《细胞生物学》教案（第8次课2学时）第五章真核细胞内膜系统(Endomembrane system, Protein Sorting and Membrane trafficking)[教学要求]2.1知识目标1.熟练掌握核糖体与蛋白质合成，信号假说，内质网的功能,高尔基复合体的形态结构与功能溶酶体的功能；2.掌握内质网，溶酶体的形态结构与类型；3.了解过氧化物酶体的形态结构与功能；4.了解细胞结构体系装配的方式及其生物学意义。2.2能力目标1.讲解泛素-蛋白酶体介导的蛋白质讲解系统2.利用思维导图总结本章知识点。2.3德育目标内质网和高尔基体分别是蛋白质合成和加工的场所，这些亚细胞器体积虽小但是对细胞正常功能的发挥具有重大的作用，这些知识点可以引导学生在新时代如何学习雷锋精神，党的八大报告中对社会主义核心价值观的公民个人层面的价值准则为爱国、敬业、诚信、友善，这正与雷锋精神中的爱岗敬业、艰苦奋斗、无私奉献、助人为乐等闪光点不谋而合，结合当前疫情期间为战胜新冠病毒无私奉献的医护人员，引导当代大学生要把雷锋精神融入到日常的学习和生活中，比如做好自己的本职工作、帮助需要帮助的人，在新冠肺炎疫情期间主动去当志愿者等，在实际行动中体会到奉献的快乐和自身的社会责任及价值，每个人的力量虽小，但是大家团结起来就能够产生大能量，为社会和国家做出贡献，从而引导当代大学生树立正确的世界观、价值观、人生观和远大的人生目标，培养高水平、高素质的当代大学生[教学重点]1.内质网、高尔基体的结构特点2.溶酶体的发生及功能[教学难点]内膜系统各结构之间的关系[教学时数] 2学时[主要内容]5.1细胞质基质及其功能5.2细胞内膜系统及其功能[参考资料]翟中和．细胞生物学，第五版：北京：高等教育出版社，2020[教学内容]
《细胞生物学》教案 （第 8 次课 2 学时） 第五章 真核细胞内膜系统 （Endomembrane system, Protein Sorting and Membrane trafficking） [教学要求] 2.1 知识目标 1. 熟练掌握核糖体与蛋白质合成,信号假说,，内质网的功能,高尔基复合体的形态结构与功能, 溶酶体的功能； 2. 掌握内质网,溶酶体的形态结构与类型； 3. 了解过氧化物酶体的形态结构与功能； 4. 了解细胞结构体系装配的方式及其生物学意义。 2.2 能力目标 1. 讲解泛素-蛋白酶体介导的蛋白质讲解系统； 2. 利用思维导图总结本章知识点。 2.3 德育目标 内质网和高尔基体分别是蛋白质合成和加工的场所，这些亚细胞器体积虽小但是对细胞正常功 能的发挥具有重大的作用，这些知识点可以引导学生在新时代如何学习雷锋精神，党的十八大报告中 对社会主义核心价值观的公民个人层面的价值准则为爱国、敬业、诚信、友善，这正与雷锋精神中的 爱岗敬业、艰苦奋斗、无私奉献、助人为乐等闪光点不谋而合，结合当前疫情期间为战胜新冠病毒无 私奉献的医护人员，引导当代大学生要把雷锋精神融入到日常的学习和生活中，比如做好自己的本职 工作、帮助需要帮助的人，在新冠肺炎疫情期间主动去当志愿者等，在实际行动中体会到奉献的快乐 和自身的社会责任及价值，每个人的力量虽小，但是大家团结起来就能够产生大能量，为社会和国家 做出贡献，从而引导当代大学生树立正确的世界观、价值观、人生观和远大的人生目标，培养高水平、 高素质的当代大学生 [教学重点] 1. 内质网、高尔基体的结构特点 2. 溶酶体的发生及功能 [教学难点] 内膜系统各结构之间的关系 [教学时数] 2 学时 [主要内容] 5.1 细胞质基质及其功能 5.2 细胞内膜系统及其功能 [参考资料] 翟中和． 细胞生物学， 第五版．北京：高等教育出版社，2020． [教学内容]
细胞内区室化与内膜系统细胞内区域化（compartmentalization）：真核细胞细胞内具有发达的膜相结构，将细胞质区分成不同的隔室，称为细胞内区室化。这是真核细胞结构和功能的基本特征之一。细胞内被膜区分为3类结构：细胞质基质、内膜系统和其它由膜所包被的细胞器。细胞器（organelle）：真核细胞内各种膜包被的功能性结构。包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核。内膜系统（endomembranesystem）：细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联的由单层膜包被的细胞器或细胞结构的总称。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡和液泡等。质膜一细胞质溶酶体一线粒体一质膜糙面内质网一线粒体高尔基体多核糖体细胞核糙面内质网光面内质网过氧化酶体一高尔基体一细胞核一胞内体2 μmBA真核细胞内典型区室化特征示意图（A）与小鼠回肠Paneth细胞超微结构的一部分（B）肝细胞中细胞质基质及其它组分的数目及所占体积比细胞组分数目体积比154细胞质基质16细胞核121内质网13高尔基体1300溶酶体1200胞内体1400过氧化物酶体170022线粒体第一节细胞质基质及其功能、细胞质基质的含义细胞质基质（cytoplasmicmatrix，cytosol）：在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的液相内容物（黏稠胶体），占据着细胞质膜内和细胞核膜外的细胞内空间。细胞质基质可能是一个高1
1 细胞内区室化与内膜系统 细胞内区域化（compartmentalization）：真核细胞细胞内具有发达的膜相结构，将细胞质区分成不同 的隔室，称为细胞内区室化。这是真核细胞结构和功能的基本特征之一。细胞内被膜区分为 3 类结构： 细胞质基质、内膜系统和其它由膜所包被的细胞器。 细胞器（organelle）：真核细胞内各种膜包被的功能性结构。包括 线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和 细胞核。 内膜系统（endomembrane system）：细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联的由单层膜 包被的细胞器或细胞结构的总称。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡和液泡等。 真核细胞内典型区室化特征示意图（A）与小鼠回肠 Paneth 细胞超微结构的一部分（B） 肝细胞中细胞质基质及其它组分的数目及所占体积比 第一节 细胞质基质及其功能 一、细胞质基质的含义 细胞质基质（cytoplasmic matrix, cytosol）：在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的 液相内容物（黏稠胶体），占据着细胞质膜内和细胞核膜外的细胞内空间。细胞质基质可能是一个高
度有序且又不断变化的动态结构体系细胞质骨架纤维的组织作用：细胞质骨架纤维贯穿于细胞质基质中，起重要的组织作用，多数蛋白质直接或间接地与骨架结合，或与生物膜结合，其周围又吸附了多种分子，构成高度有序的有着精细区域化的各种复合体，以完成多种复杂的生物学功能（包括各种大分子、小分子，更主要的是它包括了细胞骨架，细胞骨架起着组织者的作用，因为它是一个细长的纤维构成的骨架系统，而且它呈立体的网络分布在液态的环境中，因此它有非常大的相对表面积，因此所谓的游离的环境下发生的各种反应实际上并不完全游离，它的固相的表面积就是就是骨架纤维起到一个锚定作用，因此理解基质，一定要把它和细胞骨架的结构联系起来，骨架就存在于细胞质基质中，在结构功能上细胞骨架起组织者作用：）二、细胞质基质的功能1.四大主要功能（1）蛋白质和脂肪酸的合成场所（许多中间代谢途径）（2）细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，贯穿其中，不仅是细胞质基质结构体系的组织者为细胞质基质中其它成分和细胞器提供锚定位点，而且与维持细胞的形态、细胞的运动、细胞内物质运输及能量传递有关（3）细胞内的膜相把细胞质基质区室化，并通过质膜或细胞器膜上的膜转运蛋白维持细胞内外的跨膜电化学梯度。（4）蛋白质的修饰和选择性降解（细胞质基质在功能上涉及很多方面，一个是蛋白质合成，即在游离核糖体上合成的蛋白，以及蛋白质完成它的功能以后，所有的蛋白分子都有一定的半寿期，不可能在细胞里是长寿的，这是控制蛋白质功能最重要的机制，所以既涉及到蛋白质的合成义涉及到蛋白质的降解：合成以后还有些可溶性蛋白如何行使功能，还涉及到一个修饰问题（一方面是正确折叠产生一个有活性的构象，另一方面是各种基团（例如甲基化、磷酸化、乙酰基化等）加上去），这些修饰意味着蛋白质在功能上会发生改变：还完成细胞里许多中间代谢反应（合成代谢，分解代谢）：）2.蛋白质的修饰和选择性降解（一）、在细胞质基质中发生的蛋白质修饰的主要类型1：辅因子与酶的共价连接2.磷酸化与去磷酸化：磷酸化位点为Ser、Thr、Tyr、His和Lys3.糖基化：把N-乙酰葡萄糖胺加到蛋白质的Ser残基的羟基上4.酰基化：把src基因编码的酪氨酸蛋白激酶与质膜上豆蔻酸共价连接：Ras的酰基化5.甲基化：对很多细胞骨架蛋白N端和组蛋白上Lys和Arg的甲基化修饰（蛋白质在细胞里面都有一定的半寿期，蛋白质必须在适合的时间合成，在特定的位点发挥功能，完成功能之后一般蛋白质都要降解，在真核细胞里面，蛋白质降解有两大途径：一个是蛋白质在细胞里被溶酶体所消化，这是一个很主要的途径，量较大：第二个是泛素和蛋白酶体介导的途径（在蛋白质的半寿期调节上非常关键）：）（二）、控制蛋白质的寿命：1.决定蛋白质寿命的信号：在蛋白质分子的氨基酸序列中，不仅含有决定蛋白质定位和功能的靶向信号和修饰信号，而且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、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro，则蛋白质往往是稳定的：若是其它氨基酸，则往往是不稳定的。2.识别并降解不稳定或错误折叠蛋白质的机制：在细胞质基质中，有一种识别并降解不稳定或错误折叠蛋白质的机制，即泛素-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径，这是“细胞给予需要损毁的蛋白质一个化学的死亡之吻”。泛素-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径具有多种生物学功能：包括蛋白质质量监控、影响细胞代谢、信号转导和受体调整、免疫反应、细胞周期、转录调节和DNA修复等。2
2 度有序且又不断变化的动态结构体系。 细胞质骨架纤维的组织作用：细胞质骨架纤维贯穿于细胞质基质中，起重要的组织作用，多数蛋白质 直接或间接地与骨架结合，或与生物膜结合，其周围又吸附了多种分子，构成高度有序的有着精细区 域化的各种复合体，以完成多种复杂的生物学功能。 （包括各种大分子、小分子，更主要的是它包括了细胞骨架，细胞骨架起着组织者的作用，因为它是 一个细长的纤维构成的骨架系统，而且它呈立体的网络分布在液态的环境中，因此它有非常大的相对 表面积，因此所谓的游离的环境下发生的各种反应实际上并不完全游离，它的固相的表面积就是就是 骨架纤维起到一个锚定作用，因此理解基质，一定要把它和细胞骨架的结构联系起来，骨架就存在于 细胞质基质中，在结构功能上细胞骨架起组织者作用；） 二、细胞质基质的功能 1. 四大主要功能 （1）蛋白质和脂肪酸的合成场所（许多中间代谢途径） （2）细胞质骨架作为细胞质基质的主要结构成分，贯穿其中，不仅是细胞质基质结构体系的组织者， 为细胞质基质中其它成分和细胞器提供锚定位点，而且与维持细胞的形态、细胞的运动、细胞内物质 运输及能量传递有关。 （3）细胞内的膜相把细胞质基质区室化，并通过质膜或细胞器膜上的膜转运蛋白维持细胞内外的跨 膜电化学梯度。 （4）蛋白质的修饰和选择性降解 （细胞质基质在功能上涉及很多方面，一个是蛋白质合成，即在游离核糖体上合成的蛋白，以及蛋白 质完成它的功能以后，所有的蛋白分子都有一定的半寿期，不可能在细胞里是长寿的，这是控制蛋白 质功能最重要的机制，所以既涉及到蛋白质的合成又涉及到蛋白质的降解；合成以后还有些可溶性蛋 白如何行使功能，还涉及到一个修饰问题（一方面是正确折叠产生一个有活性的构象，另一方面是各 种基团（例如甲基化、磷酸化、乙酰基化等）加上去），这些修饰意味着蛋白质在功能上会发生改变； 还完成细胞里许多中间代谢反应（合成代谢，分解代谢）；） 2. 蛋白质的修饰和选择性降解 （一）、在细胞质基质中发生的蛋白质修饰的主要类型 1. 辅因子与酶的共价连接 2. 磷酸化与去磷酸化：磷酸化位点为 Ser、Thr、Tyr、His 和 Lys 3. 糖基化：把 N-乙酰葡萄糖胺加到蛋白质的 Ser 残基的羟基上 4. 酰基化：把 src 基因编码的酪氨酸蛋白激酶与质膜上豆蔻酸共价连接；Ras 的酰基化 5. 甲基化：对很多细胞骨架蛋白 N 端和组蛋白上 Lys 和 Arg 的甲基化修饰 （蛋白质在细胞里面都有一定的半寿期，蛋白质必须在适合的时间合成，在特定的位点发挥功能，完 成功能之后一般蛋白质都要降解，在真核细胞里面，蛋白质降解有两大途径：一个是蛋白质在细胞里 被溶酶体所消化，这是一个很主要的途径，量较大；第二个是泛素和蛋白酶体介导的途径（在蛋白质 的半寿期调节上非常关键）； ） （二）、控制蛋白质的寿命： 1.决定蛋白质寿命的信号：在蛋白质分子的氨基酸序列中，不仅含有决定蛋白质定位和功能的靶向信 号和修饰信号，而且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、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro，则蛋白质往往是稳定的； 若是其它氨基酸，则往往是不稳定的。 2. 识别并降解不稳定或错误折叠蛋白质的机制：在细胞质基质中，有一种识别并降解不稳定或错误折 叠蛋白质的机制，即泛素-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径，这是“细胞给予需要损毁的蛋白质一个 化学的死亡之吻”。泛素-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径具有多种生物学功能：包括蛋白质质量监 控、影响细胞代谢、信号转导和受体调整、免疫反应、细胞周期、转录调节和 DNA 修复等
泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径蛋白酶体（proteasome）：真核细胞质基质中降解被泛素标记的蛋白质的26S中空桶状多亚基蛋白复合体。其中间由28种蛋白质亚基组成的20S催化核心：两端各结合一个由16~18种蛋白质亚基组成的19S调节和识别帽，其中6种亚基具有ATPase活性，负责为蛋白质降解活动提供能量。泛素（ubiquitin）：真核细胞中普遍存在的具有热稳定性的高度保守的小分子蛋白（76个氨基酸残基），通过其C端的Gly与要被降解的不稳定的或错误折叠的靶蛋白质的Lys残基的ε-氨基形成异肽键（isopeptidebond）而共价连接，并指引该靶蛋白质运到蛋白酶体中进行降解。（中间是筒状结构，大概20S大小，两边各有一个19S的帽子，就形成了一个筒状的蛋白酶体结构在细胞质中专门解决蛋白质降解问题，被降解的蛋白要有一个泛素化的标签，泛素化修饰在蛋白的某残基上，形成带上标签的蛋白质，这个蛋白注定要进入蛋白酶体被降解掉：蛋白质的泛素化是该蛋白将被降解的重要标志））泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-proteasome-mediatedpathway）：在E1（泛素活化酶）、E2（泛素结合酶或泛素载体蛋白）和E3（泛素连接酶）三种酶的催化下，通过一系列级联反应将泛素通过异肽键连接到靶蛋白上，被泛素化的靶蛋白由19S蛋白酶体帽特异性识别，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，去折叠的靶蛋白转移至20S的蛋白酶体核心腔内降解，同时释放出泛素单体以备循环利用。注意：靶蛋白通过寡聚泛素链（至少4个泛素单体）而被泛素化：与靶蛋白相连的泛素分子上不同位点的Lys残基的泛素化修饰往往会产生不同的生理效应。U6泛素AMP00PPiOATPS[E1JU19S帽UUbUb蛋白质解折登E2E2Ub20S核心3蛋白质被切割Ub胞质靶蛋白多次进行19S帽1,2,3步反应OATPOADP15/UbUbUbUbB由泛素和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径①泛素活化酶（E1）通过连接使得泛素分子被激活，该反应需要ATP：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（isopeptidebond）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：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，去折叠的蛋白转移酶移至蛋白酶体核心腔内被降解3
3 泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径 蛋白酶体（proteasome）：真核细胞质基质中降解被泛素标记的蛋白质的 26S 中空桶状多亚基蛋白复 合体。其中间由 28 种蛋白质亚基组成的 20S 催化核心；两端各结合一个由 16~18 种蛋白质亚基组成 的 19S 调节和识别帽，其中 6 种亚基具有 ATPase 活性，负责为蛋白质降解活动提供能量。 泛素（ubiquitin）：真核细胞中普遍存在的具有热稳定性的高度保守的小分子蛋白（76 个氨基酸残基）， 通过其 C 端的 Gly 与要被降解的不稳定的或错误折叠的靶蛋白质的 Lys 残基的 ε-氨基形成异肽键 （isopeptide bond）而共价连接，并指引该靶蛋白质运到蛋白酶体中进行降解。 （中间是筒状结构，大概 20S 大小，两边各有一个 19S 的帽子，就形成了一个筒状的蛋白酶体结构， 在细胞质中专门解决蛋白质降解问题，被降解的蛋白要有一个泛素化的标签，泛素化修饰在蛋白的某 一残基上，形成带上标签的蛋白质，这个蛋白注定要进入蛋白酶体被降解掉；蛋白质的泛素化是该蛋 白将被降解的重要标志） ） 泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-proteasome-mediated pathway ）：在 E1（泛素活化 酶）、E2（泛素结合酶或泛素载体蛋白）和 E3（泛素连接酶）三种酶的催化下，通过一系列级联反应 将泛素通过异肽键连接到靶蛋白上，被泛素化的靶蛋白由 19S 蛋白酶体帽特异性识别，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，去折叠的靶蛋白转移至 20S 的蛋白酶体核心腔内 降解，同时释放出泛素单体以备循环利用。 注意：靶蛋白通过寡聚泛素链（至少 4 个泛素单体）而被泛素化；与靶蛋白相连的泛素分子上不同位 点的 Lys 残基的泛素化修饰往往会产生不同的生理效应。 由泛素和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径 ①泛素活化酶（E1）通过连接使得泛素分子被激活，该反应需要 ATP；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；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，去折叠的蛋白转移酶移 至蛋白酶体核心腔内被降解
（三）、降解异常或畸形的蛋白质：细胞质基质中的变性的、错误折叠的、多肽链不完整的、含有被氧化或其它非正常修饰氨基酸的蛋白质，：也常常很快被降解清除。这可能涉及对异常或畸形蛋白质所暴露出来的氨基酸疏水基团的识别，并由此启动对蛋白质N端第一个氨基酸残基的作用，结果形成了N端不稳定信号，同样被泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径彻底降解。（四）、帮助变性或错误折叠的蛋白质重新正确折叠：分子伴侣（chaperone，molecularchaperon）是一种与其他多肽或蛋白质结合的蛋白质，协助细胞内蛋白质合成、折叠、装配与分选。热休克蛋白（HSP，heatshockprotein）是普遍存在的分子伴侣，如HSP100、HSP90、HSP70、HSP60和sHSP（小HSP）。陪伴蛋白（chaperonin）是HSP60家族中的成员，如GroEL，由14个亚基形成的柱形复合物，在其内部空间帮助其他蛋白质进行正确折叠。（细胞质基质研究的难度很大，一些有结构的分子可以利用差速离心的方法将其分离出来，而细胞质基质是溶胶状态，细胞一破碎它就跑了，因为它与提取细胞、洗涤细胞的介质很容易溶在一起，因此很难确切地将其研究明白；细胞质基质占高达54%的比例，从功能上来说也是非常关键的，但是对它的研究比研究一个细胞器要麻烦的多，这部分内容作为一个尚未解决或未彻底解决的问题，为大家进一步学习提供一个联想的知识点；）(1)蛋白质在细胞质基质中的分选及其转运机制的研究（Proteinsortingandtransportationincytosol;）(2)与细胞骨架相关的功能（functionsrelatedwithcytoskeleton:shape,movement改变细胞的形状及运动MTmicrotubulemediatedtransport微管介导的转运，provideanchorsite给一些有功能的生物大分子提供锚定位点，）(3)调节代谢环境的稳态，主要是PH值的调节（regulatedPHincytosolbycotransporters，tomaintenacehomeostasis稳态ofenvironment；）（细胞内大分子复合物的装配、降解等受到PH值环境的影响，维持内环境的稳定）(4)蛋白质的修饰、折叠、选择性降解（modify，foldingandselectivedegradationofproteins，）第二节细胞内膜系统及其功能内膜系统（endomembranesystem）：细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联的由单层膜包被的细胞器或细胞结构的总称。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡和液泡等。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，具有核外遗传的特性。真核细胞细胞内的区域化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力学特征不同的细胞器之间靠一些膜泡来联系，通过膜泡从一个结构转运到另一个结构，膜泡在不同区域的转移，就在真核细胞里形成一个膜流，例如胞吞或胞吐两种不同的途径生物合成途径分泌途径胞吞途径4
4 （三）、降解异常或畸形的蛋白质：细胞质基质中的变性的、错误折叠的、多肽链不完整的、含有被 氧化或其它非正常修饰氨基酸的蛋白质，也常常很快被降解清除。这可能涉及对异常或畸形蛋白质所 暴露出来的氨基酸疏水基团的识别，并由此启动对蛋白质 N 端第一个氨基酸残基的作用，结果形成了 N 端不稳定信号，同样被泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径彻底降解。 （四）、帮助变性或错误折叠的蛋白质重新正确折叠：分子伴侣（chaperone，molecular chaperon）是 一种与其他多肽或蛋白质结合的蛋白质，协助细胞内蛋白质合成、折叠、装配与分选。热休克蛋白（HSP， heat shock protein）是普遍存在的分子伴侣，如 HSP100、HSP90、HSP70、HSP60 和 sHSP（小 HSP）。 陪伴蛋白（chaperonin）是 HSP60 家族中的成员，如 GroEL，由 14 个亚基形成的柱形复合物，在其内 部空间帮助其他蛋白质进行正确折叠。 (细胞质基质研究的难度很大，一些有结构的分子可以利用差速离心的方法将其分离出来，而细胞 质基质是溶胶状态，细胞一破碎它就跑了，因为它与提取细胞、洗涤细胞的介质很容易溶在一起，因 此很难确切地将其研究明白；细胞质基质占高达 54%的比例，从功能上来说也是非常关键的，但是对 它的研究比研究一个细胞器要麻烦的多，这部分内容作为一个尚未解决或未彻底解决的问题，为大家 进一步学习提供一个联想的知识点；) ⑴蛋白质在细胞质基质中的分选及其转运机制的研究（Protein sorting and transportation in cytosol;） ⑵与细胞骨架相关的功能（functions related with cytoskeleton: shape, movement 改变细胞的形状及运动, MT microtubule mediated transport 微管介导的转运, provide anchor site 给一些有功能的生物大分子提供 锚定位点;） ⑶调节代谢环境的稳态，主要是 PH 值的调节（regulated PH in cytosol by cotransporters, to maintenace homeostasis 稳态 of environment;）（细胞内大分子复合物的装配、降解等受到 PH 值环境的影响，维 持内环境的稳定） ⑷蛋白质的修饰、折叠、选择性降解（modify, folding and selective degradation of proteins;） 第二节 细胞内膜系统及其功能 内膜系统（endomembrane system）： 细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联的由单层膜包被的细胞器或细胞结构的 总称。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡和液泡等。 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，具有核外遗传的特性。 真核细胞细胞内的区域化 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 内膜系统的动力学特征 不同的细胞器之间靠一些膜泡来联系，通过膜泡从一个结构转运到另一个结构，膜泡在不同区域 的转移，就在真核细胞里形成一个膜流，例如胞吞或胞吐两种不同的途径 生物合成途径 分泌途径 胞吞途径
分选信号研究细胞的分泌途径的技术(1)早期研究用的是脉冲追踪标记与放射自显影(Pulse-chaselabellingandautoradiography；）（代表人物DeDuve.AClaudeandG.Palade.1974NobelPrize.；研究蛋白质合成、转运的动态过程，用氛标记的亮标记20分钟，再用氨酸作为蛋白质合成的前体之一，然后放入细胞培养基中，培养的是胰腺细胞，不带标记的培养基洗细胞，然后再放入正常培养基中培养，研究其插入部分的轨迹，然后在不同时间点3分钟，20分钟，120分钟取材，做超薄切片，用X光底片曝光，进行放射自显影，发现其最先出现在内质网，然后到高尔基体，最后进入分泌泡；说明蛋白质合成的起始位点是在糙面内质网上，转移过程加工是在高尔基体，然后进入分泌泡后，分泌泡作为储存颗粒可能再分泌到细胞外）UA20min120min3min(b)(c)(d)(2)VSVG-GFP转运途径（TransportofVSVG-GFPthroughthesecretorypathway）
5 分选信号 研究细胞的分泌途径的技术 ⑴早期研究用的是脉冲追踪标记与放射自显影(Pulse-chase labelling and autoradiography; )（代表人物 De Duve.A Claude and G. Palade.1974 Nobel Prize.；研究蛋白质合成、转运的动态过程，用氚标记的亮 氨酸作为蛋白质合成的前体之一，然后放入细胞培养基中，培养的是胰腺细胞，标记 20 分钟，再用 不带标记的培养基洗细胞，然后再放入正常培养基中培养，研究其插入部分的轨迹，然后在不同时间 点 3 分钟，20 分钟，120 分钟取材，做超薄切片，用 X 光底片曝光，进行放射自显影，发现其最先出 现在内质网，然后到高尔基体，最后进入分泌泡；说明蛋白质合成的起始位点是在糙面内质网上，转 移过程加工是在高尔基体，然后进入分泌泡后，分泌泡作为储存颗粒可能再分泌到细胞外) ⑵ VSVG-GFP 转运途径（Transport of VSVG-GFP through the secretory pathway）
O min40 min180 minERGolgiPlasmamembrane( GFPlabeledVSV-G(vesicularstomatitisvirusglycoprotein泡状炎病毒糖蛋白：Microscopyinlivingcells）（将病毒或与GFP融合基因转染细胞，病毒利用宿主细胞的机器合成病毒的蛋白，病毒蛋白特定性地转移到细胞膜上，用荧光显微镜观察其动态变化；）(3)组分特异性的寡糖修饰检测技术(Detectionofcompartment-specificoligosaccharidemodifications)有些蛋白质分子在转运过程中会存在些组分特异性的寡糖修饰，变成糖蛋白，在修饰过程中可能既涉及到内质网又涉及到高尔基体，完成一个糖蛋白的寡糖链的形成，这个过程是可以用来检测的。内切糖售剪口一抗性与敏感性比较C.J.Beckersetal:Cell50.523(1987)（内质网合成的糖蛋白带上一个基础核心糖链，红色的是2个N-乙酰葡糖胺，连到天门冬氨酸，圆圈是甘露糖，然后3个甘露糖被切除（在进入高尔基体的顺面膜囊时被切），糖的组成发生了变化，然后将糖蛋白从细胞匀浆里提取出来，其在内质网的组成是8个甘露糖，2个N-乙酰葡糖胺，在高尔基体的顺面膜囊区的组成是，5个甘露糖，2个N-乙酰葡糖胺；还涉及到一个酶，endoglycosidase内切糖苷酶D，左图是抗性的不被切掉，右图被切掉，可据此判断糖基化发生在什么地方：）（温度敏感性突变株，是mutant做的，现在在酵母里发现了很多，在32度是一个允许温度，到40度就产生功能缺失：因此可利用酵母细胞的突变体（单突变、双突变）来研究这个过程，知道哪一步发生了什么反应）(4)用酵母突变体来确认在膜泡转运过程当中它的阶段和组分的变化(Yeastmutantsdefinemajorstagesandmanycomponents invesiculartransport(temperature-sensitivesecretionmutants))现在根据酵母细胞突变体研究蛋白质的合成、转运以及以膜泡的形式在里面合成蛋白作分选的时候，它分了哪些阶段，涉及到哪些变化，找到了5种类型的突变体，有的可能是单突变，有的可能是多突变，都是温度敏感型突变：酵母是真核细胞，它在允许温度和非允许温度下功能是不一样的6
6 （ GFP labeled VSV-G(vesicular stomatitis virus glycoprotein 泡状口炎病毒糖蛋白；Microscopy in living cells) (将病毒或与 GFP 融合基因转染细胞，病毒利用宿主细胞的机器合成病毒的蛋白，病毒蛋白特定性地 转移到细胞膜上，用荧光显微镜观察其动态变化；) ⑶组分特异性的寡糖修饰检测技术(Detection of compartment-specific oligosaccharide modifications) 有些蛋白质分子在转运过程中会存在一些组分特异性的寡糖修饰，变成糖蛋白，在修饰过程中可 能既涉及到内质网又涉及到高尔基体，完成一个糖蛋白的寡糖链的形成，这个过程是可以用来检测的。 （内质网合成的糖蛋白带上一个基础核心糖链，红色的是 2 个 N-乙酰葡糖胺，连到天门冬氨酸，圆圈 是甘露糖，然后 3 个甘露糖被切除（在进入高尔基体的顺面膜囊时被切），糖的组成发生了变化，然 后将糖蛋白从细胞匀浆里提取出来，其在内质网的组成是 8 个甘露糖，2 个 N-乙酰葡糖胺，在高尔基 体的顺面膜囊区的组成是，5 个甘露糖，2 个 N-乙酰葡糖胺；还涉及到一个酶，endoglycosidase 内切 糖苷酶 D，左图是抗性的不被切掉，右图被切掉，可据此判断糖基化发生在什么地方；） （温度敏感性突变株，是 mutant 做的，现在在酵母里发现了很多，在 32 度是一个允许温度，到 40 度 就产生功能缺失；因此可利用酵母细胞的突变体（单突变、双突变）来研究这个过程，知道哪一步发 生了什么反应）。 ⑷用酵母突变体来确认在膜泡转运过程当中它的阶段和组分的变化(Yeast mutants define major stages and many components in vesicular transport(temperature-sensitive secretion mutants)) 现在根据酵母细胞突变体研究蛋白质的合成、转运以及以膜泡的形式在里面合成蛋白作分选的时 候，它分了哪些阶段，涉及到哪些变化，找到了 5 种类型的突变体，有的可能是单突变，有的可能是 多突变，都是温度敏感型突变；酵母是真核细胞，它在允许温度和非允许温度下功能是不一样的；
Class BClassCClessEClass AClass DGolgFateofNormalAccumulationAccumulationAccumulationAccumulationAccumulationsecretedsecretioninthe cytosolinroughERinER-to-Golgin GolgiinsecretoryproteinstransportvesiclesvesiclesDofectiveBuddinTranspontfrorTranspFusionTranfundionintotheERvesicdes fromn0OdesfromGolgitesecretory vesiclesFEtheroughERwithGolgsecretoryto cell surfacevesidesPNovcketaLCe125:461(1981kC.KA.Kaisetetal.Cel61:723(1990)（积累到具体的位置及缺失的功能）(5)无细胞系统可以对膜泡转运过程作出分析（Cell-freetransportassaysallowdissectionofindividualstepsin vesicular transport.)无细胞系统（cellfreesystem）：是一种体外实验工具，用于研究生物发生反应；来源于细胞，而不具有完整的细胞结构，但包含了进行正常生物学反应所需的物质（如供能系统和酶反应体系等）组成的体系。cis-Golgimedial-Golgitrens-GolgiW-AcetyineuraminicacidGproteinN-Acetylglucosamine科艺麒池经鼠做transferaselreactionvsv-intectedwilld-type cells0vsv-infededmutanttellsN-AcetylglucosamineoaGalacloseinoN-acetyiglucosamine=Mannose+=N-AcetyineuraminicacidtransferaselCen39:405:3Cel39.511:Science276:1212（哺乳类细胞作为宿主细胞，用泡状口炎病毒糖蛋白作为观察的靶蛋白，看其糖基化过程的变化，涉及到N-乙酰葡糖胺转移酶，N-乙酰神经氨酸；从高尔基体的顺面膜囊到中间膜囊再到反式膜囊）内膜系统各区室之间，通过生物合成、蛋白质修饰与分选、膜泡运输和各种质量监控机制，维系其系统的动态平衡。7
7 （积累到具体的位置及缺失的功能） ⑸无细胞系统可以对膜泡转运过程作出分析(Cell-free transport assays allow dissection of individual steps in vesicular transport.) 无细胞系统（cell free system）：是一种体外实验工具，用于研究生物发生反应；来源于细胞，而不具 有完整的细胞结构，但包含了进行正常生物学反应所需的物质（如供能系统和酶反应体系等）组成的 体系。 （哺乳类细胞作为宿主细胞，用泡状口炎病毒糖蛋白作为观察的靶蛋白，看其糖基化过程的变化，涉 及到 N-乙酰葡糖胺转移酶，N-乙酰神经氨酸；从高尔基体的顺面膜囊到中间膜囊再到反式膜囊） 内膜系统各区室之间，通过生物合成、蛋白质修饰与分选、膜泡运输和各种质量监控机制，维系其系 统的动态平衡
一、内质网二、高尔基体三、溶酶体四、过氧化物酶体一、内质网内质网（endoplasmicreticulum，ER）：内质网是由小管、囊泡和扁平囊互相沟通形成的三维网络结构。它是真核细胞中最普遍、最多变和适应性最强的细胞器。1945年，有人在细胞质的内质部分首次观察到有网状结构。内质网的两种基本类型糙面内质网（roughendoplasmicreticulum，rER）：糙面内质网多呈扁平膜囊状，排列较为整齐，因其膜表面附着有大量的核糖体而得名，主要功能是合成分泌性蛋白、膜整合蛋白、溶酶体蛋白以及膜脂分子。糙面内质网膜上有一种蛋白质复合物"通道”被称为移位子（translocon），其功能与新合成的多肽转移有关。在代谢旺盛的细胞内，糙面内质网总是与线粒体紧密相依，可能与线粒体供能、脂质转移以及Ca2+释放的调节密切相关。光面内质网（smoothendoplasmicreticulum，sER）：没有附着核糖体的内质网部分。光面内质网常呈分支管状，形成较为复杂的立体结构，膜表面没有附着有核糖体，主要功能包括脂质合成、类固醇激素的合成、有机物的解毒、将葡萄糖-6-磷酸迅速转化成葡萄糖以及Ca2+的储存等。光面内质网只是内质网这种连续结构的一小部分，也没有糙面内质网复杂，往往作为出芽的位点，把内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体内。在内质网上，可能存在某些特殊的装置，将光面内质网与糙面内质网隔开，并维持其形态。内质网可能由细胞膜演化而来，并且与核膜在发生上有同源关系。光面内质网与高尔基体在结构、功能与发生上的关系更为密切内质网对外界因素的作用非常敏感，尤其是糙面内质网A：糙面内质网8
8 一、内质网 二、高尔基体 三、溶酶体 四、过氧化物酶体 一、内质网 内质网（endoplasmic reticulum，ER）：内质网是由小管、囊泡和扁平囊互相沟通形成的三维网络结构。 它是真核细胞中最普遍、最多变和适应性最强的细胞器。1945 年，有人在细胞质的内质部分首次观察 到有网状结构。 内质网的两种基本类型 糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER）： 糙面内质网多呈扁平膜囊状，排列较为整齐，因其膜表面附着有大量的核糖 体而得名，主要功能是合成分泌性蛋白、膜整合蛋白、溶酶体蛋白以及膜脂分子。 糙面内质网膜上有一种蛋白质复合物“通道” 被称为移位子（translocon），其 功能与新合成的多肽转移有关。 在代谢旺盛的细胞内，糙面内质网总是与线粒体紧密相依，可能与线粒体供 能、脂质转移以及 Ca2+释放的调节密切相关。 光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）： 没有附着核糖体的内质网部分。光面内质网常呈分支管状，形成较为复杂的 立体结构 ，膜表面没有附着有核糖体，主要功能包括脂质合成、类固醇激素的合成、有机物的解 毒、将葡萄糖-6-磷酸迅速转化成葡萄糖以及 Ca2+的储存等。 光面内质网只是内质网这种连续结构的一小部分，也没有糙面内质网复杂， 往往作为出芽的位点，把内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体内。 在内质网上，可能存在某些特殊的装置，将光面内质网与糙面内质网隔开， 并维持其形态。 内质网可能由细胞膜演化而来，并且与核膜在发生上有同源关系。光面内质 网与高尔基体在结构、功能与发生上的关系更为密切。 内质网对外界因素的作用非常敏感，尤其是糙面内质网。 A：糙面内质网
B：光面内质网C：内质网的分布：绿色为“糙面和光面”：黄色为“糙面”微粒体（microsome）：微粒体是在细胞匀浆和超速离心过程中由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，在生化和研究中常常把它与内质网等同看待。3Hn（Microsome微粒体(100-200nm），上图sER，下图rER）(Microsomesareheterogeneousmixturesofsimilar-sizedvesicles,formedfrommembranesoftheERandGolgi complex,Microsomes retain activity during purification,allowing studies offunction and composition)（蛋白质合成、信号假说并不是用内质网而是用微粒体；微粒体如何制备：细胞匀浆后用差速离心的方法分离出糙面内质网，光面内质网、高尔基体、小的囊泡：带有颗粒的就是糙面内质网，不带颗粒的小泡包括光面内质网和高尔基体的囊泡；微粒体是内质网的结构基础）（microbody微体是细胞里真正独立存在的细胞器，例如过氧化物酶体等)（糙面内质网的功能（FunctionsoftherER）1糙面内质网上合成的蛋白有哪些（ProteinssynthesizedonribosomesofrERinclude:secretoryproteins9
9 B：光面内质网 C：内质网的分布：绿色为“糙面和光面” ；黄色为“糙面” 微粒体（microsome）：微粒体是在细胞匀浆和超速离心过程中由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡 结构，在生化和研究中常常把它与内质网等同看待。 （Microsome 微粒体(100-200nm); 上图 sER; 下图 rER;） (Microsomes are heterogeneous mixtures of similar-sized vesicles, formed from membranes of the ER and Golgi complex, Microsomes retain activity during purification, allowing studies of function and composition) （蛋白质合成、信号假说并不是用内质网而是用微粒体；微粒体如何制备：细胞匀浆后用差速离心的 方法分离出糙面内质网，光面内质网、高尔基体、小的囊泡；带有颗粒的就是糙面内质网，不带颗粒 的小泡包括光面内质网和高尔基体的囊泡；微粒体是内质网的结构基础）(microbody 微体是细胞里真 正独立存在的细胞器，例如过氧化物酶体等) ㈡糙面内质网的功能（Functions of the rER） 1 糙面内质网上合成的蛋白有哪些（Proteins synthesized on ribosomes of rER include: secretory proteins;