细胞质基质与细胞内膜系统

1、细胞内区室化（Compartmentalization） 是真核细胞结构和功能的基本特征之一,细胞质基质： 酶、细胞骨架结构 细胞器： 线粒体、叶绿体、过 氧化物酶体、细胞核 内质网、高尔基体、 溶酶体、胞内体、小泡,第五章,真核细胞内膜系统、 蛋白质分选与膜泡运输,本章知识概要：,第一节 细胞内膜系统及其功能 内质网的形态结构与功能 高尔基体的形态结构与功能 溶酶体的形态结构与功能 第二节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 信号假说与蛋白质分选信号 蛋白质分选的基本类型与途径 膜泡运输 细胞结构体系的组装,细胞内膜系统的概念： 指在结构、功能乃至发生上相互关联、由膜包被的细胞器或细胞结构，主要包

2、括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等,第一节 细胞内膜系统及其功能,内膜系统将细胞中的生化合成、分泌途径和内吞作用连成动态的、相互作用的网络,一、内质网（ER）,（一）ER的形态结构与化学组成 1. 概述 管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔形成完整的封闭体系； ER通常占细胞膜系统的一半左右，体积约占细胞总体积的10以上； 原核细胞没有内质网，由细胞质膜代行类似功能。,2. 化学组成,微粒体： 细胞匀浆在差速离心过程中，由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的囊泡结构，它包含内质网膜和核糖体两种基本组分。在体外实验中，具内质网的基本功能。 化学组分： 蛋白质、脂类,（二）内质网的类型,糙面

3、内质网（rER） ： 扁囊状，排列整齐， 表面附大量核糖体。 易位子与新生多肽进入内质网有关。,2. 光面内质网（sER） ： 分支管状，复杂的立体结构， 表面没有核糖体。 常作出芽的位点。,电镜下的粗面内质网和光面内质网,（三）内质网的功能,1. rER的功能 蛋白质的合成 向细胞外分泌的蛋白质 膜的整合蛋白 可溶性驻留蛋白,rER中合成的蛋白质,细胞质基质 中合成的蛋白质,蛋白质的修饰与加工,rER上N-连接蛋白质糖基化过程,寡糖链与内质网膜上的 磷酸多萜醇载体连接； 在糖基转移酶的催化下， 寡糖链转移到肽链的天 冬酰胺残基上。,N-乙酰葡糖胺,葡萄糖,甘露糖,除了糖基化外，在rER中还发

4、生蛋白质的酰基化、羟基化及二硫键的形成等修饰过程。,新生多肽的折叠与装配,蛋白二硫键异构酶：切断二硫键，帮助蛋白质处于正确折叠的状态。 结合蛋白（Bip）：能识别不正确折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进其重新折叠与装配。,2. sER的功能,脂类的合成与转运,ER合成细胞所需 的几乎全部的膜质。 （磷脂和胆固醇） 磷脂在内质网膜上 合成后经磷脂转位 因子转入内质网腔面。,内质网腔中的磷脂 向其他膜的转运方式：,A ：通过出芽的方式高尔基体 溶酶体膜或细胞质膜; B ：通过磷脂转换蛋白特异性地 转运磷脂至相应的靶膜（线粒 体的膜或过氧化物酶体的膜）,膜泡,出芽,内质网膜,磷脂转移蛋白,线粒

5、体膜等,类固醇激素的合成,能分泌固醇类激素的细胞含丰富的sER； sER 中含合成胆固醇和将胆固醇转化为固醇类激素的全套酶系。 肝细胞的解毒作用: 肝细胞的sER中含有细胞色素P450家族酶系； 将疏水化合物氧化为亲水的、更易排泄的衍生物。,与糖原代谢有关的酶定位于sER上 : 肝细胞中葡萄糖的释放需sER上的葡萄糖-6-磷酸酶。 Ca2+ 的储存库 ： sER中含有高浓度的钙结合蛋白可结合大量的Ca2+ （ Ca2+泵）； sER中Ca2+的可调节释放，引发特异的细胞应答（ IP3-门控Ca2+通道）。,（一）高尔基体的形态结构,1. 由48个扁平膜囊和大小不等的囊泡构成。,二、高尔基体,高

6、尔基体的顺面网状结构 （cis-Golgi network，CGN）,膜囊堆凸出的一面，朝向细胞核或内质网一面，称为形成面； 酶的活动及膜厚均与内质网相似； 功能：分选站，区分应运输回ER的蛋白质和应进入高尔基体的蛋白质。,高尔基体的中间膜囊 （medial Golgi）,位于顺、反面之间，由扁平膜囊和管道组成。 功能： 多数糖基化修饰； 糖脂的形成； 多糖的合成。,高尔基体的反面网状结构 （trans Golgi network，TGN）,膜囊堆凹的一面，朝向细胞质膜， 称为成熟面； 膜厚与质膜相似 功能： 参与蛋白质的分类与包装，以膜泡运输的形式从高尔基体输出； 某些“晚期”蛋白的修饰也发

7、生在 TGN中。,周围大小不等的囊泡,顺面：囊泡较小，由内质网出芽形成，为物质运 输小泡； 反面：囊泡较大，为分泌泡或分泌颗粒。,高尔基体的结构,高尔基体与内质网,2. 高尔基体是一种有极性的细胞器,结构上的极性 靠近内质网的一面为顺面（形成面） 靠近质膜的一面为反面（成熟面） 功能上的极性 高尔基体执行功能时是“流水式”操作。,3.高尔基体标志性的化学反应,嗜锇反应（cis面） 焦磷酸硫胺素酶反应（trans面的12层膜囊） 胞嘧啶单核苷酸酶或核苷酸二磷酸酶的细胞化学反 应（近trans面的膜囊和管状结构） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）或甘露糖酶的 细胞化学反应（中间几层扁平膜囊）,

8、组织化学染色技术表明高尔基体的生化极性,a：cis面膜囊特异性地被饿酸染色 b: 甘露糖苷酶主要在中间膜囊 c: 核苷酸二磷酸酶主要定位于trans膜囊,（二）高尔基体的功能,蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白质的N-连接的糖基化：反应起始于rER上，寡糖链从供体磷酸多萜醇上转移至新生肽链的天冬酰胺残基上，与天冬酰胺直接结合的糖是N-乙酰葡糖胺。 蛋白质的O-连接的糖基化：发生在高尔基体中，在糖基转移酶的催化下，每次加上一个单糖与寡糖链连接的氨基酸是丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸，与氨基酸直接结合的糖是N-乙酰葡糖胺。,蛋白质糖基化类型,N-连接与O-连接的寡糖比较,复杂的N-连接寡糖在内质网和

9、高尔基体的加工过程 -至少有11种酶的参与,蛋白质糖基化的特点及生物学意义,特点： 糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同酶在不同细胞间隔中经历复杂的加工过程才能完成。 糖基化的生物学意义： 为各种蛋白质打上不同的标记，以利于高尔基体的分类包装，同时保证糖蛋白从rER至高尔基膜囊的单方向运输。 蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加蛋白质的稳定性。 多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性。,放射自显影技术： 利用放射性同位素的电离辐射对乳胶的感光作用，对细胞内生物大分子进行定性、定位研究的一种细胞化学技术。 运用此技术研究分泌蛋白从合成到释放的所有步骤。,2. 参与细胞的分泌活动,1.细胞与同位素

10、接触3min后，标记物出现在内质网中。,2.细胞接触同位素3min后，置于非同位素的培养基中“追踪”17min，放射性标记出现在高尔基体和部分分泌泡中；,3.细胞接触同位素3min后，置于非同位素的培养基中“追踪”117min，标记物主要出现在分泌泡中。,分泌性蛋白的合成起始于rER； 其转运过程是通过高尔基体来完成的。,放射自显影技术揭示分泌蛋白的合成位点和运输过程, 无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体切除N-端或两 端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。 蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的

11、产物。 同一种蛋白质前体不同细胞、以不同的方式加工不同的多肽。,3. 蛋白酶的水解和其他加工过程,4.植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖,三、溶酶体,溶酶体（lysosome）是存在于动物细胞中、单层膜围绕、内含多种酸性水解酶的囊泡状细胞器。其主要的功能是进行细胞内的消化。 植物细胞内的圆球体、糊粉粒及液泡有类似溶酶体的功能,（一）溶酶体的特征,1. 溶酶体膜的结构特点： 膜上嵌有质子泵，维持其酸性的内环境。 膜上有多种载体蛋白，用于水解产物的向外转 运。 膜蛋白高度糖基化，有利于防止自身降解。,2. 溶酶体中包含大量的酸性水解酶，能消化每一种生物大分子。,初级溶酶体,残余小体,次级溶酶体

12、自噬溶酶体 异噬溶酶体,3. 溶酶体是异质性细胞器：溶酶 体处于不同的生理阶段，其形态、 数量及所含的水解酶的种类有很 大的变化。,初级溶酶体(primary lysosome ),由高尔基体末端膨大出芽形成； 呈球形、直径为0.2-0.5um； 内含均匀物质，仅含水解酶，无作用底物； 其中酶处于潜在状态。,次级溶酶体 (secondary lysosome ),由初级溶酶体与细胞内的自噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体-自噬溶酶体和异噬溶酶体； 形状不规则，大小可达几个um； 内含各种水解酶及相应的作用底物； 内部结构复杂，常含有颗粒、膜片甚至某些细胞器； 处于功能活跃状态。,残余小体（后

13、溶酶体） (residual body),已失去酶活性，仅留未消化的残渣而得名； 可通过外排作用排出细胞外； 也可能留在细胞内逐年增多，如肝细胞中的 脂褐质。,动 物 细 胞 溶 酶 体 系 统 示 意 图,初级 Lys.,次级 Lys,A:吞噬作用 B:胞吞作用,（二）溶酶体的功能,自噬作用,后期胞内体,溶酶体,胞饮作用,吞噬作用,过氧化物酶体,线粒体,溶酶体消化作用的三种途径，每种途径导致不同来源的物质在细胞内被消化。,1. 清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损 伤和死亡的细胞。 2. 防御功能：某些细胞可识别并吞噬入侵的病毒或 细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解。 3. 作为

14、细胞内的“消化”器官为细胞提供营养。,4.参与分泌过程的调节：如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。 5.清除凋亡的细胞:两栖类的变态发育、乳腺的退行性变化都涉及特定细胞的凋亡，凋亡细胞的清除与溶酶体有关。 6.形成精子的顶体：顶体中含多种水解酶类，使卵细胞的外被溶解，产生孔道，精子进入卵细胞。,（三）溶酶体的发生,溶 酶 体 的 发 生 过 程,1.由高尔基体分泌形成,溶酶体的酶在rER上合成并经N-连接的糖基化修饰，然后转至高尔基体的CGN。 在CGN中，溶酶体酶寡糖链上的甘露糖残基发生磷酸化形成6-磷酸甘露糖（M6P）。 在高尔基体的TGN膜上，集中分布M6P的受体分子，受体与M6P的

15、特异性结合，使溶酶体的酶与其它的蛋白质分开，起到局部浓缩的作用。 TGN以出芽的方式形成运输小泡将溶酶体的酶转运到前溶酶体中。 前溶酶体的酸性环境促使M6P受体与M6P分离，受体返回高尔基体被重复利用。 同时在前溶酶体中，溶酶体酶蛋白中的M6P去磷酸化，进一步促进M6P受体与之彻底分离。,2. 回收途径,部分溶酶体酶可通过运输小泡直接分泌到细胞外，在细胞质膜上，也存在M6P的受体，受体可与胞外的溶酶体酶结合，在网格蛋白的协助下通过受体介导的胞吞作用，将溶酶体酶经胞内体送至前溶酶体中，M6P受体同样可以返回细胞膜被重复利用。,四、溶酶体与疾病（了解）,1矽肺 二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬

16、细胞吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。 2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胞内的溶菌杀伤作用，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，最终引起肺组织钙化和纤维化。,3各类贮积症 台-萨氏综合征：又叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A，导致神经节

17、甘脂GM2积累，影响细胞功能，造成精神痴呆，26岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。 II型糖原累积病：溶酶体缺乏-1,4-葡萄糖苷酶，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，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。,细胞内含物病：一种更严重的贮积症，是N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起的。由于基因突变，高尔基体中加工的溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，酶被运出细胞。这类病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，导致底物在溶酶体中大量贮积，形成所谓的“包涵体”。另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径

18、。 4类风湿性关节炎 溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎,第二节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,信号假说 蛋白质分选的途径与类型 膜泡运输,一、信号假说,（一）信号假说的提出 1972年，C.Milstein骨髓瘤细胞中提取的免疫球蛋白分子和分泌到细胞外的蛋白分子相比N端的氨基酸序列多出一截。 1975年，G.Blobel,Sabatini提出信号假说： “分泌性蛋白N端作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔中，在蛋白合成之前信号肽被切除。” 1999年，G.Blobel：“信号序列控制蛋白质在细胞内的转移与

19、定位”获诺贝尔医学与生理学奖。,（二）相关的概念,信号肽（signal sequence）： 位于蛋白质的N端，一般含16-26个氨基酸残基，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端。是指导分泌性蛋白在rER上合成的决定因素。,2. 信号识别颗粒 （signal recognition particle,SRP) 由6个蛋白亚基和1个7SRNA分子组成的核糖蛋白复合体，存在于细胞质基质中，既可与新生肽信号序列和核糖体结合，又可与内质网停泊蛋白结合。,停泊蛋白（docking protein,DP) 位于内质网膜上，可特异地与SRP结合。 易位子(translocon) 位于内质网膜上的蛋白复合体，直

20、径为8.5nm,中心有2nm的孔道，是接受核糖体的位点，与新生多肽进入内质网有关。,在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系,* “+”和“-”分别代表反应混合物中存在（+）或不存在（-）该物质。,在非细胞系统中蛋白质的翻译过程 与SRP、DP和微粒体的关系,（三）信号假说的要点,P202:图7-20,蛋白质的合成起始于细胞质基质游离的核糖体上； 当肽链延伸到一定的长度，N端的信号序列与SRP结合使肽链延伸暂时停止； 结合有信号序列的SRP与内质网膜上的停泊蛋白结合。 核糖体/新生肽与内质网膜上的易位子结合。SRP脱离信号序列和核糖体，返回细胞质基质中重复利用，肽链又开始延伸

21、。信号肽与易位子组分结合并使孔道打开，信号肽传入内质网膜并引导肽链以袢环的形式进入内质网腔中，这是一个耗能的过程。 腔面上的信号肽酶切除信号肽并快速使之降解。 肽链继续延伸，直至完成整个多肽的合成，蛋白质进入腔内并折叠，核糖体释放，易位子关闭。,分泌性蛋白在内质网上的合成过程,共转移：肽链的合成起始于细胞质基质中的核糖体，在信号肽的引导下肽链边合成边转入内质网的腔中继续蛋白质的合成，称共转移。 后转移：蛋白质在细胞质基质中合成以后，在某种信号序列（导肽）的指导下进入线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等细胞器中，称后转移。,（四）几种典型的蛋白质分选信号序列,二 、蛋白质分选的基本途径与类型,蛋白质分

22、选的两条途径：,细胞质基质中全合成的蛋白质,线粒体,叶绿体,过氧化物酶体,细胞核,细胞质基质的特定部位,细胞质基质中半合成的蛋白质,高尔基体,粗面内质网,溶酶体,细胞膜,细胞外,2. 蛋白质分选运输途径主要有4类：,蛋白质的跨膜转运：细胞质基质中合成的蛋白质向细胞器的转运。 膜泡运输：内质网上合成的蛋白质经过高尔基体的分选后，经运输小泡运至细胞的不同部位。 选择性的门控运输：细胞质基质中合成的蛋白质通过核孔复合体选择性的进行核输入与输出。 蛋白质在细胞质基质中的运输：此过程与细胞骨架密切相关。,三、膜泡运输,内膜系统之间的物质传递是通过膜泡运输方式实现的； 运输过程复杂：蛋白质的修饰、膜泡的定向运输、融合及调控。,COP有被小泡 COP有被小泡 网格蛋白有被小泡,三类不同的有被小泡具有不同的运输作用：,（一）COP有被小泡,功能：负责从内质网到高尔基体的物质运输