细胞生物学（3）
第五章 细胞质基质与内膜系统
第一节 细胞质基质及其功能
一、细胞质基质的含义【略】
二、细胞质基质的功能（关于蛋白质方面）
（一）蛋白质修饰
在细胞质基质中主要发生的修饰类型有
（1）辅酶或辅基与酶的共价结合
（2）磷酸化和去磷酸化：用以调节细胞内多种蛋白质的生物活性，进而快速影响到细胞代谢。被磷酸化的蛋白质氨基酸包括酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸，组氨酸和赖氨酸也能被磷酸化。蛋白质磷酸化与去磷酸化还影响细胞信号调控级联反应和基因转录活性
（3）蛋白质糖基化作用：糖基化主要发生在内质网和高尔基体中，在细胞质基质中发生的糖基化在哺乳动物中主要是把N-乙酰葡糖胺加到蛋白质的丝氨酸残基的羟基上
（4）甲基化修饰：许多的细胞骨架在N端发生了甲基化修饰，以防止被细胞内的蛋白质水解酶降解，从而使蛋白质在细胞中维持较长的寿命。组蛋白甲基化修饰在细胞中由特异性的甲基化修饰酶催化完成，主要包括精氨酸甲基化和赖氨酸甲基化两种情况，组蛋白甲基化修饰既可以抑制也可以增强基因的表达
（5）酰基化：最常见的酰基化修饰是内置网上合成的跨膜蛋白再通过内质网和高尔基体的转运过程中发生的，由不同的酶催化软脂酸链共价结合到某些跨膜蛋白暴露在细胞质基质侧结构域上。另一类酰基化修饰发生在如src基因和ras基因这一类癌基因的表达产物上，这一修饰是src基因导致细胞转化所必需的
（二）控制蛋白质寿命
在蛋白质分子中，这种决定蛋白质寿命的信号在蛋白质N端第一个氨基酸残基，若蛋白质N端第一个氨基酸残基是甲硫氨酸、丝氨酸、苏氨酸、丙氨酸、缬氨酸、半胱氨酸、甘氨酸或脯氨酸，蛋白质常常是稳定的，如果是其他的氨基酸则往往是不稳定的
真核生物的蛋白质合成时，N端的第一个氨基酸都是甲硫氨酸，后来在特异的氨基肽酶水解除去，然后在氨酰-tRNA蛋白转移酶的作用下重新被加上一个稳定或是不稳定的氨基酸在蛋白质N端
蛋白酶体是细胞中降解蛋白质的大分子复合体，富含ATP依赖的蛋白酶活性；泛素是由76个氨基酸残基组成的小分子球蛋白，具有热稳定性，普遍存在于真核细胞中，且序列高度保守。
在蛋白质降解过程中多个泛素分子共价结合到含有不稳定氨基酸残基的蛋白质N端，不过更常见的是与靶蛋白的赖氨酸残基的ε氨基相连接。然后带有泛素化标签的蛋白质被蛋白酶体识别并降解。
蛋白质的泛素化步骤包括：泛素活化酶通过形成酰基-腺苷酸中介物使泛素分子C端被激活（该反应需要ATP）；转移活化的泛素分子与泛素结合酶的半胱氨酸残基结合；与泛素结合蛋白相结合的泛素的羧基与靶蛋白赖氨酸侧链的氨基之间形成异肽链，该反应由泛素连接酶进行催化完成。
【注意：泛素化不一定会导致蛋白质的降解，比如说泛素化有时会被蛋白质分子伴侣识别，从而使错误折叠的蛋白重新折叠】
（三）降解变性和错误折叠的蛋白质
依赖于泛素的蛋白酶体途径
（四）帮助变性或者是错误折叠的蛋白之重新折叠，形成正确的分子构象
主要依靠分子伴侣（热休克蛋白HSP）来完成
第二节 细胞内膜系统及其功能
一、内质网（ER）
（一）内质网的两种基本构型
糙面内质网（rER）和光面内质网（sER）
（二）内质网的功能
1.糙面内质网的主要功能是合成分泌性蛋白和多种膜蛋白
细胞内的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都起始于细胞质基质游离的核糖体。有些蛋白其实不久之后便转移到内质网膜上并继续合成，多肽链进入糙面内质网腔中。用这种方式合成的蛋白质有：
（1）向细胞外分泌的蛋白质
（2）膜的整合蛋白：细胞质膜上的膜蛋白及内质网、高尔基体和溶酶体膜上的膜蛋白，其构象都具有方向性，并且在内质网上合成时就已经确定，在后续的转运过程中其拓扑学性质始终保持不变
（3）细胞器中可溶性驻留蛋白
2.光面内质网是脂质合成的重要场所
内质网合成细胞所需包括磷脂和胆固醇在内的几乎所有膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。合成分为三步：增大膜面积；确定合成的磷脂种类。除了卵磷脂以外，其余的几种磷脂【磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸以及磷脂酰肌醇】都以类似的方式合成。在内质网膜上合成的磷脂几分钟后迅速转移到内质网腔面（借助磷脂转位蛋白，即转位酶）
3.蛋白质的修饰和加工
发生在内质网上的有蛋白质糖基化、二硫键的形成、蛋白质折叠和多亚基蛋白的装配、特异性的蛋白质水解
蛋白质的糖基化指的是蛋白质合成的同时或合成后，在酶的催化下，寡糖链被连接在特定的糖基化位点，形成糖蛋白
大多数寡糖链在糖基转移酶的催化下从内质网膜上磷酸多萜醇载体转移到靶蛋白三氨基酸残基（天冬酰胺-随意-丝氨酸/苏氨酸）序列的天冬酰胺残基上，称之为N链接的糖基化，与天冬酰胺直接结合的都是N-乙酰葡萄糖胺，N连接的糖基化起始于内质网，形成高甘露糖型的糖蛋白后在转移到高尔基体完成N-连接的糖基化修饰
另一种蛋白质酰基化发生在内质网胞质侧，通常是软脂酸共价结合到跨膜蛋白的半胱氨酸残基上。类似的酰基化也发生在高尔基体甚至是质膜上，是形成脂锚定蛋白的主要方式
4.新生多肽的折叠与组装【详情见结构生物化学】
5.内质网的其他功能
合成类固醇类激素；肌质网
（三）内质网应激和信号调控
1.内质网腔内未折叠或错误折叠的蛋白质的超量积累，引发未折叠蛋白质应答反应（UPR）
哺乳动物有三种内质网跨膜蛋白：肌醇酶1（IRE1）、PKR（双链RNA激活的蛋白质激酶）类似的内质网激酶（PERK）和激活性转录因子6（ATF6），这些在UPR信号转导中起到包内感受器的作用。在正常的生理条件下他们与内质网腔中的调控蛋白Bip/GRP78相结合，形成稳定的复合物，当错误或未折叠的蛋白质在内质网中超量积累时这些感应蛋白与Bip/GRP78解离，感应ESR信号，引发三条途径：
第一条途径：参与UPR的关键蛋白质是跨ER膜的双功能蛋白激酶/核酸内切酶IRE1。IRE1蛋白其内质网腔面结构域具有Bip/GRP78的结合位点和丝氨酸/苏氨酸激酶活性。应答的基本步骤如下：错误折叠蛋白质在内质网腔面与Bip/GRP78竞争性结合，从而使IRE1释放并磷酸化，激活其内切酶的活性，使基因调节蛋白前体mRNA加工，产生有功能的mRNA（这种加工过程发生在细胞质基质中）。成熟的mRNA被翻译成基因调节蛋白，再进入细胞核作为作为转录因子激活那些编码未折叠蛋白质应答反应相关蛋白质的基因的转录。并且IRE1还有核糖核酸内切酶的活性，能切割28S rRNA，影响核糖体的装配
第二条途径：超量积累的错误折叠蛋白激活内质网膜上的PKR类似的内质网激酶PERK。和双功能跨膜蛋白IRE1一样，PERK正常情况下与BIP相结合，在应激时被竞争性结合并脱落使翻译起始因子的丝氨酸磷酸化，减缓或暂停蛋白质的合成。同时PERK还将会激活JNK及p38信号转导通路，诱导UPR相关基因上调
第三条途径：是通过内质网应激调节的ATF6完成的。ATF6最初作为内质网跨膜蛋白被合成，与内质网共价结合，当错误蛋白在内质网中积累时，ATF6被转运至高尔基体，在高尔基体中被裂解激活，激活后进入细胞核，促进顺式作用元件ERSE的转录因子以及UPR靶分子（Bip/GRP78）等基因转录
2.固醇调节级联反应是指胆固醇缺乏引发的固醇调控元件结合蛋白（SREBP）信号通路调节基因转录的反应
使细胞的胆固醇变化得到监视，以维持磷脂和胆固醇的水平
3.ERS（内质网应激）反应引发的细胞凋亡
细胞内钙稳态失衡和需钙蛋白酶、caspase-12的激活是关键环节。具体过程如下：
当ERS时钙离子从内质网释放出来，胞质中的钙离子的含量升高，从而激活钙离子依赖的蛋白酶calpain，calpain可以裂解多种蛋白质底物，诱发ERS介导的细胞凋亡途径
二、高尔基体
（一）高尔基体中的蛋白质糖基化
N-连接的糖基化发生在糙面内质网，在糙面内质网以及在通过高尔基体各膜囊间隔的传递过程中，寡糖链经过一系列的加工、切除和添加特定的单糖，最后形成成熟的糖蛋白。所有成熟的寡糖链都含有两个N-乙酰葡糖胺和三个甘露糖残基。
O-连接的糖基化发生在高尔基体中由不同的糖基转移酶催化，每一次加上一个单糖，最后一步时加上唾液酸残基
内质网和高尔基体中参与糖基化及寡糖加工有关的酶都是整合膜蛋白。他们固定在细胞的不同间隔中，活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面，其反应底物核苷酸单糖通过载体蛋白介导的反向协同运输方式从细胞质基质转运到高尔基囊腔中
蛋白聚糖也在高尔基体中合成，是由一个或者是多个糖胺聚糖结合到核心蛋白的丝氨酸残基上，直接与丝氨酸残基结合的不是N-乙酰半乳糖（与O连接的糖基化不同）而是木糖
三、溶酶体【略】
四、过氧化物酶体【略】
