细胞的内膜系统与囊泡运输.ppt

第五章 细胞的内膜系统与 囊泡运输,Endomambrane System and Vesicular Transport,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,2,教学基本要求,1.掌握内膜系统的概念及结构组成 2.掌握粗面内质网、滑面内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体的主要化学组成、结构特征和生理功能 3.熟悉内膜系统之间在结构、功能及来源发生上的相互联系 4. 熟悉囊泡的主要类型及其在胞内五指转云中的重要作用,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,3,内膜系统概述,概念：细胞内，在结构、功能和发生方面有联系的膜性细胞器构成的体系称为内膜系统。包括内质网、高尔基复合体、溶酶体、内体、过氧化物酶体及分泌泡。 功能：使细胞复杂的生命活动区域化，从而提高生命活动效率。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,4,第一节 内质网,内质网概述 定义：内质网（endoplasmic reticulum, ER）是一类由大小、形态各异的膜性囊泡构成的细胞器。 分布：分布于内质区，延伸至靠近细胞膜的外质区，普遍存在与各类细胞中（哺乳类成熟红细胞除外）。 类型：以其形态、功能不同分为：粗面内质网和滑面内质网。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,5,本章主要内容 内质网的化学组成 内质网的一般形态结构 内质网的类型 内质网的主要功能,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,6,一、内质网的化学组成,内质网以蛋白质和脂类为主要化学组成成分，二者比例大约为2 :1。 1.脂类 内质网膜的类脂双分子层组成包括磷脂、中性脂（甘油三酯，胆固醇，胆固醇脂）、神经节苷脂等，以磷脂含量最多。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,7,2.蛋白质 内质网膜上含有30多种不同的酶和酶系。根据功能特性可分为几种主要类： （1）与解毒功能有关的氧化反应电子传递酶类 （2）与脂类代谢相关的酶类 （3）与糖类代谢相关的酶类 （4）参与蛋白质加工、转移的多种酶类 内质网的标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,8,二、内质网的形态结构,1.基本结构：内质网是由大小不同、形态各异的膜性小管、小泡和扁囊彼此联通所构成的三维网状膜系统。 2.动态变化：在不同组织细胞中，或同种细胞的不同发育阶段及生理状态下，内质网的形态结构、数量分布和发达程度有很大差别。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,9,三、内质网的基本类型,（一）粗面内质网(rough endoplasmic reticulum) 1.形态：为整齐排列、相互连通的多层扁囊状结构，胞质面有核糖体附着。 2.功能：主要和外输性蛋白、膜蛋白的合成、加工、转运有关。 3.分布：蛋白分泌功能旺盛的细胞中，粗面内质网高度发达，肿瘤细胞和未分化细胞中相对较少。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,10,（二）滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum) 1.形态：表面光滑的管、泡样网状结构，无核糖体附着，常见与粗面内质网相通。 2.功能：是一种多功能细胞器，主要功能有解毒、糖代谢、脂代谢，参与肌肉收缩等。在不同细胞或同一细胞的不同生理时期，常表现出完全不同的功能特性。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,11,四、内质网的功能,（一）粗面内质网的功能 1.外输性蛋白的合成分泌 （1）作为核糖体附着的支架 细胞中所有蛋白质的合成，都起始于游离核糖体，但许多蛋白多肽链起始后，需要与相应核糖体一起附着于粗面内质网膜上才能最终完成合成。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,12,附着核糖体合成的蛋白质有： 分泌性蛋白(酶类、肽类激素、抗体等) 膜整合蛋白 内质网驻留蛋白 内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白（需要隔离或修饰）。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,13,（2）折叠与装配新生肽链 附着核糖体合成的肽链需在内质网腔中折叠与装配，形成特定空间结构。这一过程由分子伴侣协助完成。 分子伴侣(molecular chaperone): 能够帮助多肽转运、折叠和组装的结合蛋白，本身不参与终产物的形成。 分子伴侣的共同特点：在羧基端有-Lys-Asp-Glu-Leu四氨基酸滞留信号肽，该信号肽能与内质网膜上相应受体结合而滞留于网腔，因此也被称为驻留蛋白(retention protein)。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,14,（3）蛋白质的糖基化 糖基化(glycosylation): 单糖或者寡糖与蛋白质之间通过共价键结合形成糖蛋白的过程。 由附着性核糖体合成并经内质网转运的蛋白质，大多数都要被糖基化。 发生在粗面内质网中的糖基化主要是寡糖与蛋白质天冬酰胺残基侧链上氨基基团的结合，称为N-连接糖基化，其识别序列为: Asn-X-Ser或Asn-X-Thr（X代表除Pro之外的任何氨基酸）。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,15,（4）蛋白质的包内运输 在粗面内质网内合成并经加工修饰后的外输性蛋白质最终被内质网膜包裹，形成膜性运输小泡。 主要有两个运输途径： 结构性分泌：内质网高尔基体转运泡细胞外 调节性分泌：内质网高尔基体转运泡接收信号细胞外,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,16,2.分泌蛋白合成的信号肽假说 （1）信号肽假说涉及的细胞成分和结构 信号肽(signal peptide)：是分泌蛋白或跨膜蛋白肽链N端的一段特殊氨基酸序列，是外输性蛋白在粗面内质网上合成的决定因素。 信号识别颗粒(signal recognition particle, SRP)：细胞质基质中能识别并结合信号肽和信号识别颗粒受体的蛋白质。 细胞识别颗粒受体(SRP-receptor, SRP-R)：内质网膜上能识别SRP并与之结合的蛋白。 移位子(translocon)：内质网膜上的能够开闭的通道蛋白，开启信号是前三者的结合。 以上四种成分的先后结合共同引到核糖体大亚基结合于内质网膜以及肽链穿越内质网膜进入内质网腔。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,17,（2）信号肽作用的具体过程（机制） 分泌蛋白新生态链在游离核糖体中开始合成 信号肽与SRP结合，肽链翻译暂停 信号肽结合的SRP与rER膜上的SRP-R结合，核糖体大亚基与rER膜上的通道蛋白移位子结合 内质网膜上肽链通道打开，肽链进入通道，SRP脱离核糖体与SRP-R 信号肽进入rER腔，信号肽切除，翻译继续进行，直至完成。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,18,3.跨膜蛋白的插入与转移 （1）单次跨膜蛋白插入内质网膜的机制 新生肽链协同翻译插入(cotranslation insertion)机制 起始转移信号肽起始肽链转移（位于始端） 停止转移信号肽使移位子由活性状态转为钝化状态终止肽链转移（位于跨膜区） 内信号肽(internal signal peptide)介导的内开始转移肽(internal start-transfer peptide)插入转移机制 内信号肽位于多肽链内部的信号肽序列，具有与N端信号肽同样的功能，到达移位子时被保留在脂双层中。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,19,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,20,（2）多次跨膜蛋白插入内质网膜的机制 与单次跨膜蛋白的转移机制大致相同，在多次跨膜蛋白肽链上，存在两个或两个以上的疏水性起始转移肽结构序列（跨膜区始端）和停止转移肽结构序列（跨膜区终端）。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,21,（二）滑面内质网的功能 1.参与脂类合成和转运 合成脂类是滑面内质网最重要的功能之一。除线粒体特有的磷脂（心磷脂，？）外，细胞所需的全部膜脂几乎都由内质网合成。例如： 磷脂（所有类型细胞） 糖脂（所有类型细胞） 脂肪（小肠上皮细胞） 胆固醇（小肠，肝细胞） 皮质激素（肾上腺，雌雄性腺）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,22,（1）磷脂酰胆碱合成过程 2脂酰辅酶A + 3-磷酸甘油 磷脂酸 磷脂酸 二脂酰甘油 二脂酰甘油 + C-P-P-胆碱 磷脂酰胆碱,脂酰转移酶,2CoA,磷酸酶,Pi,磷酸胆碱转移酶,C-P,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,23,（2）向其他膜结构的转运 主要有两种形式： 出芽形成小泡转运至高尔基体、溶酶体、质膜 以磷脂转换蛋白（phospholipid exchange protein, PEP）为载体，进入细胞质基质，扩散到线粒体和过氧化物酶体膜上。 2. Breakdown of stored glycogen in liver cells Glgucose-6-phosphatase: G-6PG,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,24,3. Detoxification (mainly in liver cells)。肝细胞滑面内质网有多种解毒的酶，通过对有毒物质的氧化、还原、水解、结合、甲基化等生化反应，使其降低或失去毒性。 4. Calcium storage: in sarcoplasmic reticulum，肌细胞膜上的Ca2+-ATP酶可进行Ca2+的储存和释放。 5. 与胃酸、胆汁的合成和分泌密切相关,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,25,第二节 高尔基复合体,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、高尔基复合体的主要功能,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,26,一、高尔基复合体的形态结构,（一）高尔基复合体的形态 高尔基复合体（Golgi complex）是一种膜性囊、泡结构复合体，一般分三个组成部分。 1.扁平囊泡(cisternae)：主体结构，38个扁囊平行排列成高尔基堆(Golgi stack)。 凸面称形成面或顺面，朝向细胞核或内质网 凹面称成熟面、反面或分泌面，朝向质膜,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,27,2.小囊泡(vesicles)：由粗面内质网芽生、分化而来，转运内质网内的蛋白质至高尔基复合体。 3.大囊泡(vacuoles)：分布于高尔基体的凹面，系各种分泌泡和初级溶酶体。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,28,（二）高尔基复合体功能分区 1.顺面高尔基网状结构(cis Golgi network)，接受由内质网合成的物质并分类后转入中间膜囊。进 行蛋白分选，蛋白糖基化、酰基化。 2.高尔基中间膜囊(medial Golgi)，蛋白质糖基化 及糖脂的合成。 3.反面高尔基网状结构(trans Golgi network)，由反面一侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类、包装与分泌。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,29,高尔基复合体各功能区的特异性细胞化学反应 嗜锇反应，经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶) 反应，是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,30,焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)反应，可特异地显示高尔基体trans面12层膜囊； 胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶) 反应，显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构。 CMP酶也是溶酶体的标志酶，溶酶体就是在此处分泌产生的。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,31,（三）高尔基复合体在细胞中的分布形式 1.无明显极性的细胞，例如神经细胞、白细胞等分布在核周围 2.有明显极性的细胞，例如肠粘膜上皮细胞，外分泌腺细胞，分布在分泌端的细胞质中 3.高尔基复合体的数量及发达程度与细胞的生长、发育和功能状态有关,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,32,二、高尔基体的化学构成,高尔基体由脂类和蛋白质两大类成分构成。具有一些和ER共同的蛋白成分，膜脂含量介于ER和质膜之间。 （一）脂类（见教材P109表5-1） 脑磷脂 卵磷脂 神经鞘磷脂 磷脂酰丝氨酸 胆固醇,脂类约占膜成分的45%。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,33,（二）蛋白质（见教材P109表表5-2） 蛋白质约占膜成分的55%，主要是酶，包括： 糖基转移酶（特征性酶，糖蛋白、糖脂合成） 硫基糖基转移酶（参与糖脂的合成） 脂酰转移酶（磷脂合成，蛋白修饰） 氧化还原酶（氧化还原反应） 磷酸酶（脱磷酸基作用） 蛋白激酶（蛋白的磷酸化与去磷酸化） 磷脂酶类（磷脂水解代谢） 甘露糖苷酶（糖代谢）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,34,三、高尔基复合体的功能,（一）蛋白质、脂类的糖基化 在内质网上合成并由高尔基复合体运输的蛋白质，绝大多数要经过糖基化形成糖蛋白。糖基与蛋白质连接的方式有两种。 1.N-连接糖链：寡糖链结合在肽链中天冬酰胺的侧链上。N-连接起始于内质网，完成于高尔基复合体。 2.O-连接糖链：寡糖连接的部位为丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的OH基团，通常通过N-乙酰半乳糖连接， O-连接糖基化主要或完全在高尔基体中进行。 许多糖蛋白同时具有N-连接的糖链和O-连接的糖链。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,35,蛋白质糖基化的意义 糖基化改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。 糖基有运输信号的作用 蛋白质糖基化丰富了蛋白质种类与功能 2.分泌蛋白的分类、修饰、加工和浓缩 3.蛋白运输 4.参与溶酶体的形成，并有浓缩作用,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,36,第三节 溶酶体,一、溶酶体的形态结构及化学组成 二、溶酶体的类型 三、溶酶体的形成过程 四、溶酶体的功能,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,37,一、溶酶体的形态结构和化学组成,（一）形态结构特点 溶酶体（lysosome）是由单层生物膜包裹的圆形或卵圆形膜性细胞器，一般直径在0.2 0.8 m之 间，大小范围在0.05 数m 典型的动物细胞中约含几百个溶酶体，但在不同 细胞中数量差异很大。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,38,（二）化学组成 1.内容物化学组成 含有60种以上的酸性水解酶，分为六大类： 核酸酶 核苷酶 蛋白酶 磷酸酶 脂酶 硫酸酯酶 但单个溶酶体中酶的种类是有限的，不同溶酶体所含酶不全相同。 溶酶体内的酶是酸性水解酶，最适pH为5.0。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,39,2.膜化学组成特征 溶酶体膜腔面富含高度糖基化的跨膜糖蛋白，可防止溶酶体酶对自身膜结构的消化分解。 溶酶体膜上嵌有质子泵，可将H+泵入溶酶体中，维持溶酶体酸性内环境。,溶酶体在形态大小、数量分布、生理生化性质等方面都表现出高度异质性。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,40,二、溶酶体的类型,(一）按功能状态不同分三种类型 1.初级溶酶体(primary lysosome)：刚从高尔基复合体分泌面分离形成的溶酶体 特征 形态上一般为不含颗粒物质的透明圆球状 其中的酶通常处于非活性状态 不含酶底物,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,41,2.次级溶酶体(secondary lysosome)：初级溶酶体与底物融合并相互作用即成为次级溶酶体 特征 次级溶酶体体积大，外形多不规则 酶有活性，次级溶酶体是一种功能状态 类型 自嗜性溶酶体（autophagic lysosome） 异嗜性溶酶体（phagolysosome）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,42,3.三级溶酶体（tertiary lysosome）：残留有不能消化分解物质的溶酶体，也称残余小体。 特征 酶活性逐渐降低，最终消失，进入溶酶体生理功能的终末状态 去向 以胞吐的方式释放到细胞外 沉积于胞内而不被清除,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,43,存在形式 脂褐质衰老的神经细胞、心肌细胞、手和面部的表皮细胞。 髓样结构单核巨噬细胞（系统的细胞）、大肺泡细胞、肿瘤细胞、病毒感染细胞 含铁小体单核吞噬细胞（系统的细胞）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,44,按溶酶体的形成过程又可分为两类： 1.内体性溶酶体(endolysosome)：高尔基体形成的运输小泡与细胞胞吞（饮）作用形成的内体(endsome)融合形成。 2.吞噬性溶酶体(phagolysosome)：内体性溶酶体与自噬体或吞噬体融合形成。（又分自噬性溶酶体或异噬性溶酶体）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,45,三、内体性溶酶体的形成,1.内质网合成酶蛋白并糖基化成N-连接甘露糖糖蛋白 2.甘露糖糖蛋白运至高尔基体，在形成面甘露糖被磷酸化成M-6-P(溶酶体酶分选标记),Transport of newly synthesized hydrolases to lysosomes,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,46,3.在成熟面被M-6-P受体识别，包装成网格蛋白有被小泡，脱离高尔基体 4.有被小泡脱被后与晚期内体融合成内体性溶酶体 5.在溶酶体膜上的H+质子泵作用下形成酸性内环境，溶酶体酶与M-6-P受体解离，去磷酸化，成熟,Transport of newly synthesized hydrolases to lysosomes,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,47,四、溶酶体的主要功能,1.对细胞内物质的消化（自噬作用，异噬作用，生理性自溶，新陈代谢，自我保护，为细胞提供营养和能量）； 2.参与甲状腺素的生成，调节激素分泌； 3.参与骨质更新作用，在骨髓发生中消除陈旧骨质； 4.协助精子与卵受精； 5.参与某些动物机体器官组织的变态与退化。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,48,第四节 过氧化物酶体,一、过氧化物酶体的形态结构 二、过氧化物酶体的酶类组成 三、过氧化物酶体的功能 四、过氧化物酶体的的发生,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,49,一、过氧化物酶体的形态结构,由一层单位膜包裹的圆形、卵圆形或哑铃形膜性细胞器，直径0.21.5 m，通常为0.5 m。 常含电子密度较高、排列规则的结晶体类核体介膜内表面可见一条高电子密度的条带状结构边缘板,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,50,二、过氧化物酶体的酶类组成,含一至多种氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发现40多种氧化酶，其中尿酸氧化酶的含量极高。 氧化酶将底物氧化后，生成过氧化氢。 RH2+O2R+H2O2 过氧化氢酶可以利用过氧化氢将其它底物（如醛、醇、酚）氧化。 RH2+H2O2R+2H2O 过氧化氢酶还可在细胞中H2O2过剩时，催化如下反应：2H2O2 2H2O + O2,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,51,三、过氧化物酶体的功能,解毒：分解过氧化氢，氧化其他有毒物质 参与脂肪酸的氧化，为细胞提供能量 调节细胞中O2分压，既可消除、也可增加细胞细胞内的O2,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,52,四、过氧化氢酶体的发生,有两种观点： 过氧化物酶体来源于已存在过氧化物酶体的分裂，酶由游离核糖体的合成。 过氧化物酶体的形成类似于溶酶体，酶由粗面内质网上的附着核糖体合成。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,53,第五节 囊泡与囊泡转运,一、囊泡及其类型 1.囊泡的形成 囊泡（vesicle）由质膜、高尔基复合体或内质网的特定区域通过芽生（外凸或内凹）形成；囊壁由质膜（内层）和包被蛋白（外层）构成；囊内容纳被运输物质。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,54,2.包被蛋白的作用 （1）将膜塑造成囊泡，决定其外部特征。 （2）选择性的将特定蛋白聚集在一起，决定物质的运输方向。 3.囊泡的类型 根据包被蛋白不同，囊泡分三个类型： （1）网格蛋白(clathrin)包被囊泡 （2）COP I包被囊泡 （3）COP II包被囊泡,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,55,二、囊泡的功能,囊泡是真核细胞中的物质运输小泡，不同类型的囊泡有不同的运输功能。,表 囊泡的类型与功能,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,56,三、囊泡转运,囊泡转运是沿着微管定向运输到特定的靶细胞器，马达蛋白水解ATP提供运输的动力。 各类运输小泡能被准确转运到靶细胞器依赖于囊泡表面的标志蛋白靶膜上受体相互识别。 识别之前需脱去包被；融合有多种蛋白质协 助和参与，过程复杂。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,57,四、膜流,经细胞内吞和外吐作用，质膜与内膜系统间进行膜的循环运动，局部处于分离与融合的动态变化中。生物膜的此种动态变化被称为膜流。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,58,第六节 内膜系统与医学的关系,一、内质网的病理改变 内质网的病理改变主要是肿胀、肥大、脱颗粒。 1.肿胀，囊泡化：细胞缺氧、遭受辐射、中毒、感染，阻塞，ER膜损伤，水、Na+流入等。 2.肝细胞内质网肥大：机体抗感染、解毒作用。 3.核糖体脱落：病毒性肝炎，细胞脱水。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,59,二、高尔基体的病理改变,1.分化程度低的细胞，肿瘤细胞，高尔基体不发达。 2.细胞中毒、损伤、衰老在高尔基体表现为扩张、肥大、内容物变化、萎缩和消失。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,60,三、溶酶体与疾病,（一）溶酶体缺乏或缺陷疾病 1.Tay-Sachs病(泰-萨氏病，黑蒙性白痴) 临床症状：从婴儿期（出生后6个月）开始，严重的智能与体能退化，23岁