细胞的内膜系统与囊泡转运.ppt

第五章 细胞的内膜系统与囊泡转运,定义：指位于细胞质内，在结构，功能乃至发生上有一定 联系的膜性结构的总称，是一连续的统一体。,内质网,高尔基复合体,溶酶体,过氧化氢体,线粒体虽然也是由膜结构组成的，但不属于内膜系统。,Endomenbrane system,核膜,各种内体,内膜系统分布于细胞质基质中。细胞质基质也称为胞质溶胶，是细胞质中除各种细胞器和内含物以外的较为均质而半透明的液体部分。,化学组成,小分子：包括水、无机离子（K+、Na+、Ca2+等）,中等分子：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等。,大分子：多糖、蛋白质、脂蛋白和RNA等。,此外，细胞质基质中还含有大量的酶，它们是大分子合成和代谢所必需的。,细胞质基质的主要功能有离子环境、提供底物和反应场所。,Cytoplastic matrix,第一节 内质网(Endoplasmic reticulum,ER),K. R. Porter等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（endoplasmic reticulum，ER）。,Microsome（微粒体）,细胞匀浆经过超速离心所得到的微细颗粒。分粗面微粒体和滑面微粒体。,一 内质网的化学组成,核膜外层,二.内质网的形态结构,内质网,ER是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管、小泡、扁囊状结构，相互连接形成一个连续的网状膜系统。 ER约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统,小管,小泡,扁囊状,细胞膜,核膜,内质网,细胞膜,内质网的内腔相互连通。,RER,SER,粗面内质网（RER):膜表面附着核糖体；形态多为板层状排列的扁囊；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。,滑面内质网（SER):膜表面无核糖体附着；形态多为分枝小管或小泡；多分布在一些特化的细胞中。,核糖体,粗面内质网,粗面内质网,滑面内质网,滑面内质网,细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。,粗面内质网合成的蛋白质：,信号肽假说-1975年-Bloble提出,游离核糖体上信号肽的合成,信号识别颗粒（SRP）识别信号肽， SRP-核糖体复合体形成，翻译暂停,核糖体停泊于内质网膜通道蛋白移位子上，形成SRP-SRP受体-核糖体复合体,核糖体在一种脱落因子作用下被分解,主 要 过 程,目前普遍用信号肽假说来解释分泌蛋白质的合成过程的。,SRP脱离并参加再循环，核糖体翻译继续进行,信号肽被切除，成熟的蛋白质落入内质网腔,信号肽(signal peptide),信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP),信号序列特征:16-26个氨基酸残基，其中含有4-12个疏水残基 特异性: 位置:N-端突出的一段肽;内信号肽,存在于胞质中的核糖体结合蛋白颗粒，由6个蛋白质亚基 和一个小的7S RNA组成。含三个功能域: 翻译暂停结构域(P9/P14) 信号肽识别结合位点(P54) SRP受体蛋白结合位点(P68/P72)。,锚泊蛋白（Docking protein, DP）/SRP-R,是SRP在内质网膜上的受体蛋白 两个亚基:亲水的亚基, 疏水的亚基,移位子( translocon):内质网膜上亲水通道,信号肽酶( signal peptidase),分离因子( detachment factor),核糖体循环,多聚核糖体(polyribosome),新生肽链协同翻译插入,内信号肽介导,2 参与糖原代谢,肝细胞的一个重要功能是维持血液中葡萄糖水平的恒定，这一功能与葡萄糖-6-磷酸酶的作用密切相关。在肝细胞中，糖原裂解释放葡萄糖-1-磷酸，然后再转变成葡萄糖-6-磷酸，由于磷酸化的葡萄糖不能通过细胞质膜，滑面内质网上的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解为葡萄糖和磷酸后，葡萄糖就可穿过细胞质膜进入血液。,3 肝细胞解毒的主要场所,混合功能的氧化酶（mixed-function oxidases）：在氧和NADPH存在下，将一些有毒物质氧化， 并且每氧化一分子底物，要消耗一分子的氧，进而将NADPH转变成NADP+.由于这种反应的一个氧原子出现在产物中，其他则存在于水分子中，所以将催化这种类型氧化作用的酶称为混合功能的氧化酶。 细胞色素P-450 （cytochrome P-450）的羟基化作用：微粒体的混合功能的氧化酶系统类似一条呼吸链，由几个组分组成，核心成员是细胞色素P-450.细胞色素P-450参与有毒物质以及类固醇和脂肪酸的羟基化， 羟基化涉及四个基本反应被氧化的物质同细胞色素P-450结合细胞色素P-450中的铁原子被NADPH还原氧同细胞色素P-450结合底物结合一个氧原子被氧化，另一个氧原子用于形成水。被氧化的底物由于带上羟基，增强水溶性，容易被分泌排出。,4 Ca2+的储存场所,肌质网是细胞内特化的滑面内质网，是贮存Ca2+的细胞器。肌质网膜上重要的膜蛋白是Ca2+-ATP酶， 滑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+ 。,5 与胃酸、胆汁合成与分泌有关,合成HCl 合成胆盐,1898 意大利神经解剖学家高尔基（Camillo Golgi)：光镜下观察枭、猫的神经细胞发现。,第二节 高尔基复合体(Golgi complex),一.高尔基体的结构与化学组成,光镜：网状结构,电 镜,扁平囊泡,成熟面,小囊泡,大囊泡,形成面,反面高尔基网状结构,高尔基中间膜囊,顺面高尔基网状结构,扁 平 囊,呈盘状，3-10层 高尔基堆,凹面：成熟面、反面；,凸面：形成面、顺面；,凸面/形成面/顺面,小 囊 泡,囊腔内含：中等电子密度的物质,泡内含物质：低电子密度，较透明。,来 源：小囊泡融合。,来 源：由rER芽生而来。,大 囊 泡,泡内含物质：高电子密度，浓缩泡。,来 源：扁平囊周边或局部膨突脱落形成。,凹 面/成熟面/反面,培养的上皮细胞中高尔基体的分布（高尔基体为红色，核为绿色）,高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类，具有一些和ER共同的蛋白成分。膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于ER和质膜之间，中性脂类主要包括胆固醇，胆固醇酯和甘油三酯。 高尔基体中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、转移酶和磷脂酶等不同的类型。,二.高尔基复合体的化学组成,标志酶：糖基转移酶,高尔基体各部分标志的细胞化学反应： 嗜锇反应：经锇酸浸染后，cis面膜囊被特异地染色； 焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)：可特异显示高尔基体的trans面的12层膜囊； 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)：可显示高尔基体中间几层扁平囊； 胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)：可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶。,二.高尔基复合体的功能,（一）与细胞的分泌活动有关,3H标记亮氨酸,3分钟,17分钟,117分钟,高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。,Golgi complex and cells secretion,连续分泌Continual,unregulated discharge of material from the cells,非连续分泌 The discharge of products stored in cytoplasmic granules, in response to appropriate stimuli.,1. 糖蛋白的加工合成,N-连接的寡糖链：在rER腔内合成。,O-连接的寡糖链：在高尔基复合体内合成。,糖蛋白,3H标记甘露糖,3H标记半乳糖；唾液酸糖,3H标记N-乙酰葡萄糖胺,高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有严格的顺序性。,二 胞内物质的加工修饰等,2. 蛋白质的水解加工,无活性的前体物质（某些肽类激素）,加工改造,有生物活性的物质（激素）,三 高尔基复合体是胞内蛋白质的分选和膜泡定向运输的枢纽,蛋白质合成,溶酶体寡聚糖磷酸化,切除甘露糖,加N-乙酰葡萄糖胺,加半乳糖,加唾液酸；分拣,溶酶体,顺面管网,中层囊,反面囊,反面管网,大泡（分泌颗粒）,rER,高尔基复合体,顺面囊,高尔基堆,第三节 溶酶体,20世纪40年代末鼠肝匀浆离心酸性磷酸酶,1955年de Duve等人电镜鼠肝细胞细胞化学显示,(lysosome),一 溶酶体的形态特点和化学组成,1 溶酶体是一种具有高度异质性的膜性细胞器,溶酶体的酶,溶酶体含60多种水解酶，这些水解酶多为酸性水解酶；PH值4-6。,酶,蛋白酶（肽酶）,核酸酶,磷酸酶,糖苷酶,酯 酶,硫酸酯酶（分解氨基 多糖的酶）,标志酶：酸性水解酶,1、初级溶酶体（primary lysosome）（内体性溶酶体）：只含酶，不含底物。直径约0.20.5um，有多种酸性水解酶，但无活性，含蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，反应的最适PH值为5左右。,二.溶酶体的类型,2、次级溶酶体（secondary lysosome） 是正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为自噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体(phagolysosome) 。,次级溶酶体,异噬性溶酶体：初级溶酶体+外源性物质异噬过程,自噬性溶酶体：初级溶酶体+内源性物质自体吞噬（自噬过程）,Secondary lysosome,后溶酶体 残余小体 三级溶酶体,脂褐质,含铁小体,多泡体,髓样结构,3、残余小体（residual body） 又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣，故名。残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质。,肝细胞脂褐质,内体,初级溶酶体,吞噬体,异溶酶体,吞饮体,异溶酶体,自噬体,自溶酶体,分泌颗粒,分泌溶酶体,次 级 溶 酶 体,残质体,异噬作用,自噬作用,三 溶酶体形成与成熟过程,（一）内体性溶酶体是由运输小泡和内体合并而成,Mannose 6-phosphate residues target proteins to lysosomes,Targeting of soluble lysosomal enzymes to endosomes and lysosomes by M-6-P tag,四.溶酶体的功能,一 分解外来物质及清除衰老、残损细胞器,溶酶体可谓是细胞内的消化器官，能把摄入到细胞内的各 种大分子物质借助于水解酶的作用分解为简单物质。,自体吞噬：,清除无用的生物大分子，衰老细胞、细胞器、个体发育中多余的细胞。许多生物大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天左右。,二 具有物质消化及细胞营养功能,简单分子可透过次级溶酶体的膜，在细胞质内继续代谢而被利用，以补充细胞内所需营养，故溶酶体对细胞有消化营养作用。,三 机体防御保护功能的组成部分,巨噬细胞细胞吞噬的细菌、病毒颗粒均在溶酶体作用下杀灭,四 参与某些腺体组织细胞分泌过程调节,如甲状腺素则是在溶酶体的参与下形成的。,甲状腺滤泡上皮细胞,甲状腺球蛋白,在滤泡腔内碘化后 重新进入滤泡上皮 细胞内形成大胶滴,大胶滴与细胞内 的溶酶体融合,蛋白酶将碘化的 甲状腺球蛋白水 解生成甲状腺素,甲状腺素通过 细胞基部进入 血液,无尾两栖类蝌蚪变态时的尾部吸收、哺乳类动物子宫内膜的周期性萎缩，均与溶酶体有密切关系。 溶酶体在某些情况下可通过胞吐方式释放到细胞外，消化分解细胞外物质，这种现象体现在受精过程和骨质更新方面。 在骨发生和骨再生过程中，溶酶体对骨质的更新起着重要作用。破骨细胞的溶酶体酶能释放到细胞外，分解和消除陈旧的骨基质，这是骨质更新的一个重要步骤。,五 在生物个体发生与发育过程中起重要作用,第四节 过氧化物酶体,1954年Rhodin电镜小鼠肾小管上皮细胞微体,一.过氧化物酶体的形态特征,(peroxisome),二.过氧化物酶体所含的酶,标志酶：过氧化氢酶。,囊泡以出芽的方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，这种转运过程称为囊泡转运（Vesicular transport ）。,第五节 囊泡与囊泡转运,特点： 真核细胞；双向；有序。也可 称为高度有组织的定向运输。 作用： 保证稳定交换细胞内外物质， 传递信号。,一 囊泡的来源与类型,依被膜小泡(coated vesicles)包被蛋白的不同分类： 网格蛋白包被囊泡 (clathrin-coated vesicle) COPII被膜小泡 (COPII coated vesicles) COPI被膜小泡 (COPI coated vesicles),一、网格蛋白包被囊泡(Clathrin-Coated Vesicles),网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体反面到内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。,（1）网格蛋白：包被囊泡表面，提高囊泡表面张力,网格蛋白,由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有多边形网孔的笼子,网格蛋白小泡,Clathrin coated vesicles,（2）衔接蛋白：可分别与网格蛋白和被转运的分子相结合，位于网格蛋白和囊泡之间，能催化网格蛋白的聚合、捕获转运分子。,（3）发动蛋白：囊泡颈部，水解GTP使囊泡释放,二、COP包被囊泡,介导从内质网到高尔基体的物质运输。 外被蛋白由五种蛋白质亚基构成。,三、COPI包被囊泡,Cop I Vesicles,二 囊泡转运,SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合， 位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs,SNAREs,在神经细胞中SNAREs负责突触小泡的停泊和融合。 破伤风毒素和肉毒素等细菌分泌的神经性毒素实际上是一类特殊的蛋白酶，能够选择性地降解SNAREs，从而阻断神经传导。 病毒融合蛋白的工作原理与SNAREs相似，介导病毒与宿主质膜的融合。,除了融合锚定蛋白，Rab也促进和调节运输小泡的停泊和融合。 Rabs与衣被召集GTP酶相似，起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中，结合GTP激活，位于细胞膜、内膜和运输