第7章-细胞质基质与内膜系统(翟中和第四版)

第7章细胞质基质与内膜系统,.,本章主要内容,细胞质基质及其功能细胞内膜系统及其功能内质网高尔基体溶酶体过氧化物酶体,.,真核细胞内区室化,.,肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比（引自Albert.1998）,.,第一节细胞质基质及其功能,.,1、经典细胞学:电镜下，在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为细胞质基质.2、生物化学:用差速离心的方法分级离心细胞匀浆物中的各种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的部分称为胞质溶胶.3、学术争议:有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴，是细胞器，也有人认为细胞骨架是细胞质基质的主要结构体系，是其他成分锚定的骨架，同时它们经常处于装配和解聚的动态平衡中，其解聚的亚单位仍保持在液相中.,一、细胞质基质的含义,.,细胞质基质很可能是一种高度有序的体系关键在于细胞质骨架纤维贯穿其中，起重要的组织作用主要特点：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主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。,.,大分子类：蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等。,细胞质基质是细胞真正的内环境，其组成成分复杂。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，依分子大小大致划分为下列几种。,小分子和各种离子：如水K+、Cl-、Na+、Mg+、Ca+等。,中分子类：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸类等。,故认为它呈复杂的胶体性质，可随环境条件的改变由溶胶变为凝胶状态或者相反，这成为某些细胞运动方式的动力。,.,大分子拥挤(Macromolecularcrowding),Thecrowdedstateofthecytoplasmin(a)eukaryoticand(b)E.colicells,.,二、细胞质基质的功能,完成各种中间代谢过程如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所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；细胞质基质结构体系的组织者与细胞膜相关的功能细胞质基质产生区室化；依靠细胞膜或细胞器膜上的泵蛋白和离子通道维持细胞内外跨膜的离子梯度蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解,.,1.蛋白质的修饰,辅酶或辅基与酶的共价结合磷酸化与去磷酸化蛋白质糖基化作用甲基化修饰酰基化,.,2.控制蛋白质的寿命,N端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号,泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-andproteasome-mediatedpathway）,.,3.降解变性和错误折叠的蛋白质,细胞质基质中的变性蛋白质、错误折叠的蛋白质、含有被氧化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白质，不管其N端氨基酸残基是否稳定，常常很快被降解清除,.,2004年诺贝尔化学奖,发现泛素调节的蛋白质降解,.,CentralDogmaofBiology,DNA,RNA,PROTEIN,translation,replication,transcription,folding,assembly,targeting,degradation,aminoacids,peptides,regulationofconformation/function,FUNCTIONALPROTEIN,.,Proteasomesystems,Ubiquitin-dependentProteasomeSystem(UPS),Ubiquitin-independentProteasomeSystem,.,Ubiquitin-ProteasomeSystem(UPS),Ub,Ub,Proteasome,Ub,Ub,Ub,Ub,Protein,Ub,Ub,Proteindegradation,Ub,E1,E3,E2,E3,E3,E1:ubiquitin-activatingenzyme,E2:ubiquitin-conjugatingenzyme,E3:ubiquitinligase,Ubiquitination,Degradation,Lys,DUBs,*DUBs:Deubiquitinatingenzymes,*Ub:Ubiquitin,P116,.,TypesofUbiquitination,Ub,K,Ub,K,Ub,K,Ub,K,Ub,K,Ub,Ub,Ub,Ub,Monoubiquitination,Multi-monoubiquitination,Polyubiquitination,N-terminalubiquitination,-aminogroupoftheN-terminalresidue,-aminogroupoflysineresidue,.,SumoylationandDesumoylation,SUMO,peptide,Uba2,Aos1,E1,SUMO,SUMO,SUMO,Ulp1,Protein,SUMO,E2,Ubc9,Ubc9,1.Maturation,E3,ATP,AMP+PPi,Ulp1,Uba2,Aos1,2.Activation,3.Conjugation,4.Ligation,.,4.帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠,热休克蛋白（heatshockprotein，HSP）：一类进化上高度保守的蛋白质家族，作为分子伴侣（molecularchaperone）发挥多种作用，协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配等,.,热休克蛋白(heatshockprotein，Hsp)DNA序列分析表明热休克蛋白有3个主要家族即25kD，70kD和90kD的蛋白，每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白。有的基因在正常条件下表达，而有些则在温度增高或其它异常情况下大量表达，以保护细胞，减少异常环境的损伤。已有证据表明在正常的细胞中，90kD和70kD，特别是70kD的热休克蛋白选择性的与畸形的蛋白质及其形成的聚合物结合，利用水解ATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解并进一步折叠成具有正确构象的蛋白质。,.,第二节细胞内膜系统及其功能,.,真核细胞膜结合区室的主要功能,.,内膜系统可能的进化过程,.,内膜系统,内质网(endoplasmicreticulum),高尔基复合体(Golgicomplex),溶酶体(lysosomes),过氧化氢体(peroxisomes)(核膜、小泡),intracellularcompartments:endosomes,Nuclear-ER,Golgi,ER,lysosome,细胞内的房室化,TheEndomembraneSystemisComplex,25,.,细胞的内膜系统（endomembranesystem）是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成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。内膜系统使真核细胞内区域化（compartmentalization）意义：内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特点之一，其意义在于：大大增加了细胞内膜的表面积；为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点；酶系统的隔离与连接；蛋白质、糖、脂肪的合成、加工和包装；运输分泌物；扩散屏障及膜电位建立；离子梯度的维持等。,.,质膜内膜,生物膜,原核细胞质膜构成的单一区室真核细胞内膜各种细胞器,内膜系统出现的意义：各自独立，各司其职相互依存，协调同一大大提高了细胞代谢反应的效率,.,1945年，K.R.Poter;电子显微镜;小鼠成纤维细胞,28,一、内质网ER(endoplasmicreticulum),.,（一）内质网的形态结构（二）内质网的化学组成（三）内质网的类型（四）内质网的主要功能（五）内质网的病理性变化,内质网ER(endoplasmicreticulum),.,核膜外层,（一）内质网的形态结构,内质网,ER是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管，小泡，扁囊状结构，相互连接形成一个连续的网状膜系统。,小管,小泡,扁囊状,细胞膜,核膜,内质网,细胞膜,内质网的内腔相互连通。,30,.,（二）内质网的化学组成,1.脂类（3040）以磷脂中的磷脂酰胆碱为主，比细胞膜丰富,鞘磷脂少2.蛋白质（6070）30多种不同的酶或者酶系标志酶：葡萄糖6磷酸酶,.,（三）内质网的类型(TypesofER),核糖体,粗面内质网,滑面内质网,TherearetwobasickindsofER:Rough/granularendoplasmicreticulum(RER，粗面/颗粒内质网)-hasribosomesattached.Smooth/agranularendoplasmicreticulum(SER，滑/光面/无颗粒内质网)-noribosomes.,32,.,粗面内质网(RER),滑面内质网(SER),.,roughendoplasmicreticulum(RER),rER:膜表面附着核糖体，膜上有核糖体连接蛋白；形态多为板层状排列的扁囊；网腔内含低电子或中等电子密度的物质；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。(Russellsbody),.,ThesmoothER(SER),sER:膜表面无核糖体附着；形态多为分枝小管或小泡；多分布在一些特化的细胞中。,35,.,糙面内质网与光面内质网结构,胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，内质网膜及外核膜上附有核糖体黄体细胞有丰富的光面内质网Cos-7细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布：绿色显示两种形式的内质网，叠加色（黄）显示糙面内质网区,.,另外还有两个概念:微粒体和肌质网,可将它们看成是特殊类型的内质网。微粒体(microsome)在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内膜系统（主要是内质网和高尔基体）自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。多数情况下，由破碎的内质网自我融合形成的微粒体，包含内质网膜和核糖体两种基本成分，这些小囊泡的直径大约100nm左右，是异质性的集合体。在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。,特殊类型的内质网,p117,.,肌质网(sarcoplasmicreticulum)心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞基质中的Ca2+泵入肌质网中储存起来，使肌质网Ca2+的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激后，Ca2+释放出来，参与肌肉收缩的调节。,p122,.,（四）内质网的功能,向细胞外分泌的蛋白质膜的整合蛋白细胞器中的可溶性驻留蛋白,1.蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能,.,合成磷脂所需要的3种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞质基质侧,2光面内质网是脂质合成的重要场所,.,酰基转移酶,磷脂酸,rER胞质侧,磷酸酶,二酰基甘油(DG),胆碱磷酸转移酶,卵磷脂,rER腔面,先由酰基转移酶将胞质中的脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷脂酸(留在脂双层中)。在磷酸酶作用下，由磷脂酸和磷酸甘油组成DG;最后,再在胆碱磷酸转移酶催化下由DG和CDP-胆碱合成卵磷脂。翻转酶(flipase)。,41,.,磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）,膜脂的不对称性？,P119,.,A.通过膜泡转运脂质B.通过PEP介导的脂质转运C.膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触,内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式,.,3.蛋白质的修饰与加工,发生在内质网和高尔基体的蛋白质糖基化在内质网发生二硫键的形成蛋白质折叠和多亚基蛋白的装配在内质网、高尔基体和分泌泡发生特异性的蛋白质水解切割,.,蛋白质糖基化,N-连接糖基化与O-连接糖基化的比较N-连接糖基化与之直接结合的糖是N-乙酰葡糖胺O-连接糖基化与之直接结合的糖是N-乙酰半乳糖胺,.,N-连接与O-连接的寡糖比较,在内质网发生的蛋白质N-连接糖基化的加工，转移至高尔基体后还会经过一系列复杂的修饰,.,糙面内质网中蛋白质N-连接糖基化过程,p121,.,内质网腔二硫键形成,.,4.新生多肽的折叠与组装,蛋白二硫键异构酶和Bip等蛋白质都具有4肽驻留信号（KDEL或HDEL）以保证它们滞留在内质网中，并维持很高的浓度,.,内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所,折叠错误的多肽被送到细胞质中,被泛素(ubiquitin)结合,然后送到蛋白酶体(proteosome)中降解,.,内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所,Molecular膜厚：8nm;泡内含物质：高电子密度物质，浓缩泡。来源：扁平囊周边或局部球状膨突脱落形成。,凹面/成熟（反）面,GolgiApparatus,高尔基体是由一层单位膜包围形成的囊泡系统。由扁平囊(saccule)、小泡(vesical)和大泡(vacuole)三种基本形态组成的。,transGolginetwork,TGN,.,扁平囊,呈盘状，3-10层称高尔基堆扁平囊间距：15-30nm；囊腔宽：6-15nm凸面：形成(顺)面；凹面(concave)：成熟(反)面形成面膜厚：6nm;成熟面膜厚：8nm囊腔内含：中等电子密度的物质来源：小囊泡融合。,medialGolginetwork,Forming/cisface,Mature/transface,.,凸面：形成(顺)面；,小囊泡,40-80nm球形小泡膜厚：6nm;泡内含物质：低电子密度物质，较透明。来源：由rER“芽生”而来。,cisGolginetwork,CGN,.,高尔基体的种标志细胞化学反应,嗜锇反应（顺面膜囊）焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）反应（反面的12层膜囊）胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）和酸性磷酸酶反应（反面膜囊状和反面管网结构）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应（中间几层）,.,高尔基体与细胞内膜泡运输,膜流(membraneflow)：细胞各种膜性结构之间相互联系和转移的现象称膜流。,运输小泡,高尔基体,大囊泡,细胞膜,内质网,62,.,（二）高尔基体的功能,高尔基体是细胞内大分子加工转运的枢纽对内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后定向转运内质网合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂,.,高尔基体与细胞的分泌活动,3H标记亮氨酸,3分钟,20分钟,120分钟,高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。,64,.,1.高尔基体与细胞的分泌活动,高尔基体TGN区是蛋白质包装分选的关键枢纽，至少有3条分选途径（1）溶酶体酶的包装与分选途径甘露糖-6-磷酸（M6P）标记（2）可调节性分泌（regulatedsecretion）途径特化类型的分泌细胞（3）组成型分泌（constitutivesecretion）途径所有真核细胞，均可通过分泌泡连续分泌某些蛋白质至细胞表面,.,高尔基体与溶酶体的形成,溶酶体的酶是由rER上的核糖体合成,rER腔内,运输小泡,高尔基体（加工修饰）,溶酶体的酶内含有甘露糖-6-磷酸，高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并“出芽”离开高尔基复合体形成溶酶体。溶酶体酶的分选：M6P反面膜囊M6P受体。在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。,.,发生在高尔基体TGN区的蛋白质分选途径,.,高尔基体对蛋白质的修饰加工,参与糖蛋白的合成和修饰,N-连接寡糖链：在rER腔内合成。,O-连接寡糖链：在高尔基体内合成。,糖蛋白,3H标记甘露糖,3H标记半乳糖；唾液糖,3H标记N-乙酰葡萄糖胺,参与蛋白质的改造,无活性前体物(某些肽类激素),加工改造,有活性的物质(激素),高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有严格的顺序性。,68,.,2.蛋白质的糖基化及其修饰,蛋白质糖基化的生物学功能蛋白质糖基化类型蛋白聚糖在高尔基体中组装植物细胞多糖的合成与分泌糖脂的合成与加工,.,（1）蛋白质糖基化的生物学功能,糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进蛋白质折叠和增强糖蛋白稳定性的作用蛋白质糖基化修饰利于高尔基体进行分选与包装，保证糖蛋白从rER至高尔基体膜囊单向转移细胞内一些负责糖链合成与加工的酶类均由管家基因编码；细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，直接介导细胞间的双向通讯，或参与分化、发育等多种过程多羟基糖侧链还可能影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质,.,（2）蛋白质糖基化类型,P120表7-1,.,N-连接寡糖的核心糖基是在内质网装配后转移到的高尔基体的；N-连接寡糖的进一步加工修饰在高尔基体上完成,N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程,.,（3）蛋白聚糖在高尔基体中组装,由一个或多个糖氨聚糖(glycosaminoglycan)结合到核心蛋白的丝氨酸Ser残基上，直接与Ser羟基结合的不是N-乙酰半乳糖胺而是木糖（xylose）,.,3.蛋白酶的水解和其他加工过程,无生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，切除N端或两端的序列形成成熟多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白等含有多个相同氨基酸序列的前体，在高尔基体中被水解形成同种有活性的多肽，如神经肽等同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工，产生不同种类的多肽，增加了细胞信号分子的多样性,.,胰岛素分子的加工与成熟,.,4高尔基复合体的病理性变化,异常改变,高尔基复合体的增生和肿胀：囊泡扩张可占据细胞质的大部分区域，多见于药物中毒。,高尔基复合体在癌细胞中的改变,高尔基复合体的萎缩和解体：囊泡塌陷、数量减少或降解，见于中毒或肿瘤细胞。,.,三、溶酶体,图溶酶体的发现过程（酸性磷酸酶存在于膜结合小泡中）左：造成膜泡破裂及酸性磷酸酶释放的条件右：鼠肝线粒体分离组分置于低渗条件下检测的酸性磷酸酶活性曲线,光镜下的内皮细胞：绿色荧光定位溶酶体红色显示线粒体,.,溶酶体的发现,1949年DeDuve将大鼠肝匀浆分级分离各种细胞器时，发现含有酸性磷酸酶活性的颗粒。1955年，电镜下观察到这种颗粒表面包围着一层膜，从而确认是一种新细胞器，定名为溶酶体。溶酶体：Lysosome，由单层膜围绕、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和保护作用。,.,溶酶体（Lysosome)细胞内“垃圾”处理厂,.,（一）溶酶体的形态结构与类型,异质性细胞器初级溶酶体次级溶酶体残质体,.,初级溶酶体(primarylysosome),刚刚从反面高尔基体形成的小囊泡,仅含有水解酶类，但无作用底物，外面只有一层单位膜，其中的酶处于非活性状态。,.,次级溶酶体(secondarylysosome),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，有水解酶和相应的底物，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体。根据所消化的物质来源不同,分为自噬性溶酶体、异噬性溶酶体。自噬性溶酶体：作用底物是内源性的,即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。异噬性溶酶体：它的作用底物是外源性的,即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。,.,.,残余体（residuallysosome）,未被消化的物质残余在溶酶体中形成残余小体或后溶酶体，以胞吐外排。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,.,内体,初级溶酶体,吞噬体,异溶酶体,吞饮体,异溶酶体,自噬体,自溶酶体,分泌颗粒,分泌溶酶体,次级溶酶体,残余小体,异噬作用,自噬作用,胞外消化,.,（一）溶酶体的形态结构与类型,溶酶体含有多种酸性水解酶类，酶的最适pH为5.0左右酸性磷酸酶是常用的标志酶溶酶体膜成分特殊嵌有质子泵具有多种载体蛋白膜蛋白高度糖基化次级溶酶体分为自噬溶酶体和异噬溶酶体,.,（二）溶酶体的功能,溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，一般可概括成内吞作用、吞噬作用和自噬作用3种途径,.,1.清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞,AaronCiechanover.NatureReviewsMolecularCellBiology,2005,6,79-87,.,2.防御功能,防御功能是某些细胞特有的功能，它可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解,.,3.其他重要的生理功能,作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节程序性死亡后的细胞被周围吞噬细胞溶酶体消化清除受精过程中的顶体反应,.,协助受精,顶体：精子头部膜下含有水解酶的囊状结构。,.,（三）溶酶体的发生,.,内吞体,rER,顺面管网,反面管网,高尔基复合体,溶酶体水解酶前体,M-6-P,溶酶体酶,前溶酶体,ATP,ADP+Pi,H+,去除磷酸,成熟溶酶体,pH=6,溶酶体酶的加工与分选,.,溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体,.,溶酶体酶分选途径多样化,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）,.,（四）溶酶体与疾病,溶酶体储积症（lysosomalstoragediseases）：溶酶体缺乏某种水解酶，导致相应的底物不能被降解而积蓄在溶酶体内如泰萨二氏病；细胞病等溶酶体膜稳定性下降，水解酶外溢导致的相关疾病如矽肺、类风湿性关节炎等,.,溶酶体与矽肺,矽肺silicosis与溶酶体膜受损有关。胶原纤维结节，肺弹性降低。,矽肺,正常肺,.,溶酶体与痛风,.,溶酶体病,粘多糖贮积病,.,泰-萨氏综合征神经元缺少氨基已糖酯酶A，神经节甘脂GM2积累,.,四、过氧化物酶体,又称微体(microbody)，是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的细胞器存在于所有动物细胞和很多植物细胞中异质性细胞器,鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体和其他细胞器如线粒体等,.,（一）过氧化物酶体与溶酶体的区别,过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征通过密度梯度离心可分离过氧化物酶体和溶酶体,.,过氧化物酶体与溶酶体在成分、功能及发生方式等方面的差异,过氧化物酶体与溶酶体的特征比较,.,（二）过氧化物酶体的功能,动物细胞中：参与脂肪酸的-氧化具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/2是在微体中氧化为乙醛植物细胞中：参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢在萌发的种子中，进行脂肪酸-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体,.,（二）过氧化物酶体的功能,过氧化物酶体中的两种酶依赖于黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2过氧化氢酶，