真核细胞内膜系统(2)

细胞质基质是细胞的重要组分 其体积约占细胞质的一半 主要成分 参与中间代谢的数千种酶 细胞质骨架结构 RNA 糖原和脂滴等 肝细胞中细胞质基质及其它组分的数目及所占体积比 第七章细胞质基质与内膜系统 本章内容提要 第一节细胞质基质的涵义与功能一 细胞质基质的含义二 细胞质基质的功能 第二节细胞内膜系统及其功能一 内质网的形态结构与功能二 高尔基体的形态结构与功能三 溶酶体的形态结构与功能 第一节细胞质基质的涵义与功能 定义 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 称细胞质基质 扩散速率仅为水溶液1 5 一 细胞质基质的涵义 细胞质基质很是一个高度有组织的体系 通过弱键的相互作用处于动态平衡 细胞质骨架纤维贯穿在粘稠的蛋白质胶体中多数酶结合成多酶复合体与骨架或膜结合 弱键易破坏故难研究 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 二 细胞质基质的功能 细胞物质运输 能量交换和信号转导通路 与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态 细胞运动 大分子定位等 二 细胞质基质的功能 蛋白质的分选转运 修饰和蛋白质选择性降解 蛋白质的修饰共价结合 磷酸化去磷酸化 糖基化 甲基化 酰基化 控制蛋白质寿命 泛素依赖的降解途径 降解变性和错误折叠的蛋白质 泛素依赖的降解途径 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠 热休克蛋白 如何控制蛋白质的寿命 大部分蛋白质寿命较长 几天甚至数月 少数短命 合成后几分钟降解催化限速反应步骤的酶fos等癌基因的产物 二 细胞质基质的功能 1 寿命信号 不稳定蛋白质是其他12种氨基酸 稳定蛋白质 N端的第一个氨基酸残基 是Met 甲硫氨酸 Ser 丝氨酸 Thr 苏氨酸 Ala 丙氨酸 val 缬氨酸 Cys 半胱氨酸 Gly 甘氨酸 或Pro 脯氨酸 2 依赖于泛素的降解途径泛素是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白 具有多种生物学功能 细胞垃圾桶 26S蛋白酶体 泛素 2004年诺贝尔奖 1 泛素活化酶E1负责激活泛素分子 E1 泛素复合体 2 复合体将泛素转移给泛素结合酶E2 3 E2通过泛素连接酶E3将泛素转到靶蛋白上 这一过程不断重复 指定蛋白质上就被绑了一批泛素分子 被绑的泛素分子达到一定数量后 指定蛋白质就被运送到细胞内的一种称为蛋白酶体的结构中 第二节细胞内膜系统及其功能 定义 细胞内膜系统是指在结构 功能及发生上相互关联 由膜包被的细胞器或细胞结构 主要包括内质网 高尔基体 溶酶体 胞内体和分泌泡等 功能 扩大膜的总面积 为酶提供附着的支架 如脂肪代谢 氧化磷酸化相关的酶都结合在细胞膜上 是将细胞内部分区为不同的功能区域 保证各种生化反应所需的独特的环境 内质网 ER 由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成互相沟通的三维网络结构 一 内质网 endoplasmicreticulum 内质网是典型的异质性细胞器 在细胞分裂时 内质网要经历解体和重建的过程 内质网通常占细胞膜系统的一半左右 体积占细胞总体积的10 以上 一 内质网的两种基本类型 糙面内质网 RER 和光面内质网 SER RER多呈扁囊状 排列整齐 表面粗糙 分布大量的核糖体 功能是合成分泌性的蛋白质和多种膜蛋白 以及对蛋白质进行加工和运输 多分布于分泌旺盛细胞 胰腺 浆细胞 未分化细胞少 一 内质网的形态结构与功能 SER由分支小管或圆形小泡构成 表面光滑 无核糖体 是脂质合成的重要场所 作为出芽的位点 将内质网上合成的蛋白质或脂质转移到高尔基体内 多分布脂类合成旺盛细胞 肝 肾上腺皮质细胞 蛋白质合成 二 ER的功能 一 脂类的合成 蛋白质的修饰与加工新生肽的折叠与组装其他 肝细胞 糖原代谢 解毒 肌细胞 钙库 1 蛋白质的合成是RER的主要功能 细胞中由核基因编码蛋白质全都起始于细胞质基质核糖体 分泌蛋白 抗体 激素 整合膜蛋白 构成内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白 需要修饰的蛋白质 糖蛋白 起始后在不久转移到RER 继续完成蛋白质合成 其它多肽由细胞质基质中 游离 的核糖体合成 2 信号识别颗粒SRP 3 当SRP信号肽结合后启动新生肽链的翻译 1 N端初生多聚信号肽 6 开始翻译与转移 4 粗面内质网上的SRP受体蛋白 5 移位子通道 合成细胞所需绝大多数膜脂 包括磷脂和胆固醇 2 SER是脂质合成的重要场所 磷脂合成酶 酰基转移酶 磷酸酶 胆碱磷酸转移酶 是膜整合蛋白 细胞质基质 活性位点朝向细胞质 底物来自细胞质基质 在内质网膜上合成的磷脂几分钟后 就由细胞质基质一侧转向内质网腔面 这种转运借助转位酶完成 合成的磷脂由内质网向其它膜转运主要有三种方式 1 以出芽的方式转运到高尔基体 溶酶体和细胞膜上 2 凭借水溶性的载体蛋白 磷脂交换蛋白 phospholipidexchangeproteins PEP 在膜之间转运磷脂 特异性内质网到线粒体 过氧化物酶体 3 膜嵌入蛋白介导的直接接触 糖基化羟基化酰基化形成二硫键 3 蛋白质的修饰和加工 细胞对蛋白质的修饰加工主要包括 糖基化伴随多肽合成同时进行 是内质网中最常见的蛋白质修饰 糖基化主要有两种方式 N 连接的糖基化 Asn 寡糖基转移到天冬酰胺残基上称之为N 连接的糖基化 N linkedglycosylation 与天冬酰胺直接结合的糖都是N 乙酰葡萄糖胺 糖基化主要有两种方式 O 连接的糖基化 Ser Thr或Hylys Hypro 有少数糖基化是发生在丝氨酸或苏氨酸残基上 也有可能发生在羟赖氨酸或羟脯氨酸 连接 称之为O 连接的糖基化 O linkedglycosylation 与之直接结合的是N 乙酰半乳糖胺 主要发生在高尔基体 脂类耦联的寡聚糖 甘露糖 葡萄糖 多萜醇 糖基转移酶 切除折叠 在内质网腔面 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 通过在膜上的糖基转移酶 glycosyltranferase 的作用 将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬酰胺残基上 4 新生多肽的折叠与组装不同的蛋白质在内质网停留的时间长短不一 不能正确折叠的畸形肽链或未装配成寡聚体的蛋白质亚单位 一般不能进入高尔基体 内质网腔是非还原性的内腔 易于二硫键形成 二硫键异构酶 proteindisulfideisomerase PDI 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 chaperone 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 Bip属于热休克蛋白70家族 5 SER的其他功能 解毒功能 SER中有一些能清除脂溶性废物和有害物质的酶 如细胞色素P450家族酶系 可将不溶于水的有毒物质和代谢产物羟基化为溶于水的物质 经尿液排出 合成固醇类激素 生殖腺内分泌细胞的SER 储存Ca2 肌质网 特化的SER 膜上的Ca2 ATP酶将细胞质基质中Ca2 泵入肌质网腔中 糖原代谢 6 磷酸葡萄糖酶 质膜配体门控的Ca2 通道 肝细胞内有丰富的内质网 是蛋白质合成 折叠 运输以及储存钙的主要场所 对各种刺激极为敏感 当机体功能紊乱时出现错误折叠与未折叠蛋白在腔内聚集以及细胞内钙平衡紊乱的状态 称为内质网应激 endoplasmicreticulumstress ERS 三 ER的应激 一 三 ER的应激 一 内质网应激时间过长可诱发细胞凋亡 ERS主要激活三条信号通路 未折叠蛋白应答反应 unfoldedproteinresponse UPR 超负荷反应 endoplasmicreticulumoverloadresponse EOR 固醇调节级联反应 结构 电镜下观察高尔基体是由一些 常常为4 8个 排列较为整齐的扁平膜囊堆叠在一起 扁囊多呈弓形 半球形或球形 膜囊周围有大量的大小不等的囊泡结构 二 高尔基体的形态结构与功能 一 高尔基体的形态结构与极性 高尔基体是有极性的细胞器 位置 方向和物质转运 形成面或顺面 cisface 靠近细胞核的一面 膜囊弯曲成凸面 成熟面或反面 transface 面向细胞质膜的一面常呈凹面 扁囊 高尔基体至少由互相联系的4个部分组成 每一部分又可能划分出更精细的间隔 高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构 CGN 高尔基体中间膜囊 高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构 TGN 周围大小不等的囊泡 1 高尔基体顺面膜囊 CGN 顺面膜囊是中间多孔而呈连续分支状的管网结构 蛋白质初级分选站RER 蛋白质和脂类 蛋白质KDEL或HDEL CGN 内质网驻留蛋白 具有KDEL 赖天谷亮 或HDEL 组天谷亮 信号蛋白 蛋白丝氨酸残基发生O 连接糖基化 跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化 CGN接受来自内质网新合成的物质并将其分类后大部分转入中间膜囊 小部分蛋白质与脂质再返回内质网 返回的蛋白质具有KDEL信号序列 定位于ER的逃逸的蛋白 2 高尔基体中间膜囊 形态 由扁平膜囊与管道组成 形成不同间隔 但功能上是连续的 完整的膜囊体系 使其具有很大的膜表面 功能 多数糖基修饰糖脂形成与高尔基体有关的多糖的合成场所 3 高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构 反面高尔基体管网状结构 TGN 呈管网状 较低的pH 标志酶CMP酶阳性 主要功能 参与蛋白质的分类与包装与运输 在蛋白质与脂类的转运过程中起 瓣膜 作用 保证这些物质的单向转运 某些 晚期 的蛋白质修饰 如唾液酸化 蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工等 4 高尔基体周围大小不等的的囊泡 顺面一侧的囊泡可能是内质网和高尔基体之间的物质运输小泡 ERGIC或VTCs 反面一侧是分泌泡与分泌颗粒 高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工 分类与包装 然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外 二 高尔基体的功能 高尔基体与细胞的分泌活动蛋白质的糖基化及其修饰蛋白酶的水解和其它加工过程 1 高尔基体与细胞的分泌活动参与细胞分泌活动 RER上合成的蛋白质 进入ER腔 运输泡 进入CGN 在中间膜囊中加工 在TGN形成分泌泡 运输与质膜融合 排出 2 蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质的糖基化类型 2 蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质的糖基化类型 3 蛋白酶的水解和其他加工过程有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用 无生物活性的蛋白原 高尔基体 切除N 端或两端的序列 成熟多肽 如胰岛素 胰高血糖素等 蛋白质前体 高尔基体 水解 同种有活性的多肽 如神经肽等 小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体 M 线粒体 L 溶酶体 朴英杰 三 溶酶体的形态结构与功能 一 溶酶体的形态结构与类型溶酶体 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 异质性 形态 大小 所含水解酶类不同 含有大量酸性水解酶 根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段 分为 初级溶酶体次级溶酶体残余体 1 初级溶酶体呈球形 直径0 2 0 5 m 内容物均一 不含有明显的颗粒 外面由一层脂蛋白膜围绕 厚度为7 5nm 含有多种酸性水解酶 如蛋白酶 核酸酶 糖苷酶 酯酶 磷脂酶 磷酸酶和硫酸酶 溶酶体酶的最适pH值为4 6左右 溶酶体膜特点 嵌有质子泵 借助水解ATP释放出的能量将H 泵入溶酶体内 以形成和维持酸性的内环境 还有Cl 通道蛋白等于运HCl 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 少量泄露 破裂 被中性环境失活消化细胞 细胞损伤时自溶 2 次级溶酶体是初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡 胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体 内含多种生物大分子 颗粒性物质 线粒体等细胞器乃至细菌等 形态不规则 作用 消化作用 3 残余体或后溶酶体经一段时间消化后 小分子物质可通过膜上的载体蛋白转运到细胞质基质中 未被消化的物质残存在溶酶体中形成残余体 可通过胞吐方式将内容物排出细胞 溶酶体 可看做是以含有大量酸性水解酶为共同特征的 不同形态大小 执行不同生理功能的一类异质性的细胞器 1 清除无用的大分子 衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞 清道夫 作用 台 萨氏综合症神元中同心圆状的溶酶体 溶酶体中缺少b 氨基己糖酯酶A 导致神经节甘脂GM2不能被水解 造成积累 二 溶酶体的功能 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 萨氏等各种储积症 2 防御功能某些细胞可识别并吞噬入侵的病毒和细菌 在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解 如巨噬细胞 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 3 其它重要的生理功能 参与清除赘生组织或退行性变化的细胞 作为细胞内的消化 器官 为细胞提供营养 分泌腺细胞中 溶酶体摄入分泌颗粒 可能参与分泌过程的调节 精子的顶体反应 溶酶体酶分选发生途径 非常复杂 多途径 比较清楚M6P途径 三 溶酶体的发生 1 不依赖于M6P的分选途径 2 依赖于M6P的分选途径但该途径的效率不高 部分含有M6P的溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外 但细胞质膜上也存在依赖Ca2 的M6P受体 同样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 溶酶体的酶寻靶过程 涉及的细胞器及机理 M6P与受体结合 糖基化进入内质网后进行N 连接糖基化 经加工后形成带有8个甘露糖残基和2个N 乙酰葡萄糖胺残基的糖蛋白转运到高尔基体 磷酸化信号斑 signalpatch 溶酶体酶蛋白多肽形成的一个特殊的三维结构 它是由三段信号序列构成的 可被磷酸转移酶特异性识别 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 N 乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶 N acetyglucosaminephosphotransferase N 乙酰葡萄糖苷酶 功能是切除N 乙酰葡萄糖胺 溶酶体的酶寻靶过程 涉及的细胞器及机理 M6P与受体结合 溶酶体酶的合成及N 连接的糖基化修饰 RER 寡糖链上的甘露糖残基磷酸化 CGN M6P N 乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶 M6P与受体结合pH6 5 7中性结合 TGN膜 以出芽的方式转运到前溶酶体pH5 5 M6P与受体脱离 脱磷酸 N 乙酰葡萄糖苷酶 磷酸化识别信号 信号斑 前溶酶体去掉M6P受体形成成熟溶酶体 M6P受体返回TGN 溶酶体酶的加工 在溶酶体内进行 加工方式多样 截至去年底 全国累计发生尘肺病病例55 8万例 累计死亡33 3万例 病死率为23 85 尘肺病人已有42 5万例 四 溶酶体与疾病 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 导致巨噬细胞溶酶体破裂 受损或已破坏的巨噬细胞释放 致纤维化因子 激活成纤维细胞 导致胶原纤维沉积 肺组织纤维化 肺结核 结核杆菌具有硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用 结核杆菌引起肺组织钙化和纤维化 痛风 溶酶体酶的外泄 能腐蚀软骨 产生关节的局部损害 产生硫酸软骨素 参与关节的炎症反应 溶酶体与休克 PH下降 溶酶体膜被消化 溶酶体酶外漏 造成细胞与组织自溶 治疗时 使用大剂量的糖皮质类固醇 增强膜的稳定性 四 溶酶体与疾病 各类贮积症 几十种 台 萨氏综合症 缺少氨基已糖酯酶A 导致神经节甘脂GM2积累 II型糖原累积病 缺乏 1 4 葡萄糖苷酶 Gaucher病 巨噬细胞和脑神经细胞缺乏 葡萄糖苷酶 导致葡萄糖脑苷脂沉积在溶酶体内 细胞内含物病 inclusion celldisease N 乙酰葡糖胺磷酸转移酶 另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体 说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径 上节回顾 一 高尔基体 一 高尔基体的形态结构与极性顺面反面CGN 高尔基体中间膜囊 TGN 周围大小不等的囊泡 二 高尔基体的功能高尔基体与细胞的分泌活动蛋白质的糖基化及其修饰蛋白酶的水解和其它加工过程 上节回顾 二 溶酶体 一 溶酶体的形态结构与类型初级溶酶体 次级溶酶体 残余体 溶酶体膜特点 二 溶酶体的功能清除 防御 其它 三 溶酶体的发生依赖于M6P的分选途径信号斑 四 溶酶体与疾病 矽肺 肺结核 痛风 类风湿性关节炎 贮积症 动物细胞中的过氧化物酶体 结晶状的核心 结晶状的核心 结晶状的核心 过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似 烟草叶肉细胞的过氧化物酶体 中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心 五 溶酶体与过氧化物酶体 过氧化物酶体 又称微体 是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器 1 过氧化物酶体与溶酶体的区别 五 溶酶体与过氧化物酶体 过氧化物酶体 又称微体 是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器 1 过氧化物酶体与溶酶体的区别 2 过氧化物酶体的异质性 过氧化物酶体在不同生