1、第五章 细胞质基质与细胞内膜系统,第一节 细胞质基质,一、细胞质基质的涵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，称细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytomatrix）。 在细胞质基质中，主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨架结构。,化学组成：细胞质基质是细胞真正的内环境，其组成成分复杂。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，依分子大小大致划分为下列几种： 小分子和各种离子：如水 K+、Cl-、Na+、Mg+、 Ca+等 中分子类：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸类等 大分子类：蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等。复杂的
2、胶体性质，可随环境条件的改变由溶胶变为凝胶状态或者相反，这成为某些细胞运动方式的动力。,细胞质基质中的蛋白质含量约为2030。其中含有大量的酶，几乎包括了所有参与蛋白质合成的氨基酸激酶、合成DNA与RNA的酶、合成脂肪酸的酶和糖酵解所需要的酶以及构成细胞骨架的各种蛋白质成分和核糖体等。如糖酵解途径、磷酸戊糖途径和脂肪酸合成途径都是在细胞质基质中进行的。,细胞质基质中几种主要组分模式图 （自Bruce Alberts，1994）,二、细胞质基质的功能,1、完成各种中间代谢过程: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
3、与脂肪酸的合成也在细胞质基质中进行。 2、与细胞质骨架相关的功能：细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，不仅与维持细胞的形态、细胞的运动、细胞内的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。,3、蛋白质的修饰和选择性的降解：1）蛋白质的修饰（辅酶或辅基与酶的共价结合、磷 酸化与去磷酸化、糖基化、甲基化、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（信号氨基酸），若N-端的第一个氨基酸是Met
4、（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；如是其它12种氨基酸之一，则是不稳定的。,识别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。泛素是一种由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白，具有蛋白质降解和细胞周期调控等多种生物学功能。泛素降解途径(ubiquitin-dependent pathway)：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，然后由一种蛋白酶体（26s的蛋白酶复合体）将蛋白质完全水解。,3）降解变性和错误折
5、叠的蛋白质 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 热休克蛋白(heat shock protein ，Hsp)能选择性的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。主要包括3个家族，每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白成员。 4、维持细胞内环境的稳定性。提供离子环境、提供底物、物质运输通路、信号转导通路等，帮助细胞完成正常的生命活动。,三、细胞质基质的生物学特性,1、能随细胞生长、体积增大，至一定程度进行分裂。2、是活物质大部分反应的场所。3、具应激性（对外界刺激能发生运动、收缩、移动等特性）。4、具有外部和内部运动（
6、外部：伪足、变形；内部：胞质环流、穿梭运动）。,第二节 内质网,一、 内质网（endoplasmic reticulum, ER）概述早在1897年，法国人Garnier就发现分泌活动旺盛的胰腺和唾液腺细胞中有一个呈条形或丝状结构的嗜碱性区域，随细胞的活动和生理状态而有所变化，细胞处在活动状态时，这种结构丰富，动物高度饥饿时，这种结构消失，喂食后又重新出现。故将其称为“动质”或“酿造质”（ergastoplasm-古希腊语：改变、酿造）。1945年，著名超微结构学家K.B.Porter，在电镜下观察组织培养的鸡胚成纤维细胞时，发现有各种大小的管道相连成网状，并多处在细胞质的内质部位，故定名为内
7、质网。虽然以后发现这种细胞器不尽在内质部位，但仍延用至今。这种结构与细胞内物质合成有关，故有细胞的生物合成“工厂”之称。,二、化学组成： 内质网（endoplasmic reticulum，ER）是真核细胞重要的细胞器。它是由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构。 内质网的化学组成：大量的RNA（粗），蛋白质、脂类。ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。三、内质网的两种基本类型根据结构与功能，内质网可分为两种基本类型：糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER）和光面内质网
8、（smooth endoplasmic reticulum，sER）。,根据对肝细胞连续超薄切片观察的结果，绘制出部分光面内质网与粗面内质网的立体结构图,(a)粗面内质网；(b)光面内质网 上半部是超薄电镜照片，下半部是扫描电镜照片,两类内质网在细胞中分布和数量往往决定于细胞执行的功能，如植物形成层细胞在冬季SER较多，而夏季RER较多，植物胚细胞通常内质网不多也不集中，但当种子发育时，胚乳细胞中含有大量内质网。在动物，有的细胞，如卵细胞、胚胎细胞内质网不发达，而分泌细胞，如胰腺细胞、肝细胞、浆细胞等，内质网非常发达。但在分泌活动低下时，内质网数目又明显减少。一般在蛋白质合成旺盛的细胞，RER
9、较多；参与脂肪代谢的细胞（脂肪细胞、肾上腺皮质细胞），多为SER；在幼嫩细胞中（干细胞，胚胎细胞），RER较少，而其相应的成熟细胞中，RER较多；如果细胞内有丰富的RER，那么SER相应少，反之亦然。但在肝细胞中两类内质网都很丰富。,内质网与细胞膜的关系：内质网常和内折的细胞膜相连接，甚至有管道相通，如植物细胞的胞间连丝。在进化上，内质网可能由细胞膜演化而来。 内质网与细胞核膜的关系：内质网常和细胞核膜相连，细胞核膜上也常附着大量的核糖体，可见内质网与核膜在发生上具同源关系。 内质网与其它细胞器的关系：光面内质网与高尔基体在结构、功能与发生上的关系密切。此外，在合成旺盛的细胞内，糙面内质网总是
10、与线粒体紧密相依。,三、内质网的功能,1蛋白质的合成 （1）向细胞外分泌的蛋白质：如抗体、激素 （2）膜的整合蛋白 （3）构成细胞器中的可溶性驻留蛋白有的蛋白质在合成后需要进行修饰与加工也是在内质网中进行的,蛋白质转入内质网合成至少涉及5种成分：,信号肽（signal peptide），位于新合成肽链的N端，一般1630个氨基酸残基，是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列（start transfer sequence）。信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP），SRP与信号序列结合，导致蛋白质合成暂停。 SRP受体（SRP receptor）
11、，是膜的整合蛋白，存在于内质网上，可与SRP特异结合。停止转移序列（stop transfer sequence），肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。转位因子（translocator），由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似炸面圈的结构，每个Sec61蛋白由三条肽链组成。,2脂质的合成,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（PEP）在膜之间转移磷脂。,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
12、作用有糖基化、羟基化、酚基化与二硫键的形成等。寡糖基转移到天冬酰胺残基上称为 N一连接的糖基化，与之直接结合的糖是N一乙酰葡萄糖胺；也有少数糖基化是发生在丝氨酸或苏氨酸残基上，称O一连接的糖基化，后者也可能发生在羟赖氨酸或羟脯氨酸上（如胶原蛋白），与之直接结合的糖是N一乙酰半乳糖胺。O一连接的糖基化主要发生在高尔基体中。,4新生多肽的折叠与装配,新形成的多肽在内质网中往往要停留一段时间，不同蛋白质由于折叠和装配所需时间的不同，在内质网中停留的时间不同，主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间。内质网中的蛋白二硫键异构酶和一种结合蛋白（binding protein, Bip）可以帮助蛋白质正确
13、折叠与装配，有些无法完成正确折叠的蛋白质被输出内质网，转入溶酶体中降解掉。,5内质网的其他功能,光面内质网合成外输性脂蛋白颗粒的基地 光面内质网具有解毒功能，可将脂溶性有毒物质，代谢为水溶性物质，使有毒物质排出体外。 内质网具有储存Ca离子的功能内质网还为细胞质基质中很多蛋白，包括多种酶类，提供了附着位点。 内质网的扁囊和管道还有储存与运输物质的功能，在能量与信息的传递、细胞的支持和运动等方面可能也具有一定的作用。,在内质网膜中，有一些酶能与外源性物质结合并使其发生氧化而失活，具有清除脂溶性废物和代谢产生的有害物质的作用。研究得较清楚的是细胞色素P450家族酶系的解毒反应过程。细胞色素P450可通过羟基化而使脂溶性废物或代谢产物失活并溶于水，使一些农药或其他药物失活，送出细胞进入尿液中，容易被分泌排出，从而发挥解毒作用。服用大量药物的动物，其与解毒有关的酶活性大量增加，引起光面内质网大量增加。一旦药物消失，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。如长期服用苯巴比妥，可使肝中细胞色素P450的含量增加50100。,讨论、思考题、作业： 1、课后查阅相关文献。 2、预习下章、节内容 3、思考：1）细胞质基质的重要功能有哪些？2）简述粗面型内质网合成蛋白质的过程。,思考题,
