第三节 细胞质基质与细胞内膜系统

第三节细胞质细胞质基质内质网高尔基体溶酶体与过氧化物酶体真核细胞质膜以内核膜以外的结构称为细胞质。细胞质主要包括细胞质基质和细胞器。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。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。1、细胞质基质的涵义一、细胞质基质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主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。按其大小可分为三类：（1）水和无机盐等一些小分子。一部分水分子为结合水，以水化物的形式结合在蛋白质或其他大分子的极性位点上，另一部分作为溶剂的水分子是游离态存在。无机盐包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-等。（2）脂质、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等中等分子。中等分子的糖类包括葡萄糖、果糖和蔗糖等。（3）蛋白质、脂蛋白、多糖和RNA等大分子。其中含有大量的酶，几乎包括了所有参与蛋白质合成的酶、合成DNA、RNA的酶，合成脂肪酸的酶和糖酵解所需的酶。完成各种中间代谢过程如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、脂肪酸合成途径等细胞质基质作为细胞器的微环境，为维护细胞器正常结构和生理活动提供所需的环境，也为细胞器的功能活动提供底物。2、与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等，而且细胞质骨架作为细胞质基质这一结构的组织者，为细胞质基质的其他成分和细胞器提供了锚定位点，将生物大分子锚定在细胞质骨架三维空间的特定区域，从而使复杂的代谢反应能高效而有序地进行。二、细胞器(一)细胞内膜系统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。主要包括核膜、内质网和高尔基复合体三大部分。质膜、溶酶体和分泌泡均可看作是它的衍生物。而线粒体和叶绿体虽然也是由膜构成的细胞器，但它们含有自身的DNA，其功能活动和装配要受到核DNA和其自身DNA的共同调控，是一类半自主性的细胞器；而内膜系统则不含有DNA，其功能活动和装配完全要受到核DNA控制。此外，各种内膜之间可通过出芽和融合的方式进行交流，而线粒体和叶绿体不参加这种方式的交流。因此，线粒体和叶绿体不属于内膜系统。内膜系统是真核细胞完成各种复杂生命活动所必须的基本结构。也是不同于原核细胞的重要特征。真核细胞中，内膜系统大体上可把细胞质分隔为两大区域，即为内膜系统所包围的腔区和细胞质基质区，因而也使每一层膜的两个面又有腔面和胞质面之分。内膜系统中的各种成分又分为更加精细的区域，从而使细胞质出现了高度分区化。真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization）：微体溶酶体早期内体分泌小泡运输小泡晚期内体内吞体过氧化物酶体游离多核糖体细胞质基质溶酶体高尔基复合体线粒体糙面内质网细胞核质膜细胞内的膜相结构----细胞器（organelles）。一个动物细胞模式图(二)在内膜系统中，无论是在结构是还是在功能上，内质网都占据了中心地位。内质网是由单层单位膜围成的管状成扁平囊状的封闭管道系统，膜厚约5-6nm，按其胞质面是否结合有核糖体又分为粗面内质网和滑面内质网。内质网在蛋白质的合成与修饰、膜的形成等方面具有重要功能。包围核的膜是由内外两层单位膜构成的膜系统，称为核膜，每层膜厚约7-8nm。外层核膜的胞质面上也附着有核糖体，且与粗面内质网相连接。核膜上有核孔。高尔基体是由单层滑面膜围成的扁平囊状和泡状结构组成的封闭管道系统，膜上无核糖体，因此，不能合成蛋白质。高尔基体表现为一定的极性，形状犹如一个圆盘，盘底向着核或内质网一侧凸出，而盘面凹向着细胞膜一侧。凸面称形成面，凹面称成熟面。形成面的膜较薄，与内质网相似（6nm），成熟面的膜较厚，与质膜相似（10nm）。此外，在膜的化学组成上亦介于内质网与细胞膜之间。作为内膜系统的产物，溶酶体和微体也是由单层单位膜围成的封闭的泡状结构。1、内质网(ER)的形态、结构1945年，K.B.Porter等人初次观察并命名。内质网是细胞质中由膜围成的管状或扁平囊状的结构，互相连通成网，构成细胞质中的扁平囊状系统。内质网向内与核膜的外膜相通，核周腔实际就是内质网腔的一部分，向外连质膜（细胞膜），这一结构特点为细胞内物质的运输提供了通道。内质网根据不同的形态结构，可分为两种类型：一种是粗面内质网(rER)，其结构特点是由扁平囊状结构组成，膜的外侧有核糖体附着。现在有大量实验证明，各种分泌蛋白质（如血浆蛋白、血浆清蛋白、免疫球蛋白、胰岛素等）都主要是在粗面内质网的结合核糖体上合成的。还有种内质网是滑面内质网(sER)，多由小管与小囊构成不规则的网状结构，膜表面光滑，无核糖体颗粒附着。主要存在于类固醇合成旺盛的细胞中。2、内质网的功能：＊蛋白质的合成与转运（粗面内质网）；＊蛋白质的加工（如糖基化）；＊脂类代谢与糖类代谢（滑面内质网）；＊解毒作用（滑面内质网上有分解毒物的酶）。分泌蛋白；整合膜蛋白；内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白（需要隔离或修饰）。其它的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的蛋白注意：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中“游离”核糖体。分泌蛋白合成的模型---信号假说信号假说内容指导因子：蛋白质N-端的信号肽（16-26个氨基酸残基序列）信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP）信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白dockingprotein，DP）等蛋白质的修饰与加工修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等糖基化发生在ER腔面（N-连接的糖基化）酰基化发生在ER的细胞质基质侧新生肽的折叠组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成；正确折叠涉及驻留蛋白:蛋白二硫键异构酶可以切断二硫键，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。结合蛋白:识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。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肝细胞葡萄糖的释放含有葡萄糖－6－磷酸酶，可使葡萄糖－6－磷酸脱去磷酸，变成葡萄糖。滑面内质网胞质面上附着许多糖原小颗粒，需能时，糖原在激素的调节下降解为葡萄糖－1－磷酸，再转化为葡萄糖－6－磷酸。储存钙离子：肌质网膜上(肌细胞内的滑面内质网)的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+泵入肌质网腔中sER的功能ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。有许多脂类合成有关的酶（三）核糖体(ribosome)核糖体的类型与结构多聚核糖体与蛋白质的合成1、核糖体的类型与结构核糖体是合成蛋白质的细胞器，其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链。是各类细胞中普遍存在的颗粒状结构，是无膜的细胞器。核糖体的基本类型与成分核糖核蛋白体,简称核糖体(ribosome)基本类型附着核糖体游离核糖体70S的核糖体（原核细胞及叶绿体和线粒体）80S的核糖体（真核细胞）小亚单位：30S大亚单位：50S小亚单位：40S大亚单位：60S二者靠非共价键结合主要成分r蛋白质：40%，核糖体表面rRNA:60%,，核糖体内部（16SRNA+21种蛋白质）（23SRNA+5SRNA+31种蛋白质）（18SRNA+33种蛋白质）（28S、5.8S和5SRNA+49种蛋白质）2、核糖体的结构旋转90°侧面观3、多聚核糖体概念：核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽链的合成，这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体。多聚核糖体的生物学意义细胞内各种多肽的合成，不论其分子量的大小或是mRNA的长短如何，单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等。以多聚核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。（四）高尔基体高尔基体的形态结构高尔基体的功能1、高尔基体复合体的形态结构高尔基复合体1898年最初在神经细胞发现这种细胞器，以发明者的名字命名，称高尔基体或高尔基器。其主要成分是脂类、蛋白质及多糖物质组成。其标志酶为糖基转移酶。在电镜下可见高尔基体是一摞封闭的紧密叠置在一起的由滑面膜围成的扁囊状和泡状结构组成的。膜上无核糖体，因此它不能合成蛋白质。反面顺面高尔基体是有极性的细胞器它的形状犹如一个圆盘，盘底向着核膜或内质网一侧凸出。扁囊弯曲成凸面又称形成面（formingface）或顺面（cisface）面向质膜的凹面又称成熟面（matureface）或反面（transface）形成面的膜较薄，与内质网膜似，成熟面的膜较厚，与质膜相似。有的细胞中只有一个高尔基体,在原生生物、无脊椎动物、高等植物的细胞中往往有多个分散的高尔基体，相互连接成网状，便是高尔基复合体。单个高尔基囊泡的电镜照片高尔基器的第一个主要功能是为细胞提供一个内部的运输系统，它把由内质网合成并转运来的分泌蛋白质加工浓缩，通过高尔基小泡运出细胞，这与动物分泌物形成有关。高尔基体对脂质的运输也起一定的作用。如将蛋白质N端或C端切除，成为有活性的物质，如胰岛素（C端）2、高尔基体的功能高尔基体的第二个重要功能是能合成和运输多糖，如植物细胞含有的果胶质和纤维素的细胞壁物质是在高尔基体上进行加工和包装，这可能与植物细胞壁的形成有关。第三个方面就是糖基化作用（最主要的是O-连接糖基化），即高尔基体中含有多种糖基转移酶，能进一步加工、修饰蛋白质和脂类物质。关于高尔基体的发生，倾向于认为它是由内质网转变来的。（五）溶酶体溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，直接由高尔基体产生的膜泡以出芽方式形成。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1、溶酶体的特征：富含水解酶（60多种），包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶、磷酸酶等，可将蛋白质、核酸、糖类和脂类等大分子水解成为性别所能利用的小分子。这些酶的最适PH为3.5-5.5，因而称为酸性水解酶。溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acidphosphatase）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；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶体内含有不同的酶组合。2、大小与形态：球形、卵圆形，φ0.2-0.8μm，平均大小在0.5μm左右。4、类型（生理状态不同划分）初级溶酶体，它是由高尔基囊的边缘膨大而出来的泡状结构，因此它本质上是分泌泡的一种，所含的酶由核糖体合成转运到高尔基体的，其中的水解酶没有活性，处于潜伏状态。次级溶酶体，是吞噬泡和初级溶酶体融合的产物，是正在进行消化的溶酶体。自噬溶酶体异噬溶酶体残余小体，又称后溶酶体。次级溶酶体在消化不掉的物质残留在溶酶体内，就形成残余小体。溶酶体是以含有大量酸性水解酶为共同特征、不同形态大小，执行不同生理功能的一类异质性的细胞器。3、分布：普遍存在于动物细胞中。植物中没有单独存在的溶酶体，植物和真菌细胞中的液泡起着溶酶体的作用。细菌细胞中也没有溶酶体，但有的细菌细胞在其细胞壁与质膜之间的质周隙中含有水解酶，因而质周隙起着类似于溶酶体的作用。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M6P（6磷酸甘露糖）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