第七讲细胞质基质和内膜系统

1、核糖体核糖体蛋白质蛋白质mRNAtRNA骨架蛋白骨架蛋白蛋白酶体蛋白酶体1962年，年，Ritossa在研究果蝇唾液腺染色体时发现在研究果蝇唾液腺染色体时发现了一种在细胞高温应激时对细胞有保护作用的蛋了一种在细胞高温应激时对细胞有保护作用的蛋白质，因而命名为白质，因而命名为“热休克蛋白热休克蛋白”。最初只认为。最初只认为HSP在高温下可有效保护蛋白质折叠结构，真核在高温下可有效保护蛋白质折叠结构，真核细胞和原核细胞在高温时均可产生细胞和原核细胞在高温时均可产生HSP。进一步。进一步研究表明，其他许多刺激，如病毒感染、发热、研究表明，其他许多刺激，如病毒感染、发热、炎症、组织损伤、代谢性疾病、癌

2、症、心肌肥大炎症、组织损伤、代谢性疾病、癌症、心肌肥大等均可使等均可使HSP产生异常升高。产生异常升高。 膜结合细胞器和内膜系统的研究方法膜结合细胞器和内膜系统的研究方法 虽然电子显微镜能够获得高度清晰的细胞内膜系统的结构虽然电子显微镜能够获得高度清晰的细胞内膜系统的结构, ,但是但是不能研究单个膜结合细胞器的结构和功能。离心分离技术、同不能研究单个膜结合细胞器的结构和功能。离心分离技术、同位素示踪技术和突变技术是有效的研究内膜系统的方法。位素示踪技术和突变技术是有效的研究内膜系统的方法。 放射自显影术放射自显影术(autoradiography) 胰腺系统中胰泡细胞具有最发达的内膜系统胰腺系

3、统中胰泡细胞具有最发达的内膜系统, 主要功能是主要功能是合成消化酶类。这些酶类合成之后要从胰腺系统经由导管合成消化酶类。这些酶类合成之后要从胰腺系统经由导管分泌到小肠中行使功能。这些酶是如何分泌出去的分泌到小肠中行使功能。这些酶是如何分泌出去的? Jamws Jamieson 和和George Palade使用放射自显影技术使用放射自显影技术证明了蛋白质分泌起始于内质网证明了蛋白质分泌起始于内质网,经高尔基体到达细胞外。经高尔基体到达细胞外。 (a)细胞与同位素接触细胞与同位素接触3分钟之后分钟之后,标记物出现在内质网中标记物出现在内质网中; (b)细胞接触同位素细胞接触同位素3分钟后分钟后,

4、置于非同位素的培养基中置于非同位素的培养基中“跟踪跟踪”17分钟分钟,放射性标记出现在高尔基体放射性标记出现在高尔基体和部分分泌泡和部分分泌泡; (c)细胞接触同位素细胞接触同位素3分钟后分钟后,置于无同位素的培养基中置于无同位素的培养基中“跟跟踪踪”117分钟分钟,标记物主要出现在分泌泡中。标记物主要出现在分泌泡中。 差速离心分离与功能分析差速离心分离与功能分析 微粒体微粒体(microsomes)分离分离 虽然放射自显影技术证明了分泌蛋白合成的起始部位，但不能证但不能证明合成分泌蛋白的是何种细胞器明合成分泌蛋白的是何种细胞器。Albert Claude和Christian De Duve发

5、展了细胞组份分离技术，分离到了具有蛋白质合成和分泌功能的结构。这些结构称为微粒体(图9-8)。 用机械匀浆将细胞破碎,各种膜细胞器破碎,并且重新自我融合形成各种球形膜泡,通过较高速度离心除去细胞核、线粒体、过氧化物酶体等细胞器。收集悬浮液再用较低速度离心,然后用电子显微镜检查离心后分开的两部分结构。发现上层的囊泡表面是光滑的,沉淀下的囊泡表面有核糖体颗粒。 用突变体研究内膜系统的功能用突变体研究内膜系统的功能 为了研究编码与分泌途径相关蛋白的基因,科学家们筛选了一些突变体,在这些突变体中,内膜结构不正常。如获得的涉及ER出芽小泡形成基因发生突变酵母突变体的ER就特别大; 若是涉及与高尔基体融合

6、的基因突变,这种酵母突变体中就会积累大量的分泌泡。通过对酵母突变体的研究, 揭示了小泡运输的过程(图9-9)。 野生型是分泌正常的酵母野生型是分泌正常的酵母,A,A、B B、C C、D D、E E是五类不同的是五类不同的secsec基因基因(secretory genes)(secretory genes)突变突变, ,代表了蛋白质分泌代表了蛋白质分泌的五个过程。的五个过程。A:A:分泌蛋白不能进入内质网分泌蛋白不能进入内质网,B: ,B: 内质网出芽缺陷内质网出芽缺陷,C:,C:分泌小泡不能与高尔基体融合分泌小泡不能与高尔基体融合:D:D:高尔基体高尔基体不能形成分泌泡不能形成分泌泡;E:;

7、E:分泌泡不能与质膜融合。分泌泡不能与质膜融合。 在蛋白质的合成与分泌的研究中分别使用了同位素示踪技术、分离技术和突变体研在蛋白质的合成与分泌的研究中分别使用了同位素示踪技术、分离技术和突变体研究技术究技术, 说明这些技术的研究结果各说明了什么问题说明这些技术的研究结果各说明了什么问题?小鼠睾丸间质细胞滑面内质网小鼠睾丸间质细胞滑面内质网鸡鸡输输卵卵管管细细胞胞粗粗面面内内质质网网内质网在细胞中的分布图内质网在细胞中的分布图鸡输卵管细胞粗面内鸡输卵管细胞粗面内质网（上）质网（上）小鼠睾丸间质细胞滑小鼠睾丸间质细胞滑面内质网（下）面内质网（下）细胞不含纯粹的细胞不含纯粹的RER或或SER，它们分

8、别是，它们分别是ER连续结构的一部分。连续结构的一部分。两种内质网结构差异模式图两种内质网结构差异模式图细胞中，粗面内质网的多少，常常可作为估计细胞分化细胞中，粗面内质网的多少，常常可作为估计细胞分化程度和功能状态的一个指标。程度和功能状态的一个指标。在分化程度不同的肿瘤细胞中，如实验大白鼠的肝癌，在分化程度不同的肿瘤细胞中，如实验大白鼠的肝癌，分化程度高、生长速度慢的癌细胞粗面内质网发达，而分化程度高、生长速度慢的癌细胞粗面内质网发达，而分化程度低、生长速度快的癌细胞中只有少量粗面内质分化程度低、生长速度快的癌细胞中只有少量粗面内质网。网。 磷脂在胞质面合成：磷脂在胞质面合成： 首先，内质网

9、膜中脂肪酸与胞质溶胶首先，内质网膜中脂肪酸与胞质溶胶中的磷酸甘油结合中的磷酸甘油结合,然后脱磷然后脱磷,并内质网并内质网膜中胆碱磷脂转移酶的作用下膜中胆碱磷脂转移酶的作用下,将胞质将胞质溶胶中的溶胶中的CDP-胆碱与内质网膜中的甘胆碱与内质网膜中的甘油脂肪酸结合形成磷脂酰胆碱。油脂肪酸结合形成磷脂酰胆碱。 : : 以比自发翻转快以比自发翻转快10105 5倍倍的速度，将脂类分子从细胞的速度，将脂类分子从细胞质基质面膜层翻转到质基质面膜层翻转到ERER腔面腔面膜层中。膜层中。 特点：特点：翻转酶翻转酶磷脂合成酶磷脂合成酶SER中的中的P450酶系属于单加氧酶，又称为多功能氧化酶酶系属于单加氧酶，

10、又称为多功能氧化酶 、羟化酶，因其还原态的吸收峰在羟化酶，因其还原态的吸收峰在450nm处，故名。主要分处，故名。主要分布在布在SER中，但也存在于质膜、线粒体、高尔基体、过氧中，但也存在于质膜、线粒体、高尔基体、过氧化物酶体、核膜等细胞器的膜中，具有解毒作用，化物酶体、核膜等细胞器的膜中，具有解毒作用，通常可通常可将脂溶性有毒物质，代谢为水溶性物质，使有毒物质排出将脂溶性有毒物质，代谢为水溶性物质，使有毒物质排出体外。体外。有时也会将致癌物代谢为活性致癌物。有时也会将致癌物代谢为活性致癌物。P450种类繁种类繁多，但都是与其他辅助成分组成一个呼吸链来实现其功能，多，但都是与其他辅助成分组成一

11、个呼吸链来实现其功能，呼吸链中的呼吸链中的P450还原酶实际就是一种黄素蛋白。还原酶实际就是一种黄素蛋白。P450催化催化O2分子中的一个原子加到底物分子上使之羟化，另一个氧分子中的一个原子加到底物分子上使之羟化，另一个氧原子被原子被NADH或或NADPH提供的氢还原生成水，在此氧化过提供的氢还原生成水，在此氧化过程中无高能磷酸化合物生成程中无高能磷酸化合物生成。 羟基化涉及四个基本反应 被氧化的物质同细胞色素P-450结合细胞色素P-450中的铁原子被NADPH还原氧同细胞色素P-450结合底物结合一个氧原子被氧化,另一个氧原子用于形成水(图9-15)。被氧化的底物由于带上羟基,增强水溶性,

12、容易被分泌排出。 图9-15 混合功能氧化酶将底物羟基化的机制(1)(1)被羟基化的底物与细胞色素被羟基化的底物与细胞色素P-450P-450结合结合;(2);(2)细胞色素细胞色素P-450P-450中的铁原子被中的铁原子被NADPHNADPH所还原所还原; (3); (3)氧与氧与细胞色素细胞色素P-450P-450结合结合;(4);(4)底物被一个氧原子所氧化底物被一个氧原子所氧化, ,另一个氧用于形成水。另一个氧用于形成水。 (Golgi complex )(Golgi complex )医生医生光学显微镜蛙脊光学显微镜蛙脊神经节切片银染神经节切片银染常因细胞类型和生长时常因细胞类型和

13、生长时期不同而有很大不同。期不同而有很大不同。 分泌功能旺盛的细胞，分泌功能旺盛的细胞，较发达较发达; ;不具分泌功能的细胞，不具分泌功能的细胞，则很罕见。则很罕见。肠上皮粘液细胞膜结构区隔化肠上皮粘液细胞膜结构区隔化数目：数目：形态：形态：由一些由一些(4(48 8个个) )排列较为整齐的排列较为整齐的扁平膜囊扁平膜囊(saccules)(saccules)堆叠堆叠形成。形成。囊多呈弓囊多呈弓形，也有的呈半形，也有的呈半球形或球形。球形或球形。 蛋蛋白白C 末端有末端有Lys-Asp-Glu-Leu /序列序列3H标记亮氨酸标记亮氨酸3分钟分钟20分钟分钟90分钟分钟高尔基复合体在细高尔基复

14、合体在细胞分泌活动中起着胞分泌活动中起着重要的运输作用；重要的运输作用；在分泌颗粒的形成在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。修饰、加工等作用。 1)1)参与细胞的分泌活动参与细胞的分泌活动2)2)对蛋白质、脂类的糖基化修饰对蛋白质、脂类的糖基化修饰参与糖蛋白的合成和修饰参与糖蛋白的合成和修饰N-连接的糖蛋白连接的糖蛋白O-连接的糖蛋白连接的糖蛋白糖蛋白糖蛋白3H标记半乳糖；唾液糖标记半乳糖；唾液糖3H标记甘露糖标记甘露糖3H标记标记N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺蛋白质合成蛋白质合成溶酶体寡糖磷酸化溶酶体寡糖磷酸化切除甘露糖切除甘露糖加加N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺加

15、半乳糖加半乳糖加唾液酸；分拣加唾液酸；分拣溶酶体溶酶体顺面高尔基网顺面高尔基网中间囊中间囊反面囊反面囊反面高尔基网反面高尔基网大泡（分泌颗粒）大泡（分泌颗粒）rER高尔基复合体高尔基复合体顺面囊顺面囊高尔基垛高尔基垛(磷酸转移酶磷酸转移酶) 高尔基复合体不同的生化区室含有不同的酶，对高尔基复合体不同的生化区室含有不同的酶，对蛋白质寡糖链按顺序依次修饰。这种顺序加工有利于蛋白质寡糖链按顺序依次修饰。这种顺序加工有利于糖蛋白的分选糖蛋白的分选 。无活性的前体物质无活性的前体物质（某些肽类激素）（某些肽类激素）加工改造加工改造有生物活性的物质有生物活性的物质（激素）（激素） 3 3) ). .对蛋白

16、质的水解和加工对蛋白质的水解和加工 直接酶解切除新生蛋白原中的直接酶解切除新生蛋白原中的N-端或中间或两端或中间或两端的氨基酸序列，使之成为具有生物活性的蛋白质，端的氨基酸序列，使之成为具有生物活性的蛋白质，如如胰岛素原胰岛素原、甲状腺激素原和血清蛋白原等、甲状腺激素原和血清蛋白原等胰岛素是在胰岛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

17、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(图9-34)。 高尔基体反面网络的功能是进行蛋白质的分选(图9-35)。 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。4)4)对蛋白质的分选对蛋白质的分选5 5参与膜的转化参与膜的转化膜流：细胞的各种膜性结构之间相互联系和膜流：细胞的各种膜性结构之间相互联系和转移的现象称膜流。转移的现象称膜流。内质网内质网运输小泡运输小泡高尔基高尔基复合体复合体大囊泡大囊泡细胞膜细胞膜膜流膜流

18、溶酶体（溶酶体（lysosomelysosome）是一种外被以单位膜、）是一种外被以单位膜、内含有多种内含有多种酸性水解酶，酸性水解酶，能水解多种内源性和能水解多种内源性和外源性大分子物质的细胞器外源性大分子物质的细胞器, ,被称为被称为细胞内的细胞内的“消化器消化器”。 几乎存在于所有的动物细胞中，植物细胞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。物细胞中也存在类似溶酶体的结构。 酶的最适酶的最适pHpH为为5 5左右。左右。偶然？偶然？ 敏锐的洞察能力敏锐的洞察能力科学发现的两种模式科

19、学发现的两种模式常规模式：常规模式：正确的假说指导，无正确的假说指导，无偶然因素作用下发现科学事实；偶然因素作用下发现科学事实；非常规模式：非常规模式：以意外科学事实为以意外科学事实为契机而作出的科学发现；契机而作出的科学发现；大鼠肝细胞溶酶体大鼠肝细胞溶酶体初级溶酶体初级溶酶体前溶酶体前溶酶体 信号斑信号斑(signal patch)信号斑是溶酶体酶蛋白多肽形成的一个特殊的三维结构, 它是由三段信号序列构成的, 可被磷酸转移酶特异性识别。 将磷酸基团添加到溶酶体酶的甘露糖的第六位碳上的反应是由两种酶催化的，一种酶是N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶(N-acetyglucosamine phosph

20、otransferase)，另一个酶是N-乙酰葡萄糖苷酶, 功能是释放N-乙酰葡萄糖胺(46)。 图图9-46 溶酶体酶蛋白信号斑与磷酸化酶相互作用溶酶体酶蛋白信号斑与磷酸化酶相互作用 顺面高尔基体中的N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶有两个功能位点,一个识别位点能够识别信号斑并与之结合；催化位点与高甘露糖N-连接的寡聚糖以及UDP-GlcNAc结合 含含M6P的酶的运输特异性不强的酶的运输特异性不强次级溶酶体次级溶酶体初级溶酶体初级溶酶体 大纲大纲线粒体线粒体过氧化物酶体过氧化物酶体自噬性溶酶体自噬性溶酶体底物底物 生活垃圾累积？生活垃圾累积？细胞内垃圾？细胞内垃圾？疾病疾病台萨氏病台萨氏病:己糖胺

21、酶己糖胺酶A缺失缺失神经节苷脂累积导致神经节苷脂累积导致杀死入侵的病毒或细菌。杀死入侵的病毒或细菌。 某些病原体某些病原体麻风杆菌麻风杆菌和和利什曼原虫利什曼原虫( (黑热病黑热病) )可可抑制吞噬泡的酸化，从而抑制溶酶体活性；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利用酸性环境脱掉衣壳. .大纲大纲返回返回卵子卵子精子精子顶体顶体精子细精子细胞核胞核皮质颗粒 精子顶体反应精子顶体反应II型糖原累积病（型糖原累积病（Pompe病）病）：溶酶体缺乏：溶酶体缺乏-1,4-葡葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中

22、积累，导致心、肝、舌肿萄糖苷酶，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。为小孩，常在两周岁以前死亡。Gaucher病：病：又称脑苷脂沉积病又称脑苷脂沉积病,是巨噬细胞和脑神是巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏经细胞的溶酶体缺乏- 葡萄糖苷酶造成的。大量的葡葡萄糖苷酶造成的。大量的葡萄糖脑苷脂沉积在这些细胞溶酶体内萄糖脑苷脂沉积在这些细胞溶酶体内,巨噬细胞变成巨噬细胞变成Gaucher 细胞，患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中细胞，患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中枢神经系统发生退行性变化，常在枢神经系统发生退行性变化，常在1 岁内死亡。岁内死亡。肺结核：肺结核：结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体外表酶。但是菌体外表含有硫酸脑苷脂含有硫酸脑苷脂能抵抗溶酶体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。重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。类风湿性关节炎类风湿性关节