《医学生物学》第五章 内膜系统 PPT课件

第三节 细胞质,细胞质,细胞器,细胞质基质,：细胞质中具有一定形态、结构和生理功能的细胞器。,Peroxisome,Nucleus,Nucleolus,Rough ER,Smooth ER,Golgi complex,Lysosome,Cytoskeletal fibers,Nuclear pore,Mitochondrion,Structure of animal cells,NuclearMembrane,内膜系统（Endomembrane System）是真核细胞特有的,位于细胞膜以内，在结构和功能以及发生上有一定联系的膜相结构的总称。,包括：内质网、高尔基复合体 、溶酶体、膜性转运小泡 、核膜,概 念,一、内质网 (endoplasmic reticulum, ER),原核细胞和人成熟的红细胞无,胰腺细胞,精巢间质细胞,肝细胞,扁囊:平行排列呈板层状，彼此相互沟通，囊腔宽50nm。,小泡:球形，常单独存在，直径 40500nm。,小管:常有分支并相互连通，管 50100nm。,(一) ER的形态结构,糙面内质网 (Rough Endoplsmic Reticulum, RER) 又称为颗粒内质网（Granular Endoplasmic Reticulum GER）,光面内质网(Smooth Endoplsmic Reticulum, SER) 又称为无颗粒内质网（Agranular Endoplasmic Reticulum AER）,(二) ER的类型：,微粒体(microsome):应用蔗糖密度梯度离心法将RER和SER分离开来，离心后ER断裂成的许多，直径在100nm的小泡。表面有核糖体的，来源于RER,无则来源于SER。, 把核糖体牢固地结合到ER膜上；,分化完善的细胞RER发达，而未成熟或未分化好的细胞，例如：干细胞、胚胎细胞则不发达。, 参与形成Pr运输通道，帮助Pr通过ER膜进入到ER腔中。, 形态上多为平行排列的扁囊构成，少数是小管和小泡；, 核糖体以多聚体的形式附着在ER膜上；, 在RER膜上特有两种核糖体受体蛋白 (Ribophorin I和II)均为跨膜蛋白，其复合物形成11nm的颗粒。作用：,RER在分泌细胞中特别丰富，例如：胰腺细胞、浆细胞等,糙 面 内 质 网,1., 形态上多为分支的小管组成的网状结构；, 膜表面无核糖体附着；,在一些细胞中SER非常丰富，例如：横纹肌细胞、肾上腺皮质细胞、睾丸间质细胞等,胰腺细胞,精巢间质细胞,膜脂：主要是磷脂，约占细胞干重的3040%；,膜蛋白：约占细胞干重的6070%，主要是酶和结构 蛋白。其中葡萄糖-6磷酸酶是ER的标志酶。其次是 细胞色素P450，在ER膜上最为丰富，是一种跨膜蛋 白，在肝中具有解毒作用。,( 三) ER的化学组成：,(1) 主要合成蛋白质(2) 对蛋白质进行糖基化的作用 (3) 对新生多肽链进行折叠和组装的作用(4）脂类的合成,( 四) ER的功能：,1. RER的功能：,合成蛋白质的种类主要有以下几种:, 分泌蛋白: 包括酶、抗体、肽类激素和细胞外 基质等；,膜蛋白：包括ER、GC、Ly的膜以及质膜等的 内在蛋白；,内膜系统腔内的一些可溶性蛋白质：包括ER、 高尔基复合体、溶酶体腔内的蛋白质等。,主 要 合 成 蛋 白 质,(1),信号肽假说 (Signal hypothesis)： 是1975年 G.Blober等人提出的。,RER合成蛋白质的机制, 信号肽：是指在mRNA的N-端起始密码子(AUG)之后，存在 一段编码特殊氨基酸序列的密码子，称为信号密码(Signal codon)或称信号序列(Signal sequence)。由信号密码子翻译出 的一段肽链，称信号肽。, 作用：引导核糖体与ER膜结合并启动多肽链向ER腔内转移。, 各种蛋白质的信号肽结构相似，约1830个aa残基，内含612 个疏水性aa，易形成螺旋，有利于与磷脂双分子层相互作用。, 信号肽在肽链成熟过程中常常被ER膜内侧面的信号肽酶剪切。,几个重要的结构和组分, 信号识别颗粒(Signal Recognition Particle, SRP)：为一种细长 形的RNA蛋白，由6条多肽链和一个小的7SL RNA(300bp)分子 组成。含有信号肽识别和核糖体结合两个结构域。,识别信号肽区域,与核糖体A位点结合的区域,信号识别颗粒（SRP）模式图,7SL RNA, SRP受体(SRP receptor, SRPR)：为ER膜上的跨膜蛋白， 含有、两个亚基。 亚基含有SRP的结合部位， 亚 基以疏水区锚定在ER膜上。,信号肽,SRP, 跨膜通道(Transmembrane channel)：又称为蛋白转移器 (Translocon)，使新生的肽链通过ER膜进入到ER腔中。,Translocon(closed),Translocon(open),实验证明跨膜通道是由许多蛋白形成的复合体，呈五角形桶状体，高56nm，直径8.5nm。,分泌蛋白、ER腔中的驻留蛋白的合成与跨膜过程,跨膜蛋白的形成情况,对蛋白质进行糖基化作用,(2),糖与蛋白质的连接有两种方式：, N-连接的糖蛋白：是蛋白质的Asn（天冬酰胺）残基侧链的-NH2与寡糖链共价相连。这种糖基化过程开始于ER腔，完成于高尔基复合体。, O-连接的糖蛋白：是蛋白质的Tyr、Ser和Thr残基侧链的 -OH与寡糖链共价相连。其糖基化过程全部或主要在高尔基复合体内完成。,蛋白质的糖基化(Glycosylation)：是指寡糖链与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程。, 寡糖的组成：2个N-乙酰氨基葡萄糖 (N-Acetylglucosamine, GlcNAc)、9个甘露糖(Mannose,Man)、和3个葡萄糖(Glucose, Glc)组成。,2 GlcNAc,9 Man,Protein,3 Glc,ER腔中N-连接的糖蛋白的形成, N-连接的寡糖必需在ER膜上多萜醇(Dolichol)介导下才能转移到蛋白质上。,在ER腔中新合成的糖蛋白都具有相同的寡糖链2GlcNAc+8Man, 转移后，寡糖中的3个Glc和一个甘露糖分子很快被切去。,ER glucosidases I & II,ER mannosidase,(3) 对新生多肽链进行折叠和组装的作用,2. SER的功能,(1) 膜磷脂的合成 (2) 类固醇的合成（甾类激素）：类固醇激素的合成合成的起始物质是胆固醇前体物质甲羟戊酸(mevalonate),它的合成是由SER中的HMG-CoA还原酶催化的。 (3) 参与糖原的代谢过程：SER膜上含有葡萄糖-6-磷酸酶，此酶可使葡萄糖-6-磷酸脱去磷酸，变成葡萄糖。 例如：肝细胞 (4) 参与解毒作用：含有丰富的氧化酶系，如细胞色素P450等； (5) 参与横纹肌的收缩：肌质网 (6) 参与脂肪的合成和运输 (7) 胆汁的生成 ：肝细胞SER上葡萄糖醛酸转移酶将非水溶性的胆红素原转变为水溶性的胆红素。（8）胃底壁腺细胞胃酸的分泌,内质网的病理性变化,病理条件下的内质网肿胀和肥大癌变细胞中的内质网变化内质网合成蛋白质变化引起的疾病脱粒,二、高尔基复合体 (Golgi complex, GC),(一) GC的形态结构：在电镜下，GC由三部分构成, 中间高尔基网(Cisterna)又称为潴泡：一般310平行排列在一起，称为高尔基堆( Golgi stack)。, 反面高尔基网(Vacuole)：直径100500nm，膜厚8nm。大囊泡对所含分泌物有继续浓缩的作用，故又称为浓缩泡或分泌泡。多见于扁平囊的反面，是由扁平囊末端膨大出芽形成。,顺面高尔基网(Vasicle)：直径4080nm，膜厚6nm。多分布于扁平 囊的顺面，是RER出芽脱落形成。小囊泡载有RER合成的蛋白质成分，运往GC的扁平囊，故又称为运输小泡。,消化道上皮细胞的GC,玉米的根冠细胞,胰腺细胞, 功能：对来自RER的蛋白质进行糖基化作用，糖基化过程是有序的。,GC是一种极性细胞器,从顺面到反面，GC在形态上、化学组成上以及功能上有很大差别。, 形态上，扁平囊顺面的膜较薄，厚约6nm，近似ER膜，囊腔小而狭。随着顺面向反面过渡，膜也逐渐加厚，至反面膜厚约8nm，与细胞膜相似。, 化学组成：膜脂介于细胞膜和ER膜之间；反面膜较顺面膜含有更多的酶。,cis cisterna,medial cisterna,trans cisterna,TGN,Golgi cis face,Golgi trans face,ER,Plasma membrane,甘露糖苷酶 I,N-乙酰基葡萄糖转移酶 I,甘露糖苷酶 II,N-乙酰基葡萄糖转移酶 II,半乳糖基转移酶,唾液酸基转移酶,酸性磷酸酶,GC是由310个囊构成。从cis到trans，不同的扁囊具有不同的特异性的酶，对ER来源的蛋白质具有序的加工过程。,磷酸转移酶,顺面高尔基网(cis-Golgi network, CGN), 位于顺面最外层的扁囊，由分枝的小管组成的网状结构。, 具有蛋白质分选站的作用：CGN接受来自ER新合成的物 质并将其分类，大部分转入中间膜囊，小部分蛋白质再 运回ER。, 运回ER的蛋白质在C-端都具有一个特殊的四肽序列 KDEL/HDEL(K-Lys D-Asp E-Glu L-Leu H-His )。,ER腔中的驻留蛋白都具有这四肽序列。,RER内的蛋白质(含有KDEL),中间GC扁囊,顺面GC扁囊,COP I包被小泡,COP II包被小泡,KDEL 受体(KKXX),RER,反面高尔基网(trans-Golgi network, TGN), 位于反面最外层的扁囊，由小泡和分枝的小管组成的网状 结构。, 主要参与蛋白质的分类和包装，最后输出。,研究发现：TGN在蛋白质与脂类的转运过程中还起到“瓣膜”的作用，保证这些物质单向转运。,(二) GC的化学组成,大鼠肝细胞GC含有60%的蛋白质和40%的脂类。,1. 脂类成分：介于膜和ER膜之间, RER含有大量的不饱和磷脂，而胆固醇含量很低；细胞膜 中含有丰富的饱和磷脂和胆固醇；GC膜则介于两者之间。, 糖基转移酶是GC的特征酶，如半乳糖基转移酶、唾液酸 基转移酶等。,2. 蛋白质：含有多种酶, 还含有其它的酶，如催化糖脂合成的酶、催化磷脂合成 的转移酶等。,1. 糖蛋白的生物合成,(三) GC的功能,2. 糖脂的生物合成: 多由神经鞘脂类和糖链相连,3. 参与膜的转变,5. 参与溶酶体的形成,4. 参与细胞的分泌活动, 在顺面、中间和反面膜囊，分泌蛋白、膜蛋白需要进行加工修饰。, 在顺面膜囊，溶酶体酶的寡糖链首先被磷酸化，形成带有6-磷酸甘露糖 (M6P) 特殊标记的糖蛋白。,糖 蛋 白 的 生 物 合 成,甘露糖酶I,3Man,GlcNAc I转移酶,GlcNAc-UDP,UDP,甘露糖酶II,2Man,GlcNAc-UDP,UDP,GlcNAc II转移酶,半乳糖转移酶,Gal-UDP,UDP,唾液酸基转移酶,结构性分泌途径(Constitutive secretory pathway),调节性分泌途径(Regulated secretory pathway),RER合成蛋白质的运输：有两条运输途径,（4）RER合成蛋白质的运输及膜的转运,运输小泡,A.结构性分泌途径,B.调节性分泌途径,（四）高尔基复合体的病理变化,肝中毒的情况下，高尔基复合体发生萎缩或解体分化程度低的，生长迅速的癌细胞内，高尔基复合体不发达；分化程度高，生长缓慢的癌细胞高尔基复合体则发达一些功能亢进或代谢性肥大的器官中，高尔基复合体明显变得肥大,溶酶体 (Lysosome),概念：是由一层单位膜包裹、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。能分解各种内源性和外源性物质，被称为细胞内的消化器。,一、溶酶体的一般特征,1. 形态：具有多样性和异质性, 形态大小差异很大，直径一般在0.20.8m，最小的 为0.05 m，最大者可达几微米。, 当溶酶体没有与底物结合时，一般呈圆形或卵圆形，体积较小，通常直径为0.250.5 m;当溶酶体与底物结合时，其形态多样，体积较大。,不同的溶酶体所含水解酶的种类不同。,2. 种类: 根据溶酶体是否与底物结合分为：,人肾细胞的初级溶酶体 65,000,狗肝细胞的次级溶酶体 Th:钍颗粒 60,000,次级溶酶体又根据作用底物的来源不同分为：, 异生性溶酶体 (heterolysosome),底物为外源性，即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的细胞外 物质与Ly或sLy融合所形成的消化泡称为。,底物为内源性，即来自细胞退变、崩解的细胞器或局部细胞质，这些内源性物质常由ER膜包裹形成自噬泡。自噬泡与Ly融合称为。, 自生性溶酶体 (autolysosome), 混合性溶酶体 (ambilysosome),底物兼有外源性和内源性的物质。,自噬泡含有一个线粒体和一个过氧化酶体。,Lysosome,Autophago-lysosome,Residual body,Lipofusin,Phagocytosis,Exocytosis,ER,Phagosome,Phagolysosome,Lysosome,autophagic vacuole,Myeline figure,人心肌细胞的残体 40,000,人肝细胞的脂褐质 39,000,人肺毛细血管内皮细胞 的多泡体 60,000,人肺泡吞噬细胞的髓样结构 38,000,3. 溶酶体的酶, 到目前为止，已经发现有60多种酸性水解酶, 酶发挥活性的pH为36，最适pH为5, 酸性磷酸酶是溶酶体的特征酶,蛋白酶,核酸酶,糖苷酶,脂 酶,酸性磷酸酶,硫酸酯酶,磷脂酶,ATP,H+, 溶酶体膜的蛋白质高度糖基化, 溶酶体膜上具有质子泵, 溶酶体膜上具有特殊的转运蛋白,4. 溶酶体的膜,影响溶酶体膜稳定性的因素, 降低溶酶体膜稳定性的因素：缺氧或氧过多、X射线、紫外线、白喉毒素、多种抗生素、肝素、胆碱能药物、维生素A过多、维生素E缺乏等。, 增加溶酶体膜稳定性因素：糖皮质固醇类的药物，如氢化可的松、氯嗪、乙酰水杨酸、消炎痛等；,信号斑(Signal patch),rER合成的主要蛋白质,分泌蛋白,膜蛋白,溶酶体酶,2 GlcNAc,8 Man,二、溶酶体的发生,分泌蛋白、膜蛋白,溶酶体酶,为什么溶酶体酶能定向运输到溶酶体中,6-磷酸甘露糖（M6P）,?,Lysosomal enzyme,Phosphorylatedlysosomal enzyme,Medialcisterna,Transcisterna,TGN,Lysosome,Late endosome,Transport vesicle,ATP,H+,Ciscisterna,Golgi complex,M6P receptor(MPR),Clathrin-coatedpit,胞内体的作用：使受体和配体分离。,胞内体 (Endosome),近年来研究发现，物质通过内吞作用进入细胞内形成的一些内吞小泡不直接与Ly结合，而是先与胞内体融合，再运输内吞的物质到Ly。, 在周围细胞质靠近质膜的地方，有一群小的胞内体 (直径 0.31.0m)，这些是新的早期胞内体。, 在接近GC和核的周围，常常聚集着稍大的球形小囊或者小管形的囊，是晚期胞内体。, 受体和配体分离的决定性因素是低pH。一般情况下，pH低至56时，受体和配体就发生分离。,包涵素包被小窝,包被小泡,无被小泡,早期胞内体,溶酶体,含受体的小泡,并不是所有的具有M6P的水解酶都能通M6P途径到达溶酶体，有些水解酶分子逸出TGN正常的包装过程，而被运输到细胞表面。,一些MPR也到达质膜，重新扑获逸出的酶。,RER,分泌蛋白,溶酶体酶,cis GC,磷酸化的溶酶体酶,MPR,包涵素包被小窝,无被小泡,晚期胞内体,溶酶体,MPR,TGN,包涵素包被小泡,磷酸化的溶酶体酶,包涵素包被小窝,包涵素包被小泡,无被小泡,含受体的小泡,受体介导的入泡作用和溶酶体在包装过程中，都产生包涵素包被的小泡。,包涵素包被的小泡(Clathrin-coated vesicles), 包涵素的结构：,三、溶酶体的功能,1. 营养作用 (nutrition), 将摄入细胞内的大分子物质分解成可溶性小分子物质， 被细胞质所利用。,）异噬作用, 异噬溶酶体将吞噬体或胞饮体内所含的外源性物质消化分解的过程。,2） 自溶作用 (autocytolysis),3）. 粒溶作用 (granulolysis),2. 防御作用 (defence), 溶酶体对自身物质进行消化分解的过程。, 溶酶体分解细胞内剩余营养颗粒的作用。, 将外源性的有害因子 (如细菌、病毒等) 消化分解。,3.参与受精作用,4.参与器官的发生,5.参与激素的成熟与分泌,四、溶酶体与疾病的关系,1. 先天性溶酶体病,2. 溶酶体膜异常产生的疾病, 是由于Ly内先天性缺乏某种酶，致使相应的底物不能被 消化，而蓄积在sLy内，造成细胞代谢障碍而产生的疾病。, 是由于溶酶体膜破裂，酶释放出来，导致细胞死亡。,3. 酶的转运异常而产生的溶酶体病, 是由于溶酶体酶缺失M6P，而使其无法聚集到溶酶体中。,先天性溶酶体病,例：II 型糖元累积病,例：粘多糖沉积病,例：泰-萨二氏病（又称为黑朦性先天愚病）,溶酶体内缺乏氨基己糖脂酶，导致神经节苷脂降解发生障碍。,溶酶体内缺乏-葡萄糖苷酶，导致糖原无法降解为Glc，而造成糖原在肝脏和肌肉中积蓄。,溶酶体内缺乏粘多糖 (即氨基葡聚糖) 降解酶，使这类物质蓄积在溶酶体中，导致代谢障碍。,溶酶体膜异常产生的疾病,例：矽肺,例：类风湿性关节炎,例： 休克,SiO2,被M吞入,吞噬小体,溶酶体,吞噬溶酶体,矽酸,溶酶体膜破裂,M死亡,释放的矽酸颗粒又被 其它的M细胞吞噬,刺激成纤维细胞分泌大量的胶原,矽肺,大量M死亡,目前尚不完全清楚，但该病对关节软骨的侵袭，被认为是由于溶酶体膜的脆性增加，溶酶体酶局部释放的结果。,组织缺血、缺氧，导致溶酶体膜的稳定性降低，溶酶体酶外漏，导致组织、细胞自溶的结果，造成组织、细胞不可逆性地损伤。,酶的转运异常产生的溶酶体病,典型的例子是I-细胞病，它是由于溶酶体酶缺失M6P，而使其无法聚集到溶酶体中。