细胞基质与内膜系统

这是一个关于细胞基质与内膜系统的思维导图：对内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后定向转运内质网合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位转运高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂。

细胞基质与内膜系统

• 细胞质基质及其功能
  • 主要成分
    • 酶
    • 细胞质骨架结构
      • 作用：一种高度有序的体系，细胞质骨架纤维贯穿其中，起重要的组织作用。
  • 功能
    • 细胞质骨架相关的功能
      • 与维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等过程相关
      • 细胞结构体系的组织者，为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点
    • 蛋白质的合成、及完成各种中间代谢过程
      • 糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原的合成与部分分解过程
      • 蛋白质合成和脂肪酸合成的场所
    • 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解
      • 蛋白质的修饰
      • 控制蛋白质的寿命
      • 降解变性和错误折叠的蛋白质
      • 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
• 细胞内膜系统及其功能
  • 概念：是指细胞内在结构、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。
    • 生物学意义
      • 形成了一些特定的功能区域和微环境 (细胞内功能分化)
      • 动态性质：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监控机制，维系其系统的动态平衡。
  • 组成：主要由内质网、高尔基体、溶酶体、液泡、胞内体、分泌胞等膜结合细胞器
    • 内质网
      • 形态：ER 由封闭的膜系统及其形成的腔构成的相互沟通的网状结构。它从核膜延伸至细胞质中，靠近细胞质内侧。ER的膜占细胞膜系统的一半。所包围的体积占细胞总体积的10%
      • 微粒体
        • 细胞匀浆等人工过程，破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，其生化性质与内质网相似。
      • 与其它细胞器的关系：与核膜连成一体，内质网腔与核周隙相通，外核膜也附着大量核糖体
        • 光面内质网（SER）合成脂类，Ca2+浓度调节，有机物的解毒。 粗面内质网（RER）合成蛋白质（分泌性的蛋白质、多种膜蛋白、细胞器中驻留蛋白），加工和修饰蛋白质。
        • 内质网对外界因素（如射线、化学毒物、病毒等）的作用非常敏感
      • 功能：蛋白质的合成，蛋白质的修饰和加工，新生多肽的折叠与组装，脂质的合成，Ca2+的储存，固醇类激素合成，肝细胞的解毒作用
        • 1. 蛋白质的合成
          • 粗面内质网上,膜结合核糖体,合成分泌蛋白、膜蛋白、细胞器中可溶性驻留蛋白。
          • 细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中。
        • 2. 蛋白质的修饰和加工
          • 修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等； 在内质网腔中。
            • 糖基化： 发生在ER腔面，是在糖基转移酶作用下
            • 酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸→Cys
        • 3. 新生肽的折叠与组装
          • （1）正确折叠涉及驻留蛋白：二硫键异构酶（PDI）切断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态
          • （2）结合蛋白（Binding protein，Bip，chaperone）识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配；防止新合成蛋白变性和断裂。
          • （3） 不能正确折叠的蛋白，通过Sec61p复合体转至细胞质基质，泛素依赖性途径被蛋白酶体降解
        • 4.光面内质网与脂质的合成
          • ER合成细胞所需几乎全部的膜脂（包括磷脂和胆固醇）
          • 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；合成后很快转向内质网腔面 (转位酶flippase)
          • 磷脂的转运:出芽( budding)：ER→GC、Ly、PM 。载体蛋白磷脂转换酶(PEP）：磷脂分子+PEP→细胞质基质→靶膜。膜与膜接触，转运
        • 5.其它功能
          • 糖原分解与游离葡萄糖释放，葡萄糖-6-磷酸酶 (标志酶)
          • 解毒作用:光面内质网含有丰富的氧化酶系统(如细胞色素P450、NADH细胞色素C还原酶等)能使许多有害物质解毒,转化为易于排出的物质。药物苯巴比妥可刺激与解毒有关的酶的大量合成
          • Ca2+离子浓度的调节作用: Ca2+储存库,参与信号传导
      • 内质网应激及其信号调控
        • 内质网应激（ ERS ）反应
          • ERS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。
            • 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：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。
            • 是一个存活程序和凋亡程序同时被激活的过程： ERS机制事关细胞生死抉择。1.应激调整细胞稳态、修复。2.启动凋亡来处理不能修复的损伤
            • ERS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）
    • 高尔基体
      • 形态结构与组成
        • 顺面膜囊与顺面管网状结构(cis-Golgi network, CGN) 中间膜囊 (medial cisternae) 高尔基反面膜囊与反面管网状结构(trans Golji network,TGN)
      • 极性
        • 形态学极性：有一定的位置与方向，物质运输的方向 生化极性：各层膜囊特性不同
      • 功能
        • 是细胞内大分子加工、转运的枢纽
          • 对内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后定向转运 内质网合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位转运 高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂
        • 在蛋白质进行加工、分类、包装、转运中的作用
          • 蛋白质分选运输及与细胞的分泌活动（运输） 蛋白质的修饰（糖基化） 蛋白质的水解与其他加工活动
            • 蛋白质分选运输及与细胞的分泌活动
              • 接收ER运输到高尔基体内侧的物质 ER蛋白的逆向运输 高尔基体内侧到高尔基体外侧运输与细胞的分泌活动
                • 发生在高尔基体CGN区的蛋白质分选途径
                • 发生在高尔基体TGN区的蛋白质分选途径
                  • • 溶酶体酶的包装与分选途径——甘露糖-6-磷酸（M6P）标记
            • 蛋白质的糖基化
              • 高尔基体：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白
                • O-连接的糖基化：将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上。
                • N-连接的寡聚糖进一步加工： 内质网上：磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天冬酰胺（Asn）上
              • 生物学意义
                • 糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进蛋白质折叠和增强糖蛋白稳定性的作用
                • 蛋白质糖基化修饰使不同蛋白质携带不同的标志，以利于高尔基体进行分选与包装，保证糖蛋白从 rER 至高尔基体膜囊单向转移
                • 细胞内一些负责糖链合成与加工的酶类均由管家基因编码；细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，直接介导细胞间的双向通讯，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
            • 蛋白质在高尔基体中酶解加工
              • 无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体切除N-端或两端的序列成熟的多肽。
              • 蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。
              • 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物；同一种蛋白质前体不同细胞、以不同的方式加工不同的多肽
              • 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
        • 其他功能
          • 内质网合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位转运
          • 细胞内糖类合成的工厂
    • 溶酶体
      • 特性特征
        • 小球状,外面由单层膜包被 是一种异质性(heterogenous)的细胞器,呈小球状。大小变化很大，直径一般0.25～0.8μm，最大的可超过1μm,最小的直径只有25-50nm
        • 溶酶体含有多种酸性水解酶类，酶的最适pH 为5.0 左右 酸性磷酸酶是常用的标志酶 溶酶体膜成分特殊 ① 嵌有质子泵 ② 具有多种载体蛋白，用于水解产物向外转运 ③ 膜蛋白高度糖基化 次级溶酶体分为自噬溶酶体和异噬溶酶体
      • 类型
        • 初级溶酶体
        • 次级溶酶体
        • 后溶酶体
      • 功能
        • 消化由胞吞作用进入细胞的内容物
          • 消化作用的3条途径：内吞作用、吞噬作用和自噬作用
        • 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
        • 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（与吞噬作用相关）
        • 其它的生理功能 消化后提供营养 胚胎发育和形态建成 受精作用(fertilization)
      • 溶酶体的生物发生
    • 过氧化物酶体
      • 特征：由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器。
      • 与溶酶体的区别
        • 过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征。且通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体
      • 酶类
        • 氧化酶(oxidases) 依赖于黄素(FDA)的氧化酶（直接利用分子氧）
          • 过氧化氢酶 是过氧化物酶体的标志酶 约占过氧化物酶体酶总量的40% 作用是将过氧化氢分解成水
      • 功能
        • 动物细胞
          • .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。
          • 肝细胞或肾细胞中，它可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用，例如饮酒后几乎半数的酒精是在过氧化物酶体中被氧化成乙醛的乙醛。
        • 植物细胞
          • 它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应； 乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸 乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。
      • 生物发生
        • ①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
          • ②过氧化物酶体的膜蛋白掺入，形成过氧化物酶体雏形
            • ③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经分裂产生子代过氧化物酶体
• 溶酶体酶的识别与加工