细胞质基质与内膜系统

第七章 细胞质基质与细胞内膜系统,第一节 细胞质基质的涵义与功能 一、细胞基质的涵义 二、细胞基质的功能,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、高尔基体的形态与功能 三、溶酶体的形态与功能,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、蛋白质分选的基本途径与类型 三、膜泡运输 四、细胞机构体系的组装,细胞内被膜区, 细胞质基质（Cytoplasmic matrix) 细胞内膜系统（endomembrane system) 其他被膜包被的细胞器（线粒体、叶绿体、过氧化酶体和细胞核),第一节 细胞质基质的涵义与功能,细胞质基质（Cytosol, Cytoplasmic matrix）细胞质基质的功能,细胞质基质（Cytosol, Cytoplasmic Matrix ）,细胞质基质:在细胞中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半。,肝细胞中细胞质基质和细胞其他组分的数目及所占的体积比,一、细胞质基质的涵义,在细胞基质中，各种复杂的代谢反应是如何有条 不紊地进行，各个代谢环节之间又是如何相互关 联、相互制约的？,数以千种的生物大分子和代谢产物（或底物）又 是如何定向地转运？,调节细胞增殖、分化、衰老与凋亡等重大生命活 动的细胞转导途径又是怎么传递与整合的？,细胞基质,细胞液（Cell sap)透明质(Hyaloplasm)胞质溶液(Cytosol)细胞基质(Cytoplasmic Matrix) 细胞基质看成是酶溶液细胞基质很可能是高度有组织的体系,根据细胞基质中各种生物大分子结构的实际数目与相对大小所绘制的细胞基质结构的示意图,The microtrabecular lattice（微梁网络） of the cytoplasmic matrix in an unextracted cell.,基本概念用差速离心的方法分离细胞匀浆物中个组分，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 中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。,细胞基质的成分,免疫荧光技术：酵解过程有关蛋白结合在微丝上原位杂交技术：mRNA在细胞中区域性分布卵母细胞中不同的mRNA在细胞质的不同的部位酵解有关的酶类，彼此之间以弱键结合在一起形成酶的复合体，定位在细胞基质的特定部位，催化细胞的葡萄糖和丙酮酸的一系列反应。,细胞分裂期的细胞质基质,细胞质基质是一个高度有序的体系，其中细胞质骨架纤维贯穿在粘稠的蛋白质胶体中，多数的蛋白质直接或间接地与骨架结合，或与生物膜结合，完成特定的生物学功能。,细胞超微结构与生物化学等不同的侧面互相结 合来研究细胞质基质的特殊的复杂的结构体系。,在细胞质基质中，蛋白质与蛋白质之间，蛋白质与其它大分子之间的相互作用都是通过非常弱的键来进行，并且常常处于动态平衡之中，这种结构体系的维持只能在高浓度的蛋白质及特定的离子环境的条件之下实现。,细胞质基质与胞质溶胶,细胞质基质主要是由微管、微丝和中等纤维等形成的相互联系的结构体系，其中蛋白质和其它分子以凝聚状态或暂时的凝聚状态存在，它与周围的溶液即周围水相中的分子处于动态平衡。,胞质溶胶的成分是否与细胞质基质周围溶液的成分相同？,Paine把乳胶小球注射到非洲爪蟾的卵母细胞经过一段时间之后，取出乳胶小球，用聚丙烯酰胺双向凝胶电泳技术分析了渗入乳胶小球中的蛋白质成分，并与周围细胞质中的蛋白质成分进行了比较。结果发现，在所检测到的90多种多肽中，80的多肽未曾扩散到乳胶小球中，而结合在细胞质基质上。 另一些实验表明，mRNA和核糖体也都是结合在细胞质基质上。,用差速离心的方法所获得的胞质溶胶的成分与细胞质基质周围的溶液成分有很大的不同。胞质溶胶中的多数蛋白质，特别是分子量较大的蛋白质，可能通过较弱的次级键直接或间接地结合在细胞质基质的纤维上。,（一）概念,1、经典细胞学:电镜下，除去可见的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为细胞质基质。2、细胞生物学:分级离心后，除去所有细胞器和颗粒剩下的清液部分称为胞质溶胶。学术争议:有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴，是细胞器，也有人认为细胞骨架是细胞质基质的主要结构体系，是其他成分锚定的骨架，同时它们经常处于装配和解聚的动态平衡中，其解聚的亚单位仍保持在液相中。,（二）化学组成,成分复杂，不易分析，所以，反映了大部分细胞生化成分，即是许多细胞器生化反应的底物和产物的运输通道，本身又涉及了几种细胞代谢途径。离心分离中，易发生混杂和丢失，破碎的细胞器及液泡内含物可能混入可溶相，而另外一些本属基质的物质，如可溶性酶又可依附在细胞器碎片上被分离掉。,1、是进行某些细胞生化活动的场所，糖酵解、脂肪酸合成，有些供细胞自身结构和代谢所需蛋白，如组蛋白、非组蛋白、肌球蛋白，核糖体蛋白都在游离核糖体中合成。2、维持细胞器稳定，提供适宜离子环境3、供应细胞器内发生反应的底物4、对蛋白质修饰选择性降解和构象修正磷酸化与去磷酸化，糖基化，甲基化，酰基化依赖泛素标记的蛋白酶体中的蛋白质降解途径热休克蛋白HSP帮助变性或畸形蛋白质重新折叠5、物质贮存和运输，如:膜系统和细胞骨架系统解聚后的物质均贮存于细胞质基质中，被称为“分子库”，当需重新组装时由此提供元件。,二、细胞质基质的功能,第二节 细胞内膜系统（endomembrane system）及其功能,内质网的结构与功能 高尔基体的形态结构与功能溶酶体的形态结构与功能,一、细胞内膜系统概述,细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization）： 细胞骨架纤维为组织者的Cytomatrix形成 有序的动态结构； 细胞内的膜相结构细胞器（organelles）。,二、细胞内膜系统的研究方法,1974，诺贝尔奖 A.Claude，发明分离细胞器的差速离心技术 de Duve，用离心技术发现了溶酶体和过氧化酶体 G.Palade,研究了内质网和高尔基体,放射自显影（Autoradiography）生化分析（Biochemical analysis）遗传突变分析（Genetic mutants）,放射自显影术（Autoradiography） Secretory pathway identified by Palade et al.,发现放射性出现在内质网上。蛋白质合成始于内质网。,3 labeling and the immediate autoradiography3 labeling, 7 chase, and autoradiography3 labeling, 120 chase, and autoradiography,脉冲追踪实验（Pulse-chase experiment）,Label cells with radioisotopesChase w/ cold amino acidsFind the radioisotope in time course,EM Autoradiography,Introduce radio-labeled membrane precursorsinto the cytosol T = 0,cell,Radiolabel in cytosol,Wait 10, 30, 60, 90. minutes,Overlay an emulsion “sensitive” to radiation,wait,Radiation triggers the formation of silver particleswhich are photon and electron dense,EM autoradiography provides the best resolution,Silver Grains corresponding to the approximateposition of radio labeled proteins,30 min - 1 hr : ER membrane and lumen radio labeled,another 30 min - 1 hr : Transport / Shuttle Vesicles labeled,another 30 min - 1 hr : Golgi Membrane & Lumen labeled,another 30 min - 1 hr : Post Golgi Vesicles labeled,another 30 min - 1 hr : Plasma Membrane labeled and some radio labeled proteins found in the extracellular space,Palades original data,de Duve，G.Palade，分离到了但八只合成和分泌功能的结构。细胞被破碎，膜碎片形成小囊泡，小囊泡来自于不同的膜结合细胞器(细胞核、线粒体、质膜、内质网等)来自于内膜系统的小囊泡称微粒体（microsome),差速离心分离与功能分析 微粒体(microsomes)分离,微粒体的功能研究,微粒体：保留了膜的结构特征, 活细胞中的生物活性和功能如：高尔基体的囊泡： 1）将蛋白质和脂进行糖基化修饰的作用 2）分离的特殊蛋白作为抗原制备抗体, 3）制备的抗体与特定的颗粒如金颗粒结合, 4）通过免疫电镜技术就能够对用作抗原的酶进行定位, 5）揭示了高尔基体在复杂的糖装配中的具体过程。,用酵母突变体研究分泌过程及与分泌相关的基因揭示了小泡运输过程。,用突变体研究内膜系统的运输作用,Mutagenize cells and allow to grow at permissive temp. (24 C).Shift cells to 37 C (non-permissive temp.) for several hours.Separate cells by density gradient centrifugationPlate the dense cells at 24 C.Screen individual colonies for defects in secretion,*permissive vs nonpermissive temperature,sec 突变体的5种不同种类,sec4-2 25 C,sec15-1 after 2 hr 37 C,Wild typemorphology,Accumulationof vesicles,野生型是分泌正常的酵母,A、B、C、D、E是五类不同的sec基因(secretory genes)突变,代表了蛋白质分泌的五个过程。A:分泌蛋白不能进入内质网,B: 内质网出芽缺陷,C:分泌小泡不能与高尔基体融合:D:高尔基体不能形成分泌泡;E:分泌泡不能与质膜融合。,膜结合细胞器与内膜系统, 膜结合细胞器(membrane-bound organelles)或膜结合区室(membrane-bound compartments) 细胞质膜系统(cytoplasmic membrane system) 内膜系统(endomembrane systems),膜结合细胞器的种类和功能,真核细胞膜结合区室的主要功能,膜结合细胞器在细胞内的分布,内膜系统的动态性质,主要是由细胞中三种不同的生化活动引起的: 蛋白质和脂的合成活动: 在动物细胞中主要涉及分泌性蛋白的合成和脂的合成和加工。脂的合成在光面内质网,而分泌蛋白的合成起始于粗面内质网,完成于高尔基体。分泌活动: 内吞活动(endocytosis pathway),是分泌的相反过程, 细胞将细胞外的物质吞进内体和溶酶体。,内膜系统与蛋白质分选(protein sorting),蛋白质分选定位的时空概念 时间上 蛋白质的合成分选有两种情况: 先合成,再分选 一边合成一边分选。 为了适于蛋白质分选的时间上的需要,核糖体在合成蛋白质时就有两种存在状态:游离的或与内质网结合的。空间上 包括了细胞内各个部分, 蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需要从细胞质中获取所需蛋白质。,蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式,蛋白质定位的细胞内空间部位结构,可分为三种类型:没有膜障碍的,如胞质溶胶,包括胞质溶胶中的细胞 骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；有完全封闭的膜障碍,如线粒体、叶绿体、内质网、 高尔基体等；有膜障碍,但是膜上有孔,如细胞核。,核孔运输(transport through nuclear pore) 跨膜运输(across membrane transport) 小泡运输(transport by vesicles),一、 内质网的形态结构与功能,（一）内质网的两种基本类型粗面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER）光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）微粒体（microsome）,内质网(Endoplasmic eticulum,ER):由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成相互沟通的三维网络结构。,粗面内质网（rough endoplasmic reticulum，rER） 多呈扁囊状,排列较整齐，内质网与核糖体共同 形成的复合机能结构, 主要功能：合成分泌性蛋白和多种膜