细胞生物学，细胞质基质

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中心主题

• 细胞质基质及其功能
  • 细胞质基质涵义
    • 重要性
      • 细胞与环境，细胞质与细胞核，以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等都通过细胞质基质来完成，很多重要中间代谢反应也发生在细胞质基质中
    • 分离
      • 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、细胞质膜等细胞器&细胞结构，存留在上清液中的主要是细胞质基质（胞质溶胶）
    • 高度有序
      • 细胞质骨架纤维贯穿其中，起重要的组织作用，多数蛋白质直接或间接与细胞骨架结合，或与生物膜结合，周围吸附了多种分子，从不同程度影响和改变微环境的某些物理性质
  • 细胞质基质功能
    • 许多中间代谢过程发生在细胞质基质中
    • 蛋白质和脂肪酸合成的重要场所
    • 细胞骨架
      • 维持细胞的形态、运动、物质运输、能量传递
      • 细胞结构体系的组织者，为细胞质基质中其他成分&细胞器提供锚定位点
    • 蛋白质的翻译后修饰&选择性降解
      • 蛋白质的修饰
        • 绝大多数修饰都由专一的酶作用于蛋白质侧链特定位点上
        • 类型
          • 辅酶或辅基与酶结合
          • 磷酸化与去磷酸化
            • 分别由蛋白激酶&磷酸酶催化，以快速调节细胞内多种蛋白质的生物活性
            • 可被磷酸化的蛋白质氨基酸残基主要包括酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸
            • 影响细胞信号调控级联反应&基因转录活性
          • 蛋白质糖基化作用
            • 主要发生在内质网和高尔基体中，哺乳动物的细胞质基质中发生的糖基化主要是把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
            • 很多细胞骨架蛋白N端发生甲基化修饰，以防被细胞内蛋白水解酶识别降解，使蛋白质在细胞中维持较长寿命
            • 组蛋白甲基化修饰（与基因的表达调控有关）在细胞内由特异性的甲基转移酶催化，包括精氨酸甲基化&赖氨酸甲基化
          • 酰基化
            • 内质网上合成的跨膜蛋白在通过内质网和高尔基体的转运过程中，由不同酶催化软脂酸链共价连接到某些跨膜蛋白暴露在细胞质基质侧的结构域上
            • 如Src基因和Ras基因这类癌基因的表达产物上，酶识别蛋白中的信号序列将脂肪酸链共价结合到蛋白质特定位点上
      • 控制蛋白质寿命
        • 细胞中的蛋白质处于不断降解与更新的动态平衡中，通过改变合成速度就可以控制其浓度，从而发挥调节代谢途径或细胞生长与分裂的作用
        • 在蛋白质分子的氨基酸序列中，既含有决定蛋白质定位和功能的靶向信号和修饰信号，还含有决定蛋白质寿命的信号（存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基）
          • N端第一个氨基酸是Met,Ser,Thr,Ala,Val,Cys,Gly或Pro，则蛋白质稳定
          • 若是其他氨基酸，往往不稳定
        • 真核细胞的细胞质基质中，有一种识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制，即泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径
          • 多种生物学功能：蛋白质质量监控、影响细胞代谢、信号转导、受体调整、免疫反应、细胞周期调控、转录调节&DNA修复等
          • 蛋白酶体是细胞内降解蛋白质的大分子复合体，具有蛋白酶活性，其功能可誉为细胞内蛋白质破碎机
          • 泛素（由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白球）具热稳定性，普遍存在于真核细胞中
            • 蛋白质泛素化需要的酶复合体
              • 泛素活化酶E1
              • 泛素连接酶E3
              • 泛素结合酶E2
            • 过程
              • E1形成酰基-腺苷酸中介物使泛素分子C端被激活（需要ATP）
                • 转移活化的泛素分子与E2的半胱氨酸残基结合
                  • 与E2 结合的泛素羧基和靶蛋白赖氨酸侧链的氨基之间形成异肽键（E3催化）
            • 意义
              • 清除错误折叠和需要进行存量调控的蛋白质，对细胞周期调控、DNA修复、细胞生长、免疫功能等都有重要调控作用
      • 帮助变性和错误折叠蛋白正确折叠
        • 热激蛋白（Hsp100、Hsp90、Hsp70、Hsp60&小分子Hsp家族）
• 细胞内膜系统及功能
  • 内质网
    • 真核细胞中最普遍且形态多变、适应性最强的细胞器之一
    • 结构
      • 由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔所形成互相连通的三维网络结构
      • 包括核膜&延伸到细胞质内的外周内质网
    • 基本类型（依据外周内质网形态）
      • 片层状内质网（糙面）
        • 形态
          • 多呈扁囊状，排列较为整齐，膜面上附有大量核糖体
        • 功能
          • 合成分泌性蛋白和多种膜蛋白
      • 管状内质网（光面）
        • 形态
          • 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
        • 功能
          • 脂质合成、信号转导、与其他细胞器相互作用
    • 功能
      • 糙面内质网与蛋白质的合成
        • 分泌性蛋白（细胞外基质组分、抗体和多肽类激素等）
        • 可溶性驻留蛋白（内质网、高尔基体和溶酶体等细胞器腔内）
        • 跨膜蛋白
      • 光面内质网与脂质合成
        • 合成包括磷脂（主要是磷脂酰胆碱）和胆固醇在内的几乎全部膜脂
        • 所需三种酶都定位在内质网膜上，活性部位在膜的细胞质基质侧
        • 过程
          • 适用于卵磷脂及其它几种磷脂如磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇等
          • 第一步：增大膜面积
          • 第二步：确定新合成磷脂的种类
          • 第三步：由细胞质基质侧转向内质网腔面
            • 磷脂转位蛋白/转位酶：转位效率由磷脂种类决定，对丝氨酸、乙醇胺、肌醇的磷脂转位能力更强
            • 转运机制
              • 以出芽方式形成膜泡转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上
              • 凭借磷脂交换蛋白在供体膜与受体膜之间转移磷脂
              • 供体膜与受体膜之间通过膜嵌入蛋白所介导的直接接触
      • 蛋白质的修饰和加工
        • 发生在内质网和高尔基体的糖基化修饰
          • 蛋白质糖基化
            • 作用
              • 影响蛋白质折叠、分选和定位，糖链结构不同还会影响蛋白质的半寿期和降解
            • 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上形成糖蛋白的过程
            • 类型
              • N-连接的糖基化
        • 在内质网腔形成二硫键
        • 蛋白质的折叠和装配
        • 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