细胞内膜系统

2017/11/2,1,CHAPTER 8,Endomembrane System,2017/11/2,2, cytoplasmic matrix or cytomatrix 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，也称为胞质溶胶。 主要成分： 与中间代谢有关的数千种酶类；细胞质骨架结构。 主要特点： 高度有序；动态平衡。,细胞质基质,2017/11/2,3,完成各种中间代谢过程； 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等蛋白质的分选与运输；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 参与蛋白质的修饰、折叠和选择性的降解。,细胞质基质的功能,2017/11/2,4,结构、功能及发生上相关的内膜包被形成的细胞器或细胞结构。包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡5类膜包被细胞器，因为它们的膜互相流动，处于动态平衡，在功能上也是相互协同的。,细胞内膜系统,2017/11/2,5,内膜结构特点,独立性 内膜封闭的区室 执行独立的功能,协作性：动态性质 Biosynthetic pathway Secretory pathway Endocytic pathway,2017/11/2,6,内膜系统的研究方法放射自显影术,2017/11/2,7,2017/11/2,8,膜包被细胞器的进化,膜包被细胞器(membrane-bound organelle)：指细胞质中所有具有膜结构的细胞器，除内膜系统中的细胞器外，还包括叶绿体、线粒体和过氧化物酶体等。,2017/11/2,9,Endoplasmic Reticulum（ER，内质网）,2017/11/2,10,内质网遍布整个细胞质,由喹啉蓝荧光染料染色的细胞在荧光显微镜下显示的内质网结构,2017/11/2,11,经高锰酸钾技术处理后的细胞在TEM下的内质网膜系统的全貌性结构,2017/11/2,12,内质网的形态结构,形态 ER is a network of membrane-enclosed tubules and sacs (cisternae) that extends from the nuclear membrane throughout the cytoplasm. Its membrane may account for about half of all cell membranes. The space enclosed by the ER may represent about 10% of the total cell volume.,2017/11/2,13,内质网的类型Rough endoplasmic reticulum (rER) Smooth endoplasmic reticulum (sER),2017/11/2,14,特殊类型的内质网,微粒体(microsome) 在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的ER自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构，包含内质网和核糖体两种基本成分。肌质网(sarcoplasmic reticulum) 心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的sER，其功能是参与肌肉收缩活动，内部储存了大量的Ca2+。,2017/11/2,15,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。,内质网的功能,2017/11/2,16,在rER完成蛋白质的合成 分泌蛋白； 膜整合蛋白； 内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白。,粗面内质网的功能,其它的多肽是在细胞质基质中游离核糖体上合成的，包括：细胞质基质中的驻留蛋白、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。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。,2017/11/2,17,细胞中蛋白质的合成,2017/11/2,18,在rER中进行蛋白质的加工与修饰, 糖基化 主要进行的是N-连接的糖基化(N-linked glycosylation)，发生在合成肽链的天冬酰胺的氮原子上，与之接触的糖为N-乙酰葡萄糖胺； 少数糖基化为O-linked glycosylation，发生在丝氨酸/苏氨酸或羟赖氨酸/羟脯氨酸羟基的氧原子上，直接接触的糖为N-乙酰半乳糖胺。,2017/11/2,19,N-linked glycosylation,2017/11/2,20,N-连接的糖基化,2017/11/2,21,羟基化 脯氨酸和赖氨酸通过羟基化形成羟脯氨酸和羟赖氨酸,二硫键形成,酰基化 新合成的蛋白通过酰基化同ER膜上的糖脂结合，将自己锚定在ER膜上，形成脂锚定蛋白,2017/11/2,22,rER内进行蛋白质的折叠与组装,蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase) 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Bip蛋白(binding protein) 防止未折叠的多肽链不正确的折叠和聚合； 防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂。,2017/11/2,23,BiP蛋白在rER中的作用,2017/11/2,24,光面内质网的功能,sER内进行脂类的合成sER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，活性部位朝向细胞质基质一侧，磷脂合成好后转向ER腔面；磷脂从ER向其它膜的转运通过两种方式 出芽融合：高尔基体、溶酶体、细胞膜； 通过磷脂转换蛋白(PEP) : 线粒体、过氧化酶体 供体膜与受体膜之间直接接触,2017/11/2,25,磷脂从sER的转运,2017/11/2,26,解毒作用（肝细胞） sER含有丰富的氧化酶系统(如细胞色素P450)，能使许多有害物质解毒，转化为易于排出的物质。游离葡萄糖释放（肝细胞） ER中的葡萄糖-6-磷酸酶能够将葡萄糖-6-磷酸水解为葡萄糖和磷酸，释放游离的葡萄糖进入血液； 葡萄糖-6-磷酸酶是ER的标志酶。类固醇激素的合成（分泌类固醇激素的细胞） 合成的胆固醇氧化、还原、水解转变为各种类固醇激素；Ca2+浓度的调节作用（心肌、骨骼肌细胞）,2017/11/2,27,内质网应激及其信号调控,未折叠蛋白应答反应（unfolded protein response，UPR）内质网超负荷反应（endoplasmic reticulum overload response，EOR ）固醇调节级联反应内质网应激反应引起细胞凋亡,2017/11/2,28,2017/11/2,29,未折叠蛋白应答反应,2017/11/2,30,固醇调节级联反应,内质网应激是细胞一种自我保护机制，内质网应激如果不能使内质网恢复蛋白折叠的良好环境就会启动细胞程序性死亡。,左图：Apoptotic pathways induced by ER stress: 1) ER stress leads to the activation of PERK and, eventually, the GADD34/PP1 phosphatase complex, which dephosphorylates eIF2, promoting apoptosis. Genetic strategies or chemicals that enforce eIF2 phosphorylation protect cells from ER stress-induced apoptosis. 2) Caspase-12 (mice) or -4 (humans) is associated with the cytoplasmic face of the ER membrane and can be activated by ER stress in several ways, including via IRE1 and TRAF2（肿瘤坏死因子受体相关因子2）, or by cleavage by calpain, itself activated by the release of calcium from ER stores. Bcl-2 family members also reside in the ER membrane and influence apoptosis induced by ER stress, both through the regulation of calcium flux and amplification of the apoptotic signal via the mitochondrial pathway. (JNK, c-Jun N-terminal kinases,JNK活化与线粒体凋亡途径有关，在射线等处理细胞后JNK可被激活启动凋亡。JNK还有促细胞增值等作用）/ 右图：内质网应激引起的Ca2+上升激活钙离子依赖的蛋白酶calpain引起溶酶体内组织蛋白酶cathepsin泄漏导致细胞坏死。 /,2017/11/2,32,6.3 Golgi complex,高尔基体(Golgi body)、高尔基器(Golgi apparatus)、或高尔基复合体(Golgi complex)意大利科学家Camillo Golgi在1898年发现的。,2017/11/2,33,6.3.1 形态结构及化学组成,数量和分布生物体中高尔基体的数量不等；在分泌功能旺盛的细胞中，高尔基体数量很多；肌细胞和淋巴细胞中高尔基体少见；高尔基体在细胞内多位于内质网与细胞膜之间； 高尔基体只存在于真核细胞中，原核细胞中没有。,2017/11/2,34,形态结构,扁平膜囊(saccules) 高尔基体的主体部分，呈弓形或半球形，中间囊腔，周缘泡状，多层组成； 凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面(cis face)； 凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面(trans face)；,小囊泡(vesicle) 扁平膜囊周围的许多小泡，内质网或高尔基体出芽形成。,2017/11/2,35,高尔基体的形态结构,2017/11/2,36,高尔基体主体的功能区隔,顺面高尔基网状结构(cis Golgi network，CGN) 高尔基体的入口区域，接受来自内质网新合成的物质；,反面高尔基网状结构(trans Golji network，TGN) 高尔基体的出口区域，参与蛋白质的分类与包装，最后输出。,中间膜囊(medial Golgi) 多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成均发生此处；,2017/11/2,37,化学组成与特异反应,高尔基体的标志酶是糖基转移酶高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应 嗜锇反应：cis面膜囊被特异地染色； 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）反应：中间几层扁平膜囊； 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）反应：特异显示trans面的12层膜囊； 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）反应：靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构。,2017/11/2,38,a) Cis cisternae of Golgi complex: reduced osmium tetroxide(OsO4);b) Reaction for enzyme mannosidase II , localized in the medial;c) Reaction for enzyme nucleoside diphosphatase , localized in the trans cisternae.,Regional differences in membrane composition across the Golgi stack,2017/11/2,39,6.3.2 高尔基体的功能,参与细胞分泌活动（蛋白质和脂）蛋白质的糖基化及其修饰蛋白原的水解进行蛋白质的分选,2017/11/2,40,参与细胞分泌活动,rER上合成的蛋白质进入ER腔COPII运输泡进入CGN在medial Golgi中加工在TGN形成运输泡运输或与质膜融合、排出。,2017/11/2,41,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/羟脯氨酸的羟基上，称为O-连接的糖基化。N-连接的寡聚糖进一步加工动物细胞蛋白聚糖的装配（硫酸化）植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖，包括半纤维素和果胶。,2017/11/2,42,N-连接寡糖的合成过程,磷酸多萜醇载体的合成及转位寡糖前体的合成及转移,2017/11/2,43,N-连接寡糖在ER和Golgi的加工过程,来自内质网的糖蛋白进一步在高尔基体中进行加工,2017/11/2,44,N-连接与O-连接的寡糖比较,2017/11/2,45,蛋白原的水解,有些分泌产物在其刚从内质网合成时是较大分子的蛋白原，这些蛋白原被送到高尔基体后通过蛋白的水解作用，形成成熟的分泌蛋白。如胰岛素的合成。,2017/11/2,46,2017/11/2,47,将含有多个相同氨基序列的前体水解为有活性的多肽，如神经肽。含有不同信号序列的蛋白质前体在高尔基体加工成不同的产物。或同一种蛋白质前体在不同细胞、以不同的方式加工成不同的多肽。加工还包括肽链酪氨酸残基的硫酸化作用。,2017/11/2,48,进行蛋白质的分选,由于细胞质膜的蛋白质、溶酶体酶蛋白、细胞外基质蛋白都是在膜结合核糖体上合成并全部进入内质网的腔，最终在TGN集结，所以TGN必然有一种机制将这些蛋白质分开；蛋白质的分选主要是由信号序列和受体之间的相互作用决定的。,2017/11/2,49,高尔基体进行的蛋白质的分选,2017/11/2,50,6.4 溶酶体(lysosome),溶酶体(lysosome)为de Duve和Novikoff于1955年首次发现；存在于动物细胞，由单层膜包被、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消化（植物细胞中的圆球体和中央液泡具有溶酶体类似的功能）；具有异质性(heterogenous)，形态大小和水解酶种类都可能有很大的不同；酸性磷酸酶是标志酶。,2017/11/2,51,电子显微镜下的溶酶体,2017/11/2,52,溶酶体膜的特征,膜上嵌有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低；膜上具有多种载体蛋白，用于水解产物向外转运；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解；膜上含有胆固醇，能促进膜的稳定性。,2017/11/2,53,2017/11/2,54,植物溶酶体,圆球体(spherosome)是植物细胞中由一层单位膜包裹的含有细微结构的球形颗粒，直径为0.51m，内含酸性水解酶，相当于动物细胞的溶酶体。与动物细胞的溶酶体不同，圆球体能够被脂溶性的染料染色, 因此推测圆球体含有大量的脂类成份。由于含有大量的脂，有理由推测圆球体的功能可能是参与脂的储存,2017/11/2,55,植物溶酶体,液泡(vacuoles)植物中由膜包裹的结构, 几乎占据了细胞总体积的90%。植物细胞的液泡也含有多种水解酶类, 具有与动物细胞溶酶体酶类似的功能。液泡膜上具有H+-ATPase, 能够将H+运输到液泡中, 同时在液泡膜上还有一些运输蛋白, 帮助液泡行使一些特殊的功能。,2017/11/2,56,6.4.1 溶酶体的类型,初级溶酶体(primary lysosome)次级溶酶体(secondary lysosome)残余小体(residual body),2017/11/2,57,初级溶酶体(primary lysosome),刚刚从外侧高尔基体形成的小囊泡；直径约0.2-0.5um，不含有明显的颗粒物质；有多种酸性水解酶，但没有活性。,2017/11/2,58,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： 自噬性溶酶体(aotolysosome) 异噬性溶酶体(heterolysosome),2017/11/2,59,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；残余小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。,2017/11/2,60,(1) 内体性溶酶体 内吞作用 内体 内体性溶酶体 Go 转运囊泡 (2) 自噬性溶酶体 衰老细胞器自噬体 自噬性溶酶体 内体性溶酶体 (3)异噬性溶酶体 吞噬异物异噬体 异噬性溶酶体内体性溶酶体,消化途径,2017/11/2,61,溶酶体消化作用的3种途径：吞噬作用、胞饮作用、自噬作用,2017/11/2,62,自溶作用(Autolysis)： 手指或脚趾的形成； 蝌蚪发育中尾巴的退化；,参与激素的分泌调节作用： 将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素； 通过自体吞噬将合成激素的细胞器消除掉。,2017/11/2,63,细胞外消化（形成精子的顶体）：,细胞内消化（提供营养）： 高等动物内吞低密度脂蛋白获得胆固醇； 单细胞真核生物利用溶酶体消化食物；,2017/11/2,64,溶酶体的酶上都有一个特殊的标记：6-磷酸甘露糖(mannose 6-phosphate, M6P)。这一标记是溶酶体酶在粗面内质网合成后通过糖基化和磷酸化添加上去的。高尔基体外侧网络通过对M6P的识别将溶酶体的酶分选并浓缩。,溶酶体酶的结构特征,溶酶体的生物发生,2017/11/2,65,溶酶体酶的6-磷酸甘露糖发生途径,2017/11/2,66,溶酶体酶的加工,2017/11/2,67,M6P受体蛋白在pH为6.57的条件下与M6P结合 在酸性条件下(pH=6)脱落并返回高尔基体 M6P受体蛋白主要存在于高尔基体外侧网络 M6P受体蛋白也存在于细胞质膜上,M6P受体蛋白(M6P receptor protein),2017/11/2,68,部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外，在细胞质膜上也存在M6P受体，可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜反复使用。细胞中还存在不依赖于M6P的分选途径，如酸性磷酸酶等进入溶酶体，统称为非M6P途径，机理不明。,溶酶体酶的其它分选途径,2017/11/2,69,溶酶体的生物发生,2017/11/2,70,四、溶酶体与疾病,矽肺：二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，导致吞噬细胞溶酶体破裂。激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。肺结核：结核杆菌引起肺组织钙化和纤维化。 类风湿性关节炎：溶酶体膜易脆裂。,2017/1