内膜系统和细胞的物质运输.ppt

1、LaboratoryofOrganelleBiology,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009,Dr.CarolW.GreiderisaprofessorinthedepartmentofmolecularbiologyandgeneticsatJohnsHopkinsUniversitySchoolofMedicineinBaltimore.,Dr.JackSzotakisaprofessorofgeneticsatMassachusettsGeneralHospitalinBoston.HeisalsoaffiliatedwiththeHoward

2、HughesMedicalInstitute.,Dr.ElizabethH.Blackburn,whoholdsU.S.andAustraliancitizenship,isaprofessorofbiologyandphysiologyattheUniversityofCalifornia,SanFrancisco.,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2009,Dr.CarolW.GreiderisaprofessorinthedepartmentofmolecularbiologyandgeneticsatJohnsHopkinsUniversitySc

3、hoolofMedicineinBaltimore.,Dr.JackSzotakisaprofessorofgeneticsatMassachusettsGeneralHospitalinBoston.HeisalsoaffiliatedwiththeHowardHughesMedicalInstitute.,Dr.ElizabethH.Blackburn,whoholdsU.S.andAustraliancitizenship,isaprofessorofbiologyandphysiologyattheUniversityofCalifornia,SanFrancisco.,forthed

4、iscoveryofhowchromosomesareprotectedbytelomeresandtheenzymetelomerase,TheNobelPrizeinchemistry2009,VenkatramanRamakrishnanMRClaboratoryofmolecularbiology,Cambridge,UK,ThomasA.SteitzYaleUniversityNewHaven,CT.USA,AdaE.YonathWeizmannInstituteofScienceRehovot,Israel,TheNobelPrizeinchemistry2009,Venkatra

5、manRamakrishnanMRClaboratoryofmolecularbiology,Cambridge,UK,ThomasA.SteitzYaleUniversityNewHaven,CT.USA,AdaE.YonathWeizmannInstituteofScienceRehovot,Israel,forstudiesofthestructureandfunctionoftheribosome,Amammaliancell,细胞内膜系统,内膜系统（endomembranesystem）位于细胞内，在结构、功能乃至发生上有一定联系的膜性结构的总称。内膜系统包括：内质网、高尔基复合体、

6、溶酶体、过氧化氢体及核膜等。,BonifacinoJSandGlickBS,2004,内质网（endoplasmicreticulum,ER）),1945年PorterK.R和ClaudeA.D用电子显微镜观察培养的小鼠成纤维细胞发现细胞质中有一些形状大小略有不同的小管、小囊连接成网状的结构称内质网。,一、内质网的形态,1、扁平囊排列：内质网膜之间为狭窄的腔，形状扁而长，不封闭，两膜间宽度40-50nm，常常很多重叠在一起。在纵切面上为一个个两端封闭的扁长管道，平行状排列并相互连通。,2.小泡状排列（vesiculararrangement)内质网的形状为泡状，如气球，腔较大，直径约为40-5

7、00nm之间。囊内腔隙称作小池，切片上呈圆形或近似圆形的腔。在一些特殊生理状态的细胞与病变的细胞中常常可见。3.小管状排列（tubulararrangement)内质网呈分支而细长的管子，互相连通，交错成复杂的网状，管的直径约0.5-1nm。,内质网的形态变异很大，其形态、数量和分布在不同细胞中不同，常与细胞的类型、生理功能状态、分化程度以及环境条件有关。同一细胞不同区域的内质网其形态也会随发育时期、生理状态不同而不同。,二、内质网的结构,1、内质网膜：内质网是交织分布在细胞质中高度分化、十分复杂的内膜管道系统。厚约5-6nm.2、内质网腔：由内质网膜围成的空腔。其大小随细胞种类和生理状态而不

8、同。,三、内质网的化学组成,内质网酶及其分布酶分布酶分布细胞色素P450胞质面和腔面核苷酸焦磷酸酶胞质面细胞色素b5胞质面GDP-甘露糖基NADH-b5转移酶胞质面还原酶胞质面核苷二磷酸酶腔面NADH-细胞色素C还原酶胞质面葡萄糖-6-磷酸酶腔面ATP酶胞质面-葡萄糖醛酸酶腔面5核苷酶胞质面乙酰苯胺-水解酶腔面,四、内质网的种类,1、粗面内质网（roughER,rER）呈扁囊状，膜上附着有核糖体。其腔常与核周腔相连。,2.光面内质网sER呈分支管状，内质网上无核糖体颗粒。,KEDLR-GFP,激光共聚焦显微镜下的ER,三、内质网的功能,（一）粗面内质网的功能：1、粗面内质网与蛋白质的合成和转运

9、,2、蛋白质的加工与修饰蛋白质的折叠内质网中含有丰富的氧化型谷胱甘肽（GSSG）、蛋白二硫异构酶和分子伴侣系统，为蛋白质的折叠提供了极为有利的环境。二硫键的形成：多肽链的折叠蛋白质的糖基化修饰：N-连接糖蛋白的形成,（二）滑面内质网的功能,1、脂类合成：SER膜上含有合成固醇的全套酶系，可使脂肪酸氧化生成乙酰辅酶A，其中乙酰基经胆固醇合成固醇类激素。肾上腺皮质细胞、卵巢黄体细胞和睾丸间质细胞中含有大量的SER。,2糖类代谢：糖原合成和分解3解毒作用：由肠道吸收的外源性有毒物质或药物及机体代谢自生的内源性毒物，大多数经过肝细胞内的SER通过氧化、甲基化、结合等方式，使毒性降低、失毒或利于排泄。4

10、在肌细胞中是Ca+贮存场所，可通过释放和回收Ca+调节肌肉收缩。,5、与水和电解质代谢有关：哺乳动物胃腺中的壁细胞有发达的SER，与盐酸分泌和渗透压的调节有关。6、与胆汁生成有关：10%的胆盐由肝细胞中的SER合成。7、机械支持作用。,四、内质网与疾病,1、内质网的肿胀2、粗面内质网解聚和脱粒3、内质网内的物质堆积：4、内质网应激与疾病内质网是细胞内重要的细胞器,也是重要的钙离子贮存库。它调节细胞内蛋白质的合成后折叠与聚集、细胞对应激的反应以及细胞内钙离子的水平。钙离子稳态的改变和未折叠或错误折叠蛋白质在内质网内的蓄积可以引发内质网应激,包括钙离子从内质网腔排空、糖基化抑制、二硫键结合减少、突

11、变蛋白质表达等过程,阿尔兹海默病(,)是一种常见的神经系统变性疾病,病理特征是淀粉样蛋白质的沉积、神经原纤维变性和神经元死亡早老因子（11）是主要存在于内质网的跨膜蛋白质,1基因的突变使细胞对各种损害诱导的细胞损伤的易感性增加。,第二节高尔基复合体(Golgiapparatus),高尔基复合体是由一层单位膜包围而成的复杂的囊泡系统，电镜下由小囊泡、扁平囊和大囊泡组成,一.形态结构,高尔基复合体的3个区室的功能,由粗面内质网芽生的运输小泡；筛选由内质网合成的蛋白和脂类，并将大部分转入扁囊去，少部分返回内质网,蛋白质的糖基化、合成糖脂和多糖,体积较大的分泌泡，进行蛋白质的分选功能,二.化学组成,蛋

12、白质：60%含量低于内质网膜，高于细胞膜含有多种酶类标志性酶糖基转移酶脂类：40%卵磷脂介于内质网膜与细胞膜之间,三、高尔基复合体的功能,1、高尔体复合体与细胞中糖蛋白的合成、加工、分泌有关蛋白质的糖基化溶酶体酶的磷酸化分泌性蛋白的水解2、蛋白质的运输与分选,HNEinducesGolgiFragments,Control,30min,1h,2h,4h,GolgiFragmentinducedbyapoptoticstimuli,Control,HNE,STS,FAS,GalT-GFP,Mito-CFP,TwodifferentmodelsofGolgi,GeorgePatterson,Jen

13、niferLippincott-Schwartz,WarrenGraham(YaleUniversity),JenniferLippincott-Schwartz(NationalInstitutesofHealth),Fighting!,ThebiogenesisofGolgiapparatus,TheGolgiistotallyfromER,stopER-Golgitransport,theGolgidisappears,Duringmitosis:TheGolgiERdaughtercellsreappearfromER,TheGolgihasitsownremnant,TheGolgi

14、fragmentsincytosoldaughtercellsreappearfromaggregation,第三节、溶酶体（Lysosome）,一、溶酶体的形态特征：溶酶体为直径很小的囊状小体，其外包以一层厚约6nm的单位膜，膜内含有活性很高的酸性水解酶60多种。,二、溶酶体的形成,三、溶酶体的类型,1.内体性溶酶体,2.吞噬性溶酶体当内体性溶酶体与细胞内衰老的细胞器或由细胞胞吞作用摄入的外来物质融合后便形成吞噬性溶酶体。自噬性溶酶体异噬性溶酶体终末溶酶体,四、溶酶体的功能,1、溶酶体的消化作用细胞内吞物质的消化溶酶体消化功能的一个重要表现是消化由细胞内吞摄入的细胞外物质。通常将内吞物质的消

15、化分为吞噬作用和吞饮作用两个方面。侵入机体的细菌由于被巨噬细胞、中性粒细胞吞噬,就可避免机体患相应的疾病。脾脏中巨噬细胞的活动及时清除了衰老的红细胞。,细胞内残余物质的消化正常或病变情况下,细胞内一部分细胞结构如线粒体、内质网、分泌颗粒甚至溶酶体本身由于衰老、病变或过多时需要初级溶酶体将它们消化处理,即所谓的自噬活动。自噬活动的结果是溶酶体酶将细胞需处理的部分结构消化成小分子物质如氨基酸、核苷酸、糖及脂肪等,当细胞合成新的大分子或形成新的细胞器时可重新利用。真核细胞内自噬活动频率在生理情况下是很低的,只有很少种类的细胞在生理状态下能观察到细胞内自噬现象。,内质网高尔基体线粒体原位合成,饥饿环境

16、因素,隔离膜,自噬体,溶酶体,融合,分解,？,图1自噬发生过程图解模型,Control,Starvation,细胞外物质的消化不管初级或次级溶酶体,它们的活动范围只限于细胞内,其内部的水解酶通常也不会溢出细胞外,但在一些特殊情况下,溶酶体也可以通过出胞作用将溶酶体酶释放到细胞外,消化分解细胞外物质,如破骨细胞可将溶酶体酶释放到细胞外,降解骨的有机基质,参与骨组织的吸收和改建。精子的顶体其本质也是一种溶酶体,在受精过程中,顶体中的酶被释放到细胞外,消化卵外周的卵泡细胞,便于精子进入卵细胞达到受精的目的,2、溶酶体参与机体免疫过程体内有一种具有强大吞噬能力的细胞叫巨噬细胞,当病原体或异物与巨噬细胞

17、相遇时,会导致这类细胞进行趋化移动,互相接触并通过吞噬作用将病原体或异物捕捉入细胞内。,3、溶酶体对激素分泌的调节作用人们早就发现,大鼠脑下垂体催乳素细胞分泌催乳素受到抑制时,溶酶体与细胞内一部分分泌颗粒融合,将其消化降解以消除细胞内过多的激素,这种现象叫粒溶或分泌自噬。后来发现,几乎所有分泌蛋白质和肽类激素的细胞中都存在着粒溶现象,细胞通过这些方式,不仅在短时间内清除部分“产品”(激素颗粒),而且还减少了一部分“工厂”(滑面内质网),进而有效地调节激素的分泌量。,五、溶酶体与疾病,1、溶酶体膜失常与疾病溶酶体膜是一层单位膜,在正常情况下,它有明显的屏障作用,可防止水解酶进入胞质,以免细胞的结

18、构被破坏而造成细胞的死亡。如果因某种原因使溶酶体膜受损,各种水解酶进入胞质可使细胞分解;如果进入细胞间质,可破坏细胞间质,导致组织自溶,如矽肺、痛风等病就与溶酶体膜遭受破坏有关。,矽肺是肺部吸入矽尘后,矽粉末(2)被组织中的吞噬细胞吞噬,但是溶酶体不能破坏矽粉末,而矽粉末却能使溶酶体膜破坏,释放出其中的水解酶,引起细胞死亡;释放出的矽粉末再被健康的吞噬细胞吞噬可得到同样的结果,肺部细胞死亡,导致肺原纤维沉积,减底肺的弹性,损伤肺的功能,痛风是破坏物质沉积在骨膜腔和结缔组织中的尿酸结晶,该结晶被中性粒细胞吞噬,释放肺原酶,破坏软骨组织而产生炎症,2、先天性溶酶体病,先天性溶酶体病：是指遗传所致溶

19、酶体某种酶缺乏,造成次级溶酶体内相应底物不能被消化,底物积蓄,代谢障碍,故又称贮积性疾病。目前已知此类疾病有40种以上,大致可分为糖原贮积病、脂质沉积病、粘多糖沉积病等几大类。,糖原贮积病又名病,是由于肝和肌细胞中溶酶体内缺乏一种酸性-葡萄糖苷酶。正常时此酶分解糖原,当缺乏此酶时,溶酶体吞噬的过剩糖原无法降解,大量堆积在次级溶酶体内使其肿胀,最后,溶酶体破裂,其他酶漏出,严重破坏组织细胞,此病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。,病此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,巨噬细胞变成细胞,患者的

20、肝、脾、淋巴结等肿大,中枢神经系统和脑干神经系统发生变性、萎缩。此病多发生于婴儿,病程进展很快,常在1岁内死亡,如果幼年后才发病,则病程进展慢,最长者可活10多年。,3、溶酶体与癌症,溶酶体与癌症的关系早在30年前,就提出溶酶体与癌症的发生有关。近年来,溶酶体与癌症发生之间的关系日益引起人们的注意,有些致癌、促癌物质造成溶酶体膜伤害,使其内部的酶游离出来,造成分子的损伤,可以引起细胞癌变。除上述之外,溶酶体还与休克、细胞老化及心脏、肝脏的某些疾病有密切关系。,细胞的物质运输,内容提要,被动运输一、简单扩散二、协助扩散主动运输一、钠钾泵二、钙离子泵三、质子泵,四、ABC转运器五、协同运输膜泡运输

21、的基本概念一、吞噬作用二、胞饮作用三、外排作用膜泡运输的分子机理,磷脂双层对不同分子的通透性选择,分子量小、脂溶性强的非极性分子不带电荷的小分子,分子量大极性大的或带电的分子大分子颗粒物x,细胞质膜通透性的特点,被动运输和主动运输,通道扩散,帮助扩散,简单扩散,被动运输,主动运输,协助扩散,分类：被动运输和主动运输,被动运输特点（passivetransport）,类型：简单扩散（simplediffusion）水、CO2、O2、易化扩散（facilitateddiffusion）借助于载体的帮助载体：膜上与物质运输有关的膜转运蛋白载体蛋白（carrierproteins）与物质特异性分子结合

22、，通过构象改变介导物质跨膜转运；介导被动运输与主动运输。通道蛋白（channelproteins）跨膜蛋白，中心是亲水通道。特点（1）饱和性；（2）高度的选择性；（3）酶的竞争性抑制性，蛋白质变性剂的抑制作用。,通道扩散：,细胞膜上的运输蛋白：载体蛋白：通过构象变化运输物质通道蛋白：形成通道、运输物质通道蛋白形成通道：持续开放（如水通道）间断开放（闸门通道）配体闸门通道：配体与受体结合，通道开放。电压闸门通道：膜电位变化，启动通道开放。离子闸门通道：特定离子浓度变化，启动通道。,Threeconformationoftheacetylcholinereceptor,（二）主动运输,主动运输基本

23、特点：逆浓度梯度运输；需要代谢能；依赖于膜运输蛋白；具有选择性和特异性。,Na+-K+ATP酶由2个大亚基（亚基）和2个小亚基（亚基）组成。亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有与Na+和ATP结合位点，外侧有与K+和乌本苷（ouabain）结合的位点。Na+-K+ATP酶的结构特点,Na+-K+ATP酶的作用原理,泵向细胞内侧开放，与Na+亲和力大，可结合3个Na+,ATP酶被激活，引起酶蛋白分子构象变化,导致与Na+亲和力降低，3个Na+被释放到膜外,改变了构象的外侧开放，与K+亲和力大，可结合2个K+,结合了K+的酶蛋白分子去磷酸化，再次发生构象变化,改变了构象的酶蛋白分子，与K+亲和力降低，2个

24、K+被运输到膜内，恢复到初始状态,胞吞作用endocytosis,吞噬作用phagocytosis胞饮作用pinocytosis受体介导的内吞作用receptor-mediatedendocytosis,胞吐作用exocytosis,穿胞运输,生物大分子和颗粒物质运输,（一）胞吞作用,胞饮作用吞噬作用受体介导的胞吞作用,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。,一、吞噬作用,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,二、胞饮作用,胞吞作用的3种方式,吞噬作用,吞饮作用,受体介导的内吞作用,三、外排作用,exocytosis,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将

25、物质排出细胞之外。,胞吐作用,有待排出胞外的物质以小泡的形式从细胞内逐步移到质膜下方并与质膜融合，将物质排出细胞外的过程,胞吐作用与膜融合模型,融合蛋白介导融合孔,胰腺细胞分泌胰鸟素电镜图片,分泌泡,BonifacinoJSandGlickBS,2004,BonifacinoJSandGlickBS,2004,Vesicle的分类：根据包被蛋白(Coatprotein)Clathrin包被囊泡：细胞膜内体(endosomes)高尔基体内体高尔基体溶酶体（偶见）COP包被小泡：粗面内质网高尔基体COP包被小泡：高尔基体粗面内质网其它,TrendsCellBiol.2003Jun;13(6):295-300.,TrendsCellBiol.2003Jun;13(6):295-300.,Signalsintransmembranedomain,Golgiprotein:,TM,TM,Golgi,PM,PMprotein:,TM,PM,TM,Golgi,CD8,-LL-,17,Golgi,-L.L-,20,PM,T