第七章-细胞质基质和内膜系统.ppt

1、What is a coupled reaction(偶联）and why do cells couple reactions?,A reaction occurs that releases energy (like ATP losing a phosphate to become ADP + Pi). If this is uncoupled, the energy will merely turn into heat. If it is coupled, then it can be used to fuel some other process. For instance, if yo

2、u couple the ATP - ADP reaction to a certain protein, the energy can be used to modify the shape of that protein.,A coupled reaction in biology is a chemical reaction having a common intermediate and in which energy is transferred from one side of the reaction to the other. An example would be a mol

3、ecule of sucrose being synthesised from glucose and fructose at the expense of the energy stored in ATP and transferred by glucose-1-phosphate.,第七章 细胞质基质与内膜系统,第一节 细胞质基质及其功能 第二节 细胞内膜系统及其功能,细胞器（organelle）：真核细胞内各种膜包被的功能性结构。 内膜系统（endomembrane system）：指在结构、功能乃至发生上相互关联的由单层膜包被的细胞器或细胞结构的总称。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、

4、胞内体、分泌泡和液泡等。,真核细胞的内区室化,细胞内区室化：真核细胞细胞内具有发达的膜相结构，将细胞质区分成不同的隔室，这是真核细胞结构和功能的基本特征之一。 细胞内被膜区分为3类结构： （1）细胞质基质； （2）内膜系统； （3）其它由膜所包被的细胞器。,真核细胞内典型区室化特征示意图,第一节 细胞质基质及其功能,一、细胞质基质的含义 二、细胞质基质的功能,定义：在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的液相内容物（黏稠胶体），占据着细胞质膜内和细胞核膜外的细胞内空间。细胞质基质可能是一个高度有序且又不断变化的动态结构体系。 主要成分：代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。 主要特点：细

5、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。,一、细胞质基质的含义,二、细胞质基质的功能,四大主要功能：,蛋白质和脂肪酸的合成场所（许多中间代谢途径）； 细胞质骨架为其它成分和细胞器提供锚定位点，而且与维持细胞的形态、运动、物质运输及能量传递有关； 细胞内的膜相把细胞质基质区室化，并通过质膜或细胞器膜上的膜转运蛋白维持细胞内外的跨膜电化学梯度； 蛋白质的修饰和选择性降解。,D、蛋白质的修饰和选择性降解,（一）蛋白质的修饰： 1. 辅因子与酶的共价连接； 2. 磷酸化与去磷酸化：磷酸化位点为Ser、Thr、Tyr、His和Lys； 3. 糖基化：把N-乙酰葡萄糖胺加到

6、蛋白质的Ser残基的羟基上； 4. 酰基化：把src基因编码的酪氨酸蛋白激酶与质膜上豆蔻酸共价连接；Ras的酰基化； 5. 甲基化：对很多细胞骨架蛋白N端和组蛋白上Lys和Arg的甲基化修饰。,1. 决定蛋白质寿命的信号：存在于N端的第一个氨基酸残基，若N端的第一个氨基酸是Met、Ser、Thr等，则蛋白质往往是稳定的；若是其它则往往不稳定。 2. 识别并降解不稳定或错误折叠蛋白质的机制： 泛素-蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径。 生物学功能：包括蛋白质质量监控、影响细胞代谢、信号转导和受体调整、免疫反应、细胞周期、转录调节和DNA修复等。,（二）控制蛋白质的寿命：,泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降

7、解途径,泛素（ubiquitin）：普遍存在于真核细胞热稳定的高度保守的小分子球蛋白（76aa）。 通过其C端的Gly与要被降解的不稳定的或错误折叠的靶蛋白质的Lys残基的-氨基形成异肽键而共价连接，并指引该靶蛋白质运到蛋白酶体中进行降解。 蛋白酶体（proteasome）：真核细胞质基质中降解被泛素标记的蛋白质的中空桶状多亚基蛋白复合体。 其中间由28种蛋白质亚基组成的20S催化核心；两端各结合一个由1618种蛋白质亚基组成的19S调节和识别帽，其中6种亚基具有ATPase活性，负责为蛋白质降解活动提供能量。,泛素-蛋白酶体介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-proteasome-me

8、diated pathway ）,（三）降解异常或畸形的蛋白质 细胞质基质中的变性的、错误折叠、不完整的及含有被氧化或其它非正常修饰氨基酸的蛋白质，也常常很快被降解清除。 （四）帮助变性或错误折叠的蛋白质重新正确折叠 热休克蛋白（HSP，heat shock protein）来完成。,第二节 细胞内膜系统及其功能,一、内质网 二、高尔基体 三、溶酶体 四、过氧化物酶体,内膜系统各区室之间，通过生物合成、蛋白质修饰与分选、膜泡运输和各种质量监控机制，维系其系统的动态平衡。,一、内质网,内质网（endoplasmic reticulum，ER）：是由小管、囊泡和扁平囊互相沟通形成的三维网络结构。它

9、是真核细胞中最普遍、最多变和适应性最强的细胞器。,微粒体（microsome）：是在细胞匀浆和超速离心过程中由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，常常把它与内质网等同。,1、内质网的两种基本类型 糙面内质网（ rough endoplasmic reticulum，rER） 光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）,内质网的分布：绿色为“糙面和光面” ；黄色为“糙面”。,2.1 蛋白质的合成-糙面内质网的主要功能,2、内质网的功能,胞外分泌蛋白； 膜的整合蛋白； 细胞器中可溶性驻留蛋白。,2.2 脂类的合成-光面内质网的主要功能,A：通过膜泡转运脂质 B

10、：通过PEP（磷脂交换蛋白）介导的脂质转运 C：膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触,胆固醇与磷脂在供体膜与受体膜之间可能的转运机制,2.3 蛋白质的修饰与加工,修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等； 糖基化：在糖基转移酶作用下发生在ER腔面N- linked glycosylation（Asn）； 酰基化：发生在ER的细胞质基质侧。,发生在糙面内质网蛋白质N-连接的糖基化过程,N-连接糖基化与O-连接糖基化的比较,N-连接涉及内质网和高尔基体 N-连接中肽链糖基化位点：即Asn-X-Ser/Thr中的Asn O-连接发生在高尔基体,2.4 新生肽的折叠与组装,合成后折叠成正确构象并装配完成

11、； 结合蛋白（Binding protein，Bip） 结合蛋白属于热休克蛋白70家族成员，普遍存在于内质网中，能识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。,2.5 内质网的其他功能,肝的解毒作用（Detoxification）：肝细胞光面内质网合成外输性蛋白及氧化降解酶，如细胞色素 p450 家族； 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； 合成固醇类激素。,有些细胞中光面内质网非常发达。,3、内质网应激（ ERS ）反应,3.1 未折叠蛋白质应答反应（unfolded protein response, UPR)； 3.2 固

12、醇调节元件结合蛋白质（sterol regulatory element binding protein, SREBP）介导的信号途径； 3.3 内质网超负荷反应（Endoplasmic reticulum overload response, EOR); 3.4 引发细胞凋亡。,未折叠蛋白质应答反应图示,A：3条不同的平行信号转导途径执行未折叠蛋白质应答反应（UTR） B：IRE1膜蛋白介导的UTR,固醇调控元件结合蛋白（ SREBP ）的胆固醇敏感调控示意图,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

13、结构。,二、高尔基体（Golgi body）,定义：一种由相对排列整齐的弓形扁平膜囊体系和大小不一的形态多变的囊泡体系组成的极性细胞器。,常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形。 凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面（cis face）； 凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面（trans face）； 中间囊膜； 顺面和反面都有网状结构（CGN和TGN)。,1、形态结构与极性,扁平囊直径约1um，单层膜构成，中间为囊腔，周缘多呈泡状，48个扁平囊在一起，构成高尔基体的主体(Golgi stack)。 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，中性脂类主要包括

14、胆固醇，胆固醇酯和甘油三酯。 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同的类型。 标志酶为糖基转移酶。,高尔基体结构组成,高尔基体的极性,形态学极性：在细胞中往往有比较恒定的位置与方向， 物质从高尔基体的一侧输入，从另一侧输出，因此每层膜囊也各不相同。 （注意：高尔基体的顺面并非总是在高尔基体的凸面，在细胞发育的某个阶段可能位于高尔基体的凹面。） 高尔基体的生化极性： （1）嗜锇反应顺面；（2）NADP酶的细胞化学反应中间几层扁平囊 ；（3）TPP酶的细胞化学反应反面的12层膜囊 ；（4）CMP酶和酸性磷酸酶的细胞化学反应 靠近反面膜

15、囊状和反面管网结构。,生物学上的极性：指细胞、细胞群、组织或个体所表现的沿着一个方向的，各部分彼此相对两端具有某些不同的形态特征或者生理特征的现象。,2、高尔基体的功能,对ER转运来的脂分子及蛋白质进行加工、修饰、分类、包装以及分选； 高尔基体也是细胞内糖类合成的工厂； 高尔基体是细胞内大分子转运的枢纽或“集散地”。,参与细胞分泌活动； 蛋白质的糖基化； 蛋白酶的水解和其它加工过程； 蛋白聚糖的硫酸化。,具体介绍：,高尔基体TGN区是蛋白质包装与分选的关键枢纽，至少涉及3条分选途径： （1）溶酶体酶的包装与分选途径（溶酶体酶参与）； （2）可调节型分泌途径（受到适宜信号的调节）； （3）组成型

16、分泌途径（连续的不需调节）。,2.1 参与细胞分泌活动,2.2 蛋白质的糖基化及其修饰,糖基化的生物学功能有： （1）糖链促进蛋白质折叠和增强蛋白质稳定性的作用； （2）糖链作为对蛋白质包装和分选的信号； （3）寡糖链参与介导细胞间或细胞与细胞外基质间的识别、黏着与双向通讯，或参与分化和发育等多种过程； （4）多羟基糖链还可影响蛋白质的水溶性和所带电荷的性质。,大多数蛋白质（可溶性分泌蛋白、质膜上大多数膜蛋白和溶酶体酶）或膜脂的糖基化修饰和与高尔基体有关的多糖的合成，主要发生在高尔基体。,脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程,（1）对于没有生物活性的蛋白原（propro

17、tein）, 将蛋白原N端或两端的序列切除形成成熟的多肽。 （2）有些蛋白质含有多个相同氨基酸序列（串联）的前体，然后在高尔基体中被水解形成同种有活性的多肽，如神经胎。 （3）一个蛋白质分子的前体中含有不同的信号序列，最后加工形成不同的产物； （4）同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工，产生不同种类的多肽。,2.3 蛋白酶的水解和其它加工过程,三、溶酶体（lysosome）,定义：单层膜围绕的内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要作用是行使细胞内的消化作用。 某些细胞的溶酶体还具有防御功能和其它重要的生理功能。 植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器，如圆球体、糊粉粒和中央大

18、液泡。,溶酶体一种异质性的细胞器： 指不同的溶酶体的形态大小，乃至其中所含水解酶的种类都可能有很大的不同。,溶酶体膜在成分上也与其它生物膜不同： 嵌有质子泵（溶酶体酶的最适pH为5.0左右）； 具有多种载体蛋白（水解产物外运）； 膜蛋白高度糖基化（防止被降解）。 溶酶体酶：已发现60余种，多为可溶性酶，少数整合在膜上；具有某些特征性同源序列；与相关的非溶酶体酶是一类结构与功能上相似的酶家族，在进化上同源。,1、溶酶体的形态结构与类型,初级溶酶体：呈球形，内容物均一，不含有明显的颗粒物质，外面由一层脂蛋白膜围绕。 次级溶酶体：初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡（吞噬泡或胞饮泡）融合形成的进行消化

19、作用的复合体，外部形态不规则，内部结构多样。 残质体：,小鼠膀胱上皮细胞中的溶酶体,2、溶酶体的功能,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：溶酶体起着“清道夫”的作用。 防御功能：巨噬细胞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。 其它重要的生理功能： （1）为细胞提供营养，如降解内吞的血清脂蛋白，获得胆固醇等营养； （2）在分泌腺细胞中，摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节； （3）吞噬细胞溶酶体消化清除凋亡细胞； （4）参与受精过程中的顶体反应，精子的顶体相当于特化的溶酶体。,溶酶体消化作用的3种途径,3、溶酶体的发生 溶酶体酶在糙面内质网合成和初加工

20、，以出芽形式离开内质网形成膜泡到高尔基体，经高尔基体再加工，以出芽形式离开高尔基体形成膜泡到溶酶体。 溶酶体膜蛋白如何同其它蛋白质区分开来而特异地分选到溶酶体膜上，机制仍不明。,新合成的可溶性溶酶体酶从高尔基TGN和细胞表面转运到溶酶体的示意图,矽(xi)肺： 二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细胞吞噬，导致吞噬细胞溶酶体破裂，水解酶释放，细胞崩解，矽尘释出，后又被其他巨噬细胞吞噬，如此反复进行。 肺组织全部纤维化。用老百姓的话说，肺变成一个土疙瘩。,4、溶酶体与疾病 溶酶体贮积症（lysosomal storage disorder）：该疾病以缺乏某种溶酶体酶为特征，从而不能降解相应底物而贮积在溶酶体内。,病例：,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