细胞生物学教学课件第7章 细胞质基质与内膜系统

Chapter7cytomatrixandendomembranesystem,第七章细胞质基质与内膜系统,较为均质和半透明的胶状物质,如内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体、线粒体和叶绿体等,色素等一些有形成份,如核糖体、中心粒等,细胞质,细胞质的组成,一个动物细胞的模式图示各种主要的细胞内分区,一个肝细胞的部分电镜图象示几种主要的细胞内膜成分,内膜系统：在结构、功能以及发生上相关的，由膜围绕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。,讲授提纲,第一节细胞质基质,第二节内质网,第三节高尔基体,第四节溶酶体和过氧化物酶体,第五节信号肽学说和蛋白质的分选,一、基本概念：用差速离心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成分。生物化学家称之为胞质溶胶。,第一节细胞质基质,细胞质中几种主要组分的模式图解,第一节细胞质溶质,成分：中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构。特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。,所有中间代谢都是在细胞质中进行的，其中大部分是在细胞质溶质中进行的。,(一)中间代谢反应的进行,例如：糖酵解、核苷酸、脂肪酸和氨基酸代谢,第一节细胞质溶质,二、细胞质基质的功能:,从摄取食物开始直至代谢废物的代谢反应图解示细胞质基质中所进行的中间代谢反应，如糖酵解、氨基酸代谢和脂肪酸氧化,第一节细胞质溶质,(二)细胞形态与运动、胞内物质运输及大分子定位,能量传递,胞内物质运输,细胞的运动,结构的组织者,细胞的形态,细胞分裂,第一节细胞质溶质,（三）蛋白质的修饰与选择性降解,选择性降解,细胞质基质,在其侧链的特定位点上进行,第一节细胞质溶质,Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly或Pro：稳定!,决定蛋白质寿命的信号：,N-端的第一个氨基酸残基：,其它12个氨基酸：不稳定!,第一节细胞质溶质,泛素依赖性途径(ubiquitin-dependentpath),蛋白质选择性降解的机制：,第一节细胞质溶质,蛋白质小体的电镜照片及其模式图解,缓冲pH值：为各种中间代谢反应的进行提供了适宜的微环境,（四）维持细胞内环境(pH、离子环境)的稳定性,离子环境：细胞器等正常结构维持所必需的离子环境,第一节细胞质溶质,第二节内质网,1945年,K.R.Porter等：培养成纤维细胞-电子显微镜下观察-网状结构-内质网。内质网(endoplasmicreticulum,ER),膜厚约56nm，单位膜结构;总面积很大.,一、内质网的形态结构,内质网是由一层单位膜所形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。,内质网在形态上又分为两个区域：,其胞质面附着有核糖体，表面粗糙,无核糖体附着，表面光滑,在三维立体结构上，内质网是由膜形成的一些形状大小不同的小管、小囊或潴泡(cisterna)构成的一个连续的网状膜系统,其内腔是相通的。,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,即使是同种细胞，在不同细胞部位、不同发育时期，甚至生理状态不同，内质网的形态、数量和分布也有差异；,在不同细胞中，其形态具有多样性，其数量和分布不同；,尽管如此，在同种细胞中，内质网的形态却是相对恒定的。,1.蛋白质的合成,三、内质网的功能,共转译方式合成的蛋白：分泌蛋白；整合膜蛋白；内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白后转译方式合成的蛋白：细胞质基质中的驻留蛋白核输入蛋白转运到线粒体叶绿体过氧物酶体的蛋白,2.多肽链的修饰与加工,糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔面N-linkedglycosylation（Asn）O-linkedglycosylation（Ser/ThrorHylys/Hypro）酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸Cys,寡糖链的预先合成过程图解,1)预先合成的寡糖链,合成的寡糖链,2)N-连接糖基化,RER膜蛋白的N-连接糖基化作用,在糙面内质网添加上的两类主要N-连接寡糖链,蛋白质附着到糖基磷脂酰肌醇成为脂锚定蛋白,形成脂锚定蛋白新合成的蛋白质通过酰基化同ER膜上的糖脂结合,将自己锚定在ER膜上。形成的脂锚定糖蛋白通过进一步的运输成为质膜外侧的膜蛋白。,3.新生肽的折叠与组装,新生肽的折叠组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成；正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDELorHDEL信号蛋白二硫键异构酶（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错误折叠或未装配的蛋白亚单位则停留在内质网腔或借助Sec61p从内质网腔运至细胞质，被蛋白酶体降解。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蛋白是重链结合蛋白(heavy-chainbindingprotein)的简称,因为它能够同IgG抗体的重链结合。Bip是一类属于Hsp70分子伴侣家族,在内质网中有两个作用。,Bip在ER蛋白的转移和装配中的作用,Bip同进入内质网的未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合,防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂。通过重组DNA技术,将酵母中编码Bip蛋白的基因突变成温度敏感型后，当提高细胞培养温度时，Bip的功能就会丧失，蛋白质向ER的转移也会停止，推测由于Bip功能的丧失，导致蛋白质在ER中的聚集，抑制了新生肽向ER的转移。,4.脂类的合成,ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）两种例外：鞘磷脂和糖脂（ER开始Golgicomplex完成）Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。各种不同的细胞器具有明显不同的脂类组成：卵磷脂（PC）：ERGCPM（高低）磷脂酰丝氨酸（PS）：PMGCER（高低）表明在膜上含有不同的磷脂修饰酶。磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；,卵磷脂合成过程示意图,磷脂的转运:transportbybudding：ERGC、Ly、PMtransportbyphospholipidexchangeproteins（PEP）:ERotherorganelles（includingMitandChl）。,清除脂溶性废物、代谢产生的有害物质和外源性有害物质,5.解毒作用,解毒作用(detoxification)：使外源性有害物质(如药物)失活的作用,SER中含有一些酶：,与外源性物质结合使其氧化失活!,细胞色素P-450：50kDa的末端氧化酶药物羟基化失活尿液,服用大量药物与解毒有关的酶活性大量增加SER增生,光面内质网参与的糖原代谢过程图解,6.糖原代谢,7.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,第三节高尔基体有备注,在不同细胞中,高尔基复合体的形态、大小和分布均差异很大。,在大多数脊椎动物细胞中，高尔基复合体为复杂的网状结构。,一、高尔基体的的形态结构,分散高尔基体(dictyosome)的三维立体结构图解有备注,潴泡,1m,分散高尔基体(dictyosome)遍布于整个细胞质中与RER无明显的结构联系,在植物细胞及无脊椎动物细胞中：有备注,植物细胞中分散高尔基体的电镜图像,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。有备注,在不同种类的细胞中,分散高尔基体的大小、数量和结构也会有所不同：有备注,有些细胞：一个真菌：一个潴泡原生生物、无脊椎动物和高等植物细胞：多个（肝细胞:50个；有些藻类细胞:25,000个）。,哺乳动物附睾管上皮细胞中的高尔基复合体有备注细胞中含有超大环形高尔基复合体,玉米根冠细胞中存在若干分散高尔基体,(D,分散高尔基体;M,线粒体;ER,内质网),高尔基复合体的模式图解,结构极性,1.高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体管网状结构（cis或CGN)成分与内质网相似，接受内质网新合成蛋白并运入高再返回内质网，高尔基体中间膜囊，小部分蛋白与脂质。凡是O-连接糖基化2.高尔基体中间膜囊多数糖基化、糖脂的形成及多糖的形成。3.高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体管网状结构（TGN）CMP酶是该区的标志酶参与蛋白质的分类包装以及蛋白质的转运,1.高尔基体与细胞的分泌活动,三、高尔基复合体的功能,2.蛋白质和脂类的糖基化,3.蛋白质的加工改造,4.细胞内的膜泡运输,（一）、高尔基体与细胞的分泌活动,受调控和不受调控的分泌路线示意图有备注,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),内质网驻留蛋白自高尔基体返回的途径与机理有备注,内质网的结构和功能蛋白的羧基端的一个四肽序列:Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL信号序列是内质网的滞留信号。,（二）、蛋白质和脂类的糖基化有备注,连在Asn的氨基基团上,连在Ser、Thr和hLys的羟基基团上,寡糖,N-连接寡糖与O-连接寡糖的区别,内质网和高尔基复合体在糖蛋白形成过程中的作用图解主要是对糖蛋白中的寡糖链进行修饰,添加2个GlcNAc、3个Gal和3个NANA,高尔基复合体对糖蛋白共价修饰的分区化有备注TGN，反面高尔基网，为蛋白质的分选部位,蛋白质的糖基化可能在蛋白质折叠成正确的构象及增加蛋白质稳定性方面具有重要作用有备注,保护蛋白质：不被水解酶降解；起运输信号作用：引导蛋白质被包装进运输泡，抵达目的细胞器；在细胞表面形成糖萼：细胞识别，保护质膜。,蛋白质糖基化的作用,蛋白聚糖在高尔基体上装配：有备注糖胺聚糖结合到核心蛋白，经木糖结合。植物细胞高尔基体合成和分泌多种多糖：,（三）、蛋白质的加工修饰有备注,加工方式多样性的可能原因：确保小肽分子的有效合成；弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。,高尔基复合体对胰岛素分子的加工改造过程图解,直接酶解切除:,前胰岛素原,胰岛素原,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。,高尔基复合体对神经肽分子(仅含有5个氨基酸）的加工改造过程图解,酶解加工,蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽,ABD,高尔基复合体对一些信号分子的加工改造过程图解,不同的加工方式,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。同一种蛋白质前体不同细胞、以不同的方式加工不同的多肽。,一、基本特性,单层膜包围多种酸性水解酶异质性囊泡状,溶酶体,1955年,C.deDuve：,酸性磷酸酶活性,溶酶体(lysosome),第四节溶酶体和过氧物酶体,没有典型的溶酶体结构,植物细胞：,原生动物：类似溶酶体,vacuoles,没有典型的溶酶体结构,（一）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,单层单位膜包围异质性囊泡状,溶酶体细胞内的分布和移动：,同溶酶体膜与微管之间的相互作用有关！,培养的成纤维细胞的暗视野显微镜图片示含致密物质的溶酶体(白点)围核(黑色)分布,为消化作用提供一个密闭空间；控制该空间中的成分和内环境；具有能与其它膜泡融合和内陷的能力.,（二）化学组成,1.溶酶体膜,710nm,膜中嵌有质子泵(H+-ATPase)含有多种载体蛋白膜蛋白高度糖基化,溶酶体膜在成分上与其它生物膜不同:,核酸酶蛋白酶糖苷酶脂酶磷酸酶硫酸酶磷脂酶,酸性水解酶,2.溶酶体酶,60多种,溶酶体酶的种类虽然很多，且含量很高，但每一个溶酶体中所含有酶的种类却是有限的。,嗜中性白细胞(neutrophil)：溶菌酶(lysozyme)和髓过氧化物酶(myeloperoxidase)降解微生物,某些特化细胞：特殊代谢酶类,二、溶酶体的存在状态与类型,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),溶酶体酶转运小泡?!,细胞中酸性水解酶分布电镜图酸性水解酶是溶酶体的标志酶,含酸性水解酶的膜泡即为溶酶体,小鼠肾近曲小管上皮细胞中自噬溶酶体电镜图像,人肺泡巨噬细胞中髓样小体残余小体电镜图像,老年斑脂褐质小体,1.细胞内消化,三、溶酶体的功能,2.防御功能,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,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,3.细胞内衰老和多余细胞器的清除,“细胞内清洁工”,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,4.发育过程中细胞的清除功能,哺乳动物胚胎发育过程中生殖管道的变化过程图示,发育过程中细胞的清除功能,其它例证：,发育过程中细胞的清除功能,5.受精中的功能,特化的溶酶体,6.植物种子萌发中的功能,-淀粉酶,液泡糊粉粒淀粉粒蛋白质小体,溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（RER）,高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化,M6P,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶,高尔基体trans-膜囊和TGN膜（M6P受体）,溶酶体酶分选与局部浓缩,以出芽的方式转运到前溶酶体,磷酸葡萄糖苷酶,磷酸化识别信号：信号斑,发生途径,四、溶酶体的发生,溶酶体酶的识别机制：,溶酶体水解酶的识别机制GlcNAc磷酸转移酶的催化UDP-GlcNAc的GlcNAc-P转移到溶酶体水解酶的甘露糖残基上，形成了具有M6P的溶酶体酶,(M6P),溶酶体水解酶的分拣机制,M6P,依赖于M6P的分选途径的效率不高，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依赖于钙离子的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。还存在不依赖于M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体的perforin和granzyme）,分选途径多样化,微体(microbody)专指含有氧化酶、过氧化物酶，或过氧化氢酶活性的细胞器，普遍存在于动物体和植物体中。,1954年，J.Rhodin：一类卵圆形小体,五过氧化物酶体,微体与初级溶酶体的比较,此外，微体为在一定条件下可以被诱导而进行增殖的一种细胞器,过氧化物酶体(peroxisome),（一）、微体的形态结构,单层膜,卵圆形或哑铃形小体,0.21.5m,无定形的颗粒基质,微体的电镜照片,一、微体的形态结构,常常成群分布在内质网膜的附近。有时紧靠线粒体或叶绿体,Mb,微体RER,糙面内质网CW,细胞壁Chl,叶绿体M,线粒体,微体为一类异质性细胞器,过氧化物酶体的电镜图(a)大鼠肝细胞中的过氧化物酶体，电子致密核心为尿酸氧化酶；(b)植物叶肉细胞中具有晶格状核心的过氧化物酶体，常紧邻叶绿体,尿酸氧化酶,(a),(b),（二）、过氧化物酶体膜的化学组成,水仙叶肉细胞中过氧化物酶体的细胞化学反应图片过氧化氢酶专一性定位于过氧化物酶体(P)中,（三）、微体的功能,1、过氧化物酶体的功能：,动物细胞（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶：过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。,乙醛酸循环体的功能：,在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应：1.5二磷酸核酮糖在核糖二磷酸羧化氧化酶的催化下，消耗氧，分解为3-磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸，磷酸乙醇酸在过氧化物酶体中转化为乙醛酸，被彻底分解释放CO2。,微体酶：细胞质溶质中合成且不糖基化。,（四）、微体的发生,大鼠肝细胞局部电镜图示过氧化物酶体与内质网的连续性,过氧化物酶体,膜脂：来自内质网(磷脂交换蛋白),微体膜,膜蛋白：细胞质溶质中合成,一个含血红素的四聚体蛋白质，其单体在细胞质溶质中合成，在特定信号序列的指导下进入过氧化物酶体,微体输入信号C-端的3个氨基酸(Ser-Lys-Leu)序列,此信号序列在完成使命后不会被切除,过氧化氢酶：,酶体膜的胞质面上有识别信号序列的受体,过氧化物酶体的生长和分裂方式图解,已有证据表明，由已有的微体经过分裂形成新的子代微体，经进一步装配后形成成熟微体。,在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系,第五节信号肽学说与蛋白质分选信号,一信号肽学说,信号肽的一级序列信号肽一级序列由疏水核心（h）、C端（c）和N端（n）三个区域构成。以血清白蛋白和HIV-1型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，显示出两者的n区长度明显不同,G.Blobel因此项创见而荣获1999年诺贝尔奖！,GTP在蛋白质转运中的作用,起始转移序列和终止转移序列,起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数,二、蛋白质的分选有备注,门控运输（gatedtransport）；跨膜运输（transmembranetransport）；膜泡运输（vesiculartransport）细胞质基质中的蛋白质转运,三、细胞内的膜泡运输有备注,高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用,三种膜泡:1.笼形蛋白包被小泡；2.COPII包被小泡；3.COPI包被小泡,三种不同类型的包被小泡具有不同的物质运输作用,网格蛋白包被小泡,负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜内吞泡(细胞质)胞内体溶酶体运输高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地,在高尔基体TGN区笼形蛋白有被小泡的形成示意图,COPII包被小泡,负责从内质网高尔基体的物质运输；COPII包被蛋白由5种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的；COPII包被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。,COPII包被小泡的装配Sar-GTP与内质网膜的结合起始COPII亚基的装配，形成