细胞生物学教学课件第六章细胞质和细胞器VIP

第六章细胞质和细胞器,细胞质（cytoplasm）:是细胞整体功能结构的主要组成部分之一，包括细胞质基质和细胞器。细胞质基质（cytoplasmicmatrix）：指细胞质中除有形结构之外的无定形胶状物质体系。细胞器(organelle)：存在于细胞质基质中，具有一定化学组成、一定形态结构、执行特定生理功能，并且为细胞所固有的有形结构小体。,第一节细胞质基质,一、细胞质基质的化学组成无机小分子类物质：水、各种无机盐离子、一些溶解气体。2.中分子物质：糖（单糖与寡糖）、脂类、氨基酸、细胞代谢产物及其衍生物。.大分子物质游离的多糖、脂蛋白、可溶性蛋白质及RNA等。,二、细胞质基质的理化特性光镜下，均质透明，因此又称透明质体；电镜下，极性化分布；实验证明：蛋白质含量20-30，扩散速率为水溶液的1/5，具较强的粘滞性；生活细胞：呈液晶态，能可逆改变（形态改变、变形运动、胞质环流运动）。,三、细胞质基质的功能为细胞的生命活动提供相对独立、稳定的内环境；既是细胞内多种生化反应的场所，又是胞内营养物质储存及代谢产物的分散介质；对于细胞内外物质的交换和转运具有一定的调节控制作用；,参与细胞表面特化结构的形成及功能活动过程；为各种细胞器完整机构的维持与正常功能活动的行使，提供必要的环境基质和作用底物；在生物个体发育，特别是在生物个体的胚胎发育过程中对于细胞的分裂增殖、细胞分化具有重要作用。,第二节核糖体（Ribosome）,核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒，其唯一的功能是按照mRNA的指令把氨基酸高效且精确地合成为多肽链，所以，核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。,一、核糖体的形态结构,强嗜碱性的一种无膜包被的颗粒状结构：1525nm,在蛋白质合成中核糖体与mRNA及tRNA的位置关系,核糖体的活性位点,二、核糖体的类型与理化特性,强负电性,可同阳离子和碱性染料(如甲苯胺蓝)相结合,4050%,5060%,核糖体成分的解组图解,三、核糖体的形成与装配,形成位置：核仁形成过程：核仁组织中心的rDNA经转录形成rRNA；蛋白质由胞质经核孔进入核仁区，与rRNA组装为大、小亚基，再经核孔进入胞质。,rRNA具有高度复杂的二级结构,3端有一段序列同大多数原核生物mRNA的核糖体结合部位具有互补关系，能识别mRNA的起始端,游离核糖体,四、核糖体与蛋白质的合成,（一）RNA的作用,密码子信息,合成场所,氨基酸转运,mRNA蛋白质合成的模板，每3个相邻核苷酸构成一个密码子（codon），编码一个特定氨基酸。,tRNA识别mRNA上的密码子，并将特定氨基酸运输至蛋白质合成部位。,识别密码子,携带氨基酸,rRNA核糖体中起主要作用的结构成分。,具有肽酰转移酶的活性；为tRNA提供结合位点(A位点、P位点等)；为多种蛋白质合成因子提供结合位点；在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结合以及在肽链的延伸中与mRNA结合；,rRNA具有高度复杂的二级结构,（二）蛋白质合成的基本过程,起始、延伸和终止三个阶段,1.起始：在始动因子（initiationfactor,IF）作用下，mRNA与核糖体小亚基结合，蛋氨酰-tRNA识别mRNA上起始密码子（AUG）形成始动复合体，再与大亚基结合形成完整核糖体。蛋氨酰-tRNA结合mRNA起始密码子同时，进入核糖体P位。,小亚基-mRNA-Met-tRNAfmet,大肠杆菌始动复合物的形成过程,mRNA,真核生物的起始因子eIF-2在起始翻译中的作用图解,2.延长：包括进位、转肽、移位进位：第二个氨酰-tRNA进入A位转肽：在转肽酶作用下，P位上的甲硫氨酸与A位上的氨基酸形成肽链，并把P位上的甲硫氨酸接收过来，P位上的tRNA失去所携带的氨基酸后从P位脱落。移位：在移位酶作用下，核糖体沿mRNA从5到3移动一个密码子距离，从而与A位相连的肽基酰tRNA进入到P位。,新肽键的形成过程图解,延伸(Elongation),3.终止：终止密码出现，多肽链合成终止。在释放因子的作用下，多肽链与tRNA分离、脱落下来，tRNA释放出来，mRNA分离，大、小亚基解离。,肽链合成的起始,肽链合成的延伸,肽链合成的终止,肽链合成的过程图解,五、核糖体的存在形式,游离核糖体膜结合核糖体（结合于粗面内质网膜）,多聚核糖体(polyribosome),(A),多核糖体的大小同mRNA链的长短成正比,第三节内膜系统,内膜系统(endomembranesystem)：细胞内在结构、功能乃至发生上相互关联的所有膜性结构细胞器的统称。,各内膜之间可通过出芽和融合而相互流动,但线粒体和叶绿体不参与此类交流,内膜系统具有许多重要的生物学功能：,增加了细胞内的表面积；使细胞质区域化，提高了细胞的代谢水平和功能效率酶系统的隔离与连接；扩散屏障及膜电位的建立；离子梯度的维持；细胞内不同分区内差别pH值的形成;等等,一、内质网（Endoplasmicreticulum,ER）,TheendoplasmicreticulumElectronmicrographofpartofabatpancreaticcell.,（一）内质网的化学组成,微粒体的电镜形态,内质网化学组成方面的资料主要来源于对微粒体(microsome)膜的研究。,微粒体不是细胞内的固有结构,而是细胞在匀浆过程中所分离出的一种膜泡成分,它由内膜系统中各组分的膜断片自然卷曲而成，如内质网和高尔基复合体的膜等。,主要为磷脂,约含有3040种酶,细胞色素P-450,内质网膜驻留激酶信号识别颗粒的受体(signal-recognitionparticlereceptor)核糖体亲合蛋白,葡萄糖-6-磷酸酶,内质网腔,网质蛋白(reticulo-plasmin),内质蛋白(endoplasmin)钙网蛋白(calreticulin),贮积Ca2+,分子伴侣,免疫球蛋白重链结合蛋白(Igheavy-chain-bindingprotein,BiP)蛋白质二硫键异构酶(proteindisulphideisomerase,PDI),（二）内质网的形态结构与类型,膜厚约56nm，单位膜结构，总面积很大。如肝细胞中，内质网总面积=质膜的3040倍。,内质网的分布,完整细胞内的内质网在核周形成网状三维结构。,内质网的两种类型,胞质面附着有核糖体，表面粗糙,无核糖体附着，表面光滑,电镜下的光面内质网图象,糙面内质网的EM图象,RER和SER的形态差异,电镜下糙面内质网常呈平行的双层膜状,两层膜间宽距不等,在三维结构上，内质网是连续的网状膜系统,其内腔相通。,膜向腔的一面,膜向胞质的一面,大而扁平的片状结构,内质网的三维立体结构,RoughER,（三）内质网的功能,1.RER的功能,蛋白质的合成,新生多肽链的折叠与装配,二硫键异构酶（PDI）：切断二硫键，帮助新合成蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态。结合蛋白（Bip）：识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚基，并促进重新折叠与装配。整合蛋白：结合未正确折叠的蛋白，使之滞留于内质网。,蛋白质的糖基化,N-连接糖基化,蛋白质的运输,分泌细胞中细胞器结构呈极性分布,2.SER的功能,脂质合成,SER膜上含多种与脂类合成有关的酶，脂质在膜的胞质侧合成，借助转位酶翻至内质网腔面。,糖原代谢,解毒作用(detoxification),清除脂溶性废物，使之极性增强，更易于排泄，从而减轻毒性。,SER中含有一些酶：,与外源性物质结合使其氧化失活,Ca2+的储存及其浓度调节,内质网,Ca2+储备库,内质网储存大量Ca2+，当细胞需要时向胞质释放引起相关生理反应发生。,胃酸、胆汁的合成与分泌,胃壁腺上皮细胞、肝细胞中。,（四）新合成肽链穿越内质网的转移机制,信号肽假说,信号肽（signalsequence）：位于新生分泌蛋白多肽N-端的一段短序列，指导新生肽链结合于粗面内质网膜上。信号识别颗粒（signalrecognitionparticle,SRP）：位于细胞质中，能够识别信号肽并介导新生蛋白及核糖体结合于内质网膜。,蛋白合成均始于游离核糖体新生肽上出现信号肽SRP识别SRP-核糖体复合体，蛋白合成暂时终止SRP与内质网膜上的SRP受体结合核糖体结合通道蛋白移位子SRP解离蛋白质合成重新开始信号肽通过移位子进入内质网信号肽切除肽链合成完成蛋白质进入内质网腔核糖体脱离内质网。,G.Blobel因此项创见而荣获1999年诺贝尔奖！,信号肽,SRP,SRP受体,内质网腔,通道蛋白移位子,膜蛋白的合成,转移终止序列,二、高尔基复合体（GolgiComplex）,嗜银的网状结构,高尔基体(Golgibody)高尔基器(GolgiApparatus),内网器(internalreticularapparatus),1898年，C.Golgi所描述的“内网器”形态,（一）高尔基复合体的形态结构,高尔基复合体(Golgicomplex)：若干个分散的高尔基体相互连接成复杂的网状结构。,大囊泡、小囊泡、扁平囊,弓形,高尔基体的结构极性,6nm,10nm,高尔基复合体的模式图解,分泌细胞中高尔基体的分布及极性定向,高尔基复合体,细胞核,分泌囊,（二）高尔基复合体的化学组成,胆固醇磷脂糖脂,高尔基复合体脂质成分含量介于质膜与内质网膜之间。,(标记酶),脂类糖基化：磺化-糖基转移酶,（参与蛋白质合成）,（三）高尔基复合体的功能,物质转送运输和分泌活动,糖蛋白的加工合成,蛋白质的水解,蛋白质分选和胞内膜泡运输,酶原颗粒的形成路线图解,高尔基复合体的功能,物质转送运输和分泌活动,受调控和不受调控的分泌路线示意图,高尔基复合体的功能,分拣(sorting),TGN(反面高尔基网),胞质,高尔基复合体,连续分泌(continuoussecretion),肽激素、胰蛋白酶等物质的分泌泡,不连续分泌(discontinuoussecretion),糖蛋白的加工合成,连在Asn的氨基基团上,连在Ser、Thr和hLys的羟基基团上,寡糖,高尔基复合体的功能,高尔基复合体对糖蛋白共价修饰的分区化反面高尔基网为蛋白质的分选部位,高尔基复合体的功能,蛋白质的水解,高尔基复合体对胰岛素分子的加工改造过程图解,前胰岛素原,胰岛素原,高尔基复合体的功能,蛋白质分选和胞内膜泡运输,高尔基复合体的功能,蛋白质的混合物,ER,GolgiComplex,质膜,TGN,三、溶酶体（Lysosome）,单层膜包围多种酸性水解酶（标志酶-酸性磷酸酶）,溶酶体,（一）溶酶体的结构特征,形态和大小,溶酶体的电镜形态,形态,大小,(最小：0.05m最大：数m平均：0.5m),一般：0.20.8m,膜蛋白高度糖基化含有多种载体蛋白膜中嵌有质子泵(H+-ATPase),溶酶体膜在成分上与其它生物膜不同:,（二）溶酶体的类型,新形成未同消化物融合水解酶处于贮存状态(潜伏状态)，球形,溶酶体,复合小体较大，形状不规则且含有颗粒或膜碎片,含有消化不了的残留物,残余小体(residualbody)或三级溶酶体(tertiarylysosome),次级溶酶体(secondarylysosome),初级溶酶体(primarylysosome),细胞中酸性水解酶分布电镜图酸性水解酶是溶酶体标志酶,含酸性水解酶的膜泡即为溶酶体,吞噬,自噬溶酶体：吞噬自身组分。异噬溶酶体：吞噬外来异物。,人肺泡巨噬细胞中髓样小体残留小体电镜图像,老年斑脂褐质小体,（三）溶酶体的形成与成熟,溶酶体酶的特异分选信号为甘露糖6-磷酸(M6P)。；,在内质网腔，溶酶体酶被糖基化成为N-连接甘露糖糖蛋白；在高尔基体，磷酸转移酶识别其三级结构形成的信号斑，将其寡糖链上的甘露糖磷酸化形成M6P。,网格蛋白,M6P受体,反面高尔基网,酶蛋白的分选,晚期内吞体,溶酶体发生过程,M6P,（四）溶酶体的功能,清除衰老的生物大分子和细胞器清除多余的细胞器清除暂不需要的酶或某些代谢产物,“细胞内清洁工”,1.细胞内物质的消化分解及衰老残损细胞器的清除,2.细胞营养作用,原生动物依靠溶酶体的分解消化作用将营养物质分解利用。真核细胞在饥饿状态下，可利用自噬作用将部分细胞质或细胞器分解为可利用小分子，提供营养维持生存。,3.防御保护功能,次级溶酶体,正在吞噬酵母菌的巨噬白细胞,细胞对外来物的吞噬过程图解,4.参与某些腺体组织细胞分泌过程的调节,如储存于甲状腺腺体内腔中的甲状腺球蛋白，首先要通过吞噬作用进入分泌细胞内，被溶酶体水解成甲状腺素，才被分泌到胞外。,5.参与生物个体发生、发育过程,在蝌蚪变态过程中尾部溶酶体的组织蛋白酶活性与尾长度的关系,哺乳动物胚胎发育过程中生殖管道的变化过程图示,特化的溶酶体,受精过程中的功能,（五）溶酶体异常与人类疾病,目前已知的与溶酶体有关的疾病有30余种。,2.肺结核：结核杆菌的菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗溶酶体的杀伤作用，使其在肺泡内大量繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。,1.贮积病：多为先天性-溶酶体酶缺失和异常导致底物大量贮积，影响细胞功能。,3.矽肺：SiO2颗粒吸入肺泡巨噬细吞噬，吞噬小体与溶酶体融合SiO2的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，溶酶体崩解，细胞自溶矽尘释出后被其他巨噬细胞吞噬，如此反复受损巨噬细胞释放“致纤维化因子”胶原纤维沉积，肺组织纤维化呼吸功能,四、过氧化物酶体（peroxisome）,亦称微体(microbody)：指含有氧化酶、过氧化物酶，或过氧化氢酶活性的细胞器，普遍存在于各类细胞中。,1954年，J.Rhodin：一类卵圆形小体,单层膜,卵圆形或圆形小体,0.010.15nm,过氧化物酶体的电镜照片,（一）过氧化物酶体的形态结构,晶格状核心由尿酸氧化酶形成,（二）过氧化物酶体的功能,过氧化物酶体是细胞内糖、脂和氮的重要代谢部位,解毒作用,第四节线粒体(Mitochondrion),线粒体是细胞的动力工厂，提供动物细胞所需能量的80%。,一、线粒体的结构,线粒体的形态、大小,线粒体形态和大小与细胞类型和生理状态(发育，营养状态，渗透压,温度,pH)有关。,一般0.51.0m28m多与细菌近似！,线粒体在活细胞中的形态变化,在同种细胞中及相同生理状态下，线粒体形态和大小也不是固定不变的。,线粒体的数量,线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别：,线粒体数量,1个,50万个(巨大变形虫),同一种细胞中的线粒体数量也因生理状态(如需能程度)不同而不同：,数千个(甲亢),细胞内代谢和能量需求状态的不同也会使线粒体在局部集中分布。,线粒体的分布,一般随机均匀分布,在代谢旺盛的需能部位较集中,细胞活跃合成蛋白质时，线粒体在RER处局部集中,线粒体的三维结构：外膜、膜间隙、内膜和基质,线粒体的超微结构,线粒体三维结构图解,肝细胞线粒体的超微结构,线粒体,5-7nm;比较光滑;有孔蛋白(porin)形成通道，允许一些物质包括小分子多肽（10kDa）通过。,1.线粒体外膜,4.5nm；通透性很低(150Da不带电荷的小分子)，稍大的分子须经由专一运载系统才能穿膜。,内膜表面不光滑：向内突出形成嵴（cristae），上有基粒（elementaryparticle）。,2.线粒体内膜和内部空间,基片（F0）,头部（F1）,自然状态下功能-合成ATP。,嵴(cristae)：扩大内膜面积，增加内膜的代谢效率,嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关。,多数高等动物细胞中，嵴呈板层状,且多垂直于线粒体长轴；,不同类型的细胞中,嵴的形状与排列方式也不同:,3.内外膜转位接触点（translocationcontactsite）,-蛋白质等物质进出线粒体的通道。,蛋白质,有形成分,均质的胶状物质,丝状物质(环状DNA和RNA),致密颗粒状物质(含Ca2+、Mg2+或Zn2+等),三羧酸循环的有关酶类,脂肪酸氧化的有关酶类,丙酮酸氧化的有关酶类,核糖体,脂类,4.基质（matrix）,二、线粒体的化学组成,线粒体中各种酶的定位,由于线粒体各部位功能不同,所含的酶也不同：,内膜：,电子传递链和氧化磷酸化的酶,线粒体基质：,参与三羧酸循环、脂肪酸氧化和丙酮酸氧化的酶,三、线粒体的功能,动物细胞中80%以上的ATP