2.4. 细胞质基质与内膜系统及蛋白质分选与膜泡运输¶
细胞内区室化（compartmentalization）：真核细胞内具发达膜结构，将细胞质分为不同隔室；是真核细胞结构、功能基本特征之一。
胞内被膜区分：细胞质基质（cytoplasmic matrix）、内膜系统（endomembrane system）、细胞器（其它由膜包被的）。
内膜系统是指在结构、功能、发生上相互关联、由单层膜包被的细胞器、细胞结构；含内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡等。
2.4.1. 细胞质基质及其功能¶
细胞质基质：真核细胞细胞质中，除去可分辨的细胞器外的胶体物质，占据细胞膜内、核外的胞内空间；主要成分称胞质溶胶，是细胞与环境、质核间、胞器间的物质运输、能量交换、信息传递基础。
细胞质基质功能：为部分蛋白质、脂肪酸合成提供场所（胞内所有蛋白质合成起始均于胞质中游离核糖体），与细胞骨架相关，与膜相关（区室化、维持跨膜离子梯度），蛋白修饰与选择性降解。
蛋白质修饰（辅酶、辅基与酶共价结合、磷酸化与去磷酸化、糖基化、甲基化、酰基化）。
蛋白质选择性降解：泛素化核蛋白酶体介导的蛋白质降解途径（ubiquitin and pro-teasome mediated pathway），对象常为错误折叠、异常蛋白质，需存量调控、不稳定的蛋白质；蛋白酶体（proteasome）：胞内降解蛋白质的大分子复合体。
协助变性、错误折叠蛋白质重新折叠为正常构象，热休克蛋白（heat shock protein，HSP）：协助胞内蛋白质合成、分选、折叠、装配，分子伴侣（molecular chaperone）。
2.4.2. 细胞内膜系统及其功能¶
2.4.2.1. 内质网¶
内质网（endoplasmic reticulum，ER）：由封闭管状、扁平囊状膜系统及其包被的腔形成互相沟通的三维网格结构，真核细胞中最普遍、多变、适应性最强的细胞器。不同细胞、发育阶段、生理状态，内质网结构、功能、数量、类型等具差异；是胞内核酸外生物大分子的合成基地，增大胞内膜表面积供酶结合，区分蛋白质利于加工运输。
微粒体（microsome）：细胞匀浆、超速离心过程中，破碎的内质网形成的似球形囊泡结构，含内质网、核糖体的基本组分，具内质网基本功能。
2.4.2.1.1. 类型¶
糙面内质网（rough endoplasmic reticulun，rER）：多呈扁囊状，排列较整齐，膜表面附着大量核糖体；合成分泌蛋白、膜蛋白。
光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）：常为分支管状，成较复杂立体结构，无附着核糖体；脂质合成场所；胞内无纯sER，仅为内质网连续结构的部分，常为出芽位点。
内质网对外界因素作用敏感，rER普遍病理变化为内质网腔扩大成空泡，核糖体脱落，蛋白质合成受阻。
2.4.2.1.2. 功能¶
rER：蛋白质合成；分泌蛋白、膜整合蛋白（构象具方向性，合成时已确定）、细胞器中可溶性驻留蛋白。
sER：磷脂、固醇等膜脂合成；合成后的磷脂经磷脂转位蛋白（phospholipid translocator）/转位酶（flippase）协助由基质侧转向内质网腔面。转运至其它膜：出芽，经磷脂交换蛋白（phospholipid exchange protein，PEP）于膜间转移，供受体膜间膜嵌入蛋白介导的直接接触。
蛋白质修饰加工：内质网和高尔基体中的蛋白质糖基化，内质网中的二硫键形成，蛋白质折叠、装配，内质网、高尔基体、分泌泡中的特异性蛋白质水解。
酰基化（acylation）发生于内质网胞质侧，常为软脂酸共价结合于Cys残基上；亦发生于高尔基体、膜蛋白向质膜转运过程中，是形成脂锚定蛋白重要方式。
N-连接 |
O-连接 |
|
|---|---|---|
合成部位 |
rER、高尔基体 |
高尔基体 |
合成方式 |
自同一寡糖前体 |
逐个单糖添加 |
结合残基 |
Asn |
Ser、Thr、羟脯、羟赖 |
最终长度 |
≧5个糖残基 |
常为1~4个糖残基，ABO抗原例外 |
首个糖残基 |
GlcNAc |
GalNAc |
新生多肽折叠、组装：蛋白质错误折叠引起疾病（正确折叠、转运蛋白质减少，错误折叠蛋白质异常获得功能）。内质网中具蛋白二硫键异构酶（PDI）附于内质网膜腔面切断二硫键形成自由能最低的蛋白质构象；结合蛋白（binding protein，Bip），为分子伴侣，结合未折叠蛋白质防错误折叠、聚合，识别错误折叠、未装配蛋白质促重折叠、装配，防新合成蛋白质转运时变性、断裂。
内质网其它功能：肝细胞解毒作用（detoxification），sER上的酶介导氧化、还原、水解等反应，使有毒物由脂溶性转为水溶性而排出体外。心肌细胞中特化的sER，肌质网（sarcoplasmic reticulum）。
2.4.2.1.3. 应激及信号调控¶
内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）：细胞内外因素使胞内内质网生理功能紊乱、钙稳态失衡、内质网腔内异常蛋白质积累时，细胞激活相关信号通路引起的反应，以应对条件变化、恢复内质网正常蛋白折叠环境。ERS含：未折叠蛋白质应答响应（unfolded protein response，UPR）；内质网超负荷反应（endoplasmic reticulum overload response，EOR）；固醇调节级联反应；凋亡。
2.4.2.2. 高尔基体¶
高尔基体（Golgi body）/高尔基器（Golgi apparatus）/高尔基复合体（Golgi complex）：真核细胞内普遍存在的细胞器，由大小不一、形态多变的囊泡体系组成。
2.4.2.2.1. 结构¶
高尔基体由排列较整齐的扁平膜囊（saccules）堆叠成，构成主体结构；扁平膜囊呈弓形、半球形，膜囊周围具众多大小不等囊泡结构。
高尔基体具极性，于细胞中位置、方向较恒定，物质进出方向固定；靠经核一侧，膜囊弯曲呈凸面称形成面（forming face）/顺面（cis face）；向质膜一侧呈凹面（concave）称成熟面（mature face）/反面（trans face）。
结构 |
标志反应物 |
作用 |
|---|---|---|
顺面网状结构区(cis Golgi net-work,CGN) |
嗜锇反应（顺面特异染色） |
接受ER合成物并分类 |
顺面膜囊 |
嗜锇反应（顺面特异染色） |
|
中间膜囊(medial Golgi) |
NADP酶 |
糖基修饰、糖脂形成等 |
反面膜囊 |
CMP酶、酸性磷酸酶；TPP酶（反面1~2层膜囊） |
|
反面网状结构区(trans Golgi network,TGN) |
CMP酶、酸性磷酸酶；TPP酶（反面1~2层膜囊） |
蛋白分选、包装；晚期蛋白修饰 |
膜泡运输模型（vesicular transport model）：膜囊群主体是相对稳态的结构，其更新、极性是经不同类型转运膜泡于相邻膜囊间有序转移实现。
膜囊成熟模型（cisternal maturation model）：膜囊为动态结构，逐渐成熟并移。
2.4.2.2.2. 功能¶
高尔基体主要功能是将ER合成的蛋白质经加工、分类、包装，分选转运至胞内特定部位或分泌至胞外。
细胞分泌活动：TGN区是蛋白质分选关键枢纽，分选途径：溶酶体酶的包装与分选途径；可调节性分泌（regulated secretion）途径；组成型分泌（constitutive secretion）途径。
蛋白质糖基化及其修饰：糖基化蛋白质的寡糖链具促折叠、增强稳定性作用；使蛋白质携带不同标志，利于分选包装，保证从rER到高尔基体的单向转移；糖链合成、加工酶类均由管家基因编码，胞外及膜上的寡糖链可介导胞间通讯、参与分化发育等；糖侧链还可影响蛋白质水溶性、电荷。硫酸化作用：硫酸根转移至Tyr；主要为蛋白聚糖。
不同蛋白质的酶加工：蛋白原切除两端序列成熟；rER合成时具多个相同氨基酸序列前体水解称同种活性多肽；蛋白质前体不同信号序列使得加工成不同产物。
2.4.2.3. 溶酶体¶
溶酶体（lysosome）是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状、异质性（heterogeneous）细胞器；标志酶为酸性磷酸酶（acid phosphatase）。
依不同生理阶段分：初级溶酶体（primary lysosome）、次级溶酶体（secondary lysosome）、残质体（residual body）。
次级溶酶体是初级溶酶体与胞内自噬泡、异噬泡融合形成对应的自噬溶酶体（autophagolysosome）、异噬溶酶体（heterophagic lysosome）。
溶酶体膜上嵌有质子泵、具多种载体蛋白以转运水解产物、膜蛋白高度糖基化。
溶酶体基本功能是胞内消化作用，维持细胞正常代谢、防御微生物侵染；含内吞作用、吞噬作用、自噬作用途径。清除无用生物大分子、衰老细胞及损伤死亡细胞（吞噬细胞）；防御功能：吞噬细胞（phagocyte）识别吞噬外源物后经溶酶体作用降解；为细胞提供营养，参与分泌调节，两栖类变态过程，顶体反应。
遗传缺陷使得溶酶体缺乏某些水解酶，引起相应底物积累，引起溶酶体储积症（lysosome storage diseases）。
2.4.2.4. 过氧化物酶体¶
过氧化物酶体（peroxisome）/微体（microbody）为由单层膜围绕的内含一种/多种氧化酶类的细胞器（异质性细胞器）；内含的尿酸氧化酶常成晶格状结构易于电镜下识别。
过氧化物酶体是真核细胞利用分子氧的细胞器，常含：氧化酶（依赖FAD）及过氧化氢酶。参与乙醛酸循环的过氧化物酶体称乙醛酸循环体（glyoxysome）。
过氧化物酶体发生：成熟的过氧化物酶体分裂增殖产生；细胞内重新发生（de novo）：内质网小泡膜上掺入特定蛋白成过氧化物酶体雏形（peroxisomalghost），基质分选信号蛋白介导基质蛋白进入而产生成熟过氧化物酶体，成熟后依赖Pex11分裂。
溶酶体 |
微体 |
|
|---|---|---|
形态 |
多呈球形，直径0.2~0.5μm，无酶晶体 |
球形，哺乳类中直径0.15~0.25μm，常具酶晶体 |
酶类 |
酸性水解酶 |
氧化酶类 |
pH |
≈5.0 |
≈7.0 |
O2 |
不需 |
需要 |
功能 |
胞内消化 |
氧化、降解等 |
发生 |
rER合成后高尔基体出芽形成 |
酶于基质合成，组装分裂形成 |
标志酶 |
酸性水解酶等 |
过氧化氢酶 |
2.4.3. 胞内蛋白质分选¶
真核中绝多数蛋白质由核基因编码，而功能结构区域则于胞内各处。
蛋白质寻靶（protein targeting）/蛋白质分选（protein sorting）：分选、转运蛋白质至细胞特定部位参与细胞各生命活动的过程。
2.4.3.1. 信号假说与蛋白质分选信号¶
信号假说（signal hypothesis）：分泌蛋白N端具短信号序列，该序列经核糖体翻译合成后，结合因子与蛋白结合指导转移至内质网膜，后续翻译过程于内质网膜上进行；信号肽（signal peptide）、信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）、内质网膜上SRP受体（停泊蛋白，docking protein，DP）共同参与。
体外非细胞系统（cell free system）蛋白质合成实验表明分泌性蛋白向rER腔内转运是同蛋白质翻译过程偶联。
共翻译转运（cotranslational translocation）：分泌蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程；信号肽暴露后与SRP结合而肽链停止延伸，SRP与DP结合后核糖体/肽链与内质网膜移位子（translocon）结合而SRP脱离、肽链延伸，信号肽经信号肽酶切除，多肽链合成完后释放核糖体、移位子关闭。
信号肽可称开始转移序列（start transfer sequence）；肽链中存在的某些内在序列与内质网膜具强亲和力而结合于脂双层，称内在停止转移锚定序列（internal stop-transfer anchor sequence，STA）、内在信号锚定序列（internal signal-anchor aequence，SA）。
后翻译转运（post-translational transloca-tion）：蛋白质于基质中合成后再转移至细胞器（线粒体、叶绿体）内，其信号肽称导肽（leader peptide）；跨膜时需消耗ATP以折叠多肽及分子伴侣协助。
信号序列（signal sequence）：一系列蛋白质分选信号序列。
信号斑（signal patch）：信号序列形成三维结构指导转运。
2.4.3.2. 蛋白质分选转运基本途径¶
核基因编码蛋白分选途径：后翻译转运途径，共翻译转运途径（蛋白质跨膜转运（transmembrane transport）、膜泡运输（vesicular transport）、选择性门控转运（gated transport）、基质蛋白转运）。
叶绿体与线粒体不同，无跨内膜的电化学梯度，蛋白质输入依靠ATP水解供能。
2.4.4. 胞内膜泡运输¶
膜泡运输是蛋白质分选的特有方式，转运时涉及修饰、加工、组装及不同膜泡靶向运输、调控；形成胞内复杂膜流（membrane flow），具高度组织性、方向性、动态平衡。高尔基体聚集于微管组织中心（MTOC）附近。
依不同转运膜泡包被蛋白分：COPⅠ（coat protein Ⅰ）包被膜泡、COPⅡ（coat protein Ⅱ）包被膜泡、网格蛋白/接头蛋白（clathrin/adaptor protein）包被膜泡。
类型 |
转运途径 |
|---|---|
COPⅡ |
ER→高尔基体顺面膜囊 |
COPⅠ |
|
网格蛋白/接头蛋白包被膜泡 |
|
2.4.4.1. 包被膜泡¶
2.4.4.1.1. COPⅡ包被膜泡¶
COPⅡ包被膜泡介导胞内膜泡顺向运输（anterograde transport）即从内质网至高尔基体的物质运输；包被装配聚合过程受GTP结合蛋白调控。
膜泡运输即可转运膜结合蛋白，亦经膜受体识别转运可溶性蛋白；包装特异性由被转运蛋白靶向分选序列决定。
2.4.4.1.2. COPⅠ包被膜泡¶
COPⅠ包被膜泡介导胞内膜泡逆向运输（retrograde transport）即高尔基体反面膜囊至高尔基体顺面膜囊，及高尔基体顺面膜囊至内质网的膜泡转运；含再循环膜脂双层、内质网驻留的可溶性蛋白、膜蛋白，内质网回收错误分选的逃逸蛋白（escaped protein）的重要途径。
内质网驻留蛋白C端含回收信号序列（retrieval signal），如KDEL序列。
2.4.4.1.3. 网格蛋白/接头蛋白包被膜泡¶
TGN区是网格蛋白/接头蛋白包被膜泡形成发源地，既是分泌途径物质转运主要分选位点，亦是网格蛋白包被膜泡的组装位点。
2.4.4.2. 转运膜泡与靶膜锚定、融合¶
膜泡运输过程复杂：供体膜出芽、装配、断裂形成不同包被转运膜泡；胞内由马达蛋白驱动、以微管为轨道的膜泡运输；转运膜泡与特定靶膜锚定、融合。
2.4.4.3. 细胞结构体系组装¶
生物大分子组装可分：自我组装（self-assembly）、协助组装（aided-assembly）、直接组装（direct-assembly）及更复杂的细胞结构、结构体系间组装；部分装配过程需ATP/GTP供能。
自我组装主要为大分子复合物亚基；协助组装在大分子复合物装配时需其它组分介入；直接组装为某些亚基直接装配至预先形成的基础结构上（膜组分更新）。
意义：降低和校正蛋白质合成错误，大大减少所需遗传信息量，经装配、去装配易于调节、控制多种生物学过程。