细胞生物学-7细胞质基质与细胞内膜-01

第六章 细胞质基质与细胞内膜系统,学习要求： 掌握细胞质基质和细胞内膜系统各个部分的结构与功能 掌握细胞内膜系统各个部分间的关系和细胞内蛋白质的分选与细胞结构的装配及其相关知识,重点与难点： 本章各个部分都属重点 本章难点：内质网、高尔基体和溶酶体的功能；信号假说与蛋白质分选系统；蛋白质分选系统的基本途径与类型。,细胞质基质 内 质 网 高尔基体溶酶体与过氧化物酶体 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装,第一节 细胞质基质,细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix）细胞内膜系统（endomembrane system）,一、细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix）,细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其 体积约占细胞质的一半,细胞质基质的涵义 细胞质基质的功能,肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比 （引自Albert.1998）, 基本概念：在真核细胞的细胞质中，除可分辨的细胞器以外的胶状物质，称为细胞质基质。它是一种高度有序且又不断变化的结构体系。在确保与协调各种代谢反应、胞内物质运输与信息传递等方面，起重要作用。 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、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； 通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。,细胞质基质的涵义, 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 蛋白质的分选与运输 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 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解蛋白质的修饰 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质 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,细胞质基质的功能,The protein synthesis, degradation and modification.,二、细胞内膜系统（endomembrane system）,细胞内膜系统概述 细胞内膜系统的研究方法,二、细胞内膜系统（endomembrane system）,细胞内膜系统概述 细胞内膜系统的研究方法,内膜系统和膜运输,内膜系统的进化,起因 遗传信息的扩大 体积的增大 表面积与体积比值失调 物质代谢速度受限对策:细胞内部结构区域化 途径： 内共生途径 细胞质膜内陷途径。,细胞核、内质网、线粒体的进化,内膜结构特点与动态性质,具有质膜的共性独立性 内膜封闭的区室 执行独立的功能协作性:动态性质,内膜系统的动态特性,内膜系统的生物学意义, 首先是内膜系统中各细胞器膜结构的合成和装配是统一进行的，这不仅提高了合成的效率，更重要的是保证了膜结构的一致性，特别是保证了膜蛋白在这些膜结构中方向的一致性。 内膜系统在细胞内形成了一些特定的功能区域和微环境，如酶系统的隔离与衔接, 细胞内不同区域形成pH值差异, 离子浓度的维持, 扩散屏障和膜电位的建立等等，以便在蛋白质、脂类、糖类的合成代谢、加工修饰、浓缩过程中完成其特定的功能。, 内膜系统通过小泡分泌的方式完成膜的流动和特定功能蛋白的定向运输，这不仅保证了内膜系统中各细胞器的膜结构的更新，更重要的是保证了一些具有杀伤性的酶类在运输过程中的安全，并能准确迅速到达作用部位。 细胞内的许多酶反应是在膜上进行的,内膜系统的形成,使这些酶反应互不干扰。 扩大了表面积,提高了表面积与体积的比值。 区室的形成,相对提高了重要分子的浓度,提高了反应效率。,真核细胞中具有膜结构的细胞器的总体描述,膜结合细胞器:指细胞质中所有具有膜结构的细胞器,包括细胞核、内质网、高尔基体、溶酶体、分泌泡、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等。由于它们都是封闭的膜结构,内部都有一定的空间,所以又称为膜结合区室。 内膜系统:内膜系统是指内质网、高尔基体、溶酶体和液泡(包括内体和分泌泡)等四类膜结合细胞器, 因为它们的膜是相互流动的, 处于动态平衡, 在功能上也是相互协同的。广义上的内膜系统概念也包括线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核等细胞内所有膜结合的细胞器。,动物细胞中膜结合的细胞器及分布,细胞内膜系统的研究方法, 放射自显影（Autoradiography） 微粒体(microsomes)分离 遗传突变分析（Genetic mutants）,微粒体(microsomes),微粒体是指在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构,它包含内质网膜和核糖体两种基本成分。在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。,微粒体分离,确定了参与合成和分泌的主要细胞器的作用:内质网是参与蛋白质合成和转运的, 高尔基体不仅是中转站, 而且具有加工的作用。,微粒体的功能研究,通过差速离心分离的微粒体不仅保留了膜的结构特征,同时还具有活细胞中的生物活性和功能。如来自高尔基体的囊泡具有将蛋白质和脂进行糖基化修饰的作用。用从这些囊泡中分离的特殊蛋白作为抗原制备抗体,然后将制备的抗体与特定的颗粒如金颗粒结合,再通过免疫电镜技术就能够对用作抗原的酶进行定位,通过这些研究详细揭示了高尔基体在复杂的糖装配中的具体过程。,突变体使用,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。,第二节 内 质 网,内质网(ER) 的形态结构ER的功能 内质网与基因表达的调控,一、 内质网的形态结构,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）微粒体和肌质网,内质网的模式图,内质网是由一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。由于它靠近细胞质的内侧，故称为内质网 在细胞内占细胞体积的10%，占膜系统的一半左右,内质网形态结构,内质网的形态结构,内质网与核膜的关系,内质网与核膜是相互连通的，有人把核膜看成是内质网的一部分,内质网的化学组成,内质网的标志酶是 葡萄糖-6-磷酸酶。 细胞色素P450在内质网膜中 最为丰富。,粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER）,多呈大的扁平膜囊状, 在电镜下观察排列极为整齐。它是核糖体和内质网共同构成的复合机能结构, 普遍存在于分泌蛋白质的细胞中, 越是分泌旺盛的细胞(如浆细胞)越多, 未分化和肿瘤细胞中较少。其主要功能是合成分泌性的蛋白质、多种膜蛋白和酶蛋白。粗面内质网与细胞核的外层膜相连通。,光面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER),无核糖体附着的内质网称为光面内质网, 通常为小的膜管和小的膜囊状, 而非扁平膜囊状,广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。光面内质网是脂类合成的重要场所,它往往作为出芽的位点, 将内质网上合成的蛋白质或脂类转运到高尔基体。,超薄和扫描电镜观察的内质网,2个特殊的内质网,肌质网(sarcoplasmic reticulum) ：心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动微粒体(microsome)： 在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构,二、ER的功能,ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。, rER的功能 sER的功能,rER的功能蛋白质的合成和运输,因此，必须有极好的运输机制进行分选定位, 这就是信号肽假说,rER合成的蛋白质主要包括： 细胞外分泌蛋白 膜蛋白 溶酶体的酶类和胞外的酶类（细胞内膜系统蛋白）,核糖体循环,粗面内质网的功能 -信号肽与蛋白质运输,蛋白质在内质网中的修饰,除了N-连接糖基化以外，新生肽的脯氨酸和赖氨酸要进行羟基化，形成羟脯氨酸和羟赖氨酸，不过这种反应只是在少数蛋白上发生。在合成胶原的细胞中,脯氨酸和赖氨酸羟基化则是一个主要的反应。,羟基化(hydroxylation),N-连接糖基化,形成脂锚定蛋白,sER的功能,光面内质网的酶类 糖代谢酶类 脂代谢酶类 药物脱毒与相关的氧化酶 蛋白质的加工酶类,糖原分解与游离葡萄糖释放脂类的合成与转运解毒作用Ca2+离子浓度的调节作用,糖原分解与游离葡萄糖释放,sER中的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液，供细胞之用,类固醇激素的合成,在光面内质网上含有合成胆固醇和将胆固醇转化为激素的全套酶系；所以光面内质网能够合成胆固醇，然后将胆固醇氧化、还原、水解进一步转变成各种类固醇激素。,磷脂的合成,细胞膜所需要的最重要的磷脂也是在光面内质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他的膜。,首先，内质网膜中脂肪酸与胞质溶胶中的磷酸甘油结合,然后脱磷,并内质网膜中胆碱磷脂转移酶的作用下,将胞质溶胶中的CDP-胆碱与内质网膜中的甘油脂肪酸结合形成磷脂酰胆碱。新合成的磷脂酰胆碱朝向胞质溶胶一侧,但可在内质网膜中磷脂转位酶的作用下翻转到内质网的腔面。,在rER膜中合成磷脂酰胆碱,磷脂转运的方式,转脂蛋白的作用（叶绿体、线粒体和过氧化物酶体）,解毒作用光面内质网含有丰富的氧化酶系统(如细胞色素P450、NADH细胞色素C还原酶等)能使许多有害物质解毒,转化为易于排出的物质。,光面内质网的氧化作用,Ca2+离子浓度的调节作用,肌质网是细胞内特化的光面内质网, 是贮存Ca2+的细胞器。肌质网膜上重要的膜蛋白是Ca2+-ATP酶, 光面内质网可构成心肌和骨胳肌肌原纤维周围的肌质网。当肌细胞膜的兴奋信号传递到肌质网时则引起肌质网释放Ca2+, 从而导致肌细胞的收缩活动。当肌肉松弛时, 钙离子又重新泵回肌质网。所以肌质网实际上是作为钙库, 其内有钙结合蛋白, 每个钙结合蛋白可以结合30个左右的Ca2+。,三、内质网与基因表达的调控,内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装及向高尔基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。 影响内质网细胞核信号转导的三种因素： 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。 折叠好的膜蛋白的超量积累。 内质网膜上膜脂成份的变化主要是固醇缺乏不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达,第三节 高尔基体,高尔基体的形态结构 高尔基体的功能 高尔基体与细胞内的膜泡运输,高尔基器(Golgi apparatus)或高尔基复合体(Golgi complex)意大利科学家Camillo Golgi在 1898年发现的。,高尔基体,形态结构 连续的整体膜结构。扁平囊泡(sacuules)小囊泡(vesicle)大囊泡(vacuoles),一、高尔基体的形态结构,高尔基体的形态结构,高尔基体的极性,高尔基内侧网络(cis-Golgi network, CGN) 顺面、形成面中间潴泡 (medial cisternae)高尔基外侧网络 (trans Golji network,TGN) 外侧面、成熟面,数量与化学组成,数量 分泌功能越旺盛的细胞,越多。蛋白质和脂 高尔基复合体高于内质网和质膜: 质 膜: 蛋白质 40%, 脂 60%; 内质网: 蛋白质 20%, 脂 50-60%; 高尔基体: 蛋白质 60%, 脂 40%;高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶。,二、高尔基体的功能,蛋白质运输ER到高尔基体内侧的运输ER蛋白的逆向运输高尔基体内侧到高尔基体外侧运输蛋白质的修饰蛋白质的分选,高尔基体的蛋白运输作用,ER驻守蛋白的驻守机制内质网驻守信号(ER retention signal): Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL信号序列KDEL信号受体 内质网膜 高尔基体膜,KDEL信号及其受体维持ER蛋白的稳定,ER保留蛋白的运输,内质网蛋白的运输,蛋白质从顺面高尔基网络向反面高尔基网络运输,伴随有蛋白质的各种加工,高尔基体中蛋白质的糖基化,O-连接的糖基化 将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上，称为O-连接的糖基化。N-连接的寡聚糖进一步加工,N-连接糖基化在高尔基体的加工,蛋白聚糖(proteoglycan)的合成,高尔基体中也可以进行多糖的合成。动物细胞中合成的多糖主要是透明质酸，这是一种氨基聚糖, 是细胞外基质的主要成分。植物细胞壁中的几种多糖，包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。,蛋白原的水解,胰岛素是在胰岛B细胞中合成的, 刚从内质网合成的多肽在N- 末端有信号肽链, 称前胰岛素原(preproinsulin), 相对分子质量为12,000。随后在内质网的信号肽酶的作用下, 切除信号肽, 成为胰岛素原(proinsulin),相对分子质量9,000, 含84个氨基酸。运输到高尔基体后, 通过蛋白酶的水解作用, 生成一个分子由51个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子C肽,胰岛素分子的加工成熟和运输,蛋白质分选与输出,分选的概念 内膜系统中的蛋白质分选作用 高尔基体外侧网络的分选作用分选作用主要是由信号序列和受体之间的相互作用决定的,蛋白质分选,高尔基体进行的蛋白质的分选,某些类型的信号肽特征,高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用,第四节 溶酶体与过氧化物酶体,溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。溶酶体（lysosome）： 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。 溶酶体的结构类型 溶酶体的功能 溶酶体的发生 溶酶体与过氧化物酶体,一、溶酶体的结构,动物细胞内的一种细胞器小球状,外面由一层单位膜包被溶酶体含有50多种水解酶类,在细胞内起消化和保护作用当细胞被损伤时,溶酶体可释放出水解酶类,使细胞自溶,电子显微镜下的溶酶体, 溶酶体膜的特征： 嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境； 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。 溶酶体膜含有较高的胆固醇, 促进了膜结构的稳定。,溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acid phosphatase）,溶酶体的形态、大小、及所含主要酶类,溶酶体的类型,初级溶酶体(primary lysosome)： 此类溶酶体是刚刚从反面高尔基体形成的小囊泡, 仅含有水解酶类，但无作用底物，外面只有一层单位膜，其中的酶处于非活性状态。 次级溶酶体(secondary lysosome)： 此类溶酶体中含有水解酶和相应的底物，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体。根据所消化的物质来源不同, 分为自噬性溶酶体、异噬性溶酶体。 自噬性溶酶体(aotolysosome)： 是一种自体吞噬泡, 作用底物是内源性的,即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。这种溶酶体广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用。 异噬性溶酶体(heterolysosome)： 又称异体吞噬泡, 它的作用底物是外源性的, 即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。异噬性溶酶体实际上是初级溶酶体同内吞泡融合后形成的。,植物液泡,植物溶酶体是植物细胞中由一层单位膜包裹的含有细微结构的球形颗粒，直径为0.51m，内含酸性水解酶，相当于动物细胞的溶酶体。,溶酶体的功能（对内是清道夫，对外消化）,吞噬作用(Phagocytosis)自噬作用(Autophagy)自溶作用(Autolysis)其它的生理功能 胚胎发育和形态建成 受精作用(fertilization),自噬作用与吞噬作用,自噬作用,自噬作用主要是清除降解细胞内受损伤的细胞结构、衰老的细胞器、以及不再需要的生物大分子,衰老的线粒体和过氧化物酶体被包裹在一个双层膜结构中,该膜来自于内质网。被ER膜包裹而成的自噬体将会与溶酶体融合,进而被溶酶体酶降解,自体吞噬泡形成的机制,内质网形成一个双膜的杯形结构(a,b),衰老的细胞器(线粒体)从杯口进入(c), 然后封口(d),形成双膜的小泡。小泡与成熟的溶酶体融合(e),或与来自溶酶体分泌小泡融合(f), 溶酶体的酶降解融合泡中的底物(g)。,异体吞噬,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；分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节参与清除赘生组织或退行性变化的细胞（如青蛙的尾巴的消除）；受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应（精细胞的溶酶体分泌酶进行细胞外消化）。,溶酶体与疾病,包涵体细胞病(inclusion cell disease)甘露糖不能被磷酸化，意味着溶酶体的酶不能正确地进入溶酶体，而是被分泌到细胞外。病人的成纤维细胞中含有很多细胞质小泡，小泡中大量的分子不能被溶酶体的酶消化。,矽肺(silicosis)空气中的矽(SiO2 )被吸入肺后，被肺部的吞噬细胞所吞噬，由于吞入的二氧化硅颗粒不能被消化，并在颗粒的表面形成硅酸。硅酸的羧基和溶酶体膜的受体分子形成氢键，使膜破坏，释放出水解酶，导致细胞死亡，结果刺激成纤维细胞产生胶原纤维结节，造成肺组织的弹性降低，肺受到损伤，呼吸功能下降。,型糖原贮积症(glycogen storage disease type )是最早发现的贮积症。由于常染色体上的一个隐性基因突变，造成了溶酶体缺乏葡萄糖苷酶，缺少了这种酶的溶酶体不能把肝细胞中或肌细胞中过剩的糖原进行水解而大量积累在溶酶体内，造成溶酶体超载。此病多发于婴儿，表现为肌肉无力，心脏增大，心力衰竭, 通常于两周内死亡。,休克(shock)由于组织缺血、缺氧，影响了供能系统，造成膜的不稳定，引起溶酶体酶的外漏，造成细胞与机体的损伤。溶酶体的酶外漏的可能机理是：由于缺氧，引起细胞pH值的下降，酸性水解酶活化，水解溶酶体的膜, 使膜漏增强，最终导致溶酶体膜破裂，溶酶体酶释放，使细胞组织自溶；而三羧酸循环的受阻影响细胞氧化磷酸化的过程，ATP减少，功能不足，钠泵失灵，组织内渗透压下降，导致溶酶体膜的通透性增高，酶释放，组织自溶。因此，在抢救休克病人时，临床上采用大剂量的糖皮质类固醇，以稳定溶酶体的膜。,三、溶酶体的发生, 发生途径 分选途径多样化 酶的加工方式多样化 糖侧链的部分水解、膜蛋白等,溶酶体酶的加工,信号斑(signal patch) 是溶酶体酶形成的一个特殊的空间结构，信号斑是由几段信号肽形成的一个三维结构的表面, 这几段信号肽聚集在一起, 形成一个斑点被磷酸转移酶识别。,信号斑与信号肽,甘露糖磷酸化的酶,一种酶是N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶(N-acetyglucosamine phosphotransferase)，一个酶是N-乙酰葡萄糖苷酶, 功能是释放N-乙酰葡萄糖胺,甘露糖 6-磷酸标记,M6P受体蛋白(M6P receptor protein)M6P受体蛋白在pH为6.57的条件下与M6P结合在酸性条件下(pH=6)脱落M6P受体蛋白主要存在于高尔基体外侧网络在某些细胞中M6P受体蛋白也存在于细胞质膜上。,溶酶体酶的分选,内体(endosome),内体是膜包裹的囊泡结构,有初级内体(early endosome)和次级内体(late endosome)之分, 初级内体通常位于细胞质的外侧，次级内体常位于细胞质的内侧，靠近细胞核。内体的主要特征是酸性的、不含溶酶体酶的小囊泡, 其内的受体与配体是分开的。一般认为初级内体是由于细胞的内吞作用而形成的含有内吞物质的膜结合的细胞器, 通常是管状和小泡状的网络结构集合体。次级内体中的pH呈酸性, 且具有分拣作用，能够分选与配体结合的受体，让它们再循环到细胞质膜表面或高尔基体反面网络, 次级内体中的受体和配体不再偶联在一起，所以次级内体又被称为CURL，意思是受体与配体非偶联的区室。,溶酶体酶运输小泡与次级内体的融合及次级内体的分选作用,溶酶体的形成,溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（RER）,高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化,M6P,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶,高尔基体trans-膜囊和TGN膜（M6P受体）,溶酶体酶分选与局部浓缩,以出芽的方式转运到前溶酶体,磷酸葡萄糖苷酶,磷酸化识别信号：信号斑,发生途径,四、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异质性细胞器。 过氧化物酶体与溶酶体的区别 过氧化物酶体的功能 过氧化物酶体的发生,鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（P）和其它细胞器如线粒体（M）等（Albert et al. ，198