细胞生物学-内膜系统的结构与功能

(Golgicomplex),第三节高尔基复合体,1898年,意大利医生C.Golgi用银染法研究神经细胞时发现,命名为内网器.20世纪50年代，电子显微镜应用才确认,称为高尔基复合体。,光学显微镜蛙脊神经节切片银染,常因细胞类型和生长时期不同而有很大不同。分泌功能旺盛的细胞，较发达;不具分泌功能的细胞，则很罕见。,肠上皮粘液细胞膜结构区隔化,分布：,数目：,一高尔基复合体的形态结构,形态：由一些(48个)排列较为整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠形成。囊多呈弓形，也有的呈半球形或球形。,1极性细胞器,1）排列有方向性2）物质转运方向性物质从顺面进入，从反面输出3)功能区隔性不同区隔功能不同,2高尔基复合体的结构,高尔基体顺面膜囊及顺面网状结构(CGN)高尔基中间膜囊高尔基体反面膜囊及反面网状结构(TGN),1)顺面膜囊及顺面网状结构(cisGolginetwork，CGN)：位于高尔基体顺面最外侧的扁平膜囊，又称cis膜囊，是中间多孔而呈连续分支状的管网结构。锇酸特异性染色；功能：初步分选来自内质网的蛋白质；蛋白的o连接糖基化及酰基化。,顺面初步分选：含内质网驻留信号的蛋白返还内质网;分泌蛋白进入中间膜囊。,内质网驻留信号：C末端有Lys-Asp-Glu-Leu/KDEL序列,2）高尔基中间膜囊(medialGolgi),由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，功能上是连续、完整的膜囊体系。NADP酶是其标志酶功能：合成多糖、蛋白质和脂类的糖基化。,3）高尔基体反面膜囊（transgolgi）和反面高尔基体网状结构(transGolginetwork,TGN),TGN位于反面的最外层，与反面的扁平膜囊相连，另一侧伸入反面的细胞质中;形态呈管网状，周围有一些成熟的分泌囊泡；对蛋白质进行分类和包装。,高尔基体各膜囊之间有膜性结构相连,4）高尔基体周围囊泡：顺面侧囊泡:为ER和Golgi之间的运输小泡，称为ERGIC(endoplasmicreticulm-golgiintermediatecompartment)或VTCs（Vesicular-tubularclusters)，P53为其标志蛋白;反面侧囊泡:为分泌泡和分泌颗粒；高尔基体膜囊周缘也可膨大出芽形成囊泡:用来完成膜囊间的物质运输；,高尔基体各部分的特异细胞化学反应顺面膜囊被锇酸特异地染色中间几层扁平囊烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的反应trans面的12层膜囊焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)反应近反面的一些膜囊状和管状结构胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应,CMP酶也是溶酶体的标志酶。,二高尔基复合体的化学组成,脂类介于内质网和质膜之间粗面内质网高尔基复合体质膜神经鞘磷脂、胆固醇磷脂酰胆碱多糖形成面成熟面梯度上升蛋白质各种酶，糖基转移酶是高尔基复合体的特征性酶,三高尔基复合体的功能,接收由粗面内质网合成的物质进一步加工、分选、包装输出至细胞不同区域及胞外,“交通枢纽”,3分钟标记,20分钟标记,120分钟标记,标记蛋白,分泌泡,内质网,高尔基体,用3H亮氨酸标记天竺鼠胰腺外分泌细胞，应用放射自显影电镜技术跟踪放射性标记氨基酸在胰腺细胞内的分布,1、参与细胞分泌活动,分泌蛋白的分泌过程：RER上合成蛋白质进入ER腔出芽形成囊泡进入CGNmedialGolgi中加工TGN形成囊泡囊泡与质膜融合排出胞外。,高尔基体对溶酶体蛋白的分类与转运机制：溶酶体中的酸性水解酶类在内质网上合成N连接的糖基化修饰酶分子中的天冬酰氨残基上共价结合一个寡糖链高尔基体顺面膜囊N乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶N乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶酶分子寡糖链中多个甘露糖被磷酸化产生6磷酸甘露糖。高尔基体反面膜囊上的6磷酸甘露糖的受体特异结合溶酶体酶，使其分离，并局部浓缩,ER腔,蛋白质在高尔基体中的分选及转运信息存在于其基因本身。高尔基体识别各蛋白所携带的分选信号，进而对其分类、包装与运送的机制?!,2蛋白和脂类的糖基化,蛋白糖基化：RER上合成的大多数蛋白质在从内质网向高尔基体及在高尔基体各膜囊之间的转运过程中，连接在蛋白侧链上的寡糖基会发生一系列有序的加工与修饰。糖鞘脂糖基化：磺基糖基转移酶,半乳糖,甘露糖,N-乙酰葡萄糖氨,N-乙酰神经酰氨,糖基化的两种形式：N连接糖基化：寡糖连接到蛋白质天冬酰胺的酰胺氮原子上发生在糙面内质网中成熟的N连接的寡糖链都含有2个N乙酰葡萄糖胺和3个甘露糖残基O连接糖基化：寡糖与蛋白质丝氨酸、苏氨酸或在胶原纤维中的羟赖氨酸或羟脯氨酸的羟基（-OH）结合；在内质网或高尔基体中进行，由不同的糖基转移酶催化，每次加上一个单糖。最后一步是加上唾液酸残基，（高尔基体反面膜囊和TGN中）,糖基化的意义：标记蛋白，便于分类包装，保证糖蛋白从RER至高尔基体膜囊单方向转移；影响多肽构象确保正确折叠；糖的羟基可影响蛋白水溶性和所带电荷的性质；保护蛋白，抵御水解酶降解；(溶酶体酶)在细胞表面形成糖萼，起细胞识别和保护质膜作用。,3前体蛋的加工和改造,无活性的蛋白前体加工活性蛋白,前胰岛素原的加工,前体蛋白的加工类型及其意义类型切除N端或C、N两端后成为成熟蛋白（胰岛素、胰高血糖素、血清蛋白)；水解含重复氨基酸序列的前体蛋白成多个相同的活性小肽（神经肽）；根据前体蛋白的信号序列将其加工成不同产物；,意义防止活性蛋白在合成细胞中发挥作用；小肽分子难以在核糖体上合成（神经肽5aa）产生包装并转运到分泌泡中的必要信号；,4参与膜脂合成和膜的转化,合成鞘磷脂和鞘糖脂膜转化：高尔基体膜在厚度和化学组成上处于内质网和质膜之间。在内质网上合成的新膜转至高尔基体后，经修饰加工，形成运输泡与质膜融合，使新形成的膜整合到质膜上。,意义：使膜性细胞器的膜成分得到补充和更新。,ER高尔基复合体质膜,膜流示意图,5参与细胞内的膜泡运输,1）RERGolgi的膜泡运输2）分泌小泡的外排3）内吞小泡的运输,第四节溶酶体和过氧化物酶体,溶酶体（lysosome）是一种外被以单位膜、内含有多种酸性水解酶，能水解多种内源性和外源性大分子物质的细胞器,被称为细胞内的“消化器”。几乎存在于所有的动物细胞中，植物细胞内的圆球体及中央液泡与其功能类似，原生动物细胞中也存在类似溶酶体的结构。酶的最适pH为5左右。,溶酶体的发现,DeDuve1949发现，1974获诺贝尔医学生理学奖；溶酶体1.20-1.24gcm-3线粒体1.19gcm-3纠缠不清；在大鼠肝线粒体中与糖代谢相关酶研究中，存在于“分离的线粒体”(包含溶酶体)中的不参与糖代谢的酸性磷酸酶被选为对照偶然：样品经长时间放置或蒸馏水处理后酸性磷酸酶活性升高；但其他的酶并未发生变化。另外一种具膜的细胞器中含酸性磷酸酶；近一步离心，分离得到了溶酶体，1955，电镜下观察到，得到确认。,偶然？敏锐的洞察能力,科学发现的两种模式常规模式：正确的假说指导，无偶然因素作用下发现科学事实；非常规模式：以意外科学事实为契机而作出的科学发现；,溶酶体的分布,溶酶体结构电镜图,一溶酶体的结构类型,1.形态结构特点:异质性细胞器(不同溶酶体形态大小及水解酶种类差异较大）多呈球形直径多在0.2-0.8m，最小0.05m，可达数m。,大鼠肝细胞溶酶体,异质性细胞器(形态，内含物质上的差异）,溶酶体膜的特点：嵌有质子泵，以形成和维持酸性内环境。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，防止自身膜蛋白的降解。,2溶酶体的类型,根据所处功能阶段不同可分为：初级溶酶体(primarylysosome)次级溶酶体(secondarylysosome)残余体（residualbody）,1)初级溶酶体(primarylysosome),由高尔基复合体分选产生的运输小泡和前溶酶体融合形成;内含各种酸性水解酶，未与底物结合均质球形,初级溶酶体,初级溶酶体的发生,溶酶体酶的分选含溶酶体酶的无被小泡形成无被小泡结合前溶酶体形成初级溶酶体,初级溶酶体的形成过程图,前溶酶体,溶酶体酶的分选,溶酶体酶具有信号区/信号斑(Signalpatch),CGN区中的磷酸转移酶识别溶酶体蛋白的信号斑，并对其上的甘露糖进行磷酸化，,6-磷酸甘露糖的形成,N乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶,顺面膜囊,中间膜囊,甘露糖,催化部位,识别部位,TGN区M6P受体识别并结合M6P，在反面膜囊聚积并出芽形成有被小泡.M6P受体与M6P在pH7结合，在pH6分离.,有被小泡脱被形成无被运输小泡,无被小泡与前溶酶体融合，形成成熟的溶酶体酶.,H,酶的合成N-连接糖基化M6p残基形成酶的分拣、集中酶运输酶活化,附着核糖体内质网腔顺面高尔基网反面高尔基网运输小泡前溶酶体初级溶酶体（受体返回）,依赖于M6P的分选途径效率不高：含M6P的溶酶体酶可直接分泌到细胞外；质膜上有依赖Ca+的M6P受体，结合胞外溶酶体酶，将其内吞至前溶酶体中，M6P受体返回质膜，反复使用。M6P分选途径只限于溶酶体的酸性水解酶，溶酶体中还存在不依赖于M6P的分选途径：如溶酶体膜蛋白的分选和转运等,含M6P的酶的运输特异性不强,初级溶酶体和次级溶酶体模式图,次级溶酶体,初级溶酶体,2）次级溶酶体(secondarylysosome),由初级溶酶体与胞内的自噬泡或异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成，分为自噬溶酶体(autophago1ysosome)和异噬溶酶体(phagolysosome)，包含多种生物大分子、颗粒性物质、线粒体等细胞器乃至细菌等，形态不规则，直径可达几微米。,自噬性溶酶体和异噬性溶酶体,电镜下初级溶酶体和次级溶酶体,大纲,异噬性溶酶体(heterophagolysosome),底物是外源性的.吞噬性溶酶体（phagolysosome):吞噬泡和初级溶酶体结合多泡体（multivesicularbody):胞饮泡和初级溶酶体结合,自噬性溶酶体,底物是内源性的:存在于正常细胞、受损细胞及病变细胞对正常细胞内结构的更新起着重要作用,自噬性溶酶体,线粒体,过氧化物酶体,3）残余体,未被消化的残渣物质累积在次级溶酶体中形成残余小体,可通过胞吐的方式将内含物排出。根据残余物不同分为：脂褐素(lipofusion)含铁小体(siderosome)髓样结构(myelinflgure),残余小体,次级溶酶体,异噬性溶酶体消化底物是细胞外源性物质,自噬性溶酶体消化底物是细胞内源性物质,吞噬溶酶体吞噬泡融合,多泡小体胞饮泡融合,初级溶酶体,底物,二溶酶体的功能,细胞内消化与营养作用免疫与防御功能参与器官、组织形成与更新协助受精,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,依靠自噬泡降解无用的蛋白、脂和核酸等大分子物质和细胞器；巨噬细胞清除衰老细胞；,生活垃圾累积？,细胞内垃圾？,疾病,台萨氏病神经节苷脂累积导致,2防御功能：,杀死入侵的病毒或细菌。某些病原体麻风杆菌和利什曼原虫(黑热病)可抑制吞噬泡的酸化，从而抑制溶酶体活性；通过受体介导的内吞作用侵入细胞的病毒，则利用酸性环境脱掉衣壳.,3作为胞内消化“器官”为细胞提供营养,降解内吞及体内存在的大分子物质为小分子物质，供其他细胞器合成新的大分子.,LDL在溶酶体中形成胆固醇,4参与器官、组织形成与更新,自溶作用溶酶体膜破裂，释放水解酶到细胞质中，引起细胞自身物质的溶解，整个细胞被释放的酶所消化。（PCD）蝌蚪变态时的尾部吸收。骨骼发生过程中骨组织的更新。,5协助受精,顶体（acrosome)由精母细胞内的高尔基复合体演变而来的，是一个大的特化的溶酶体。顶体反应在受精过程中，顶体膜与精子质膜融合穿孔，释放到细胞外的顶体酶协助精子穿透卵的外层，进入卵内,完成受精。,返回,卵子,精子,顶体,精子细胞核,皮质颗粒,精子顶体反应,三溶酶体与人类疾病,各类贮积症：贮积症（storagedisease）是由于遗传缺陷引起溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在其中大量贮积，进而影响细胞功能，常见的贮积症主要有以下几类。台-萨氏综合征（Tay-Sachsdiesease）：也叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累，影响细胞功能，造成精神痴呆，26岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。,II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。Gaucher病：又称脑苷脂沉积病,是巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏-葡萄糖苷酶造成的。大量的葡萄糖脑苷脂沉积在这些细胞溶酶体内,巨噬细胞变成Gaucher细胞，患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中枢神经系统发生退行性变化，常在1岁内死亡。,矽肺:二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅形成硅酸，其羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细胞吞噬，如此反复进行。受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。,肺结核：结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体外表含有硫酸脑苷脂能抵抗溶酶体水解酶，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。类风湿性关节炎患者溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎。,四过氧化物酶体,过氧化物酶体(peroxisome)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。存在于所以动物和多数植物细胞中。异质性细胞器，一直把它看作某种溶酶体，Rhodin（1954）电镜下观察到，1970s(DeDuve发现尿酸氧化酶同溶酶体酶及酸性磷酸酶分布相当一致，但也有例外，最后发现尿酸氧化酶和H2O2代谢相关酶单独存在于“H2O2”小体中），才逐渐确认过氧化物酶体的存在。,离心分离实验”溶酶体”中至少有一种非酸性水解酶-尿酸氧化酶。尿酸氧化酶1.25g/cm3，线粒体1.19g/cm3，溶酶体1.20-1.24g/cm3。密度差异小，难分开？一次偶然：TritonWR1339注射小鼠，其主要积累在溶酶体中，降低溶酶体浮力密度(1.1-1.14g/cm3)。酸性磷酸酶和过氧化氢酶的释放实验用去垢剂（毛地黄皂苷）破坏细胞器，要加十倍量的去垢剂才能释放过氧化氢酶和尿酸氧化酶。溶酶体和过氧化物酶体是不同细胞器，且它们的膜对去垢剂耐受性不同。,1过氧化物酶体的形态结构,单层膜包裹的圆形或卵圆形小体直径为0.2-1.7m中央常含有类核体,为尿酸氧化酶的结晶,2过氧化物酶体中的酶,依赖于黄素(FAD)的氧化酶：将底物氧化，并形成H2O2；RH2+O2R+H2O2过氧化氢酶：占过氧化物酶体总蛋白量的40，为过氧化物酶体的标志酶，可将H2O2分解，形成水和氧气。H2O2+RH2R+2H2O.,过氧化物酶体中发现的主要酶类,说明：存在，-；：不存在；空白：未测。,3过氧化物酶体与溶酶体的区别,过氧化物酶体,4过氧化物酶体的功能,动物细胞中的作用：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。分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能，而不必通过水解ATP的途径获得热能。,乙肝中过氧化物酶体中的乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶可使酒精转化为乙醛和乙酸，最后生成二氧化碳和水放出能量。但过渡饮酒会伤害肝脏：乙醇氧化产生的乙醛,可作为黄嘌呤氧化酶的底物而产生大量的超氧化阴离子(O2)，O2可引起肝细胞膜类脂过氧化而损害肝细胞。体内超氧化物歧化酶（SOD）可催化O2生成O2和H2O2，H2O2则由谷胱甘肽过氧化物酶催化转变成O2和H2O,从而保护肝脏免受损害。,在植物细胞中的作用绿色植物叶肉细胞：催化CO2固定反应副产物（乙醇酸）的氧化，是光呼吸反应（光合作用25的产物被其“浪费”掉）的重要一环；种子萌发：降解储存的脂肪酸产生乙酰辅酶A，转化成琥珀酸，再生成葡萄糖。此过程伴随着一系列称为乙醛酸循环的反应；因此又称为乙醛酸循环体(glyoxysome)。,5过氧化物酶体的发生,过氧化物酶体成熟后分裂形成子代过氧化物酶体，其内蛋白由核基因编码，在胞质中合成后转运到其中。蛋白上有信号序列（Peroxisomal-targetingsignal，PTS），膜上有受体:PTS1:Ser-lys-leuC端PTS2:Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-LeuN端,过氧化物酶体成长,成熟过氧化物酶体分裂,过氧化物酶体的膜脂在内质网上合成后转运而来；内质网也参与过氧化物酶体的发生。,第五节膜泡运输,普遍存在于真核细胞中，是蛋白运输的一种特有方式。在转运过程中涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，及不同膜泡定向运输和复杂的调控过程。10种运输小泡参与完成胞内的膜泡运输，其上有特殊标志，可以保证转运物质到达特定部位。,内体,网格蛋白有被小泡；COPII有被小泡；COPI有被小泡；,1.参与膜泡运输的三种不同类型的有被小泡,1）网格蛋白包被小泡结构：网格蛋白组成外层结构骨架；接合素构成内壳。功能：a.负责蛋白质从高尔基体TGN到质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡的运输。b.在受体介导的细胞内吞途径中负责将物质从质膜运到细胞质，以及从胞内体到溶酶体的运输。,网格（笼形）蛋白:由3个重链和3个轻链形成的具有3个曲臂形状（triskelion）的蛋白。笼形蛋白的曲臂部分可相互交织，形成5/6边形网孔的“笼子”。,网格蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型。,接合素/衔接蛋白（adaptors）介导网格蛋白与膜受体之间的连接。类型：AP1：高尔基体内体的蛋白运输；AP2：质膜内体的蛋白运输；AP3：高尔基体溶酶体的蛋白运输。,当笼形蛋白衣被小泡形成时，发动蛋白聚集成一圈围绕在芽的颈部，将柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），导致膜融合，掐断衣被小泡。其还可召集其它可溶性蛋白在小泡的颈部聚集，通过改变膜的形状和膜脂的组成，促使小泡颈部膜融合，形成衣被小泡。,网格蛋白有被小泡介导的选择性运输,功能：介导从内质网到高尔基体的物质运输。结构组分：Sar1：GTP酶，结合GDP失活，结合GTP活化；调节包被的装配和去装配；召集其他包被蛋白形成包被；Sec23/Sec24复合体：和Sar一起构成包被内层；Sec13/Sec31复合体：构成包被外层；Sec16：可能作为骨架蛋白起作用；Sec12：Sar1的鸟苷酸交换因子（GEF）。,2)COPII包被小泡,G蛋白调节蛋白：GEF（guanine-nucleotideexchangefactor）:使G蛋白释放GDP，结合GTP而激活。GAP（GTPase