分细生CH8内膜系统和过氧化体.ppt

第四章細胞內膜系統,一、概念：指位於細胞質內，在結構、功能乃至發生上相關的膜圍繞的細胞器或細胞結构的總稱二、組成：包括核膜、內質網、高爾基體、溶酶體、過氧化物酶體及液泡和其他各種小泡三、特點：內膜系統是真核細胞特有的結構內膜系統的細胞器在細胞質中有相對固定的毗鄰關係,內膜系統,第一节內質網第二节高爾基複合體第三节溶酶體第四节過氧化物酶體,內膜系統,第一節內質網,一、內質網的形態結構,三、內質網的化學組成,四、內質網的功能,五、內質網的病理改變,二、內質網的類型,1945年K.R.Porter等在培養的小鼠成纖維細胞中發現，因最初看到的是位於細胞質內部的網狀結構，故名內質網（endoplasmicreticulum，ER）。,內質網,一、內質網的形態結構,由一層單位膜所構成的相互連續的小管、小泡和扁囊結構組成的連續的三維網狀膜系統約占細胞總膜面積的一半，是封閉的系統，膜厚56nm內質網形態結構、分佈狀態、數量與細胞類型、生理狀態及分化程度極為相關,內質網,小管,小泡,扁囊,細胞膜,核膜,8,(一)粗面內質網（RER):膜表面附著核糖體；形態多為板層狀排列的扁囊；網腔內含低電子或中等電子密度的物質；多分佈在分泌活動旺盛或分化較完善的細胞內。,(二)滑面內質網(SER):膜表面無核糖體附著；形態多為分枝小管或小泡；多分佈在一些特化的細胞中。,二、內質網的類型,10,11,ER（內質網）,RER（粗面內質網）,14,SER（滑面內質網）,ER膜中含大約60%的蛋白和40%的脂类，脂類主要成分為磷脂，磷脂醯膽鹼含量較高，鞘磷脂含量較少，沒有或很少含膽固醇。ER約有30多種膜結合蛋白，另有30多種位於內質網腔，這些蛋白的分佈具有異質性，如：葡萄糖-6-磷酸酶，普遍存在於內質網，是其標誌酶，核糖體結合糖蛋白（ribophorin）只分佈在RER，細胞色素P-450只分佈在SER，是滑面內質網特有的標記酶。,三、內質網的化學組成,微粒體（Microsome）：細胞勻漿和超速離心，特別是密度梯度離心過程中，由破碎的內質網等形成的近似球形的封閉小泡結構，它包括內質網膜與核糖體兩種基本成分。,很好的研究材料,17,微粒體（microsome）,四、內質網的功能,1.蛋白質合成2.蛋白質折疊3.蛋白質修飾4.蛋白質運輸5.脂類的合成,（一）粗面內質網（RER）的功能：,附著核糖體合成的蛋白質包括：向細胞外分泌的蛋白質、抗體、激素跨膜蛋白需要與其他細胞組分嚴格隔離的蛋白質需要進行修飾的蛋白質,1.蛋白質的合成,核糖體,小亞基mRNA穿通隧道大亞基中央通道正在合成的多肽鏈,5,22,核糖體是合成蛋白質的細胞器主要成分蛋白質和rRNA功能：按照mRNA的指令合成多肽鏈,mRNA,核糖體,A部位：氨基酸部位或受位，接受氨醯基tRNAP部位：肽基部位或放位，肽基tRNA移交肽鏈後，tRNA被釋放的部位,T因數：肽基轉移酶催化P位上的氨醯基結合到A位的氨醯tRNA上G因數：GTP酶，催化tRNA從A位P位,核糖體是蛋白質合成的場所,5,tRNA迴圈,3,mRNA,G.Blobel等1975年提出了信號假說(Signalhypothesis)，認为蛋白質N端的信號肽，指導蛋白質轉至內質網上合成，為此獲1999年諾貝爾生理醫學獎。,信號假說,蛋白質轉移到內質網合成涉及以下成分：信號密碼信號肽（signalpeptide）信號識別顆粒（SRP）SRP受體（SPRreceptor）信號肽酶,信號假說,信號假說,信號密碼：位於起始密碼(AUG)之後，有一組編碼特殊氨基酸序列的密碼子。信號肽：蛋白質合成時，首先在游離核糖体上由信號密碼翻譯出一段肽鏈，這一小段額外的肽鏈為疏水的氨基酸序列，約有1530個氨基酸組成。信號肽是個信號，是附著核糖體的標記。,信號識別顆粒(signalrecognitionparticle，SRP)，它是由6條不同的肽鏈結合在1分子的7SrRNA上組成的11S核糖體蛋白，它能特異識別並結合信號肽。SRP佔據了核糖體的A位，阻擋了攜帶氨基酸的tRNA進入核糖體，使蛋白質的合成暫時中止。SRP受體(SRPreceptor)，它是結合在內質網膜上的鑲嵌蛋白，分子量約72000，它可以識別結合SRP。信號肽酶：水解信號肽的酶。,信號識別顆粒模式圖,內質網腔,細胞質,SRP受體,信號識別顆粒(SRP),核糖體結合蛋白,tRNA,A,P,核糖體,mRNA,信號肽,A,信號假說,附著核糖體與蛋白質的合成過程：1.游離核糖體上信號肽合成；2.胞質中SRP識別信號肽，形成SRP-核糖體複合体，從而使多肽鏈合成暫停。3.核糖體與粗面內質網結合，形成SRP-SRP受體-核糖體複合體；,4.SRP脫離並參加再迴圈，核糖體上的多肽鏈合成繼續進行。5.信號肽被ER膜上的信號肽酶切掉，合成的多肽鏈落入內質網腔中；6.附著核糖體脫離內質網膜，大小亞基分開，回到胞質基質中參加再迴圈，內質網膜上的受體小管消失。,34,附著核糖體：主要合成分泌性蛋白質游離核糖體：主要合成結構性蛋白質功能狀態都為多聚核糖體，非功能狀態為大、小亞基分開,核糖體的存在形式,2.蛋白質折疊,分子伴侶：蛋白質折疊需要內質網腔內的某些可溶性駐留蛋白參與，這類蛋白能特異性地識別新生肽鏈或部分折疊的多肽並與之結合，幫助這些多肽進行折疊、裝配和轉運，而其本身並不參與最終產物的形成。,2.蛋白質折疊,有些無法完成正確折疊的蛋白質被輸出內質網，轉入溶酶體中降解掉，大約90%的新合成的T細胞受體亞單位和乙醯膽鹼受體都被降解掉，而從未到達靶細胞膜。,3.蛋白質修飾,包括糖基化、羥基化、醯基化、二硫鍵形成等。其中最主要的是糖基化，幾乎所有內質網上合成的蛋白質最終被糖基化。,蛋白質的糖基化,蛋白質的糖基化：是指單糖或寡糖與蛋白質共價結合形成糖蛋白。,蛋白質糖基化的意義,使蛋白質能夠抵抗消化酶的作用賦予蛋白質傳導信號的功能某些蛋白只有在糖基化之後才能正確折疊在細胞表面形成糖萼（細胞膜的外表有一層糖蛋白構成的外被）,蛋白質糖基化作用方式,N-連接的糖基化：發生在內質網腔內，是糖蛋白中最普遍的一種,O-連接的糖基化：主要或全部在高爾基複合體中進行。,在粗面內質網中，糖鏈被連接在多肽鏈中天冬醯胺殘基(Asn)的氨基上，故稱之為N-連接糖基化。在內質網腔中N-乙醯葡萄糖胺(GlcNAc)、甘露糖（Man）和葡萄糖（Glc）的多個分子按順序先後被連接到內質網膜中叫多萜醇的脂質分子上，成為寡聚糖，並使寡聚糖活化。已活化的寡聚糖即由糖基轉移酶催化，轉移到天冬醯胺殘基(Asn)的氨基上,N-連接的糖基化,44,蛋白質糖基化（proteinglycosylation）,N-連接,寡聚糖轉移酶,Asn=天冬醯胺,O-連接的寡糖的糖基化,O-連接的寡糖是指與蛋白質的絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基側鏈上的羥基基团連接的寡糖。O-連接的寡糖的糖鏈中又增加了半乳糖（Gal）、岩藻糖和唾液酸（NANA）等糖殘基。,4.蛋白質運輸,向細胞外分泌的蛋白質：RER合成糖基化作用小泡(含分泌蛋白)經高爾基體濃縮泡分泌顆粒排出；膜嵌入蛋白質，即膜蛋白需要與其他細胞組分嚴格隔離的蛋白質需要進行複雜修飾的蛋白質,5.脂類的合成,合成大部分細胞膜和細胞內膜系統的膜脂合成脂類的酶都位於內質網脂質雙層，活性部位朝向胞質面翻轉酶：能選擇性地將合成的脂類分子從細胞質基質面的膜層翻轉至內質網腔面的膜層中。磷脂醯膽鹼的生物合成過程：醯基轉移酶、磷脂酸酶、膽鹼磷酸轉移酶,（二）滑面內質網（SER）的功能,1.脂類的合成2.糖原的分解3.解毒作用4.肌肉收縮(肌質網)5.鹽酸的分泌、滲透壓調節,1.脂類的合成,腎上腺皮質細胞、睾丸間質細胞、卵巢共黃體細胞等類固醇激素細胞SER含有合成膽固醇全套酶系和使膽固醇轉化為類固醇激素(腎上腺激素、性激素)的酶類及與脂類合成有關的酶類,2.光面內質網在糖原分解中的作用,3.SER的解毒作用,肝細胞的解毒作用-SER通過氧化、甲基化、結合等方式，降低或排除毒性物質藥物、毒物(SER膜上的氧化酶系)解毒或轉化如：氨基酸代謝氨尿素(無毒)；苯巴比妥類藥物+葡萄糖醛酸水溶性物質,4.鹽酸的分泌、滲透壓調節,哺乳動物胃底壁細胞的胞質中，SER能將血漿中的Cl-傳遞到細胞內分泌小管的膜上，Cl-可與胞質中由碳酸解離的H+在膜上結合產生HCl，排出細胞外,四、內質網的病理改變,病理條件下內質網腫脹(低氧、病毒性肝炎)肥大(B淋巴細胞、巨噬細胞)物質累積(a1-抗胰蛋白酶缺乏病人的血清中缺乏a1-抗胰蛋白酶，而在肝細胞的粗面內質網和滑面內質網中卻儲存著a1-抗胰蛋白酶)癌變細胞中的內質網變化,第二節高爾基複合體,最早發現於1855年。1889年，Golgi用銀染法在貓頭鷹的神經細胞內觀察到了清晰的網狀結構，定名为高爾基體。20世紀50年代應用電鏡技術證實高爾基體是由幾個部分膜性結構共同構成的，所以現在一般用高爾基複合體(Golgicomplex),高爾基複合體只存在於真核細胞中,通常在分泌功能旺盛的細胞內高爾基複合體數目很多，如杯狀細胞、胰腺外分泌細胞、唾液腺細胞等。在未分化的幹細胞（或母細胞）中，高爾基複合體往往較同類成熟細胞少得多。,56,一、高爾基複合體的形態結構二、高爾基體的化學組成三、高爾基複合體的功能四、高爾基複合體與疾病,第二節高爾基複合體,一、高爾基複合體的形態結構,光鏡：網狀結構,電鏡,扁平囊,成熟面(反面),小囊泡,大囊泡,形成面(順面),一、高爾基複合體的形態結構,扁平囊,呈盤狀，3-10層稱高爾基堆,凹面：成熟（反）面,凸面：形成（順）面；,凸面：形成（順）面,形成面膜厚：6nm;成熟面膜厚：8nm,小囊泡,30-80nm球形小泡,膜厚：6nm;,囊腔內含：中等電子密度的物質,泡內含物質：低電子密度物質，較透明。,來源：小囊泡融合。,來源：由rER芽生而來。,大囊泡,100-500nm;,膜厚：8nm;,泡內含物質：高電子密度物質，濃縮泡。,來源：扁平囊周邊或局部球狀膨突脫落形成,凹面：成熟（反）面,高爾基複合體的化學組成介於細胞膜與內質網之間，如含蛋白質、磷脂醯膽鹼。高爾基複合體是一种過渡性的細胞器。高爾基複合體含有多種酶，有糖基轉移酶、甘露糖苷酶、磷脂酶，其中糖基轉移酶為高爾基體的標誌酶。能將寡糖轉移到蛋白質分子上形成糖蛋白。,二、高爾基體的化學組成,1.參與細胞的分泌活動2.對蛋白質、脂類的糖基化修飾3.對蛋白質的水解加工4.對蛋白質的分選運輸5.參與溶酶體的形成6.參與膜的轉化,三、高爾基複合體的功能,3H標記亮氨酸,3分鐘,20分鐘,90分鐘,高爾基複合體在細胞分泌活動中起著重要的運輸作用；在分泌顆粒的形成過程中起着濃縮、修飾、加工等作用。,1.參與細胞的分泌活動,3分鐘出現在內質網20分鐘出現在高爾基體90分鐘出現在分泌小泡,1.參與細胞的分泌活動,上述實驗說明：分泌蛋白質在粗面內質網合成後運送到高爾基複合體在高爾基複合體加以修飾後被轉入分泌小泡分泌小泡將分泌蛋白質運送到細胞外,2對蛋白質、脂類的糖基化修飾,參與糖蛋白的合成和修飾,N-連接的糖蛋白（內質網）,O-連接的糖蛋白（高爾基體）,糖蛋白,3H標記半乳糖（Gal）和唾液酸（NANA）,3H標記甘露糖（Man）,3H標記N-乙醯葡萄糖胺(GlcNAc),高爾基複合體是蛋白質糖基化的場所,2對蛋白質、脂類的糖基化修飾,上述實驗說明：甘露糖、N-乙醯葡萄糖胺存在糖蛋白寡糖鏈的核心在內質網腔內已經完成與蛋白質的結合半乳糖、唾液酸存在寡糖鏈的端部區域，在高爾基體複合體內被加到寡糖鏈上,蛋白質糖基化類型,特徵N-連接O-連接合成部位糙面內質網糙面內質網或高爾基體合成方式來自同一個寡糖前體一個個單糖加上去與之結合的氨基酸殘基天冬醯胺絲、蘇、羥賴、羥脯最終長度至少5個糖殘基一般14個糖殘基（ABO）第一個糖殘基N-乙醯葡萄糖胺N-乙醯半乳糖胺等,高爾基複合體除了對蛋白質進行糖基化外，還對糖脂進行糖基化如腦苷脂、神經節苷脂等含有半乳糖和唾液酸的糖基化末端,無活性的前體物質（某些肽類激素）,加工改造,有生物活性的物質（激素）,3.對蛋白質的水解和加工,直接酶解切除新生蛋白原中的N-端或中間或兩端的氨基酸序列，使之成為具有生物活性的蛋白質，如胰島素原、甲狀腺激素原和血清蛋白原等,轉換酶,胰島素原的一級結構,新生蛋白原中含有多個氨基酸序列相同的區段，經酶解加工後形成多個序列相同的有活性的多肽链，如神經肽。新生蛋白原中含有數種不同的信號序列，經過不同的加工方式可形成多種不同活性的多肽链，同時增加了分子的多樣性，如一些資訊分子。,3.對蛋白質的水解和加工,4對蛋白質的分選運輸,蛋白質合成,溶酶體酶的糖磷酸化,溶酶體,順面高爾基網,中間囊,反面囊,反面高爾基網,rER,高爾基複合體,順面囊,高爾基垛,(磷酸轉移酶),高爾基複合體不同的生化區室含有不同的酶，對蛋白質寡糖鏈按順序依次修飾。這種順序加工有利於糖蛋白的分選。,77,高爾基體的區室和功能,back,溶酶體的酶是由RER上的核糖體合成,RER腔內,運輸小泡,高爾基複合體（加工修飾）,溶酶體的酶含有甘露糖-6-磷酸，高爾基複合體反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体，能特異與其結合，誘導溶酶體酶聚集並出芽離開高爾基複合體形成溶酶體。,N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉移酶,N-乙醯葡萄糖胺磷酸糖苷酶,5.參與溶酶體的形成,5.參與溶酶體的形成,6參與膜的轉化,膜流：細胞的各種膜性結構之間相互聯繫和轉移的現象稱膜流。,內質網,運輸小泡,高爾基複合體,大囊泡,細胞膜,膜流,6參與膜的轉化,由膜流現象可以看出,高爾基複合體的膜是處於一種不斷消耗又不斷補充的動態平衡中。高爾基複合體在40分鐘內可完全更新一次。,核糖體,細胞內的各種生物膜在功能上也既有分工，又有緊密的聯繫,四、高爾基複合體與疾病,1.癌細胞中的高爾基複合體結構(不發達)2.中毒細胞中的高爾基複合體的變化(形態萎縮、結構破壞、甚至消失)3.功能亢進時的高爾基複合體結構(肥大),第三節溶酶體,溶酶體（Lysosome）：一種廣泛存在於真核細胞中專門從事細胞內消化作用的含有酸性水解酶的膜性細胞器。,第三節溶酶體,一、溶酶體的形態特徵與化學組成二、溶酶體的類型三、溶酶體的功能四、溶酶體的發生五、溶酶體與疾病的關係,一、溶酶體的形態特徵與化學組成,溶酶體的一般特徵：溶酶體是由一層單位膜包圍而成的一種異質性(heterogeneous)的細胞器,不同來源的溶酶體形態、大小，甚至所含有酶的種類都有很大的不同。溶酶體呈小球状,大小變化很大，直徑一般0.250.8m。溶酶體的酶溶酶體的膜,溶酶體的酶,有60餘種，這些酶的最適pH值是5.0，它們都是水解酶類，在酸性pH條件下具有最高的活性，故均为酸性水解酶(acidhydrolases)。溶酶體的酶主要包括：酸性磷酸酶、-葡萄糖苷酶、蛋白酶、核酸酶、脂酶等，其中酸性磷酸酶是溶酶體的標誌酶。,溶酶體的外被是一層單位膜,含有較多的鞘磷脂。溶酶體膜中嵌有質子泵,以此維持溶酶體內部的酸性環境(pH約為5)具有多种載體蛋白用於將水解的產物向外運送溶酶體膜含有高度糖基化膜整合蛋白,這些膜整合蛋白的功能可能是保護溶酶體的膜免遭溶酶體內酶的攻击,有利於防止自身膜蛋白的降解。,溶酶體的膜,二、溶酶體的類型,1.初級溶酶體(primarylysosome)2.次級溶酶體(secondarylysosome)3.殘餘體,初級溶酶體,呈球形，直徑約0.20.5um，此類溶酶體是剛剛從反面高爾基體形成的小囊泡，僅含有水解酶類，但無作用底物，外面只有一層單位膜，其中的酶處於非活性狀態。,次級溶酶體,溶酶體中含有水解酶和相應的底物，是一種將要或正在進行消化作用的溶酶體。根據所消化的物質來源不同，分为自噬性溶酶體、異噬性溶酶体。,次級溶酶體,98,RER上合成溶酶體酶Golgi器上加工、分裝運輸小泡（有被小泡無被小泡）+內體（細胞的胞吞作用）,內體性溶酶體,內體的主要特徵：酸性的、不含溶酶體酶的胞吞小泡。,溶酶體酶的糖鏈中含有甘露糖-6-磷酸（M6P），可特異地與Golgi複合體反面扁囊上的甘露糖-6-磷酸受体結合，從而達到分裝的目的,自噬性溶酶體：作用底物是內源性發生條件：細胞內結構衰老、變性；機體發生饑餓；細胞本身發生病變具有分泌功能的細胞調節細胞的分泌活動。,異噬性溶酶體作用底物是外源性的，常見於單核吞噬細胞系統,3.殘餘小體,指溶酶體中殘留的未被分解的物質（1）脂褐质：電子緻密度高，常含淺亮的脂滴（2）含鐵小體：5060nm，充滿含鐵顆粒，正常的單核吞噬細胞常見（3）多泡體：0.20.3m，內含許多小泡（4）髓樣結构：膜成分髓樣排列,各種殘餘體示意圖,細胞內的消化作用自溶作用對細胞外物質的消化作用,三、溶酶體的功能,1.異噬作用：溶酶體對外源性異物的消化過程。異噬作用的意義：為細胞的生存提供營養物質。如膽固醇的攝取對機體起著防禦功能。如對病原體的消化作用,（一）細胞內的消化作用,2.自噬作用：溶酶體消化細胞自身受損傷的細胞結構、衰老的細胞器或細胞器碎片的過程。自噬作用的意義：細胞新陳代謝的重要方式。如線粒體的平均壽命約10天，核糖體約5天。機體和細胞的自我保護。應激狀態時自噬作用會大大增加。如饑餓、受損傷或快要死亡的細胞等。具有分泌功能的細胞，常可通過自噬作用來調節細胞的分泌活動。,（二）自溶作用,自溶作用是指在細胞內溶酶體膜破裂，消化酶釋放出來進入細胞質，結果細胞本身被消化。在正常情況下,溶酶體的膜是十分穩定的,不會對細胞自身造成傷害。在多細胞生物的發育過程中，生物體形態建成或需廢棄一些或改造形成一些器官時，機體可產生生理性自溶。如蝌蚪尾部的吸收，人體卵巢黃體的萎縮。,（三）溶酶體在細胞外發揮作用,溶酶體除了在細胞內具有消化作用外，也可以將水解酶釋放到細胞外消化細胞外物質。如精子頭部的頂端質膜下方有一膜包裹的囊狀結构,稱为頂体(acrosome),是一種特殊的溶酶体,在受精過程中,通過頂體反应,將頂體中的溶酶體的酶釋放到細胞外,消化卵外膜濾泡細胞,使精子抵達卵子質膜,卵子和精子的細胞質膜相互融合,達到受精的目的。再如，骨質更新（破骨細胞）(分解骨基质),頂體,四、溶酶體的發生,溶酶體酶的M6P分選途徑，這一途徑的兩個關鍵是:M-6-P標記和M-6-P受體蛋白。M-6-P受體蛋白是反面高爾基網路上的膜整合蛋白,能夠識別溶酶體水解酶上的M-6-P信號並與之結合,從而將溶酶體的酶蛋白分選出來。M-6-P受體蛋白主要存在于高爾基體的反面扁囊，但在一些動物細胞的質膜中發現有很多M-6-P受體蛋白的存在,這是細胞的一種保護機制。,（一）先天性溶酶體病(二)溶酶體膜的穩定性失常所致疾病,五、溶酶體與疾病的關係,（一）先天性溶酶體病,由缺乏某些酶引起代謝障礙而致病台-薩氏綜合征(Tay-Sachsdiesease)：缺少氨基己糖酯酶A(-N-hexosaminidase)導致神經節甘脂GM2積累，影響細胞功能，造成精神癡呆，26歲死亡。該病主要出現在猶太人群中II型糖原累積病(Pompe病)：溶酶體缺乏-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶