细胞生物学第七章 细胞内膜系统（一）.ppt

1、第七章 细胞内膜系统,医学细胞生物学,授课教师：王文锋 副教授 E-mail：,2,目 录,第七章 细胞内膜系统,第一节 内质网,第二节 高尔基复合体,3,内膜系统(endomembrane system) ：指位于细胞质内，在结构，功能乃至发生上有一定联系的膜性结构的总称。内膜是相对于质膜而言，是真核细胞特有结构。,内膜系统使胞内形成一些相互分隔的膜性区室，使胞内特定的生化反应过程在特定的区域内进行，内膜系统的这种分隔作用称为细胞内的区域化。 内膜系统在结构和功能上是一个统一的整体，是细胞合成蛋白质、酶、脂类和糖类的场所，同时对合成产物具有加工、包装和运输的功能。,4,内膜系统,内质网(en

2、doplasmic reticulum),高尔基复合体(Golgi complex),溶酶体(lysosomes),过氧化氢体(peroxisomes) (核膜、小泡),intracellular compartments: endosomes,Nuclear-ER,Golgi,ER,lysosome,细胞内的房室化,5,一、内质网的形态结构,二、内质网的化学组成,三、内质网的类型,四、内质网的功能,第一节 内质网,6,1945年，K.R.Poter; 电子显微镜; 小鼠成纤维细胞 细胞核附近的细胞质内质区 内质网 细胞膜附近的细胞质外质区,7,核膜外层,内质网,ER是由一层单位膜围成的形状大

3、小不同的小管，小泡，扁囊状结构，相互连接形成一个连续的网状膜系统。,小管,小泡,扁囊状,细胞膜,核膜,内质网,细胞膜,内质网的内腔相互连通。,一、内质网的形态结构,8,微粒体(microsome)：为用蔗糖密度梯度离心方法,从细胞匀浆中分离出的内质网碎片。 含有脂类(糖脂、胆固醇)、RNA、蛋白质及丰富的酶等。 胞质面与腔面的酶的分布不同。,标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶,二、内质网的化学组成,9,核糖体,粗面内质网,滑面内质网,There are two basic kinds of ER : Rough/granular endoplasmic reticulum (RER，粗面/颗粒内质网)

4、 - has ribosomes attached. Smooth/agranular endoplasmic reticulum (SER，滑/光面/ 无颗粒内质网) - no ribosomes.,三、内质网的类型,10,10,The smooth ER(SER),11,rough endoplasmic reticulum (RER),RER: 膜表面附着核糖体，膜上有核糖体连接蛋白；形态多为板层状排列的扁囊；网腔内含低电子或中等电子密度的物质；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。,12,The smooth ER(SER),SER: 膜表面无核糖体附着；形态多为分枝小管或小泡；多

5、分布在一些特化的细胞中,如肌肉细胞，肝细胞等。,13,内质网功能：使细胞质区域化，为物质代谢提供特定的内环境；扩大膜的表面积，有利于酶的分布提高代谢效率；是蛋白质，脂类和糖类的重要合成基地；参与物质运输，物质交换和解毒作用；对细胞起机械支持作用。,RER：蛋白质的合成、折叠与转运，蛋白质的糖基化。,SER：小分子物质(脂类)的合成与代谢、储存和调节钙离子浓度以及细胞的解毒作用等。,四、内质网的功能,14,1975年Bloble提出信号假说(signal hypothesis ),信号肽的合成,信号识别颗粒(SRP)-核糖体复合体形成,核糖体与内质网膜结合,多肽链进入内质网腔,主要过程,(一)粗

6、面内质网的功能1.粗面内质网与蛋白质的合成,四、内质网的功能,15,信号肽：引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于新合成肽链的N端。,信号斑：存在于完全折叠的蛋白质中，信号序列可以不相邻。,16,蛋白质分选的信号假说,在多肽链移至内质网的过程中，除了信号肽参与之外，还包含其他的分选信号(sorting signal), 决定蛋白质在细胞内的去向或定位的作用。,后来先后证明了信号识别颗粒(signal recognition particle，SRP) 、信号识别颗粒受体及细胞膜上的易位子通道蛋白(protein-conducting channel,PCC) ，这些成分都参与了蛋白质分选

7、的信号假说。,17,信号假说 (signal hypothesis ),Signal recognition particle (SRP),信号识别颗粒(SRP)：由六个多肽亚单位和1个RNA分子组成。 有三个功能部位：翻译暂停结构域，信号肽结合位点，SRP受体结合位点。,信号识别颗粒受体：位于内质网膜上，由两个蛋白质亚基组成。 功能：将SRP-核糖体复合体引导至内质网膜上的易位子通道蛋白上。,18,内质网腔,细胞质,SRP受体,信号识别颗粒,(SRP),核糖体结合蛋白,tRNA,A,P,核糖体,mRNA,信号肽,A,19,Endomembrane and secreted proteins,

8、20,Endomembrane and secreted proteins,21,ER膜上有一种称为易位子(translocon)的蛋白复合体，直径8.5nm，中心有一个直径2nm的通道，其功能与新生成的多肽进入ER有关。,22,RER合成的外输性蛋白质包括:,1. 分泌性蛋白质，如基质蛋白、酶、抗体、肽类激素和细胞因子等。 2. 膜整合蛋白，如膜受体、膜抗原等。 3. 定位于高尔基复合体、光面内质网(SER)和溶酶体的蛋白质。 4. 驻留在糙面内质网(RER)的蛋白质。,23,2.粗面内质网与蛋白质的折叠,RER腔中丰富的氧化型谷胱甘肽(GSSG)、蛋白二硫异构酶(protein disul

9、fide isomerase，PDI)和分子伴侣系统，为蛋白质多肽链的折叠提供了极为有利的环境。,24,蛋白质的折叠,二硫键的形成：蛋白二硫异构酶（PDI）催化任何两个半胱氨酸残基间形成二硫键；同时能反复切断错误结合的二硫键，帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态。,多肽链的折叠：分子伴侣是一类在细胞内帮助其它蛋白质多肽链进行正确折叠、组装、转运及降解的蛋白质分子，其中大部分属于热激蛋白(heat shock protein，hsp)家族。,25,蛋白质的糖基化(glycosylation)：是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程。,糖与蛋白质的连接方式,N-连接的寡糖蛋白

10、：发生在内质网腔内（蛋白质的天冬酰胺的氨基基团，先与RER膜上的多萜分子连接而被活化）。,O-连接的寡糖蛋白：发生在高尔基体内。,3.粗面内质网与蛋白质的糖基化,26,出芽方式将合成的蛋白质包裹成膜性转运小泡，以囊泡形式转运，避免RER合成的蛋白质与细胞基质混合。,4.粗面内质网与蛋白质的运输,27,SER的功能,1.脂类的合成,2.糖原的合成与分解,3.解毒作用（如肝细胞的解毒作用）,4.储存和调节Ca2+浓度（如肌肉细胞中的肌质网）,（二）滑面内质网的功能,28,在合成胆固醇类物质的肾上腺皮质细胞和卵巢黄体细胞中，SER很发达，SER中存在与胆固醇合成、激素转化及其他脂类合成的酶系。 认为

11、SER是脂类合成与运输的主要场所。某些细胞中RER也可以合成脂类。,1. 脂类的合成,29,2.药物代谢与解毒,内质网上存在与解毒作用有关的酶和酶系，其中光面内质网上集中了多种重要的氧化酶系，如细胞色素P450、NADPH-细胞色素C还原酶等。,许多对机体有害的物质，如药物和毒物等经氧化酶系的作用可以被解毒和转化。,如给动物服用大量有毒物质可引起光面内质网的增生，同时与解毒有关的酶的含量明显增加。停止给药后在短时间内光面内质网的数量就很快减少到正常水平。,30,实验证明，糖原的分布与SER紧密联系。细胞中糖原位于接近SER的部位，且SER常为丰富的糖原所遮盖。动物绝食数日造成糖原减少后，SER

12、的小管与小囊集中围绕残余的糖原。再喂食则使SER显著增加。说明SER与糖原合成有关。,糖原分解与ER有关。肝细胞内SER朝向胞质膜面附着的糖原颗粒，可被磷酸化酶降解，形成1-P-G，再在细胞质基质中转化为6-P-G。,3. 糖原的合成与分解,31,4. 储存和调节Ca2+浓度,肌质网(特化SER) 具有储存和调节Ca2+浓度的功能。腔中PDI有结合Ca2+作用。 其中的Ca2+结合蛋白高亲和力结合Ca2+。ER通过其膜上的Ca2+通道和Ca2+泵调节细胞内的Ca2+浓度，从而调控肌肉的收缩和舒张。,sarcoplasmic reticulum,32,五、内质网的病理性变化,1.ER是一个比较敏

13、感的细胞器。 2.内质网肿胀：ER膨大成空泡状，电子密度底于正常，伴有线粒体肿胀，病理学上称为浊肿(cloudy swelling)。缺氧、辐射等。 3.内质网脱粒：药物中毒、病毒感染等。 4.内质网内包涵体：某些疾病中可看到脂类、蛋白质在ER腔中积累。如脂肪肝细胞中有大量脂质体存在；肝硬化患者的肝细胞可见到ER腔中聚集大量的1-AT。,33,一、高尔基复合体的形态结构,二、高尔基复合体的化学组成,三、高尔基复合体的区域化,四、高尔基复合体的功能,五、高尔基复合体的病理性变化,第二节 高尔基复合体,34,34,1898年 意大利-高尔基(Camillo Golgi) 光镜猫头鹰、猫-神经细胞

14、内网器高尔基复合体,35,Regional differnces in membrane composition across the Golgi stack,36,光镜：网状结构,电 镜,扁平囊/中间高尔基网(包括顺面、中间和反面扁囊)/高尔基堆,成熟面(mature face),小囊泡/顺面高尔基网/形成面/未成熟面/凸面,大囊泡/反面高尔基网/分泌面/凹面,形成面(forming face),一、高尔基复合体的形态结构,37, 100-500nm;膜厚：8nm; 泡内含物质：高电子密度物质，浓缩泡。 来源：扁平囊周边或局部球状膨突脱落形成。,凹面/成熟（反）面,高尔基体是由一层单位膜包围

15、形成的囊泡系统。由扁平囊(saccule)、小泡(vesical)和大泡(vacuole)三种基本形态组成的。,38,扁 平 囊,呈盘状，3-10层称高尔基堆 扁平囊间距：20-30nm； 囊腔宽：6-15nm 凸面：形成(顺)面； 凹面(concave)：成熟(反)面 形成面膜厚： 6nm; 成熟面膜厚：8nm 囊腔内含：中等电子密度的物质 来 源：小囊泡融合。,Forming/cis face,Mature/trans face,39,凸面：形成(顺)面；,小 囊 泡,30-80nm球形小泡 膜厚：6nm; 泡内含物质：低电子密度物质，较透明。 来源：由rER “芽生”而来。,40,从ER

16、到Gc到质膜，蛋白质种类逐渐减少。如，Gc所含磷脂酰胆碱也介于ER与质膜之间，说明Gc是处于ER和细胞膜之间的一种过渡性细胞器。,Gc各部分呈不同的细胞化学反应，顺面扁平囊呈嗜锇反应，反面扁平囊呈焦磷酸硫胺素酶反应，反面管网呈胞嘧啶单核苷酸(CMP)酶反应。以上3种反应和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADP)酶反应均为Gc的特征反应，上述3种酶则为高尔基体的标志酶,定位于Gc的特殊区室中，可作为鉴别高尔基体极性的标准。,主要酶包括:糖基转移、磺基-糖基转移酶(糖脂合成) 、酰基转移酶(磷脂合成)、糖苷酶和其它酶类。,二、高尔基复合体的化学组成,41,41,Gc的扁平囊堆具有三个生化区室，分别为顺面

17、扁囊、中扁囊和反面扁囊，分别依次包含对蛋白质进行逐步加工的特异性酶。,如顺面囊中有磷酸转移酶；中扁囊有N-乙酰葡萄糖胺转移酶I；反面扁囊含有对糖蛋白的糖链末端进一步修饰的半乳糖转移酶等。(比喻成一个工厂，而不同的生化区室就如工厂中的不同车间或工段，修饰加工和选择包装)。 通过出芽(budding)方式在囊间转移并融合。在此过程中扁平囊本身保持相对稳定。,三、高尔基复合体的区域化,42,四、 高尔基复合体的功能,(一）高尔基复合体与细胞的分泌活动,高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。,43,3H标记亮氨酸,3分钟,17分钟,117分钟

18、,44,Autoradiography reveals the sites of synthesis and subsequent transport of secretory proteins,45,1. 参与糖蛋白的合成和修饰,N-连接寡糖链：在rER腔内合成。,O-连接寡糖链：在高尔基体内合成。,糖蛋白,3H标记甘露糖,3H标记半乳糖；唾液糖,3H标记N-乙酰葡萄糖胺,2. 参与蛋白质的改造,无活性前体物(某些肽类激素),加工改造,有活性的物质(激素),高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有严格的顺序性。,（二）高尔基复合体对蛋白质的修饰加工,46,N-连接与O-连接的寡糖比较,47,

19、RER合成的蛋白质在Gc加工中，被加上不同的分选信号(磷酸、半乳糖、唾液酸等)，被反面Gc膜上的专一受体识别、浓缩、分选后，形成不同运输小泡运到细胞不同部位。,（三）高尔基复合体对蛋白质的分拣运输,48,蛋白质合成,溶酶体寡聚糖磷酸化,切除甘露糖,加N-乙酰葡萄糖胺,加半乳糖,加唾液酸；分拣,溶酶体,顺面管网,中层囊,反面囊,反面管网,大泡（分泌颗粒）,rER,高尔基复合体,顺面囊,切除甘露糖,高尔基堆,49,Protein Sorting,蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身。 流感病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞游离端的质膜。 泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞基

20、底面的质膜。 水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号Asp-X-Gln或DXE）起重要的作用。,50,溶酶体的酶是由rER上的核糖体合成,rER腔内,运输小泡,高尔基复合体（加工修饰）,溶酶体的酶内含有甘露糖-6-磷酸，高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并“出芽”离开高尔基复合体形成溶酶体。 溶酶体酶的分选：M6P反面膜囊M6P受体。 在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。,（四）高尔基复合体与溶酶体的形成,51,内吞体,溶酶体酶的磷酸化,rER,顺面管网,反面管网,高尔基复合体,溶酶体前体,加入磷酸基团,M-6

21、-P,溶酶体酶,前 溶 酶 体,ATP,ADP+Pi,H+,去除磷酸,pH=6,成熟溶酶体,M-6-P(甘露糖-6-磷酸是一种分选信号),52,（五）蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型,无生物活性的蛋白原高尔基体切除N-端或两端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素等。 蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽。 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物。 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。 加工方式多样性的可能原因：确保小肽分子的有效合成；弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。,53,异常改变,高尔基复合体的增生和肿胀：囊泡扩张可占据细胞质的大部分区域，多见于药物中毒。,高尔基复合体内容物的