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本课件介绍细胞质基质的组成与功能后，依次讲解内质网的形态与蛋白质糖基化、脂质合成等功能，高尔基体的极性结构与蛋白质加工分选，溶酶体的发生与自噬、异噬作用，微体与过氧化物酶体的功能，最后说明蛋白质分选信号与囊泡运输的基本规律。
第一节细胞质基质细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytomatrix）胞内膜系统（endomembrane system）
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：
| 细胞组分 | 数目（个） | 体积比（%） |
|---|---|---|
| 细胞质基质 | 1 | 54 |
| 细胞核 | 1 | 6 |
| 内质网 | 1 | 12 |
| 高尔基体 | 1 | 3 |
| 溶酶体 | 300 | 1 |
| 胞内体 | 200 | 1 |
| 过氧化物酶体 | 400 | 1 |
| 线粒体 | 1700 | 22 |
说明：源文件本页表格数字严重粘连（如"1111300200400170054612311122"），此处按教材标准数据还原为"细胞组分—数目—体积比"三列；各组分体积比之和为100%。
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。
完成各种中间代谢过程如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等
二、细胞内膜系统（endomembrane system）细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的、由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。包括核被膜、内质网、高尔基体及其形成的溶酶体和分泌泡等，以及其它细胞器如线粒体，质体和微体等膜包围的细胞器（膜性细胞器或称房室compartment）。不具有界膜的细胞器，如核蛋白体、中心粒，以及微管、微丝和中间纤维等。内膜系统形成了一种胞内网络结构，其功能主要在于两个方面：其一是扩大膜的总面积，为酶提供附着的支架，如脂肪代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上。其二是将细胞内部区分为不同的功能区域，保证各种生化反应所需的独特的环境。
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。
rER的功能蛋白质合成蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质，但是有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成。需要移入内质网继续合成的蛋白：分泌蛋白；膜整合蛋白；内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白（需要隔离或修饰）蛋白质的修饰与加工蛋白质的修饰加工：包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔面
sER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）System of oxygenases---cytochrome p450 family；肝细胞葡萄糖的释放（G-6P
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；
高尔基体顺面网状结构（cis-Golgi network，CGN）又称cis膜囊，是高尔基体的入口区域，接受由内质网合成的物质并分类后转入中间膜囊。高尔基体中间膜囊（medial Golgi）：多数糖基修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。高尔基体反面网状结构（trans Golgi network，TGN）：由反面一侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。
二、高尔基体的功能1、参与细胞分泌活动负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程是SER上合成蛋白质--进入ER腔→以出芽形成囊泡→进入CGN→在medial Gdgi中加工→在TGN形成囊泡→囊泡与质膜融合、排出。2、蛋白质的糖基化O-连接的糖基化主要在高尔基体中进行，通过逐次将糖基转移到Ser、Thr和Hyr的OH上形成寡糖链，糖的供体同样为核苷糖，如UDP-半乳糖。糖基化的结果使不同的蛋白质打上不同的标记，改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。3、进行膜的转化功能高尔基体的膜无论是厚度还是在化学组成上都处于内质网和质膜之间，因此高尔基体在进行着膜转化的功能，在内质网上合成的新膜转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成高尔基体大囊泡与质膜融合，使新形成的膜整合到质膜上。4、将蛋白水解为溶性物质如将蛋白质N端或C端切除，成为有活性的物质（胰岛素C端）或将含有多个相同氨基序列的前体水解为有活性的多肽，如神经肽。5、参与形成溶酶体和微体6、参与植物细胞壁的形成，植物细胞壁中的纤维素和果胶质是在高尔基本中合成的。
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
溶酶体与疾病
溶酶体与疾病1．矽肺二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。2. 肺结核结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，引起肺组织钙化和纤维化。3．各类贮积症台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：缺少氨基已糖酯酶A（β-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累，影响细胞功能，造成精神痴呆，2~6岁死亡。该病主要出现在犹太人群中。II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏α-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。4．类风湿性关节炎溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎。
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
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perforin和granzyme）分选途径多样化
鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（P）和其它细胞器如线粒体（M）等（Albert et al. ，1989）
微体与初级溶酶体的特征比较：源文件本页仅给出表题与一句提示。过氧化物酶体与初级溶酶体形态大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶常形成晶格状结构，是电镜下识别的主要特征。建议对照原课件图片补充形态大小、酶种类、是否含晶格状结构、标志酶与功能等比较项。
过氧化物酶体发生过程的示意图
一、分泌蛋白合成的模型---信号假说
信号假说蛋白质的合成都是起始于细胞质基质中的核糖体，但是向细胞外分泌的蛋白等在合成开始不久后便转在内质网上合成。C. Milstein 1972发现从骨髓瘤细胞提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到细胞外的N端多出一段。G. Blobel和D. Sabatini等根据进一步的实验，提出了信号假说（Signal hypothesis），认为蛋白质上的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成。蛋白质转入内质网合成至少涉及5种成分：①信号肽（signal peptide），是引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于新合成肽链的N端，一般16~30个氨基酸残基，由于信号肽又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）。②信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP），属于一种核糖核蛋白，位于细胞质基质中。SRP与信号序列结合，导致蛋白质合成暂停。③SRP受体（SPR receptor），是膜的整合蛋白，存在于内质网上，可与SRP特异结合。④停止转移序列（stop transfer sequence），肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的系合力很高，能阻止肽链续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。⑤转位因子（translocator），由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似于油炸圈的结构，每个Sec61蛋白由三条肽链组成。蛋白质转入内质网合成的过程：信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔→信号肽切除→肽链延伸至终止→翻译体系解散。这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为co-translation。
信号肽与共转移信号肽（Signal peptides）与信号斑（Signal patches）信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signal peptidase）切除。信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。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
二、蛋白质分选（protein sorting）与分选信号（sorting signals）分选途径分选信号：细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号：1.信号序列（signal sequence）2.信号斑（signal patch）蛋白质分选信号的作用是引导蛋白质从胞质溶胶进入内质网、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体，也可以引导蛋白质从细胞核进入细胞质或从Golgi体进入内质网。这种分选信号的氨基酸残基有时呈线性排列，有时折叠成信号斑，如引导蛋白质定向运输到溶酶体的信号斑，是溶酶体酸性水解酶被高尔基体选择性加工的标识。
分选途径（Road map）1.门控运输（gated transport）：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。2.跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。3.膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质或激素，都属于这种运输方式。4.细胞质基质中蛋白的转运与细胞骨架密切相关
三种不同类型的包被小泡具有不同的物质运输作用
COPI包被小泡内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体，如不进行回收则内质网因为磷脂和某些蛋白质的匮乏而停止工作。COPI-包被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins）回ER。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。
膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装-去组装的复杂调控膜泡融合是特异性的选择性融合，从而指导细胞内膜流的方向。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。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，而高尔基体是重要集散中心。高尔基体在细胞的膜泡运输及其随之而形成的膜流中起枢纽作用，因此高尔基体聚集在微管组织中心(MTOC)附近并在高尔基体膜囊上结合有类似动力蛋白的蛋白质，从而使高尔基体维持其极性。识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs（soluble NSF attachment protein receptor）和Rabs（targeting GTPase）。SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合。NSF（N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein, NSF）催化SNAREs的分离，它是一种类似分子伴娘的ATP酶，能够利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptor protein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开。Rab也叫targeting GTPase，属于单体GTP酶，结构类似于Ras，已知30余种。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。
四、细胞结构体系的组装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”。
动物细胞溶酶体系统示意图
溶酶体的发生过程
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
内质网驻留蛋白的回收图解
膜泡锚定与融合的特异性是通过转运泡膜上的蛋白和靶膜上的蛋白相互作用获得的
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