细胞生物学第六章 细胞质基质与细胞内膜系统

第六章细胞质基质与细胞内膜系统,第六章细胞质基质与细胞内膜系统,细胞质基质内质网高尔基体溶酶体与过氧化物酶体细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装,第一节细胞质基质,一、细胞质基质（cytoplasmicmatrixorcytomatrix）的涵义1、Cytoplasm：细胞核以外，质膜以内的原生质部分。2、Cytomatrix:在细胞质中除了膜性细胞器以外的胶状物质，称为细胞质基质，可发生溶胶和凝胶态变化。,3、Cytosol:现在多与cytomatrix等同，出自生化研究：用差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，存留在上清液中的胶质成分。4、成分：中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构、水分等。5、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。,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）,二、细胞基质的功能A.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.B.与细胞质骨架相关的功能：维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等.C.蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解,在细胞质基质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：(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；糖基化;N端甲基化;酰基化。(2)控制蛋白质的寿命:N端第一个aa残基：(3)降解变性和错误折叠的蛋白质。(4)帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠，形成正确构象。,细胞内膜系统（endomembranesystem）细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization）细胞骨架纤维为组织者的Cytomatrix形成有序的动态结构；细胞内的膜相结构-细胞器（organelles）,细胞内膜系统的研究方法DeDuve,A.ClaudeandG.Palade,1974NobelPlrize放射自显影（Autoradiography）;生化分析（Biochemicalanalysis）;遗传突变分析（Geneticmutants）,第二节内质网,内质网(endoplasmicreticulum,ER)由K.R.Porter、A.Claude和E.F.Fullam等人于1945年发现，他们在观察培养的小鼠成纤维细胞时，发现细胞质内部具有网状结构，建议叫做内质网endoplasmicreticulum，ER，后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还有质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切，并且常伴有许多线粒体。,一、内质网类型内质网膜约占细胞总膜面积的一半，是真核细胞中最多的膜。内质网是内膜构成的封闭的网状管道系统。具有高度的多型性。根据内质网上是否附有核糖体,将内质网分为两类:粗面型内质网（roughendoplasmicreticulum，RER）光面型内质网（smoothendoplasmicreticulum，SER）,RER呈扁平囊状，排列整齐，膜围成的空间称为ER腔（lumen），膜外有核糖体附着。SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。肌肉细胞中的肌质网是一种特化的SER，称为肌质网，可贮存Ca2+，引起肌肉收缩。细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。ER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER合成的脂类除满足自身需要外，还提供给高尔基体、溶酶体、内体、质膜、线粒体、叶绿体等膜性细胞结构。,细胞中内质网与细胞核、高尔基体的立体结构,内质网的化学组成蛋白与脂内质网是膜囊结构,所以构成内质网的主要化学成份是蛋白质和脂。内质网膜的化学组成与线粒体外膜很相似，磷脂占50%-60%,蛋白质约占20%。在磷脂中:磷脂酰胆碱占55%-58%;磷脂酰乙醇胺占20%-25%;磷脂酰肌醇及磷脂酰丝氨酸占5%-10%;鞘磷脂占4%-7%。代谢酶系光面内质网存在许多代谢酶系,主要有NADH-细胞色素P450还原酶、NADH-细胞色素B5还原酶、NADH-细胞色素C还原酶、ATP酶、5核苷酸酶、核苷焦磷酸酶、细胞色素b5、细胞色素P450、核苷二磷酸酶、-葡萄糖醛酸苷酶、酯酶以及合成甘油、脂酸、胆固醇的酶,细胞色素P450与电子传递链内质网膜中有丰富的细胞色素P450。占微粒体膜蛋白的10%,是跨膜蛋白。细胞色素P450是内质网电子传递链中的一个组成部分,这条电子传递链中还含有NADPH-细胞色素P450还原酶和磷脂酰胆碱。参与这一电子转移的另一种重要的酶是细胞色素b5,它也是还原酶,含有NADH。标志酶内质网的标志酶是葡萄糖-6-磷酸酶。,微粒体实验在GeorgePalade用离心技术分离到有核糖体结合的微粒体,即发现膜结合核糖体(membrane-boundedribosome)之后,科学家推测:膜结合核糖体合成的蛋白质首先要进入内质网的腔,然后通过选择性的分泌过程输出到细胞外,而游离核糖体上合成的蛋白质则留在细胞内使用。为了研究内质网上合成的蛋白质是否进入了内质网的腔,ColvinRedman和DavidSabatini用分离的RER小泡(微粒体)进行无细胞系统的蛋白质合成,证明了膜结合核糖体上合成的蛋白质进入了微粒体的腔。,二、ER主要功能1、蛋白质的合成粗面内质网膜结合核糖体，蛋白质都是在核糖体上合成的，起始于细胞质基质，但是有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成。合成的蛋白有：向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素；膜的整合蛋白；需要与其它细胞组合严格分开的酶，如溶酶体的各种水解酶；需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。,蛋白质转移到内质网上合成的过程,2、蛋白质的修饰与加工包括糖基化、羟基化、酰基化(形成脂连接蛋白)、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用：使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；赋予蛋白质传导信号的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔面形成脂锚定蛋白：新合成的蛋白质除了成为跨膜蛋白或ER腔中的游离蛋白外，还会通过酰基化同ER膜上的糖脂结合,将自己锚定在ER膜上。,N-连接的糖基化,3、新生肽链的折叠和装配不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同，这主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间。正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL（-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-）orHDEL（-His-Asp-Glu-Leu-COO-）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。Bip蛋白（重链结合蛋白，heavy-chainbindingprotein，的简称），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,4、脂质的合成由sER合成，包括磷脂和胆固醇各种膜脂（除少数几种线粒体和叶绿体膜脂在它们自己膜上合成）。催化磷脂合成的酶其活性部位朝向胞质基质一侧，因此，磷脂的合成只发生在ER膜临近胞质的一半。翻转酶Flippase,能把含胆碱的磷脂从膜的胞质侧翻转到邻ER腔的一半，但翻转酶对含乙醇胺、丝氨酸、肌醇的磷脂无效，所以造成膜两半脂分布不对称。细胞膜所需要的最重要的磷脂也是在光面内质网上合成的。在光面内质网上合成的磷脂先作为内质网膜的构成部分，然后再转运给其他的膜。,膜磷脂转移的两种方式(a)通过小泡运输将内质网上合成的脂转运到其他内膜系统的膜上包括细胞核膜;(b)通过磷脂转运蛋白将内质网上合成的脂转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的膜中,5、内质网的其它功能1）解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。2）类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）。3）肝细胞葡萄糖的释放（使葡糖6-磷酸水解，释放糖至血液中）4）储存钙离子：如肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+泵入肌质网腔中。5）提供酶附着的位点和机械支撑作用。,三、内质网与基因表达的调控内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。影响内质网细胞核信号转导的三种因素：内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。折叠好的膜蛋白的超量积累。内质网膜上膜脂成份的变化主要是固醇缺乏不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达,第三节高尔基体,高尔基复合体又称高尔基器(Golgiapparatus)或高尔基体,是意大利科学家CamilloGolgi在1898年发现的,它是普遍存在于真核细胞中的一种细胞器。高尔基复合体与细胞的分泌功能有关,能够收集和排出内质网所合成的物质,它也是凝集某些酶原颗粒的场所,参与糖蛋白和粘多糖的合成。高尔基复合体与溶酶体的形成有关,并参与细胞的胞饮和胞吐过程。,一、高尔基体的形态结构由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形，凸出的一面对着内质网称为形成面（formingface）或顺面（cisface）。凹进的一面对着质膜称为成熟面（matureface）或反面（transface）。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡，在具有极性的细胞中，高尔基体常大量分布于分泌端的细胞质中。电子显微镜所观察到的高尔基体最富有特征性的结构是由一些(通常是48个)排列较为整齐的扁平膜囊(saccules)堆叠在一起,构成了高尔基体的主体结构。,烟草根尖细胞高尔基体的电镜照片,高尔基体的膜囊结构及其排列,扁平膜囊(saccules)是高尔基复合体的主体部分。一般由310层扁平膜囊平行排列在一起组成一个扁平膜囊堆(stackofsaccules),每层膜囊之间的距离为150300,每个扁平囊是由两个平行的单位膜构成,膜厚67nm。小泡(vesicle)在扁平囊的周围有许多小囊泡,直径400-800。这些小囊泡较多地集中在高尔基复合体的形成面。一般认为它是由附近的粗面内质网出芽形成的运输泡.它们不断地与高尔基体的扁平膜囊融合,使扁平膜囊的膜成分不断得到补充。液泡(vacuoles)多见于扁平膜囊扩大之末端,可与之相连。直径0.1-0.5微米,泡膜厚约80。,高尔基体是极性细胞器:结构上的极性和功能上的极性高尔基体可分为不同的功能区室：靠近内质网的一面是由一些管状囊泡形成的网络结构,通常将这一面称为顺面(cisface),或称形成面(formingface)。由于顺面是网络结构,所以又称顺面高尔基网络(cisGolginetwork,CGN)。从功能上看,CGM被认为是初级分选站(primarilysortingstation),负责对从ER转运来的蛋白质进行鉴别,决定哪些需要退回,哪些可以进入下一站。,高尔基体中间膜囊(medialGolgi)由扁平囊和管道组成,形成不同的区室,但功能上是连续的、完整的膜体系。多数糖基修饰、糖脂的形成、以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊中。,反面高尔基网络(transGolginetwork，TGN),是高尔基复合体最外面一侧的管状和小泡状物质组成的网络结构，它是高尔基复合体的组成部分，并且是最后的区室。蛋白质的运输信号在此被特异的受体接受，进行分拣，集中，形成不同的分泌小泡，被运送到不同的地点。因此,它的主要功能是参与蛋白质的分类与包装,并输出高尔基体。某些“晚期”蛋白质的分类与包装也发生在TGN中。,功能上的极性:高尔基体虽然是由膜囊构成的复合体,但是不同的膜囊有不同的功能,执行功能时又是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能进行下一道工序,这就是高尔基体的极性。,培养的上皮细胞中高尔基体的分布（高尔基体为红色，核为绿色）引自/,高尔基体各部膜囊4种标志性细胞化学反应：嗜锇反应，经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色；焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应，可特异地显示高尔基体的trans面的12层膜囊；烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应，是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应；胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应，常常可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶，溶酶体就是在此处分泌产生的。,GERL结构：60年代初，Novikoff发现CMP和酸性磷酸酶存在于高尔基体的一侧，称这种结构为GERL，意为与高尔基体（G）密切相关，但它是内质网（ER）的一部分，参与溶酶体（L）的生成。,二、高尔基体的功能1、参与细胞分泌活动负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程是ER上合成蛋白质进入ER腔以出芽形成囊泡进入CGN在medialGdgi中加工在TGN形成囊泡囊泡与质膜融合、排出。高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。高尔基复合体位于内质网和质膜之间,是膜结合核糖体合成的蛋白质的分选和运输的中间站。,高尔基体和ER间的双向运输的模型从ER出芽形成的小泡到高尔基体顺面称为正向运输,从高尔基体形成的小泡都可独立地通过微管运回ER。,穿梭小泡从顺面高尔基体网络向反面高尔基体网络移动,实验证明高尔基体的中间膜囊具有蛋白质转运和加工的作用:对培养的中国仓鼠卵巢细胞(Chinesehamsterovarycell,CHO)进行诱变,获得一个突变体,该突变体是N-乙酰葡萄糖胺转移酶缺陷。在正常细胞中,该酶存在于高尔基体的中间膜囊,可将UDP-N-乙酰葡萄糖胺中的N-乙酰葡萄糖胺转移到糖蛋白的甘露糖上。实验中还要用一种病毒:水泡病毒(vesicularstomatitisvirus,VSV),VSV病毒是一种病原体,它能够编码一种膜整合糖蛋白(VSV-G),这种蛋白的糖基化是在高尔基体的中间膜囊中由N-乙酰葡萄糖胺转移酶催化的。,先用VSV感染突变的CHO细胞,培养后分离感染细胞的高尔基体,同时分离野生型、未经病毒感染的CHO细胞高尔基体。生化分析表明,从野生型CHO细胞中分离的高尔基体中间膜囊中没有VSV-G蛋白,而从感染的突变体CHO细胞中分离的高尔基体中间膜囊中有VSV-G蛋白,但是在甘露糖残基上没有N-乙酰葡萄糖胺。,将野生型CHO高尔基体作为VSV-G蛋白受体.病毒感染的CHO高尔基体作为VSV-G蛋白供体进行混合,同时添加小泡形成和转移所需的因子,以及放射性标记的N-乙酰葡萄糖胺。温育一段时间后再进行分析,发现高尔基体中间膜囊中已有被放射性标记的N-乙酰葡萄糖胺修饰的VSV-G蛋白,这一结果令人信服地证明来自于顺面小泡中的蛋白是经中间膜囊传递运输的,并在中间膜囊中被修饰。,细胞体系证明高尔基体中间膜囊在蛋白质转运中的作用,蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身流感病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞游离端的质膜水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞基底面的质膜水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号（Asp-X-Gln或DXE）起重要的作用溶酶体酶的分选：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,高尔基体反面网络的蛋白分选分选作用主要是由信号序列和受体之间的相互作用决定的，如KDEL序列是内质网的滞留信号一样，不同部位的蛋白具有不同的信号，在反面高尔基网络被分选包装到不同的小泡,没有特别信号的则进入非特异的分泌小泡。,2、蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质糖基化的特点及其生物学意义糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性；多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。,蛋白质糖基化类型,N-连接与O-连接的寡糖比较,真核细胞中寡糖链一般结合在肽链的4种氨基酸残基上，由此可分成两大类不同的糖基化修饰：1、N连接的糖基化（N-linkedglycosylation)连接到天冬酰胺的酰胺氮原子上2、O-连接的糖基化(O-linkedglycosylation)O-连接的糖基化是将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。,高甘露糖侧链的修饰高甘露糖基寡聚糖侧链所需的修饰比较简单,只要切除3分子的葡萄糖即可,这一过程是在RER中完成的。,3、蛋白质在高尔基体中酶解加工,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。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。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。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。在高尔基体中进行的肽链酪氨酸残基的硫酸化作用,胰岛素分子的加工成熟胰岛素是在胰岛B细胞中合成的,刚从内质网合成的多肽在N-末端有信号肽链,称前胰岛素原(preproinsulin),相对分子质量为12,000。随后在内质网的信号肽酶的作用下,切除信号肽,成为胰岛素原(proinsulin),相对分子质量9,000,含84个氨基酸。运输到高尔基体后,通过蛋白酶的水解作用,生成一个分子由51个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子C肽。,高尔基体与细胞内的膜泡运输,高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用,膜泡运输的主要途径,其中多数与高尔基体直接相关,第四节溶酶体与过氧化物酶体,溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。溶酶体（lysosome）是单层膜围绕、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作用。溶酶体的结构类型溶酶体的功能溶酶体的发生溶酶体与过氧化物酶体植物细胞中也有与溶酶体功能类似的细胞器，如圆球体、糊粉粒以及中央液泡等。,1955年deDuve与Novikoff首次发现溶酶体（lysosome）。它是单层膜围绕、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消化。溶酶体的酶蛋白在rER的核糖体上合成，有证据指出溶酶体可在ER形成，但一般认为溶酶体形成的主要位置是高尔基体，根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段。,一、溶酶体的结构类型溶酶体是一种异质性(heterogeneous)的细胞器,不同来源的溶酶体形态、大小,甚至所含有酶的种类都有很大的不同。溶酶体呈小球状,大小变化很大，直径一般0.250.8m，最大的可超过1m,最小的直径只有2550nm。溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acidphosphatase）,溶酶体的形态大小具吞噬作用的肝Kupper细胞中不同大小的溶酶体,图中示出至少10个不同大小的溶酶体。,溶酶体膜的特征溶酶体膜中嵌有质子运输泵(H+-ATPase),将H+泵入溶酶体内,使溶酶体中的H+浓度比细胞质中高；同时,在溶酶体膜上有Cl-离子通道蛋白，可向溶酶体中运输Cl-离子,两种运输蛋白作用的结果，就等于向溶酶体中运输了HCl,以此维持溶酶体内部的酸性环境(pH约为4.64.8)。溶酶体膜含有各种不同酸性的、高度糖基化膜整合蛋白,这些膜整合蛋白的功能可能是保护溶酶体的膜免遭溶酶体内酶的攻击,有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶体膜含有较高的胆固醇,促进了膜结构的稳定。具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运,溶酶体的形态、大小、及所含主要酶类示意图,溶酶体的主要酶类,溶酶体的类型由于溶酶体在形态上的多样性和异质性，曾发现各种不同类型的溶酶体。根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段,大致分为以下几种：,初级溶酶体直径约0.20.5um，有多种酸性水解酶，但没有活性，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，反应的最适pH值为5左右。直径约0.20.5um膜厚7.5nm，内含物均一，无明显颗粒。含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有酶活性。其水解酶包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，这些酶均属于酸性水解酶，反应的最适pH值为5左右，溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同主要区别是膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其pH值降低。膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。,初级溶酶体引自http:/www.uni-mainz.de,次级溶酶体这些都是消化泡，正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为自噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体（phagolysosome），前者消化的物质来自外源，后者消化的物质来自细胞本身的各种组分。异体吞噬泡（heterophagicvacuole），异噬小体（heterophagosome）：是初级溶酶体与吞噬小体融合后形成的泡状结构。吞噬小体（phagosome）是细胞内吞异物后形成的泡状结构，又称初级内吞小泡。自体吞噬泡（autophagicvacuole），自噬小体（autophagosome）：是初级溶酶体含有细胞自身的部分物质，（细胞器）进行消化的泡状结构。这部分细胞器可能是衰老的或多余的，这是一种自我保护作用。,次级溶酶体引自http:/www.uni-mainz.de,自噬性溶酶体是一种自体吞噬泡,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。这种溶酶体广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用，作为细胞内细胞器和其它结构自然减员和更新的正常途径。在组织细胞受到各种理化因素伤害时，自噬性溶酶体大量增加，因此对细胞的损伤起一种保护作用。异噬性溶酶体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。异噬性溶酶体实际上是初级溶酶体同内吞泡融合后形成的。,小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体用电镜细胞化学技术显示其中含有的酸性磷酸酶，M：线粒体，L：溶酶体（朴英杰）,残余小体（residualbody)又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多。次级溶酶体中的物质被消化完毕后，其残渣存在的泡状结构。这时已失去酶活性或酶活性极弱。异噬小体和自噬小体是正行使消化功能的次级溶酶体，而后溶酶体则是已经行使完消化功能的结构。,动物细胞溶酶体系统示意图,肝细胞中的脂褐质引自细胞生物学超微结构图谱1989,溶酶体的主要功能是消化作用，其消化底物的来源有三种途径:自体吞噬(autophagy),吞噬的是细胞内原有的物通过吞噬形成的吞噬体(phagosome)提供的有害物质;通过内吞作用(endocytosis)提供的营养物质。由于吞噬作用和内吞作用提供的被消化的物质都是来自细胞外,又将这两种来源的物质消化作用统称为异体吞噬(heterophagy)。,溶酶体的类型及在细胞消化过程中的作用图中简示了溶酶体的四种消化作用:A.吞噬作用;B自噬作用;C.自溶作用;D.细胞外消化作用。,自噬作用电镜照片所示是衰老的线粒体和过氧化物酶体被包裹在一个双层膜结构中,该膜来自于内质网。被ER膜包裹而成的自噬体将会与溶酶体融合,进而被溶酶体酶降解。,自体吞噬泡形成的机制内质网形成一个双膜的杯形结构(a,b),衰老的细胞器(线粒体)从杯口进入(c),然后封口(d),形成双膜的小泡。小泡与成熟的溶酶体融合(e),或与来自溶酶体分泌小泡融合(f),溶酶体的酶降解融合泡中的底物(g)。,自溶作用(autolysis)自溶作用是细胞的自我毁灭(cellularself-destruction),即溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解。在正常情况下,溶酶体的膜是十分稳定的,溶酶体的酶也安全地被包裹在溶酶体内,不会对细胞自身造成伤害。如果细胞受到严重损伤,造成溶酶体破裂,那么细胞就会在溶酶体酶的作用下被降解,如某些红细胞常会有这种情况发生。在多细胞生物的发育过程中，自溶对于形态建成具有重要作用。通过自溶作用,除去不必要的细胞、组织。如手指或脚趾的形成同溶酶体有关，它将指之间的结构水解。另外蝌蚪尾巴的蜕化也是溶酶体中一种水解酶(组织蛋白酶)消化作用的结果,该酶将尾部细胞破坏,使尾部消失。,二、主要功能,1、作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养；2、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3、防御功能（病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化）4、分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节5、参与清除赘生组织或退行性变化的细胞；6、受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。,顶体反应(a)海胆精子前端的顶体,正好位于细胞核的前面;(b)当精子的质膜与卵细胞周围物质接触时,精子释放出顶体中溶酶体的酶,消化卵细胞外的物质,使精子得以与卵细胞接触,附：溶酶体与疾病,溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障，影响细胞代谢，引起疾病。1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。二氧化硅的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，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，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。,2肺结核结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用，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。,3各类贮积症贮积症（storagedisease）是由于遗传缺陷引起的，由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积，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）：要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。,台-萨氏综合征神经元中同心圆状的溶酶体,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。,细胞内含物病（inclusion-celldisease，I-celldisease）：一种更严重的贮积症，是N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起的。由于基因突变，高尔基体中加工的溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，酶被运出细胞（defaultpathway）。这类病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，导致底物在溶酶体中大量贮积，形成所谓的“包涵体（inclusion）”。另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径。,4类风湿性关节炎溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎。,三、溶酶体的发生,发生途径分选途径多样化酶的加工方式多样化糖侧链的部分水解、膜蛋白等,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,溶酶体发生过程,溶酶体的酶寻靶过程、涉及的细胞器及机理大多数溶酶体的酶在寡糖链上含有甘露糖,在顺面高尔基网络转变成甘露糖-6-磷酸。新形成的溶酶体的酶通过高尔基复合体,在高尔基体反面网络与膜受体结合后被包进溶酶体分泌小泡,通过出芽形成自由的分泌泡。通过H+-质子泵调节溶酶体分泌小泡中的pH,使溶酶体的酶同受体脱离,受体再循环,溶酶体酶脱磷酸后成为成熟的初级溶酶体。,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,过氧化物酶体,过氧化物酶体（peroxisome）又称微体（microbody），由J.Rhodin（1954）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。是一种具有异质性的细胞器，在不同生物及不同发育阶段有所不同。直径约0.21.5um，通常为0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。共同特点是内含一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urateoxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心。,鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（P）和其它细胞器如线粒体（M）等（Albertetal.，1989）,人肝细胞过氧化物酶体（Ps，没有尿酸氧化酶结晶）引自细胞生物学超微结构图谱1989,烟草叶肉细胞的过氧化物酶体（中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心）,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。通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体过氧化物酶体和溶酶体的差别,微体与初级溶酶体的特征比较,过氧化物酶体的功能,1、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：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，作用是将H2O2分解，形成水和氧气。2、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。3、在植物细胞中过氧化物酶体的功能：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；乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。,过氧化物酶体的发生,氧化物酶体经分裂后形成子代的细胞器，子代的过氧化物酶体还需要进一步装配形成成熟的细胞器。组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后转运到过氧化物酶体中。过氧化物酶体蛋白分选的信号序列（Peroxisomal-targetingsignal，PTS）：PTS1为Ser-lys-leu，多存在于基质蛋白的C端。PTS2为Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基质蛋白N-端。过氧化物酶体膜上存在几种可与信号序列相识别的可能的受体蛋白。过氧化物酶体的膜脂可能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,过氧化物酶体发生过程的示意图,第五节细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装,分泌蛋白合成的模型-信号假说蛋白质分选与分选信号膜泡运输细胞结构体系的组装,从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生（线粒体、叶绿体），从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂。当细胞进行分裂时，不仅要进行染色体和细胞核的复制，同时各种细胞器通过吸收新合成的成分长大，然后随着细胞的分裂分配到子细胞中去。细胞不能从无到有产生所有膜性细胞器，新的膜性细胞器来源于已存在细胞器的分裂。如果彻底移除细胞内所有的过氧化物酶体，细胞根本不能重建新的过氧化物酶体，因为过氧化物酶体中具有选择性地接受细胞质内合成的蛋白质的转位因子（translocator）。,细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：一、蛋白质中包含特殊的信号序列（signalsequenceortargetingsequence），二、细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sortingreceptor），因此内膜系统的发生具有核外遗传（epigenetic）的特性。,为什么说蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一?这是因为在细胞生命周期的各个阶段都需要不断补充和更新蛋白质(或酶);细胞中的线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器都是通过已存在细胞器的分裂增殖的，新形成的细胞器的生长需要大量的蛋白质。细胞本身也是通过分裂增殖的,新形成的细胞为了增大体积，需要不断地补充蛋白。即使是不进行分裂的细胞，由于细胞内蛋白质的寿命限制和降解，也需要不断地补充蛋白质，取代细胞器中丧失功能的蛋白,所以蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一。,一、分泌蛋白合成的模型-信号假说,信号假说(Signalhypothesis)为什么有些核糖体合成蛋白质时不同内质网结合,有些正在合成蛋白质的核糖体要同内质网结合,并将合成的蛋白质插入内质网?美国洛克菲勒大学的GnterBlobel、DavidSabatini和BernhardDobberstein等于1971年提出两点建议:分泌蛋白的N-端含有一段特别的信号序列(signalsequence),可将多肽和核糖体引导到ER膜上;多肽通过ER膜上的水性通道进入ER的腔中,并推测多肽是在合成的同时转移的。,CsarMilstein1972年和他的同事用无细胞系统研究免疫球蛋白(IgG)轻链合成时获得了信号序列存在的直接证据,证明Blobel等的建议是正确的。他们用分离纯化的核糖体在无细胞体系中用编码免疫球蛋白轻链的mRNA指导合成多肽,发现合成的多肽比分泌到细胞外的成熟的免疫球蛋白在N端有一段多出的肽链,它有20个氨基酸,他们推测,这段肽具有信号作用,使IgG得以通过粗面内质网并继而分泌到细胞外。,G.Blobel、B.Dobberstein、P.Walter等人1975年用分离的微粒体和无细胞体系进行了大量的实验,提出了信号假说。认为蛋白质上的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成。Blobel因此项发现获1999年诺贝尔生理医学奖。指导分泌形蛋白在rER上合成的决定因素是蛋白N端的信号肽。信号识别颗粒（SRP)和内质网上膜上的信号识别颗粒的受体（又称停靠蛋白，DP）等因子协助完成这一过程。,信号序列在分泌蛋白质运输中的作用(a)在不含RER小泡的无细胞体系中翻译分泌蛋白,其N-端有信号序列,故比从细胞中分泌出来的相同蛋白质肽链长;(b)在加有RER小泡的无细胞体系中翻译分泌蛋白,信号序列在RER小泡中被切除,得到的产物与从细胞中合成分泌的相同。,信号肽（signalpeptide），是引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于新合成肽链的N端线性结构，一般1630个氨基酸残基，含有6-15个带正电荷的非极性氨基酸，信号肽是引导肽链进入内质网腔的一段序列。信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP），由6种结构不同的多肽组成，结合一个7SRNA，分子量325KD，属于一种核糖核蛋白(ribonucleoprotein)。SRP与信号肽结合，导致蛋白质合成暂停。,停靠蛋白(dockingprotein,DP)，即SRP在内质网膜上的受体蛋白,它能够与结合有信号序列的SRP牢牢地结合,使正在合成蛋白质的核糖体停靠到内质网上来。SRP受体蛋白除了同SRP结合将核糖体引导到内质网,同时,它的亚基与SRP一起催化GTP水解释放能量,帮助信号肽转位。停止转移序列（stoptransfersequence），肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。,信号假说,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,*“+”和“-”分别代表反应混合物中存在（+）或不存在（-）该物质。,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,ER跨膜可切除信号的一般结构,信号肽与共转移,信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与受体结合SRP脱离信号肽肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔信号肽切除肽链延伸至终止翻译体系解散。这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为co-translation，又称共翻译运输。,信号肽（signalsequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，通常15-60个氨基酸残基，有些信号序列在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signalpeptidase）切除.信号斑（signalpatch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。,膜结合核糖体体的蛋白质合成与转运,蛋白质转移到内质网上合成的过程,起始转移序列和终止转移序列信号肽作为信号被SRP识别外,还具有起始穿膜转移的作用。在蛋白质共翻译转运过程中,信号序列的N-端始终朝向内质网的外侧,插入蛋白质转运通道后与通道内的信号序列结合位点(受体)结合,其后的肽序列是以袢环的形式通过运输通道。,终止转移序列是存在于新生肽中能够使肽链通过膜转移停止的一段信号序列,结果导致蛋白质锚定在膜的双脂层,停止转运信号以螺旋的形式锚定在双脂层。因停止转移信号的作用而形成单次跨膜的蛋白,那么该蛋白在结构上只有一个停止转移信号序列,没有内含转移信号,但在N-端有一个信号序列作为转移起始信号。,起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数,内含信号序列又称内含信号肽(internalsignalpeptides),它不位于N-末端,但具信号序列的作用,故称为内含信号序列。它可作为蛋白质共翻译转移的信号被SRP识别,同时它也是起始转移信号。由于内含信号序列是不可切除的,又是疏水性,所以它是膜蛋白的一部分,如果共翻译转运蛋白质中只有一个内含信号序列,那么合成的蛋白就是单次跨膜蛋白。,内含信号序列与单次跨膜蛋白的整合,终止转移信号与单次跨膜蛋白的形成该蛋白在N-末端信号序列的作用下进行共翻译转运,当停止转移信号进入通道后,与通道内的结合位点相互作用,使通道转运蛋白失活,从而停止蛋白质的转运。由于N-末端的信号序列是可切除的,信号序列被切除后形成单次跨膜蛋白。,二次跨膜蛋白的形成内含信号序列形成一个跨膜区,停止转移序列形成一个跨膜区,二者相加就成为二次跨膜蛋白。,跨膜蛋白的取向,GTP在蛋白质转运中的作用研究证明SRP受体和SRP都是G蛋白,它们不仅将合成蛋白质的核糖体引导到内质网,而且通过GTP-GDP的交换,将内质网膜中的易位子(translocon)通道打开,让信号序列与之结合。GTP水解作为信号序列转运的能量来源。,信号肽跨膜的能量来源,导肽与后转移,基本的特征：蛋白质在细胞质基质中合成以后在导肽（信号序列）指导下再转移进入线粒体或叶绿体等细胞器中，称后转移（posttranslocation），又称翻译后运输。蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质（分子伴侣，molecularchaperones）的帮助（如、SRP、Cpns60、热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地转运、折叠或装配成有功能的蛋白。,二、蛋白质分选（proteinsorting）与分选信号（sortingsignals）,蛋白质分选和运输的基本原理蛋白质是由核糖体合成的，合成之后必须准确无误地运送到细胞的各个部位。在进化过程中每种蛋白形成了一个明确的地址签(addresstarget),细胞通过对蛋白质地址签的识别进行运送,这就是蛋白质的分选(proteinsorting)。细胞中蛋白质的运输有两种方式:共翻译运输和翻译后运输,内膜系统参与共翻译运输,是分泌蛋白质分选的主要系统。,蛋白质分选定位的空间障碍及运输方式从蛋白质定位的细胞内空间部位结构来看,可分三种类型:没有膜障碍的,如细胞质基质,包括细胞质基质中的细胞骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；有完全封闭的膜障碍,如线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体等；有膜障碍,但是膜上有孔,如细胞核。,蛋白质分选途径1、蛋白质跨膜转运（transmembranetransport)基质内合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体和过氧化物酶体等细胞器。但跨膜机制有所不同。2、膜泡运输（vesiculartransport）：蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体、细胞摄入某些营养物质或激素，都属于这种运输方式。,3、门控运输（gatedtransport）：如核孔可以选择性的主动运输大分子物质和RNP复合体，并且允许小分子物质自由进出细胞核。4、细胞质基质中蛋白质的转运这几种运输机制都涉及信号序列的引导和靶细胞器上受体蛋白的识别。,蛋白质分选定位的时空概念所谓蛋白质分选定位的时空概念包括两种含义:合成的蛋白质何时转运?合成蛋白质在细胞中定位空间及转运中所要逾越的空间障碍是什么?从时间上考虑,蛋白质的合成分选有两种情况:先合成,再分选和一边合成一边分选。为了适于蛋白质分选的时间上的需要,核糖体在合成蛋白质时就有两种存在状态:游离的或与内质网结合的。从蛋白质定位的空间看,包括了细胞内各个部分,即使是具有蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需要从细胞质中获取所需蛋白质。,几种典型的分选信号,Maintenanceofmembraneasymmetry,三膜泡运输,细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。尤其是新合成的蛋白质，如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体；细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。,膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器，可见不同的膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、去组装的复杂调控,三种不同类型的膜包被小泡具有不同的物质运输作用,在细胞分泌和内吞过程中,从膜上形成的小泡通常由不同的蛋白质包被，因此称为被膜小泡(coatedvesicles),有三种类型的被膜小泡。网格蛋白包被小泡COPII包被小泡COPI包被小泡,在细胞分泌和内吞途径中三种类型的被膜小泡及运输途径,在细胞合成与分泌途径中不同膜组分之间三种不同的膜泡运输方式:1.网格蛋白包被小泡介导从高尔基体TGN质膜和胞内体及溶酶体的运输；2.CO