细胞生物学-07-细胞内膜系统新

,细胞生物学,生命科学学院,主讲李桂兰,第七章真核细胞内膜系统蛋白质分选与膜泡运输,生物膜结构体系,Membranesdividethecytoplasmofeukaryoticcellsintodistinctcompartments.Threecategoriesineukaryoticcells:(1)thecytosol.(2)theendomembranesystem:ER,Golgicomplex,Lys.,secretoryvesicles.(3)mitochondria,chloroplasts,peroxisomes,andthenucleus.,Membrane-boundstructures(organelles)arefoundinalleukaryoticcells.,真核细胞内的区室,第一节细胞质基质,一、细胞质基质的概念主要是指细胞质内除去可分辨的细胞器和内含物以外的、较为均质半透明的胶状物质。细胞内的液态基质胞质溶胶P171,二、细胞质基质的组织形式,水：大部分为结合水，小部分游离存在，作为溶剂。蛋白质：直接或间接与细胞骨架或生物膜结合，并不是以溶解状态存在。蛋白质之间或与其他大分子之间可相互作用，形成多酶复合体，定位在细胞质基质的特定部位。mRNA的区域性分布,第一节细胞质基质,细胞质基质是一个复杂但高度有序的处于动态平衡的结构体系。结构体系维持的条件：细胞骨架体系、高浓度的蛋白质、特定的离子环境。,三、细胞质基质的结构特征,第一节细胞质基质,四、细胞质基质的涵义,见P172,第一节细胞质基质,五、细胞质基质的功能,完成各种中间代谢过程与细胞质骨架相关的功能蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解、帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠成正确的分子构象,第一节细胞质基质,第二节细胞内膜系统,细胞内膜系统是指在结构、功能以及发生上相互关联、由膜包被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。,一、细胞内膜系统内质网1、与内质网相关的几个概念,动质：最早期对内质网的描述。内质网：电镜下位于细胞内质的网状结构。微粒体：细胞匀浆超速离心过程的人工产物。,第二节细胞内膜系统,动质,1897年，Ganier在光学显微镜下发现，细胞中存在一个嗜碱性条形和丝状结构的特化区，且经常处于变化中.这种结构的变化与细胞的活动状态和动物的生理状态有关。Ganier将这种经常处于变化中的结构称为动质(ergastoplasm)。嗜碱性丝状结构是内质网结合核糖体正在合成蛋白质的形态反映。,第二节细胞内膜系统,内质网,1945年,K.R.Porter等在培养的细胞中初次观察到细胞内质部分的网状结构，并建议命名为内质网。以后发现其不仅仅存在于内质部位。,第二节细胞内膜系统,微粒体(microsome),微粒体不是细胞内的一种固有结构，而是细胞匀浆和差速离心过程中，由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，包含内质网膜与核糖体两种基本成分。微粒体仍具有内质网的基本特征；粗面微粒体仍保留RER所具备的功能,第二节细胞内膜系统,2、内质网的形态结构,透射电镜结构：平行的双层膜状，两层膜间的间距不等，或者是小管泡状。扫描电镜下的三维结构：扁平囊状、泡状或管网状。内质网为一连续的系统。完整细胞内的内质网在细胞核周围形成了网状的三维结构，在细胞质内铺展成树枝状，形成了复杂的网络。,第二节细胞内膜系统,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。内质网是单层膜构成的封闭的网状管道系统。,ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如:葡萄糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。,第二节细胞内膜系统,3、内质网的基本类型,两种基本类型：rER和sERrER：多为扁囊状。sER：多为分支管网状，形成立体结构。,第二节细胞内膜系统,4、内质网的功能,ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。1、糙面内质网的主要功能：蛋白质的合成2、光面内质网是脂质合成的重要场所3、蛋白质的修饰加工4、新生肽的折叠与装配5、其他功能：合成固醇类激素、解毒、参与糖原代谢、储存Ca+等。,第二节细胞内膜系统,1、蛋白质合成功能,分泌性的蛋白质膜整合蛋白内膜系统细胞器内可溶性驻留蛋白,第二节细胞内膜系统,大多数膜质在内质网合成两类例外:鞘磷脂和糖脂(开始于ER中;在Golgi中完成);(2)叶绿体和线粒体特有的某些脂类物质由自身合成.膜脂的转运：出芽转运：ERGC、Ly、PM磷脂转运蛋白（PEP）转运：ERotherorganelles（includingMitandChl）,2、脂质的合成,第二节细胞内膜系统,3.新生肽链的加工修饰：rER中的糖基化P188,糖基化的第一步是将一个14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽链的天冬氨酸上，其氨基酸的特征序列是Asn-XSer/Thr(X代表任何一种氨基酸),由于糖是同天冬酰胺的自由NH2连接，所以将这种糖基化称为N-连接的糖基化,在ER中主要发生N连接的糖基化,所有N连接的寡糖链都有一个共同的14个糖残基的前体(NAc2Man9Glc3）,所有成熟的N连接的寡糖链都有共同内核NAG2Man3,第二节细胞内膜系统,4、新生肽的折叠与装配,内质蛋白(endoplasmin)、钙网蛋白(calreticulin)、免疫球蛋白重链结合蛋白Bip，蛋白质二硫化物异构酶PDI等。网质蛋白参与了蛋白质的折叠和Ca+的贮存，另外对维持内质网的结构与功能也具有重要作用,第二节细胞内膜系统,二、细胞内膜系统高尔基体,1、高尔基体的形态结构形态不一、大小多变的囊泡体系,第二节细胞内膜系统,2、高尔基体是一种极性细胞器,2.1结构上的极性:恒定的位置和方向靠近细胞核的一面称为顺面或称形成面；高尔基体中间膜囊;靠近细胞质膜的一面称为反面或成熟面。2.2功能上的极性CisGolgi:接受来自内质网的物质,进行分类和初步修饰medialGolgi:蛋白质的糖基化修饰、糖脂合成、多糖合成等transGolgiandTGN:蛋白质的分类、包装，蛋白质的进一步修饰加工，最后输出高尔基体,第二节细胞内膜系统,3、高尔基体的主要功能,3.1参与细胞的分泌活动蛋白质分类加工包装定向转运对蛋白质的分类，依据蛋白质上的信号肽或信号斑。脉冲标记、放射自显影技术,第二节细胞内膜系统,例：溶酶体酶M6P标记的形成及分类包装,第二节细胞内膜系统,溶酶体酶ER中N-连接的糖基化,I细胞病：N-已酰葡萄糖胺磷酸转移酶基因缺损，不能合成M6P,例：内质网驻留蛋白的识别-Lys（orHis）-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL或HDEL信号序列）内质网驻留蛋白的信号序列高尔基体顺面膜上具有KDEL的受体。,第二节细胞内膜系统,3.2蛋白质的糖基化修饰,第二节细胞内膜系统,对来自内质网N-连接的糖链进一步修饰加工高甘露糖N-连接寡糖链复杂的N-连接寡糖链O-连接的糖基化主要在高尔基体中进行O-linked:与丝氨酸或苏氨酸或羟脯氨酸的羟基氧原子相连多种酶催化,所有N连接的寡糖链都有一个共同的14个糖残基的前体(NAc2Man9Glc3）所有成熟的N连接的寡糖链都有共同内核NAG2Man3,第二节细胞内膜系统,糖基化修饰的特点和意义P187,特点：没有模板，多种酶催化意义作为蛋白质分选的标志帮助蛋白质正确折叠，增加蛋白质的稳定性作为细胞保护性外被调节细胞的信号传递,第二节细胞内膜系统,3.3蛋白质的水解和其他加工,三、细胞内膜系统溶酶体,溶酶体：动物细胞中，单层膜围绕，内含多种酸性水解酶的囊泡状细胞器。主要进行细胞内的消化作用。植物细胞中的类似功能结构：圆球体以及植物中央液泡,第二节细胞内膜系统,1、溶酶体的基本特征,1.1溶酶体是一种异质性的细胞器Primarylysosomes：初级溶酶体Secondlysosomes：次级溶酶体heterophagic：异噬性溶酶体autophagic：自噬性溶酶体Residualbody：残余体,第二节细胞内膜系统,第二节细胞内膜系统,1.2溶酶体的酶,溶酶体内含有50多种酶类,这些酶的最适pH值是5.0,故均为酸性水解酶溶酶体酶的共同特征,即它们的寡糖链都有磷酸化甘露糖残基（M6P）。酸性磷酸酶是溶酶体常用的标志酶,1.3溶酶体膜,膜蛋白高度糖基化防止自身膜蛋白的降解溶酶体膜中嵌有质子泵维持溶酶体内部的酸性环境膜上具有多种载体蛋白用于水解产物的转运溶酶体膜含较高的胆固醇促进膜结构的稳定,第二节细胞内膜系统,2、溶酶体的功能,基本功能：具有消化作用，维持细胞的正常代谢活动，防御微生物感染。1、清除衰老损伤、死亡的细胞和衰老的细胞器、无用的生物大分子。2、防御功能：3、其他：提供营养、参与分泌、参与细胞的凋亡过程、受精过程中精子的顶体。,第二节细胞内膜系统,矽肺：溶酶体膜的稳定性降低I细胞病：不能形成溶酶体台-萨氏病：缺少氨基己糖酯酶A,3、与溶酶体有关的疾病,第二节细胞内膜系统,表1.神经鞘脂贮积病,第二节细胞内膜系统,4、溶酶体的M6P发生途径,第二节细胞内膜系统,溶酶体酶由rER合成，并经糖基化修饰,四、过氧化物酶体,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。,第二节细胞内膜系统,第二节细胞内膜系统,1、过氧化物酶体与溶酶体的区别,2、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。分解过氧化氢保护细胞，氧化甲醇、乙醇等。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。在植物细胞中参与光呼吸反应；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。,第二节细胞内膜系统,3、过氧化物酶体的发生,第二节细胞内膜系统,细胞内蛋白质合成转运到正确部位的过程称为蛋白质的分选或定向转运。一、蛋白质合成的机器和合成部位二、蛋白质分选的途径及转运方式三、蛋白质的分选机制四、膜泡运输,第三节蛋白质的分选,一、蛋白质的合成部位,蛋白质合成的机器是核糖体游离核糖体，在细胞质基质中；膜结合核糖体，在粗面内质网上。,第三节蛋白质的分选,第三节蛋白质的分选,二、蛋白质分选的途径及转运方式(P203),细胞质基质中游离核糖体开始蛋白质的合成,细胞质基质中完成合成,核糖体转移到内质网上与其结合，完成合成,线粒体叶绿体,过氧化物酶体,细胞核,细胞质基质,内膜系统细胞器,分泌到细胞外,跨膜蛋白,翻译后转运途径,共翻译转运途径,骨架系统,三、蛋白质的分选机制(P200),1、信号假说分泌性蛋白N端具有一段信号肽序列，指导分泌性蛋白质到内质网膜上合成，蛋白质边合成边进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。,第三节蛋白质的分选,2、N端信号肽,位于分泌性蛋白质N端的一段序列，一般为1626个氨基酸残基,在蛋白质合成中将核糖体引导到内质网,进入内质网后通常被切除。没有严格的专一性。N-末端含有1个或多个带正电荷的氨基酸,其后是612个连续的疏水残基,第三节蛋白质的分选,3、分泌性蛋白质转移到内质网上合成的过程,3.1指导分泌性蛋白质转移到内质网上合成的主要因子蛋白质N端的信号肽决定因素信号识别颗粒停泊蛋白信号识别颗粒受体易位子,第三节蛋白质的分选,SRP是一种核糖核蛋白复合体,SRP上有三个功能部位:信号肽识别结合位点(P54)、翻译暂停结构域(P9/P14)、SRP受体蛋白结合位点(P68/P72)。,第三节蛋白质的分选,Signalrecognitionparticle:One300ntRNA+6proteins,停泊蛋白信号识别颗粒受体,SRP在内质网膜上的受体蛋白,能够与结合有信号序列的SRP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。,第三节蛋白质的分选,易位子,核糖体结合受体，有信号肽的结合位点，与信号肽结合后可以发生构象变化，使内质网膜上的通道打开，肽链进入。,第三节蛋白质的分选,知识巩固练习在一无RER小泡的非细胞蛋白合成体系中，有一种分泌性蛋白质的mRNA、游离核糖体、蛋白质合成原料、酶、信号识别颗粒等，请问会出现下列哪种结果：1、合成带有信号肽的多肽链2、合成没有信号肽的多肽链3、不能合成多肽链如果在合成体系中再加入微粒体又会出现什么结果？如果合成体系中没有SRP，会是什么结果,第三节蛋白质的分选,（P201表格）,在rER上合成的蛋白质，边合成边进入内质网腔，这种转移方式称为共转移。有些蛋白质完全进入内质网腔；有些结合在膜上，不完全进入内质网腔，成为跨膜蛋白。完全进入内质网腔的蛋白包括：分泌蛋白、细胞器驻留蛋白,第三节蛋白质的分选,4、内质网跨膜蛋白的形成,N末端信号肽,内含信号序列,停止转移序列,第三节蛋白质的分选,4.1跨膜蛋白形成需要的信号,4.2一次跨膜和多次跨膜蛋白的形成,一次跨膜蛋白的形成：有一个N末端信号肽，一个停止转移序列只有一个内含开始转移信号序列多次跨膜蛋白的形成：多个起始跨膜信号与多个停止转移信号,第三节蛋白质的分选,第三节蛋白质的分选,4.3跨膜方向的决定,小结蛋白质到内质网合成的机制,N端信号肽引导分泌性蛋白质到内质网合成内含信号序列与停止转移序列决定内质网跨膜蛋白形成，指导蛋白质进入膜的方向和在膜上的位置。,第三节蛋白质的分选,5、蛋白质定向转运机制,信号指导蛋白质转移信号肽、内含信号序列、停止转移序列导肽核定位信号（NLS）KDEL信号序列M6P,第三节蛋白质的分选,四、膜泡运输,1、运输小泡的类型和分选信号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COPII有被小泡：内质网高尔基体网格蛋白有被小泡：高尔基体TGN胞内体、溶酶体、细胞外、植物液泡COPI有被小泡：高尔基体内质网,第三节蛋白质的分选,2、膜泡运输的定向机制,选择性融合是保证细胞内定向膜流的因素之一。运输小泡寻靶:SNARE假说NSF和SNAPs：动物细胞融合需要NSF和SNAPsNSF是一种可溶性的细胞质蛋白，叫做N-乙基马来酰亚胺敏感的融合蛋白。SNAPs是几种可溶性的NSF结合蛋白。SNAREs为SNAP受体蛋白,可以作为膜融合时SNAPs的附着点,第三节蛋白质的分选,一、名词解释1、细胞内膜系统2、微粒体3、信号假说4、信号肽5、自噬（异噬）溶酶体二、填空题1、溶酶体的酶来自于（），溶酶体的膜来自于（），溶酶体的酶都属于（）水解酶，其常用的标志酶是（）。2、细胞内的糖类物质主要在（）合成，溶酶体的M6P标志在（）形成，O-连接的糖基化在（）进行,N-连接的糖基化在（）进行。3、内质网的标志酶是（），高尔基体的标志酶是（），溶酶体的标志酶是（），微体的标志酶是（）。4、指导分泌性蛋白到内质网合