酶体膜等转运
高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂， 例如植物细胞壁多糖的合成分泌。
溶酶体
形态结构与类型
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消化。
标志酶：酸性磷酸酶
植物中的类似成分：液泡
高度异质性，形态大小及所包含的水解酶的种类都可能有很大的 不同。
初级溶酶体
球形，直径约0.2~0.5um，内容物均一。 • 多种酸性水解酶，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷脂酶等60余种，反应的最适pH值为5左右。
次级溶酶体
• 初级溶酶体捕获食物后形成的消化泡。 • 自噬溶酶体和异噬溶酶体，分别与自噬泡或异噬泡（胞饮泡和吞噬泡）融合。 • 结构复杂，形态不规则，内容不均一。
残质体
• 又称后溶酶体，已失去酶活性，仅留未消化的残渣。 • 残体可通过胞吐作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质。
溶酶体的发生
信号斑：溶酶体水解酶表面特定氨基 酸残基形成的区域，一级结 构中相距较远，三级结构中 相邻。
磷酸化
高尔基体cis膜囊内，N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶识别溶酶体酶的信号斑， 催化GlcNAc-P转移到其高甘露糖寡糖链的甘露糖残基上。
高尔基体中间膜囊中，磷酸糖苷酶除去其末端的GlcNAc暴露出磷酸基团。
受体识别：高尔基体中间膜囊中，磷酸糖苷酶除去其末端的GlcNAc暴露出磷酸基团。
分选途径多样化
部分含有M6P标志的溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外。
在细胞质膜上也存在依赖于钙离子的M6P受体，同样可与胞外的 溶酶体酶结合，通过受体介导内吞作用，将酶送至前溶酶体中， M6P受体返回细胞质膜，反复使用。
不依赖M6P的分选途径
溶酶体膜蛋白
结合在膜上的酶
穿孔蛋白
粒酶
出芽转运
M6P-溶酶体酶与受体从TGN出芽，以网格蛋白/AP 包被 膜泡形式转运。
转运膜泡脱包被，与晚期胞内体形成前溶酶体。
M6P受体与前溶酶体分离，返回高尔基体
M6P去磷酸化，形成成熟的溶酶体酶。
特性
溶酶体膜特性
质子泵（ Proton Pump ）: - 借助水解ATP释放出的能量将H+泵入溶酶体内，使溶酶体中的H+浓度比细胞质 中高100倍以上，形成和维持酸性内环境。
转运蛋白（Transport Protein）： - 将水解的产物向外转运。
膜蛋白高度糖基化（Highly Glycosylated Membrane Protein）： - 可能有利于防止自身膜蛋白的降解。
溶酶体酶特性
最适pH5
多为带负电荷的糖蛋白
功能
细胞内消化作用
内吞作用
吞噬作用
自噬作用
巨自噬
微自噬
分子伴侣介导的自噬
防御功能
病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化。
参与清除赘生组织或退行性变化的细胞，如蝌蚪尾巴的退化。
细胞外的消化作用，如受精过程中的精子顶体溶解卵细胞的外被及滤泡细胞。
疾病
各类贮积症：由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积， 进而影响细胞功能。
泰萨克斯病
智力迟钝、失明
Ⅰ细胞病
矽肺
类风湿关节炎
患者溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎。
过氧化物酶体
又称微体(microbody),单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器。 存在于所有的动物细胞和很多植物细胞中
与溶酶体的区别
过氧化物酶体与初级溶酶体形态大小相似
过氧化物酶体含有的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构
密度梯度离心可以分离过氧化物酶体和溶酶体
功能
动物
参与分解脂肪酸，向细胞提供热量。
氧化分解有毒成分，具有解毒作用，
饮入的酒精1/2 是在微体中氧化为乙醛。
植物
参与光呼吸，将光合作用副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢。
种子萌发中，降解种子中的脂肪酸，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，进一步形成琥珀酸，后者离开过氧化物酶体，生成葡萄糖-乙醛酸循环。——乙醛酸循环体
发生
分裂增殖：已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞。再进行进一步的装配。
重新发生途径：膜蛋白和可溶性的基质蛋白都由核基因编码，主要在细胞质基质合成，然后分选转运到过氧化物酶体中
胞内体
分泌泡
具备属性
独立性
关联性
动态性