第七章细胞质基质与内膜系统1(07).ppt

第七章真核细胞内膜系统 蛋白质分选与膜泡运输 第一节细胞质基质的涵义与功能 概念 在真核细胞的细胞质中 除去可分辨的细胞器以外的胶状物质 称为细胞质基质 曾经的名称 细胞学角度 光镜下称透明质 认为其是无色透明均匀一致的胶体物质 电镜下称细胞质基质 除去可分辨的细胞器以外的胶状物质 生化角度 细胞质的可溶相 胞质溶胶 指通过细胞分级离心的方法除去所有细胞器和各种颗粒的上清液部分 细胞质基质 cytoplasmicmatrixorcytomatrix 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 用差速离心法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的成分 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 细胞质骨架纤维贯穿其中 蛋白质和其他分子以凝聚状态或暂时的凝聚状态存在 与周围溶液分子处于动态平衡 一 细胞质基质的涵义 细胞质基质结构 1 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2 蛋白质的分选与运输3 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 二 细胞质基质的功能 4 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 错误折叠的内质网蛋白的降解和输出 第二节细胞内膜系统及其功能 真核细胞在进化上一个显著特点是形成了发达的细胞膜系统 将细胞内环境分割成许多功能不同的区室 广义概念 指真核细胞内除质膜以外所有膜结构狭义概念 在结构 功能及发生上相互关联 由膜包被的细胞器或细胞结构的总称 内膜系统包括 内质网 endoplasmicreticulum ER 高尔基复合体 Golgicomplex 溶酶体 lysosome 运输小泡 transportvesicles 胞内体过氧化物酶体 peroxisome 核膜 nuclearenvelop 内膜系统 分泌泡 运输小泡 溶酶体 早期内体 过氧化物酶体 胞质溶胶 高尔基体 一 内质网 发现 1945年Porter等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endoplasmicreticulum ER 形态结构 由一层单位膜形成的管状 tuble 泡状 vesicle 及扁平囊 lamina 组成的三维网状膜系统 可与核膜外层及细胞膜的内褶相连 膜厚5 6nm 不同的细胞及细胞不同状态内质网形态变异很大 微粒体 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结构 它包含内质网和核糖体两种基本成分 微粒体具有内质网的基本功能 糙面内质网 roughER 有核糖体附着滑面内质网 SmoothER 无核糖体附着细胞不含纯粹的RER或SER 它们分别是ER连续结构的一部分 一 内质网的类型 糙面内质网 糙面内质网又称颗粒内质网 膜表面有核糖体连接蛋白 ribophorin 能与核糖体大亚基结合 RER的数量与细胞类型 机能状态及细胞分化程度有关 合成分泌蛋白 分化完善 机能状态好的细胞RER发达 形态 呈扁平囊状 排列整齐 有核糖体附着 光面内质网 光面内质网 smoothendoplasmicreticulum sER 又称无颗粒内质网 形态 呈分支管状或小泡状 无核糖体附着 SER的数量与细胞类型有关 一些特化的细胞如胃壁细胞 皮脂腺细胞 横纹肌细胞 肌质网 及分泌甾体类激素的细胞都含丰富的SER 粗面内质网 RER 和滑面内质网 SER 粗面内质网 RER 与附着核糖体 内质网化学组成 磷脂占50 60 蛋白质占40 通过对分离的微粒体进行生化分析 发现在光面内质网存在许多代谢酶系 主要有NADH 细胞色素P450还原酶 NADH 细胞色素B5还原酶 NADH 细胞色素C还原酶等 核糖体连结蛋白只分布在RER 标志酶 葡萄糖 6 磷酸酶 二 内质网的功能 脂质的合成 蛋白质的合成 蛋白质运输 蛋白质的修饰和加工 1 光面内质网的功能 1 脂的合成与转运光面内质网是脂类合成的主要部位之一 ER合成细胞所需绝大多数膜脂 包括磷脂和胆固醇 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白 活性位点朝向胞质溶胶面 合成后很快转向内质网腔面 转位酶flippase 磷脂转运方式 膜出芽 转运到高尔基体 溶酶体和细胞质膜上 磷脂交换蛋白的帮助 磷脂交换蛋白是一种水溶性的载体蛋白 可以在不同的细胞器之间转移磷脂 线粒体 过氧化物酶体等 磷脂交换蛋白 磷脂 水溶性复合物 自由扩散 其他膜复合物将磷脂释放插在膜上 2 解毒作用 主要在肝细胞的光面内质网中进行 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 3 类固醇激素的合成 光面内质网上含有合成胆固醇和转化胆固醇为激素的全套酶系 能合成胆固醇 再将胆固醇氧化 还原 水解进一步转变成各种类固醇 4 Ca2 的调节作用 横纹肌的收缩 储存钙离子 肌质网膜上的Ca2 ATP酶将细胞质基质中Ca2 泵入肌质网腔中储存起来受到神经冲动刺激Ca2 释放肌肉收缩Ca2 浓度的变化对运输小泡的形成起调节作用 主要功能是蛋白质的合成 修饰与加工 1 蛋白质的合成主要合成分泌蛋白 膜蛋白 细胞器中可溶性驻留蛋白 其它部位所需蛋白质都是由游离核糖体合成 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 2 粗面内质网的功能 核糖体类型 游离核糖体附着核糖体 真核细胞中附着核糖体和游离核糖体合成的某些蛋白质 附着核糖体游离核糖体分泌蛋白可溶性胞质溶胶蛋白细胞外基质蛋白外周蛋白 质膜的胞质面 肽类激素核基因编码的线粒体蛋白构成细胞器中的可溶性驻留蛋白核基因编码的叶绿体蛋白RER中的酶过氧化物酶体蛋白高尔基 溶酶体的酶核蛋白膜整合蛋白脂锚定蛋白 位于质膜的胞质面 ER膜 高尔基体 溶酶体的膜糖蛋白质膜 核膜糖蛋白质膜的外周蛋白 位于质膜的外侧面 2 蛋白质的修饰和加工 修饰 糖基化 羟基化 酰基化 二硫键形成等酰基化发生在ER的细胞质基质侧 软脂酸结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上糖基化 发生在ER腔面 是在糖基转移酶作用下 糖基化 在内质网的腔面 寡糖链连接在插入膜内的磷酸多萜醇上 当与糖基化有关的氨基酸残基出现后 通过膜上的糖基转移酶 将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬氨酸残基上 N 连接的糖基化糖 N 乙酰葡萄糖胺氨基酸 天冬酰胺发生部位 内质网 rER O 连接的糖基化糖 N 乙酰半乳糖胺氨基酸 丝氨酸 苏氨酸 羟赖氨酸 羟脯氨酸发生部位 高尔基体 主要 细胞质基质中只发现少数几种简单的糖基化 糙面内质网与蛋白质的糖基化 粗面内质网上N 连接寡糖的合成过程 蛋白质的N 连接糖基化 3 新生肽的折叠与组装 内质网内为非还原性的内腔 易于二硫键形成 正确折叠涉及驻留蛋白 二硫键异构酶 proteindisulfideisomerase PDI 可切断二硫键 帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态 结合蛋白 Bindingprotein Bip 识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位 并促进重新折叠与装配 蛋白质合成的质量控制 三 内质网与基因表达的调控 内质网的病理变化缺氧 辐射 感染 饥饿及某些化学药物的刺激引起 如 浊肿 内质网肿胀扩张 严重者空泡状脱粒 核糖体脱落基因突变造成的遗传病 蛋白质 糖原及脂类在内质网腔积累 如 1 抗胰蛋白酶 二 高尔基体的形态结构与功能 1898年 Golgi用银染法 在猫头鹰的神经细胞内观察到一种网状结构 命名为内网器 后定名为高尔基体 一 形态结构与极性 由扁平囊泡堆积而成 有极性 通常4 8个 某些藻类较多 扁平囊在一起 构成高尔基体的主体 Golgistack 分布于ER与细胞膜间 呈弓形或半球形 凸出的一面对着ER称为顺面 cisface 凹进的一面对着质膜称为反面 transface 高尔基复合体的顺面 cis face 和反面 trans face 高尔基体不同区域的细胞化学反应 嗜锇反应 cis面膜囊被特异地染色 焦磷酸硫胺素酶 TPP酶 trans面的膜囊 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶 NADP酶 显示中间的膜囊 胞嘧啶单核苷酸酶 CMP酶 trans面的囊状和管状结构 高尔基体的极性 1 高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构 cisGolginetwork CGN 靠近ER的一面 由一些管状囊泡形成 初级分选站 2 高尔基体中间膜囊 medialGolgi 由扁平囊和管道组成 参与糖基修饰 糖脂的形成 多糖的合成等 3 高尔基体反面的膜囊以及反面高尔基体管网状结构 transGolginetwork TGN 最外面 由管状和小泡状物质组成的网络结构 参与蛋白质的分类与包装 并输出高尔基体 反式面 高尔基体 分布与细胞类型有关 如神经细胞分布在核周围 肝细胞位于细胞核与毛细胆管之间的区域 上皮细胞则集中在顶部与游离面之间 数量与细胞的分泌功能有关 分泌旺盛的细胞如胰腺外分泌细胞 唾液腺细胞高尔基复合体数量多 发达程度与分化程度有关 未分化细胞如肿瘤细胞 干细胞较少 成熟红细胞及白细胞例外 分布和数量 二 高尔基体的功能 高尔基体的主要功能是参与细胞的分泌活动 将内质网合成的多种蛋白质进行加工 分类与包装 然后运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外 是细胞内物质运输的交通枢纽 功能 蛋白质分泌 蛋白质的糖基化 蛋白质的水解和其他加工过程 高尔基体功能的研究实验细胞与同位素接触3min后 标记物出现在内质网中 20min 标记物出现在高尔基体和部分分泌泡 120min后 标记物主要出现在分泌泡 ER向高尔基体顺面的运输 ER蛋白的逆向运输 高尔基体顺面到高尔基体反面运输以及向溶酶体和细胞膜的运输 1蛋白质的分泌 1 蛋白质的运输 ER与高尔基体顺面间的运输除内质网的结构和功能蛋白质外 其他由内质网合成的蛋白质都是通过小泡转运到高尔基体的顺面 蛋白质从顺面高尔基体向反面高尔基体运输 从ER分泌出来的小泡同顺面高尔基体膜囊融合后成为高尔基体的一个部分中间膜囊出芽形成分泌小泡反面高尔基体网络 特点 转运时 分泌小泡与高尔基体膜囊的融合和出芽都是发生在两侧 且是一层一层逐层地转运 反面膜囊 分选作用主要由信号序列和受体之间的相互作用决定的 不同部位的蛋白具有不同的信号 分选包装到不同的小泡 没有特别信号的则进入非特异的分泌小泡 2 高尔基体和蛋白质的分选 如何准确分类和运输分泌蛋白 膜整合蛋白及溶酶体蛋白 结构分泌 高尔基复合体与细胞的分泌 3 高尔基复合体与溶酶体的形成为何溶酶体的酶不向外分泌 溶酶体酶前体在附着核糖体上合成后进入内质网腔中被糖基化形成N 连接糖蛋白 运输到高尔基复合体后在酶催化下糖链末端的甘露糖被磷酸化 形成甘露糖 6 磷酸 M6P 它作为溶酶体水解酶分选识别信号可以被高尔基复合体反面囊上的专一受体识别并相互结合 引导溶酶体酶结合在一起 被膜包装后以出芽方式脱离 形成溶酶小泡 2 蛋白质的糖基化及其修饰 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 对N 连接的寡聚糖进一步加工 内质网上 磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天冬酰胺残基上 特定三肽序列Asn x Ser或Asn x Thr 高尔基体内 加工 切除葡萄糖和部分甘露糖分子 添加特定的单糖 形成成熟的糖蛋白 蛋白质糖基化类型 N 连接与O 连接的寡糖比较 蛋白质糖基化的功能 为蛋白质打上标志 以利于高尔基体的分类和包装 帮助蛋白质在成熟过程中折叠成正确的构象增强糖蛋白的稳定性影响蛋白质的水溶性及其所带电荷的性质 蛋白聚糖的合成 高尔基体合成的多糖 动物细胞 透明质酸 植物细胞壁 半纤维素 果胶 3 蛋白质水解和其他加工过程 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 蛋白质前体 高尔基体中 水解 同种有活性的多肽 如神经肽等 含有不同信号序列的蛋白质前体 高尔基体 加工成不同的产物 同一种蛋白质前体 在不同细胞 以不同的方式加工 不同的多肽 胰岛素分子的加工成熟和运输 4高尔基体与细胞内的膜泡运输高尔基体介于内质网与细胞膜之间 内质网合成的分泌蛋白 多数细胞质膜的膜蛋白通过小泡运输到细胞质膜和细胞外 细胞外的大分子和颗粒性物质及细胞质膜的膜蛋白也会通过胞吞作用 以膜泡运输的方式进入细胞内 高尔基体是细胞内大分子运输的主要交通枢纽 真核细胞的膜流与膜的更新 初级内体 次级内体 结构分泌 调节分泌 穿梭小泡 转运小泡 分泌小泡 胞吞作用 胞吐作用 溶酶体 三 溶酶体 lysosome 的形态与功能 发现 1949年 deDuve用肝匀浆研究糖代谢酶时发现作为对照的酸性磷酸酶在蒸馏水中比在蔗糖溶液中分离的活性高 1955年从鼠肝细胞中分离得到一种富含水解酶的颗粒 称溶酶体 lysosome 消化器官分布 细胞化学与电镜观察 所有动物细胞 红细胞除外 均具有溶酶体 原核细胞没有 一 溶酶体的形态结构 二 溶酶体的类型 三 溶酶体的功能 四 溶酶体的发生 中国仓鼠细胞内的溶酶体 特异的红色染料所示 溶酶体 Lysosome 细胞内 垃圾 处理厂 一 溶酶体的形态结构特点 膜性细胞器 单层 基质内含多种酸性水解酶 60多种 蛋白酶 核酸酶 磷酸酶等溶酶体膜特点 膜上具有H 质子泵 H ATP酶系统 膜上具有特殊转运蛋白 转运水解产物溶酶体膜蛋白高度糖基化 防自身消化标志酶 酸性磷酸酶 溶酶体保持着低pH的酸性环境 pH5 二 溶酶体的类型 初级溶酶体 酶无活性次级溶酶体 正在进行消化作用的溶酶体后溶酶体 残留有未消化物质的溶酶体 残余体次级溶酶体可分为 异噬性溶酶体 底物为外源性异物吞噬体 吞饮体自噬性溶酶体 底物为内源性物质自噬体 autophagosome 细胞内衰老的细胞器等被内质网或高尔基体的膜包裹而形成的小体 次级溶酶体Secondarylysosome 肝细胞脂褐质 三 溶酶体的功能 溶酶体的功能 1 自体吞噬 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 衰老细胞器或蛋白质膜包裹内质网或高尔基体自噬体初级溶酶体次级溶酶体分解物入胞质未分解物残余体外吐 自噬作用 溶酶体的功能 2 防御功能 吞噬作用 外源异物 如细菌 食物颗粒 吞噬吞噬体膜融合初级溶酶体次级溶酶体酶消化分解物入胞质未分解物残余体外吐 吞噬作用 1 保护吞噬细菌 消化血肿 脾清除衰老红细胞 结核杆菌 2 提供营养和构建细胞结构的化学成分如不能由细胞膜进入的大分子 3 受体介导内吞低密度脂蛋白 LDL 及其受体与胆固醇 溶酶体的功能 3 溶酶体的自溶作用与器官发育自溶作用 溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解 如蝌蚪尾的消失4 细胞外的消化作用精子的顶体5 溶酶体对激素分泌的调节催乳素 肾上腺皮质激素等 通过自体吞噬作用将一部分合成激素的细胞器 光面内质网 线粒体 包裹起来 形成自噬小体 由溶酶体将其消化 细胞自溶作用 顶体反应 四 溶酶体的发生 在高尔基体的trans面以出芽的方式形成 溶酶体的酶在RER的核糖体上合成 随后进入内质网腔 进行N 连接糖基化 并以芽生方式运输出去与高尔基体顺面扁平囊融合 肽链末端的甘露糖磷酸化 形成甘露糖 6 磷酸 M 6 P 后者作为分拣信号运输至高尔基体成熟面与膜上相应的M6P受体结合 pH6 5 7 出芽形成运输小泡 运输小泡与前溶酶体融合 pH5 5 6 受体与酶分离 去磷酸 M 6 P受体被运回高尔基复合体 H 质子泵泵入H PH下降至5 甘露糖磷酸化的酶 将磷酸基团添加到溶酶体酶的甘露糖的第六位碳上的反应是由两种酶催化的 一种酶是N 乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶 N acetyglucosaminephosphotransferase 另一个酶是磷酸葡萄糖苷酶 功能是除去N 乙酰葡萄糖胺 磷酸转移酶如何能识别溶酶体酶 溶酶体酶的多肽上有三段信号序列 通过折叠 三个信号序列相互靠近形成信号斑结构 可被N 乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶特异性识别 溶酶体与疾病 1 矽肺病二氧化硅尘粒 矽尘 吸入肺泡后被巨噬细内吞噬