细胞质基质与内膜系统

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细胞质基质与内膜系统

• 概述
  • 细胞内由生物膜构成的各种区室处于不断的变化之中，是高度动态的结构组分
  • 区室化是真核细胞结构和功能的基本特征之一
  • 细胞内部被膜系统
    • 细胞质基质
    • 内膜系统（彼此关联，不断变化）
    • 其他膜所包被的细胞器：线粒体、叶绿体、过氧化氢酶体和细胞核
• 细胞质基质及其功能
  • 细胞质基质的涵义
    • 定义
      • 在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称为细胞质基质。
    • 获得
      • 用差速离心法分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，先后除去细胞核、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，存留在上清液中的主要成分，胶状物质、粘稠液体（蛋白质分子和颗粒性物质的扩散速率仅为水溶液的1/5）
    • 化学成分
      • 其中蛋白质质量浓度约200mg/mL；多数水分子以水化物的形式紧密的结合在蛋白质和其他分子表面的极性部位；部分水分子以游离态存在，起溶剂作用。
      • 水：多数以水化物的形式结合在蛋白质和其他大分子表面的极性部位
      • 蛋白质：包括水溶性蛋白质，并不是以溶解状态存在的，而是与细胞质骨架结合
      • mRNA：在细胞中成区域性分布（原位杂交技术）
  • 细胞质基质的功能
    • 许多中间代谢过程都发生在细胞质基质中。
    • 细胞质基质是蛋白质和脂肪酸合成的重要场所。
    • 细胞质基质另一方面的功能与细胞质骨架相关。
    • 细胞质基质含与蛋白质的翻译后修饰和选择性降解等方面有关。
      • 蛋白质的修饰。
        • 绝大多数的修饰是由专一的酶作用于蛋白质侧链特定位点上
        • 辅酶或辅基与酶的结合。
        • 磷酸化（蛋白激酶）与去磷酸化（磷酸酶）。
        • 蛋白质糖基化作用。
        • 甲基化修饰。
        • 酰基化。
      • 控制蛋白质的寿命（细胞中的蛋白质处于不断地降解与更新的过程）。
        • 决定蛋白质寿命的信号
          • 蛋白质N端的第一个氨基酸残基
        • 蛋白质的降解途径
          • 蛋白质酶体
            • 结构
              • 大分子复合体，约50种亚基组成，分子质量2000~2400kDa。
            • 功能
              • 具有蛋白酶的活性
              • 被誉为细胞内蛋白质破碎机
          • 泛素化
            • 泛素
              • 由76个氨基酸残基组成的小分子球蛋白
              • 具有热稳定性，普遍存在于真核生物中
            • 泛素化过程
              • 共价结合到赖氨酸残基上（往往决定所产生的生理效应）
              • 相关酶
                • 泛素活化酶（E1)、泛素结合酶（E2,又称泛素载体蛋白）、泛素连接酶（E3)
              • 过程
              • 生理意义
          • 生物学功能：蛋白质质量监控、影响细胞代谢、信号传导、受体调整、免疫反应、细胞周期调控、转录调节、DNA修复等
      • 帮助变性或错误折叠的蛋白质正确折叠。
        • 主要靠热激蛋白来完成，热激蛋白是一类演化上高度保守的蛋白质家族，作为分子伴侣而发挥多种作用。大多是是组成型表达和执行多种功能
• 细胞内膜系统及其功能
  • 内质网的结构与功能
    • 定义
      • 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，内质网由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包背的枪所形成互相连通的三维网状结构。真核细胞最大的膜性细胞器
      • 差异大
      • 功能概述
      • 微粒体
    • 内质网的两种基本类型。
      • 核膜
      • 延伸到细胞内的外周内质网（ER）
        • 糙面内质网（片层状内质网）。
          • 多呈扁囊状，排列较为整齐。其膜表面具有大量的核糖体。
          • 是内质网与核糖体共同形成的复合技能结构，其主要功能是合成分泌性蛋白和多种膜蛋白。因此在分泌活动旺盛的细胞中糙面内质网非常发达，而在一些未分化的细胞与肿瘤细胞中则较为稀少。
          • 移位子
        • 光面内质网（管状内质网）。
          • 常为分支管状，形成较为复杂的三维结构，表面通常无核糖体附着。
          • 是脂类合成的重要场所。细胞中几乎不含有纯的光面内质网，其作为内质网的连续结构的一部分。脂质合成、信号转导、与其他细胞器的相互作用。所占区域较小，往往为出芽位点，将内质网合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。
    • 内质网是连续的整体结构，为什么粗糙面/光面的蛋白质差异大
      • 内质网于核膜同源
      • 光面-高尔基体 粗面-线粒体
      • 内质网分布与微管走向一致
    • 内质网的功能。
      • 糙面内质网与蛋白质的合成。
        • 细胞内蛋白质的合成都起始于细胞质基质中的游离核糖体。
          • 有些蛋白质刚其实合成不久便转移至内质网膜上，继续肽链延伸并完成蛋白质合成。在侧面内质网上多肽链边延伸边穿过内质网膜进入腔内。
        • 内质网对外界因素敏感
      • 光面内质网与脂质的合成。
        • 1参与脂质合成与运输
        • 2参与糖原代谢
        • 3是肝细胞细胞解毒的主要场所
        • 4是肌细胞Ca2+的储存场所
        • 5与胃酸、胆汁的合成与分泌密切相关
      • 蛋白质的修饰与加工。
        • 发生在内质网和高尔基体的糖基化修饰。糖基转移酶
          • N-连接的糖基化
            • 天冬酰胺残基 N-乙酰葡糖胺 内质网
          • O-连接的糖基化
            • 丝氨酸/苏氨酸残基 N-乙酰半乳糖胺 高尔基体
        • 酰基化
        • 羟基化
        • 在内质网腔内形成二硫键。
          • 半胱氨酸残基形成二硫键
          • 蛋白二硫键异构酶（四肽驻留信号KDEL/HDEL）切断异常二硫键
        • 蛋白质的折叠和装配。
          • 错误折叠
            • 正确折叠和转运的蛋白质减少，无法保障功能需求，即功能丢失
            • 错误折叠的蛋白质可以获得异常的功能
          • 防止错误折叠
            • 结合蛋白BiP 四肽驻留信号（KDEL/HDEL），保证滞留在内质网中，维持高浓度
        • 在内质网高尔基体和分泌泡发生特异性的蛋白质水解切割。
      • 新生多肽的折叠与组装。
      • 内质网的其他功能。
        • 肝细胞中的光面内质网中含有一些酶介导氧化、还原和水解反应，使脂溶性的毒物转变成水溶性物质而被排出体外，此过程称为肝细胞的解毒作用。
    • 凋亡。内质网应激及其信号调控。
      • 未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。SREBP
      • ERS反应引发的细胞凋亡。
  • 高尔基体的形态结构与功能
    • 高尔基体的形态结构与极性。
      • 形态结构
        • 由排列较为整齐的 扁平膜囊堆叠而 成,扁平膜囊多呈 弓形或半球形。
          • 顺面网状结构（CGN）
            • 是中间多孔而连续分枝状、CGN膜厚约6nm,比高尔基体其他部位略薄,但与内质 网膜厚度接近。
            • KDEL序列
          • 顺面膜囊
            • 顺面膜囊位于高尔基体顺面外侧,顺面网状结构与之相连。
          • 中间膜囊
            • 位于顺面膜囊与反面膜囊之间,由扁平膜囊与管道组成,形成不同间隔,但功能上是 连续的,完整的膜囊体系。
          • 反面膜囊
            • 位于高尔基体反面外侧,反面网状结构与之相连。
          • 反面网状结构（TGN）
            • 外侧伸入反面侧细胞质中,形态呈管网状,TGN内pH可能比高尔基体其他部位低，蛋白质包装分选的关键枢纽
      • 极性
        • 4种标志细胞化学反应
          • 1.嗜饿反应（高尔基体顺面的标志反应）
          • 2.焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应（反面）
          • 3.胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)和酸性磷酸酶的细胞化学反应（CMP也是溶酶体的标志酶）
          • 4.烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应（高尔基体中间几层扁平囊的标志反应）
        • 顺面并非总是凸面
        • 两种假说（高度动态，大分子却有序转移）
          • 膜泡运输模型
          • 膜囊成熟模型
    • 高尔基体的功能。
      • 高尔基体与细胞的分泌活动。
        • 溶酶体酶的包装与分选途径
          • 具有6-磷酸甘露糖(M6P)标记的溶酶体酶与相应受体结合,通过出芽方式形成网格蛋白/AP包被膜泡,再转运至晚期内体，在这里溶酶体酶(M6P残基）与膜受体分离，受体再返回，溶酶体酶被释放到溶酶体。M6P溶酶体酶分选包装的指导信号
            • 高尔基体进一步N-连接修饰 局部浓缩
            • 溶酶体酶分选特例
        • 调节信号来自胞外
          • 调节型分泌
        • 调节信号来自胞内
          • 组成型分泌
      • 蛋白质的糖基化及其修饰。
        • 寡糖链的合成与修饰没有模板
        • 真核生物普遍存在的蛋白质糖基化生理功能
          • 糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进蛋白质折叠和增强蛋白质稳定性的作用
          • 蛋白质糖基化修饰使不同蛋白携带不同的标记，以利于在高尔基体进行分选与包装，同时保证糖蛋白从糙面内质网至高尔基体膜囊单向转移
          • 负责糖链合成和加工的酶类均由严格意义上的管家基因编码。寡糖链可与另一个凝集素之间发生特异性相互作用，直接介导细胞间双向通信、或参与分化、发育等多种过程
          • 多羟基糖侧链还可能影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质
          • 参与机体细胞间识别，以及宿主细胞与病原微生物之间的识别
          • 寡糖链具有刚性，限制其他大分子接近细胞表面的膜蛋白，是真核细胞的祖先具有保护性的外被，却又不想细胞壁一样限制细胞的形状
        • 所有的N-连接的寡糖链都有一个共同的前体,在糙面内质网以及在通过高尔基体各 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-连接的寡糖链都含有2个N-乙酰葡糖胺和3个甘露糖残基
        • O-连接的糖基化
        • 加工所用的酶都是整合膜蛋白
        • 糖蛋白：蛋白聚糖
          • 与O-连接寡糖不同，与丝氨酸羟基结合的是木糖
      • 植物细胞中，高尔基体合成和分泌多糖
      • 蛋白酶的水解和其他加工过程。
        • 水解
          • 概述
          • 分类
        • 硫酸化作用
  • 溶酶体的结构与功能
    • 溶酶体的形态结构与类型。
      • 形态结构
        • 共同特性:大量酸性水解酶
          • 1.是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器；2.酸性磷酸酶是标志酶； 3.溶酶体膜上有两种高度糖基化的穿膜整合蛋白lgpA和lgpB；4.溶酶体膜上有质子泵。
        • 异质性
          • 溶酶体的形态大小、数量 分布、生理生化性质等可 能有很大不同
        • 溶酶体膜糖蛋白家族具有高度同源性
      • 类型
        • 生理功能的不同阶段
          • 初级溶酶体
          • 次级溶酶体
            • 1自噬溶酶体 2异噬溶酶体
          • 残质体
        • 按形成过程
          • 1.内体性溶酶体 2.吞噬性溶酶体
    • 溶酶体的功能。
      • 消化由胞吞作用进入细胞的内容物。
      • 细胞自噬与生物大分子、损伤的细胞器的降解。
        • 分类
        • 自噬相关基因
      • 防御功能。
    • 溶酶体的发生。
      • 溶酶体酶
        • 溶酶体酶是在糙面内质网上合成并经过N-连接的糖基化修饰,然后被转运到高尔基体,在高尔基体的顺面膜囊种的寡糖链上的甘露糖残基被磷酸化形成M6P,并于存在与高尔基体的反面膜工和转运:形成网格蛋白/AP包被膜泡转运到溶酶体中。
      • 溶酶体酶甘露糖残基磷酸化
      • 溶酶体酶局部浓缩与分离的解释
    • 分泌到细胞外的溶酶体酶
    • 分泌溶酶体
    • 溶酶体与疾病。
      • 遗传缺陷,己糖胺酶A的先天性缺失
        • 泰-萨克斯病
      • N-乙酰氨基葡糖磷酸转移酶缺乏
        • I细胞病
      • 溶酶体水解酶类外溢
        • 硅肺、类风湿性关节炎
    • 过氧化物酶体。
      • 过氧化物酶体与溶酶体的区别。
        • 与溶酶体完全不同
        • 识别标志酶:高浓度的尿酸氧化酶(晶体状结构)
      • 过氧化物酶体的功能。
        • 异质性
          • 酵母:氧化甲醇,
          • 降解生物大分子
      • 过氧化物酶体的发生。
        • 主要在细胞质基质中合成，然后分选转运到过氧化物酶体中
          • 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细胞器;
          • 二是在细胞内从头开始组装。