《细胞生物学》第七章：细胞质基质与内膜系统

根据邹方东版《细胞生物学》整理，下图为第七章相关知识总结。

细胞质基质与内膜系统

• 细胞内膜系统及其功能
  • 内质网(endoplasmic reticulum，ER)
    • 蛋白质合成是糙面内质网的主要功能
      • 分泌蛋白
      • 膜整合蛋白
      • 细胞器中可溶性驻留蛋白
    • 光面内质网是脂质合成的重要场所
      • 几乎全部的膜脂，包括最重要的磷脂，即磷脂酰胆碱（卵磷脂，PC）
      • 合成磷脂所需要的3种酶都定位在光面内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基质一侧
      • 合成磷脂过程需要借助一种磷脂转位因子或称转位酶的帮助，由细胞质基质转向内质网腔面
      • 合成的磷脂由内质网向其他膜的转运主要有 3 种可能机制
        • 以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上
        • 凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂交换蛋白（PEP）在膜之间转移磷脂
        • 供体膜和受体之间通过膜嵌入蛋白介导
    • 蛋白质的修饰与加工
      • 糖基化（内质网和高尔基体）
        • 糖基化是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程
          • 糖与蛋白的连接有两种方式
            • N-连接的糖基化
            • O-连接的糖基化
      • 二硫键形成（内质网）
      • 蛋白质折叠和多亚基蛋白的装配
      • 特异性蛋白水解、切割（分泌泡、内质网和高尔基体）
    • 新生多肽的折叠与组装
      • 多数情况下需要分子伴侣（molecular chaperone）帮助
        • 分子伴侣被认为是一类与其他蛋白不稳定构象相结合并使之稳定的蛋白，它们 通过控制结合和释放来帮助多肽在体内的折叠、组装、转运或降解等
    • 其他功能
      • 肝细胞中的光面内质网很丰富，是合成外输性脂蛋白颗粒的基地，其中含有的一些酶，可用以清除脂溶性的废物和代谢产生的有害物质，因为光面内质网具有解毒功能
      • 肌细胞中含有发达的特化的光面内质网，可形成一个十分精致的网络状结构系统，称为肌质网（sarcoplasmic reticulum），参与肌肉的收缩活动
  • 高尔基体(Golgi body)
    • 高尔基体的形态结构与极性
      • 顺面膜囊或顺面网状结构
        • 接受来自内质网合成的物质，并将其分类后转入高尔基体中间膜囊，少部分蛋白质和脂类再返回内质网。返回内质网的蛋白质具有 KDEL（或 HDEL）信号序列，它是内质网驻留蛋白特有的信号序列
      • 中间膜囊
        • 多数糖基修饰与加工、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成
      • 反面膜囊以及反面网状结构
        • 蛋白质分选的枢纽区，同时也 是蛋白质包装形成网格蛋白/AP 包被膜泡的重要发源地之一
    • 高尔基体的功能
      • 高尔基体与蛋白质分选及细胞的分泌活动
        • 高尔基体的分选至少有 3 条途径：①溶酶体酶的包装与分选途径；②可调节性分泌途径；③组成型分泌途径
      • 蛋白质的糖基化及其修饰
        • O-连接糖蛋白的糖链全部是在高尔基复合体内合成的
        • N-连接的寡糖蛋白的合成开始在粗面内质网腔内，后转运到高尔基复合体后要进行一系列精确的修饰
      • 蛋白酶水解和其他加工过程
  • 溶酶体(lysosome)
    • 溶酶体的形态结构与类型
      • 单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器
      • 异质性的细胞器，不同的溶酶体的形态大小、所含水解酶种类都有可能有很大不同
      • 分为初级溶酶体、次级溶酶体和残质体三种类型
    • 溶酶体的功能
      • 主要功能是进行细胞内的消化作用
    • 溶酶体的发生
      • 依赖于 M6P 的溶酶体酶分选途径
        • 溶酶体酶是在糙面内质网上合成并经 N-连接的糖基化修饰，然后转至高尔基体，在高尔基体的顺面膜囊中寡糖链上的甘露糖残基发生磷酸化形成 M6P（甘露糖-6-磷酸）。在高尔基体的反面膜囊和 TGN 膜上存在 M6P 的受体，这样溶酶体的酶与其他蛋白区分开来，并得以浓缩，最后以出芽的方式运转到溶酶体中。
          • 溶酶体酶甘露糖残基的磷酸化先后由两种酶催化，一种是N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶，另 一 种 是 磷 酸 葡 萄 糖 苷 酶
      • 不依赖于 M6P 的溶酶体酶分选途径
  • 过氧化物酶体(peroxisome)
    • 过氧化物酶体与溶酶体的区别
      • 在酶的种类、功能和发生方式等方面都与溶酶体 有很大区别
      • 过氧化物酶体中的尿酸氧化酶形成的晶格状结构，可以作为电镜下识别的主要特征
    • 过氧化物酶体的功能
      • 真核细胞直接利用分子氧的细胞器
      • 常含有 2 种酶：①依赖黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成 H2O2；②过氧化氢酶，作用是将 H2O2 分解形成 H2O 和 O2。过氧化氢酶被认为是过氧化物酶体的标志酶
    • 过氧化物酶体的发生
      • 2条途径：（1）细胞内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。（2）在细胞内重新发生（de novo）：①装配起始于内质网，内质网芽生出前体膜泡，然后过氧化物酶体的膜蛋白掺入，形成雏形（peroxisomal ghost）；②具有PTS1和PTS2分选信号的基质蛋白输入过氧化物酶体；③成熟的过氧化物酶体再分裂产生子代过氧化物酶体
• 细胞质基质及其功能
  • 是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半
  • 细胞质基质与胞质溶胶
    • 细胞质基质在生化上称为胞质溶胶（cytosol）即细胞匀浆经超速离心除去所有细胞器和颗粒后的上清液部分
  • 细胞质基质的功能
    • 为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所
    • 与细胞骨架相关的功能
    • 与细胞膜相关的功能
    • 蛋白质修饰，蛋白质选择性降解等
      • 辅酶或辅基与酶的共价结合
      • 磷酸化与去磷酸化：用以调节很多蛋白质的生物活性
      • 糖基化：指在哺乳动物的细胞中把 N-乙酰葡萄糖胺分子（N-acetylglucosamine）加到蛋白质的丝氨酸残基的羟基上
      • 对某些蛋白质的 N 端进行甲基化修饰：使修饰过的蛋白质不易被细胞内的蛋白水解酶水解，从而使蛋白在细胞中维持较长的寿命
      • 酰基化
      • 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，这一功能主要靠热休克蛋白（heat shock protein，Hsp）来完成
      • 控制蛋白质的寿命：真核细胞中，识别蛋白质 N 端不稳定的氨基酸信号并准确地 将这种蛋白质降解，是依赖于泛素的降解途径
        • 在蛋白质降解过程中，多个泛素分子共价结合到含有不稳定氨基酸残基的蛋白的 N端，然后一种26S 的蛋白酶复合体或称蛋白酶体（proteasome）将蛋白质完全水解。蛋白泛素化的过程，需要 3 种酶的先后作用：泛素活化酶 E1，泛素结合酶 E2，泛素连接酶 E3
      • 降解变性和错误折叠的蛋白质
• 细胞骨架以及依赖于微管的马达蛋白（胞质动力蛋白和驱动蛋白）和依赖微丝的马达蛋白（肌球蛋白）在维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起着重要作用