彩色笔记全文 橙红=重点 蓝青=提示 粉紫=小标题 ★=重要度
专题5:细胞质基质与内膜系统
本章内容
考点一:细胞质基质及其功能本章内容考点一
考点二:细胞内膜系统及其功能本章内容考点二
很多内容可以自己看会,不懂的地方请看学长视频讲解
第一节:细胞质基质及其功能第一节
考点一:细胞内膜系统★★★第一节考点一细胞内膜系统什么是细胞内膜系统?细胞内部被膜系统分隔为哪3类结构?
1、细胞内部认知过程细胞内部认知过程
20 世纪初:组织化学染色技术让人们意识到细胞内部存在生物膜分隔。★认知过程组织化学染色
电镜技术应用后:确认真核细胞内有发达的膜系统,能将细胞质分隔为不同区室。★认知过程电镜技术区室
近期活细胞观察:生物膜构成的各类区室是高度动态的结构组分。★认知过程活细胞观察动态结构
2、细胞内部被膜系统大致分隔为3类结构(注意断句:细胞内部-被-膜系统)★★★被膜系统3类结构断句
(1)细胞质基质:细胞质中除去可分辨的细胞器以外的胶状物质★★3类结构细胞质基质
(2)细胞内膜系统:指在结构、功能乃至发生上相互关联、由单层膜包被的细胞器或细胞结构,主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、内体和分泌泡等。★★★3类结构细胞内膜系统单层膜名词解释必背
(3)其他由膜所包被的细胞器:诸如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体和细胞核等★★3类结构双层膜细胞器线粒体叶绿体
考点二:细胞质基质★★★第一节考点二细胞质基质细胞质基质的定义、成分、占比、特点与功能?
(一)细胞质基质名词解释细胞质基质名词解释
定义: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称细胞质基质。★★★细胞质基质名词解释必背
成分:细胞质基质是细胞的重要组分,其主要成分包括约占总体积70%的水和溶于其中的离子,以及以可溶性蛋白为主的大分子。★★★细胞质基质成分水70%可溶性蛋白必背
占比:细胞质基质体积约占细胞总体积50%以上(注意:有些盗版教材写的是占细胞质总体积)★★★细胞质基质占比50%易错必背
(二)细胞质基质的特点细胞质基质特点
(1)细胞质基质是凝胶状结构:细胞质基质是一种黏稠的介质,多数的水分子是以水化物的形式紧密地结合在蛋白质和其他大分子表面的极性部位,只有部分水分子以游离态存在,起溶剂作用。★★特点凝胶状结构水化物
(2)高度有序的体系:在细胞质基质中合成的蛋白质,半数以上将分门别类地转移到细胞核和细胞器中。细胞质基质中,各种代谢活动高效有序地进行,各种代谢途径之间的协调有序以及所涉及的物质、能量与信息的定向转移和传递,这些复杂的生命过程很多都与细胞质基质密切相关。★★特点高度有序代谢途径协调
(3)细胞骨架的依赖性:细胞质基质是一种高度有序的体系,关键在于细胞质骨架纤维贯穿其中,起重要的组织作用。★★特点细胞骨架依赖性
(4)细胞质基质的精细化:例如多数的蛋白质直接或间接地与细胞骨架结合,或与生物膜结合,其周围又吸附了多种分子,从而不同程度地影响和改变微环境的某些物理性质,其组成成分在不同细胞的不同生理状态下有所不同以完成多种复杂的生物学功能。★★特点精细化微环境
(5)细胞质基质区域性分布:mRNA 在细胞中呈区域性分布,如在卵母细胞中不同 mRNA 定位于细胞质基质的不同部位,这种特定分布对子代个体胚胎发育早期的细胞分化起着重要作用。★★特点区域性分布mRNA卵母细胞
(6)细胞质基质是生命活动的重要场所:★★★特点生命活动场所
①细胞质基质中进行着多种代谢过程,如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖原的合成与分解过程等。★★★生命活动场所糖酵解磷酸戊糖途径糖原
②细胞质基质是蛋白质和脂肪酸合成的重要场所。★★★生命活动场所蛋白质合成脂肪酸合成
③物质运输及能量传递的重要场所。★★★生命活动场所物质运输能量传递
(三)细胞质基质的功能细胞质基质功能
| 功能分类 | 具体内容 |
|---|---|
| 1. 细胞质基质中进行着多种中间代谢过程 | 细胞质基质是多种中间代谢过程(如糖酵解、磷酸戊糖途径、糖原合成与分解等)的发生场所 |
| 2. 作为蛋白质与脂类的合成场所 | ①细胞内所有蛋白质合成的起始步骤都发生在细胞质基质内的游离核糖体上。合成分泌蛋白、跨膜蛋白在游离核糖体起始合成后转至内质网膜继续合成,胞内蛋白(转运至线粒体、叶绿体等的蛋白)在游离核糖体完成,依据自身信号分选转运,部分蛋白留于基质构成其结构成分。 |
| ②脂肪酸的合成发生在细胞质基质中 | |
| 3. 与细胞质骨架相关 | 细胞骨架是细胞质基质结构体系的组织者,为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点,在细胞质基质中形成更为精细的区域,使复杂的代谢反应高效而有序地进行。 |
| 4. 与蛋白质的修饰有关 | ①辅酶/辅基与酶结合:参与氧化-还原反应,将能量以质子形式在酶间传递能量 |
| ②磷酸化与去磷酸化:由蛋白激酶、磷酸酶催化,快速调节蛋白质活性; | |
| ③糖基化:糖基化修饰主要发生在内质网和高尔基体中,但哺乳动物细胞质基质也可发生主要将 N-乙酰葡萄糖胺加到蛋白质丝氨酸的羟基上的糖基化 | |
| ④甲基化修饰:细胞骨架蛋白 N 端甲基化可防水解;组蛋白甲基化与基因表达调控、表观遗传相关。 | |
| ⑤酰基化:酰基化主要发生在内质网和高尔基体中,另外还有一类酰基化如 Src 基因产物的豆蔻酰化(助其结合细胞质膜),微管蛋白乙酰化与细胞结构组装功能相关 | |
| 5. 控制蛋白质的寿命 | ①在蛋白质分子的氨基酸序列中,既含有决定蛋白质定位和功能的靶向信号和修饰信号,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 或 Pro,则蛋白质往往是稳定的。如是其他氨基酸,则往往是不稳定的。 |
| ②在真核细胞的细胞质基质中,有一种识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制,即泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径 | |
| 6. 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠 | 主要依靠热激蛋白(HSP)(即分子伴侣)帮助变性或错误折叠的蛋白质重新形成正确构象。 |
热激蛋白:是一类常作为分子伴侣协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配,且演化上高度保守的蛋白质家族。热激蛋白中大多数是组成型表达和执行多种基本功能,有些是细胞在胁迫条件下高水平表达,以在维持细胞稳态中发挥核心作用。根据分子量大小、结构和功能,热激蛋白被区分为几个家族:Hsp100、Hsp90、Hsp70、Hsp60等。★★★热激蛋白HSP分子伴侣Hsp100Hsp90Hsp70Hsp60名词解释必背
分子伴侣:分子伴侣是一类协助其他蛋白质分子在细胞内进行正确的折叠、组装的一类辅助蛋白质。分子伴侣通常不参与蛋白质的最终功能状态,而是通过暂时与多肽链结合,防止其错误折叠或聚集。分子伴侣典型代表是热激蛋白(如Hsp70、Hsp60)★★★分子伴侣折叠组装辅助蛋白质Hsp70Hsp60名词解释必背
考点三:蛋白质降解途径★★★第一节考点三蛋白质降解途径蛋白质降解有哪些途径?泛素化-蛋白酶体途径的定义、过程与意义?
1、泛素化-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径泛素化-蛋白酶体途径
定义:泛素化-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径是真核细胞细胞质基质中专门识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制★★★泛素化-蛋白酶体途径定义错误折叠名词解释必背
基本过程:分为两步,首先通过将泛素分子共价连接到靶蛋白质的赖氨酸残基上实现泛素化标记,然后靶蛋白被蛋白酶体识别并降解★★★泛素化-蛋白酶体途径基本过程赖氨酸残基两步必背
生物学意义:由泛素控制的蛋白质降解具有重要的生理意义,它不仅能够清除错误折叠和需要进行存量调控的蛋白质,还对细胞周期调控、DNA修复、细胞生长、免疫功能等都有重要的调控作用。★★★泛素化-蛋白酶体途径生物学意义细胞周期调控DNA修复免疫功能必背
2、关于泛素与泛素化更详细知识泛素泛素化
泛素:泛素是76个氨基酸残基组成的小分子球蛋白,具热稳定性,普遍存在于真核细胞中,人和酵母细胞的泛素分子的相似度高达96%,由于广泛存在并且序列高度保守,故名泛素。泛素具有多种生物学功能。★★★泛素76个氨基酸小分子球蛋白热稳定性96%名词解释必背
泛素化:泛素分子共价结合到靶蛋白质的赖氨酸残基上。★★★泛素化共价结合赖氨酸残基名词解释必背
泛素化的酶:泛素活化酶(E1)、泛素结合酶(E2,又称泛素载体蛋白)和泛素连接酶(E3)★★★泛素化的酶E1E2E3必背
泛素化-蛋白酶体所介导的蛋白质降解全过程(问答题答这个):★★★泛素化-蛋白酶体途径全过程问答题
①泛素活化:泛素分子首先通过泛素活化酶(E1)激活,形成酰基-腺苷酸中介物,该反应需要 ATP 的参与。★★★泛素化全过程泛素活化E1酰基-腺苷酸ATP必背
②泛素转移:活化的泛素分子随后转移到泛素结合酶(E2)的半胱氨酸残基上。★★★泛素化全过程泛素转移E2半胱氨酸残基必背
③泛素连接:泛素连接酶(E3)催化形成异肽键,即泛素分子的羧基与靶蛋白赖氨酸残基的氨基之间形成连接。★★★泛素化全过程泛素连接E3异肽键必背
④泛素链形成:靶蛋白上的泛素分子可以继续被泛素化修饰,形成多个泛素分子共价连接的寡聚泛素链。★★★泛素化全过程泛素链形成寡聚泛素链必背
⑤识别与降解:蛋白酶体的 19S 调节亚基通过在泛素链中起共价连接作用的赖氨酸位点识别泛素化靶蛋白并将其去折叠,进而转移至 20S 催化核心内降解。★★★泛素化全过程识别与降解19S调节亚基20S催化核心去折叠必背
3、关于蛋白酶体的更详细知识蛋白酶体
定义:蛋白酶体是细胞内降解蛋白质的大分子复合体,由约50种亚基组成,分子质量为2000~2400 kDa,具有蛋白酶活性,其功能可誉为细胞内蛋白质破碎机。例如:26S蛋白酶体。★★★蛋白酶体定义50种亚基2000~2400 kDa26S蛋白酶体名词解释必背
组成:28种亚基组成桶状的20S催化核心,及一个或两个由19种亚基组成的19S调节亚基(或称为“帽”)。19S调节亚基起着识别泛素化底物蛋白、切除泛素修饰及使蛋白去折叠的作用。其中与20S催化核心接触的6种亚基具有ATP酶活性。★★★蛋白酶体组成20S催化核心19S调节亚基ATP酶活性必背
第二节:细胞内膜系统及其功能第二节
考点一:内质网的结构与功能★★★第二节考点一内质网结构与功能内质网的结构与功能是什么?(本节考点编号重新起算)
(一)细胞内膜系统概述细胞内膜系统概述
细胞内膜系统包含内质网、高尔基体、溶酶体、内体和分泌泡等细胞器(由单层膜包被),这些细胞器是在结构、功能、发生上彼此关联,且处于持续变化中的动态结构体系。★★★细胞内膜系统单层膜动态结构体系必背
(二)内质网特点内质网特点
基本属性:是真核细胞中最普遍、形态多变、适应性最强的细胞器之一。★★内质网基本属性
结构特征:由封闭的管状或扁平囊状膜系统,及其包被的腔共同形成相互连通的三维网络结构;在细胞中的占比:约占细胞膜系统的一半,体积占细胞总体积的 10% 以上。★★★内质网结构特征三维网络膜系统一半10%数值必背
动态变化:不同细胞类型中,内质网占细胞总体积的比例差异大;同一细胞在不同发育阶段、不同生理状态下,内质网的结构与功能会显著变化;细胞分裂时,内质网会经历解体与重建的过程。★★★内质网动态变化解体与重建必背
微粒体:生物化学家从细胞质中分离出的“微粒体”,实际是细胞匀浆、超速离心过程中,由破碎的内质网形成的近似球形囊泡结构,内部包含内质网膜与核糖体两种基本成分。微粒体是形态上的人工产物,但体外实验中具备内质网的基本功能(如蛋白质合成、蛋白质糖基化、脂类合成等);因此在生化与功能研究中,常将微粒体和内质网等同看待。★★★微粒体细胞匀浆超速离心人工产物名词解释必背
(三)内质网两种基本类型内质网两种基本类型
内质网:内质网是真核细胞中最大的膜性细胞器,包括核膜和延伸到细胞质内的外周内质网。★★★内质网最大的膜性细胞器核膜外周内质网必背
形态分类:其中外周内质网根据形态的不同,又分为片层状内质网和管状内质网。★★★内质网形态分类片层状内质网管状内质网必背
片层状内质网:片层状内质网一般位于核膜周围,大部分是有核糖体附着的内质网,属于糙面内质网,是膜蛋白和分泌蛋白的合成加工场所。★★★片层状内质网核膜周围糙面内质网膜蛋白分泌蛋白必背
管状内质网:而管状内质网一般没有核糖体附着,属于光面内质网,主要发挥脂质合成,信号转导,与其它细胞器的相互作用等功能。★★★管状内质网光面内质网脂质合成信号转导必背
内质网两种基本类型内质网两种基本类型
| 特征类别 | 糙面内质网(rER) | 光面内质网(sER) |
|---|---|---|
| 定义 | 有核糖体附着的内质网称为糙面内质网 | 没有核糖体附着的内质网称为光面内质网 |
| 结构 | 多呈扁囊状,排列较为整齐,表面附有核糖体,一般位于核膜周围 | 常为分支管状,形成较为复杂的三维结构,其表面通常无核糖体附着 |
| 主要功能 | 合成分泌性蛋白和多种膜蛋白 | 是脂类合成的重要场所 |
| 分布特点 | 分泌活动旺盛的细胞(如胰腺腺泡细胞、分泌抗体的浆细胞)中非常发达; 未分化的细胞与肿瘤细胞中较为稀少 | 所占区域通常较小,常作为出芽的位点,转运内质网合成的蛋白质或脂类到高尔基体; 合成固醇类激素的细胞、肝细胞等细胞中非常发达并具备特殊功能 |
| 补充信息 | 含有移位子蛋白质复合体,与新合成的多肽转移有关 | 无 |
(四)内质网一些零散考点内质网零散考点
1、rER 与 sER 的差异rERsER差异
细胞中几乎不含有纯的光面内质网,光面内质网只是作为内质网这一连续结构的一部分。★★光面内质网连续结构
用密度梯度离心可分离肝细胞的 rER 与 sER,发现 rER 上有 20 余种与 sER 不同的蛋白质;因内质网是连续整体结构,推测膜上存在特殊装置,限制二者间蛋白质自由移动,维持其特殊形态★★密度梯度离心肝细胞20余种蛋白质特殊装置
2、内质网的演化:内质网演化
原核细胞核糖体附着在细胞膜内侧,推测内质网可能由细胞膜演化而来;★★演化原核细胞细胞膜
内质网膜与核膜连成一体、腔与核周隙相通,且外核膜附着大量核糖体,提示内质网与核膜在发生上有同源关系★★演化核膜核周隙同源关系
3、内质网与其他细胞器的关系:★★内质网其他细胞器关系
与高尔基体:sER 与高尔基体在结构、功能、发生上关系更密切,rER 合成的蛋白/脂类经 sER 转运到高尔基体。★★高尔基体sERrER转运
与线粒体:合成代谢旺盛的细胞中,rER 总与线粒体相邻,此分布与功能所需能量、脂类转移、Ca²⁺释放调节相关。★★线粒体rERCa²⁺脂类转移
与微管:间期细胞内质网分布与微管走向一致,沿微管向细胞周缘延伸;驱动蛋白与内质网结合,牵引内质网沿微管形成复杂网状结构。★★微管驱动蛋白网状结构
4、内质网的病理变化内质网病理变化
内质网对外界因素(射线、化学毒物、病毒等)非常敏感,糙面内质网最普遍的病理变化是:内质网腔扩大形成空泡→核糖体从内质网膜上脱落→蛋白质合成受阻。★★★病理变化空泡核糖体脱落蛋白质合成受阻
(五)内质网的功能内质网功能
1、糙面内质网与蛋白质的合成有关糙面内质网蛋白质合成
胞内蛋白质的合成起始于细胞质基质中的游离核糖体,部分蛋白质起始合成后,会转移至糙面内质网膜上继续完成肽链延伸与蛋白质合成,这些蛋白质包括:★★★糙面内质网游离核糖体肽链延伸常考必背
(1)分泌性蛋白质:细胞外基质组分、抗体、多肽类激素等分泌性蛋白质★★★糙面内质网分泌性蛋白质抗体多肽类激素必背
(2)内质网、高尔基体、溶酶体等细胞器内的可溶性驻留蛋白★★★糙面内质网可溶性驻留蛋白必背
(3)内质网、高尔基体、溶酶体、细胞质膜上的跨膜蛋白。注意这些跨膜蛋白的构象都具有方向性,并且在内质网上合成时就已确定,在后续的转运过程中,其拓扑学特性始终保持不变。★★★糙面内质网跨膜蛋白方向性拓扑学特性必背
2、光面内质网是脂质合成的重要场所光面内质网脂质合成内质网功能
脂质合成范围:内质网合成细胞所需的几乎全部膜脂,其中最主要的是磷脂酰胆碱(卵磷脂);合成磷脂的三种酶均定位在内质网膜的细胞质基质侧,底物来自细胞质基质。★★★脂质合成范围磷脂酰胆碱卵磷脂细胞质基质侧必背
磷脂合成步骤:第一步增大膜面积,第二、三步确定新合成磷脂的种类;磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸等其他磷脂的合成方式与卵磷脂类似。★★★磷脂合成步骤膜面积磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸必背
磷脂转位:内质网膜上合成的磷脂,几分钟内会从细胞质基质侧转向内质网腔面,该过程借助磷脂转位蛋白(转位酶)完成;转位效率因磷脂种类而异,含胆碱的磷脂转位能力更强,因此卵磷脂更易转位到内质网腔面。★★★磷脂转位磷脂转位蛋白转位酶胆碱卵磷脂必背
在内质网合成的磷脂向其他膜的转运主要有3种可能的机制:★★★磷脂转运3种机制简答必背
①以出芽的方式通过膜泡转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上;★★★出芽膜泡转运高尔基体溶酶体细胞质膜
②凭借磷脂交换蛋白 PEP 在膜之间转移磷脂;★★★磷脂交换蛋白PEP
③供体膜与受体膜之间通过膜嵌入蛋白所介导的直接接触★★★供体膜受体膜膜嵌入蛋白直接接触
3、对蛋白质进行修饰与加工蛋白质修饰加工内质网功能
在糙面内质网合成的膜蛋白、细胞内膜系统腔内的各种蛋白和分泌蛋白在它们到达目的地之前,通常要发生如下几种基本修饰与加工:★★糙面内质网膜蛋白分泌蛋白修饰加工
①糖基化修饰:蛋白质糖基化发生于内质网和高尔基体,是蛋白质合成同时或之后,酶催化寡糖链连接到肽链特定糖基化位点的过程,影响蛋白质的定位、半衰期与降解。★★★糖基化修饰寡糖链糖基化位点半衰期必背
②形成二硫键:内质网腔中多肽链的半胱氨酸残基间形成二硫键★★二硫键半胱氨酸残基内质网腔
③蛋白质的折叠和装配;★蛋白质折叠装配
④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。★★蛋白质水解切割分泌泡高尔基体
⑤其他蛋白质修饰方法:a. 酰基化:发生在内质网膜胞质面,软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上;高尔基体及膜蛋白向细胞质膜转移过程中也会发生,是形成脂锚定蛋白的重要方式;b. 羟基化:新生脯氨酸、赖氨酸发生羟基化,如胶原蛋白的羟基化修饰形成羟脯氨酸、羟赖氨酸。★★★酰基化软脂酸脂锚定蛋白羟基化羟脯氨酸羟赖氨酸胶原蛋白必背
注意:关于蛋白质的糖基化在后续高尔基体功能中也会有总结,那里的总结内容更多,在此就不做展开了糖基化学习提示
4、新生多肽的折叠与组装新生多肽折叠组装内质网功能
a. 折叠与组装的时间特性折叠与组装时间特性
肽链合成仅需几秒至几分钟,但新生多肽在内质网停留时间长达几十分钟,停留时长取决于正确折叠所需时间;部分多肽需参与多亚基聚集装配。★★肽链合成停留时间多亚基装配
b. 质量监控:质量监控
不能正确折叠的肽链、未组装成聚集体的蛋白质亚基,无法转运至高尔基体;这类多肽会被 Sec61p 复合体转至细胞质基质,通过依赖泛素的降解途径被蛋白酶体降解——内质网是蛋白质分选转运途径的质量监控场所。★★★质量监控Sec61p 复合体泛素蛋白酶体内质网必背
c. 错误折叠与疾病错误折叠疾病
疾病机制分两类:★★★错误折叠致病机制必背
①功能丢失:正确折叠转运的蛋白减少,无法满足功能需求;★★★功能丢失
②功能获得:错误折叠蛋白出现异常功能★★★功能获得异常功能
a. 肺囊性纤维病发病机理是离子通道蛋白突变(蛋白错误折叠)致功能异常★★肺囊性纤维病离子通道蛋白实例
b. 阿尔茨海默病,亨廷顿舞蹈症发病机理是错误折叠蛋白形成毒性聚合体(阿尔茨海默病的 Aβ淀粉样斑块,亨廷顿舞蹈症的亨廷顿蛋白聚合体)。★★阿尔茨海默病亨廷顿舞蹈症Aβ淀粉样斑块毒性聚合体实例
d. 内质网辅助折叠的分子内质网辅助折叠分子伴侣
辅助折叠的分子辅助折叠的分子
①蛋白二硫键异构酶(PDI):附着在内质网腔面,可切断异常二硫键,帮助蛋白形成自由能最低的正确构象,重新形成二硫键。★★★蛋白二硫键异构酶PDI内质网腔面二硫键必背
②结合蛋白(BIP,Hsp70家族分子伴侣):其作用一是与未折叠蛋白的疏水氨基酸残基结合,防止错误折叠/聚集或识别错误折叠/未组装亚基,促进其重新折叠/组装;二是防止蛋白质转运中变性/断裂;★★★结合蛋白BIPHsp70分子伴侣疏水氨基酸残基必背
两条细节知识细节知识
结合蛋白能够结合在内质网膜上机制:结合蛋白可与 Ca²⁺结合,通过 Ca²⁺与磷脂头部基团的作用结合在内质网膜上。★★结合蛋白Ca²⁺磷脂头部基团机制
滞留机制:蛋白二硫键异构酶和 Bip 等蛋白质都具有四肽驻留信号(KDEL 或 HDEL)以保证它们滞留在内质网中,并维持很高的浓度。★★★滞留机制四肽驻留信号KDELHDEL必背
5、内质网的其他功能内质网其他功能
①肝细胞光面内质网合成外输性脂蛋白、通过细胞色素 P450 家族酶系解毒;★★★肝细胞光面内质网外输性脂蛋白细胞色素 P450解毒
②肌质网(肌细胞特化的光面内质网)储存并调节 Ca²⁺;★★★肌质网光面内质网Ca²⁺
肌质网调节 Ca²⁺机制:含 “Ca²⁺-ATP 酶”,将细胞质基质的 Ca²⁺ 泵入肌质网;神经冲动刺激时释放 Ca²⁺,引发肌肉收缩。★★★肌质网Ca²⁺-ATP 酶神经冲动肌肉收缩必背
内质网储存 Ca²⁺ 机制:内质网含 4 种以上 Ca²⁺ 结合蛋白(如 BiP),且浓度较高,每个蛋白可结合约 30 个 Ca²⁺;高浓度 Ca²⁺ 可阻止内质网出芽形成转运膜泡,Ca²⁺ 浓度变化调节膜泡形成★★★内质网Ca²⁺ 结合蛋白BiP转运膜泡必背
③合成固醇类激素细胞的光面内质网可合成胆固醇及相关激素。★★★固醇类激素光面内质网胆固醇
(六)内质网应激(ERS)及其信号调控内质网应激ERS信号调控
1、内质网应激(ERS)名词解释内质网应激ERS名词解释
(1)定义:当内质网生理功能紊乱、钙稳态失衡,未折叠/错误折叠蛋白在内质网腔过量积累时,会激活信号通路引发内质网应激(ERS)。★★★内质网应激ERS钙稳态失衡未折叠蛋白名词解释必背
(2)涉及通路:ERS 涉及未折叠蛋白质应答反应(UPR)、内质网超负荷反应(EOR)、固醇调节级联反应、启动细胞凋亡程序等过程。★★★ERSUPREOR固醇调节级联反应细胞凋亡必背
(3)意义:ERS 是保护并恢复内质网稳态的应答,是监控蛋白合成质量的机制,也关联细胞生死抉择。★★★ERS内质网稳态质量监控生死抉择必背
2、简述内质网应激反应内容内质网应激反应简答
(1)未折叠蛋白质应答反应(UPR):错误折叠与未折叠蛋白质不能按正常途径从内质网中释放,从而在内质网腔内聚集,引起一系列分子伴侣和折叠酶表达上调,促进蛋白质正确折叠,防止其聚集,从而提高细胞在有害因素下的生存能力。★★★UPR未折叠蛋白质应答反应分子伴侣折叠酶简答
(2)内质网超负荷反应(EOR):细胞除启动 UPR 反应之外,正确折叠的蛋白质在内质网过度蓄积,特别是膜蛋白在内质网异常堆积也会启动其他促生存的机制来反制内质网压力。例如激活细胞核因子 kB(NFkB)引发的内质网超负荷反应,最终产生促炎性细胞因子,进而激活细胞存活、凋亡、细胞炎症反应和细胞分化等相关的信号途径。★★★EOR内质网超负荷反应NFkB促炎性细胞因子简答
(3)固醇调节级联反应:由内质网表面合成的胆固醇损耗所致,通过固醇调节元件结合蛋白质介导的信号途径,影响特定基因表达。★★固醇调节级联反应胆固醇固醇调节元件结合蛋白质
(4)凋亡程序:如果内质网功能持续紊乱,细胞将最终启动凋亡反应★★凋亡程序内质网功能紊乱
3、详细阐述内质网应激反应信号通路内质网应激信号通路论述
(1)未折叠蛋白质应答反应:哺乳动物细胞通过三种内质网跨膜蛋白感应ERS信号,正常情况下它们与伴侣蛋白BiP/GRP78结合而失活。当错误折叠蛋白质积累时,BiP/GRP78被竞争性结合而解离,从而激活以下三条平行信号途径:★★★未折叠蛋白质应答反应UPRBiP/GRP78跨膜蛋白感应器必背
| 通路类型 | 感应器 | 激活事件 | 核心效应 |
|---|---|---|---|
| IRE1 通路 | IRE1 | BiP 解离后,IRE1 形成二聚体并自磷酸化,激活其 RNA 内切酶活性 | 1. 切割特定前体 mRNA(如 Hac1 或 XBP1),产生有功能的 mRNA,翻译出的转录因子进入细胞核,激活编码分子伴侣等 UPR 相关蛋白的基因转录,缓解应激 2. IRE1 还能切割 28S rRNA,抑制蛋白质翻译 |
| PERK 通路 | PERK | BiP 解离后,PERK 二聚化并交叉磷酸化激活 | 1. 磷酸化翻译起始因子 eIF2α,全局性减缓或暂停蛋白质合成,减轻内质网负荷 2. 同时,PERK 能特异性抑制细胞周期蛋白 D1 翻译,导致 G1 期停顿 3. JNK 及 p38 信号通路,诱导 UPR 基因转录上调。 |
| ATF6 通路 | ATF6 | ATF6 合成后定位于内质网膜,ERS 时,ATF6 被转运至高尔基体,被 S1P 和 S2P 蛋白酶剪切激活 | 激活后的 ATF6 进入细胞核,促进含有内质网应激反应元件(ERSE)的转录因子(如 XBP1)及 UPR 靶分子(如 BiP/GRP78)等基因的转录 |
(2)内质网超负荷反应(EOR):正确折叠的蛋白(如膜蛋白)未及时运出,在内质网过度蓄积时,会激活细胞核因子 κB(NFκB)引发EOR,最终产生促炎性细胞因子,进而激活细胞存活、凋亡、炎症反应、分化相关的信号通路,以此反制内质网压力。★★★内质网超负荷反应EORNFκB促炎性细胞因子必背
(3)固醇调节级联反应:由内质网合成的胆固醇耗竭触发,通过固醇调节元件结合蛋白(SREBP)介导:受调控基因启动子含“固醇调控元件(SRE)”,SREBP与SCAP等内质网膜蛋白结合定位于内质网;当膜上胆固醇水平升高时,SREBP-SCAP复合物抑制胆固醇合成;当胆固醇耗竭时,该复合物转移到高尔基体被切割激活,入核调控相关基因表达,以此监控细胞胆固醇库水平。★★★固醇调节级联反应SREBPSCAPSRE胆固醇必背
(4)ERS 引发的细胞凋亡★★ERS细胞凋亡
这是新的凋亡途径,钙稳态失衡、钙蛋白酶(calpain)与 caspase-12 激活是关键:★★★钙稳态失衡calpaincaspase-12凋亡途径必背
钙稳态失衡:ERS 时内质网 Ca²⁺ 释放到胞质,激活钙蛋白酶 calpain;calpain(无活性二聚体)活化后,可裂解黏着斑蛋白破坏细胞骨架,还能切割 Bcl-xL 使其从抗凋亡分子转为促凋亡分子。★★★钙稳态失衡calpain黏着斑蛋白Bcl-xL细胞骨架必背
caspase-12 激活:caspase-12 仅存在于内质网胞质侧;ERS 时,活化的 calpain 在特定位点切割 caspase-12 使其活化,活化的 caspase-12 作为水解酶执行细胞凋亡。★★★caspase-12内质网胞质侧calpain水解酶细胞凋亡必背
考点二:高尔基体的形态结构与功能★★★考点二高尔基体形态结构功能高尔基体有怎样的形态结构?各部分承担什么功能?
(一)高尔基体的概述高尔基体概述
1、定义:高尔基体又称高尔基器或高尔基复合体,是真核细胞内普遍存在的细胞器。★★★高尔基体高尔基器高尔基复合体名词解释必背
2、高尔基体的发现:19世纪意大利医生 Golgi 用镀银法首次观察到高尔基体,20世纪50年代以后随着电子显微镜技术和超薄切片技术的发展,高尔基体的真实存在得以进一步确证。[这句话可能会出小题,也可能结合电镜考察]★★高尔基体的发现Golgi镀银法电子显微镜超薄切片
3、形态特点高尔基体形态特点
(1)组成基础:由大小不一、形态多变的囊泡体系组成;★★高尔基体形态特点囊泡体系
(2)动态特性:属于高度动态的结构;★★高尔基体动态特性
(3)细胞差异性:在不同细胞中,或同一细胞生长的不同阶段,其形态结构会有很大变化。★★高尔基体细胞差异性
(二)高尔基体的形态结构与极性高尔基体形态结构极性
1、结构特征高尔基体结构特征
(1)主体结构:由 4~8 个排列整齐的扁平膜囊 堆叠而成,扁平膜囊多呈弓形或半球形。★★★主体结构扁平膜囊4~8 个弓形半球形必背
(2)周边结构:膜囊周围分布有许多大小不等的囊泡结构。★★周边结构囊泡结构
(3)极性特征★极性特征
位置极性:在细胞中往往有比较恒定的位置与方向。★★位置极性恒定位置
物质转运极性:物质从高尔基体的一侧输入,从另一侧输出,每层膜囊的结构和功能各不相同。★★★物质转运极性单向输入输出必背
形态极性划分:靠近细胞核的一侧扁囊呈凸面,称为形成面、顺面;面向细胞质膜的一侧扁囊呈凹面,称为成熟面、反面。★★★形态极性划分形成面顺面成熟面反面必背
2、特异性反应高尔基体特异性反应生化极性
不同膜囊区域有特异性的细胞化学反应,可用于区分高尔基体的不同部位,反映其生化极性:★★细胞化学反应生化极性
| 标志反应类型 | 染色/显示部位 |
|---|---|
| 1. 嗜锇反应 | 顺面膜囊 |
| 2. 焦磷酸硫胺素酶(TPP 酶)反应 | 反面的 1-2 层膜囊 |
| 3. 胞嘧啶单核苷酸酶(CMP 酶)和酸性磷酸酶反应 | 靠近反面膜囊状结构和反面管网结构 |
| 4. 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP 酶)反应 | 中间几层扁平囊 |
注意:顺面并非总位于凸面,在细胞发育某阶段可位于凹面顺面凸面凹面易错
3、结构组织高尔基体结构组织
| 分区名称 | 位置与形态 | 主要功能 |
|---|---|---|
| 顺面膜囊与顺面网状结构(CGN) | ①顺面膜囊位于高尔基体顺面外侧,顺面网状结构(CGN)与之相连; ②CGN 呈中间多孔、连续分支状; ③CGN 膜厚约 6nm,比高尔基体其他部位略薄,与内质网膜厚度接近 | ①CGN 接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊,少部分蛋白质与脂质再返回内质网; ②CGN 区域还可能具有其他生物活性,如蛋白质丝氨酸残基发生 O-连接的糖基化,跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化,溶酶体酶上寡糖的磷酸化; ③CGN 参与日冕病毒的装配 |
| 中间膜囊 | ①位于顺面膜囊与反面膜囊之间; ②由扁平膜囊与管道组成,形成不同间隔但功能连续 | ① 多数糖基修饰与加工; ② 参与糖脂的形成; ③ 合成与高尔基体有关的多糖; ④ 扁平膜囊的形态增大了糖合成与修饰的有效表面积 |
| 反面膜囊与反面网状结构(TGN) | ①反面膜囊位于高尔基体反面外侧,反面网状结构(TGN)与之相连; ②TGN 呈管网状,外侧伸入反面侧细胞质中; ③TGN 内 pH 可能低于高尔基体其他部位 | ①TGN 是高尔基体蛋白质分选的枢纽区; ②TGN 是蛋白质包装形成网格蛋白/AP 包被膜泡的重要发源地之一; ③TGN 进行某些“晚期”蛋白质修饰:如半乳糖 α-2,6 位的唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化、蛋白质的水解加工; ④TGN 可能在蛋白质与脂质转运中起“瓣膜”作用,保证物质单向转运 |
4、高尔基体顺面、反面、顺面膜囊、顺面网状结构(CGN)、中间膜囊、反面膜囊、反面网状结构(TGN)相对位置高尔基体CGNTGN相对位置
高尔基体顺面靠近细胞核,接收来自内质网的转运囊泡;反面则朝向细胞膜,负责产物输出。从顺面到反面依次为:①顺面网状结构(CGN,入口分拣区)②顺面膜囊(早期修饰)③数层中间膜囊(核心加工带)④反面膜囊(终末修饰)⑤反面网状结构(TGN,出口分拣包装中心)。★★★高尔基体CGN顺面膜囊中间膜囊反面膜囊TGN相对位置必背
图示(高尔基体各部相对位置):电镜模式图右侧自上而下依次用括号标注 CGN、顺面膜囊、中间膜囊、反面膜囊、TGN。图示高尔基体CGNTGN
整个过程如单向装配流水线,结构紧密,功能有序。★高尔基体单向装配流水线
5、解释高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种可能模型(了解)高尔基体膜囊间蛋白质转运两种模型了解
(1)膜泡运输模型:该模型认为高尔基体的膜囊群主体是相对稳态的结构,膜囊自身的更新和各部膜囊的生化极性(特征性酶和驻留蛋白的变化)是通过不同类型转运膜泡在相邻膜囊间顺向(顺面→反面)和反向(反面→顺面)有序转移实现的。★★膜泡运输模型相对稳态转运膜泡顺向反向
(2)膜囊成熟模型:该模型认为高尔基体的膜囊群主体是动态的结构,源自ER的泡管结构首先形成高尔基体CGN,随后膜囊自身从顺面→反面渐次成熟并迁移,一些不当转移的膜囊特异酶类或驻留蛋白通过反向COP I转运膜泡再回收回来★★膜囊成熟模型动态结构CGNCOP I回收
6、高尔基体与细胞骨架的关系高尔基体细胞骨架
在没有极性的细胞中,高尔基体分布在微管的负极端即微管组织中心处。★★微管负极端微管组织中心定位
在分离的高尔基体膜囊上,既存在依赖微管的马达蛋白,如细胞质动力蛋白和驱动蛋白,又存在依赖微丝的马达蛋白,如不同类型的肌球蛋白★★马达蛋白细胞质动力蛋白驱动蛋白肌球蛋白微管微丝
血影蛋白网架也存在于高尔基体处。★血影蛋白网架
马达蛋白和血影蛋白网架对维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输功能起重要的作用。★★马达蛋白血影蛋白网架膜泡运输空间结构
(三)高尔基体的功能高尔基体功能
1、高尔基体功能的概述(适合写在名词解释里)高尔基体功能概述名词解释
①加工、分类、包装内质网合成的蛋白质,将其运送至细胞特定部位或分泌到胞外;★★★加工分类包装分泌必背
②转运内质网合成的部分脂质至细胞质膜、溶酶体膜等部位;★★★脂质转运细胞质膜溶酶体膜必背
③是细胞内大分子转运的枢纽,同时也是细胞内糖类合成的工厂。★★★大分子转运枢纽糖类合成工厂必背
2、高尔基体与细胞的分泌活动:高尔基体分泌活动
实验表示分泌蛋白、细胞质膜上的膜蛋白、溶酶体中的酸性水解酶及胶原等胞外基质成分的定向转运过程都是通过高尔基体完成的。★★★分泌蛋白膜蛋白酸性水解酶胶原胞外基质定向转运必背
高尔基体反面膜囊管网状结构(TGN)是蛋白质包装分选的关键枢纽,存在以下 3 条途径:★★★TGN蛋白质包装分选3 条途径必背
(1)溶酶体酶的包装与分选途径:溶酶体酶包装与分选途径
关于这一点你只需要背小标题即可,这里就不过多展开了,因为此处与后面溶酶体部分的溶酶体发生知识是重复的,你之后背了那边之后这边自然就会写了学习提示溶酶体发生
(2)可调节性分泌途径:可调节性分泌途径
特化分泌细胞的可溶性分泌蛋白,在分泌泡中聚集、储存并浓缩,仅在特殊刺激下才分泌(如胰腺β细胞响应血糖升高分泌胰岛素)。★★★可调节性分泌途径特化分泌细胞分泌泡胰岛素胰腺β细胞名词解释必背
该途径中,不同分泌蛋白靠共同特征分选入调节型分泌泡★★调节型分泌途径分选分泌泡
分选与蛋白质选择性聚集有关,且与 pH6.5、1mmol/L Ca²⁺ 等离子条件关联★★★调节型分泌途径选择性聚集pH 6.5Ca²⁺数值必背
(3)组成型分泌途径:组成型分泌途径
所有真核细胞通过分泌泡连续分泌蛋白质到细胞表面(非极性细胞);极性细胞中,分泌蛋白和质膜蛋白被分选到顶面 / 基底面质膜(可能涉特殊信号)。★★★组成型分泌途径极性细胞顶面基底面必背
高尔基体分选与转运的信息,仅存在于编码该蛋白质的基因本身(如两种病毒囊膜蛋白被分别转运到上皮细胞不同质膜区域:流感病毒囊膜蛋白经高尔基体转运至上皮细胞游离端质膜,水疱性口炎病毒囊膜蛋白转运至基底面质膜)。★★★分选信息基因本身流感病毒水疱性口炎病毒上皮细胞实例必背
3、蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质糖基化修饰
a. 糖基化修饰概述糖基化修饰概述
蛋白质糖基化发生于内质网和高尔基体,是蛋白质合成同时或之后,酶催化寡糖链连接到肽链特定糖基化位点的过程,蛋白质的糖基化修饰会影响蛋白质折叠、分选及其定位,糖链结构不同还会影响糖蛋白的半衰期和降解。★★★糖基化内质网高尔基体折叠分选半衰期名词解释必背
高尔基体是蛋白质或膜脂糖基化修饰、多糖合成的主要场所★★★高尔基体糖基化多糖合成主要场所必背
发生糖基化的蛋白质:溶酶体酶、质膜上的多数膜蛋白、可溶性分泌蛋白;细胞质基质和细胞核中仅少数蛋白(如部分转录因子、核孔复合体蛋白)有简单的糖基化★★★溶酶体酶膜蛋白分泌蛋白转录因子核孔复合体蛋白必背
合成特点:无模板,依靠不同的糖基转移酶,在细胞的不同间隔中完成复杂的加工★★★无模板糖基转移酶合成特点必背
糖基化两种类型:N-连接的糖基化修饰、O-连接的糖基化修饰。其中N-连接的糖基化修饰是发生于内质网中(也有高尔基体参与),O-连接的糖基化修饰是发生于高尔基体中★★★N-连接O-连接内质网高尔基体易混必背
b. N-连接的糖基化修饰N-连接的糖基化修饰
合成部位:糙面内质网与高尔基体。[注意,有些材料会说位于内质网并没有提及高尔基体,这也是可以的,因为发生场所主要是糙面内质网。但高尔基体也存在N-连接的糖基化后续加工]★★★N-连接糙面内质网高尔基体合成部位易混必背
合成过程:N-连接合成过程
①前体合成:N-连接糖基化起始于内质网,以磷酸多萜醇为载体,先合成包含14个糖基的前体。★★★前体合成磷酸多萜醇14个糖基数值必背
②寡糖链转移:借助膜上的糖基转移酶,将上述寡糖链从磷酸多萜醇转移至靶蛋白肽链糖基化位点(Asn-X-Ser/Thr,X为除Pro以外任意氨基酸)的天冬酰胺残基上。★★★寡糖链转移糖基转移酶Asn-X-Ser/Thr天冬酰胺必背
③内质网加工:经内质网特异性糖苷酶的加工,形成高甘露糖型糖蛋白。★★内质网加工糖苷酶高甘露糖型糖蛋白
④高尔基体加工:将加工后的糖蛋白转移至高尔基体,完成蛋白质 N-连接糖基化修饰。★★高尔基体加工N-连接
糖链结构:所有成熟的 N-连接的寡糖链都含有 2 个 N-乙酰葡糖胺和 3 个甘露糖残基。★★★糖链结构N-乙酰葡糖胺甘露糖数值必背
连接方式:与天冬酰胺残基直接结合的糖是N-乙酰葡糖胺。★★★连接方式天冬酰胺N-乙酰葡糖胺易混必背
c. O-连接的糖基化修饰O-连接的糖基化修饰
合成部位:高尔基体★★O-连接合成部位高尔基体
合成过程:起始于高尔基体,由糖基转移酶逐个添加单糖,最后一步添加唾液酸残基,在高尔基体反面膜囊和 TGN 完成,最终经高尔基体分选至其他部位。★★★O-连接糖基转移酶唾液酸残基反面膜囊TGN必背
连接方式:与靶蛋白直接结合的糖是 N - 乙酰半乳糖胺★★★连接方式N-乙酰半乳糖胺易混必背
d. N 连接与 O-连接的糖基化修饰比较(来自于第 5 版教材)N-连接O-连接对比第5版教材
| 特征 | N-连接 | O-连接 |
|---|---|---|
| 合成部位 | 糙面内质网和高尔基体 | 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 |
| 与之结合的氨基酸残基 | 天冬酰胺 | 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 | 一般1-4个糖残基,但ABO血型抗原较长 |
| 第一个糖残基 | N-乙酰葡糖胺 | N-乙酰半乳糖胺等 |
| 合成过程 | 14个糖残基的寡糖链从磷酸多萜醇转移至新生肽链的Asn-X-Ser/Thr的天冬酰胺残基上;在高尔基体中经切除、添加单糖的加工 | 由糖基转移酶催化,每次添加1个单糖;最后一步添加唾液酸残基,发生在高尔基体反面膜囊和TGN |
| 成熟结构特征 | 成熟的寡糖链都含2个N-乙酰葡糖胺和3个甘露糖残基 | 无共同前体,逐步添加单糖完成修饰 |
e. 蛋白质糖基化的生物学功能蛋白质糖基化生物学功能
①促进蛋白质折叠和增强糖蛋白稳定性:糖基化的蛋白质其寡糖链有助于蛋白质正确折叠,缺少糖基侧链的蛋白质不能正确折叠,需留在内质网中。例如,用衣霉素阻断糖基化会导致分泌的抗体 IgG 或分选到质膜上的糖蛋白如血凝素不能正确折叠。★★★蛋白质折叠衣霉素IgG血凝素内质网实例必背
②蛋白质糖基化修饰使不同蛋白质携带不同的标志:这有利于在高尔基体进行分选与包装,保证糖蛋白从糙面内质网至高尔基体膜囊单向转移。例如,M6P作为溶酶体酶分选和包装的指导信号。★★★标志分选包装M6P溶酶体酶单向转移必背
③参与细胞的多种过程:糖链合成相关酶的编码基因(管家基因)被敲除会导致胚胎致死;细胞表面、胞外基质的寡糖链可通过与凝集素的特异性结合,介导细胞通信、分化、发育★★★管家基因胚胎致死凝集素细胞通信分化发育必背
④影响蛋白质的水溶性和电荷性质:例如,哺乳动物细胞表面常常带有负电荷,这与膜上糖蛋白末端唾液酸残基的存在有关。★★★水溶性电荷性质唾液酸残基负电荷必背
⑤其他功能,比如参与机体细胞间识别,以及宿主细胞与病原微生物之间的识别:例如,ABO 血型抗原的许多决定簇是红细胞表面的不同结构的糖链,被抗糖抗体特异性识别,具有重要临床价值。★★★细胞识别病原微生物ABO 血型抗原抗糖抗体临床价值必背
f. 蛋白质糖基化相关的酶与底物转运方法糖基化相关酶底物转运
内质网和高尔基体中所有与糖基化及寡糖加工有关的酶都是整合膜蛋白。它们固定在细胞的不同间隔中,其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。★★★整合膜蛋白活性部位腔面内质网高尔基体必背
高尔基体中,核苷酸单糖经载体蛋白反向协同转运入腔,不同糖蛋白的转运方式不同,以维持腔内底物浓度。★★★核苷酸单糖载体蛋白反向协同转运底物浓度必背
g. 其他糖类相关的合成其他糖类合成
①蛋白聚糖:在高尔基体组装,糖胺聚糖结合到核心蛋白的丝氨酸残基上(直接结合的是木糖,而非 N-乙酰半乳糖胺),多为胞外基质成分或整合在细胞质膜上★★★蛋白聚糖糖胺聚糖核心蛋白丝氨酸木糖易混必背
②植物细胞的多糖:高尔基体合成、分泌多种复杂多糖(纤维素由细胞质膜外侧的纤维素合成酶合成)★★★植物细胞复杂多糖纤维素合成酶细胞质膜外侧易混必背
③糖脂:糖侧链的合成加工途径与糖蛋白相同,最后由高尔基体转运至溶酶体膜或细胞质膜★★糖脂溶酶体膜细胞质膜
4、蛋白酶的水解和其他加工过程蛋白酶水解加工过程
很多肽激素和神经肽当转运至高尔基体的 TGN 或 TGN 所形成的分泌泡中时,经蛋白水解酶特异性水解才成为有生物活性的多肽。酶解加工的方式可归纳为以下几种类型:★★★肽激素神经肽TGN分泌泡蛋白水解酶必背
(1)蛋白原的序列切除:有些蛋白质在进入高尔基体后,将蛋白原N端或两端的序列切除,形成成熟的多肽。例如,胰岛素和胰高血糖素等。★★★蛋白原序列切除胰岛素胰高血糖素实例必背
(2)水解形成同种多肽:有些蛋白质分子在糙面内质网合成时是含有多个相同氨基酸序列的前体,然后在高尔基体中被水解形成同种有活性的多肽,如神经肽。★★★水解加工同种多肽神经肽糙面内质网必背
(3)多样化加工:一个蛋白质分子的前体中含有不同的信号序列,最后加工形成不同的产物。同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工,产生不同种类的多肽。★★★多样化加工信号序列不同产物必背
一些补充小点补充
硫酸化作用也在高尔基体中进行的,硫酸化反应的硫酸根供体是3′-磷酸腺苷-5′-磷酸硫酸(PAPS),它从细胞质基质中转入高尔基体膜囊内,在酶的催化下,将硫酸根转移到肽链中酪氨酸残基的羟基上。硫酸化的蛋白质主要是蛋白聚糖。★★★硫酸化作用PAPS酪氨酸残基蛋白聚糖高尔基体必背
糖类相关的功能:①寡糖链经过一系列酶的加工,使蛋白质或者脂质添加特定的单糖,形成成熟的糖蛋白或糖脂;②在植物细胞中高尔基体还合成多种多糖。★糖类相关功能寡糖链糖蛋白糖脂植物细胞多糖
与脂质相关的功能:内质网合成的一部分脂质通过高尔基体向细胞膜和溶酶体膜等部位运输★脂质相关功能内质网细胞膜溶酶体膜
考点三:溶酶体的结构与功能★★★考点三溶酶体结构功能溶酶体的结构与功能(形态类型、膜特点、酶特点、三种消化途径、功能)
(一)溶酶体的形态结构与类型溶酶体形态结构类型
1、发现:与其他细胞器不同,发现溶酶体的最早证据不是来自形态观察,而是在用差速离心法分离细胞组分时获得的。★★★溶酶体发现差速离心法易考必背
2、定义:是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器,其主要功能是行使细胞内的消化作用。溶酶体在维持细胞正常代谢活动及防御等方面起着重要作用。★★★溶酶体定义单层膜酸性水解酶细胞内消化名词解释必背
3、分布:溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中,植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器如圆球体、糊粉粒及中央液泡。★★★溶酶体分布圆球体糊粉粒中央液泡必背
4、形态数量:不同细胞中溶酶体的数量、形态差异大;同一种细胞内的溶酶体大小、形态也有变化,与所处生理功能阶段相关★★溶酶体形态数量生理功能阶段
5、异质性:指不同溶酶体的形态大小,甚至其中所含水解酶的种类都可能有很大的不同。根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段,大致可分为初级溶酶体、次级溶酶体和残质体。★★★异质性初级溶酶体次级溶酶体残质体名词解释必背
6、类型溶酶体类型
(1)初级溶酶体:初级溶酶体呈球形,直径 0.2-0.5 μm,内容物均一,不含有明显的颗粒物质。外面由一层脂蛋白膜围绕。溶酶体含有多种酸性水解酶类,酶的最适 pH 约 5.0;若向细胞培养液中加入可透过细胞膜的碱性物质(如氯喹),使溶酶体内 pH 升至 7.0 左右,会导致溶酶体酶失活★★★初级溶酶体0.2-0.5 μm脂蛋白膜酸性水解酶pH 5.0氯喹数值必背
(2)次级溶酶体:次级溶酶体是初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡(胞饮泡或吞噬泡)融合形成的进行消化作用的复合体,分别称之为自噬溶酶体和异噬溶酶体。次级溶酶体内部结构复杂多样,含有多种生物大分子、颗粒、膜片甚至某些细胞器,因此次级溶酶体形态不规则。★★★次级溶酶体自噬泡异噬泡自噬溶酶体异噬溶酶体名词解释必背
(3)残质体:次级溶酶体内经历消化后,小分子物质可通过膜上载体蛋白转运到细胞质基质中,供细胞代谢利用,未被消化的物质残存在溶酶体内形成残质体或称后溶酶体。残质体可通过类似胞吐的方式将内容物排出细胞。★★★残质体后溶酶体载体蛋白胞吐名词解释必背
7、溶酶体膜结构的特点(主要是初级溶酶体膜)溶酶体膜结构特点初级溶酶体膜
(1)嵌有质子泵:利用 ATP 水解释放的能量将 H⁺ 泵入溶酶体内,以形成和维持酸性的内环境;★★★质子泵ATPH⁺酸性内环境大题必背
(2)具有多种载体蛋白:用于水解产物向外转运;★★载体蛋白水解产物向外转运
(3)膜蛋白高度糖基化:可能有利于防止自身膜蛋白的降解,以保持其稳定。★★★膜蛋白高度糖基化防止自身降解必背
8、溶酶体酶的特点溶酶体酶特点
多数为可溶性酶,部分整合在溶酶体膜上;★★溶酶体酶可溶性酶溶酶体膜
酶本身的结构能抵御酸变性;★★溶酶体酶抗酸变性
一级结构存在特征性同源序列,与非溶酶体酶、低等真核生物及原核生物的相关酶结构功能相似,属于同源酶家族。★★溶酶体酶一级结构同源序列同源酶家族
9、溶酶体标志酶:标志酶是酸性磷酸酶。根据溶酶体的标志酶反应,可辨认出不同形态与大小的溶酶体,有助于研究溶酶体的发生与成熟过程。★★★标志酶酸性磷酸酶溶酶体发生必背
10、溶酶体酶为什么不会损害其他细胞器:①内质网、高尔基体的细胞质基质中的pH为7.0左右,在这种环境中溶酶体酶的活性大大降低。②某些蛋白质可以特异地与溶酶体酶结合而使其丧失活性。★★★溶酶体酶pH 7.0活性降低特异结合大题必背
11、溶酶体酶为什么没把自己溶解掉:由于溶酶体膜蛋白的高度糖基化防止了自身膜蛋白的降解。★★★溶酶体膜蛋白高度糖基化防止降解大题必背
12、植物细胞的液泡具有与动物细胞溶酶体类似的功能★★植物细胞液泡类溶酶体功能
(二)溶酶体消化作用的3种途径溶酶体消化作用3 种途径
内吞作用:可溶性大分子通过质膜包被小窝内化和内吞泡摄入细胞与初级溶酶体结合形成异噬溶酶体被消化。★★★内吞作用包被小窝内吞泡异噬溶酶体必背
吞噬作用:破损细胞或病原体及不溶性颗粒物质通过形成异噬泡进入细胞与初级溶酶体结合被消化。★★吞噬作用异噬泡病原体不溶性颗粒
自噬作用:细胞内破损细胞器和批量细胞质形成自噬泡与初级溶酶体结合被消化。★★自噬作用自噬泡破损细胞器
(三)溶酶体的功能溶酶体功能
1、消化胞外物质:消化由胞吞作用进入细胞的内容物消化胞外物质胞吞作用
溶酶体就相当于细胞的消化器官,将细胞胞吞的内容物降解成小分子物质供细胞利用★★★消化器官胞吞小分子物质必背
细胞的膜组分、胞外基质以及其他被吞噬的物质等通过胞吞作用包裹在胞吞泡中,经溶酶体途径加以消化后才能利用。★★膜组分胞外基质胞吞泡溶酶体途径
细胞凋亡而产生的有膜包裹的碎片、单细胞真核生物如黏菌的生存、对衰老细胞的清除等都需要溶酶体的消化作用★★★细胞凋亡黏菌衰老细胞清除必背
溶酶体功能异常的影响:若基因缺陷导致溶酶体酶缺失 / 功能异常,底物无法水解滞留,会引发代谢紊乱(如贮积症);衰老细胞(如红细胞)因膜糖链唾液酸残基脱落、暴露出半乳糖残基,被巨噬细胞识别吞噬后,经溶酶体降解清除。★★★溶酶体功能异常贮积症唾液酸残基脱落半乳糖残基巨噬细胞必背
2、消化胞内物质:细胞自噬与生物大分子、损伤的细胞器的降解消化胞内物质细胞自噬细胞器降解
概述:对于快速周转蛋白依赖泛素介导的蛋白酶体降解途径,但一些半衰期较长的蛋白通过细胞自噬介导的溶酶体降解途径,如一些受损或需要淘汰的细胞器,如线粒体,内质网和过氧化物酶体等。★★★泛素蛋白酶体细胞自噬溶酶体降解线粒体过氧化物酶体易混必背
细胞自噬:指自噬相关基因(Atg)调控下对细胞内受损或需要淘汰的物质进行再利用的过程。该过程中一些受损的蛋白质或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹,并与溶酶体(动物中)或液泡(酵母和植物中)融合,将内容物降解后循环利用。在大多数细胞中,细胞自噬只维持在很低的水平,以维持细胞结构的正常更新和内环境的稳定。但当外界环境发生变化,如营养物质缺乏时,细胞的自噬作用增强,为细胞提供生存所必需的小分子物质和能量。★★★细胞自噬Atg自噬小泡双层膜液泡营养缺乏名词解释必背
自噬的过程:自噬信号刺激下,细胞利用内质网、线粒体等膜形成分离膜,延伸包裹底物形成自噬体,与溶酶体融合为自噬溶酶体,降解内容物并再利用;全程由自噬相关基因调★★★自噬过程分离膜自噬体自噬溶酶体自噬相关基因大题必背
控。★承接上页细胞自噬
自噬的意义:饥饿时快速供能、更新受损结构;抵御微生物侵染;自噬相关基因突变可能与帕金森病、肿瘤等疾病相关。★★★细胞自噬意义饥饿供能帕金森病肿瘤必背
细胞自噬类型:★★★细胞自噬类型微自噬巨自噬CMA必背
①微自噬:微自噬是指溶酶体或者液泡的膜直接内陷,将细胞质基质中的物质包裹进入溶酶体腔并降解的过程★★★微自噬溶酶体液泡膜内陷名词解释必背
②巨自噬:巨自噬也称大自噬,即通常所说的自噬,是细胞在相关信号的刺激下,底物蛋白或细胞器被一种双层膜的结构包裹,形成直径400~900nm大小的自噬小泡,自噬小泡的外膜与溶酶体膜融合,释放所包裹的底物到溶酶体降解的过程。★★★巨自噬大自噬双层膜自噬小泡400~900nm名词解释必背
③分子伴侣介导的自噬CMA:CMA是指溶酶体通过Hsp70等分子伴侣识别并结合带有“KFERQ”氨基酸序列的底物蛋白进行降解的过程,CMA不仅在持续饥饿状态下为细胞提供能量,还在氧化性损伤保护、维持细胞内环境稳定等方面发挥作用。★★★分子伴侣介导的自噬CMAHsp70KFERQ名词解释必背
(3)防御功能溶酶体的功能防御功能
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。当机体被感染后,单核细胞迁移至感染或发炎的部位,分化成巨噬细胞,巨噬细胞中溶酶体非常丰富,溶酶体酶与溶酶体所含过氧化氢、超氧化物等共同作用杀死细菌。★★★防御功能巨噬细胞单核细胞过氧化氢超氧化物必背
部分病原体的逃逸机制:麻风分枝杆菌、利什曼原虫等被吞噬后,会抑制吞噬泡酸化,使溶酶体酶失活,避免被杀死;某些病毒借胞吞进入宿主后,依赖胞内酸性环境释放核衣壳,若用碱性试剂将内吞泡pH提至7.0,病毒无法释放核衣壳,不能繁殖。★★★逃逸机制麻风分枝杆菌利什曼原虫吞噬泡酸化核衣壳pH
(4)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(新版教材已删除了本知识)★溶酶体的功能清除衰老细胞器新版教材已删除
(5)作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养:如降解内吞的血清脂蛋白,获得胆固醇等营养成分等,饥饿状态下,溶酶体可分解细胞内的生物大分子即自噬作用,以保证机体所需的能量。在肝细胞中,每小时降解的蛋白质占肝细胞蛋白总量的4.5%,这一过程主要由溶酶体完成。(新版教材已删除了本知识)★溶酶体的功能提供营养血清脂蛋白肝细胞4.5%新版教材已删除
(6)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(新版教材已删除了本知识)★溶酶体的功能分泌腺细胞分泌颗粒新版教材已删除
(7)无尾两栖类发育过程中蝌蚪尾巴的退化,哺乳动物断奶后乳腺的退行性变化等都涉及某些特定细胞程序性死亡,死亡后的细胞被周围吞噬细胞溶酶体消化清除。(新版教材已删除了本知识)★溶酶体的功能程序性死亡蝌蚪尾巴退化乳腺退行新版教材已删除
(8)参与受精过程中的顶体反应:精子的顶体相当于特化的溶酶体,其中含多种水解酶类,如透明质酸酶、酸性磷酸酶、β-N-乙酰葡糖胺酶及蛋白水解酶等,它能溶解卵细胞的外被及滤泡细胞,产生孔道,使精子进入卵细胞。(新版教材已删除了本知识)★溶酶体的功能顶体反应顶体透明质酸酶新版教材已删除
(四)溶酶体的发生考点三溶酶体的发生
1、溶酶体的发生概述溶酶体的发生概述
溶酶体的发生是指溶酶体的形成和成熟过程,核心过程是溶酶体酶经过加工、修饰、运输最终进入溶酶体。溶酶体的发生依赖于M6P。★★★溶酶体的发生加工修饰运输M6P名词解释必背
如下依赖于M6P的溶酶体酶分选途径第①点是加工、修饰,其他点均为运输。我们在下一章要学的分泌蛋白转运需要信号肽这个特殊物质,而溶酶体的转运需要的是M6P这个物质★★★M6P信号肽对比记忆学长提示
2、依赖于M6P的溶酶体酶分选途径M6P溶酶体酶分选途径
①溶酶体酶加工修饰:溶酶体酶在糙面内质网上合成并经N-连接的糖基化基础修饰★★★溶酶体酶分选途径糙面内质网N-连接的糖基化必背
②磷酸化形成M6P:进入高尔基体后,经高尔基体顺面膜囊中的N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶、高尔基体中间膜囊中的磷酸葡糖苷酶的先后催化下,寡糖链上的甘露糖残基被磷酸化形成M6P;★★★溶酶体酶分选途径M6PN-乙酰葡糖胺磷酸转移酶磷酸葡糖苷酶甘露糖残基必背
③M6P与M6P受体结合:M6P与高尔基体反面膜囊TGN膜上的M6P受体结合。★★★溶酶体酶分选途径M6P受体TGN反面膜囊必背
④膜泡转运至前溶酶体:通过出芽形成网格蛋白/AP包被膜泡,将溶酶体酶转运到前溶酶体中。★★★溶酶体酶分选途径网格蛋白AP包被膜泡前溶酶体必背
⑤M6P与M6P受体分离:前溶酶体中的酸性环境中,M6P受体与M6P分离并返回高尔基体,而同时在前溶酶体中溶酶体酶M6P去磷酸化,使M6P受体与M6P彻底分离。★★★溶酶体酶分选途径酸性环境去磷酸化受体返回高尔基体必背
3、上述依赖于M6P的溶酶体酶分选途径中的细节问题(这些都是考试出难题的知识源)★★★M6P分选途径细节问题难题知识源
在溶酶体的发生过程中M6P的作用是什么?M6P的作用
M6P是溶酶体酶的分选信号,溶酶体酶有它才能被从高尔基体最终转运形成溶酶体。通俗易懂理解就是:M6P就像溶酶体酶的身份证一样,有了它,细胞内细胞器们才能认识溶酶体酶。★★★M6P分选信号身份证比喻必背
上述第②步中磷酸转移酶是如何精确找到溶酶体酶的磷酸转移酶信号斑
磷酸转移酶通过识别溶酶体酶的构象或三级结构形成的信号斑,精准定位溶酶体酶★★磷酸转移酶信号斑三级结构
信号斑是指溶酶体酶分子上存在的识别信号,这种信号不是依赖于蛋白质一级结构序列的线性信号,而是依赖于溶酶体酶的构象或三级结构形成的信号区域。信号斑能够被高尔基体中的N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶识别,从而在溶酶体酶的寡糖链上形成M6P。★★★信号斑非线性信号构象三级结构名词解释必背
M6P受体与M6P分离机制是什么M6P受体分离机制
M6P受体与M6P的结合需中性环境(pH7.0左右),M6P受体与M6P的分离需酸性环境。高尔基体属于中性环境,溶酶体中属于酸性环境,故在高尔基体中二者是结合的,一旦到了溶酶体中二者是分离的,分离后M6P留在溶酶体中,M6P受体回到高尔基体★★★M6P受体中性环境酸性环境pH7.0必背
如果用碱性溶液处理细胞,那么M6P受体大多存在于前溶酶体中原因就是碱性溶液破坏了前溶酶体中的酸性环境,使得M6P受体与M6P不能分离,M6P受体也就无法回到高尔基体导致在前溶酶体中聚集★★★碱性溶液M6P受体前溶酶体聚集实验推理
前溶酶体与晚期内体是什么前溶酶体晚期内体
前溶酶体是转运小泡与晚期内体融合形成的酸性(pH约6.0)结构,含质子泵,是溶酶体的前体,负责M6P与受体解离。★★★前溶酶体晚期内体pH约6.0质子泵名词解释
内体是细胞膜内陷形成的膜结合细胞器,呈酸性(pH逐步降低),分早期/晚期,负责分选内化物质,晚期内体是溶酶体成熟的关键中间结构。★★★内体早期内体晚期内体分选内化物质名词解释
溶酶体酶发生过程中高尔基体极性关系高尔基体极性
高尔基体具顺面(接收内质网来源的溶酶体酶前体)→中间膜囊(加M6P标记)→反面(TGN,分选结合M6P的酶)的极性,其功能沿极性逐步完成溶酶体酶的修饰与靶向转运。★★★高尔基体极性顺面中间膜囊TGN必背
溶酶体的发生是否都依赖于M6P是否都依赖M6P
溶酶体的组成除了溶酶体酶,还含有其他物质,其他物质并不是都依赖于M6P分选的,如分泌溶酶体的穿孔素、粒酶,溶酶体膜蛋白(如葡萄糖苷脂酶)、酸性磷酸酶等★★★不依赖M6P穿孔素粒酶溶酶体膜蛋白酸性磷酸酶易错
(五)溶酶体与疾病考点三溶酶体与疾病
1、溶酶体贮积症(核心类疾病):溶酶体是细胞内消化的主要场所,由于遗传缺陷致使溶酶体★★★溶酶体贮积症遗传缺陷水解酶缺乏名词解释必背
中缺乏某种水解酶或分选信号缺失,导致相应的底物不能被降解而积蓄在溶酶体内。溶酶体过载和代谢紊乱会引起溶酶体贮积症。★★★承接上页溶酶体贮积症底物积蓄必背
①泰-萨克斯病发病机理:因遗传缺陷致己糖胺酶A先天性缺失,无法降解神经节苷脂GM2,该底物堆积于溶酶体引发贮积症,表现为患儿智力迟钝、失明,通常2~6岁死亡。★★★泰-萨克斯病己糖胺酶A神经节苷脂GM2溶酶体贮积症必背
②I细胞病发病机理:因N-乙酰氨基葡萄糖磷酸转移酶缺失,溶酶体酶缺失M6P信号,无法进入溶酶体而分泌进入血液,底物在溶酶体内堆积,形成大量包涵体。★★★I细胞病N-乙酰氨基葡萄糖磷酸转移酶M6P信号包涵体必背
2、溶酶体膜稳定性异常相关疾病:溶酶体膜受损、稳定性下降,导致水解酶外溢,这些酶作用于周围组织,引发炎症等病变,进而诱发疾病。★★★溶酶体膜稳定性异常水解酶外溢炎症必背
①硅肺:硅尘进入肺巨噬细胞,破坏溶酶体膜,酶外溢导致肺组织纤维化;★★★硅肺硅尘肺巨噬细胞肺组织纤维化必背
②类风湿性关节炎:关节滑膜细胞溶酶体酶外溢,引发局部炎症反应,损伤关节组织。★★★类风湿性关节炎关节滑膜细胞溶酶体酶外溢必背
考点四:过氧化物酶体★★★考点四过氧化物酶体过氧化物酶体:定义、功能、相关疾病、发生途径及与溶酶体的区别
(一)过氧化物酶体概述考点四过氧化物酶体概述
定义:过氧化物酶体又称微体,是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的细胞器。过氧化物酶体在形态大小及降解生物大分子等功能上与溶酶体类似,是一种异质性的细胞器。★★★过氧化物酶体微体单层膜氧化酶类异质性名词解释必背
分布:普遍存在于所有动物细胞和很多植物细胞中;★★过氧化物酶体分布动物细胞植物细胞
异质性:不同生物的细胞中,甚至单细胞生物的不同个体中所含过氧化物酶体的种类及其行使的功能都有所不同。如在含糖培养液中生长的酵母细胞内过氧化物酶体的体积很小,但当它生长在含甲醇培养液中时,其体积增大、数量增多。故说过氧化物酶体是一种异质性细胞器★★★异质性酵母细胞含糖培养液含甲醇培养液必背
(二)过氧化物酶体的功能考点四过氧化物酶体的功能
①氧化分解有毒物质:在动物细胞中,过氧化物酶体可以氧化分解血液中的有毒成分,起到解毒作用。例如,饮酒后,过氧化物酶体可以将酒精氧化成乙醛。★★★氧化分解有毒物质解毒作用酒精乙醛必背
②保护细胞免受H₂O₂的毒害:过氧化物酶体中含有的氧化酶和过氧化氢酶可以形成一个简单的呼吸链,将H₂O₂分解成水和氧气,从而保护细胞免受H₂O₂的毒害。具体过程为:①依赖于黄素(FAD)的氧化酶,其作用是将底物氧化形成H₂O₂;②过氧化氢酶,作用是将H₂O₂分解形成水和氧气;★★★H₂O₂简单呼吸链黄素FAD氧化酶过氧化氢酶问答题必背
③提供热能:过氧化物酶体可以分解脂肪酸等高能分子,直接向细胞提供热能,而不必通过水解ATP的途径获得能量。★★★提供热能脂肪酸不经ATP必背
④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;在种子萌发过程中,降解储存的脂肪酸→乙酰辅酶A→琥珀酸→葡萄糖,即所谓乙醛酸循环的反应★★★光呼吸乙醛酸循环叶肉细胞种子萌发必背
(三)与过氧化物酶体相关的疾病考点四过氧化物酶体相关疾病
过氧化物酶体为异质性细胞器,负责氧化解毒、脂肪酸代谢等★过氧化物酶体异质性细胞器氧化解毒脂肪酸代谢
核心关联疾病:肾上腺脑白质营养不良、脑肝肾综合征、婴儿型Refsum病、高六氢吡啶羧酸血症★★★肾上腺脑白质营养不良脑肝肾综合征婴儿型Refsum病高六氢吡啶羧酸血症必背
这些病的致病机理:Per基因异常导致peroxin蛋白缺失,无法形成成熟过氧化物酶体。正是因为过氧化物酶体的氧化酶、过氧化氢酶等缺失,无法降解有毒物质(如H₂O₂)、代谢脂肪酸/乙醇酸,导致底物蓄积,损伤肝、肾、脑等组织。★★★Per基因peroxin底物蓄积致病机理
(四)过氧化物酶体的发生途径考点四过氧化物酶体的发生途径
过氧化物酶体的发生核心特征为:无自身DNA,膜蛋白与可溶性基质蛋白均由细胞核基因编码,主要在细胞质基质合成后分选转运★★★过氧化物酶体的发生无自身DNA细胞核基因编码细胞质基质合成必背
其发生存在两种途径:一是成熟过氧化物酶体经分裂增殖产生子代;二是从头组装。★★★过氧化物酶体的发生分裂增殖从头组装必背
过氧化物酶体从头组装的蛋白主要在细胞质基质中合成,再通过特定分选机制转运至过氧化物酶体,需经历3个阶段,具体如下★★从头组装细胞质基质合成三个阶段
(1)过氧化物酶体前体(雏形)合成:过氧化物酶体前体雏形合成
内质网膜上合成Pex3和Pex16并插入膜中,招募Pex19形成特殊区域;★★★Pex3Pex16Pex19内质网膜必背
随后该区域出芽形成过氧化物酶体前体,前体可相互融合或与已有过氧化物酶体融合以增大体积;★★出芽前体融合增大体积
Pex19作为膜蛋白靶向序列的胞质受体,介导细胞质中合成的其他膜蛋白,在Pex3、Pex16协助下插入前体膜★★Pex19胞质受体膜蛋白靶向序列Pex3Pex16
最终形成“过氧化物酶体雏形”★过氧化物酶体雏形
(2)基质蛋白输入到过氧化物酶体前体中:基质蛋白输入
含PTS1信号的蛋白结合胞质受体Pex5,含PTS2信号的蛋白结合胞质受体Pex7;★★★PTS1PTS2Pex5Pex7必背
结合后的蛋白-受体复合物与过氧化物酶体膜上的Pex14结合,通过膜上peroxin组装的易位体进入腔内(易位体孔径动态可调,允许已折叠蛋白或胞质中预先装配的寡聚体进入,无需解折叠);★★★Pex14peroxin易位体孔径动态可调无需解折叠易错
Pex5等受体释放货物后,在Pex10、Pex12、Pex2组成的膜蛋白复合物介导下返回细胞质重复使用★★Pex5Pex10Pex12Pex2受体循环
基质蛋白完全输入后形成成熟过氧化物酶体。★成熟过氧化物酶体
(3)分裂增殖分裂增殖
成熟的过氧化物酶体经分裂产生子代,依赖Pex11蛋白完成分裂过程。★★★分裂增殖Pex11必背
(五)过氧化物酶体与溶酶体的区别考点四过氧化物酶体与溶酶体的区别
过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似,但过氧化物酶体中高浓度的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构,因此可作为电镜识别的主要特征。此外,这两种细胞器在成分、功能及发生方式等方面都有很大的差异★★★电镜识别尿酸氧化酶晶格状结构必背
| 特征 | 溶酶体 | 过氧化物酶体 |
|---|---|---|
| 形态大小 | 多呈球形,直径0.2-0.5μm,无酶晶体 | 球形,哺乳动物细胞中直径多在0.15-0.25μm,内常有酶的晶体 |
| 酶种类 | 酸性水解酶 | 含有氧化酶类 |
| pH | 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 | 酶在糙面内质网合成,经高尔基体出芽形成 | 酶在细胞质基质中合成,经组装与分裂形成 |
| 识别的标志酶 | 酸性水解酶等 | 过氧化氢酶 |
章节题库 · A组+B组 共 108 题(C组、D组按你的要求未收录)
AA 组题(一轮复习,注意按照发给你的学习计划刷题)
考点一:细胞质基质及其功能考点小节
考点二:细胞内膜系统及其功能考点小节
BB 组题(二轮复习,经典题、经典真题合集)
一、 填空题填空题
二、 判断题判断题
三、 选择题选择题
四、 问答题(如下这些题只是为了提醒你本章常考重点,背诵请背高分笔记,冲刺阶段背诵手册还有更多题)问答题
教材原文对照4 处
The three-dimensional structure of ubiquitin, a small protein of 76 amino acids. A family of special enzymes couples its carboxyl end to the amino group of a lysine side chain in a target protein molecule, forming an isopeptide bond. (B) Some modification patterns that have specific meanings to the cell. Note that the two types of polyubiquitylation differ in the way the ubiquitin molecules are linked together. Linkage through Lys48 signifies degradation by the proteasome (see Figure 6–87), whereas that through Lys63 has other meanings.
泛素的三维结构——一个由 76 个氨基酸构成的小蛋白。一族特殊的酶把它的羧基末端与靶蛋白分子中某个赖氨酸侧链的氨基偶联起来,形成异肽键。(B)若干对细胞具有特定含义的修饰模式。注意两类多聚泛素化在泛素分子彼此连接的方式上并不相同:通过 Lys48 连接意味着由蛋白酶体降解,而通过 Lys63 连接则另有含义。
The C-terminus of ubiquitin is initially activated by being linked via a high-energy thioester bond to a cysteine side chain on the E1 protein. This reaction requires ATP, and it proceeds via a covalent AMP–ubiquitin intermediate. The activated ubiquitin on E1, also known as the ubiquitin-activating enzyme, is then transferred to the cysteine on an E2 molecule. (B) The addition of a polyubiquitin chain to a target protein. In a mammalian cell, there are several hundred distinct E2–E3 complexes. The E2s are called ubiquitin-conjugating enzymes. The E3s are referred to as ubiquitin ligases.
泛素的 C 端首先被活化:它通过一个高能硫酯键连到 E1 蛋白的一个半胱氨酸侧链上。该反应需要 ATP,并经由一个共价的 AMP–泛素中间物进行。E1(即泛素活化酶)上被活化的泛素随后被转移到一个 E2 分子的半胱氨酸上。(B)向靶蛋白添加多聚泛素链。在哺乳动物细胞中有数百种不同的 E2–E3 复合体。E2 称为泛素结合酶,E3 称为泛素连接酶。
The 19S cap of the proteasome acts as a gate at the entrance to the inner proteolytic core, and only those proteins to be destroyed are threaded through the cap. We saw above that proteins marked for destruction are distinguished by carrying a particular type of polyubiquitin chain. This chain binds specifically to a receptor in the 19S cap of the proteasome, and here a second “check” is made by the cell to determine whether or not the protein will be destroyed. If the protein has, in addition to the ubiquitin mark, an unfolded region (which can span the mark), it is grasped tightly by the 19S cap, de-ubiquitylated, and pulled through the cap into the proteasome core.
蛋白酶体的 19S 帽子相当于内层蛋白水解核心入口处的一道闸门,只有注定要被销毁的蛋白质才会被穿过帽子送入。前文已述,被标记待降解的蛋白质是靠携带一种特定类型的多聚泛素链而被区分出来的。这条链特异性地结合到蛋白酶体 19S 帽子上的一个受体上,细胞在此进行第二次「核查」,以判定该蛋白究竟是否被销毁。如果这个蛋白除泛素标记外还带有一段未折叠区域(该区域可以跨越标记处),它就会被 19S 帽子牢牢抓住、去泛素化,并被拉过帽子进入蛋白酶体核心。
One function of intracellular proteolytic mechanisms is to recognize and eliminate misfolded or otherwise abnormal proteins, as just described. Indeed, every protein in the cell eventually accumulates damage and is probably degraded by the proteasome. Yet another function of these proteolytic pathways is to confer short lifetimes on specific normal proteins whose concentrations must change promptly with alterations in the state of a cell.
细胞内蛋白水解机制的一项功能,如前所述,是识别并清除错误折叠的或其他异常的蛋白质。事实上,细胞中每一个蛋白质最终都会累积损伤,并且很可能被蛋白酶体降解。这些蛋白水解途径的另一项功能,是赋予某些正常蛋白质以很短的寿命——这些蛋白的浓度必须随细胞状态的改变而迅速变化。
教材原文对照4 处
In the ER lumen, the proteins fold and oligomerize, disulfide bonds are formed, and N-linked oligosaccharides are added. The pattern of N-linked glycosylation is used to indicate the extent of protein folding, so that proteins leave the ER only when they are properly folded. Proteins that do not fold or oligomerize correctly are translocated back into the cytosol, where they are de-glycosylated, polyubiquitylated, and degraded in proteasomes.
在内质网腔中,蛋白质完成折叠与寡聚化,二硫键得以形成,N-连接的寡糖被添加上去。N-连接糖基化的图式被用来指示蛋白质折叠的进程,因此蛋白质只有在正确折叠之后才能离开内质网。那些不能正确折叠或寡聚化的蛋白质会被转位回细胞质基质,在那里被去糖基化、多聚泛素化,并在蛋白酶体中降解。
Like other chaperones (discussed in Chapter 6), BiP recognizes incorrectly folded proteins, as well as protein subunits that have not yet assembled into their final oligomeric complexes. It does so by binding to exposed hydrophobic amino acid sequences that would normally be buried in the interior of correctly folded or assembled polypeptide chains. The bound BiP both prevents the protein from aggregating and helps keep it in the ER (and thus out of the Golgi apparatus and later parts of the secretory pathway).
与其他分子伴侣一样(见第 6 章),BiP 能识别错误折叠的蛋白质,以及尚未装配成最终寡聚复合体的蛋白亚基。它靠结合暴露在外的疏水氨基酸序列来完成识别——这些序列在正确折叠或装配好的多肽链中本应被埋在内部。结合上去的 BiP 既能阻止蛋白聚集,又有助于把它扣留在内质网中(因而不会进入高尔基体和分泌途径的后续环节)。
Disulfide bonds stabilize the folded state of a protein, enabling it to better withstand a harsh, variable, and chaperone-free extracellular environment. Because proteins often contain multiple cysteines, they sometimes pair incorrectly. PDI resolves this problem by rearranging the disulfide bonds in a protein until it is correctly folded.
二硫键使蛋白质的折叠状态得以稳定,让它能更好地耐受严酷、多变而又没有分子伴侣保护的细胞外环境。由于蛋白质常含有多个半胱氨酸,它们有时会配对错误。蛋白二硫键异构酶(PDI)通过重排蛋白中的二硫键来解决这一问题,直到该蛋白正确折叠为止。
Many protein hormones and small neuropeptides, as well as many secreted hydrolytic enzymes, are synthesized as inactive precursors. Proteolysis is necessary to liberate the active molecules from these precursor proteins. The cleavages occur in the secretory vesicles and sometimes in the extracellular fluid after secretion. Additionally, many of the precursor proteins exit the ER with an N-terminal propeptide that is cleaved off only later in the secretory pathway to yield the mature protein.
许多蛋白类激素和小分子神经肽,以及许多分泌型水解酶,都是以无活性的前体形式合成的。必须经蛋白水解才能从这些前体蛋白中释放出有活性的分子。这些切割发生在分泌泡中,有时也发生在分泌之后的细胞外液中。此外,许多前体蛋白离开内质网时还带着一段 N 端前肽,它要到分泌途径的更后段才被切除,从而产生成熟蛋白。
教材原文对照4 处
The ER is organized into a netlike labyrinth of branching tubules and flattened sacs that extends throughout the cytosol (Figure 12–14 and Movie 12.2). The tubules and sacs interconnect, and their membrane is continuous with the outer nuclear membrane. This membrane system encloses a single internal space, called the ER lumen, which is continuous with the space between the inner and outer nuclear membranes. The ER often occupies more than 10% of the total cell volume (see Table 12–1). The ER has a central role in the biosynthesis of both lipids and proteins, and the ER lumen stores intracellular Ca2+ that is mobilized in many cell signaling responses (discussed in Chapter 15).
内质网被组织成一个由分支小管和扁平囊构成的网状迷宫,贯穿整个细胞质基质(图 12–14)。这些小管和扁囊彼此相通,其膜与外核膜连续。该膜系统围成一个单一的内部空间,称为内质网腔,它与内、外核膜之间的间隙连续。内质网常占细胞总体积的 10% 以上。内质网在脂质和蛋白质两类物质的生物合成中都居于核心地位,内质网腔还储存细胞内的 Ca²⁺,这些 Ca²⁺ 在许多细胞信号应答中被动员释放。
The extensive ER network serves as a factory for the production of almost all of the cell’s lipids. In addition, a major portion of the cell’s protein synthesis occurs on the cytosolic surface of the rough ER: virtually all proteins destined for secretion or for the ER itself, the Golgi apparatus, the lysosomes, the endosomes, and the plasma membrane are first imported into the ER from the cytosol.
广布的内质网网络是生产细胞几乎全部脂质的工厂。此外,细胞蛋白质合成的主要部分发生在糙面内质网的细胞质面:几乎所有注定要分泌出去的蛋白,以及注定要去内质网自身、高尔基体、溶酶体、内体和细胞质膜的蛋白,都要先从细胞质基质被输入内质网。
The ER membrane is the site of synthesis of nearly all of the cell’s major classes of lipids, including both phospholipids and cholesterol, required for the production of new cell membranes. The major phospholipid made is phosphatidylcholine, which can be formed in three steps from choline, two fatty acids, and glycerol phosphate (Figure 12–38). Each step is catalyzed by enzymes in the ER membrane, which have their active sites facing the cytosol, where all of the required metabolites are found.
内质网膜是合成细胞几乎全部主要类别脂质的场所,包括建造新细胞膜所需的磷脂和胆固醇。合成量最大的磷脂是磷脂酰胆碱,它可由胆碱、两分子脂肪酸和磷酸甘油经三步反应形成(图 12–38)。每一步都由内质网膜上的酶催化,这些酶的活性部位朝向细胞质基质一侧——所需的全部代谢底物都在那里。
The main cell type in the liver, the hepatocyte, also has expanded amounts of smooth ER (see Table 12–2) serving two separate purposes. The hepatocyte is the principal site of production of lipoprotein particles, which carry lipids via the bloodstream to other parts of the body. The enzymes that synthesize the lipid components of the particles are enriched in the membrane of the smooth ER. In addition, these membranes contain enzymes that catalyze a series of reactions to detoxify drugs and various harmful compounds produced by metabolism. The most extensively studied of these detoxification reactions are carried out by the cytochrome P450 family of enzymes.
肝脏的主要细胞类型——肝细胞——也含有扩增的光面内质网,服务于两个彼此独立的目的。肝细胞是脂蛋白颗粒的主要产生部位,这些颗粒经血流把脂质运往身体其他部分;合成颗粒脂质组分的酶富集在光面内质网膜上。此外,这些膜还含有催化一系列反应的酶,用以对药物以及代谢产生的各种有害化合物进行解毒。这些解毒反应中被研究得最透彻的,是由细胞色素 P450 家族的酶完成的。
教材原文对照3 处
The Golgi apparatus, unlike the ER, contains many sugar nucleotides, which glycosyl transferase enzymes use to glycosylate lipid and protein molecules as they pass through the Golgi apparatus. The mannoses on the N-linked oligosaccharides that are added to proteins in the ER are often initially removed, and further sugars are added. Moreover, the Golgi apparatus is the site where O-linked glycosylation occurs and where glycosaminoglycan chains are added to core proteins to form proteoglycans. Sulfation of the sugars in proteoglycans and of selected tyrosines on proteins also occurs in a late Golgi compartment. The Golgi apparatus modifies the many proteins and lipids that it receives from the ER and then distributes them to the plasma membrane, endosomes, and secretory vesicles.
与内质网不同,高尔基体含有大量糖核苷酸,糖基转移酶利用它们对通过高尔基体的脂质和蛋白质分子进行糖基化。在内质网加到蛋白上的 N-连接寡糖,其甘露糖常常先被切除,随后再添加别的糖。此外,高尔基体是发生 O-连接糖基化的场所,也是把糖胺聚糖链加到核心蛋白上从而形成蛋白聚糖的场所。蛋白聚糖中糖的硫酸化、以及蛋白上特定酪氨酸的硫酸化,也发生在高尔基体的晚期区室。高尔基体对从内质网接收来的众多蛋白质和脂质进行修饰,然后把它们分送到细胞质膜、内体和分泌泡。
(1) Proteins with the mannose 6-phosphate (M6P) marker (see Figure 13–40) are diverted to lysosomes (via endosomes) in clathrin-coated transport vesicles. (2) Proteins with signals directing them to secretory vesicles are concentrated in such vesicles as part of a regulated secretory pathway that is present only in specialized secretory cells. (3) In unpolarized cells, a constitutive secretory pathway delivers proteins with no special features to the cell surface.
(1)带有 6-磷酸甘露糖(M6P)标记的蛋白质被装入网格蛋白包被的转运小泡,经内体转向溶酶体。(2)带有导向分泌泡信号的蛋白质在这类小泡中被浓缩,构成可调节性分泌途径,该途径只存在于特化的分泌细胞中。(3)在非极性细胞中,组成型分泌途径把不带特殊标志的蛋白质送往细胞表面。
Each Golgi stack has two distinct faces: a cis face (or entry face) and a trans face (or exit face). Both cis and trans faces are closely associated with special compartments, each composed of a network of interconnected tubular and cisternal structures: the cis Golgi network (CGN) and the trans Golgi network (TGN), respectively. The CGN is a collection of fused vesicular tubular clusters arriving from the ER. Proteins and lipids enter the cis Golgi network and exit from the trans Golgi network, bound for the cell surface or another compartment.
每一个高尔基体膜垛都有两个截然不同的面:顺面(即入口面)与反面(即出口面)。顺面和反面都各自紧邻一个特化区室,它们分别由互相连通的管状与囊状结构构成的网络组成,即顺面高尔基网(CGN)与反面高尔基网(TGN)。CGN 是从内质网来的囊泡–小管簇融合而成的集合体。蛋白质和脂质由顺面高尔基网进入,从反面高尔基网离开,去往细胞表面或另一个区室。
教材原文对照3 处
Almost as soon as a polypeptide chain enters the ER lumen, it is glycosylated on target asparagine amino acids. The precursor oligosaccharide (shown in color) is attached only to asparagine side chains in the sequences Asn-X-Ser and Asn-X-Thr (where X is any amino acid except proline). These sequences occur much less frequently in glycoproteins than in nonglycosylated cytosolic proteins.
多肽链几乎一进入内质网腔,就在作为靶点的天冬酰胺残基上被糖基化。前体寡糖(图中着色部分)只连接到序列 Asn-X-Ser 和 Asn-X-Thr 中的天冬酰胺侧链上(其中 X 为除脯氨酸以外的任意氨基酸)。这些序列在糖蛋白中出现的频率,远低于在不被糖基化的细胞质基质蛋白中出现的频率。
(A) Both complex oligosaccharides and high-mannose oligosaccharides share a common core region derived by trimming the original N-linked oligosaccharide added in the ER (see Figure 12–32) and typically containing two N-acetylglucosamines (GlcNAc) and three mannoses (Man). The three amino acids constitute the sequence recognized by the oligosaccharyl transferase enzyme that adds the initial oligosaccharide to the protein. Asn, asparagine; Ser, serine; Thr, threonine; X, any amino acid, except proline.
(A)复杂型寡糖与高甘露糖型寡糖共有一个核心区,它由内质网中最初加上的 N-连接寡糖经切除加工而来(见图 12–32),通常含有两个 N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)和三个甘露糖(Man)。图中那三个氨基酸构成了寡糖转移酶所识别的序列,该酶负责把起始寡糖加到蛋白上。Asn 为天冬酰胺,Ser 为丝氨酸,Thr 为苏氨酸,X 为除脯氨酸以外的任意氨基酸。
to the hydroxyl groups of selected serines or threonines or, in some cases (such as collagens), to hydroxylated proline and lysine side chains. This O-linked glycosylation (Figure 13–33), like the extension of N-linked oligosaccharide chains, is catalyzed by a series of glycosyl transferase enzymes that use the sugar nucleotides in the lumen of the Golgi apparatus to add sugars to a protein one at a time. Usually, N-acetylgalactosamine is added first, followed by a variable number of additional sugars, ranging from just a few to 10 or more.
(有些蛋白的糖是加)到选定的丝氨酸或苏氨酸的羟基上,或在某些情况下(如胶原蛋白)加到羟基化的脯氨酸和赖氨酸侧链上。这种 O-连接糖基化(图 13–33)与 N-连接寡糖链的延伸一样,由一系列糖基转移酶催化,这些酶利用高尔基体腔内的糖核苷酸,一次一个地把糖加到蛋白上。通常先加上 N-乙酰半乳糖胺,随后再加数目可变的糖,从寥寥几个到 10 个以上不等。
教材原文对照3 处
Peroxisomes are major sites of oxygen utilization and are found in virtually all eukaryotic cells. They contain oxidative enzymes, such as catalase and urate oxidase, at such high concentrations that, in some cells, the peroxisomes stand out in electron micrographs because of the presence of a crystalloid protein core (Figure 12–43).
过氧化物酶体是氧被利用的主要场所,几乎存在于所有真核细胞中。它们所含的氧化酶类(如过氧化氢酶和尿酸氧化酶)浓度极高,以至于在某些细胞里,过氧化物酶体因存在类晶体的蛋白核心而在电镜照片中格外醒目(图 12–43)。
Peroxisomes are specialized for carrying out oxidation reactions using molecular oxygen. They generate hydrogen peroxide, which they employ for oxidative purposes—and contain catalase to destroy the excess. All peroxisomal proteins are encoded in the cell nucleus. Some of these proteins are conveyed to peroxisomes via peroxisomal precursor vesicles that bud from the ER, but most are synthesized in the cytosol and directly imported.
过氧化物酶体专司利用分子氧进行氧化反应。它们产生过氧化氢并用于氧化目的,同时含有过氧化氢酶来销毁多余的过氧化氢。所有过氧化物酶体蛋白都由细胞核基因编码。其中一部分蛋白经由从内质网出芽而来的过氧化物酶体前体小泡运送过去,但大多数是在细胞质基质中合成后被直接输入的。
Lysosomes are membrane-enclosed organelles filled with soluble hydrolytic enzymes that digest macromolecules. Lysosomes contain about 40 types of hydrolytic enzymes, including proteases, nucleases, glycosidases, lipases, phospholipases, phosphatases, and sulfatases. All are acid hydrolases; that is, hydrolases that work best at acidic pH. For optimal activity, they need to be activated by proteolytic cleavage, which also requires an acid environment. The lysosome provides this acidity, maintaining an interior pH of about 4.5–5.0.
溶酶体是被膜包被的细胞器,内部充满可溶性水解酶,用以消化大分子。溶酶体约含 40 种水解酶,包括蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂肪酶、磷脂酶、磷酸酶和硫酸酯酶。它们全都是酸性水解酶,即在酸性 pH 下活性最佳的水解酶。为获得最佳活性,它们还需经蛋白水解切割而被激活,这同样要求酸性环境。溶酶体提供了这种酸度,把腔内 pH 维持在约 4.5–5.0。
教材原文对照3 处
About half of the soluble and membrane-bound proteins that are processed in the ER—including those destined for transport to the Golgi apparatus, lysosomes, plasma membrane, or extracellular space—are glycoproteins that are modified in this way. Some proteins in the cytosol and nucleus are also glycosylated, but not with large oligosaccharides: they instead carry a much simpler sugar modification, in which a single N-acetylglucosamine group is added to a serine or threonine of the protein.
在内质网中被加工的可溶性蛋白与膜结合蛋白中,约有一半——包括那些注定要运往高尔基体、溶酶体、细胞质膜或细胞外空间的蛋白——都是以这种方式被修饰的糖蛋白。细胞质基质和细胞核中的一些蛋白质也会被糖基化,但不是加上大的寡糖:它们携带的是一种简单得多的糖修饰,即在蛋白的某个丝氨酸或苏氨酸上加一个 N-乙酰葡糖胺基团。
N-linked glycosylation promotes protein folding in two ways. First, it has a direct role in making folding intermediates more soluble, thereby preventing their aggregation. Second, the sequential modifications of the N-linked oligosaccharide establish a “glyco-code” that marks the progression of protein folding. This glyco-code is used by chaperones and lectins in the ER to guide protein folding and degradation (discussed in Chapter 12) and by other lectins that guide ER-to-Golgi transport. As we discuss later, oligosaccharides also participate in protein sorting in the trans Golgi network.
N-连接糖基化通过两条途径促进蛋白质折叠。第一,它直接使折叠中间体更易溶解,从而防止它们聚集。第二,对 N-连接寡糖的一系列顺序修饰确立了一套「糖码」,用以标记蛋白质折叠的进程。这套糖码被内质网中的分子伴侣和凝集素用来引导蛋白质的折叠与降解(见第 12 章),也被另一些引导内质网→高尔基体转运的凝集素所使用。如后文所述,寡糖也参与反面高尔基网中的蛋白质分选。
Because chains of sugars have limited flexibility, even a small N-linked oligosaccharide protruding from the surface of a glycoprotein (Figure 13–35) can limit the approach of other macromolecules to the protein surface. In this way, for example, the presence of oligosaccharides tends to make a glycoprotein more resistant to digestion by proteolytic enzymes. It may be that the oligosaccharides on cell-surface proteins originally provided an ancestral cell with a protective coat; compared to the rigid bacterial cell wall, such a sugar coat has the advantage that it leaves the cell with the freedom to change shape and move. The sugar chains have since been adapted to serve other purposes as well. The mucus coat of lung and intestinal cells, for example, protects against many pathogens. The recognition of sugar chains by lectins in the extracellular space is important in many developmental processes and in cell–cell recognition: selectins, for example, are transmembrane lectins that function in cell–cell adhesion during blood-cell migration, as discussed in Chapter 19.
由于糖链的柔性有限,即使是从糖蛋白表面伸出的一条小小的 N-连接寡糖(图 13–35),也能限制其他大分子接近该蛋白表面。正因如此,寡糖的存在往往使糖蛋白更能抵抗蛋白水解酶的消化。有可能,细胞表面蛋白上的寡糖最初为祖先细胞提供了一层保护性外被;与坚硬的细菌细胞壁相比,这样一层糖被的好处是让细胞仍能自由改变形状和运动。此后糖链又被改造出别的用途:例如肺和肠道细胞的黏液外被可抵御多种病原体。细胞外空间中凝集素对糖链的识别,在许多发育过程和细胞–细胞识别中都很重要:例如选择素就是在血细胞迁移过程中行使细胞–细胞黏附功能的跨膜凝集素(见第 19 章)。
教材原文对照3 处
digestive enzymes out of the cytosol, but, even if they leak out, they can do little damage at the cytosolic pH of about 7.2. Like all other membrane-enclosed organelles, the lysosome not only contains a unique collection of enzymes but also has a unique surrounding membrane. Most of the lysosome membrane proteins, for example, are highly glycosylated, which helps to protect them from the lysosome proteases in the lumen.
(溶酶体膜把)消化酶挡在细胞质基质之外;但即便这些酶漏了出来,在约 pH 7.2 的细胞质基质环境中它们也造不成什么破坏。与其他所有膜包被细胞器一样,溶酶体不仅含有一套独特的酶,还拥有一层独特的包被膜。例如,溶酶体的大多数膜蛋白都被高度糖基化,这有助于保护它们免遭腔内溶酶体蛋白酶的降解。
Some M6P receptors, however, also take a detour to the plasma membrane, where they recapture the escaped lysosomal hydrolases and return them by receptor-mediated endocytosis (discussed later) to lysosomes via early and late endosomes. As lysosomal hydrolases require an acidic milieu to work, they can do little harm in the extracellular fluid, which usually has a neutral pH of 7.4.
不过,也有一部分 M6P 受体会绕道到细胞质膜上,在那里重新捕获逃逸出去的溶酶体水解酶,并通过受体介导的胞吞作用(后文详述)经早期和晚期内体把它们送回溶酶体。由于溶酶体水解酶需要酸性环境才能工作,它们在通常呈中性(pH 7.4)的细胞外液中造不成什么损害。
All are acid hydrolases; that is, hydrolases that work best at acidic pH. For optimal activity, they need to be activated by proteolytic cleavage, which also requires an acid environment. The lysosome provides this acidity, maintaining an interior pH of about 4.5–5.0.
它们全都是酸性水解酶,即在酸性 pH 下活性最佳的水解酶。为达到最佳活性,它们还需经蛋白水解切割而被激活,这同样要求酸性环境。溶酶体提供了这种酸度,把腔内 pH 维持在约 4.5–5.0。
教材原文对照3 处
In animal cells they carry a unique marker in the form of mannose 6-phosphate (M6P) groups, which are added exclusively to the N-linked oligosaccharides of these soluble lysosomal enzymes as they pass through the lumen of the cis Golgi network (Figure 13–39). Transmembrane M6P receptor proteins, which are present in the TGN, recognize the M6P groups and bind to the lysosomal hydrolases on the lumenal side of the membrane and to adaptor proteins in assembling clathrin coats on the cytosolic side. In this way, the receptors help package the hydrolases into clathrin-coated vesicles that bud from the TGN and deliver their contents to early endosomes.
在动物细胞中,它们携带一种独特的标记,即 6-磷酸甘露糖(M6P)基团;这些基团是在这些可溶性溶酶体酶通过顺面高尔基网腔时,专一地加到它们的 N-连接寡糖上的(图 13–39)。存在于 TGN 中的跨膜 M6P 受体蛋白识别 M6P 基团,在膜的腔面一侧与溶酶体水解酶结合,在细胞质一侧与正在装配的网格蛋白包被中的衔接蛋白结合。受体就这样帮助把水解酶包装进从 TGN 出芽的网格蛋白包被小泡中,并把内容物送到早期内体。
The lysosomal hydrolases contain N-linked oligosaccharides that are covalently modified in a unique way in the cis Golgi network so that their mannoses are phosphorylated. These mannose 6-phosphate (M6P) groups are recognized by an M6P receptor protein in the trans Golgi network that segregates the hydrolases and helps package them into budding transport vesicles that deliver their contents to endosomes. The M6P receptors shuttle back and forth between the trans Golgi network and the endosomes. The low pH in endosomes and the removal of the phosphate from the M6P group cause the lysosomal hydrolases to dissociate from these receptors, making the transport of the hydrolases unidirectional.
溶酶体水解酶含有 N-连接寡糖,这些寡糖在顺面高尔基网中以一种独特的方式被共价修饰,使其甘露糖被磷酸化。这些 6-磷酸甘露糖(M6P)基团被反面高尔基网中的一种 M6P 受体蛋白识别,该受体把水解酶分离出来,并帮助把它们包装进正在出芽的转运小泡,送往内体。M6P 受体在反面高尔基网与内体之间往返穿梭。内体中的低 pH,加上 M6P 基团上磷酸的去除,使溶酶体水解酶与这些受体解离,从而使水解酶的转运成为单向的。
Late endosomes containing material received from the plasma membrane by endocytosis and containing newly synthesized lysosomal hydrolases fuse with preexisting lysosomes to form structures that are referred to as endolysosomes, which then fuse with one another (Figure 13–64). When the majority of the endocytosed material within an endolysosome has been digested so that only resistant or slowly digestible residues remain, these organelles become “classical” lysosomes.
晚期内体既装有经胞吞作用从细胞质膜接收来的物质,也装有新合成的溶酶体水解酶;它们与已存在的溶酶体融合,形成被称为内体溶酶体(endolysosome)的结构,后者再彼此融合(图 13–64)。当一个内体溶酶体内大部分被胞吞的物质已被消化、只剩下难以消化或消化缓慢的残余物时,这些细胞器就成为「经典」溶酶体。
教材原文对照3 处
On the way to lysosomes, endocytosed material must first pass through a series of organelles called endosomes. As we will see, the ER, Golgi apparatus, lysosomes, endosomes, and plasma membrane are linked by the cell’s major pathways of membrane traffic. Mitochondria and chloroplasts generate most of the ATP that cells use to drive reactions requiring an input of free energy; chloroplasts are a specialized version of plastids (present in plants, algae, and some protozoa), which can also have other functions, such as the storage of food or pigment molecules. Finally, peroxisomes are small vesicular compartments that contain enzymes used in various oxidative reactions.
在通往溶酶体的途中,被胞吞的物质必须先经过一系列称为内体的细胞器。后文将会看到,内质网、高尔基体、溶酶体、内体和细胞质膜是由细胞的主要膜运输途径彼此连通的。线粒体和叶绿体产生细胞驱动需自由能输入的反应所用的大部分 ATP;叶绿体是质体的一种特化形式(存在于植物、藻类和某些原生动物中),质体还可有别的功能,例如贮存食物或色素分子。最后,过氧化物酶体是含有多种氧化反应用酶的小囊泡状区室。
First, the cell now has a set of internal membranes that are derived from an ancestral prokaryotic plasma membrane. These internal membranes enclose interior spaces that are said to be topologically equivalent to each other and to the exterior of the cell (Figure 12–4), because they can communicate with one another, in the sense that molecules can get from one to the other without having to cross a membrane. We shall see that this topological relationship holds for all of the organelles involved in the secretory and endocytic pathways, including the ER, Golgi apparatus, endosomes, lysosomes, and peroxisomes.
第一,细胞如今拥有一套源自祖先原核细胞质膜的内膜。这些内膜围成的内部空间被称为彼此之间、以及与细胞外部之间「拓扑等价」(图 12–4),因为它们能够互相沟通——即分子可以从一个空间到达另一个空间而无需跨越任何膜。后文将会看到,这种拓扑关系适用于参与分泌途径与胞吞途径的全部细胞器,包括内质网、高尔基体、内体、溶酶体和过氧化物酶体。
In vesicular transport, membrane-enclosed transport intermediates—which may be small, spherical transport vesicles, elongated tubules, or larger, irregularly shaped fragments of organelles—ferry proteins from one topologically equivalent compartment to another. The transport intermediate becomes loaded with a cargo of molecules derived from the lumen and membrane of the originating compartment as it buds and pinches off.
在膜泡运输中,膜包被的转运中间体——它们可以是小的球形转运小泡、拉长的小管,也可以是更大的、形状不规则的细胞器片段——把蛋白质从一个拓扑等价的区室摆渡到另一个区室。转运中间体在出芽并掐断的过程中,装载上来自起始区室腔内和膜上的货物分子。
教材原文对照3 处
The M6P receptor protein binds to M6P at pH 6.5–6.7 in the TGN lumen and releases it at pH 6, which is the pH in the lumen of endosomes. Thus, after the receptor is delivered, the lysosomal hydrolases dissociate from the M6P receptors, which are retrieved into transport vesicles that bud from endosomes. These vesicles are coated with retromer, a coat protein complex specialized for endosome-to-TGN transport, which returns the receptors to the TGN for reuse (Figure 13–40).
M6P 受体蛋白在 TGN 腔内 pH 6.5–6.7 的条件下结合 M6P,而在 pH 6(即内体腔的 pH)时把它释放。因此,受体送达之后,溶酶体水解酶便与 M6P 受体解离,受体则被回收进从内体出芽的转运小泡中。这些小泡由逆向运输体(retromer)——一种专司内体→TGN 运输的包被蛋白复合体——包被,把受体送回 TGN 以供重复使用(图 13–40)。
The M6P-tagged hydrolases then segregate from all other types of proteins in the TGN because adaptor proteins (not shown) in the clathrin coat bind the M6P receptors, which, in turn, bind the M6P-modified lysosomal hydrolases. The clathrin-coated vesicles bud off from the TGN, shed their coat, and fuse with early endosomes. At the lower pH of the endosome, the hydrolases dissociate from the M6P receptors, and the empty receptors are retrieved in retromercoated vesicles to the TGN for further rounds of transport. In the endosomes, the phosphate is removed from the M6P attached to the hydrolases, which may further ensure that the hydrolases do not return to the TGN with the receptor.
带 M6P 标记的水解酶随后与 TGN 中所有其他类型的蛋白分离开来,因为网格蛋白包被中的衔接蛋白(图中未示)结合 M6P 受体,而受体又结合经 M6P 修饰的溶酶体水解酶。网格蛋白包被小泡从 TGN 出芽、脱去包被,并与早期内体融合。在内体较低的 pH 下,水解酶与 M6P 受体解离,空载的受体被逆向运输体包被的小泡回收送回 TGN,进入下一轮转运。在内体中,连在水解酶上的 M6P 的磷酸被去除,这可能进一步确保水解酶不会随受体一起返回 TGN。
A vacuolar H1 ATPase in the lysosome membrane uses the energy of ATP hydrolysis to pump H+ into the lysosome, thereby maintaining the lumen at its acidic pH (Figure 13–62). The lysosome H+ pump belongs to the family of V-type ATPases and has a similar architecture to the mitochondrial and chloroplast ATP synthases (F-type ATPases), which convert the energy stored in H+ gradients into ATP (see Figure 11–12). By contrast to these enzymes, however, the vacuolar H+ ATPase exclusively works in reverse, pumping H+ into the organelle. Similar or identical V-type ATPases acidify all endocytic and exocytic organelles, including lysosomes, endosomes, some compartments of the Golgi apparatus, and many transport and secretory vesicles.
溶酶体膜上的液泡型 H⁺-ATP 酶利用 ATP 水解的能量把 H⁺ 泵入溶酶体,从而把腔内维持在酸性 pH(图 13–62)。这种溶酶体 H⁺ 泵属于 V 型 ATP 酶家族,其结构与线粒体和叶绿体的 ATP 合酶(F 型 ATP 酶)相似,后者把储存在 H⁺ 梯度中的能量转化为 ATP(见图 11–12)。但与这些酶相反,液泡型 H⁺-ATP 酶只反向工作,把 H⁺ 泵入细胞器。相似甚至相同的 V 型 ATP 酶使所有胞吞和胞吐性细胞器酸化,包括溶酶体、内体、高尔基体的某些区室,以及许多转运小泡和分泌泡。
五、 实验题实验题
教材原文对照4 处
Lysosomes are found in all eukaryotic cells. They were initially discovered by the biochemical fractionation of cell extracts; only later were they seen clearly in the electron microscope. Although extraordinarily diverse in shape and size, staining them with specific antibodies shows they are members of a single family of organelles. They can also be identified by histochemical techniques that reveal which organelles contain acid hydrolase (Figure 13–63).
溶酶体存在于所有真核细胞中。它们最初是通过对细胞抽提物做生化分级分离而被发现的,直到后来才在电子显微镜下被清楚地看到。尽管溶酶体在形状和大小上极为多样,用特异性抗体对它们进行染色表明它们属于同一个细胞器家族。它们还可以用显示哪些细胞器含酸性水解酶的组织化学技术来鉴定(图 13–63)。
These electron micrographs show two sections of a cell stained to reveal the location of acid phosphatase, a marker enzyme for lysosomes. The larger membrane-enclosed organelles, containing dense precipitates of lead phosphate, are lysosomes. Their diverse morphology reflects variations in the amount and nature of the material they are digesting. The precipitates are produced when tissue fixed with glutaraldehyde (to fix the enzyme in place) is incubated with a phosphatase substrate in the presence of lead ions.
这些电镜照片显示的是同一细胞的两个切面,经染色以显示酸性磷酸酶——溶酶体的标志酶——的定位。那些含有致密磷酸铅沉淀的较大膜包被细胞器就是溶酶体。它们形态多样,反映了所消化物质在数量和性质上的差异。这些沉淀是这样产生的:先用戊二醛固定组织(以把酶固定在原位),再在有铅离子存在的条件下与磷酸酶底物一起温育。
They contain unique membrane proteins and a wide variety of soluble hydrolytic enzymes that operate best at pH 5, which is the internal pH of lysosomes. An ATPdriven H1 pump in the lysosomal membrane maintains this low pH.
它们含有独特的膜蛋白和种类繁多的可溶性水解酶,这些酶在 pH 5 时活性最佳,而 pH 5 正是溶酶体内部的 pH。溶酶体膜上一个由 ATP 驱动的 H⁺ 泵维持着这一低 pH。
At relatively low speed, large components such as nuclei sediment to form a pellet at the bottom of the centrifuge tube; at slightly higher speed, a pellet of mitochondria is deposited; and at even higher speeds and with longer periods of centrifugation, first vesicles and then ribosomes can be collected (Figure 8–5). All of these fractions are impure, but many of the contaminants can be removed by resuspending the pellet and repeating the centrifugation procedure several times.
在相对较低的转速下,细胞核这类大组分沉降,在离心管底部形成沉淀;转速略高时,线粒体沉淀下来;在更高的转速和更长的离心时间下,先是各种囊泡、再是核糖体可被收集下来(图 8–5)。所有这些组分都不纯,但把沉淀重悬后反复离心数次,可以除去其中许多污染物。
教材原文对照3 处
Peroxisomes are major sites of oxygen utilization and are found in virtually all eukaryotic cells. They contain oxidative enzymes, such as catalase and urate oxidase, at such high concentrations that, in some cells, the peroxisomes stand out in electron micrographs because of the presence of a crystalloid protein core (Figure 12–43).
过氧化物酶体是氧被利用的主要场所,几乎存在于所有真核细胞中。它们所含的氧化酶类(如过氧化氢酶和尿酸氧化酶)浓度极高,以至于在某些细胞里,过氧化物酶体因存在类晶体的蛋白核心而在电镜照片中格外醒目(图 12–43)。
The ultracentrifuge is also used to separate cell components on the basis of their buoyant density, independently of their size and shape. In this case, the sample is sedimented through a steep density gradient that contains a very high concentration of sucrose or cesium chloride. Each cell component begins to move down the gradient as in Figure 8–6A, but it eventually reaches a position where the density of the solution is equal to its own density.
超速离心机还被用来按照细胞组分的浮力密度来分离它们,这种分离与组分的大小和形状无关。在这种情况下,样品在含极高浓度蔗糖或氯化铯的陡峭密度梯度中沉降。每一种细胞组分先像图 8–6A 那样开始沿梯度下移,但最终会到达一个位置:在那里溶液的密度恰好等于它自身的密度。
This type of oxidation reaction is particularly important in liver and kidney cells, where the peroxisomes detoxify various harmful molecules that enter the bloodstream. About 25% of the ethanol we drink is oxidized to acetaldehyde in this way. In addition, when excess H2O2 accumulates in the cell, catalase converts it to H2O through the reaction
这类氧化反应在肝细胞和肾细胞中尤为重要,那里的过氧化物酶体为进入血流的各种有害分子解毒。我们喝下的乙醇约有 25% 是以这种方式被氧化成乙醛的。此外,当细胞内积累了过量的 H₂O₂ 时,过氧化氢酶通过下面这个反应把它转化为 H₂O(即 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂)。