高中生物奥赛辅导—真核细胞内膜系统、蛋白质分选和膜泡运输.ppt

第六章真核细胞内膜系统、 蛋白质分选与膜泡运输,生物奥赛辅导,大 庆 外 国 语 学 校,大 庆 外 国 语 学 校,本章内容提要：,第一节 细胞质基质的涵义与功能 一、细胞质基质的涵义 二、细胞质基质的功能 第二节 细胞内膜系统及其功能 一、内质网的形态结构与功能 二、高尔基体的形态结构与功能 三、溶酶体的形态结构与功能 四、过氧化物酶体的发生 第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 一、信号假说与蛋白质分选信号 二、细胞内蛋白质的分选的基本途径和类型 三、膜泡运输,真核细胞的细胞内区室化： 细胞质基质、细胞内膜系统-膜包被的各种细胞器,1.Plasma membrane 2. Cytoplasmic matrix 3. Pinocytotic vesicle 4. Mitochondria 5. Endoplasmicreticulum 6. Ribosomes 7. Lysosomes 8. Vacuoles 9. Golgi apparatus 10. Centrioles 11. Nuclear membrane 12. Nucleus 13. Nucleolus,一、细胞质基质的涵义 细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytosol）：或称胞质溶胶，在真核细胞细胞质中，除去可分辨的细胞器外的胶状物质。 用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。,主要成分：与中间代谢有关的数千种酶类、维持细胞形态的细胞质骨架结构。 主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键的相互作用处于动态平衡的结构体系,1、完成各种中间代谢过程 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,二、细胞质基质的功能,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。 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。,第二节 细胞内膜系统及其功能,一、 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。,（一）内质网的两种基本类型,1、粗面内质网（RER）嗜碱性 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（SER）嗜酸性 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。,（二）内质网的功能,ER是细胞内除核酸以外的生物大分子，是蛋白质与脂类合成的基地。几乎全部脂类和多种重要蛋白质都是在内质网合成的。 蛋白质合成 脂类的合成 蛋白质的修饰与加工 新生肽的折叠与组装,1. 粗面内质网的功能合成蛋白质 向细胞外分泌的蛋白质：消化酶、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。 物质运输的管道 区域化作用,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：如呼吸酶和细胞骨架蛋白； （2）质膜外周蛋白：血影蛋白和锚定蛋白； （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。,2.滑面内质网的功能 1、固醇类激素的合成：生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质； 2、肝细胞的解毒作用：肝细胞中存在细胞色素P450家族酶系，在这些酶的作用下，可以将不溶于水的有毒物质和代谢产物处理为溶于水的物质，通过尿液排出体外； 3、储存钙离子：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中。,2.滑面内质网的功能,4、参与糖原的合成和分解：滑面内质网的标志酶葡萄糖6磷酸酶 5、参与血小板的形成,2.脂质的合成 内质网合成的构成细胞所需要的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）。合成磷脂所需要的三种酶（酰基转移酶、磷酸酶、胆碱磷酸转移酶）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，,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（在膜之间转运磷脂）。,内质网膜,小泡,细胞质膜,3.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，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的作用，将寡糖基转移到相应的天冬酰胺残基上。,1、寡糖基转移到天冬酰胺残基上称之为N-连接的糖基化，与天冬酰胺直接结合的糖都是N-乙酰葡萄糖胺。 糖基化主要发生在粗面内质网中，经高尔基体加工最后形成成熟的糖蛋白。 2、有少数糖基化是发生在丝氨酸或苏氨酸残基上连接，称之为O-连接的糖基化，与之直接结合的是N-乙酰半乳糖胺。是在高尔基体中进行。,N-连接与O-连接的寡糖比较：,4.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，极易形成二硫键，不易肽链的正确折叠。 正确折叠涉及驻留蛋白：二硫键异构酶（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）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。,（二）内质网病变,1、增生：如解毒作用增强，肝细胞内滑面内质网增多。 2、肿胀：肌细胞缺氧，中毒时，肌浆网可出现水肿。 3、扩张：细胞水肿时，液体入腔内使之扩张。 4、解聚：当用四氯化碳引起大鼠肝细胞中毒时，粗面内质网上的多聚核糖体解聚为单个核糖体，并失去正常而有规律的排列。 5、脱粒：解聚之后的核糖体进一步脱离内质网，称为脱粒。 6、萎缩：细胞（如饥饿时）以及有某种物质贮积的细胞，其粗面内质网则萎缩、减少。 7、内容物含量的改变,二、高尔基体,1898年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，后因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。又称高尔基复合体。,一、形态结构与组成,1、形态： 由48个扁平膜囊堆在一起形成的高度有极性的细胞器。 凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面（cis face）；凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面（trans face）。 高尔基体的形态、数目、大小和分布在不同的细胞有差异，但基本结构相似。分泌功能越旺盛的细胞越多。,2、化学组成： 高尔基体膜含有大约60%的蛋白质和40%的脂类，具有一些和ER共同的蛋白成分。 高尔基体的膜上含有丰富的酶，主要有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶和磷脂酶等不同的类型。 高尔基体的标志酶为糖基转移酶。, 高尔基体顺面网状结构（cis-Golgi network，CGN） 又称cis膜囊含有磷酸转移酶 高尔基体中间膜囊（medial Golgi） 含有N-乙酰葡萄糖胺转移酶，与高尔基体多糖的合成有关。 高尔基体反面网状结构（trans Golgi network，TGN） 含有半乳糖转移酶和唾液酸转移酶,二、高尔基体的功能区室,三、高尔基体的主要功能,1、参与细胞分泌活动 如RER上的核糖体合成的Pr进入ER腔以出芽形成囊泡进入CGN在medial Gdgi中加工在TGN形成囊泡囊泡与质膜融合、排出。,Caro等1965年用3H-leu证实了这一过程。 3分钟放射性在RER，17分钟在高尔基体， 37分钟分泌颗粒，117分钟细胞顶端。,2、蛋白质的糖基化 （1） O-连接的糖基化（O-linked glycosylation） 与Ser、Thr的OH连接，连接的第一个糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行。 特点：由不同的糖基转移酶催化，每次加上一个单糖；糖基的数目为1-4个，最多5-6个；最后一个加上的糖残基为唾液酸。,N连接寡糖与O连接寡糖的区别,3、参与蛋白聚糖的合成： 如动物细胞中蛋白聚糖的合成。植物细胞壁中的多糖，包括半纤维素、果胶质也是在高尔基体中合成的。 4、蛋白酶的水解和其它加工过程 在糙面内质网上合成的蛋白质有些是无生物活性的前体物，称为蛋白原(proprotein), 蛋白原必须经过加工改造才能具有生物活性。,5、进行膜的转化功能： 内质网上合成的新膜脂转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成运输泡与质膜融合，使新形成的膜整合到质膜上。,四、高尔基体的来源,由内质网或核膜外层产生的小泡转化而来：现倾向于高尔基体由内质网转变而来，即糙面内质网上核糖体消失分离出小泡或由滑面内质网分离出小泡形成高尔基体。,三、 溶酶体的形态结构与功能,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。 （一）溶酶体的形态结构与类型 （二）溶酶体的功能 （三）溶酶体的发生 （四）溶酶体与过氧化物酶体,（一）溶酶体的形态结构与类型,溶酶体（lysosome）是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊状细胞器，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。其中含有多种无活性水解酶类，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。含有活性的酸性水解酶。 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。长期留在细胞内而不被排除的残余小体常见为脂褐质。,胞吞作用,吞噬,自噬泡,（二）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。,（三）溶酶体的发生,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。,1、先天性溶酶体病：由于一些酶的缺乏造成不能分解底物的代谢性疾病，脑苷脂沉积病，神经鞘磷脂沉积病，台萨氏病（黑蒙性白痴）患者表现为渐进性失明，痴呆，瘫痪。 2、矽肺是一种职业病，其病因与溶酶体有关。当工人在劳动中肺部吸入矽尘颗粒后，矽尘末即被肺部的巨噬细胞吞噬。但巨噬细胞内的溶酶体不能消化分解该颗粒而使之蓄积在细胞内。由于胞内矽尘颗粒表面形成矽酸，破坏了溶酶体膜的稳定性，水解酶释放出来便使巨噬细胞自溶，矽尘颗粒从死亡细胞中释放出来后又重新被另外的巨噬细胞吞噬，如此反复，巨噬细胞相继死亡，刺激成纤维细胞分泌大量的胶原，形成胶原纤维结节，结果是肺组织弹性降低，肺功能受损。 3、细胞组织的自溶：溶酶体膜的不稳定,（四）溶酶体疾病,四、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。,动物细胞中的过氧化物酶体 植物细胞中的过氧化物酶体,结晶状的核心,1、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称类核体； 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。,过氧化物酶体与初级溶酶体的特征比较,2、过氧化物酶体的功能 在动物细胞中过氧化物酶体的功能： 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。 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： 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；,3、过氧化物酶体的发生,与粗面内质网出芽形成,分泌蛋白的N端含有一段特殊的信号序列可将多肽和核糖体引导到ER膜上； 信号肽引导下多肽以边合成边转运的方式，通过ER膜上的蛋白复合体进入ER腔，切除信号肽。,1975年，洛克菲勒大学的Blobel, Sabatini推测：,一、信号假说与蛋白质分选信号,（一）、信号假说,第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,Blobel with members of his laboratory,Gnter Blobel,Blobel等（1975）提出信号假说，认为蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成，获1999年诺贝尔生理医学奖。,蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分： 1、信号肽： 一般位于新合成肽链的N端，有的可位于中部。一般1535个氨基酸残基：N端含有至少1个带正电荷的氨基酸；中部含有6-12个疏水氨基酸； C端具有可被信号肽酶识别的位点。 作用：通过与SRP的识别和结合, 引导核糖体与内质网结合; 通过信号序列的疏水性，引导新生肽跨膜转运。 又称开始转移序列,二、内质网蛋白质合成,N端信号肽的一般结构,二、蛋白质分选基本途径,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