细胞生物学主题知识讲座

第一节细胞质基质涵义与功效一、细胞质基质涵义1.曾用名称：细胞液、透明质、胞质溶胶等2.细胞质基质（cytoplasmicmatrix）在真核细胞细胞质中，除去能够分辨细胞器以外胶状物质，称细胞质基质。细胞质基质是一个高度有序体系，其中细胞质骨架纤维贯通在黏稠蛋白质胶体中，多数蛋白质直接或间接与骨架结合，完成特定生物学功效。细胞生物学主题知识讲座第1页蛋白质含量占20-30%形成黏稠胶体：多数水分子以水化合物形式紧密地结合再蛋白质和其它大分子表面极性部位，只有部分水分子以游离态存在，其溶剂作用。多数蛋白质，以非溶解态存在，结合在微丝等部位。细胞生物学主题知识讲座第2页二、细胞质基质功效许多代谢过程场所（糖酵解、糖原合成、一些生物大分子分解）蛋白质在细胞质基质中分选和转运与细胞骨架选择性结合（细胞内功效区域化）蛋白质修饰（共价结合、去/磷酸化、糖基化、甲基化、酰基化）控制蛋白质寿命（由N端第一个氨基酸决定稳定性，泛素水解）泛素（ubiquitin）：由76个aa组成小分子蛋白，含有各种生物学功效。稳定蛋白质：Met/Ser/Thr/Ala/Val/Cys/Gly/Pro泛素依赖降解路径：多个ubiquitin共价结合到不稳定prN端26S蛋白酶复合体将pr水解细胞生物学主题知识讲座第3页细胞生物学主题知识讲座第4页细胞生物学主题知识讲座第5页降解变性和错误折叠蛋白质帮助变性和错误折叠蛋白质重新折叠畸形蛋白暴露aa疏水基团N端添加不稳定aa泛素依赖降解路径热休克蛋白完成热休克蛋白与畸形蛋白聚合水解ATP，蛋白溶解重新折叠细胞生物学主题知识讲座第6页错误折叠内质网蛋白降解和输出细胞生物学主题知识讲座第7页内膜系统出现意义：各自独立，各司其职相互依存，协调同一大大提升了细胞代谢反应效率第二节细胞内膜系统及其功效在结构、功效乃至发生上相互关联、由膜包被细胞器或细胞结构细胞内区室化原核细胞–质膜组成单一区室真核细胞–内膜–各种细胞器细胞生物学主题知识讲座第8页细胞内区室化细胞生物学主题知识讲座第9页细胞细胞质基质细胞内膜系统其它由膜包被细胞器内质网高尔基体溶酶体胞内体分泌泡细胞核线粒体叶绿体过氧化物酶体细胞生物学主题知识讲座第10页结构、功效、发生上相互关联细胞生物学主题知识讲座第11页一、内质网形态结构与功效——内质网（endoplasmicreticulum,ER）是由封闭管状或扁平囊状膜系统及其包被腔体形成相互沟通三维网络结构。占细胞膜系统普通左右，体积占细胞总体积10%以上合成生物大分子如蛋白质、脂质和糖类场所细胞生物学主题知识讲座第12页（一）内质网基本类型1.糙面内质网（roughendoplasmicreticulum,RER,rER）多扁平囊状，膜表面有大量核糖体附着易位子：直径8.5nm,通道2nm，内质网膜上蛋白复合体通道，与新合成多肽进入内质网相关主要功效：合成份泌性pr和各种膜pr旺盛合成份泌蛋白细胞分布多

浆细胞、胰腺细胞、肝细胞旺盛合成膜细胞分布多

成熟中卵细胞、视杆细胞未成熟或未分化细胞分布少

干细胞、胚胎细胞细胞生物学主题知识讲座第13页在一些特化细胞中丰富肝细胞：产生脂蛋白、解毒肾上腺皮质细胞：肾上腺皮质激素睾丸间质细胞和卵巢黄体细胞：雄激素和雌激素骨骼肌（肌质网）：钙库视网膜色素上皮细胞（髓样体）：利用光能糙面内质网上有20种以上蛋白与光面内质网不一样2.光面内质网（smoothendoplasmicreticulum,SER,sER）常为分支管状，形成较为复杂立体结构，表面没有核糖体附着主要功效：合成脂质主要场所，区域较小，往往作为出芽位点细胞生物学主题知识讲座第14页由喹啉蓝荧光染料染色细胞在荧光显微镜下显示内质网结构细胞生物学主题知识讲座第15页糙面内质网形态细胞生物学主题知识讲座第16页光面内质网形态细胞生物学主题知识讲座第17页细胞生物学主题知识讲座第18页3.微粒体（microsome）——在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎内质网形成近似球形囊泡结构，包含内质网膜与核糖体，含有蛋白质合成、糖基化和脂质合成功效。——人工产物细胞生物学主题知识讲座第19页4.内质网与细胞内其它细胞器关系与细胞膜相连：甚至有管道相通与外层核膜相接：内质网腔与核周隙相通与高尔基体在结构、功效与发生上关系亲密rER与线粒体紧密相依：过去：供能最近：与脂质相互交换及Ca2+释放调整关系亲密ER分布与微管走向一致（核膜－内质网－高尔基体－质膜）细胞生物学主题知识讲座第20页（二）内质网功效1.蛋白质合成——糙面内质网主要功效蛋白质合成始于细胞质基质，但部分很快转至内质网膜上。在内质网上合成蛋白质包含向细胞外分泌蛋白质胰腺细胞-酶，浆细胞-抗体，内分泌腺-激素以分泌泡形式经过胞吐作用输送到细胞外膜整合蛋白细胞质膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜内膜系统细胞器中可溶性驻留蛋白④需要加工、修饰蛋白细胞生物学主题知识讲座第21页蛋白质转移到内质网上合成细胞生物学主题知识讲座第22页2.脂质合成——光面内质网主要功效内质网合成组成细胞所需要包含磷脂和胆固醇在内几乎全部膜脂，最主要磷脂是卵磷脂。细胞生物学主题知识讲座第23页磷脂酰胆碱合成过程细胞生物学主题知识讲座第24页转位酶ER腔面合成新磷脂一面扩大翻转磷脂分子两侧面都扩大基质新合成磷脂运输：出芽方式转运：水溶性载体蛋白（磷脂转换蛋白，PEP）：内质网高尔基体溶酶体细胞质膜内质网线粒体过氧化物酶体细胞生物学主题知识讲座第25页3.蛋白质修饰与加工主要化学修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成在内质网腔面，寡糖链连接在插入膜内磷酸多萜醇上，当与糖基化相关氨基酸残基出现后，经过膜上糖基转移酶，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到对应天冬氨酸残基上。N—连接糖基化糖:N—乙酰葡萄糖胺氨基酸：天冬氨酸发生部位：内质网(rER)O—连接糖基化糖：N—乙酰半乳糖胺氨基酸：丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸

发生部位：高尔基体（主要）细胞质基质中只发觉少数几个简单糖基化细胞生物学主题知识讲座第26页细胞生物学主题知识讲座第27页N-连接糖基化细胞生物学主题知识讲座第28页粗面内质网上N-连接寡糖合成过程细胞生物学主题知识讲座第29页粗面内质网上N-连接寡糖合成过程细胞生物学主题知识讲座第30页细胞生物学主题知识讲座第31页酰基化

发生在内质网胞质侧软脂酸共价结合在跨膜蛋白半胱氨酸残基上高尔基体、膜蛋白向细胞膜转移中也发生类似酰基化另外，在内质网上还发生羟基化和二硫键形成等细胞生物学主题知识讲座第32页4.新生多肽折叠与组装二硫键异构酶加紧新合成pr重新形成二硫键，并正确折叠不能正确折叠畸形肽、未组装成寡聚体亚单位识别后，经过Sec61p复合体转移至细胞质基质，泛素化后被蛋白酶体降解不正确折叠蛋白、未组装好亚单位被结合蛋白（bindingprotein，Bip）识别，促进其重新折叠和组装二硫键异构酶、Bip等蛋白含有4肽驻留信号，留在内质网中-Lys-Asp-Glu-Leu-COO－KDELORHDEL细胞生物学主题知识讲座第33页Bip(结合蛋白):与折叠不正常肽链结合，给予滞留。细胞生物学主题知识讲座第34页5.内质网其它功效合成脂蛋白（外输性）——肝细胞中sER解毒功效——肝细胞中sER

如：细胞色素P450家族酶系（又称加单氧酶系、羟化酶系）由一些氧化还原酶组成，是电子传递系统，但不与ATP合成相偶连不溶于水废物、代谢产物细胞色素P450家族酶系羟基化尿液排出合成固醇类激素——睾丸间质细胞sER储存Ca2+——肌细胞中sER为细胞质基质中Pr、酶提供附着点储存、运输物质，能量与信息传递，细胞支持和运动等作用。

细胞生物学主题知识讲座第35页（三）内质网与基因表示调控异常：未折叠蛋白质超量积累

折叠好膜蛋白超量积累

内质网膜脂成份改变内质网——核信号转导路径特异基因表示内质网功效正常正常：蛋白质ER中调控折叠、装配、加工、包装、转运细胞生物学主题知识讲座第36页二、高尔基体形态结构与功效高尔基体，又叫高尔基器、高尔基复合体（一）高尔基体形态结构与极性1.形态结构多由4-8个排列整齐扁平膜囊堆叠在一起，呈弓形、半球形或球形。膜囊直径1um，中间窄，周缘呈状），扁囊间距15－30nm。膜囊周围有大量大小不等囊泡结构。细胞生物学主题知识讲座第37页2.极性细胞器位置与方向恒定物质运输有方向性：一侧进入，另一侧输出形成面、顺面（cisface）成熟面、反面（transface）靠近细胞核面向细胞膜细胞生物学主题知识讲座第38页3.4种标志性细胞化学反应嗜锇反应cis面焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）trans面1~2层膜囊胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）trans面膜囊状和管状结构溶酶体标志性酶烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）/甘露糖酶中间扁平膜囊细胞生物学主题知识讲座第39页4.3个组成部分高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体官网状结构（CGN）接收内质网新合成物质，分类大部分进入中间膜囊小部分pr和脂质返回内质网KDELORHDEL其它丝氨酸发生O-连接糖基化跨膜pr细胞质基质侧酰基化细胞生物学主题知识讲座第40页中间膜囊糖基修饰、糖脂形成、与高尔基体相关多糖合成高尔基体反面膜囊及反面高尔基体官网状结构（TGN）蛋白分类和包装、输出晚期蛋白质修饰（半乳糖2，6位唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基硫酸化、蛋白原水解加工作用）瓣膜作用：确保物质单方向转运细胞生物学主题知识讲座第41页高尔基体细胞生物学主题知识讲座第42页细胞生物学主题知识讲座第43页5.化学组成：

高尔基体膜含有大约60%蛋白和40%脂类，含有一些和ER共同蛋白成份。膜脂中磷脂酰胆碱含量介于ER和质膜之间，中性脂类主要包含胆固醇，胆固醇酯和甘油三酯。高尔基体中酶主要有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等不一样类型。细胞生物学主题知识讲座第44页（二）高尔基体功效对内质网合成各种蛋白质进行加工、分类与包装，分门别类地运输到细胞特定部位或分泌到细胞外一部分在内质网上合成脂质经过高尔基体向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输糖类合成工厂细胞生物学主题知识讲座第45页1.参加细胞分泌活动脉冲标识：证实pr从内质网高尔基体分泌泡细胞外负责对细胞合成蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程是ER上合成蛋白质，进入ER腔，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。细胞生物学主题知识讲座第46页怎样对pr进行分类和转运？例子：溶酶体中酶M6P分选信号E在内质网上糖基化（N-连接）E在高尔基体上磷酸化N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶N-乙酰葡糖胺磷酸糖苷酶高尔基体反面膜囊上存在M6P受体，局部浓缩，出芽依据蛋白上信号肽或信号斑细胞生物学主题知识讲座第47页Icell病：N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因缺失，不能合成M6P，溶酶体酶不能转运到溶酶体中。糖链对pr分选不起决定作用，分选信息存在与基因本身例子：流感病毒包膜蛋白上皮细胞游离端细胞膜水泡性口炎病毒基底面细胞膜双酸分选信号：Asp-X-Gln(DXE)细胞生物学主题知识讲座第48页对蛋白质进行分选细胞生物学主题知识讲座第49页2.蛋白质糖基化及其修饰N-连接糖链合成起始于内质网，完成于高尔基体。许多糖蛋白同时含有N-连接糖链和O-连接糖链。O-连接糖基化在高尔基体中进行，通常第一个连接上去糖单元是N-乙酰半乳糖，连接部位为Ser、Thr和HypOH基团，然后逐次将糖基转移上去形成寡糖链。糖基化结果使不一样蛋白质打上不一样标识，改变多肽构象和增加蛋白质稳定性。

在高尔基体上还能够将一至多个氨基聚糖链经过木糖安装在关键蛋白丝氨酸残基上，形成蛋白聚糖。这类蛋白有些被分泌到细胞外形成细胞外基质或粘液层，有些锚定在膜上。细胞生物学主题知识讲座第50页内质网和高尔基体中与糖基化和寡糖加工相关酶都是整合膜蛋白。糖基化功效(1)维持膜不对称性(2)影响多肽构象，帮助蛋白质折叠和转运(3)增强蛋白质稳定性，保护蛋白免受蛋白酶降解(4)为蛋白质打上不一样标识，作为蛋白分选信号(5)作为细胞表面受体参加细胞间识别细胞生物学主题知识讲座第51页细胞生物学主题知识讲座第52页寡糖在内质网和高尔基体上合成细胞生物学主题知识讲座第53页寡糖在内质网和高尔基体上合成细胞生物学主题知识讲座第54页3.蛋白酶水解成为有活性多肽在糙面内质网中切除信号肽，即成为有活性成熟多肽一些生长因子、病毒包膜蛋白在高尔基体TGN或TGN形成分泌小泡中，在蛋白水解酶作用下特异水解，成为有活性多肽如多肽激素、神经多肽细胞生物学主题知识讲座第55页蛋白质在高尔基体中酶解方式：切除N端序列或同时切除N端和C端序列胰岛素、胰高血糖素、血清蛋白含有多个相同aa序列前体，在高尔基体中水解成同种多肽神经肽一个蛋白质前体中含有不一样信号序列，加工方式不一样产生不一样中多肽细胞生物学主题知识讲座第56页(阿片黑皮质素前体)促黑(素细胞)激素内啡肽促脂解素(促肾上腺皮质激素)神经肽细胞生物学主题知识讲座第57页加工方式多样性可能原因：确保小肽分子有效合成填补缺乏包装并转运到分泌泡中必要信号有效预防这些活性物质在合成它细胞内起作用细胞生物学主题知识讲座第58页4.参加膜转化高尔基体膜不论是厚度还是在化学组成上都处于内质网和质膜之间，所以高尔基体在进行着膜转化功效，在内质网上合成新膜转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成运输泡与质膜融合，使新形成膜整合到质膜上。5.硫酸化在高尔基体中进行细胞生物学主题知识讲座第59页下节课内容细胞生物学主题知识讲座第60页三、溶酶体形态结构与功效发觉：先差速离心，后形态观察（1955年，deDuve&Novikoff）溶酶体（lysosome）：由单层膜围绕，内含各种酸性水解酶类囊泡状细胞器，主要功效是进行细胞内消化作用。对维持细胞正常代谢活动及防御等方面起主要作用，在病理学中含有主要意义。酸性水解酶膜上有H+-pumps,pH5.0各种载体蛋白，向外转运水解产物膜蛋白高度糖基化细胞生物学主题知识讲座第61页（一）溶酶体形态结构与类型溶酶体是异质性细胞器（形态大小、包含水解酶种类）初级溶酶体次级溶酶体残余(小)体（后溶酶体）0.2-0.5um，内容物均一，无显著颗粒物质，含各种水解酶(酸性水解酶)，最适PH5，PH7失活自噬溶酶体异噬溶酶体内含生物大分子、颗粒、膜片甚至细胞器，形态不规则，直径达几纳米未消化物质残余在溶酶体中，经过类似胞吐方式排出内容物残余小体中物质也可在细胞内可形成脂褐质色素颗粒，形成老年斑细胞生物学主题知识讲座第62页初级溶酶体残余（小）体次级溶酶体细胞生物学主题知识讲座第63页（二）溶酶体功效——消化去除无用生物大分子、衰老细胞器及衰老损伤和死亡细胞——细胞内消化不需要酶细胞器细胞自噬泡巨噬细胞自噬溶酶体异噬溶酶体异噬泡台-萨氏(Tay-Sachs)（家族黑蒙性白病）溶酶体中β-氨基己糖脂酶A(β-N-hexosaminidaseA)缺失，GM2累积在脑细胞内，精神呆滞，2-6岁死亡。类似疾病——储积症——隐性遗传病溶酶体中充满了未降解物质细胞生物学主题知识讲座第64页防御功效——细胞外消化去除抗原-抗体复合物及吞噬细菌、病毒巨噬细胞中自由基与溶酶体共同杀菌一些细胞特有功效：巨噬细胞等吞噬细胞麻风杆菌、利什曼原虫：巨噬细胞中繁殖—抑制吞噬泡酸化—抑制酶活性病毒：受体介导胞吞作用侵入细胞—利用酸性环境释放病毒核壳防御功效失灵细胞生物学主题知识讲座第65页其它主要生理功效作为细胞内消化“器官”为细胞提供营养分泌细胞中，参加分泌调整过程参加去除赘生性组织或退行性改变细胞：蝌蚪尾巴退化精子顶体为特化溶酶体，受精过程发生顶体反应，促进受精如将甲状腺球蛋白降解成有活性甲状腺素。营养来自血液，内吞LDL、血清脂蛋白细胞生物学主题知识讲座第66页动物细胞溶酶体系统示意图细胞生物学主题知识讲座第67页细胞生物学主题知识讲座第68页（三）溶酶体发生识别信号：不是肽链，而是依赖溶酶体酶构象或三级结构形成溶酶体蛋白Cis膜囊中间膜囊Trans膜囊N连接糖基化甘露糖N-乙酰葡糖胺磷酸去乙酰葡糖胺形成M6P受体结合出芽，形成初级溶酶体1.依赖M6P溶酶体分选路径细胞生物学主题知识讲座第69页溶酶体发生过程细胞生物学主题知识讲座第70页2.溶酶体蛋白其它分选路径依赖于M6P分选路径效率不高，部分含有M6P标志溶酶体酶经过运输小泡直接分泌到细胞外。在细胞质膜上还存在依赖于钙离子M6P受体，与胞外溶酶体酶结合，经过受体介导内吞作用，把酶运输至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜，重复使用。还存在不依赖于M6P分选路径，如T细胞溶酶体中酶经过不依赖M6P路径进入溶酶体。溶酶体膜上蛋白不含有M6P标志。酸性磷酸酶分选也不包括M6P路径判定溶酶体主要标志酶细胞生物学主题知识讲座第71页细胞生物学主题知识讲座第72页细胞生物学主题知识讲座第73页（四）溶酶体与过氧化物酶体过氧化物酶体（peroxisome）又称微体（microbody）——由单层膜围绕内含一个或几个氧化酶类细胞器，由J.Rhodin（1954）首次在鼠肾小管上皮细胞中发觉。是一个含有异质性细胞器，在不一样生物及不一样发育阶段有所不一样。共同特点是内含一至各种依赖黄素（FAD）氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发觉40各种氧化酶，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）含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶组成关键。细胞生物学主题知识讲座第74页人肝细胞过氧化物酶体细胞生物学主题知识讲座第75页小鼠肺细胞过氧化物酶体细胞生物学主题知识讲座第76页烟草叶肉细胞过氧化物酶体（中央含有尿酸氧化酶形成晶体状关键）细胞生物学主题知识讲座第77页特征初级溶酶体过氧化物酶体形态大小无酶晶体常有酶晶体酶种类酸性水解酶氧化酶、过氧化氢酶类PH5左右7左右是否需氧不需要需要功效细胞内消化各种功效发生在内质网中合成经G出芽形成酶在细胞基质中合成，经分裂装配形成标志酶酸性水解酶过氧化氢酶过氧化物酶体与溶酶体区分细胞生物学主题知识讲座第78页过氧化物酶体功效解毒功效依赖黄素氧化酶共性是将底物氧化后，生成过氧化氢。RH2+O2→R+H2O2过氧化氢酶又能够利用过氧化氢，将其它底物氧化。R′H2+H2O2→R′+2H2O另外，当细胞中H2O2过剩时，过氧化氢酶亦可催化以下反应：2H2O2→2H2O+O2R’:酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质细胞生物学主题知识讲座第79页分解脂肪酸，向细胞之间提供热能在动物中过氧化物酶体参加脂肪酸β氧化在植物中过氧化物酶体主要有：①参加光呼吸作用，将光合作用副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，②在萌发种子中，进行脂肪β-氧化，产生CoA，经乙醛酸循环，加入三羧酸循环，将脂肪转变为葡萄糖。因包括乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体（glyoxysome）。细胞生物学主题知识讲座第80页过氧化物酶体发生过氧化物酶体经分裂繁殖，与线粒体、叶绿体相同，但不含DNA过氧化物酶体蛋白有核基因编码，在基质中合成，之后转运到过氧化物酶体中进入过氧化物酶体需要在信号序列指导下进行（PTS）PTS1多存在于C端PTS2多存在于N端过氧化物酶体膜脂可能在内质网合成细胞生物学主题知识讲座第81页过氧化物酶体发生示意图细胞生物学主题知识讲座第82页细胞生物学主题知识讲座第83页溶酶体与疾病1．矽肺

二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细胞吞噬，含有矽尘吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅羟基与溶酶体膜磷脂或蛋白形成氢键，造成