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过氧化物酶体

线粒体

1

300

200

400

1700

54

6

12

3

22

细胞内被膜区分为：

细胞基质，细胞内膜系统和细胞器。

分离方法：

用差速离心法分离细胞匀浆物组分，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。

细胞基质：

在真核细胞中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，称为细胞基质。

生物化学家多称之为胞质溶胶。

细胞基质的特点：

细胞质基质是一个高度有序的溶液体系；

通过弱键的相互作用处于动态平衡的结构体系

细胞质基质的涵义

细胞基质的特点

主要成分：

中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。

另外，糖原和脂滴也是基质的组分。

水组成基质的基本成分，分为结合水和自由水

是蛋白质和脂肪合成的重要场所，涉及到物质、能量与信息的定向移动和传递

基质环境使蛋白质以凝聚和非凝聚状态存在，蛋白之间以及蛋白与其他物质之间通过弱碱而相互作用

维管、微丝和中间丝等形成相互联系的机构体系,酶于骨架结合可调节酶的动力学参数，维持基质的有序性

部分物质直接或间接于细胞质骨架系统结合，或与膜结合，这种结合是动态过程。

影响物质的定位，决定了细胞基质处于动态平衡的结构体系

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，大分子的分解等

多种信号网络在胞质中形成网络

蛋白质在基质中的分选和运输

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

蛋白质的修饰和蛋白质选择性降解

¿

蛋白质的修饰

控制蛋白质的寿命：

N端第一个氨基酸残基和泛素依赖的降解途径¿

降解变性和错误折叠的蛋白质（泛素依赖的降解途径）

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（分子伴侣）

细胞质基质的功能

蛋白质的合成、降解和修饰

辅酶或辅基与酶的共价修饰

磷酸化与去磷酸化：

调节蛋白质的生物学活性。

糖基化

对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰——不易被细胞内的蛋白水解酶水解，使蛋白质在细胞中维持较长的寿命。

酰基化：

一类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；

一类是在诸如src基因和ras基因这类细胞癌基因的产物上。

酰基化可以使蛋白结合到细胞质膜上

泛素依赖的降解途径

（ubiquitin–dependentpathway）

泛素是一个由76个氨基酸残基组成的小肽，它的作用主要是识别要被降解的蛋白质。

蛋白酶体主要降解两种类型的蛋白质：

一类是错误折叠的蛋白质，另一类就是需要进行数量调节的蛋白质。

在ATP供能的情况下泛素的C端与非特异性泛素激活酶E1的半胱氨酸残基共价结合，形成E1-泛素复合物。

E1-泛素复合物再将泛素转移给另一个泛素结合酶E2。

E2则可以直接将泛素转移到靶蛋白赖氨酸残基上，但在通常情况下靶蛋白泛素化需要一个特异的泛素蛋白连接酶E3。

分子伴侣（molecularchaperones）

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。

˜Molecularchaperones：

whichbindandstabilizeunfoldorpartlyfoldproteins，therebypreventingtheseproteinsfromaggregatingandbeingdegraded。

˜Chaperonins：

whichdirectlyfacilitatethefoldingofproteins。

二、细胞内膜系统

（endomembranesystem）

细胞内膜系统概述

细胞内膜系统的研究方法

细胞内膜系统概述

细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的、由膜围绕细胞器或细胞结构，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。

从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。

从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。

真核细胞细胞内的区域化：

²

增加细胞的内表面积，提高了代谢和调节能力；

细胞内的膜相结构----细胞器。

内膜系统的动态性质

内膜系统将细胞中的生化合成、分泌和内吞作用连接形成动态的、相互作用的网络。

在内质网合成的蛋白和脂通过分泌活动进入分泌小泡运送到工作部位；

细胞通过内吞途径将细胞外的物质送到溶酶体降解。

²

放射自显影（Autoradiography）;

生化分析（Biochemicalanalysis）;

遗传突变分析（Geneticmutants）

内质网的发现

内质网的两种基本类型：

粗面内质网和光面内质网

内质网的特性

微粒体（microsome）

内质网和其他细胞器的联系

细胞膜、细胞核、高尔基体、线粒体、微管

内质网和外界环境（射线、化学毒物、病毒）

由KR.Porter、A.Claude和EF.Fullam等人于1945年发现，他们在观察培养的小鼠成纤维细胞时，发现细胞质内部具有网状结构，建议叫做内质网endoplasmicreticulum，ER，后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还有质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切，并且常伴有许多线粒体。

与细胞膜连接

与核膜连接

结合核糖体

微管走向

环境刺激

内质网是管状和扁平的囊状，典型的异质性细胞器,在细胞分裂时，内质网要经历解体和重建的过程；

内质网的存在增大的细胞内膜的表面积，为酶反应提供了结合位点；

内质网形成的封闭体系，将内质网上合成的物质与细胞质基质中合成的物质分隔开，更有利于它们的加工和运输。

内质网是细胞内除核酸以外的生物大分子如蛋白质、脂质和糖类的合成基地。

二、ER的功能

ER是细胞内除核酸以外的生物大分子，如蛋白质与脂类合成的基地。

几乎全部脂类和多种重要蛋白质都是在内质网合成的。

蛋白质合成糙面内质网

脂类的合成光面内质网

蛋白质的修饰与加工

新生肽的折叠与组装

内质网的其他功能

内质网与基因的表达调控

内质网腔未折叠蛋白的超量积累

折叠好的蛋白的超量积累

内质网膜上膜质成分的变化，主要是胆固醇缺乏

¿

合成外输性脂性蛋白基地

清除脂溶性废物和代谢毒物：

肝细胞中存在细胞色素P450家族酶系，即P450多功能氧化酶，在这些酶的作用下，可以将不溶于水的有毒物质和代谢产物羟基化为溶于水的物质，通过尿液排出体外。

固醇类激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）

储存钙离子：

肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+泵入肌质网腔中。

Bip结合多个钙，储存钙的钙库

提供胞质内蛋白和酶类的附着位点

储存和运输物质、能量和信息传递、细胞的支持合运动等

返回

蛋白质合成

在粗面内质网上合成的蛋白包括分泌蛋白，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。

细胞对蛋白质的修饰加工主要包括糖基化、羟基化、酰基化和形成二硫键等，随着多肽的合成同时进行。

糖基化在糖基转移酶的作用下发生在ER腔面

糖基化主要有两种方式

N-linkedglycosylation（Asn）

O-linkedglycosylation（Ser/ThrorHylys/Hypro）

发生在ER的胞质侧，高尔基体到细胞质膜的转运过程中。

脂肪酸链链接在半胱氨酸残基上

Ｎ－乙酰葡萄糖胺

Ｎ－乙酰半乳糖胺

N-链接的糖基化

O-链接的糖基化

主要发生在高尔基体

主要发生在内质网

蛋白质在内质网中驻留时间主要与折叠时间有关，无折叠蛋白被Sec61p复合体识别转运到胞质内降解。

内质网腔是非还原性的内腔，易于二硫键形成；

蛋白二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase，PDI）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（Bindingprotein，Bip，chaperone）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。

Bip蛋白和Ca2+结合，通过钙和膜磷脂头部基团结合，使Bip结合在内质网膜上

Bip有KDEL或HDEL,保证驻留在ER中

结合蛋白（4肽信号KDEL或HDEL）

Hsp70（可结合钙）

进入高尔基体

二硫键异构酶

切断二硫键

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）

3种磷脂合成有关的酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol

磷脂转位因子：

在磷脂转位因子的作用下，新合成的脂类分子会由细胞质基质侧转向内质网腔面。

它对于脂类的识别具有特异性，它对于头部为胆碱的脂类（鞘磷脂和磷脂酰胆碱）转位能力最强，因此导致了脂类分子在膜上分布成分的不对称性。

磷脂的转运:

出芽；

磷脂转换蛋白

磷脂转换蛋白PEP

专一性

水溶性

脂酰辅酶Ａ

３磷酸甘油

磷脂酸

二酰甘油

卵磷脂

磷脂酸胆碱

胆碱

转位酶

磷脂转位因子

卵磷脂合成

底物来源于细胞质

胆碱磷酸转移酶

磷酸酶

酰基转移酶

SM：

鞘磷脂；

PC磷脂酰胆碱；

PS磷脂酰丝氨酸；

PE：

磷脂酰乙醇胺；

PI：

磷脂酰肌醇；

CI：

胆固醇

一、高尔基体的形态结构

电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成的

高尔基体是有极性的细胞器：

位置、方向、物质转运与生化极性

高尔基体各部膜囊的４种标志细胞化学反应：

高尔基体至少由互相联系的4个部分组成，每一部分又可能划分出更精细的间隔

高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基体分布在微管组织中心MTOC（负端）

高尔基体是有极性的细胞器。

它与细胞骨架的关系十分密切，在没有极性的细胞中，高尔基体分布在微管组织中心处。

扁囊弯曲成凸面

又称形成面（formingface）或顺面（cisface）

面向质膜的凹面（concave）

又称成熟面（matureface）或反面（transface）

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：

60年代初，Novikoff发现CMP和酸性磷酸酶存在于高尔基体的一侧，称这种结构为GERL，意为与高尔基体（G）密切相关，但它是内质网（ER）的一部分，参与溶酶体（L）的生成。

烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊。

高尔基体顺面膜囊及网状结构（cis-Golginetwork，CGN）

高尔基体中间（medialGolgi）

多数糖基修饰；

糖脂的形成；

与高尔基体有关的多糖的合成

高尔基体反面膜囊及网状结构（transGolginetwork，TGN）

周围大小不等的囊泡

顺面囊泡称ERGIC/VTC----ERGIC53/58蛋白（结合Mn）反面体积较大的分泌泡与分泌颗粒

膜囊之间有膜状结构连接

高尔基体的3个组成部分

高尔基体顺面网状结构

RER（蛋白质和脂类）—D—（蛋白质KDEL或HDEL）CGN；

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；

高尔基体反面网状结构

TGN中的低pH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；

处于动态变化之中

某些“晚期”的蛋白质修饰（如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工）在蛋白质与脂类的转运过程中的“瓣膜”作用，保证单向转运。

二、高尔基体的功能

高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。

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

高尔基体与细胞的分泌活动

参与细胞分泌活动：

ER上合成的蛋白质Ú

进入ER腔Ú

COPⅡ运输泡Ú

进入CGNÚ

在medialGolgi中加工Ú

在TGN形成分泌泡Ú

运输与质膜融合、排出。

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

溶酶体酶的分选：

M6PÚ

反面膜囊M6P受体：

Ｎ－乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶和Ｎ－乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶作用，将寡糖链上的甘露糖残基磷酸化，生成甘露糖6磷酸M6P

在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。

流感病毒和水泡性口炎病毒实验表明分选和转运信号仅存在与蛋白本身，如：

内质网转运中水泡性口炎病毒的双酸分选信号（Asp-X-Gln,DXE）

膜蛋白、分泌蛋白和溶酶体中的水解酶都为糖蛋白，糖基化可以：

作为分选信号、增加蛋白稳定、正确折叠、影响蛋白水溶性和电荷特性

蛋白质的糖基化类型

两种糖基化形式的比较

蛋白质糖基化的特点及其生物学意义

蛋白聚糖的合成:

多个糖胺聚糖通过木糖结合到丝氨酸上，组成细胞外基质成分，参与植物细胞壁的形成，合成纤维素和果胶质

糖脂也以类似的方式合成

N-乙酰葡萄胺

N-乙酰半乳糖胺

甘露糖

Asn-X-Ser/Thr

N-乙酰神经胺

半乳糖

脱氧半乳聚糖

高尔基体内

内质网和高尔基体的转运过程

糖基化原料核苷单糖通过载体蛋白的对向协同运输到高尔基体内

53

蛋白质糖基化的两种类型比较

特征

N-连接

O-连接

合成部位

粗面内质网

主要在高尔基体

合成方式

来自同一个

寡糖前体

一个个单糖加上去，最后加上一个唾液酸TNG

与之结合的氨基酸残基

天冬酰氨

丝氨酸、苏氨酸、羟脯、羟赖

最终长度

至少5个糖残基

1-4个糖残基

第一个糖残基

N-乙酰葡萄糖胺

复杂N连接还含有岩藻糖、半乳糖和唾液酸（7－11）

糖加工有观点酶为膜蛋白，核苷酸单糖转运位于线粒体和CNG、半乳糖苷转移酶位于高尔基体反面膜囊中、唾液酸转移酶位于高尔基反面膜囊和TNG中

蛋白质糖基化的特点及其生物学意义

溶酶体中的水解酶类、多数细胞膜上的膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白，而在细胞质基质和细胞核中绝大多数蛋白质都没有糖基化修饰。

糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。

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；

多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。

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，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。

蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型

无生物活性的蛋白质Ú

高尔基体Ú

切除N-端或两端的序列Ú

成熟的多肽。

蛋白质前体Ú

水解Ú

同种有活性的多肽，如神经肽等。

含有不同信号序列的蛋白质前体Ú

加工成不同的产物。

同一种蛋白质前体Ú

不同细胞以不同的方式加工Ú

不同的多肽。

硫酸化：

3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸PAPS（胞质－高尔基体）硫酸根转移给酪氨酸残基，主要发生在蛋白聚糖上

加工方式多样性的可能原因：

确保小肽分子的有效合成；

弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；

有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。

三、高尔基体与细胞内的膜泡运输

一、溶酶体的结构类型

溶酶体的类型

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；

膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。

溶酶体的标志酶：

酸性磷酸酶（acidphosphatase），借此可辨认溶酶体

植物的液泡与动物的溶酶体有类似的功能

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（heterogenous）的细胞器。

初级溶酶体（primarylysosome）

次级溶酶体（secondarylysosome）

自噬溶酶体（autophagolysosome）

异噬溶酶体（phagolysosome）

残余体（residualbody），又称后溶酶体。

残余体

又称后溶酶体post-lysosome

初级溶酶体

次级溶酶体

二、溶酶体的功能

溶酶体的主要作用消化作用，是细胞内的消化器官，通过吞噬作用、胞饮作用、自噬作用获得不同来源物质。

清除无用的大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞

防御功能:

如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解

其它重要的生理功能

溶酶体与疾病

病毒对溶酶体的利用

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：

如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素

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。

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

溶酶体吞入了不能消化的成分，从而造成溶酶体膜破裂，释放出其中的水解酶，最终导致细胞死亡。

如肺部细胞吞噬二氧化硅所引起的矽肺和石棉肺。

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）

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

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

M6P

N-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

不依赖M6P

单糖二核苷酸-N-乙酰葡萄糖胺

N-乙酰葡萄糖胺转移酶

甘露糖残基

磷酸葡糖苷酶

单糖二核苷酸

高甘露糖寡糖

高尔基体→细胞膜→酪氨酸残基信号→溶酶体→

细胞基质中的巯基蛋白酶和天冬氨酸蛋白酶→水溶性酶

分泌溶酶体

细胞毒T细胞和自然杀伤体细胞

含蛋白孔素

粒酶

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（如某些酸性磷酸酶、分泌溶酶体的孔蛋白酶和粒酶）

溶酶体膜上的跨膜蛋白的分选不涉及M6P途径，它是依赖于自身的氨基酸残基信号进行分选的。

信号斑：

溶酶体酶的三级结构的形成的识别信号

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

过氧化物酶体和溶酶体的区别

过氧化物酶体和溶酶体的差别

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

过氧化物酶体与初级溶酶体的作用比较

形态大小

多为球形，直径0.2-0.5μm，无酶晶体

球形，哺乳动物中直径多为0.15-0.25μm，内常有酶晶体

酶种类

酸性水解酶

含氧化酶类

pH值

5左右

7左右

是否需氧

不需要

需要

功能

细胞内的消化作用

多种功能

发生

酶在粗面内质网形成经高尔基体出芽形成

酶在细胞质中合成经分裂装配形成

标志酶

酸性磷酸酶

过氧化氢酶

动物细胞（肝细胞或肾细胞）中的过氧化物酶体过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分（甲醇、酒精→乙醛酸）起到解毒的作用。

过氧化物酶体分解脂肪酸产生乙酰辅酶A供细胞利用热量（非ATP形式）

含有的黄素氧化酶和过氧化氢酶使细胞免受H2O2伤害

在植物细胞中过氧化物酶体的功能：

在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应；

乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸Ú

乙酰辅酶AÚ

琥珀酸Ú

葡萄糖。

过氧化物酶体经分裂后形成子代的细胞器，子代的过氧化物酶体还需要进一步装配形成成熟的细胞器。

组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后转运到过氧化物酶体中。

过氧化物酶体蛋白分选的信号序列