第六章 细胞质基质与内膜系统
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细胞质基质与内膜系统的思政内容
细胞质基质与内膜系统的思政内容细胞质基质和内膜系统是构成细胞的重要组成部分，对细胞的正常功能发挥起着至关重要的作用。
在探索细胞的奥秘时，我们不仅要关注科学实验和技术手段，更要站在人类的视角思考，感受细胞的奇妙之处。
细胞质基质是细胞内的液体环境，其中包含了许多重要的生化反应发生所需的物质。
这些物质不仅包括水分、离子、有机分子等，还包括一些酶和其他生物催化剂。
细胞质基质的存在为细胞内的各种代谢反应提供了一个相对稳定的环境，使得细胞能够正常运作。
正如人类社会需要一个和谐稳定的环境来推动社会的进步，细胞质基质也为细胞的生存和发展提供了一个适宜的环境。
而内膜系统则是细胞内的一系列膜结构，包括内质网、高尔基体、溶酶体等。
这些膜结构可以看作是细胞内的运输系统和合成工厂，它们相互联系、相互配合，确保细胞内各种物质的运输、合成和降解。
内膜系统的存在使得细胞能够高效地进行各种生物化学过程，从而实现细胞的正常功能。
细胞质基质与内膜系统的关系密不可分。
细胞质基质为内膜系统提供了运输物质所需的环境，同时内膜系统也为细胞质基质提供了更加精确的调控机制。
内质网可以将合成的蛋白质运输到适当的位置，高尔基体则能将蛋白质进行修饰和分拣，溶酶体则负责降解细胞内的废物和垃圾。
这些过程的协调与合作，使得细胞质基质和内膜系统形成了一个高效的整体，保证了细胞的正常运作。
细胞质基质与内膜系统的研究不仅仅是为了理解细胞的生物学机制，更是为了探索人类自身的奥秘。
我们身处在这个复杂多变的社会中，每个人都有自己的定位和角色。
正如细胞质基质和内膜系统在细胞中扮演着重要的角色，我们也需要在社会中扮演好自己的角色，为社会进步和人类发展贡献自己的力量。
细胞质基质与内膜系统的研究不仅需要我们在科学实验中严谨认真，更需要我们在解读数据和发现规律时发挥自己的思维能力和创造力。
正如人类社会需要有思想家和创新者的存在来推动社会的发展，细胞质基质与内膜系统的研究也需要我们思考细胞的本质和机制，为细胞生物学的进步贡献我们自己的思想和创新。
第六章内膜系统
血型糖蛋白：
N-连接糖基化
O-连接糖基化
内质网的N-连接糖基化：
寡糖组成（约14个）：N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖 活化：多萜醇 连接部位：Asn-X-Ser/Thr
内质网的羟基化：
（3）蛋白质的折叠与装配：
分子伴侣（molecular chaperon）： 内质网腔的一类可溶性驻留蛋 白，能识别正在合成的或一部 分折叠的多肽并与之结合，辅 助其正确折叠，其本身并不参 与最终产物的形成。
（Endoplasmic Reticulum，ER）
ER约占细胞整 个膜成分的1/2
由一层单位膜包裹形成的相互连通的囊状、泡状和管状结 构，它们形成一个连续的封闭网膜系统。
内质网内容：
内质网化学组成
粗面内质网的功能
滑面内质网的功能
内质网的来源
1、内质网的化学组成
微粒体（microsome）：细胞匀浆后，内质网破裂，由内质网 膜围成的封闭小泡结构，仍具有内质网的基本特征
细胞膜 内质网 高尔基复合体 细胞核 线粒体 溶酶体 过氧化氢体
膜相结构
功能：
形成功能独立的区域性房室化
增加内表面积，提高代谢和调节能力
【目的要求】
掌握内膜系统各成员的功能 掌握信号肽假说的内容 掌握跨膜蛋白的膜转移机制 掌握N-连接、O-连接糖基化区别 掌握溶酶体发生过程 了解溶酶体膜的特性
糖原贮积症-Ⅰ型
葡萄糖-1-磷酸
缺乏葡萄糖-6-磷酸酶
葡萄糖-6-磷酸酶
糖原
葡萄糖-6-磷酸
葡萄糖
遗传方式：AR 发病率：1/200,000
基因：17q21，5外显子、4内含子
肝肿大
低血糖，发育不良、消瘦，身体矮小
细胞生物学第六章第三节《细胞内膜系统》
②胞质溶质蛋白 ④核基因组编码蛋白
2、新生多肽链的折叠与装配
PDI催化二硫键形成，促进多肽链折叠。分子伴侣。 3、蛋白质的糖基化(glycosylation)
糙面内质网中的N-连接糖基化
4、蛋白质的胞内运输 第一站
（二）光面内质网的功能
1、脂类合成
2、糖原代谢 3、细胞解毒 肝细胞 G-6-P酶 肝细胞 氧化酶系和羟化酶系
3．管泡状网络结构
反面高尔基网(TGN)
三、高尔基复合体的主要功能
（一）高尔基复合体是胞内蛋白质运输分泌的中转站
（ 二）高尔基复合体是胞内物质加工合成的重要场所 １.糖蛋白的加工合成 O-连接的糖基化
（二）高尔基复合体是胞内物质加工合成的重要场所
２.蛋白质的水解修饰
（三）在胞内蛋白质的分选和膜泡的定向运输中的枢纽作用 蛋白质分选 (protein sorting)
二、高尔基复合体的形态结构
三种不同的膜性结构组成了高尔基复合体的基本结构。
高尔基堆 (Golgi stack)
极性：顺面、反面 1．连续分支的管状网络结构 顺面高尔基网(CGN) 2．扁平膜囊 顺面膜囊 (cis cisterna) 中间膜囊 (medial cisterna) 反面膜囊 (trans cisterna)
4、免疫球蛋白重链结合蛋白
(immunoglobulin heavychain-binding protein)
单体非糖蛋白；与Hsp70同源。 分子伴侣，阻止蛋白质聚集或发生不可逆变性，协助蛋白质折叠。
二、内质网的形态结构与类型
（一）内质网是一种膜性管网结构系统 基本特征：以膜性小管、小泡和扁囊为基本结构单位，彼此
第六章 细胞质和细胞器
医学细胞生物学 第06章 内膜系统 1
子和终止因子的结合位点
核糖体类型和理化特性
存在于除哺乳动物成熟红细胞外 的所有细胞 核糖体的类型
核糖体的类型
类型
原核细胞Ri 真核细胞质Ri 真核细胞器Ri
完整Ri
70S 80S
大亚基
50S 60S
小亚基
30S 40S
叶绿体Ri 线粒体Ri
70S 55-80S
50S 50S
30S 30S
沉降系数 物质在单位离心力场中沉降的速度 为方便将10-13秒作为一个单位，称Svedberg单位，用 S表示。其数值与物质分子的质量和形状有关。
• 1945年Porter K.R和 Claude A.D用电子显 微镜观察培养的小鼠 成纤维细胞发现细胞 质中有一些形状大小 略有不同的小管、小 囊连接成网状的结构 称内质网。
ER的化学组成
脂质和蛋白质，动物细胞内质网脂质含 量约为60%，蛋白质含量约为40%。
ER的形态结构和类型 形态
• 1、扁平囊排列： • 内质网膜之间为狭窄 的腔，形状扁而长， 不封闭，相互连通。 • 2.小泡状排列 • 泡状，如气球，腔较 大。 • 3.小管状排列 • 呈分支而细长的管子 。
蛋白质的合成
一、 mRNA（messenger RNA） 蛋白质生物合成的直接模板
蛋白质的合成
二、 tRNA（transfer RNA） 蛋白质生物合成的 “高级搬运工”
蛋白质的合成
三、核糖体（ribosome） 蛋白质生物合成的场所
核糖体与蛋白质的合成
过程： • 1.肽链合成起始； • 2.肽链延伸； • 3.肽链合成终止。 特点： • 从mRNA的5’ 3’ • tRNA的反密码子识别 酸结束。
核糖体的形成与装配
细胞质基质与内膜系统
02
CHAPTER
细胞质基质的组成与功能
细胞质基质的组成
01
细胞质基质由水、无机盐、脂类 、糖类、氨基酸、核苷酸和多种 酶等组成，是细胞内除核糖体以 外的胶状物质。
02
细胞质基质中还含有细胞骨架蛋 白，如微管、微丝和中间纤维， 它们在维持细胞形态、运动和分 裂等方面发挥重要作用。
细胞质基质的功能
量。
内膜系统的功能
物质运输
内膜系统通过囊泡转运的方式，将物质从一处运输到另一处，维持细 胞内环境的稳定。
蛋白质合成与加工
内膜系统中的核糖体和内质网参与蛋白质的合成，高尔基体则对蛋白 质进行加工和修饰。
细胞信号转导
内膜系统中的受体和信号蛋白参与细胞信号转导，调节细胞的生长、 分化和凋亡。
细胞器的自我消化
细胞质基质与内膜系统
汇报人：可编辑 2024-01-11
目录
CONTENTS
• 引言 • 细胞质基质的组成与功能 • 内膜系统的组成与功能 • 细胞质基质与内膜系统的相互关系 • 细胞质基质与内膜系统的研究意义与应用
01
CHAPTER
引言
细胞质基质与内膜系统的定义
细胞质基质
细胞质基质是指细胞质中除了细胞器和细胞骨架之外的均匀胶体物质，主要由水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸 、核苷酸和多种酶等组成。它为细胞提供了一个生存和活动的介质，并承担着细胞内的物质运输和代谢调节等重 要功能。
内膜系统
内膜系统是指细胞内的一组相互关联的膜结构，包括内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体和叶绿体等。这些膜结 构通过出芽、融合等方式相互联系，形成一个连续的、封闭的膜网络，对细胞内的物质运输、信息传递和代谢调 控等具有重要作用。
细胞质基质与内膜系统的重要性
细胞质基质与内膜系统PPT课件
高尔基体功能
的研究实验
细胞与同位素接触
3min后，标记物出
现在内质网中。
20min，标记物出
现在高尔基体和部
分分泌泡。
120min后，标记物
主要出现在分泌泡。
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1
蛋白质的分泌
(1) 蛋白质的运输
◆ER向高尔基体顺面的运输
◆ER蛋白的逆向运输
◆高尔基体顺面到高尔基体反面运输以及向
溶酶体和细胞膜的运输
主要合成分泌蛋白、膜蛋白、细胞器中可溶性驻
留蛋白。其它部位所需蛋白质都是由游离核糖体
合成。
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。
核糖体类型： 游离核糖体
附着核糖体
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真核细胞中附着核糖体和游离核糖体合成的某些蛋白质
附着核糖体
游离核糖体
分泌蛋白
可溶性胞质溶胶蛋白
粗面内质网上N-连接寡糖的合成过程
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蛋白质的N-连接糖基化
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（3）新生肽的折叠与组装：
内质网内为非还原性的内腔，易于二硫键形成；
• 正确折叠涉及驻留蛋白：二硫键异构酶
（proteindisulfide isomerase，PDI）可切
断二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并
上清液部分
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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
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细胞组分
细胞质基质
细胞质基质和细胞内膜系统
细胞质基质和细胞内膜系统
第12页
细胞质基质和细胞内膜系统
第13页
蛋白质修饰与加工
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-连接糖基化） 酰基化发生在ER细胞质基质侧
新生肽折叠组装：非还原性内腔，易于二硫键形成； 正确折叠包括驻留蛋白:蛋白二硫键异构酶能够切断二
硫键，帮助新合成蛋白重新形成二硫键并处于正确折 叠状态。 结合蛋白 :识别错误折叠蛋白或未装配好蛋白亚单 位，并促进重新折叠与装配。
细胞质基质和细胞内膜系统
第14页
sER功效
类固醇激素合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）
肝解毒作用 肝细胞葡萄糖释放 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，糖原在激素调整下降解为葡萄糖－1－磷酸，再转化为 葡萄糖－6－磷酸 。
价键结合
第17页
2、核糖体结构
旋转90°侧面观
细胞质基质和细胞内膜系统
第18页
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效，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合成， 这种含有特殊功效与形态结构核糖体与mRNA聚合体称为 多聚核糖体。
多聚核糖体生物学意义 细胞内各种多肽合成，不论其分子量大小或是mRNA 长短怎样，单位时间内所合成多肽分子数目都大致相等。 以多聚核糖体形式进行多肽合成，对mRNA利用及对其浓 度调控更为经济和有效。
细胞质基质作为细胞器微环境，为维护细胞器正常结构和生理 活动提供所需环境，也为细胞器功效活动提供底物。
与细胞质骨架相关功效 维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等 ，
第六章细胞基质与内膜系统
第一节 细胞质基质(cytosol)
• 1.溶胶:除去可辩识细胞器后的胶态物 • 2.组成:各种酶,胞质骨架 • 3.胶体是蛋白质同水分子形成的水合
物 • 4.高度有序
• 5.细胞质基质的基本功能
• 1)中间代谢的场所。糖酵解、磷酸戊糖途径、糖 醛酸途径、糖原合成
• 2)为细胞器提供所需离子环境 • 3)为细胞器行使功能提供底物。 • 4)细胞质骨架：提供锚定位点，各种组分区域化. • 5)参与蛋白质修饰、选择性降解等
RER呈扁平囊状，排列整齐， 有核糖体附着
SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。
• RER功能是合成各种蛋白，分泌旺盛细胞中 较多，未分化细胞和肿瘤细胞中较少。
• SER是脂类合成场所，常为出芽位点，将合 成的proteins和lipids运到高尔基体
• SER是ER管道网络的一部分
肌质网 (sacroplasmic reticulum)
• 将分泌蛋白的mRNA在无细胞体系中翻译时， 如不加RER小泡，获得的翻译产物的长度比从 细胞中分泌出的蛋白质长。如在这种无细胞体 系中添加RER小泡，翻译产物与从细胞中分泌 出来的蛋白质长度相同。因此推测信号序列在 引导蛋白质进入内质网后被切除了。
(2)蛋白水解酶实验证明多肽在合成的同时就开 始向ER转运：
3、脂的合成与转运
• SER是脂类合成主要场所。甘油三酯是 由SER合成并贮存ER腔中。
• 细胞膜所需的膜脂全都在SER合成， SER上有合成磷脂所需的酶。
• SER合成的磷脂由胞质面转向ER腔面， 转位由ER膜中翻转酶帮助完成。
SER合成磷脂向其它膜结构转运 的2种方式：
1. 通过水溶性载体蛋白-磷脂交换蛋白(PEP)， 在膜结构间转移磷脂：PEP与磷脂结合形成水 溶性复合物进入cytosol，扩散遇上其它膜后， PEP释放磷脂，将它插在膜上。
• 1.溶胶:除去可辩识细胞器后的胶态物 • 2.组成:各种酶,胞质骨架 • 3.胶体是蛋白质同水分子形成的水合
物 • 4.高度有序
• 5.细胞质基质的基本功能
• 1)中间代谢的场所。糖酵解、磷酸戊糖途径、糖 醛酸途径、糖原合成
• 2)为细胞器提供所需离子环境 • 3)为细胞器行使功能提供底物。 • 4)细胞质骨架：提供锚定位点，各种组分区域化. • 5)参与蛋白质修饰、选择性降解等
RER呈扁平囊状，排列整齐， 有核糖体附着
SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。
• RER功能是合成各种蛋白，分泌旺盛细胞中 较多，未分化细胞和肿瘤细胞中较少。
• SER是脂类合成场所，常为出芽位点，将合 成的proteins和lipids运到高尔基体
• SER是ER管道网络的一部分
肌质网 (sacroplasmic reticulum)
• 将分泌蛋白的mRNA在无细胞体系中翻译时， 如不加RER小泡，获得的翻译产物的长度比从 细胞中分泌出的蛋白质长。如在这种无细胞体 系中添加RER小泡，翻译产物与从细胞中分泌 出来的蛋白质长度相同。因此推测信号序列在 引导蛋白质进入内质网后被切除了。
(2)蛋白水解酶实验证明多肽在合成的同时就开 始向ER转运：
3、脂的合成与转运
• SER是脂类合成主要场所。甘油三酯是 由SER合成并贮存ER腔中。
• 细胞膜所需的膜脂全都在SER合成， SER上有合成磷脂所需的酶。
• SER合成的磷脂由胞质面转向ER腔面， 转位由ER膜中翻转酶帮助完成。
SER合成磷脂向其它膜结构转运 的2种方式：
1. 通过水溶性载体蛋白-磷脂交换蛋白(PEP)， 在膜结构间转移磷脂：PEP与磷脂结合形成水 溶性复合物进入cytosol，扩散遇上其它膜后， PEP释放磷脂，将它插在膜上。
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• 在分泌腺细胞中，溶酶 体常常摄入分泌颗粒， 参与分泌过程的调节
• 程序性死亡后的细胞被 周围吞噬细胞溶酶体消 化清除
• 受精过程中的顶体反应
植物细胞液泡
细菌的哪部分结构 类似溶酶体？
（三）溶酶体的发生
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
N-乙酰葡萄糖胺 磷酸转移酶
连成一个连续的网状膜系统，其内腔是通连的。 膜厚约5～6 nm。 内质网膜和外层核膜是连续的，内腔与两层核膜腔相通
连； 与质膜是不连续的。
（一）内质网的两种基本类型
• 糙面内质网（rER）
膜的外表面附有颗粒-----核糖体 (ribosome)，为蛋白 质合成的主要部位。
• 光面内质网（sER）
胰岛素原的加工
三、溶酶体
图 溶酶体的发现过程（酸性磷酸酶存在于膜结合小泡中） 左：造成膜泡破裂及酸性磷酸酶释放的条件
右：鼠肝线粒体分离组分置于低渗条件下检测的酸性磷酸酶活性曲线
（一）溶酶体的形态结构与类型
异质性细胞器 • 初级溶酶体 • 次级溶酶体 • 残质体
（一）溶酶体的形态结构与类型
• 溶酶体含有多种酸性水解酶类， 酶的最适pH 为5.0 左右
5. 内质网的其他功能 • 肝细胞的解毒作用
细胞色素P-450
5. 内质网的其他功能 • 肌质网储存和释放Ca2+
5. 内质网的其他功能
• 内质网上糖原的合成与 分解
• 固醇类激素的合成
（三）内质网应激及其信号调控
• 在各种应激因素（错误折 叠或未折叠蛋白质在ER 腔内聚集、Ca2+ 平衡紊乱、 缺氧、异常糖基化和病毒 感染等）作用下，主要通 过3 条途径引发内质网应 激（ERS）反应，影响特 定基因表达。如果内质网 功 能持续紊乱，细胞将 最终启动凋亡程序
• 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解
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 • 蛋白质糖基化作用 • 甲基化修饰 • 酰基化
2. 控制蛋白质的寿命
N 端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号
若N 端的第一个氨基酸是Met（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），则蛋白质往往是稳定的。
膜的表面没有附着核糖体 颗粒，光面内质网常为分支管
状，是脂质合成的重要场所。
◆ 特殊类型的内质网 ● 微粒体 (microsome) ● 肌质网 (sarcoplasmic reticulum)
糙面内质网与光面内质网结构
A. 胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，内质网膜及外核膜上附有核糖体 B. 黄体细胞有丰富的光面内质网 C. Cos-7 细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布：绿色显示两种形式的
M6P
磷酸葡萄糖苷酶 磷酸化识别信号：信号斑
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
溶酶体酶甘露糖残基的磷酸化
GlcNAc-磷酸 转移酶识别溶 酶体酶信号斑
溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体
溶酶体酶分选途径多样化
• 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
未折叠蛋白质应答反应（UPR）
SREBP 的胆固醇敏感调控
ERS 反应引发的细胞凋亡
Nature , 2006, 443, 796-802
二、高尔基体
• 1898 年，意大利医生Camillo Golgi 用镀银法首次在神经细 胞内观察到一种网状结构， 命 名为内网器（internal reticular apparatus）。后来在很多细 胞中相继发现了类似的结构并 称之为高尔基体。直到20世纪 50 年代以后随着电子显微镜技 术的应用和超薄切片技术的发 展，才确证了高尔基体的存在
第六章 细胞质基质与内膜系统
真核细胞内区室化
第一节 细胞质基质及其功能
一、细胞质基质的含义
• 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，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）
• 生物化学家多称之为胞质溶胶 （cytosol）
Camillo Golgi
（一）高尔基体的形态结构与极性
高尔基体是一种有极性的细胞器
高尔基体的４种标志细胞化学反应
• 嗜锇反应（顺面膜囊） • 焦磷酸硫胺素酶（TPP 酶）反应（反面的1～2 层膜囊） • 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP 酶）和酸性磷酸酶反应（反面膜
囊状和反面管 网结构） • 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应（中间几层）
泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-and proteasomemediated pathway）
2004 年诺贝尔化学奖
• 发现泛素调节的蛋白质降解
3. 降解变性和错误折叠的蛋白质
细胞质基质中的变 性蛋白质、错误折 叠的蛋白质、 含 有被氧化或其他非 正常修饰氨基酸的 蛋白质，不管其 N 端氨基酸残基是否 稳定，常常很快被 降解清除
（2）蛋白质糖基化类型
特征 合成部位 合成方式
N-连接 粗面内质网 来自同一个寡糖前体
O-连接 高尔基体 一个个单糖加上去
与之结合的氨 基酸残基
一个个单糖加上去
丝氨酸、苏氨酸、 羟赖氨酸、羟脯氨酸
最终长度
至少5个糖残基
第一个糖残基 N-乙酰葡萄糖胺
一般1～4个糖残基， 但ABO血型抗原较长
N-乙酰半乳糖胺等
二、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、糖醛酸途径等
• 为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所 • 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； 细胞质基质结构体系的组织者
• 与细胞膜相关的功能
– 细胞质基质产生区室化；依靠细胞膜或细胞器膜上的泵 蛋白和离子通道维持细胞内外跨膜的离子梯度
Aaron Ciechanover. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2005, 6, 79-87
2. 防御功能
• 防御功能是某些细胞特有 的功能，它可以识别并吞 噬入侵的病毒或细菌，在 溶酶体作用下将其杀死并 进一步降解
3. 其他重要的生理功能
• 作为细胞内的消化“器 官”为细胞提供营养
• 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）
糙面内质网中蛋白质N -连接糖基化过程
内质网腔二硫键形成
4. 新生多肽的折叠与组装
• 蛋白二硫键异构酶和 Bip 等蛋白质都具有4 肽驻留信号（KDEL 或 HDEL）以保证它们滞留 在内质网中，并维持很 高的浓度
内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所
折 叠错误的多肽被送到细胞质中, 被 泛素(ubiquitin)结合，然后送 到 蛋白酶体(proteosome)中降解
• 蛋白质糖基化修饰利于高尔基体进行分选与包装，保证糖 蛋白从 rER 至高尔基体膜囊单向转移
• 细胞内一些负责糖链合成与加工的酶类均由管家基因编码； 细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，直接介导细胞 间的双向通讯，或参与分化、发育等多种过程
• 多羟基糖侧链还可能影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电 荷的性质
• 在内质网、高尔基体和分 泌泡发生特异性的蛋白质 水解切割
蛋白质糖基化
N -连接糖基化与O -连接糖基化的比较
N -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰葡糖胺 O -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰半乳糖胺
N -连接与O -连接的寡糖比较
在内质网发生的蛋白质N-连接糖基化的加工，转移至 高尔基体后还会经过一系列复杂的修饰
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
• 高尔基体TGN区是蛋白质包装分选的关键枢纽， 至少有3 条分选途径
（1）溶酶体酶的包装与分选途径 甘露糖-6- 磷酸（M6P）标记
（2）可调节性分泌（regulated secretion）途径 特化类型的分泌细胞
（3）组成型分泌（constitutive secretion）途径 所有真核细胞，均可通过分泌泡连续分泌某些蛋白 质至细胞表面
• 酸性磷酸酶是常用的标志酶 • 溶酶体膜成分特殊
① 嵌有质子泵 ② 具有多种载体蛋白 ③ 膜蛋白高度糖基化 • 次级溶酶体分为自噬溶酶体和 异噬溶酶体
（二）溶酶体的功能
溶酶体的基本功 能是细胞内的消 化作用，一般可 概括成内吞作用、 吞噬作用和自噬 作用3 种途径
1. 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
内质网，叠加色（黄）显示糙面内质网区
rER和sER的分离
（二）内质网的功能 1. 蛋白质的合成是糙面内
质网的主要功能
• 向细胞外分泌的蛋白质 • 膜的整合蛋白 • 细胞器中的可溶性驻留蛋白
2．光面内质网是脂质合成的重要场所
合成磷脂所需要的3 种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞 质基质侧
Figure 12-57 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
3. 蛋白酶的水解和其他加工过程
• 无生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，切 除N 端或两端的序列形成成熟多肽。如胰岛素、胰高血糖 素及血清蛋白等
• 程序性死亡后的细胞被 周围吞噬细胞溶酶体消 化清除
• 受精过程中的顶体反应
植物细胞液泡
细菌的哪部分结构 类似溶酶体？
（三）溶酶体的发生
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
N-乙酰葡萄糖胺 磷酸转移酶
连成一个连续的网状膜系统，其内腔是通连的。 膜厚约5～6 nm。 内质网膜和外层核膜是连续的，内腔与两层核膜腔相通
连； 与质膜是不连续的。
（一）内质网的两种基本类型
• 糙面内质网（rER）
膜的外表面附有颗粒-----核糖体 (ribosome)，为蛋白 质合成的主要部位。
• 光面内质网（sER）
胰岛素原的加工
三、溶酶体
图 溶酶体的发现过程（酸性磷酸酶存在于膜结合小泡中） 左：造成膜泡破裂及酸性磷酸酶释放的条件
右：鼠肝线粒体分离组分置于低渗条件下检测的酸性磷酸酶活性曲线
（一）溶酶体的形态结构与类型
异质性细胞器 • 初级溶酶体 • 次级溶酶体 • 残质体
（一）溶酶体的形态结构与类型
• 溶酶体含有多种酸性水解酶类， 酶的最适pH 为5.0 左右
5. 内质网的其他功能 • 肝细胞的解毒作用
细胞色素P-450
5. 内质网的其他功能 • 肌质网储存和释放Ca2+
5. 内质网的其他功能
• 内质网上糖原的合成与 分解
• 固醇类激素的合成
（三）内质网应激及其信号调控
• 在各种应激因素（错误折 叠或未折叠蛋白质在ER 腔内聚集、Ca2+ 平衡紊乱、 缺氧、异常糖基化和病毒 感染等）作用下，主要通 过3 条途径引发内质网应 激（ERS）反应，影响特 定基因表达。如果内质网 功 能持续紊乱，细胞将 最终启动凋亡程序
• 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解
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 • 蛋白质糖基化作用 • 甲基化修饰 • 酰基化
2. 控制蛋白质的寿命
N 端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号
若N 端的第一个氨基酸是Met（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），则蛋白质往往是稳定的。
膜的表面没有附着核糖体 颗粒，光面内质网常为分支管
状，是脂质合成的重要场所。
◆ 特殊类型的内质网 ● 微粒体 (microsome) ● 肌质网 (sarcoplasmic reticulum)
糙面内质网与光面内质网结构
A. 胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，内质网膜及外核膜上附有核糖体 B. 黄体细胞有丰富的光面内质网 C. Cos-7 细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布：绿色显示两种形式的
M6P
磷酸葡萄糖苷酶 磷酸化识别信号：信号斑
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
溶酶体酶甘露糖残基的磷酸化
GlcNAc-磷酸 转移酶识别溶 酶体酶信号斑
溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体
溶酶体酶分选途径多样化
• 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
未折叠蛋白质应答反应（UPR）
SREBP 的胆固醇敏感调控
ERS 反应引发的细胞凋亡
Nature , 2006, 443, 796-802
二、高尔基体
• 1898 年，意大利医生Camillo Golgi 用镀银法首次在神经细 胞内观察到一种网状结构， 命 名为内网器（internal reticular apparatus）。后来在很多细 胞中相继发现了类似的结构并 称之为高尔基体。直到20世纪 50 年代以后随着电子显微镜技 术的应用和超薄切片技术的发 展，才确证了高尔基体的存在
第六章 细胞质基质与内膜系统
真核细胞内区室化
第一节 细胞质基质及其功能
一、细胞质基质的含义
• 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，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）
• 生物化学家多称之为胞质溶胶 （cytosol）
Camillo Golgi
（一）高尔基体的形态结构与极性
高尔基体是一种有极性的细胞器
高尔基体的４种标志细胞化学反应
• 嗜锇反应（顺面膜囊） • 焦磷酸硫胺素酶（TPP 酶）反应（反面的1～2 层膜囊） • 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP 酶）和酸性磷酸酶反应（反面膜
囊状和反面管 网结构） • 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应（中间几层）
泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-and proteasomemediated pathway）
2004 年诺贝尔化学奖
• 发现泛素调节的蛋白质降解
3. 降解变性和错误折叠的蛋白质
细胞质基质中的变 性蛋白质、错误折 叠的蛋白质、 含 有被氧化或其他非 正常修饰氨基酸的 蛋白质，不管其 N 端氨基酸残基是否 稳定，常常很快被 降解清除
（2）蛋白质糖基化类型
特征 合成部位 合成方式
N-连接 粗面内质网 来自同一个寡糖前体
O-连接 高尔基体 一个个单糖加上去
与之结合的氨 基酸残基
一个个单糖加上去
丝氨酸、苏氨酸、 羟赖氨酸、羟脯氨酸
最终长度
至少5个糖残基
第一个糖残基 N-乙酰葡萄糖胺
一般1～4个糖残基， 但ABO血型抗原较长
N-乙酰半乳糖胺等
二、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、糖醛酸途径等
• 为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所 • 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； 细胞质基质结构体系的组织者
• 与细胞膜相关的功能
– 细胞质基质产生区室化；依靠细胞膜或细胞器膜上的泵 蛋白和离子通道维持细胞内外跨膜的离子梯度
Aaron Ciechanover. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2005, 6, 79-87
2. 防御功能
• 防御功能是某些细胞特有 的功能，它可以识别并吞 噬入侵的病毒或细菌，在 溶酶体作用下将其杀死并 进一步降解
3. 其他重要的生理功能
• 作为细胞内的消化“器 官”为细胞提供营养
• 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）
糙面内质网中蛋白质N -连接糖基化过程
内质网腔二硫键形成
4. 新生多肽的折叠与组装
• 蛋白二硫键异构酶和 Bip 等蛋白质都具有4 肽驻留信号（KDEL 或 HDEL）以保证它们滞留 在内质网中，并维持很 高的浓度
内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所
折 叠错误的多肽被送到细胞质中, 被 泛素(ubiquitin)结合，然后送 到 蛋白酶体(proteosome)中降解
• 蛋白质糖基化修饰利于高尔基体进行分选与包装，保证糖 蛋白从 rER 至高尔基体膜囊单向转移
• 细胞内一些负责糖链合成与加工的酶类均由管家基因编码； 细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，直接介导细胞 间的双向通讯，或参与分化、发育等多种过程
• 多羟基糖侧链还可能影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电 荷的性质
• 在内质网、高尔基体和分 泌泡发生特异性的蛋白质 水解切割
蛋白质糖基化
N -连接糖基化与O -连接糖基化的比较
N -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰葡糖胺 O -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰半乳糖胺
N -连接与O -连接的寡糖比较
在内质网发生的蛋白质N-连接糖基化的加工，转移至 高尔基体后还会经过一系列复杂的修饰
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
• 高尔基体TGN区是蛋白质包装分选的关键枢纽， 至少有3 条分选途径
（1）溶酶体酶的包装与分选途径 甘露糖-6- 磷酸（M6P）标记
（2）可调节性分泌（regulated secretion）途径 特化类型的分泌细胞
（3）组成型分泌（constitutive secretion）途径 所有真核细胞，均可通过分泌泡连续分泌某些蛋白 质至细胞表面
• 酸性磷酸酶是常用的标志酶 • 溶酶体膜成分特殊
① 嵌有质子泵 ② 具有多种载体蛋白 ③ 膜蛋白高度糖基化 • 次级溶酶体分为自噬溶酶体和 异噬溶酶体
（二）溶酶体的功能
溶酶体的基本功 能是细胞内的消 化作用，一般可 概括成内吞作用、 吞噬作用和自噬 作用3 种途径
1. 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
内质网，叠加色（黄）显示糙面内质网区
rER和sER的分离
（二）内质网的功能 1. 蛋白质的合成是糙面内
质网的主要功能
• 向细胞外分泌的蛋白质 • 膜的整合蛋白 • 细胞器中的可溶性驻留蛋白
2．光面内质网是脂质合成的重要场所
合成磷脂所需要的3 种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞 质基质侧
Figure 12-57 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
3. 蛋白酶的水解和其他加工过程
• 无生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，切 除N 端或两端的序列形成成熟多肽。如胰岛素、胰高血糖 素及血清蛋白等