细胞生物学第7章

1、 第一节第一节细胞质基质细胞质基质的涵义与功能的涵义与功能1.1 细胞质基质的涵义细胞质基质的涵义基本概念基本概念 细胞质基质是细胞质内除细胞器和内含物以外的、较为均质和半透明的胶状物质。生物化学家称之为胞质溶胶。 成分成分极其庞杂极其庞杂 中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构、大量的蛋白质和rna分子 。 特点特点高度有序的体系高度有序的体系 多酶复合体 锚定于细胞骨架上 附着于生物膜上 细胞质基质是细胞的重要的结构成分，细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半其体积约占细胞质的一半 细 胞 组 分 数 目 体 积 比细胞质基质细胞核内质网高尔基体溶酶体胞内体过氧化物酶体线粒体

2、1 1 1 1 300 200 400 1700 54 6 12 3 1 1 1 22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） 1.2 细胞质基质的功能细胞质基质的功能v中间代谢和生物合成；信号传递中间代谢和生物合成；信号传递 v与细胞质骨架相关的功能与细胞质骨架相关的功能v维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等v蛋白质的修饰和选择性的降解蛋白质的修饰和选择性的降解 蛋白质的修饰 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠蛋白质正确的折蛋白质正确的折叠

3、由许多蛋白因叠由许多蛋白因子的帮助子的帮助没有信号序列的没有信号序列的蛋白质将留在细蛋白质将留在细胞质基质胞质基质细胞质基质与胞质溶胶细胞质基质与胞质溶胶 v早期学者把差速离心去除各种细胞组分后最终留下早期学者把差速离心去除各种细胞组分后最终留下的富含蛋白质的组分称为的富含蛋白质的组分称为“胞质溶胶胞质溶胶”v胞质溶胶中的成分与细胞质基质周围的溶液成分有胞质溶胶中的成分与细胞质基质周围的溶液成分有很大不同很大不同v细胞质基质与细胞骨架的关系细胞质基质与细胞骨架的关系 细胞骨架为细胞质基质中其它成分和细胞器提供锚定位点 细胞骨架成分装配和解聚与周围液相的动态平衡第二节第二节细胞内膜系统细胞内膜系

4、统及其功能及其功能细胞内膜系统细胞内膜系统（endomembrane system）内膜系统内膜系统： 真核细胞内在结构、功能及发生上相关的膜相结构的总称内质网内质网核膜核膜溶酶体溶酶体高尔基体高尔基体分泌泡分泌泡细胞内膜系统的研究方法细胞内膜系统的研究方法 放射自显影（autoradiography） 生化分析（biochemical analysis） 遗传突变分析（genetic mutants）2.1 内质网内质网(endoplasmic reticulum,er)v内膜系统的发源地内膜系统的发源地v真核细胞大分子合成基地真核细胞大分子合成基地2.1.1 内质网的形态结构内质网的形态结

5、构v由封闭的膜系统及其围成的腔形成的互相沟通由封闭的膜系统及其围成的腔形成的互相沟通的网状结构的网状结构v使细胞内膜的表面积大增使细胞内膜的表面积大增v形成了完整封闭体系形成了完整封闭体系v是细胞内除核酸外的大分子合成基地是细胞内除核酸外的大分子合成基地内质网的类型内质网的类型v糙面内质网糙面内质网（ rough endoplasmic reticulum，rer） 扁囊状，排列整齐，膜表面分布着大量的核糖体v光面内质网光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，ser）分支管状，只是内质网连续结构的一部分 v微粒体微粒体（microsome） rer 是er与核糖体

6、组成的功能性复合体内质网腔内质网腔内质网膜内质网膜microsome(100-200nm)糙面微粒体糙面微粒体光面微粒体光面微粒体微粒体（微粒体（microsome） 在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的 内质网形成的近似球形的囊泡结构内质网形成的近似球形的囊泡结构2.1.2 内质网的功能内质网的功能 er是细胞内蛋白质与脂类合成的基地v蛋白质的合成蛋白质的合成 分泌的蛋白质 膜的整合蛋白 可溶性驻留蛋白v脂质的合成脂质的合成 v蛋白质的修饰与加工蛋白质的修饰与加工 v新生多肽的折叠与装配新生多肽的折叠与装配vrer的功能的功能 分泌蛋白在内质网上合成过程分

7、泌蛋白在内质网上合成过程 v在游离核糖体上起始多肽链的合成，至80个氨基酸残基v信号识别颗粒与信号肽结合合成暂停v信号识别颗粒与dp结合；核糖体与内质网膜上的易位子（translocon）结合v信号识别颗粒脱离，返回胞质，重新利用v肽链穿入内质网腔，合成继续v信号肽被腔面上的信号肽酶切除，肽链继续延伸直至完成整个多肽链的合成n-linked: linked to the amide nitrogen of asparagine ( in er )o-linked: linked to the hydroxyl group serine or threonine via galnac ( in

8、golgi )蛋白质的修饰与加工蛋白质的修饰与加工n连接的糖基化连接的糖基化n连接糖基化发生于内质网，在高尔基体中继续进行加工连接糖基化发生于内质网，在高尔基体中继续进行加工ser的功能的功能膜脂的合成膜脂的合成v包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部膜脂的合成v磷脂合成酶是er膜整合蛋白，活性位点朝向细胞质基质v转位与转运磷脂转换蛋白（pep） 转位出芽 新生多肽的折叠与装配新生多肽的折叠与装配2.1.3 内质网与基因表达的调控内质网与基因表达的调控 影响内质网影响内质网细胞核信号转导的三种因素：细胞核信号转导的三种因素： 2.2 高尔基体高尔基体 ( golgi complex )v形态形态 扁平

9、膜囊和大小不等的囊泡v极性极性 位置、方向、物质转运与生化极性v组成组成 高尔基体顺面网状结构（cgn） 高尔基体中间膜囊（medial golgi） 高尔基体反面网状结构（tgn） 周围大小不等的囊泡 （高尔基小泡、分泌泡） v结构特点结构特点 动态动态结构结构 高尔基体的形态结构高尔基体的形态结构顺面顺面反面反面cgntgn中间膜囊中间膜囊高尔基高尔基小泡小泡分泌分泌小泡小泡a)嗜锇反应区嗜锇反应区 cgn b) 甘露糖苷酶甘露糖苷酶 中间膜囊中间膜囊c) cmp酶特异性反应酶特异性反应 tgn高尔基体各部膜囊的标志细胞化学反应高尔基体各部膜囊的标志细胞化学反应高尔基体的动态结构高尔基体的

10、动态结构2.2.2 高尔基体的功能高尔基体的功能v高尔基体与细胞的分泌活动高尔基体与细胞的分泌活动v蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质的糖基化及其修饰v蛋白酶的水解和其它加工过程蛋白酶的水解和其它加工过程v蛋白质的分选及运输蛋白质的分选及运输高尔基体与细胞的分泌活动高尔基体与细胞的分泌活动 细胞的分泌活动细胞的分泌活动a model for the retrieval of er resident proteins.the kdel receptor captures the soluble er resident proteins and carries them in copi-coated t

11、ransport vesicles back to the er.neutral ph: dissociate from the kdel; low ph: binding the kdel 蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质的糖基化及其修饰v类型类型 n-连接糖基化连接糖基化 o-连接糖基化连接糖基化v特点特点 没有模板没有模板 分区定位分区定位 复杂的加工复杂的加工v意义意义 分选信号分选信号 蛋白质的构象和稳定性蛋白质的构象和稳定性 蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质 蛋白质糖基化类型蛋白质糖基化类型n-连接糖基化连接糖基化o-连接糖基化连接糖基化合成部位

12、合成部位粗面内质网粗面内质网高尔基体高尔基体合成方式合成方式同一个寡糖前体同一个寡糖前体每个单糖次序加每个单糖次序加与之结合基团与之结合基团nh2（天冬酰胺天冬酰胺 ）oh(丝氨酸等）丝氨酸等）最终长度最终长度5个糖残基以上个糖残基以上14个糖残基个糖残基首个糖残基首个糖残基n乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺n乙酰半乳糖胺等乙酰半乳糖胺等蛋白酶的水解和其它加工过程蛋白酶的水解和其它加工过程v方式方式 v意义意义 物质的分选与运输物质的分选与运输 高尔基体的功能高尔基体的功能2.3 溶酶体的结构和功能溶酶体的结构和功能2.3.1 溶酶体形态结构与类型溶酶体形态结构与类型 histochemical vi

13、sualization of lysosomes. electron micro-graphs of two sections of a cell stained to reveal the location of acid phosphatase, a marker enzyme for lysosomes. the larger membrane-bounded organelles, containing dense precipitates of lead phosphate, are lysosomes, whose diverse morphology reflects varia

14、tions in the amount and nature of the material they are digesting. the precipitates are produced when tissue fixed with glutaraldehyde is incubated with a phosphatase substrate in the presence of lead ions. two small vesicles thought to be carrying acid hydrolases from the golgi apparatus are indica

15、ted by red arrows in the top panel. (courtesy of daniel s. friend.) 溶酶体的组织化学溶酶体的组织化学溶酶体的结构类型溶酶体的结构类型v初级溶酶体（primary lysosome）v次级溶酶体（secondary lysosome） 自噬溶酶体（autophagolysosome） 异噬溶酶体（phagolysosome）v残余小体（residual body）是否存在作用底物底物来源不同primary lys.second lysresidual body溶酶体的类型溶酶体的类型v初级溶酶体初级溶酶体v次级溶酶体次级溶酶体

16、自噬溶酶体自噬溶酶体 异噬溶酶体异噬溶酶体 v残余体残余体溶酶体膜的特性溶酶体膜的特性v膜内侧高度糖基化膜内侧高度糖基化 膜结构完整膜结构完整v膜上膜上h泵泵 ph5.2v膜上载体蛋白膜上载体蛋白 向胞质输送养料向胞质输送养料a2.3.2 溶酶体的功能溶酶体的功能溶酶体的功能溶酶体的功能基本功能基本功能消化作用消化作用细胞的自我更新（自噬作用）防御功能作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养其它特殊功能：细胞分泌 顶体反应 细胞凋亡（自溶作用) 免疫功能自噬作用：溶酶体与自噬泡融合，将自身的某些结构加以降解。自溶作用：溶酶体膜受损，其内酸性水解酶大量释放到细胞质空间，造成细胞溶解死亡。溶溶 酶酶

17、 体体 与与 疾疾 病病2.3.3 溶酶体的发生溶酶体的发生关键关键：m6p 6磷酸甘露糖磷酸甘露糖 m6p-r 6磷酸甘露糖受体磷酸甘露糖受体m6p作为溶酶体酶的标志作为溶酶体酶的标志targeting of soluble lysosomal enzymes to endosomes and lysosomes by m-6-p tag phosphorylation of mannose residues on lysosomal enzymes catalyzed by two enzymesphosphoglycosidase溶酶体酶分选与局部浓缩（tgn）m6p去磷酸化（前溶酶体）

18、溶酶体的发生溶酶体的发生分选信号m6p溶酶体酶的合成及n-连接的糖基化修饰（rer） 寡糖链上的甘露糖残基磷酸化（cgn）受体再循环udpglcnacump, n-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶磷酸葡萄糖苷酶 glcnac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m6pn-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：信号斑溶酶体发生途径溶酶体发生途径 2.3.4 溶酶体与过氧化物酶体溶酶体与过氧化物酶体 过氧化物酶体过氧化物酶体(peroxisom)

19、又称微体又称微体(microbody)v形态结构形态结构 囊泡结构囊泡结构单层膜围绕，单层膜围绕，0.5um，圆形、椭圆形或哑呤形，圆形、椭圆形或哑呤形 内含物内含物过氧化氢酶（标志酶）过氧化氢酶（标志酶） 依赖黄素（依赖黄素（fad）的氧化酶）的氧化酶v特点特点 异质性的细胞器异质性的细胞器 尿酸氧化酶结晶尿酸氧化酶结晶 过氧化物酶体的功能过氧化物酶体的功能 rh2+o2r+h2o2 h2o2 +rh2r+ h2ov动物细胞（肝细胞或肾细胞）动物细胞（肝细胞或肾细胞）解毒作用解毒作用v分解脂肪酸等高能分子向细胞直接分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能提供热能v植物中植物中叶肉细胞，叶肉细胞

20、，光呼吸反应光呼吸反应 种子萌发，种子萌发，乙醛酸循环乙醛酸循环过氧化物酶体的发生过氧化物酶体的发生v分裂方式增值，进一步装配成熟分裂方式增值，进一步装配成熟v膜脂可能在内质网上合成后转运而来膜脂可能在内质网上合成后转运而来v蛋白成分在细胞质基质中合成，然后转运到过氧蛋白成分在细胞质基质中合成，然后转运到过氧化物酶体化物酶体 第三节第三节细胞内蛋白质的分选细胞内蛋白质的分选与膜泡运输与膜泡运输3.1 信号假说与蛋白质分选信号信号假说与蛋白质分选信号 信号假说信号假说(signal hypothesis) 信号肽信号肽（signal peptide）与）与共转移共转移 导肽导肽（leader p

21、eptide）与）与后转移后转移3.1.1 信信 号号 假假 说说v信号假说内容 分泌蛋白n端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。v指导因子蛋白质n-端的信号肽（signal peptide）信号识别颗粒（signal recognition particle，srp）信号识别颗粒的受体（停泊蛋白docking protein，dp）等 3.1.2 信号肽与共转移信号肽与共转移v信号肽信号肽与信号斑信号斑： 分泌蛋白开始合成时n端的一段1626个氨基酸残基序列 ，以此指导分泌蛋白在糙面内质网中的合成和转运，在蛋白质合成结束前被切除 v共转移（cot

22、ranslocation） 肽链一边合成一边转移到内质网腔中的方式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只有n端信号序列的肽链将进入内质网腔 信号肽与信号斑信号肽与信号斑信号肽的作用信号肽的作用 信号肽作用机制信号肽作用机制v信号肽v信号肽识别颗粒（srp）vsrp受体v易位子v关键关键开始转移序列开始转移序列 停止转移序列停止转移序列v进入内质网腔进入内质网腔v跨膜蛋白跨膜蛋白 v关键关键开始转移序列开始转移序列 停止转移序列停止转移序列v多次跨膜蛋白多次跨膜蛋白3.1.3 导肽与后转移导肽与后转移导肽导肽 指导线粒体、叶绿体中的绝大多数蛋白质和过氧化物

23、酶体指导线粒体、叶绿体中的绝大多数蛋白质和过氧化物酶体中的蛋白质从胞质中转移到相应细胞器的信号序列中的蛋白质从胞质中转移到相应细胞器的信号序列后转移后转移（post translocation）蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中器中 蛋白质跨膜转移过程需要atp使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。 3.2 蛋白质分选的基本途径与类型蛋白质分选的基本途径与类型v合成合成两条基本途径两条基本途径 细胞质基质中完成合成细胞质基质中完成合成 主要在糙面内质网上合成主要在糙面内质网上合成

24、 v转运转运四种基本类型四种基本类型 蛋白质的跨膜转运蛋白质的跨膜转运 膜泡运输膜泡运输 选择性的门控转运选择性的门控转运 细胞质基质中的蛋白质的转运细胞质基质中的蛋白质的转运 细胞内蛋白质的分选v游离核糖体游离核糖体v附着核糖体附着核糖体线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞质基质内质网、高尔基体、溶酶体、膜蛋白、分泌蛋白3.2 膜泡运输膜泡运输 v膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。v 三种类型的包被小泡网格蛋白包被小泡copii包被小泡 copi包被小泡 v 膜泡运输是特异性过程特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、去组装的复杂调控。 膜泡运输膜泡运输 3.3.1 网格蛋白包被小泡网格蛋白包被小泡相关运输途径相关运输途径 高尔基体高尔基体tgn质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡 受体介导的细胞内吞途径受体介导的细胞内吞途径 胞内体胞内体溶酶体溶酶体 结构结构 网格蛋白网格蛋白 衔接蛋白衔接蛋白 clathrin coated vesiclesselective trans