南农 细胞生物学 4Word文档下载推荐.docx

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前一个反应的产物即为下一个反应的底物，二者间的空间距离仅为几个纳米，

在细胞质基质中，大分子之间都是通过弱键而相互作用的，并且常常处于动态平衡之中。

这种结构体系的维持只能在高浓度的蛋白质及其特定的离子环境的条件下实现。

一旦细胞破裂，甚至在稀释的溶液中，这种靠分子之间脆弱的相互作用而形成的结构体系就会遭到破坏。

这正是研究细胞质基质比研究其他细胞器困难的主要原因。

二、细胞质基质的功能

许多中间代谢过程都在细胞质基质中进行，如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原的合成与部分分解过程等等。

蛋白质的合成与脂肪酸的合成也在细胞质基质中进行。

这些代谢反应的具体生化步骤早已比较清楚，但对反应的底物和产物如何定向转运的机制还了解得不多。

细胞质基质另一方面的功能是与细胞质骨架相关的。

细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，与维持细胞的形态、运动、物质运输及能量传递有关，而且也是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。

细胞骨架的表面积比相同直径的球形细胞的表面积大60～120倍。

这样大的表面积限制了水分子的运动，在细胞质基质中形成了更为精细的区域，使生物大分子锚定在细胞骨架三维空间的特定区域。

使复杂的代谢反应高效而有序地进行，

除此之外，细胞质基质在蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解等方面也起着重要作用。

1．蛋白质的修饰

在细胞质基质中发生蛋白质修饰的类型主要有：

（1）辅酶或辅基与酶的共价结合。

（2）磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性。

（3）糖基化。

糖基化主要发生在内质网和高尔基体中，在细胞质基质中发现的糖基化是指在哺乳动物的细胞中把N—乙酰葡萄糖胺分子（N—acetyl-glu—cosamine）加到蛋白质的丝氨酸残基的羟基上。

（4）对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰。

这种修饰的蛋白质，如很多细胞骨架蛋白和组蛋白等，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。

（5）酰基化。

2．控制蛋白质的寿命

在蛋白质分子的氨基酸序列中，除了有决定蛋白质在细胞内定位的信号和与修饰作用有关的信号外，还有决定蛋白质寿命的信号。

这种信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基，若N端的第一个氨基酸是Met（甲硫氨酸）、Ser（丝氨酸）、Thr（苏氨酸）、Ala（丙氨酸）、Val（缬氨酸）、Cys（半胱氨酸）、Gly（甘氨酸）或Pro（脯氨酸），则蛋白质是稳定的；

如是其他12种氨基酸之一，则是不稳定的。

每种蛋白质开始合成时，N端的第一个氨基酸都是甲硫氨酸（细菌中为甲酰甲硫氨酸），但合成后不久便被特异的氨基肽酶水解除去，然后由氨酰—tRNA蛋白转移酶（aminoacyl-tRNA-proteintransferase）把一个信号氨基酸加到某些蛋白质的N端，最终在蛋白质的N端留下一个不稳定的或稳定的氨基酸残基。

在真核细胞的细胞质基质中，有一个很复杂的机制，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（ubiquitin-dependentpathway）。

泛素是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白，具有多种生物学功能。

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质的N端，然后一种26S的蛋白酶复合体或称蛋白酶体（proteosome）将蛋白质完全水解。

3．降解变性和错误折叠的蛋白质

细胞质基质中的变性蛋白、错误折叠的蛋白、含有被氧化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白，不管其N端氨基酸残基是否稳定，也常常很快被清除。

这种蛋白质的降解作用，可能由于畸形蛋白质暴露出来的氨基酸疏水基团，由此启动泛素对蛋白质N端第一个氨基酸残基的作用，被依赖于泛素的蛋白降解途径彻底水解。

4．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（heatshockprotein，Hsp或称stress-responseprotein）来完成。

在正常细胞中，热休克蛋白选择性地与畸形蛋白质结合形成聚合物，利用水解ATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解，并进一步折叠成正确构象的蛋白质。

第二节内质网

1945年，K.R.Porter等人在组织培养细胞中初次观察到细胞质的内质部分有网状结构，建议叫做内质网。

1954年，Palade和Porter等人证实内质网是由膜围绕的囊泡所组成。

内质网（endoplasmicreticulum，ER）是真核细胞中由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构。

通常占细胞膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的10％以上。

原核细胞内没有内质网，由细胞膜代行其某些类似的职能。

在不同类型的细胞中，内质网的数量、类型与形态差异很大。

同一细胞在不同发育阶段和不同的生理状态下，内质网的结构与功能也发生明显变化。

内质网大大增加了细胞内膜的表面积，为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点。

同时内质网形成的完整封闭体系，将内质网上合成的物质与细胞质基质中合成的物质分隔开来，更有利于它们的加工和运输。

内质网是蛋白质、脂质和糖类合成的基地，与细胞质基质中合成的有明显的不同。

一、内质网的两种基本类型

内质网可分为两种基本类型：

糙面内质网（roughendoplasmicreticulum，rER）和光面内质网（smoothendoplasmicreticulum，sER）。

糙面内质网多呈扁囊状，排列较为整齐，因在其膜表面分布着大量的核糖体而命名。

它是内质网与核糖体共同形成的复合机能结构，

其主要功能是合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白。

因此在分泌细胞（如胰腺腺泡细胞）和分泌抗体的浆细胞中，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。

表面没有核糖体结合的内质网称光面内质网。

光面内质网常为分支管状，形成较为复杂的立体结构。

光面内质网是脂质合成的重要场所，细胞中几乎不含有纯的光面内质网，它们只是作为内质网结构的一部分。

光面内质网所占的区域通常较小，往往作为出芽的位点，将内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体内。

在某些细胞中，光面内质网非常发达并具有特殊的功能，如合成固醇类激素的细胞及肝细胞等。

内质网膜上有一种称为易位子（translocon）的蛋白复合体，直径约8.5nm，中心有一个直径为2nm的“通道”，其功能与新合成的多肽进入内质网有关。

超微结构研究表明，向内折叠的细胞膜有时与内质网相连接，甚至有管道相通。

一些人认为在细胞进化过程中，内质网可能由细胞膜演化而来。

内质网膜常与外层核膜连接，而且外核膜有时也附着大量的核糖体。

这种结构上的联系反映内质网与核膜在发生上的同源关系。

二、内质网的功能

内质网是细胞内蛋白质与脂质合成的基地，几乎全部的脂质和多种重要的蛋白质都是在内质网上合成的。

1．蛋白质的合成

细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质之中。

有些蛋白质刚起始合成不久便转移至内质网膜上，继续进行蛋白质合成。

在糙面内质网上，多肽链一边延伸一边穿过内质网膜进入内质网腔中，以这类方式合成的蛋白质主要包括：

（1）向细胞外分泌的蛋白质

如胰腺细胞分泌的酶、浆细胞分泌的抗体、小肠杯状细胞分泌的粘蛋白（mucin）、内分泌腺分泌的多肽类激素以及胞外基质成分等。

这类蛋白质常以分泌泡的形式通过细胞的胞吐作用输送到细胞外。

（2）膜的整合蛋白

膜蛋白等都具有方向性，其方向性在内质网上合成时就已确定。

（3）构成细胞器中的可溶性驻留蛋白

2．脂质的合成

内质网合成构成细胞所需要的几乎全部的膜脂，其中最主要的是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。

合成磷脂所需要的3种酶都定位在内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基质一侧。

合成磷脂的底物是来自细胞质基质。

在内质网膜上合成的磷脂,几分钟后就由细胞质基质侧转向内质网腔面，其转位可能是借助一种磷脂转位因子（phospholipidtranslocator）或称转位酶（flippase）的帮助来完成的。

合成的磷脂由内质网向其他膜的转运主要有两种方式：

一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；

另一种方式是凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂转换蛋白（phospholipidexchangeproteins，PEP）在膜之间转移磷脂。

其转运模式是，首先PEP与磷脂分子结合形成水溶性的复合物,进入细胞质基质，通过自由扩散到缺少磷脂的靶膜，如线粒体或过氧化物酶体膜上。

PEP将磷脂释放出来，并安插在膜上.

3．蛋白质的修饰与加工

进入内质网中的蛋白质发生的主要化学修饰作用有糖基化、羟基化、酰基化与二硫键的形成等。

糖基化是内质网中最常见的蛋白质修饰，伴随着多肽合成同时进行。

在内质网腔面，插入膜内的磷酸多萜醇上连接有寡糖链，膜上的糖基转移酶（glycosyltransferase）能够将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的氨基酸残基上。

N—连接的糖基化:

寡糖基转移到天冬酰胺残基上称为N—连接的糖基化（N—linkedglycosy—lation），与天冬酰胺直接结合的糖都是N—乙酰葡萄糖胺。

O—连接的糖基化:

主要发生在高尔基体中,糖基化是发生在丝氨酸或苏氨酸残基上，也可能发生在羟赖氨酸或羟脯氨酸上（如胶原蛋白），称O—连接的糖基化（O—linkedglycosylation），与之直接结合的糖是N—乙酰半乳糖胺。

其过程尚不完全了解。

酰基化发生在内质网的胞质侧，通常是软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上。

4．新生多肽的折叠与装配

肽链的合成仅需要几十秒钟至几分钟，而新合成的多肽在内质网停留的时间往往长达几十分钟。

不同的蛋白质在内质网停留的时间长短不一，这在很大程度上取决于蛋白正确折叠所需要的时间。

不能正确折叠的畸形肽链或未装配成寡聚体的蛋白质亚单位，一般都不能进入高尔基体。

这类多肽一旦被识别，便从内质网腔转至细胞质基质，进而被蛋白酶体所降解。

它们的半寿期约为20～30min，有些只有5min。

在内质网狭小的腔隙中常常同时有多种蛋白质。

侧链基团之间极易形成二硫键，对肽链的正确折叠带来了很大困难。

内质网中有一种蛋白二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase），它附着在内质网膜腔面上，可以切断二硫键，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。

这种酶的存在大大加快了正确折叠的过程。

折叠好的蛋白质，内部往往有个疏水的核心，未折叠的蛋白质由于疏水核心的外露，即使在很低的浓度下，也很容易发生聚集，甚至与其他未折叠的蛋白形成复合物。

内质网含有一种结合蛋白（bindingprotein，Bip），可以识别不正确折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与装配。

一旦这些蛋白形成正确构象或装配完成，便与Bip分离，进入高尔基体。

蛋白二硫键异构酶和Bip等蛋白都具有4肽信号（KDEL或HDEL）以保证它们滞留在内质网中，并维持很高的浓度。

最近证明Bip属于热休克蛋白70家族的新成员，遍布在细胞内质网中。

它们在进化上非常保守。

5．内质网的其他功能

一般细胞中，光面内质网所占比例很小，但在某些细胞中非常发达。

肝细胞中的光面内质网很丰富，它是合成外输性脂蛋白颗粒的基地。

肝细胞中的光面内质网中还含有一些酶，用以清除脂溶性的废物和代谢产生的有害物质，因而光面内质网具有解毒功能。

某些药物如苯巴比妥（phenobarbit01）进人体内，肝细胞中与解毒反应有关的酶便大量合成，几天之中光面内质网的面积成倍增加。

一旦毒物消失，多余的光面内质网也随之被溶酶体消化，5天内又恢复到原来的大小。

在某些合成固醇类激素的细胞如睾丸间质细胞中，光面内质网也非常丰富，其中含有制造胆固醇并进一步产生固醇类激素的一系列的酶。

肌细胞中含有发达的特化的光面内质网，称肌质网（sarcoplasmicreticu—lum）。

肌质网膜上的Ca2+—ATP酶将细胞质基质中的Ca2+泵人肌质网腔中，储存起来。

当受到神经冲动刺激后，Ca2+释放出来，肌肉收缩。

在多数真核细胞中，内质网具有储存Ca2’的功能，细胞外的信号物质也可引起Ca2+向细胞质基质中释放。

三、内质网与基因表达的调控

大量多种蛋白需要在内质网中折叠、装配、加工、包装及向高尔基体转运。

这一过程显然是需要有一个精确调控的过程。

最近发现至少有三种不同的内质网---细胞核的信号转导途径,其中涉及到一系列信号转倒分子,最终调节细胞核内特异基因的表达：

1．内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。

2．折叠好的膜蛋白的超量积累。

3．内质网膜上膜脂成分的变化——主要是固醇缺乏。

这些变化将通过不同的信号转导途径诱导不同的基因活化，最终细胞表现出相应的对策，如启动未活化固醇合成相关的基因等，以保证内质网正常行使其功能。

第三节高尔基复合体

高尔基体（Golgibody）又称高尔基器（Golgiapparatus）或高尔基复合体（Golicomplex），是比较普遍地存在于真核细胞内的一种细胞器。

1898年，意大利医生CamilloGolgi首次在神经细胞内观察到一种网状结构，命名为内网器（internalreticularapparatus）。

后来在很多细胞中相继发现了类似的结构并称之为高尔基体。

高尔基体从发现至今已有百年历史，其中一半以上的时间对它是否真实存在的争论。

20世纪50年代以后随着电子显微镜技术的应用和超薄切片技术的发展，才证实了高尔基体的存在。

高尔基体是由大小不一、形态多变的囊泡体系组成，在不同的细胞中，甚至细胞生长的不同阶段都有很大的区别。

有时不易辨认，而且更难分离与纯化，再加上一般动物细胞中数目较少，因此对高尔基体的结构与功能的研究，一直是细胞生物学家面临的挑战性难题之一。

一、高尔基体的形态结构

高尔基体的主体结构由一些（常常4～8个）排列较为整齐的扁平膜囊（saccules）堆叠在一起构成。

扁囊多呈弓形，也有的呈半球形或球形。

膜囊周围又有大量的大小不等的囊泡结构。

扁囊的直径多在1μm左右，中间囊腔较窄，周缘多呈泡状，每层扁囊之间的距离约15～30nm。

在不同细胞中扁囊的数目差异很大，少至1-2个，多至十几个。

高尔基体是一种有极性的细胞器，它在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出，每层膜囊也各不相同。

高尔基体靠近细胞核的一面，扁囊弯曲成凸面又称形成面（formingface）或顺面（cisface），面向细胞膜的一面常呈凹面（concave）又称成熟面（matureface）或反面（transface）。

根据高尔基体的各部分膜囊特有的成分，可用电镜细胞化学的方法对高尔基体的结构成分作进一步的分析。

常用的4种标志细胞化学反应是：

（1）嗜锇反应，经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色。

（2）焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）的细胞化学反应，可特异地显示高尔基体的trans面的1～2层膜囊。

（3）胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）的细胞化学反应，常常可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶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，是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应。

高尔基体的各种标志反应不仅有助于对高尔基体结构与功能的深入了解，而且可以用来更准确地鉴别高尔基体的极性。

目前多数学者认为，高尔基体至少由互相联系的4个部分组成，每一部分又可能划分出更精细的间隔。

高尔基体各个膜囊之间均由膜性结构连在一起

1．高尔基体顺面膜囊（cisGolgi）或顺面网状结构（cisGolginetwork，CGN）

位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，又称cis膜囊，是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。

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。

一般认为，CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂质再返回内质网。

返回内质网的蛋白质具有KDEL（或HDEL）这一信号序列，它是驻留在内质网内蛋白的特有序列。

CGN区域还可能具有其他生物活性，如蛋白丝氨酸残基发生O—连接的糖基化；

跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；

。

2．高尔基体中间膜囊（medialGolgi）

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。

多数糖基化修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊中。

扁平膜囊特殊的形态使其具有很大的膜表面，从而大大增加了进行糖的合成与修饰的有效面积。

3．高尔基体反面的膜囊（transGolgi）以及反面高尔基体网状结构（transGolginetwork，TGN）

TGN位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸人反面的细胞质中，形态呈管网状，并有囊泡与之相连。

在不同的细胞中，TGN的形态结构有很大的区别。

与高尔基体的其他结构相比，TGN的形态是处于不断的动态变化之中。

TGN的主要功能是参与蛋白质的分类与包装，最后从高尔基体中输出，某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN中，如半乳糖（α）2，6位的唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工作用等。

有人认为TGN在蛋白质与脂质的转运过程中还起到“瓣膜”的作用，保证这些物质向单方向转运。

在高尔基体的周围常常有大小不等的囊泡。

顺面一侧的囊泡可能是内质网与高尔基体之间的物质运输小泡，称之为ERGIC（endoplasmicreticulum-Golgiintermediatecompartment），或称VTCs（Vesicular-tubularclusters）。

反面一侧可以见到体积较大的分泌泡与分泌颗粒，将经过高尔基体分类与包装的物质运送到细胞特定的部位。

高尔基体周围另一些囊泡推测是膜囊周缘膨大部分出芽形成的，它们可能负责膜囊之间的物质运输。

二、高尔基体的功能

高尔基体是细胞内大分子运输的一个主要交通枢纽:

高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。

内质网上合成的脂质一部分也要通过高尔基体向细胞膜和溶酶体膜等部位运输，此外高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂。

1．细胞的分泌活动

20世纪70年代初，Caro用3H—亮氨酸对胰腺的腺泡细胞进行脉冲标记，发现在脉冲标记3min后，放射自显影银粒主要位于内质网；

20min后，银粒出现在高尔基体；

120min后则位于分泌泡并开始在顶端释放。

实验显示了分泌性蛋白在细胞内的合成与转运途径，其转运的过程是通过高尔基体来完成的，后来的研究进一步表明，除分泌性蛋白外，很多细胞膜上的膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶及胶原纤维等胞外基质成分都是通过高尔基体完成其定向转运过程。

那么高尔基体怎样完成对这些蛋白质的分类与转运功能呢?

溶酶体酶在高尔基体中的分选过程作为了解高尔基体功能的一个重要例子。

溶酶体中含有几十种酸性水解酶类，它们在内质网上合成后进人高尔基体。

在内质网上合成时发生了N—连接的糖基化修饰，即把一个寡糖链共价结合到溶酶体酶分子中的天冬酰氨残基上。

在高尔基体的顺面膜囊中存在N—乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶和N—乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶，在这两种酶的催化作用下，寡糖链中的甘露糖残基磷酸化产生6—磷酸甘露糖。

这种特异的反应，只发生在溶酶体的酶上，而不发生在其他的糖蛋白上。

溶酶体中所有的酶都有共同的标志。

就是6—磷酸甘露糖（M6P）。

在高尔基体反面的膜囊上结合着6—磷酸甘露糖的受体，受体特异的亲和力使溶酶体的酶与其他蛋白质分离并起到局部浓缩的作用。

上述溶酶体酶的分选途径仅仅是一个特例，况且也不是溶酶体酶唯一的途径。

已发现在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于6—磷酸甘露糖的另一种分选途径。

在内质网合成的很多糖蛋白的糖链要在高尔基体中经历十分复杂的修饰。

人们猜测这种修饰作用可能与蛋白质在高尔基体中的分选有关。

然而用DNA重组技术证明，多种糖蛋白在去掉糖链后仍能正常地输送到细胞的特定部位，说明糖链在多数蛋白质的分选中并不起决定性的作用。

蛋白质在高尔基体中分选及其转运的信息仅存在于编码这个蛋白质的基因本身。

流感病毒和水泡性口炎病毒可同时感染上皮细胞，这两种有包膜病毒的包膜蛋白均在内质网上合成，然后经高尔基体转运到细胞膜上。

流感病毒的包膜蛋白特异性地转运到上皮细胞游离端的细胞膜上，而水泡性口炎病毒的包膜蛋白则转运到基底面的细胞膜上。

将克隆的流感病毒包膜蛋白的基因和水泡性口炎病毒包膜蛋白的基因同时在上皮细胞中表达，结果显示，两种病毒包膜蛋白的合成、转运途径及在细胞膜上的分布与病毒感染细胞时相同。

水泡性口炎病毒包膜蛋白在由内质网合成后进人高尔基体时，存在于病毒包膜蛋白细胞质基质一侧的双酸分选信号（Asp—x—Gin或DxE）起重要的作用，其他一些膜蛋白也具有这一信号序列，表明膜蛋白在由内质网向高尔基体转运时，也存在一种选择性的转运机制。

但高尔基体对各种蛋白的分选信号的识别，分类、包装与运送的机制，目前还不很清楚。

2．蛋白质的糖基化及其修饰

溶酶体中的水解