第七章 细胞质基质与内膜系统

细胞内被膜区分为3类结构：细胞质基质(cytoplasmic matrix)、内膜系统、(endomembrane system)、其他由膜所包被的细胞器(线粒体，叶绿体，过氧化物酶体，细胞核)。细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联，由单层膜包被的细胞器或细胞结构。主要包括内质网，高尔基体，溶酶体，胞内体，分泌泡等。

第七章 细胞质基质与内膜系统

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，占据着细胞膜内，细胞核外的细胞内空间，称细胞质基质(cytoplasmic matrix)。

细胞质基质

细胞质基质的主要成分包括约占总体积70%的水和溶于其中的离子以及可溶性蛋白为主的大分子，其体积占细胞总体积50%以上。

细胞质基质很可能是一种高度有序的体系。细胞质基质是种粘稠的胶体，多数的水分子是以水化物的形式紧密结合在蛋白质和其他大分子表面的极性部位，只有部分水分子以游离态存在，起溶剂作用。细胞质基质中蛋白质分子和颗粒性物质的扩散速率仅为水溶液的1/5，更大的结构如分泌泡和细胞器则固定在细胞质基质的某些部位上，或沿着细胞骨架定向运动。。。酶与微丝结合后，酶的动力学参数也发生了明显的变化。如与糖酵解有关的酶类，彼此之间可能以弱键结合在一起形成多酶复合体，定位在细胞质基质的特定部位，催化从葡萄糖至丙酮酸的一系列反应。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纳米，各个反应途径之间也以类似的方式相互关联，从而有效地完成复杂的代谢过程。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。这也正是研究细胞质基质比研究其他细胞器困难的主要原因。

细胞质基质的首要功能是为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所。现已知，细胞内所有蛋白质合成的起始步骤都发生在细胞质基质的游离核糖体上，具有特殊N端信号序列的分泌蛋白合成起始后多核糖体很快转移到到内质网膜上，边合成边转移到内质网腔。

细胞质基质第二方面功能是与细胞质骨架相关的。

细胞质基质第三方面的功能是与细胞膜相关的，一是细胞内的各种膜相细胞器使细胞质基质产生区室化，从而通过生物膜结构将蛋白质等生物大分子限定在膜的二维平面上，促进反应高效有序地进行；

细胞质基质第四方面功能，是与蛋白质的修饰和选择性降解反面有关：

一，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  在无数酶促氧化-还原反应中，细胞内的辅酶将能量以氢原子的形式在酶之间传递。

2，磷酸化与去磷酸化  用以调节细胞内多种蛋白质的生物活性，进而快速影响细胞代谢。被磷酸化的蛋白质氨基酸残基包括酪氨酸，丝氨酸，苏氨酸。组氨酸和赖氨酸也能被磷酸化。蛋白质磷酸化与去磷酸化还影响细胞信号调控级联反应和基因转路活性。

3，蛋白质糖基化作用  糖基化主要发生在内质网和高尔基体中，在细胞质基质中发生的糖基化在哺乳动物的细胞中主要是把N-乙酰葡糖胺加到蛋白质的丝氨酸残基的羧基上。

4，甲基化修饰  很多细胞骨架蛋白其N端发生甲基化修饰，以防被细胞内的蛋白质水解酶降解。组蛋白甲基化修饰在细胞内由特异性的甲基转移酶催化完成，主要包括精氨酸甲基化和赖氨酸甲基化两种情况，组蛋白甲基化修饰既可抑制也可增强基因表达，是表观遗传学的重要研究领域之一，越来越多的证据表明组蛋白甲基化功能异常与肿瘤的发生密切相关。

5，酰基化  最常见的酰基化的修饰是内质网上合成的跨膜蛋白在通过内质网和高尔基体的转运过程中发生的，由不同的酶催化软脂酸链共价连接到某些跨膜蛋白暴露在细胞质基质侧的结构域上。

二，控制蛋白质的寿命

细胞质基质中的蛋白质大部分寿命较长，其生物活性可维持几天甚至数月。也有些寿命很短，合成后几分钟就降解了，其中包括在某些代谢途径中催化限速反应步骤的酶和fos等癌基因的产物。只要改变它们的合成速度，就可以控制其浓度，从而发挥调节代谢途径或细胞生长与分裂的作用。

在蛋白质分子的氨基酸序列中既含有决定蛋白质定位和功能的靶向信号和修饰信号，还含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(甲硫铵酸)，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),Pro(脯氨酸),则蛋白质往往是稳定的；如果是其他氨基酸，则往往是不稳定的。在真核细胞每种蛋白质起始合成时，N端的第一个氨基酸都是甲硫铵酸(细菌中为甲酰甲硫氨酸)，但合成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-protein transferase)把一个信号氨基酸加到某些蛋白质N端，最终在蛋白质的N端留下一个稳定或不稳定的氨基酸残基。

在真核细胞的细胞质基质中，有一种识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制，即泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径(ubiquitin-and proteasome-mediated pathway)，有人将这种蛋白质降解机制戏称是"细胞给予需要损毁的蛋白质一个化学的死亡之吻(kiss of death)"，这个蛋白质降解过程具有多种生物学功能：包括蛋白质质量监控，影响细胞代谢，信号转导和受体调控(receptor modulation)，免疫反应，细胞周期，转录调节，DNA修复。蛋白酶体(proteasome)是细胞内降解蛋白质的大分子复合体，由约50种蛋白质亚基组成，相对分子质量为2 X 10^6~2.4 X 10^6，富含ATP依赖的蛋白酶活性，其功能就如同细胞内蛋白质破碎机(protein shredder)。泛素是是由76个氨基酸残基组成的8.5 X 10^3的小分子球蛋白，具热稳定性，普遍存在于真核细胞中。由于广泛存在而且高度保守，故名泛素。通过该途径降解的蛋白质大体包括两类：一是错误折叠或异常的蛋白；二是需要进行存量调控和不稳定的蛋白质。蛋白质的泛素化需要多酶复合体发挥作用即通过3种酶的先后催化来完成，包括泛素化酶(E1)，泛素化酶(E2,又称泛素载体蛋白)和泛素连接酶(E3)。泛素化过程涉及如下步骤：1，泛素活化酶(E1)通过形成酰基-腺苷酸中介使泛素分子C端被激活，该反应需要ATP参与；2，转移活化的泛素分子与泛素结合酶(E2)的半胱氨酸残基结合；3，异肽键(isopeptide bond)形成，即与E2结合的泛素羧基和靶蛋白赖氨酸侧链的氨基之间形成异肽键，该反应由泛素连接酶(E3)催化完成。重复上述步骤(泛素也被泛素化)，形成具有寡聚泛素链的泛素化靶蛋白。泛素化标签被蛋白酶体帽识别，并利用ATP水解提供的能量驱动泛素分子的切除和靶蛋白解折叠，去折叠的靶蛋白其转移质蛋白酶体核心腔内被降解。。。与靶蛋白相连的泛素分子上不同位点的赖氨酸残基的泛素化修饰往往会产生不同的生理效应。

第七章 细胞质基质与内膜系统

三，降解变性和错误折叠的蛋白质

四，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。热休克蛋白是一类进化上高度保守的蛋白质家族。它们作为分子伴侣(molecular chaperone)而发挥多种作用，协助细胞内蛋白质合成，分选，折叠，装配等。

细胞内膜系统

细胞内膜系统包括内质网，高尔基体，溶酶体，胞内体，分泌泡等。研究内膜系统的有效技术主要包括：揭示超微结构的电镜技术，用于功能定位研究的放射自显影技术，GFP标记荧光技术，用于组分分离与功能分析的差速离心技术等。

内质网(endoplasmic reticulum，ER)：内质网通常占细胞膜系统的一半左右，内质网是细胞内除除核酸以外一系列重要的生物大分子，如蛋白质，脂质，糖类的合成基地。

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(smooth endoplasmic reticulum,sER)。内质网膜上有一种称为移位子(translocon)的蛋白质复合体，其直径约8.5nm，中心有一个直径为2nm的"通道"，其功能与新合成的多肽转移有关。表面没有附着核糖体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这一连续结构的一部分。光面内质网往往作为出芽的位点。

内质网膜上可能存在某些特殊的装置，将光面内质网与糙面内质网隔离开来，并维持其形态。否则，，，会因扩散而，，，有可能内质网一端固定在核膜上，另一端在驱动蛋白的牵引下沿微管向外延伸形成复杂的网状结构。内质网对外界因素(如射线，化学毒素，病毒等)作用非常敏感。

内质网合成蛋白：1，向细胞外分泌的蛋白质；2，膜的整合蛋白；3，细胞器中的可溶性驻留蛋白

内质网合成细胞所需包括磷脂和胆固醇在内几乎全部膜脂。

蛋白质的修饰与加工

高尔基体(Golgi body)  又称高尔基器(Golgi apparatus)  或高尔基复合体(Golgi complex)，是真核细胞内普遍存在的一种细胞器。高尔基体是由大小不一，形态多变的囊泡体系形成的。在不同的细胞中，甚至细胞生长的不同阶段都有很大变化。

高尔基体作为细胞内高度动态的细胞器，却又始终维持一种极性结构并实现大分子在各部组分间有序转移，对此目前有两种假说解释：1，膜泡运输模型；2，膜囊成熟模型。

溶酶体

初级溶酶体，次级溶酶体，残质体。

溶酶体结构：1，嵌有质子泵。2，具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运。3，膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。

溶酶体酶的M6P特异标志是目前研究高尔基体分选机制中较为清楚的一条途径。

过氧化物酶体：又称微体是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的细胞器。

过氧化物酶体可降解生物大分子。