内膜系统与细胞质基质

1、本章要点,光面内质网和糙面内质网的功能差异 高尔基体的交通枢纽作用 溶酶体的类型、特点、功能及其生物发生 信号肽假说及蛋白转运的机制。 运输小泡的类型。,第七章 细胞质基质与 细胞内膜系统,第一节 细胞质基质,一 细胞质基质的涵义 二 细胞质基质的功能 三 细胞质基质与胞质溶胶,一 细胞质基质的涵义,真核细胞的细胞质中除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，细胞质基质（cytoplasmic matrix or cytomatrix) 用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质

2、溶胶 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。 主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系； 通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系。,1 完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、蛋白质的合成等。 2 细胞信号传导 3 蛋白质的分选与运输 4 与细胞质骨架相关的功能 胞质骨架为基质中其它成分或细胞器提供锚定位点；维持形态、细胞运动、胞内运输及能量传递等。,二 细胞质基质的功能,5 蛋白质的修饰和选择性的降解 修饰、控制寿命、降解变性和错误折叠蛋白质或帮其重新折叠成正确的分子构象 6 提供离子环境、提供底物、物质运输通路、细胞分化等,三 细胞质基质与胞质溶胶,随观察工具的发

3、展和完善。对细胞质基质的认识不断深入。 最早的概念称透明质（hyaloplasm），指细胞质中除在光镜下所能看到的所有细胞器以外的部分，又称细胞液. 从生化角度讲，细胞液实际上是细胞质的可溶相，经过超速离心后，除去所有细胞器和各种颗粒的上清液部分，故又有胞质溶胶（Cytosol）之称。 透明质（细胞液） 胞质溶胶细胞质基质 透明质光镜下除可见结构以外的部分 胞质溶胶离心沉淀物以外部分 细胞质基质可分辨结构以外的胶状物质，是一复杂的高度有组织的胶体系统。,一、 内质网的两种基本类型,分为糙面型内质网（RER）和光面型内质网（SER）。 RER呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。 SER呈分支管状

4、或小泡状，无核糖体附着。 细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。,第二节 内质网,K. R. Porter等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统。,ER,RER,SER,ER主要功能是合成蛋白质和脂类。 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（r

5、ibophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。,二、内质网的功能,（一）、蛋白质合成 蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质，但是有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成，这些蛋白主要有： 1 向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素； 2 膜的整合蛋白； 3 需要与其它细胞组合严格分开的酶，如溶酶体的各种水解酶； 4 需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。,（二）脂类的合成, ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。 两种例外：鞘磷脂和糖脂（ER开始Golgi complex完成）；Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。 各种不同的细胞器具有明显不同的脂类

6、组成： phosphatidylcholine（PC）卵磷脂：ERGCPM（高低） phosphatidylserine（PS）磷脂酰丝氨酸：PMGCER（高低） 磷脂的转运:,（三）、蛋白质的修饰与加工,包括糖基化、羟基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。 糖基化的作用： 使蛋白质能够抵抗消化酶的作用； 赋予蛋白质传导信号的功能； 某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。,糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种：(P188) O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）：与Ser、Thr和Hyp（羟脯氨酸）的-OH连接，连接的糖为

7、半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在内质网和高尔基体上进行。 N-连接的糖基化（N-linked glycosylation）：与天冬酰胺残基的-NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。在内质网上进行。 内质网上进行N-连接的糖基化。糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸多萜醇分子上，装配成寡糖链。 再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺残基上。,Protein glycosylation in RER,（四）、新生肽链的折叠、组装和运输,COP II介导由内质网输出的膜泡运输，这种膜泡由内质网的排出位点（exit sites）以出芽的方式排出。 不同的蛋白质

8、在内质网腔中停留的时间不同，这主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间，这一过程是在属于hsp70家族的ATP酶的作用下完成的，需要消耗能量。 有些无法完成正确折叠的蛋白质被输出内质网，转入溶酶体中降解掉。,（五）、内质网的其它作用,1 解毒，如肝细胞的细胞色素P450酶系。 2 参与甾体类激素的合成。 3 使葡糖6-磷酸水解，释放糖至血液中。 4 储存钙离子，作为细胞内信号物质，如肌质网。 5 提供酶附着的位点和机械支撑作用。,rER的功能, 蛋白质合成 蛋白质的修饰与加工 二硫键的形成 新生肽的折叠与组装 蛋白的运输,sER的功能, 脂类的合成 肝的解毒作用 肝细胞葡萄糖的释放 作为分泌蛋

9、白的运输通路 储存钙离子：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中,三 内质网与基因表达的调控,内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装及转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。 影响内质网细胞核信号转导的三种因素： 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。 折叠好的膜蛋白的超量积累。 内质网膜上膜脂成份的变化主要是固醇缺乏 不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达,一 高尔基体的形态结构,是由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。 常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形。 凸面对着内质网称为形成面或顺面（cis face）。凹面对着质膜称为成熟面或反

10、面（trans face）。两面都有运输小泡。 扁平囊直径约1um，单层膜，中间为囊腔，周缘多呈泡状，4-8个扁平囊在一起，构成高尔基体的主体(Golgi stack)。,第三节 高尔基复合体,最早发现于1855年，1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。,The Golgi Apparatus,高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类，具有一些和ER共同的蛋白成分。膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于ER和质膜之间，中性脂类主要包括胆固醇，胆固醇酯和甘油三酯。 高尔基体中的酶主要有糖基转移酶、氧化还原

11、酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等。 标志酶为糖基转移酶。,二、功能区隔,高尔基体顺面的网络结构（cis Golgi network，CGN），是高尔基体的入口区域。 高尔基体中间膜囊（medial Golgi），多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。 高尔基体反面的网络结构（trans Golgi network，TGN）， 是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。,三、主要功能,1、参与细胞分泌活动 RER上合成蛋白质ER腔COPII运输泡CGNmedial Gdgi加工TGN形成运输泡与质膜融合、排出。 高尔基体对蛋白质的分类

12、依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。 2、蛋白质的糖基化 O-连接的糖基化主要在高尔基体中进行，糖的供体为核苷糖。 3、进行膜的转化功能 ER合成的膜脂转至高尔基体修饰加工，形成运输泡与质膜融合。 4、将蛋白水解为活性物质 将N端或C端切除，成为有活性的物质，如胰岛素（C端）；或将含多个相同氨基序列的前体水解为有活性多肽，如神经肽。 5、参与形成溶酶体。 6、参与植物细胞壁的形成，合成果胶质。,N-连接与O-连接的糖基化比较,高尔基体分泌 功能示意图,一、溶酶体的结构,溶酶体为C. de Duve与B. Novikoff 1955年首次发现。单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要

13、功能是进行细胞内消化。 具有异质性，形态大小及酶种类不同。酸性磷酸酶标志酶。 膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低。 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。 具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运。,第四节 溶酶体与过氧化物酶体,1、初级溶酶体（primary lysosome） 直径约0.2-0.5um，有多种酸性水解酶，但无活性，包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酶酶等60余种，反应的最适PH值为5左右。 2、次级溶酶体（secondary lysosome） 是正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为自噬溶酶体和异噬溶酶体 。 3、残余体（residual

14、 body） 又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣，故名。残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质。,Secondary lysosome,肝细胞脂褐质,二、溶酶体的功能,细胞内消化：如高等动物内吞低密脂蛋白获得胆固醇，单细胞真核生物利用溶酶体的消化食物。 自体吞噬：清除无用大分子、衰老细胞、细胞器、发育中多余细胞。许多大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天左右。 防御作用：如巨噬细胞杀死病原体。 参与分泌过程的调节：如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。 形成精子的顶体。,三、溶酶

15、体的发生,在高尔基体的trans面以出芽的形式形成，形成过程： RER合成溶酶体蛋白进入ER腔进行N-连接的糖基化修饰进入高尔基体cis面膜囊磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑将乙酰葡糖胺磷酸转移在1-2个甘露糖残基上在中间膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配体与trans膜囊上的M6P受体结合包装成初级溶酶体。,Transport of newly synthesized hydrolases to lysosomes,The recognition of a lysosomal hydrolase in Golgi and mannose phosphorylation,矽肺：二氧化硅尘粒（

16、矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，导致吞噬细胞溶酶体破裂，水解酶释放，细胞崩解，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。 肺结核：结核杆菌不产生内、外毒素, 也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗溶酶体的杀伤作用, 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重复上述过程，引起肺组织钙化和纤维化。 类风湿性关节炎：溶酶体膜很易脆裂。 各类贮积症、台-萨氏综合征、 II型糖原累积病。,四、溶酶体与疾病,五、过氧化物酶体,Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。 异质性的细胞器。呈圆形、椭圆形

17、或哑铃形，单层膜。 特点：含过氧化氢酶（标志酶）和一至多种依赖黄素的氧化酶，已发现40多种氧化酶（其中尿酸氧化酶形成结晶，是过氧化物酶体的细胞形态学标志）。各类氧化酶的共性是将底物氧化后生成过氧化氢。而过氧化氢酶又利用H2O2去氧化其它底物。 RH2+O2R+H2O2,烟草叶肉细胞的过氧化物酶体（中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心）,主要功能 在动物中：参与脂肪酸的-氧化； 解毒，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、醇等氧化，饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。 在植物中：参与光呼吸，萌发种子中的-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，加入三羧酸循环，又称乙醛酸循环体。 发生 所有酶由核基因编码

18、，细胞质基质中合成，信号肽的引导下，进入过氧化物酶体。引导蛋白质进入微体的信号序列是-Ser-Lys-Leu-COO-。膜脂在内质网上合成后，通过磷脂转移蛋白PTP转移而来。 已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞。再进行进一步的装配。,过氧化物酶体与初级溶酶体的特征比较,特征,溶酶体,过氧化物酶体,形态大小,多球形,0.2-0.5um, 无酶晶体,球形,0.15-0.25um, 常有酶晶体,酶种类,酸性水解酶,氧化酶类,pH,5,7,O2,不需要,需要,标志酶,酸性水解酶,过氧化氢酶,功能,细胞内消化,多种功能,发生,酶在RER成,经高尔 基体出芽形成,酶在细胞质基质合成,经

19、分裂与装配形成,第五节 细胞内蛋白质的分选 与细胞结构的装配,G.Blobel等1975年提出信号假说:蛋白质N端的信号肽，指导蛋白质转至ER上合成，获1999年诺贝尔生理医学奖。 细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面： 其一是蛋白质中包含特殊的信号序列 其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体）。 信号肽与共转移 蛋白质转移到内质网合成涉及以下成分： 1.信号肽:位于新肽N端，16-30个Aa残基，含有6-15个连续排列的带正电荷的非极性Aa，因信号肽又是引导肽链进入ER腔的一段序列，又称开始转移序列,一 信号假说与蛋白质分选信号,2 信号识别颗

20、粒(SPR):由6种多肽组成，结合一个7S RNA，属于一种RNP。能与信号序列结合，使蛋白质合成暂停。 3 SRP受体（SPR receptor）:内质网膜的整合蛋白，异二聚体，可与SRP特异结合。 4 停止转移序列:与内质网膜的亲合力很高，阻止肽链继续进入网腔，成为跨膜蛋白。 5 转位因子:由3-4个Sec61蛋白构成的通道，每个Sec61由3条肽链组成。,蛋白质转入内质网合成的过程：,信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与受体结合SRP脱离信号肽肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔信号肽切除肽链延伸至终止。 这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式， 称为co-tran

21、slation（共转移）。,Translocation of soluble proteins across ER,Insertion of a Multipass Transmembrane protein into the ER membrane, 导肽与后转移（Post translocation）,基本的特征： 蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到相应细胞器中，称后转移。 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。,蛋白质分选信号,信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序

22、列，通常15-60个氨基酸残基，有些在完成蛋白质的定向转移后被信号肽酶（signal peptidase）切除；通常信号序列对所引导的蛋白质没有特异性要求，每一种信号序列决定特殊的蛋白质转运方向。 信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。,signal sequence and signal patch,二、蛋白质分选运输机制,四种基本类型： 1 蛋白质的跨膜转运（由基质入细胞器） 2 膜泡运输（转运小泡：RER高尔基体） 3 选择性门孔转运（入核、出核）； 4 细胞质基质中的蛋白质转运,两条基本途径：

23、1 翻译后转运：在细胞质基质中完成多肽链合成，然后分选到各种细胞器。 2 翻译共转运：在细胞质基质中多肽链合成起始后，转移到内质网，然后边合成边转入内质网腔，再经高尔基体运输至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外。,细胞内膜系统之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要取决于膜的表面识别特征。 大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。,三 膜泡运输,衣被小泡在细胞内沿微管运输。 与膜泡运输有关的马达蛋白有3类，在这些马达蛋白的牵引下，可将膜泡运到特定的

24、区域。 动力蛋白（dynein），趋向微管负端； 驱动蛋白（kinesin），趋向微管正端； 肌球蛋白（myosin），趋向微丝的正极。,三种衣被小泡的功能,已知三类： 网格蛋白（clathrin）；COPI；COPII 主要作用： 选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡； 如同模具一样决定运输小泡的外部特征。,*衣被类型,（一）网格蛋白衣被小泡,相关运输途径：质膜内体，高尔基体内体，高尔基体溶酶体、植物液泡。 结构：由3个重链和3个轻链组成，形成一个具有3个曲臂的形状。许多笼形蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有5边形网孔的笼子。 衔接蛋白(adaptin)：介于笼形蛋白与配体受体复合物之

25、间，起连接作用。目前至少发现4种，分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡。,Clathrin coated vesicles,Selective transport by clathrin coated vesicles,当笼形蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断（pinch off）衣被小泡。,（二）COP I衣被小泡,功能：负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网(逆向)，由7种蛋白组成。 回收信号：Lys-Asp-Glu-Leu（KDEL）。 内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收