第五章 ?細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與內(nèi)膜系統(tǒng)

第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)及其功能

一、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的含義【略】

二、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能（關(guān)于蛋白質(zhì)方面）

（一）蛋白質(zhì)修飾

在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中主要發(fā)生的修飾類型有

（1）輔酶或輔基與酶的共價(jià)結(jié)合

（2）磷酸化和去磷酸化：用以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)多種蛋白質(zhì)的生物活性，進(jìn)而快速影響到細(xì)胞代謝。被磷酸化的蛋白質(zhì)氨基酸包括酪氨酸、絲氨酸、蘇氨酸，組氨酸和賴氨酸也能被磷酸化。蛋白質(zhì)磷酸化與去磷酸化還影響細(xì)胞信號(hào)調(diào)控級(jí)聯(lián)反應(yīng)和基因轉(zhuǎn)錄活性

（3）蛋白質(zhì)糖基化作用：糖基化主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中，在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中發(fā)生的糖基化在哺乳動(dòng)物中主要是把N-乙酰葡糖胺加到蛋白質(zhì)的絲氨酸殘基的羥基上

（4）甲基化修飾：許多的細(xì)胞骨架在N端發(fā)生了甲基化修飾，以防止被細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)水解酶降解，從而使蛋白質(zhì)在細(xì)胞中維持較長的壽命。組蛋白甲基化修飾在細(xì)胞中由特異性的甲基化修飾酶催化完成，主要包括精氨酸甲基化和賴氨酸甲基化兩種情況，組蛋白甲基化修飾既可以抑制也可以增強(qiáng)基因的表達(dá)

（5）?；鹤畛Ｒ姷孽；揎検莾?nèi)置網(wǎng)上合成的跨膜蛋白再通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)生的，由不同的酶催化軟脂酸鏈共價(jià)結(jié)合到某些跨膜蛋白暴露在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)結(jié)構(gòu)域上。另一類?；揎棸l(fā)生在如src基因和ras基因這一類癌基因的表達(dá)產(chǎn)物上，這一修飾是src基因?qū)е录?xì)胞轉(zhuǎn)化所必需的

（二）控制蛋白質(zhì)壽命

在蛋白質(zhì)分子中，這種決定蛋白質(zhì)壽命的信號(hào)在蛋白質(zhì)N端第一個(gè)氨基酸殘基，若蛋白質(zhì)N端第一個(gè)氨基酸殘基是甲硫氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、丙氨酸、纈氨酸、半胱氨酸、甘氨酸或脯氨酸，蛋白質(zhì)常常是穩(wěn)定的，如果是其他的氨基酸則往往是不穩(wěn)定的

真核生物的蛋白質(zhì)合成時(shí)，N端的第一個(gè)氨基酸都是甲硫氨酸，后來在特異的氨基肽酶水解除去，然后在氨酰-tRNA蛋白轉(zhuǎn)移酶的作用下重新被加上一個(gè)穩(wěn)定或是不穩(wěn)定的氨基酸在蛋白質(zhì)N端

蛋白酶體是細(xì)胞中降解蛋白質(zhì)的大分子復(fù)合體，富含ATP依賴的蛋白酶活性；泛素是由76個(gè)氨基酸殘基組成的小分子球蛋白，具有熱穩(wěn)定性，普遍存在于真核細(xì)胞中，且序列高度保守。

在蛋白質(zhì)降解過程中多個(gè)泛素分子共價(jià)結(jié)合到含有不穩(wěn)定氨基酸殘基的蛋白質(zhì)N端，不過更常見的是與靶蛋白的賴氨酸殘基的ε氨基相連接。然后帶有泛素化標(biāo)簽的蛋白質(zhì)被蛋白酶體識(shí)別并降解。

蛋白質(zhì)的泛素化步驟包括：泛素活化酶通過形成?；?腺苷酸中介物使泛素分子C端被激活（該反應(yīng)需要ATP）；轉(zhuǎn)移活化的泛素分子與泛素結(jié)合酶的半胱氨酸殘基結(jié)合；與泛素結(jié)合蛋白相結(jié)合的泛素的羧基與靶蛋白賴氨酸側(cè)鏈的氨基之間形成異肽鏈，該反應(yīng)由泛素連接酶進(jìn)行催化完成。

【注意：泛素化不一定會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)的降解，比如說泛素化有時(shí)會(huì)被蛋白質(zhì)分子伴侶識(shí)別，從而使錯(cuò)誤折疊的蛋白重新折疊】

（三）降解變性和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)

依賴于泛素的蛋白酶體途徑

（四）幫助變性或者是錯(cuò)誤折疊的蛋白之重新折疊，形成正確的分子構(gòu)象

主要依靠分子伴侶（熱休克蛋白HSP）來完成

第二節(jié) 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)及其功能

一、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）

（一）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本構(gòu)型

糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（rER）和光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（sER）

（二）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能

1.糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能是合成分泌性蛋白和多種膜蛋白

細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)都是在核糖體上合成的，并都起始于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)游離的核糖體。有些蛋白其實(shí)不久之后便轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上并繼續(xù)合成，多肽鏈進(jìn)入糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中。用這種方式合成的蛋白質(zhì)有：

（1）向細(xì)胞外分泌的蛋白質(zhì)

（2）膜的整合蛋白：細(xì)胞質(zhì)膜上的膜蛋白及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和溶酶體膜上的膜蛋白，其構(gòu)象都具有方向性，并且在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成時(shí)就已經(jīng)確定，在后續(xù)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中其拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)始終保持不變

（3）細(xì)胞器中可溶性駐留蛋白

2.光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是脂質(zhì)合成的重要場(chǎng)所

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成細(xì)胞所需包括磷脂和膽固醇在內(nèi)的幾乎所有膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰膽堿（卵磷脂）。合成分為三步：增大膜面積；確定合成的磷脂種類。除了卵磷脂以外，其余的幾種磷脂【磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸以及磷脂酰肌醇】都以類似的方式合成。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成的磷脂幾分鐘后迅速轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面（借助磷脂轉(zhuǎn)位蛋白，即轉(zhuǎn)位酶）

3.蛋白質(zhì)的修飾和加工

發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的有蛋白質(zhì)糖基化、二硫鍵的形成、蛋白質(zhì)折疊和多亞基蛋白的裝配、特異性的蛋白質(zhì)水解

蛋白質(zhì)的糖基化指的是蛋白質(zhì)合成的同時(shí)或合成后，在酶的催化下，寡糖鏈被連接在特定的糖基化位點(diǎn)，形成糖蛋白

大多數(shù)寡糖鏈在糖基轉(zhuǎn)移酶的催化下從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上磷酸多萜醇載體轉(zhuǎn)移到靶蛋白三氨基酸殘基（天冬酰胺-隨意-絲氨酸/蘇氨酸）序列的天冬酰胺殘基上，稱之為N鏈接的糖基化，與天冬酰胺直接結(jié)合的都是N-乙酰葡萄糖胺，N連接的糖基化起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，形成高甘露糖型的糖蛋白后在轉(zhuǎn)移到高爾基體完成N-連接的糖基化修飾

另一種蛋白質(zhì)?；l(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)胞質(zhì)側(cè)，通常是軟脂酸共價(jià)結(jié)合到跨膜蛋白的半胱氨酸殘基上。類似的?；舶l(fā)生在高爾基體甚至是質(zhì)膜上，是形成脂錨定蛋白的主要方式

4.新生多肽的折疊與組裝【詳情見結(jié)構(gòu)生物化學(xué)】

5.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的其他功能

合成類固醇類激素；肌質(zhì)網(wǎng)

（三）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和信號(hào)調(diào)控

1.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)的超量積累，引發(fā)未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)（UPR）

哺乳動(dòng)物有三種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白：肌醇酶1（IRE1）、PKR（雙鏈RNA激活的蛋白質(zhì)激酶）類似的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（PERK）和激活性轉(zhuǎn)錄因子6（ATF6），這些在UPR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起到包內(nèi)感受器的作用。在正常的生理?xiàng)l件下他們與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的調(diào)控蛋白Bip/GRP78相結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合物，當(dāng)錯(cuò)誤或未折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中超量積累時(shí)這些感應(yīng)蛋白與Bip/GRP78解離，感應(yīng)ESR信號(hào)，引發(fā)三條途徑：

第一條途徑：參與UPR的關(guān)鍵蛋白質(zhì)是跨ER膜的雙功能蛋白激酶/核酸內(nèi)切酶IRE1。IRE1蛋白其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面結(jié)構(gòu)域具有Bip/GRP78的結(jié)合位點(diǎn)和絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。應(yīng)答的基本步驟如下：錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面與Bip/GRP78競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，從而使IRE1釋放并磷酸化，激活其內(nèi)切酶的活性，使基因調(diào)節(jié)蛋白前體mRNA加工，產(chǎn)生有功能的mRNA（這種加工過程發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中）。成熟的mRNA被翻譯成基因調(diào)節(jié)蛋白，再進(jìn)入細(xì)胞核作為作為轉(zhuǎn)錄因子激活那些編碼未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答反應(yīng)相關(guān)蛋白質(zhì)的基因的轉(zhuǎn)錄。并且IRE1還有核糖核酸內(nèi)切酶的活性，能切割28S rRNA，影響核糖體的裝配

第二條途徑：超量積累的錯(cuò)誤折疊蛋白激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的PKR類似的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶PERK。和雙功能跨膜蛋白IRE1一樣，PERK正常情況下與BIP相結(jié)合，在應(yīng)激時(shí)被競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合并脫落使翻譯起始因子的絲氨酸磷酸化，減緩或暫停蛋白質(zhì)的合成。同時(shí)PERK還將會(huì)激活JNK及p38信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，誘導(dǎo)UPR相關(guān)基因上調(diào)

第三條途徑：是通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激調(diào)節(jié)的ATF6完成的。ATF6最初作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白被合成，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)共價(jià)結(jié)合，當(dāng)錯(cuò)誤蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累時(shí)，ATF6被轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體，在高爾基體中被裂解激活，激活后進(jìn)入細(xì)胞核，促進(jìn)順式作用元件ERSE的轉(zhuǎn)錄因子以及UPR靶分子（Bip/GRP78）等基因轉(zhuǎn)錄

2.固醇調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)反應(yīng)是指膽固醇缺乏引發(fā)的固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白（SREBP）信號(hào)通路調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的反應(yīng)

使細(xì)胞的膽固醇變化得到監(jiān)視，以維持磷脂和膽固醇的水平

3.ERS（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激）反應(yīng)引發(fā)的細(xì)胞凋亡

細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失衡和需鈣蛋白酶、caspase-12的激活是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。具體過程如下：

當(dāng)ERS時(shí)鈣離子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放出來，胞質(zhì)中的鈣離子的含量升高，從而激活鈣離子依賴的蛋白酶calpain，calpain可以裂解多種蛋白質(zhì)底物，誘發(fā)ERS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑

二、高爾基體

（一）高爾基體中的蛋白質(zhì)糖基化

N-連接的糖基化發(fā)生在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及在通過高爾基體各膜囊間隔的傳遞過程中，寡糖鏈經(jīng)過一系列的加工、切除和添加特定的單糖，最后形成成熟的糖蛋白。所有成熟的寡糖鏈都含有兩個(gè)N-乙酰葡糖胺和三個(gè)甘露糖殘基。

O-連接的糖基化發(fā)生在高爾基體中由不同的糖基轉(zhuǎn)移酶催化，每一次加上一個(gè)單糖，最后一步時(shí)加上唾液酸殘基

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中參與糖基化及寡糖加工有關(guān)的酶都是整合膜蛋白。他們固定在細(xì)胞的不同間隔中，活性部位均位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體的腔面，其反應(yīng)底物核苷酸單糖通過載體蛋白介導(dǎo)的反向協(xié)同運(yùn)輸方式從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基囊腔中

蛋白聚糖也在高爾基體中合成，是由一個(gè)或者是多個(gè)糖胺聚糖結(jié)合到核心蛋白的絲氨酸殘基上，直接與絲氨酸殘基結(jié)合的不是N-乙酰半乳糖（與O連接的糖基化不同）而是木糖

三、溶酶體【略】

四、過氧化物酶體【略】