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第1页：第六章 细胞质基质与细胞内膜系统

第六章细胞质基质与细胞内膜系统

• 细胞质基质
• 内质网
• 高尔基体
• 溶酶体与过氧化物酶体
• 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装

第2页：第一节 细胞质基质与内膜系统

第一节细胞质基质

• 细胞质基质（cytoplasmic matrix orcytomatrix）
• 细胞内膜系统（endomembrane system）

第3页：内质网内容导览

内质网

• 内质网的形态结构
• ER的功能
• 内质网与基因表达的调控

第4页：第三节 高尔基体

第三节高尔基体

• 高尔基体的形态结构
• 高尔基体的功能
• 高尔基体与细胞内的膜泡运输

第5页：第四节 溶酶体与过氧化物酶体

第四节溶酶体与过氧化物酶体

• 溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。溶酶体（lysosome）是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。
• 溶酶体的结构类型
• 溶酶体的功能
• 溶酶体的发生
• 溶酶体与过氧化物酶体

第6页：第五节 蛋白质分选与结构组装

第五节细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装

• 分泌蛋白合成的模型---信号假说
• 蛋白质分选与分选信号
• 膜泡运输
• 细胞结构体系的组装

第7页：细胞质基质的概念

• 一、细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytomatrix）细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半
• 细胞质基质的涵义
• 细胞质基质的功能

第8页：细胞质基质的涵义

• 基本概念：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。
• 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。
• 主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。细胞质基质的涵义

第9页：胞质溶胶

基本概念：用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。细胞质基质的涵义

第10页：细胞质基质的功能

细胞质基质的功能

• 完成各种中间代谢过程，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。
• 蛋白质的分选与运输
• 与细胞质骨架相关的功能维持细胞的形态、细胞的运动、细胞内的物质运输及能量传递
• 蛋白质的修饰与选择性降解

第11页：细胞内膜系统导览

细胞内膜系统（endomembrane system)

• 细胞内膜系统概述
• 细胞内膜系统的研究方法

第12页：细胞内膜系统概述

细胞内膜系统概述

细胞内膜系统

细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。

• 真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization）：
• 细胞骨架纤维为组织者的 Cytomatrix形成有序的动态结构；
• 细胞内的膜相结构----细胞器（organelles）。

第13页：细胞内膜系统的研究方法

细胞内膜系统的研究方法 De Durve,A.Claudeand G.Palade,1974Nobel Prize放射自显影(autoradiography)生化分析（Biochemicalanalysis)遗传突变分析(geneticmutant)

第14页：内质网的形态结构

一、内质网的形态结构内质网的两种基本类型

• 糙面内质网（roughendoplasmicreticulum，r ER）
• 光滑内质网（smoothendoplasmicreticulum，s ER）
• 微粒体（microsome）

第15页：ER的功能概览

• 二、ER的功能 ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。
• r ER的功能
• s ER的功能

第16页：rER的功能

r ER的功能

• 蛋白质合成
• 蛋白质的修饰与加工
• 新生肽的折叠与组装
• 脂类的合成

第17页：sER的功能

s ER的功能

• 类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）
• 肝的解毒作用（Detoxification）Systemofoxygenases---cytochromep 450family；
• 肝细胞葡萄糖的释放（G-6P
• G）
• 储存钙离子：肌质网膜上的 Ca 2+-ATP酶将细胞质基质中 Ca 2+泵入肌质网腔中返回

第18页：蛋白质合成的类型

蛋白质合成

• 所合成蛋白的类型：分泌蛋白；整合膜蛋白；内膜系统各细胞器所用的可溶性蛋白（需要隔离和修饰）
• 其它多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的。包括：细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体中的蛋白

第19页：蛋白质的修饰与加工

蛋白质的修饰与加工

• 主要化学修饰作用：糖基化、羟基化、酰基化及二硫键的形成等。
• 糖基化在糖基转移酶(glycosyltranferase)的作用下，发生在内质网的腔面：N-linkedglycosylation（Asn）O-linkedglycosylation（Ser/Thror Hylys/Hypro）酰基化发生在内质网的胞质侧。

第20页：新生肽的折叠与装配

新生肽的折叠与装配

• 新生肽的折叠与组装：
• 非还原性的内腔有利于二硫键的形成
• 正确折叠涉及驻留蛋白：
• 具有 KDEL或 HDEL信号，蛋白二硫键异构酶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
• 结合蛋白（Bip):识别错误折叠的蛋白或未

第21页：脂类的合成

脂类的合成

• ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。两种例外：鞘磷脂和糖脂（ER开始
• Golgicomplex完成）；Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。
• 各种不同的细胞器具有明显不同的脂类组成：phosphatidylcholine

第22页：内质网与基因表达调控

内质网与基因表达调控

内质网膜上膜脂成分的变化

—

• 内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。
• 影响内质网向细胞核的信号转导的因素有三种：
• 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。
• 折叠好的膜蛋白的超量积累。

第23页：高尔基体的形态结构

高尔基体的形态结构

• 电镜下,高尔基体的结构为排列较为整齐的扁平膜囊。
• 高尔基体的极性
• 高尔基体的4种标志细胞化学反应

第24页：高尔基体的标志细胞化学反应

高尔基体各部膜囊的４种标志细胞化学反应

• 嗜锇反应的高尔基体cis面膜囊；
• 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示trans面1～2层膜囊；
• 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构（GERL结构）

第25页：高尔基体各部膜囊的结构与功能

• 高尔基体顺面网状结构（cis-Golginetwork，CGN）
• 高尔基体中间膜囊（medial Golgi）
• 多数糖基修饰；糖脂的形成；与高尔基体有关的多糖的合成
• 高尔基体反面网状结构（trans Golginetwork，TGN）
• 周围大小不等的囊泡

第26页：顺面网状结构CGN

CGN

• 初级分选站，负责对从 ER转运来的蛋白质进行鉴别，决定哪些需要退回，哪些可进入下一站，返回内质网的蛋白质具有 KDEL或 HDEL信号；
• 其他可能的生物活性蛋白丝氨酸残基发生 O--连接糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；日冕病毒的装配

第27页：反面网状结构TGN

TGN

• TGN中的低p H值；标志酶 CMP酶阳性
• TGN的主要功能：
• 参与蛋白质的分类与包装、运输；
• 某些“晚期”的蛋白质修饰

第28页：高尔基体的功能

高尔基体的功能

• 高尔基体与细胞的分泌活动
• 蛋白质的糖基化及其修饰
• 蛋白酶的水解和其它加工过程

第29页：高尔基体与细胞的分泌活动

高尔基体与细胞的分泌活动

• 蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身
• 流感病毒囊膜蛋白特异性地转运
• 上皮细胞游离端的质膜
• 水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运
• 上皮细胞基底面的质膜

第30页：蛋白质的糖基化及其修饰

蛋白质的糖基化及其修饰

• 蛋白质糖基化类型
• 蛋白质糖基化的特点及其生物学意义
• 蛋白聚糖在高尔基体中组装
• 植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖

第31页：N-连接与O-连接寡糖的比较

N-连接与O-连接的寡糖比较：下表对比两类糖基化的五个特征。

第32页：蛋白质糖基化的特点与意义

蛋白质糖基化的特点及其生物学意义

• 糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板
• 糖基化的主要作用是：蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性；对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。
• 进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它

第33页：蛋白聚糖在高尔基体中的装配

高尔基体内蛋白聚糖的装配

• 蛋白聚糖是由一个或多个糖胺聚糖结合到核心蛋白的丝氨酸残基上。
• 与一般 O-连接寡糖不同，它直接与丝氨酸羟基结合的不是 N-乙酰半乳糖胺而是木糖。

第34页：蛋白质在高尔基体中的酶解加工

蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型

• 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。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。
• 蛋白质前体
• 高尔基体
• 水解
• 同种有活性的多肽，如神经肽等。

第35页：高尔基体与细胞内的膜泡运输

三、高尔基体与细胞内的膜泡运输

• 高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用膜泡运输的主要途径,其中多数与高尔基体直接相关

第36页：溶酶体膜的特征

一、溶酶体的结构类型

• 溶酶体膜的特征：
• 嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境；
• 具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；
• 溶酶体的膜中含有较多能促进膜稳定的胆固醇
• 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。

第37页：溶酶体的结构类型

类型

• 初级溶酶体（primarylysosome）
• 次级溶酶体（secondarylysosome）
• 自噬溶酶体（autophagolysosome）
• 异噬溶酶体（phagolysosome）
• 残余小体（residualbody），又称后溶酶体。

第38页：溶酶体的功能

二、溶酶体的功能phagocytosis

• phagosomeendocytosis
• earlyendosome
• lateendosome
• lysosomeautophagy
• autophagosome
• 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
• 防御功能（病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化）

第39页：溶酶体的其它生理功能

其它重要的生理功能

• 作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养；
• 分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节
• 参与清除赘生组织或退行性变化的细胞；
• 受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。

第40页：溶酶体与疾病

溶酶体与疾病

• 溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障，影响细胞代谢，引起疾病。如台-萨氏（Tay-Sachs）等各种储积症（隐性的遗传病）
• 某些病原体（麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境）

第41页：溶酶体的发生

三、溶酶体的发生

• 发生途径
• 分选途径多样化
• 酶的加工方式多样化
• 糖侧链的部分水解、膜蛋白等

第42页：溶酶体酶的分选与M6P途径

溶酶体酶的合成及 N-连接的糖基化修饰（RER）高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化 M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶高尔基体trans-膜囊和 TGN膜（M6P受体）溶酶体酶分选与局部浓缩以出芽的方式转运到前溶酶体磷酸葡萄糖苷酶磷酸化识别信号：信号斑发生途径

第43页：溶酶体酶分选途径的多样化

• 依赖于 M6P的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外；在细胞质膜上也存在依赖于钙离子的 M6P受体，同样可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用，将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜，反复使用。
• 还存在不依赖于 M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体的

第44页：过氧化物酶体

四、溶酶体与过氧化物酶体

• 过氧化物酶体(peroxisome)又称微体(microbody)，是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。
• 过氧化物酶体与溶酶体的区别
• 过氧化物酶体的功能
• 过氧化物酶体的发生

第45页：

第46页：过氧化物酶体与溶酶体的区别

过氧化物酶体与溶酶体的区别

• 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。
• 通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体
• 过氧化物酶体和溶酶体的差别

第47页：微体与初级溶酶体的特征比较

微体与初级溶酶体的特征比较

第48页：过氧化物酶体的功能

过氧化物酶体的功能

• 动物细胞（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶：依赖于黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成 H2O2；过氧化氢酶，作用是将 H2O2分解，形成水和氧

第49页：过氧化物酶体的发生

• 过氧化物酶体的发生过氧化物酶体蛋白分选的信号序列（Peroxisomal-targetingsignal，PTS）：
• PTS1为 Ser-lys-leu，多存在于基质蛋白的 C端。
• PTS2为 Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基质蛋白 N-端。

第50页：过氧化物酶体发生过程示意图

过氧化物酶体发生过程的示意图

第51页：信号假说

一、分泌蛋白合成的模型---信号假说

• 信号假说(Signalhypothesis)G．Blobeletal：Signalhypothesis,1975
• 信号肽（Signal peptide）与共转移 Cotranslocation）
• 导肽（Leader peptide）与后转移 Posttranslocation）

第52页：信号假说的内容与组分

信号假说

• 信号假说内容
• 指导因子：蛋白质 N-端的信号肽（signal peptide）
• 信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）
• 信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白docking protein，DP）等

第53页：非细胞系统蛋白质翻译实验

非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系：下表列出四组实验的结果。

说明：“+”和“-”分别代表反应混合物中存在或不存在该物质；表格由源文件粘连文本按四组实验顺序重新切分。

第54页：信号肽与共转移

信号肽与共转移

• 信号肽（Signalpeptides）与信号斑（Signalpatches）
• 起始转移序列和终止转移序列
• 起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数
• 跨膜蛋白的取向

第55页：导肽与后转移

导肽与后转移

• 基本的特征：蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称后转移（post translocation）。蛋白质跨膜转移过程需要 ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白 Hsp 70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。

第56页：蛋白质分选与分选信号

蛋白质分选与分选信号：下表列出四类分选途径的典型信号序列。

说明：源文件该页氨基酸序列与途径名严重粘连，表格按四类分选途径重新切分；序列中的残基缩写保留原文写法，个别字母对照教材写法校正。

第57页：蛋白质分选的三条途径

分选途径（Road map）

• 门控运输（gatedtransport）；
• 跨膜运输（transmembranetransport）；
• 膜泡运输（vesiculartransport）
• 拓扑学等价性（Topologically equivalent）的维持

第58页：膜泡运输导览

• 三．膜泡运输膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。
• 三种不同类型的包被小泡具有不同的物质运输作用。
• 小泡的定向运输、停靠和融合的机制

第59页：运输小泡的类型

运输小泡的类型

• 网格蛋白包被小泡
• COPII包被小泡
• COPI包被小泡

第60页：网格蛋白包被小泡

网格蛋白包被小泡

• 负责蛋白质从高尔基体 TGN
• 质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输
• 在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜
• 内吞泡(细胞质)
• 胞内体
• 溶酶体运输
• 高尔基体 TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地

第61页：COPII包被小泡

COPII包被小泡

• 负责从内质网
• 高尔基体的物质运输；
• COPII包被蛋白由5种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的；
• COPII包被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。

第62页：COPI包被小泡

COPI包被小泡

• COPI包被含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于 ARF(GTP-bindingprotein)；
• 负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escapedproteins）
• ER。
• COPI-包被小泡在非选择性的批量运输(bulkflow)中行使功能,负责r ER
• Golgi
• SV
• PM。
• COPI-

第63页：驻留蛋白的保留与回收机制

COPI包被小泡

• 细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：
• 转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；
• 通过识别驻留蛋白 C-端的回收信号(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特异性受体，以 COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白。

第64页：膜泡运输的寻靶：SNARE假说

• 膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装-去组装的复杂调控
• 运输小泡寻靶：SNARE假说
• Rab蛋白在小泡运输与融合中的调节作用
• 小泡融合模型

第65页：膜泡运输的特异性识别

• 膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装-去组装的复杂调控
• 选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相互作用（如神经细胞质膜的syntaxin特异结合突触小泡膜上的 VAMP—vesicle-associatedmembraneprotein)
• 在细胞的膜泡运输中，粗面内质网相当于重要的物质供应站，

第66页：细胞结构体系的组装

四、细胞结构体系的组装

• 生物大分子的组装方式：
• 有些装配过程需 ATP或 GTP提供能量或其它成份的介入或对装配亚基的修饰
• 自我装配的信息存在于装配亚基的自身，细胞提供的装配环境
• 装配具有重要的生物学意义
• 分子“伴侣”（molecularchaperones）

第67页：生物大分子的组装方式

生物大分子的组装方式

• 自我装配（self-assembly）
• 协助装配（aided-assembly）
• 直接装配（direct-assembly）
• 复合物与细胞结构体系的组装

第68页：装配的生物学意义

装配具有重要的生物学意义

• 减少和校正蛋白质合成中出现的错误
• 减少所需的遗传物质信息量
• 通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程

第69页：分子伴侣

分子“伴侣”（molecular chaperones）细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子“伴侣”。

第70页：肝细胞各组分的数目及体积比

肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比：下表列出八类组分的数据。

说明：源文件该页数字严重粘连（如“54612311122”），表格按 Alberts 教材肝细胞组分数据的通用值重新切分对齐，体积比合计为100%，如需与原课件图版核对请对照原图。

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第88页：小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体

小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体

• 用电镜细胞化学技术显示其中含有的酸性磷酸酶，M：线粒体，L：溶酶体（朴英杰）

第89页：动物细胞溶酶体系统示意图

动物细胞溶酶体系统示意图

第90页：溶酶体的发生过程

溶酶体的发生过程

第91页：

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第96页：信号肽的一级序列

信号肽的一级序列信号肽一级序列由疏水核心（h）、C端（c）和 N端（n）三个区域构成。以血清白蛋白和 HIV-1型病毒的糖蛋白gp 160信号肽为例，显示出两者的n区长度明显不同

第97页：

第98页：

第99页：

第100页：

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第102页：三种膜泡运输方式

• 在细胞合成与分泌途径中不同膜组分之间三种不同的膜泡运输方式:1. 笼形蛋白包被小泡介导从高尔基体 TGN
• 质膜和胞内体及溶酶体的运输；2. COPII包被小泡介导从内质网
• 高尔基体的运输；3. COPI包被小泡负责将蛋白从高尔基体
• 内质网。在从内质网
• 高尔基体和/或从高尔基体的cis面
• trans面的物质转运中也可能涉及到 COPI包被小泡(物质沿内吞途径的转运未表示在图中)。

第103页：

第104页：COPII包被小泡的装配

Sar-GTP与内质网膜的结合起始 COPII亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面捕获并富集被转运的可溶性蛋白 COPII包被小泡的装配

第105页：内质网驻留蛋白的回收图解

内质网驻留蛋白的回收图解

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第117页：高甘露糖与复杂N-连接寡糖（一）

高甘露糖 N-连接寡糖和复杂的 N-连接寡糖

第118页：高甘露糖与复杂N-连接寡糖（二）

高甘露糖 N-连接寡糖和复杂的 N-连接寡糖

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