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生物膜是质膜与细胞核膜、内质网膜、高尔基体膜等细胞器膜的总称红细胞质膜内侧有膜蛋白和纤维蛋白组成的膜骨架，它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。一般认为膜骨架蛋白的主要成分包括：血影蛋白、肌动蛋白、原肌球蛋白、锚定蛋白、带4.1 蛋白、内收蛋白等红细胞膜细胞质面的外周蛋白。锚定蛋白借助于带3 蛋白将血影蛋白连接到细胞质膜上，也就将骨架固定到质膜上。而内收蛋白可与肌动蛋白及血影蛋白复合体结合，并且通过钙离子和钙调蛋白的作用影响骨架蛋白的稳定性，从而影响红细胞的形态膜的主要成分是膜脂、膜蛋白、膜糖3 大类磷脂、鞘脂、胆固醇是主要的膜脂，具有双亲媒性，只允许亲脂性物质通过生物膜。磷脂包括甘油磷脂和鞘磷脂，磷脂烃链的长度和不饱和度的不同可以影响磷脂的相对位置，进而影响膜的流动性。鞘脂是鞘氨醇的衍生物，与磷脂的性质类似。胆固醇存在真核细胞膜中，而大多数植物细胞和细菌细胞质膜中没有胆固醇.胆固醇分子是扁平和环状的，对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰作用，调节膜的流动性和加强膜的稳定性。膜脂的主要功能是构成膜的基本骨架，脂的双层性和可塑性使膜没有自由的边缘而总是形成连续的不破裂的结构，有利于细胞的运动、分裂、融合和生殖等。根据膜蛋白的存在方式可分为整合蛋白、膜周边蛋白、脂锚定蛋白，细胞质膜的生物学功能主要是由膜蛋白来执行的，包括转运特殊的分子和离子进出细胞、催化与酶相关的代谢反应、起连接作用或者参与信号接收和转导等；Triton X-100 是常用的温和性去垢剂，既能使膜脂溶解，又不会使蛋白质变性。膜糖一般以糖脂或糖蛋白的形式存在，存在于质膜的外侧面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。在动物细胞质膜上，膜糖主要有7 种：D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-岩藻糖、N-乙酰-D-半乳糖胺、N-乙酰葡萄糖胺和唾液酸。在动物细胞中，糖蛋白是糖萼的主要成分，而在植物细胞中，主要是由糖脂构成膜包被。内膜系统中的内质网和高尔基体是糖蛋白和糖脂的合成场所。膜糖主要协助膜蛋白，参与细胞的信号识别和细胞的黏着。流动镶嵌模型是目前被广泛接受的细胞质膜的结构模型，它强调了膜的不对称性和流动性。膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称和方向性，保证了生命活动的高度有序性。流动运输包括膜脂的侧向扩散、旋转运动、翻转运动和膜蛋白的随机移动、定向运动、局部扩散等.膜的流动性与细胞质膜的酶活性、物质运输、信号转导、能量转换、细胞周期、发育及衰老等过程有很大关系。物质跨膜运输时细胞质膜的基本功能，分为被动运输和主动运输。被动运输不消耗ATP，且顺浓度梯度，可分为简单扩散和促进扩散，后者需要载体蛋白或通道蛋白的帮助。通道蛋白有电位闸门通道、配体闸门通道、机械闸门通道等。通道蛋白在运输过程中并不与被运输的分子结合，也不移动；而载体蛋白需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输。载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输。简单扩散的限制性因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性；而促进扩散会受到类似于酶的竞争性抑制以及蛋白变性剂的抑制作用。水主要可以通过简单扩散方式跨膜，也可以通过水通道蛋白协助跨膜。主动运输的4 个基本特点是：逆浓度运输、依靠膜运输蛋白、需要消耗能量、具有选择性和特异性。主动运输主要是维持细胞内环境的稳定，以及在各种不同生理条件下细胞内环境的快速调整。主动运输消耗的直接能源有：ATP、光能和磷酸烯醇式丙酮酸；间接能源有：钠离子梯度和氢离子质子梯度。主动运输的方向，实际上是载体蛋白的运输方向，分为单向转运和偶联转运。参与主动运输的ATPase 可分为P 型泵、V 型泵、F 型泵和ABC 运输蛋白.Na+/K+泵和Ca2+泵均属于典型的P 型离子泵.Na+/K+泵是动物细胞中由ATP 驱动的将Na+输出到细胞外同时将K+输入细胞内的运输泵，实际上一种Na+/K+-ATPase。运输分为六个过程：在静息状态，Na+/K+泵的构型使得Na+结合位点暴露在膜内侧。当细胞内Na+浓度升高时，3 个Na+与该位点结合；由于Na+的结合，激活了ATP 酶的活性，使ATP 分解，释放ADP，亚基被磷酸化；由于亚基被磷酸化，引起酶发生构型变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧，并向胞外释放3 个Na+；膜外的两个K+同亚基结合；K+与磷酸化的Na+/K+-ATPase 结合后，促使酶去磷酸化；去磷酸化后的酶恢复原构型，于是将结合的K+释放到细胞内。Na+/K+泵具有3 个重要的作用：一是维持了细胞内适当的Na+/K+浓度，抵消了Na+/K+的扩散作用；二是在建立细胞质膜两侧Na+浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力；三是Na+泵建立的细胞膜电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。Ca2+-ATPase 将Ca2+泵出细胞质，使Ca2+在细胞内维持低水平从而建立Ca2+梯度，这能够控制细胞的肌收缩、分泌和微管装配等。Ca2+泵的工作原理类似于Na+/K+-ATPase。Ca2+-ATPase 的氨基端和羧基端都在细胞的内侧，羧基端有3 个功能区域： 同激活位点结合区域、同CaM 结合区、磷酸化位点。在静息状态下，羧基端的抑制区域同环2 的激活位点结合，使泵失去功能，这就是自我抑制。Ca2+-ATPase 有两种激活机制，一种是受激活的Ca2+/钙调蛋白（CaM）复合物的激活，另一种是被蛋白激酶C 激活。离子泵是初级主动运输，而协同转运是次级主动运输，因为协同转运不直接消耗ATP，但要依赖离子泵建立的离子梯度。在植物细胞（包括细菌细胞）的质膜中没有Na+/K+-ATPase，代之的是H+-ATPase，并通过H+的运输建立细胞的电化学梯度，使细胞外H+的浓度比细胞内高；与此同时，H+泵在周围环境中建立了酸性pH，然后通过H+质子梯度驱动的同向运输，将糖和氨基酸等输入植物的细胞内。在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都有H+-ATPase，它们的作用都是一样的，保持这些细胞器的酸性。细胞质基质（cytoplasmic matrix ）：在真核细胞细胞质中，除去可分辨的细胞器外的胶状物质。主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。细胞质基质的功能:1、完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等2、蛋白质的分选与运输3、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 4、蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解（1）蛋白质的修饰 （2）控制蛋白质的寿命 （3）降解变性和错误折叠的蛋白质 （4）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细胞内膜系统:是指在结构，功能乃至发生上相互关联、由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、胞内体和分泌泡等。内膜系统形成了一种胞内网络结构，其功能主要在于两个方面： 扩大膜的总面积，为酶提供附着的支架，如脂肪代谢、氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上； 是将细胞内部区分为不同的功能区域，保证各种生化反应所需的独特的环境。内质网（endoplasmic reticulum，ER）:由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的空腔形成互相沟通的三维网络结构。1、粗面内质网（rough endoplasmic内质 reticulum，rER）多呈扁囊状，排列较为整齐，因在其膜表面分布着大量的颗粒（核糖体）是内质网与核糖体共同形成的复合功能结构。主要功能：合成分泌性的蛋白和多种膜蛋白。在分泌细胞和分泌抗体的浆细胞中，粗面内质网非常发达。2.光滑内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）表面没有核糖体的内质网称光滑内质网，常呈分支管状。是脂质合成的重要场所，广泛存在于能合成类固醇的细胞中。几乎全部脂类和多种重要蛋白质都是在内质网合成的。 蛋白质的合成 细胞中的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。有些蛋白质刚合成不久便转移至内质网膜上，继续进行蛋白质合成，这些蛋白质包括： 向细胞外分泌的蛋白质：酶、抗体、多肽类激素、胞外基质成分等； 膜的整合蛋白：细胞质膜以及内质网、高尔基体、溶酶体膜上的膜蛋白； 构成内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白：溶酶体和植物液泡中的酸性水 解酶、内质网、高尔基体中固有的蛋白。 其它的多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的，包括:（1）预定滞留在细胞质基质中的驻留蛋白：如糖酵解酶和细胞骨架蛋白；（2）质膜外周蛋白：血影蛋白和锚蛋白；（3）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。脂质的合成内质网合成包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的是磷脂酰胆碱（卵磷脂 Phosphatidyl choline）。合成磷脂所需要的三种酶（酰基转移酶 acyl transferases、磷酸酶、胆碱磷酸转移酶Choline phosphptransferase）都定位于内质网膜上。在内质网膜上合成的磷脂几分钟后，就由细胞质基质一侧转向内质网腔面，这种转运可能借助一种磷脂转位因子（phospholipid translocator）或称转位酶（flippase）来完成。合成的磷脂由内质网向其它膜转运主要有两种方式： 以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上； 凭借水溶性的载体蛋白磷脂转运蛋白（phospholipid exchange proteins，PEP）在膜之间转运磷脂。 蛋白质的修饰与加工 进入内质网的蛋白质发生的主要化学修饰作用有糖基化、羟基化、酰基化和二硫键的形成等。 糖基化伴随多肽合成同时进行，是内质网中最常见的蛋白质修饰。 在内质网腔面，寡糖链连接在插入膜内的磷酸多萜醇上，当与糖基化有关的氨基酸残基出现后，通过在膜上的糖基转移酶（glycosyltranferase）的作用，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬酰胺残基上。寡糖基转移到天冬酰胺残基上称之为N-连接的糖基化（N-linked glycosylation），与天冬酰胺直接结合的糖都是N-乙酰葡萄糖胺。有少数糖基化是发生在丝氨酸或苏氨酸残基上（也有可能发生在羟赖氨酸或羟脯氨酸）连接，称之为O-连接的糖基化(O-linked glycosylation)，与之直接结合的是N-乙酰半乳糖胺。新生肽的折叠与装配不同的蛋白质在内质网停留的时间长短不一。不能正确折叠的畸形肽链或未装配成寡聚体的蛋白质亚单位，一般不能进入高尔基体。内质网腔是非还原性的内腔，易于二硫键形成； 正确折叠设计驻留蛋白：具有KDEL（赖天谷亮）或HDEL（组天谷亮）信号蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，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（Binding protein，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。 高尔基体（Golgi apparatus）高尔基体的形态结构和极性高尔基体是由一些（常常为48个）排列较为整齐的扁平膜囊堆叠在一起，扁囊多呈弓形、半球形或球形，膜囊周围有大量的大小不等的囊泡结构；高尔基体多分布在细胞核的附近趋于细胞的一个极；高尔基体一般显示有极性，可区分出靠近细胞中心的顺面（cis face）或形成面（forming face）或凸面（convexity）；远细胞中心的另一面，称之为反面（trans face）或成熟面（maturing face）或凹面（concave）。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。高尔基体至少由互相联系的4个部分组成：1、高尔基体顺面膜囊（cis ）或顺面网状结构（CGN）顺面膜囊是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。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；2、高尔基体中间膜囊（medial Golgi）由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上是连续的、完整的膜囊体系。多数糖基修饰；糖脂的形成；与高尔基体有关的多糖的合成 。3、高尔基体反面的膜囊（trans）及反面高尔基体网状结构（TGN）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； 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 。4、周围大小不等的囊泡高尔基体周围常见大小不等的囊泡。其顺面一侧的囊泡可能是内质网与高尔基体之间的物质运输小泡，称之为ERGIC（endoplasmic reticulum-Golgi intermediate compartment）或称管状小泡丛VTCs（vesicular-tubular clusters）。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。参与细胞分泌活动：rER上合成的蛋白质进入ER腔COP运输泡进入CGN 在medial Golgi中加工在TGN形成分泌泡运输与质膜融合、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 在内质网网腔中，蛋白二硫键异构酶和协助折叠的分子伴侣，均具有典型的回收信号Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。 内质网滞留信号：内质网的功能和结构蛋白羧基端的一个同肽系列:Lys-Asp-Gly-Leu-Coo-,即KDEL信号序列。蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质的糖基化类型葡萄糖胺半乳糖甘露糖葡萄糖胺天冬酰胺N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺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 主要在高尔基体羟赖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氨 丝氨酸、苏氨酸、羟脯、 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 N-乙酰半乳糖胺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：1、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；2、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。 溶酶体（lysosome）溶酶体的形态结构与类型溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化作用。溶酶体是一种异质性细胞器，根据溶酶体的不同生理阶段，可分为初级溶酶体（primary lysosome）、次级溶酶体（secondary lysosome）和残余体（residual body）。初级溶酶体呈球形不含明显的颗粒物质，外面由一层脂蛋白膜围绕。其中含有多种水解酶类，如蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、酯酶、磷脂酶、磷酸酶和磷酸脂酶等，酶的最适pH值为5左右。溶酶体膜在成分上也与其它生物膜不同： 嵌有质子泵，借助水解ATP释放出的能量将H+泵入溶酶体内，以形成和维持酸性的内环境； 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。 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复合体，分别称之为自噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体（phagolysosome），二者都是进行消化作用的溶酶体。进入次级溶酶体的物质经过一段时间的消化后，小分子物质可通过其膜上的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中形成残余小体或后溶酶体。残余小体可通过类似胞吐的方式将内容物排除细胞。 溶酶体的功能： 1.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 2.防御功能 3.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； 在分泌腺细胞中，溶酶体常常含有摄入的分泌颗粒，可能参与分泌过程的调节； 某些特定细胞编程性死亡及周围活细胞对其清除； 精子的顶体（acrosome）相当于特化的溶酶体，在受精过程中的能溶解卵细胞膜。 溶酶体酶是在粗面内质网上合成并经N-连接的糖基化修饰，然后转至高尔基体，在高尔基体的顺面膜囊中寡糖链的甘露糖残基发生磷酸化形成M6P，在高尔基体的反面膜囊和TGN膜上存在M6P受体，将溶酶体的酶与其它蛋白区分开来，并得以浓缩，最后以出芽的方式转运至溶酶体中。分选途径多样化：1、M6P是溶酶体水解酶分选的重要识别信号。所有糖蛋白离开ER都具有N-连接的寡糖链，只有溶酶体水解酶的寡糖链被磷酸化形成M6P，在每个水解酶上有其特异的信号斑（signal patch），再通过两种酶的相继催化作用而形成。2、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。3、还存在不依赖于M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体的perforin和granzyme）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细胞器。过氧化物酶体与溶酶体的区别过氧化物酶体的特征：和溶酶体形态大小类似，所含尿酸氧化酶等呈晶格状结构；含有氧化酶类；内环境pH值为7左右；酶在细胞质基质中合成，经分选与装配形成；识别的标志酶为过氧化氢酶。 过氧化物酶体的功能在动物细胞中过氧化物酶体的功能： 1、 动物细胞（肝细胞或肾细胞）中的过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒的作用。 2、 过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热量。在植物细胞中过氧化物酶体的功能： 1、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； 2、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 乙酰辅酶A 琥珀酸 葡萄糖。 蛋白质的分选（protein sorting）：又称蛋白质的定向转运（protein targeting），指绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中的核糖体上开始合成，然后转运到细胞的特定部位，装配成结构与功能的复合体，才能参与细胞的生命活动这一过程。信号假说（signal hypothesis），即分泌性蛋白N端作为序列信号肽（signal sequence或signal peptide），指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白合成结束前信号肽被切除。信号识别颗粒(SRP)和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（停泊蛋白,DP）等因子协助完成这一过程。信号肽（signal peptide）：引导新合成的肽链转移到内质网上合成的信号序列称为信号肽，位于新合成肽链的N端，一般16-26个氨基酸残基，含有6-15个连续排列的带正电荷的非极性氨基酸，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端三部分。由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列（start transfer sequence）；信号肽没有严格的专一性，目前尚未发现共同的信号序列。信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常由15-60个氨基酸残基组成，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（ signal peptidase）切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特异性要求。信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向肽链边合成边转移至内质网腔中的方式称为共转移。跨膜蛋白的起始转移序列和终止转移序列 起始转移序列：蛋白质氨基末端的信号序列除作为信号被SRP识别外，还具有起始穿膜转移的作用。 停止转移序列：肽链中还有某些序列与内质网膜具有很强的亲合力而结合在脂双层之中，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质，称为停止转移序列。起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数。指导蛋白质进入线粒体、叶绿体和过氧化物酶体中的信号序列称为导肽。某些蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移至线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器中称后转移（post translocation）。蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。 蛋白质分选的途径： 1、翻译后转运途径：在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体及细胞核，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和支架蛋白 2、共转运翻译途径：蛋白质合成在游离核糖体上起始之后由信号肽引导转移至糙面内质网，然后新生肽边合成边转入糙面内质网中，再经高尔基体加工包装并有其膜泡运送至溶酶体、细胞质膜或分泌到胞外。途径1 表示核基因编码的mRNA在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成。途径2 表示合成的蛋白质不含信号序列，并留在细胞质基质中。途径3.4.5 分别表示通过跨膜转运方式转运至线粒体、叶绿体和过氧化物酶体。途径6 .表示通过门控转运方式转运至细胞核。途径7 表示核基因编码的mRNA在细胞质基质游离核糖体上起始合成，然后在信号肽引导下与内质网膜结合并完成蛋白质合成（途径8）。途径9 表示以膜泡运输方式从内质网转运至高尔基体。途径12、11、10 表示以膜泡运输方式分选至质膜、溶酶体和分泌到细胞表面。蛋白质分选的类型： 1、蛋白质的跨膜转运：在细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体和过氧化物酶体等细胞器； 2、膜泡运输：通过不同类型的转运小泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体，进而分选转运至细胞的不同部位； 3、选择性的门控转运：通过核孔复合体选择性的核输入和输出； 4、细胞质基质中的蛋白质转运。膜泡运输 膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。 1、COPII包被小泡介导从内质网高尔基体的运输，顺向运输； 2、COPI包被小泡负责将蛋白从高尔基体 N 内质网，逆向运输； 3、网格蛋白有被小泡介导从高尔基体TGN质膜、胞内体、溶酶体或植物液泡等的运输；在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜内吞泡(细胞质) 胞内体溶酶体运输。膜泡融合是特异性的选择性融合,从而指导细胞内膜流的方向。选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相互作用。线粒体(mitochondrion)线粒体(mitochondrion)是存在于真核细胞中的一种较大细胞器，在光学显微镜下观察呈“短线状”或“颗粒状”的形态学特征而命名为线粒体，是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,细胞生命活动所需的能量有95来自线粒体，因此有细胞“动力工厂”之称。 同一类型细胞中，线粒体的数目是相对稳定的。在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大。生理活动旺盛的细胞（心肌细胞）线粒体多。线粒体较多分布在需要ATP的部位！电镜下，线粒体是由两层高度特化的单位膜套叠而成的囊状结构，主要由外膜（Outer membrane）、内膜(Inner menbrane)、膜间腔(Intermembrane space)和基质腔(Matrix space)四部分组成。嵴（Cristae）：内膜向内腔折叠形成，可增加内膜的表面积。嵴的形态和排列方式差别很大，主要有两种类型： 板层状（大多数高等动物细胞中线粒体的嵴）; 小管状（原生动物和其它一些较低等的动物细胞中线粒体的嵴）。基粒（ATP酶复合体F1 particles）：基质面上许多带柄的小颗粒，与膜面垂直而规律排列。外膜（Outer membrane）：包围在线粒体外表面的一层单位膜。平整、光滑。外膜含有多套运输蛋白（通道蛋白） ，围成筒状园柱体，中央有小孔，孔径2-3nm，允许分子量为10 000以内的物质可以自由通过。标志酶:单胺氧化酶内膜(Inner menbrane)：位于外膜内侧，由一层单位膜构成。其通透性很差，但有高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的部位。通透性差，含有大量的心磷脂(cardiolipin)，心磷脂与离子的不可渗透性有关；3类酶：运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成的酶类；内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。 基质（matrix）：内膜和嵴围成的腔隙，腔内充满较致密的物质线粒体基质。 标志酶:苹果酸脱氢酶。 功能:TCA循环; 脂肪酸氧化; 氨基酸降解; 合成部分线粒体蛋白。糖的氧化: 葡萄糖细胞 胞质中分解为丙酮酸(不需要氧，糖酵解)糖氧化成丙酮酸丙酮酸脱羧生成乙酰CoA：丙酮酸跨膜进入线粒体基质；在丙酮酸脱氢酶 (pyruvate dehydrogenase)作用下氧化成乙酰辅酶A。乙酰CoA进入三羧酸TCA循环(tricarboxylic acid cycle）彻底氧化化学渗透偶联假说(chemiosmotic coupling hypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。该学说认为:在电子传递过程中, 伴随着质子从线粒体内膜的里层向膜间腔转移，形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力)，合成了ATP 。细胞氧化：在酶的催化下，氧将细胞内各种供能物质氧化而释放能量的过程。由于细胞氧化过程中，要消耗O2释放CO2和H2O所以又称细胞呼吸。电子传递和氧化磷酸化：供能物质经过酵解乙酰辅酶A生成，三羧酸循环脱下的氢原子，通过内膜上的一系列呼吸链酶系的电子传递 ，最后与氧结合生成水，电子传递过程中释放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP. 伴随电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和ATP的生成称氧化磷酸化或称氧化磷酸化偶联。呼吸链 (resqiratory chain) ：呼吸链即电子 (包括 H+) 的传递链，起自 NADH (Nicotine Adenylate Dinucleotide，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)，终端为02， NADH到02 共产生 3 个 ATP。其间任何环节缺陷将导致电子传递障碍。线粒体的半自主性：线粒体具有独立的遗传体系，能够合成蛋白质，但是合成能力有限。大多数线粒体蛋白都是由核基因编码， 在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的，因此线粒体被称为半自主性细胞器（semiautonomous organelle）。线粒体DNA （mtDNA）: 是双链环状的DNA分子、裸露不与组蛋白结合,分散在线粒体基质中，长约5um、分子量小,含15 000碱基对。人类线粒体基因组是一个环状双链DNA， 包括37个基因 ，可以编码2种rRNA、22种tRNA和13种mRNA ，所有的 13 种蛋白质产物均参与组成呼吸链。特点：1.几乎全部基因组都是编码序列 2.密码子的特殊性 3.裸露的DNA，不与组蛋白结合 4.其遗传密码与“通用”的遗传密码表也不完全相同 如:UGA 色氨酸， 而不是终止密码。线粒体蛋白质合成： 线粒体有自身的蛋白质合成体系，线粒体的蛋白质合成与原核细胞相似，而与真核细胞不同。线粒体的增殖线粒体的起源假说内共生假说：线粒体体来源于被原始的前真核生物吞噬的好氧性细菌；这种细菌和前真核生物共生，在长期的共生过程中演化成了线粒体。 分化假说：线粒体在进化过程中的发生是由于质膜的内陷，再分化后形成的。细胞核与染色体细胞核(nucleus)是细胞内储存遗传物质的场所。真核生物的细胞都有细胞核, 只有成熟的红细胞和植物成熟的筛管没有细胞核。细胞核主要有两个功能: 一是通过遗传物质的复制和细胞分裂保持细胞世代间的连续性(遗传); 二是通过基因的选择性表达, 控制细胞的活动。真核生物细胞核的结构由五个主要组成部分核膜、核质(nucleoplasm)、核仁、核基质(nuclear matrix)、DNA 纤维。核膜：核被膜的结构比较复杂, 它由外核膜、内核膜、核周腔、核孔复合物和核纤层等5 个部分组成。外核膜(outer nuclear membrane)： 外核膜面向细胞质基质, 常附有核糖体, 有些部位与内质网相连, 外核膜可以看成是内质网膜的一个特化区。内核膜(inner nuclear membrane) 内核膜面向核基质，与外核膜平行排列, 其表面没有核糖体颗粒。核纤层(lamina) 在与核质相邻的核膜内表面有一层厚30160nm 网络状蛋白质, 叫核纤层, 对核被膜起支撑作用。核周腔(perinuclear space) , 是两层核膜之间的空隙, 宽1530nm, 其中充满无定形物质。由于外核膜与粗面内质网相连, 所以核周腔常与ER 的腔相通。核孔复合物(nuclear pore complexs,NPCs)：核被膜上有许多孔, 称为核孔( nuclear pore ),是细胞核膜上沟通核质与胞质的开口, 由内外两层膜的局部融合所形成, 核孔的直径为80120nm。NPC 是一轮形结构, 外经120 nm, 并呈现8 面对称。轮毂是一个圆柱形的活塞(plug), 称之为中央运输蛋白(central transporter)。从中央运输蛋白向外伸出8 个辐条(spoke)并与核孔复合物的细胞核面的核质环(nucleoplamic ring)和细胞质面的胞质环(cytoplasmic ring)相连。在胞质环的表面常有8 个细胞质颗粒位于其上, 而核质环上有细纤丝伸向核质,形成笼形结构, 称之为篮。后来发现在胞质环上也有细胞质纤维伸向细胞质。由于这种结构象鱼笼, 所以有人称之为鱼笼模型。核孔复合物的主要功能就是进行物质运输。核被膜的功能基因表达的时空隔离真核生物的结构复杂, 而且大多数基因都有内含子, 转录后需要经过复杂的加工, 所以核膜的出现, 为基因的表达提供了时空隔离的屏障, 便于DNA 在核内活动的多样性,DNA 转录形成RNA 的多样性, 从而导致细胞的多样性。 核膜作为保护性屏障, 使核处于一微环境中核膜的出现，为细胞遗传信息的保存、复制、传递及发挥其对细胞代谢和发育的指导作用创造了特定的微环境，提高了上述各项活动的效率；避免直接受细胞内其它各种生命活动的干扰，并防止细胞中这个调度中枢的功能轻易地随环境条件的变化而变化，以保持其相对的稳定性，这些都是核膜出现的进化意义。 染色体的定位和酶分子的支架另外, 核内的一些酶是以膜蛋白的形式存在的, 这就有利于核内生化反应的区域化, 从而发挥高度的催化活性。所以核膜是染色体和酶分子的支架和固着部位。核孔运输的信号指导在生理状态下, RNA 的输出可能是一种具有高度选择性的信号指导的过程。在RNA 聚合酶指导下合成RNA(mRNA 和snRNA), 当其5端具有m7 GpppG 帽子结构时, 即被定位于细胞质, 而没有帽子结构的snRNA 则定位在细胞核。核蛋白(nuclear protein)：是指在细胞质中合成, 然后运输到核内起作用的一类蛋白质。核定位信号(nuclear localization signal, NLS)：核定位信号是另一种形式的信号肽, 这种信号肽序列可以位于多肽序列的任何部分。一般含有 48 个氨基酸,且没有专一性, 作用是帮助亲核蛋白进入细胞核。核输出信号(nuclear expotr-signal,NES), 作为核内物质输出细胞核的信号，帮助核内的某些分子迅速通过核孔进入细胞质。另外, 有些蛋白并非是核内常驻人口, 通常要往返于核质和胞质之间, 这些穿梭蛋白既有NLS 又有NES。 输入蛋白(importin)仅有核定位信号的蛋白质自身不能通过核孔复合物,它必须在水溶性的NLS 受体的帮助下才可进入核孔复合物,这种受体称为输入蛋白, 分布在胞质溶胶。它们作为一种穿梭受体(shuttling receptor)在细胞质内与核蛋白的核定位信号结合, 然后一起穿过核, 在核内与亲核蛋白分离后再返回到细胞质中。 输出蛋白(exportin)存在于细胞核中识别并与输出信号结合的蛋白质, 帮助核内物质通过核孔复合物输出到细胞质, 而后快速通过核孔回到细胞核中。核运输系统(nuclear-transport system)核质蛋白(nucleoplasmin)的输入作用细胞核内输出到细胞质的两类主要物质是各种RNA和核糖体亚基。输出的RNA中, mRNA是最多也是最重要的。细胞核中合成的RNA 很快与蛋白质形成hnRNPs(含有加工成熟的RNPs 称之为mRNPs)后被运输到胞质溶胶。分子伴侣(molecular chaperones):是由不相关的蛋白质组成的一个家系，它们介导其它蛋白质的正确装配，但自己不成为最后功能结构中的组分。分子伴侣是细胞中一大类蛋白质, 它们的作用广泛, 但都有一个基本的特性, 就是“乐于助人”。第一个被发现的分子伴侣 :核质蛋白(nucleoplasmin):它在细胞核中通过降低组蛋白的正电荷, 帮助组蛋白和DNA 形成正常的核小体, 其本身并不成为核小体的组成成分。三个特点:凡具有介导功能的蛋白, 都称为分子伴侣；作用机理不清楚；分子伴侣一定不是最终组装完成的结构的组成部分, 但也不一定是一个分离的实体。分子内伴侣(intramolecular chaperones)：一些位于信号肽和成熟蛋白之间的前序列, 不仅抑制酶原蛋白的活性, 还作为分子伴侣帮助酶原蛋白折叠。去除前序列, 剩余部分便会形成稳定的中间物, 既不沉淀, 也不折叠;加入前序列,才能折叠成活性构象,将这种序列称为分子内伴侣。与一般的分子伴侣相比, 这种分子内伴侣具有高度的专一性, 通过水解作用释放, 不需要ATP。分子伴侣的功能和作用机制 帮助蛋白质折叠和装配这是所有分子伴侣家族成员共同的、最重要的功能。驱使蛋白质折叠和组装的主要作用力是蛋白质疏水区域间的疏水作用。蛋白质多肽链在核糖体上合成时就开始进行折叠。在体内溶液环境中，肽链形成天然构象或亚基装配成复合物之前，它们原来包埋在蛋白质中心的疏水区瞬间会暴露而易错误折叠或聚集形成不正确的产物; 分子伴侣识别这些未折叠的肽链和未组装的亚基，与它们形成复合物防止错误折叠或聚集成包涵体。 帮助蛋白质的转运和定位分子伴侣在蛋白质的转运和定位中起重要作用,它们与新生肽链结合，阻止它们折叠成天然构象或聚集，使新生肽保持输出感受态的构象，即完全或部分折叠并且不被细胞内蛋白酶水解，利于跨膜转位。并且发现在新生肽链进入内质网的共翻译运输的模型中，肽链插入内质网膜除了与信号肽、信号肽识别颗粒和停泊蛋白有关，还与分子伴侣有关。 参与细胞器和细胞核结构的发生 应激反应分子伴侣中除少数成员外，大部分成员均可被高温或低温和乙醇、亚砷酸盐、重金属等因素诱导合成，它们使生物体逆境耐受力大大增强。 参与信号传导染色质(chromatin)染色体(chromosome)是细胞在有丝分裂和减数分裂过程中由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质骨架DNA一个生物储存在单倍体染色体组中的总遗传信息称为该生物的基因组(genome)。染色质中的DNA 是双螺旋结构。在构型上,主要是Waston 和Crick 提出的右手双螺旋DNA, 即B-型DNA。此外还有A 型和Z 型DNA。DNA 序列的复杂性单一序列(unique sequence) 又称非重复序列, 在一个基因组中一般只有一个拷贝。真核生物的绝大多数结构基因在单倍体中是单拷贝或几个拷贝(15 个拷贝)。重复序列(repetitive sequence)拷贝数在10 个以上的序列称为重复序列。DNA 结构稳定遗传的功能序列DNA 是遗传物质,它的稳定遗传依赖于复制和分离的准确性。要达到这个目的, 在染色体上必须具有三个功能单位, 即: 自主复制序列、着丝粒序列和端粒序列。 ARS 序列(autonomous replicating sequence) 即自主复制序列, 又叫复制起点序列(replication origin sequence)。真核生物染色体上有多个ARS 序列。上下游各200 个bp 左右的序列是维持ARS 功能所必需的。 CEN 序列(centromeric sequence) 即着丝粒序列，功能是形成着丝粒，均等分配两个子代染色单体。 端粒顺序(telomeric sequence，TEL) 是线性染色体两端的特殊序列，在人类，这种序列是GGGTTA。功能是保持线性染色体的稳定，即不环化、不粘合、不被降解。端粒是由端粒酶合成的。该酶是反转录酶, 自身含有一个RNA 分子，可作为延长DNA 末端合成的模板，合成的方向是53。端粒酶是一种蛋白和RNA 的复合物, 用自身的RNA 作为模板, 反转录成DNA, 使DNA 链不断加长, 然后在DNA聚合酶的作用下将DNA 双链中的未合成的缺口填补。人工染色体(artificial chromosome)基于ARS、CEN、TEL 是线性染色体稳定的功能序列,人们利用这些序列构建载体, 重组后的DNA 以线性状态存在, 这样不仅稳定,而且大大提高了插入外源基因的能力,并且可以像天然染色体一样在寄主细胞中稳定复制和遗传，称为人工染色体。组蛋白(histone)：是真核生物染色体的基本结构蛋白, 是一类小分子碱性蛋白质, 有五种类型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4，它们富含带正电荷的碱性氨基酸, 能够同DNA 中带负电荷的磷酸基团相互作用。染色质中的组蛋白与DNA 的含量之比为1:1。组蛋白的功能5 种组蛋白在功能上分为两组:一组是核小体组蛋白(nucleosomal histone), 包括H2A、H2B、H3 和H4,它们的作用是将DNA 分子盘绕成核小体。H1 属于另一组组蛋白, 它不参加核小体的组建, 在构成核小体时起连接作用, 并赋予染色质以极性。组蛋白的化学修饰大多数细胞中都有部分组蛋白的某些碱性氨基酸侧链被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP 的核糖化等修饰, 这些修饰中和了侧链的正电荷或被转变成带负电。非组蛋白(nonhistone proteins)与染色体组蛋白不同, 非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。非组蛋白不仅包括以DNA 作为底物的酶，也包括作用于组蛋白的一些酶, 如组蛋白甲基化酶。非组蛋白的特性非组蛋白是一类不均一的蛋白质，所含酸性氨基酸超过碱性氨基酸，故呈酸性，带负电荷。另外, 非组蛋白常常是被磷酸化的。非组蛋白在作用时具有以下特性： 能识别特异的DNA序列, 识别的信息来源于DNA核苷酸序列的本身, 识别位点存在于DNA 双螺旋的大沟部分; 识别与结合靠氢键和离子键,而非共价键； 在不同的基因组文库之间发现这些序列特异性结合蛋白所识别的DNA 序列在进化上是保守的。非组蛋白的功能：参与染色体的构建、启动基因的复制、调控基因的转录 反式作用因子(trans-acting factor)参与基因表达调控的因子, 它们与特异的靶基因的顺式元件相结合起作用。编码反式作用因子的基因与被反式作用因子调控的靶序列(基因)不在同一染色体上。 顺式作用元件(cis-acting element) 存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。顺式作用元件包括启动子、增强子、负调控序列和可诱导元件等, 它们的作用是参与基因表达的调控。异固缩(heteropythosis)细胞分裂时, 核内染色质要凝缩成染色体结构,对碱性染料着色很深,一旦脱离分裂期, 染色体去凝集成松散状态,此时染色着色力减弱。但是,有些染色体或其片段的凝缩周期与其它的不同,这种现象称为异固缩。其中在间期或前期过度凝缩,染色很深的称为正异固缩。在中期凝缩不足,染色很浅,称为负异固缩。根据染色体在分裂期与间期的染色不同, 将染色质分为异染色质(heterochromatin)和常染色质(euchromatin)。异染色质和常染色质可通过染色进行观察,间期染色深的是异染色质,染色浅的是常染色质。染色质的基本结构核小体(nucleosome)： DNA和组蛋白组成重复的亚单位核小体是染色质的基本结构单位。由200 个(160-240)左右碱基对的DNA 和五种组蛋白结合而成。其中四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各2 分子组成八聚体的小圆盘，146个碱基对的DNA 在小圆盘外面绕1 3/4 圈。每一分子的H1与DNA 结合, 锁住核小体DNA 的进出口, 起稳定核小结构的作用。两相邻核小体之间以连接DNA(linker DNA)相连(图11-24), 连接DNA 的长度变化不等, 因不同的种属和组织而异, 但通常是60 个碱基对。核小体与DNA 的复制一旦组蛋白和DNA 装配成核小体, 组蛋白基本上不再与所结合的DNA分开。在DNA复制时, 核小体也不会解体。因此, 在DNA 复制期间, 复制叉必须以某种方式通过核小体。按照一种假说, 在DNA 复制时, 每一个核小体暂时分成两半, 允许DNA 聚合酶复进行DNA 的复制(图11-28)。在电镜下观察正在复制的染色质时, 可以看到复制叉上有一条DNA 链没有核小体结构。并进一步证明, 有核小体的是先导链, 无核小体的是滞后链。复制叉通过后核小体重新装配。在该模型中，核小体组蛋白能够永久性与DNA 结合，不过核小体只是完整地遗传到前导链的DNA 中，滞后链复制后要重新装配核小体。染色体的包装1、核小体的装配是染色体装配的第一步, DNA 包装成核小体, 大约压缩了7 倍。2、核小体通过自身形成螺旋的方式形成致密的、外径为30nm 的管状结构,称为螺线管, 又称30nm 染色质纤维。从核小体到螺线管压缩了6 倍。3、 从螺线管到超螺线管(supersolenoid)：进一步螺旋化形成。又压缩了40 倍。4、 从超螺线管到染色体：超螺线管进一步螺旋化, 形成直径为12m, 长度为210m 的中期染色体,从超螺线管到染色体大约压缩了5倍。由此看来, DNA 经核小体到染色体, DNA 总共压缩了8400 倍。着丝粒(centromere)和动粒(kinetochore)着丝粒是染色体中连接两个染色单体, 并将染色单体分为两臂: 短臂(p)和长臂(q)的部位。 中着丝粒染色体(metacentric chromosome), 着丝粒位于染色体的中部,两臂长度相等或大致相等。 亚中着丝粒(submetacentric chromosome), 着丝粒偏离中部, 染色体的两个臂长短不一, 短的叫做短臂, 简写为p, 来自法文petit 的字头; 长的叫做长臂, 简写为q, 为p 的下一个字母。 亚端部着丝粒染色体(subtelocentric chromosome),着丝粒靠近染色体一端, 长臂极长, 短臂极短, 甚至不易觉察, 又叫做近端着丝粒染色体。 端部着丝粒染色体(telocentric chromosome), 着丝粒位于染色体末端, 只有一个长臂。动粒(kinetochore)动粒是由着丝粒结合蛋白在有丝分裂期间特别装配起来的、附着于主缢痕外侧的圆盘状的结构。次缢痕(secondary constriction)是染色体上的一个缢缩部位,它的数量、位置和大小是某些染色体的重要形态特征。每种生物染色体组中至少有一条或一对染色体上有次缢痕。核仁组织区(nucleolar organizing region, NOR)是细胞核特定染色体的次缢痕处，含有rRNA 基因的一段染色体区域，与核仁的形成有关，故称为核仁组织区。随体(satellite)：位于染色体末端的、圆形或圆柱形的染色体片段,通过次缢痕与染色体主要部分相连。它是识别染色体的主要特征之一。根据随体在染色体上的位置,可分为两大类: 随体处于末端的, 称为端随体; 处于两个次缢痕之间的称为中间随体。核型(karyotype)核型是指染色体组在有丝分裂中期的表型, 是染色体数目、大小、形态特征的总和。染色体分带(chromosome banding)用特殊的染色方法, 使染色体产生明显的色带(暗带)和明带相间的带型(banding patterns), 形成不同的染色体个性, 以此作为鉴别单个染色体和染色体组的一种手段。巨大染色体(giant chromosome)某些生物的细胞中, 特别是在发育的某些阶段, 可以观察到一些特殊的染色体, 它们的特点是体积巨大, 细胞核和整个细胞体积也大, 所以称为巨大染色体, 包括多线染色体和灯刷染色体。 多线染色体(polytene chromo