细胞的内膜系统与囊泡转运.ppt

第六章 内膜系统,基础医学院 细胞生物学教研室 林骏 讲师,内膜系统:指细胞质内在结构、功能及发生上有一定联系的膜性结构的总称。,原核细胞 质膜构成的单一区室 真核细胞 内膜 各种细胞器,功能：区室化，保证各种生化反应所需的独特的环境。增加细胞内表面积，提高代谢和功能效率。,成员：内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体及胞质内的囊泡。,核被膜和内膜系统进化的可能途径,起源于质膜的内陷,起源于内共生,设想中的线粒体进化起源,一、内质网 (Endoplasmic Reticulum,ER),粗面内质网：封闭的扁平囊结构，与核膜外层相连，外附核糖体。 滑面内质网：封闭的管状和泡状结构，表面光滑。,（一）内质网的类型与形态,粗面内质网与滑面内质网的形态结构,（二）内质网的化学组成,细胞匀浆 密度梯度超速离心 直径100nm的球囊状封闭小泡 （微粒体，实为破碎的内质网）,1.脂类（约占1/3）： 磷酯含量丰富,卵磷脂最多，约55%，鞘磷脂最少。 2.蛋白质（约占2/3）： （1）氧化反应电子传递酶； （2）与脂质代谢相关的酶； （3）与碳水化合物代谢相关的酶，其中的葡萄糖-6-磷酸酶是内质网的标志酶。,（二）内质网的化学组成,1.粗面内质网的功能： 与蛋白质的合成、加工修饰及转运密切相关。 Q1:哪些蛋白由粗面内质网上附着的核糖体合成？ A:（1）外输性或分泌性蛋白 （2）膜整合蛋白 （3）驻留蛋白（留在内质网内的蛋白）,（三）内质网的功能,Q2:游离核糖体是怎样附着到内质网上的？ A：信号肽假说 （G.Blobel,1999年诺贝尔生理学或医学奖）,信号肽的作用,Q3:膜整合蛋白是怎样形成的？ （1）单次跨膜蛋白的形成： 协同翻译插入机制（cotranslation insertion）,多肽链中含有一段由疏水氨基酸构成的停止转移信号肽（stop-transfer signal peptide）。在肽链穿膜过程中，当含停止转移信号的肽段进入转移子时， 穿膜停止，该肽段停留在 脂质双分子层中，成为 单次跨膜的-螺旋结构， 形成氨基端在内质网腔， 羧基端在胞质腔的 单次跨膜蛋白。,内信号肽机制 （internal signal peptide） 信号肽位于多肽链中，在多肽链穿膜过程中，内信号肽停留在脂质双分子层中，成为单次跨膜的-螺旋结构，内信号肽不会被切除。内信号肽两端的电荷性质决定肽链的插入方向（含正电荷较多的那端朝外，含负电荷较多的那端穿膜）。,（2）多次跨膜蛋白的形成： 与单次跨膜的基本原理相同，内信号肽与停止转移信号肽在多肽链中多次出现，导致多肽链多次穿过内质网膜，形成多次跨膜蛋白。,Q4:新生肽链在内质网腔中怎样被加工修饰？ A：（1）蛋白质的糖基化（N-连接糖基化）,（2）蛋白质折叠与装配 内质网腔中的氧化性谷胱甘肽（GSSG），网膜腔面的蛋白二硫键异构酶通过促进蛋白质二硫键形成，使蛋白质折叠。 结合蛋白BiP、葡萄糖调节蛋白94、钙网素等分子伴侣帮助蛋白质折叠，并能识别、滞留错误折叠的蛋白质,也帮助形成驻留蛋白。,Q5:粗面内质网如何转运蛋白质？,2.滑面内质网的功能： （1）参与脂质合成与转运,甘油 甘油一酯 脂肪酸,滑面内质网,细胞质,脂质合成 酶系,甘油三酯,转位酶,甘油三酯,甘油三酯,高尔基 复合体,膜脂,脂蛋白,磷脂转换蛋白,溶酶体,线粒体 过氧化物酶体,粗面内质网,蛋白,（2）参与糖原代谢（肝细胞）,3.细胞解毒的主要场所（肝细胞）,毒、药物,氧化及电子传递酶系 （羟化酶或加单氧酶系）,毒性降低或极性增加、易于排泄的分子,滑面内质网,细胞质,3.肌细胞Ca2+的储存场所（肌细胞）,受到刺激时释放,滑面内质网,细胞质,Ca2+-ATP酶,钙结合 蛋白,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,4.滑面内质网的其他功能： 胃壁细胞分泌胃酸（HCl），肝细胞合成、分泌结合性胆红素。,小结 本节课重点： 1.什么是内膜系统？包含哪些细胞器？ 2.内质网的形态结构特点？ 3.内质网的功能？ 4.内质网的标志酶？,二、高尔基复合体,（一）高尔基复合体的形态结构 光镜：网状结构（猫脊神经节硝酸银染色）,1、扁平囊： 顺面：凸面，靠近细胞核与内质网，又称形成面 反面：凹面，靠近细胞膜，又称成熟面 2、小囊泡：由粗面内质网芽生而来，又称运输小泡 3、大囊泡：由扁平囊成熟面芽生而来，又称分泌泡,电镜观察：,高尔基复合体具有极性！,1.蛋白质加工：糖基化、水解等 2.蛋白质分拣、定向运输 3.参与形成溶酶体,（二）高尔基复合体的功能,1.蛋白质的加工 （1）蛋白质糖基化 意义：增加蛋白质的稳定性； 蛋白质的分选标记； 形成膜糖，稳定细胞膜，介导细胞识别 （例如：红细胞膜表面的寡糖决定血型； 选择素特异性识别膜表面的糖基）。,（二）高尔基复合体的功能,蛋白质糖基化的类型： N-连接糖基化（粗面内质网、高尔基复合体） 糖碳原子上的羟基与肽链天冬酰胺残基上的-NH2脱水形成糖苷键 O-连接糖基化（高尔基复合体） 糖碳原子上的羟基与肽链中丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、羟赖氨酸和羟脯氨酸残基上的-OH脱水形成糖苷键。 糖基转移酶是高尔基复合体的标志酶。,（二）高尔基复合体的功能,以丝氨酸、羟脯氨酸为例：,丝氨酸,O-连接糖基化的连接位点,OH,羟脯氨酸,脯氨酸,亮氨酸,天冬氨酸,（2）蛋白质水解加工 某些蛋白质的N端或C端需要在高尔基体被切除才能成为成熟的多肽。 例如：胰岛素原 水解 胰岛素 （3）其它加工方式： 蛋白质磷酸化（溶酶体酸性水解酶 ）、蛋白聚糖硫酸化等。,（粗面内质网）,（高尔基体）,2.高尔基复合体是细胞内蛋白质分拣、运输的枢纽,粗面内质网,运输小泡,高尔基复合体,溶酶体,分泌小泡,（蛋白质合成、加工）,（蛋白质进一步加工、分拣）,分泌至细胞外（连续分泌）,暂存于细胞内（非连续分泌）,（内质网驻留蛋白）,（二）高尔基复合体的功能区隔,1.顺面的网状结构 分选蛋白质和脂类，进行蛋白质糖基化、磷酸化和脂质酰基化。 2.中间膜囊: 蛋白质糖基化、多糖及糖脂合成。 3.反面的网状结构: 蛋白质的修饰与分选。,Man 甘露糖，GlcNAc N-乙酰葡糖胺，Gal 半乳糖，NANA 唾液酸,小结 本节课重点： 1.高尔基复合体的形态结构特点？ 2.高尔基复合体的功能？ 3.高尔基复合体的标志酶？ 4.为什么说高尔基复合体具有极性？,三、 溶酶体（Lysosome),张海超“开胸验肺”事件,尘肺病,长期接触粉尘,肺纤维化,溶酶体,？,（一）溶酶体的形态特征,电镜下呈单层膜包裹而成的囊球状结构，直径一般为0.2-0.8m，大小不一。,1.溶酶体基质内含多种酸性水解酶，酸性磷酸酶是其标志酶。 3.溶酶体基质的pH值约为3.5-5.5，其膜上嵌有H+质子泵。 4. 溶酶体的膜蛋白高度糖基化，有利于增加膜稳定性。自身膜蛋白降解,（二）溶酶体的结构与化学组成,三. 溶酶体的形成,1.酶蛋白前体在内质网网腔中加甘露糖基（N-连接糖基化）； 2.甘露糖残基在高尔基复合体形成面囊腔中被磷酸化，形成甘露糖-6-磷酸残基（M-6-P），此为溶酶体蛋白的分选标记。,3.携带M-6-P标记的酶蛋白到达高尔基复合体成熟面，被位于囊腔面的M-6-P受体识别，触发囊泡形成、脱落；4.囊泡与内吞体融合，形成前溶酶体；5.前溶酶体腔内pH值下降，受体脱落循环再用，溶酶体成熟。,四.溶酶体的分类,(一)按功能 1.初级溶酶体 2.次级溶酶体 自噬溶酶体 异噬溶酶体 3.三级溶酶体（后溶酶体/残留小体）,(二)按形成 1.内体性溶酶体（=初级溶酶体） 2.吞噬性溶酶体,溶酶体对细胞内吞物质的消化： 外源异物（如细菌、营养物质） 吞噬 吞噬体 初级溶酶体 异噬溶酶体 酶消化 分解物入胞质 未分解物 残留小体 外吐,衰老细胞器、大分子物质 膜包裹 内质网或高尔基体 自噬体 初级溶酶体 自噬溶酶体 分解物入胞质 未分解物 残留小体 外吐,溶酶体对细胞内物质的消化：,自噬对细胞生命活动的意义?,酶系统的更新:细胞质中某些暂时不需要的酶系统, 需要通过自噬作用进行更新。 旧细胞器的清除:细胞器都有一定的寿命, 为了保证细胞正常的代谢活动, 必须不断地清除衰老的细胞器和生物大分子。很多生物大分子的半衰期只有几小时或几天。肝细胞中线粒体的寿命平均约10天左右。 参与细胞发育:如红细胞发育成熟后, 所有的细胞器都要通过自噬作用被清除。 应激反应:在细胞饥饿条件下, 自噬作用也特别强, 主要是为细胞提供能量, 维持细胞的生命活动。,1.机体防御保护； 2.清除衰老、损伤的细胞器及死亡细胞（如红细胞）； 3.消化物质并提供营养； 5.参与某些腺体组织细胞分泌过程的调节，如甲状腺素； 6.在个体发生发育中起重要作用，如受精、两栖类动物的变态发育、骨组织发生与重建等。,五.溶酶体的功能,先天性溶酶体疾病 多由于溶酶体内某种酶缺乏，导致相应底物蓄积或代谢障碍。 如：型糖原累积病、Gaucher病、神经鞘磷脂沉积病、Tay-Sachs病、黏多糖沉积病等。,六.溶酶体与疾病,2.溶酶体膜异常与疾病： 各种因素导致的溶酶体膜破裂，水解酶溢出，导致细胞、组织损伤及炎症。,矽肺：空气中的矽(SiO2 )吸入肺部，被肺的吞噬细胞吞噬，矽尘颗粒不能被溶酶体消化，反而使溶酶体膜破坏，释放出水解酶，导致细胞自溶，进而溶解周围组织，释放出的矽尘颗粒再次被吞噬细胞吞噬，重复上述过程。肺组织损伤刺激成纤维细胞增生并分泌胶原纤维，最终导致肺纤维化。,痛风：尿酸盐沉积在关节、肾脏等组织，白细胞吞噬尿酸盐导致溶酶体破裂，引起局部组织炎症。,休克：在休克中，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。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，以稳定溶酶体膜。,类风湿性关节炎：溶酶体膜脆性增加，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎。消炎痛和肾上腺皮质激素具有稳定溶酶体膜的作用，因此用于治疗类风湿性关节炎。,四、过氧化物酶体,又称微体，是由一层单位膜包裹形成的圆形或卵圆形小体，直径约0.5m，内含氧化酶类、过氧化氢酶类（标志酶）及过氧化物酶类。,尿酸氧化酶结晶，类核体实为过氧化物酶体中电子密度较高、规则的结晶状结构，由尿酸氧化酶所形成。,类核体,过氧化物酶体的功能： 1.清除细胞代谢过程中产生的过氧化氢及其他有毒物质（例如酒精的氧化解毒） 2.调节细胞氧张力 3.参与对脂肪酸等高能分子物质的分解转化,五、囊泡运输,2013年度诺贝尔医学或生理学奖,他们的杰出贡献： 发现了调控细胞内囊泡运输的机制。,囊泡外面包被着一层蛋白，如网格蛋白、COP蛋白、COP蛋白等，因此称为有被囊泡。包被蛋白与囊泡的定向运输有关。 受体介导的特异性识别融合是囊泡定向运输的基本保证。 囊泡起源于内质网和细胞膜，高尔基复合体是转运中心。 囊泡转运的同时也实现了细胞膜与内膜系统膜的更新。,受体识别介导转运小泡与靶膜特异性结合,小结,重点掌握以下内容： 1.什么是内膜系统？内膜系统由哪些细胞器组成？ 2.粗面内质网、滑面内质网的结构和功能。 3.蛋白质合成信号肽学说的基本内容。 4.高尔基复合体超微结构及主要功能。 5.初级溶酶体、次级溶酶