基质和膜系统ppt课件

第四章细胞基质和内膜系统 细胞质基质内膜系统微体核糖核蛋白体线粒体和叶绿体 细胞质包括细胞质基质和细胞器 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 第一节细胞质基质 cytoplasmicmatrix 根据细胞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质基质结构示意图 核糖体 蛋白质 tRNA和mRNA 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 均质半透明的胶体状物质 含细胞骨架 胞质溶胶 用差速离心分离细胞匀浆物组分 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成分 生物化学家称之为胞质溶胶 常常认为胞质溶胶内不含细胞骨架 是一些中间代谢有关的酶 Paine的乳胶小球实验 将小球注入非洲爪蟾的卵母细胞中 取出后发现其中80 的多肽没有进入 此外还有mRNA核糖体等 说明多数蛋白等结合在细胞骨架上 成分 中间代谢有关的酶类 细胞骨架结构 小分子物质 水 无机粒子 Na K Ca Mg 等 中等分子 脂类 氨基酸 核苷酸等大分子物质 蛋白质 RNA 脂蛋白 多糖等 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 化学组成 完成各种中间代谢过程如糖酵解过程 磷酸戊糖途径 脂肪酸合成等 作为细胞器的微环境 为维护细胞器正常结构和生理活动提供所需要的生理环境 同时也为细胞器的功能活动提供底物 另 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 泛素ub 2004年诺贝尔奖 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠 生物学功能 磷酸化和去磷酸化糖基化 N 乙酰葡萄糖胺N 端甲基化酰基化 细胞内膜系统 endomembranesystem TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1974 fortheirdiscoveriesconcerningthestructuralandfunctionalorganizationofthecell发现了细胞的结构和各结构的机能 AlbertClaudeBelgium建立了细胞破碎法和离心法 并利用这些方法发现了细胞内的各种微粒子 ChristiandeDuveBelgiumRockefellerUniversityNewYork NY USA GeorgeE PaladeUSAYaleUniversity SchoolofMedicineNewHaven CT USA 第二节细胞内膜系统 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 主要包括 内质网 高尔基复合体 溶酶体 以及细胞核 一 细胞内膜系统的研究方法 DeDuve A ClaudeandG Palade 1974NobelPrize放射自显影 Autoradiography 脉冲追踪 脉冲 放射性短暂温育 使氨基酸掺入蛋白质 追踪 在非标记中温育的时间 时间越长 蛋白在细胞内转移的距离越长 差速离心分离微粒体 匀浆 含有各种膜泡的匀浆液 完整细胞 去上清液 完整细胞 nm mit 过氧化物酶体 去微粒体的上清液 微粒体 二内质网 endoplasmicreticulum ER 基本类型 粗面内质网 roughendoplasmicreticulum rER 光面内质网 smoothendoplasmicreticulum sER 由封闭的膜系统及其围成的腔形成互相沟通的网状结构 较大细胞器 由扁平囊构成 与细胞核的核膜连通 匀浆为糙面小泡 管状的管道系统 匀浆时成为光面小泡 比较rER和sER 与其他细胞器的关系 1 细胞膜有时与ER连 甚至管道相通 发生关系 2 ER常与外核膜连接 ER腔与核周隙相沟通 外核膜有时附着核糖体 核 质物质交换 发生同源性 3 合成旺盛的细胞 Rer与线粒体紧密相连 能量关系 4 间期 ER分布常常与微管走向一致 并与微管马达蛋白结合 在驱动蛋白牵引下向外延伸呈复杂网状机构 内质网的化学组成和结构 化学成分 脂类 蛋白质及RNA 葡萄糖 6 磷酸酶及细胞色素P 450是内质网的标志酶 特征酶 单位膜构成形状大小不同的扁平囊 小囊 小管组成 连成网状结构 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 sER的功能 骨骼肌细胞 肾小管细胞 肝细胞 类固醇类分泌细胞 睾丸间质细胞 脂类代谢与糖类代谢脂肪 磷脂及类固醇合成并且与糖元的合成及分泌密切相关 性腺和肾上腺皮质 类固醇类激素ER合成细胞所需绝大多数膜脂 包括磷脂和胆固醇 肝细胞中葡萄糖 6 磷酸酶可葡萄糖 6 磷酸中释放葡萄糖 胞质中的肝糖元 葡萄糖 1 磷酸 葡萄糖 6 磷酸 葡萄糖 过质膜 肝的解毒作用 含一些酶 如细胞色素P450家族酶系 转移酶 加氧酶 对不溶于水有毒物质进行氧化 羟化作用而完全溶于水并转送出细胞进入尿液 从而消除对细胞毒害 药物 酒精过量 SER增多 但肉烤焦的苯比可被 解毒 酶转为致癌物 肌肉细胞 肌质网膜上Ca ATP酶将Ca泵入肌质网中 神经冲动刺激后 Ca释放 肌肉收缩 内质网中膜的生物合成生长 在不同细胞器上修饰 不对称性由内质网决定 合成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂 例外 鞘磷脂和糖脂开始与ER 完成于GB 合成磷脂所需要的3种酶都定位在er膜上 其活性部位在膜的细胞质基质一侧 合成磷脂的底物来自于细胞质基质 反应的第一步是增大膜面积 第二三步确定新合成磷脂的种类 合成后由细胞质基质侧转向内质网腔面 靠磷脂转位因子 转位酶 的帮助完成 合成的磷脂一种由内质网以出芽方式转运到gb 溶酶体和细胞膜上 另一种凭借一种水溶性的载体蛋白 磷脂转换蛋白 在膜之间转移磷脂 特异性 膜性细胞器有酶修饰并可以进行转化 小泡出芽时某些磷脂有优先 磷脂转移蛋白可以将特殊磷脂转移 磷脂头部被不同修饰酶修饰 出芽小泡中的磷脂成分与膜不同 磷脂转移蛋白从一种膜除去并转移到另一种膜 rER的功能 蛋白质的合成 蛋白质的修饰与加工 新生肽的折叠与组装 蛋白质合成 Er上核糖体合成的 secretoryproteins integralmembraneproteins solubleproteinsoforganelles 分泌蛋白 整合膜蛋白 内膜系统各种细胞器内的可溶性驻留蛋白 如溶酶体酶 等在细胞质基质中 游离 核糖体上合成的 细胞质基质中的驻留蛋白 如糖酵解酶和细胞骨架蛋白 质膜外周蛋白 核输入蛋白 转运到线粒体 叶绿体和过氧物酶体的蛋白 注意 细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的 并都是起始于细胞质基质中 游离 核糖体 信号假说 SignalHypothesis 核糖体如何结合到ER膜上进行蛋白质合成 G Blobel D Sabatini 1971 1999年诺贝尔奖 游离的核糖体合成的肽链80aa中包含一段特殊的氨基酸序列 N端 16 26aa 称为 信号肽 靶向ER 疏水性氨基酸 细胞质中有信号识别颗粒 SRP 6个多肽和小的 300b 7sRNA分子 专一性的识别信号肽 而RER上有SRP受体 DP 在SRP参与和作用下 信号肽 核糖体 SRP 复合物受体识别 核糖体与一种蛋白偶联通道 易位子 相互作用 结合到ER膜上 信号序列与由SRP释放并插入易位子水性通道并与内部位点结合 通道构象改变 从SRP识别信号肽 决定性一步 到核糖体结合于Rer膜上这一过程中 蛋白质合成暂时停止 SRP脱离ER膜上受体 翻译重新开始 易位子通道打开 延伸的肽连在信号肽的引导下穿过Rer膜进入Rer腔中 信号肽被结合于ER膜内侧的信号肽酶水解 新合成的多肽链继续深入ER腔中 直至合成结束 核糖体被释放 易位子通道变狭窄 Milsteinetal StudyingthesynthesisoflightchainofIgG incell freesystems 20AalongeratN terminalendthantheauthenticlightchain AddingERmembranestothissystemleadstotheproductionofanIgGlightchainofthecorrectsize Cell freesystem中蛋白质的翻译与SRP DP和微粒体的关系 分泌蛋白 膜整合蛋白 分子伴侣 停止转移序列 疏水 假定的门控蛋白 Start transferSequence开始转移序列 Stop transferSequence停止转移序列 蛋白质分选与分选信号 高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用 膜泡运输的主要途径 其中多数与高尔基体直接相关 Roadmapofproteinsorting 蛋白质的跨膜转运 膜泡运输 选择性门控转运 细胞质基质中的蛋白质转运 内质网定向信号序列 细胞表面 分泌 溶酶体 质膜 成熟的胞质蛋白 通过门控转运方式转运至细胞核 345跨膜转运方式运至线粒体 叶绿体和过氧化物酶体 分子 伴侣 molecularchaperones 细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合 从而帮助这些多肽转运 折叠或装配 这一类分子本身并不参与最终产物的形成 因此称为分子 伴侣 新生肽的折叠与组装 新生肽的折叠组装 非还原性的内腔 易形成二硫键 正确折叠 具有一定信号 在二硫键异构酶帮助新合成的蛋白重新形成二硫键 分子伴侣 chaperone 具有折叠酶的功能 能识别蛋白折叠后的疏水面并与之结合 防止错误折叠 参与蛋白质跨膜运输后分子的重折叠以及装配 属于热休克蛋白 HSP 进化保守 质量监控 确保错误折叠的蛋白质不离开内质网 错误折叠的蛋白质在葡糖转移酶 GT 识别 添加一个葡萄糖 被分子伴侣识别 获得一次重新折叠的机会 如果多次重复仍不正确 蛋白质被转移到细胞质基质并被蛋白酶体破坏 蛋白酶体 正确折叠 释放 葡萄糖苷酶 钙联接蛋白 蛋白质的加工 修饰加工 糖基化 羟基化 酰基化 二硫键形成等 磷酸多萜醇 N 乙酰葡萄糖胺 甘露糖 糖基化 在糖基转移酶作用有顺序的将寡糖转移到蛋白质上形成糖蛋白 溶酶体中的水解酶 多数膜蛋白和分泌蛋白是糖蛋白 细胞质基质和核中蛋白质多缺少糖基化由rER合成的蛋白质的糖基化起始于rER腔面 N 连接 Asn 连接到天冬酰胺的酰胺N原子上 直接结合N 乙酰葡糖胺 当深入Rer腔中的新生肽链中出现Asn残基时 在糖基转移酶的作用下 寡糖连连接于Asn残基 酰胺基上 这种糖基化作用称为N 连接糖基化 thenremove3glucosesand1mannoseintheER 二 高尔基复合体 Golgicomplex 化学组成及结构 高尔基体的功能 高尔基体与细胞内的膜泡运输 顺面高尔基体网状结构 反面高尔基体网状结构 顺面 中间 反面膜囊 1 高尔基体的化学组成和结构 化学组成 主要由脂类 蛋白质及多糖物质组成 其标志性酶为糖基转移酶 结构 电镜下单位膜围成的扁平囊状结构堆叠在一起 周围结合有些小管或大小不等的小囊泡构成高尔基复合体 高尔基体是有极性的细胞器 位置 方向 物质转运与生化极性 扁囊弯曲成凸面又称形成面 formingface 或顺面 cisface 凸面 朝向细胞核或ER一方 扁平囊膜较薄 60A 接受ER合成的物质 对其进行初步的加工和分类 面向质膜的凹面 concave 又称成熟面 matureface 或反面 transface 凹面 朝向细胞膜一侧 扁平囊膜较厚 80A 能将物质分类并排出 中间膜囊含糖基转移酶 是糖基化主要部位 高尔基体顺面网状结构 CGN ER的转运膜泡与之融合 在其中内容物进行分类后 大部分送入中间膜囊 小部分蛋白质和脂质运回ER 高尔基体中间膜囊 medialGolgi 多数糖基修饰 糖脂的形成 与高尔基体有关的多糖的合成 高尔基体反面网状结构 TGN 分类包装 晚期 蛋白质修饰 周围大小不等的囊泡反面体积较大的分泌泡与分泌颗粒 高尔基体的4个组成部分 2 高尔基体的功能 1 与细胞的分泌活动 2 蛋白质的糖基化及其修饰 3 蛋白质在高尔基体中酶解加工 高尔基体与细胞的分泌活动 蛋白质的糖基化及其修饰 含有多种糖基转移酶 能进一步加工 修是蛋白质和脂类物质 与不同的是 高尔基复合体中进行O 连接糖基化 即糖基在糖基转移酶的催化下 与肽链中的丝氨酸 苏氨酸 酪氨酸残基羟基相连 合成细胞内复杂多糖如糖胺聚糖 果胶质和半纤维素 蛋白质糖基化类型 N 连接与O 连接的寡糖比较 蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型 无生物活性的蛋白原 proprotein 高尔基体 切除N 端或两端的序列 成熟的多肽 如胰岛素 胰高血糖素及血清白蛋白等 多个相同氨基酸序列的蛋白质前体 高尔基体 水解 同种有活性的多肽 如神经肽 含有不同信号序列的同一蛋白质前体 高尔基体 加工成不同的产物 增加细胞信号分子的多样性 同一种蛋白质前体 不同细胞 以不同的方式加工 不同的多肽 三 溶酶体 lysosome 溶酶体几乎存在于所有的动物细胞 消化器官 中 溶酶体是单层膜围绕 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 pH 4 6 质子泵维持 小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体 用电镜细胞化学技术显示其中含有的酸性磷酸酶 M 线粒体 L 溶酶体 朴英杰 溶酶体的化学组成及结构 化学成分 脂类与蛋白质 含酸性水解酶 溶酶体的标志酶 酸性磷酸酶 acidphosphatase 60多种 溶酶体膜的特征 一种异质性 heterogenos 的细胞器 不同溶酶体大小 所含水解酶不同 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 类型 溶酶体是以含有大量酸性水解酶为共同特征 不同形态大小 执行不同生理功能的一类的细胞器 单位膜围成的球状体 根据其发育程度可分为 初级溶酶体 primarylysosome 原溶酶体 由GC分离的囊泡 含无活性的水解酶 不具消化功能 次级溶酶体 secondarylysosome 消化泡 正在消化的溶酶体 自噬溶酶体 消化物来自细胞 如衰老的细胞器 异噬溶酶体 消化物来自细胞外 残余小体 residualbody 后溶酶体 消化完成的溶酶体 具有消化不了的残渣 动物细胞溶酶体系统示意图 溶酶体的功能 参与细胞内的正常消化作用 大分子内吞作用进入细胞后 通过溶酶体消化 分解为小分子物质扩散到细胞质 对细胞起营养作用 细胞吞噬的异物在溶酶体内被消化 还有防御功能 自体吞噬作用 清除无用的生物大分子 衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞 自溶作用 整个细胞被酶水解 消化 甚至死亡 发生细胞自溶 溶酶体的基本功能是对生物大分子的强烈的消化作用 这对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的侵染都有重要的意义 溶酶体的合成和成熟过程 1 Rer合成前体 溶酶体酶在糙面内质网上合成并经N 连接糖解化修饰 转至GC 2 GC顺面膜囊标记 产生M6P 6磷酸甘露糖 溶酶体的酶共同标记 3 GC中间膜囊 寡糖连上的甘露糖残基发生磷酸化形成M6P标志 4 GC反面膜囊分拣并发离 存在M6P的受体 这样溶酶体的酶与其他酶分开 并得以浓缩 最后以出芽的方式 由运输小泡 M6P 受体 转运到溶酶体上 5 初级溶酶体M6P去磷酸化 M6P与受体分离 受体返回GC6 次级溶酶体具有催化活性 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 N 乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶 甘露糖 磷酸葡糖苷酶 溶酶体被顺面膜囊里的一种酶所识别 将磷酸化的N 乙酰葡萄糖胺从核苷酸糖供体转移到一个或多个N 连接寡糖链的甘露糖残基 第二步中间囊膜中葡萄糖胺部分被磷酸葡糖苷酶除去 留下甘露糖 6 磷酸作为寡糖残基的一部分 溶酶体酶在ER上合成1 溶酶体酶上的甘露糖残基在高尔基膜囊被磷酸化 2 然后在TGN选择性地进入网格蛋白蛋白包被小泡 3 M 6 P受体具有双重作用作用 特异性的与小泡腔面的溶酶体酶相互作用又特异性的与小泡胞质表面的连接子相互作用 4 M 6 P受体从酶上解离下来 5 返回高尔基体 6 M 6 P受体也存在于质膜 捕获分泌到胞外空间的溶酶体酶并返回到溶酶体 胞吞作用 溶酶体酶从M6P受体上解离 M6P受体再生 M6P受体 溶酶体酶磷酸化 溶酶体酶 Mannose6 phosphateresiduestargetproteinstolysosomes TargetingofsolublelysosomalenzymestoendosomesandlysosomesbyM 6 Ptag 溶酶体与疾病 溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障 影响细胞代谢 引起疾病 如台 萨氏 Tay Sachs 隐性的遗传病 缺少氨基己糖酯酶A 使N节苷酯CM2降解受阻 积累与神经细胞 1岁发病 2岁失明 某些病原体 麻疯杆菌 利什曼原虫或病毒 被细胞摄入 进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖 抑制吞噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境 表1 神经鞘脂贮积病 圆球体与糊粉粒 植物细胞由具有水解酶活性的结构 如圆球体 糊粉粒 它们都是由一个单位膜围成的球状体 圆球体具有消化作用及贮存脂肪的功能 糊粉粒也具有消化作用 并且为蛋白质的贮存场所 四 微体microbody 存在于动植物细胞 由单位膜围成的直径0 5 1 5um的球状结构 中央常有一高密度结晶状核心 标志酶为过氧化氢酶 1 形态结构 由于发生 可能与CT和MIT相似 与功能有差异 所以不属于内膜系统 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 Albertetal 1989 过氧化物酶体乙醛酸循环体 微体与初级溶酶体的特征比较 过氧化物酶体与溶酶体的区别 功能 动物细胞 肝细胞或肾细胞 中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分 起到解毒作用 含有依赖于黄素 FAD 的氧化酶 其作用是将有机底物氧化形成H2O2 过氧化氢酶作用是将H2O2分解 形成水和氧气 降解脂肪酸 将脂肪酸降解为热叶肉细胞中的光呼吸反应种子萌发中降解脂肪酸为琥珀酸 离开后糖异生作用变成葡萄糖 乙醛酸循环 降解有毒化合物 酒精一半都在此被氧化为乙醛 异质性细胞器 液泡 1 起源于ER 幼年细胞很少 分散 逐渐合并增大成大液泡 2 调节内环境稳定 3 存在多种转运蛋白 可以将植物细胞中的水 离子和营养转运入液泡4 液泡腔内含有一套降解酶 并通过液泡上的H 泵维持液泡腔中酸性环境 膜泡运输 膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式 普遍存在于真核细胞中 在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰 加工和组装 还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程 膜泡运输的类型与功能 蛋白包被 机械装置 使膜弯曲出芽 靶向和锚定在特定的受体膜上所需装置 1 COPII包被小泡 顺向运输 RER CGN2 COPI包被小泡 逆向运输 ERGIC GB RER3 网格蛋白包被小泡 从TGN运到内体 溶酶体和植物的液泡 Sar 一种小的GTP结合蛋白 转运受体 转运物 内质网驻留蛋白 包被小泡 膜泡靶向特定膜性组分 介导膜泡和靶膜之间的蛋白在胞质区相互作用的蛋白 SNARE 小泡膜上的 v SNARE 和靶膜上的 t SNARE 转运泡 连接蛋白 连接 锚定 试述信号假说的主要内容 分泌蛋白的合成及分泌过程 溶酶体的主要生物学功能是什么 真核细胞的膜成分是由ER合成的 一般认为磷脂的合成发生在 A ER腔中 B ER膜近ER腔的一半 C ER近胞质的一半 D 涉及整个ER蛋白质的糖基化修饰主要在ER和GC中进行 蛋白质的糖基化的主要作用为 识别 保护尽管在rER上合成的蛋白质以后的命运有所不同 但它们在合成和运输上都具有的特点是 信号肽 胞膜转运所有蛋白质的合成都在细胞是从细胞质基质中游离的核糖体开始的 溶酶体酶的合成和成熟过程 1 谈谈你对细胞质基质的结构组成及其在细胞生命活动中作用的理解 2 比较粗面内质网和光面内质网的形态结构与功能 3 细胞内蛋白质合成部位及其去向如何 4 粗面内质网上合成哪几类蛋白质 它们在内质网上合成的生物学意义又是什么 5 指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成需要哪些主要结构或因子 它们如何协同作用完成肽链在内质网上的合成 6 结合高尔基体的结构特征 谈谈它是怎样行使其生理功能的 7 蛋白质糖基化的基本类型 特征及生物学意义是什么 8 溶酶体是怎样发生的 它有哪些基本功能 9 过氧化物酶体与溶酶体有哪些区别 怎样理解过氧化物酶体是异质性的细胞器 10 图解说明细胞内膜系统的各种细胞器在结构与功能上的联