细胞生物学第二章细胞质基质与细胞内膜系统.ppt

1,第二章 细胞质基质与细胞内膜系统,细胞质基质：是细胞内除细胞器和内含物以外的，较为均质半透明的液态胶状物质；主要含有与物质中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构及糖原和脂滴。,细胞内膜系统：是在结构、功能或发生上相关的膜围绕的细胞器或细胞结构，主要指内质网、高尔基器、溶酶体、胞内体、过氧化物酶体等。 内膜系统形成了一种胞内网络结构，其功能： 其一是扩大膜的总面积，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。 其二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。,2,主要成分： （1）小分子：水、无机离子（K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl- ） （2）中等分子:脂类、糖类、氨基酸、核苷酸 （3）大分子：蛋白质、脂蛋白、多糖、RNA,2.1细胞质基质,功能： （1）在细胞物质代谢中起重要作用。 （2）与细胞骨架的形成及存在有关。 （3）胞液在蛋白的修饰，蛋白选择性降解，控制蛋白寿命及帮助变性或错误折叠的Pr重新折叠形成正常的分子构象等方面起着重要作用。,4,从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生（线粒体、叶绿体），从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。当细胞进行分裂时，不仅要进行染色体和细胞核的复制，同时各种细胞器通过吸收新合成的成分长大，然后随着细胞的分裂分配到子细胞中去。细胞不能从无到有产生所有膜性细胞器，新的膜性细胞器来源于已存在细胞器的分裂。如果彻底移除细胞内所有的过氧化物酶体，细胞根本不能重建新的过氧化物酶体，因为过氧化物酶体中具有选择性地接受细胞质内合成的蛋白质的转位因子（translocator）。细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence or targeting sequence ），其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor），因此内膜系统的发生具有核外遗传（epigenetic）的特性。,5,6,7,一、蛋白质分选信号 细胞类至少存在两类蛋白质分选的信号 信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基. 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。,2.1 蛋白质分选的基本原理,8,9,二、蛋白质分选运输的途径 蛋白质的分选运输途径主要有三类： 1、门控运输（gated transport）：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。 2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质在信号序列的引导下，通过线粒体上的转位因子，以解折叠的线性分子进入线粒体。 3、膜泡运输（vesicular transport）：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质或激素，都属于这种运输方式。 这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别。,10,11,一、衣被类型 已知三类具有代表性的衣被蛋白，即：笼形蛋白（clathrin）、COPI和COPII，个介导不同的运输途径（表2）。 表2 衣被小泡的类型与功能,12,2.2 内质网,1945年,KR. Porter、A. Claude 和 EF. Fullam等观察培养的小鼠成纤维细胞人于发现，建议叫做内质网endoplasmic reticulum，ER. 内质网膜约占细胞总膜面积的一半，是真核细胞中最多的膜。,2.2 内质网,由单位膜围成的膜管状结构；是一系列重要生物大分子如蛋白质、酯类和糖类合成的基地。,14,1.内质网的类型,粗面内质网：呈扁囊状，排列较为整齐，其膜表面分布着大量的核糖体。参与合成分泌蛋白质和多种膜蛋白。 滑面内质网：多呈分支管道状，是脂类合成的重要场所。 髓样体和环状片层：,15,16,17,18,19,20,21,2.内质网的化学组成,ER膜含有丰富的磷脂酰胆碱而鞘磷脂含量很少 ER膜蛋白质含量比质膜的多 ER具有大量的酶，其中G-6-P酸酶视为ER膜的标志酶，还有重要的标志酶是电子传递体系。 ER包含参与甘油三脂、磷脂、糖脂、脂肪酸、胆固醇、类固醇激素、胆汁酸等生物合成酶系。,24,3.内质网的功能：,参与蛋白质的合成、修饰加工、输运出细胞的过程 （1）蛋白质的合成和转移； （2）转移到ER腔内蛋白质进行加工修饰； 参与脂类的合成； 参与糖类的分解； 参与解毒作用：在电子传递体系参与下，使多种脂溶性的物质如药物、毒物等氧化,消灭其毒性。,26,(1)蛋白质合成的信号假说,C. Milstein（1972）发现从骨髓瘤细胞提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到细胞外的N端多出一段。G. Blobel和D. Sabatini等根据进一步的实验，提出了信号假说（Signal hypothesis），认为蛋白质上的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成。Blobel因此项发现获1999年诺贝尔生理医学奖。,27,(1)蛋白质合成的信号假说,蛋白质的合成开始于胞液中的核蛋白体上，在核糖体所转译的肽链中包含一段疏水的氨基酸序列，作为信号指导游离核糖体附着到ER膜的表面，并结合于该处，继续转译过程；核糖体所转译的多肽链中若没有这样的信号序列，就留在胞液中，在胞液中进行由遗传信使翻译成多肽的过程。,ER信号肽指导多肽到ER膜,需要通过两种成分介导： 1.信号识别颗粒（SRP）： 2.信号识别颗粒（SRP）受体：,28,29,30,蛋白质的修饰与加工 包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用是： 使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；赋予蛋白质传导信号的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种： O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）：与Ser、Thr和Hyp的OH连接，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行O-连接的糖基化。 N-连接的糖基化（N-linked glycosylation）：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。,31,32,33,34,35,36,37,2.3 高尔基器,1889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，因此定名为高尔基体。 1.形态结构 由单位膜围成的扁平囊构成高尔基堆，其周围结合一些小管和小泡。高尔基堆至少可分为三个区隔： 顺面区隔（凸面）：对着内质网称为形成面（forming face）或顺面（cis face）,含磷酸转移酶，催化磷酸基团加到溶酶体蛋白上； 中间区隔：具有N-已酰葡萄糖胺基转移酶，催化 N-已酰葡萄糖胺加到糖蛋白上； 反面区隔（凹面）：面对着质膜称为成熟面（mature face）或反面（trans face）含有半乳糖转移酶及唾液酸基转移酶；,38,39,40,41,42,2. 高尔基器中的酶：,43,3. 高尔基器的功能：,参与蛋白质的加工、分选、包装与运输； 参与蛋白的糖基化及其复杂的加工与修饰； 参与多肽的酶解及多糖的合成； 在细胞的“膜流”中起重要作用；,46,47,48,2.4 溶酶体,1955年de Duve与Novikoff首次发现溶酶体（lysosome）。 1.溶酶体的形成 一般认为溶酶体形成的主要位置是在高尔基器，从高尔基器端部膨大脱落下来形成初级溶酶体，逐级演化成次级溶酶体，溶酶体膜上具有质子泵，依赖ATP水解放出能量，将H+泵入溶酶体内维持其内腔的酸性环境。 2.形态结构 由单位膜围成的球形小体，小体内PH=5.0，其内含有60多种酸性水解酶，概括起来包括：蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶、磷酸酶、硫酸脂酶和磷脂酶等。,51,52,3.溶酶体的功能：,1、清除无用的生物大分子、衰老细胞器和衰老损伤和死亡的细胞。此消化功能对细胞的营养、生长及发育起调节作用。,2、清除异物或病原菌，增强细胞的防御功能,3、参与两栖类发育中蝌蚪尾巴的退化；,4、参与受精过程；,5、溶酶体与疾病；,1矽肺 2肺结核 结核杆菌的菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。 3各类贮积症 贮积症（storage disease）是由于遗传缺陷引起的， 台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：要叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累（图6-30），影响细胞功能，造成精神痴呆，26岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。 4类风湿性关节炎 溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎,56,2.5 过氧化物酶体,由J. Rhodin（1954）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。 1.形态结构：是由单位膜包裹的卵圆形小