细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统课件

1、细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,E-mail: Tel:6913225 2015.9,第七章 细胞质基质与内膜系统 （ Cytosol and Endomembrane System,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,本章主要内容,细胞质基质及其功能 细胞内膜系统及其功能 内质网 高尔基体 溶酶体 过氧化物酶体,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,较为均质和半透明的胶状物质,胶原、色素等一些有形成份,细胞质,细胞质的组成,如内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体、线粒体和叶绿体等,如核糖体、中心粒等,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,

2、真核细胞内膜系统各成分之间的关系,核膜,内质网,高尔基复合体,溶酶体,质膜,分泌泡,各内膜之间可通过出芽和融合而相互交流,但线粒体和叶绿体不参与此类交流,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,内膜系统,内质网(endoplasmic reticulum,高尔基复合体(Golgi complex,溶酶体(lysosomes,胞内体、分泌泡,intracellular compartments,Nuclear-ER,Golgi,ER,lysosome,细胞内的房室化,The Endomembrane System is Complex,5,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,

3、细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,第一节 细胞质基质,一、细胞质基质的化学组成,水和无机离子等,脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等,蛋白质、脂蛋白、多糖和RNA等,如糖原等,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,大分子拥挤 (Macromolecular crowding,The crowded state of the cytoplasm in (a) eukaryotic and (b) E. coli cells,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,二、细胞质基质的属性,细胞质基质pH7.2

4、，细胞外组织液pH7.4。这一中性内环境是细胞质基质内各种酶发挥活性的最佳酸度,一）酸度稳定,二）结构有序,细胞质基质中含有细胞骨架，各种大分子均有其精密定位，使各种代谢途径之间相互协调、高效而有序地进行，以完成各种复杂的生命活动,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,含有许多种酶，许多代谢反应都是在细胞质基质中进行的,例如：糖酵解、核苷酸、脂肪酸和氨基酸代谢,三、细胞质基质的功能,一）维持代谢反应进行,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,缓冲pH值，使酸度保持在pH7.2 ： 为各种中间代谢反应的进行提供了适宜的微环境,离子环境：使某些离子保持适当的浓度 维持细胞器等的

5、正常结构,二）维持细胞内环境(pH、离子环境)的稳定性,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,各种信号转导途径的级联反应大都在细胞质基质中进行,三）维持细胞内信号转导通路,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,13,细胞质基质蛋白、细胞骨架蛋白和核蛋白等都是在细胞质基质中的游离核糖体上合成的,这些修饰对维持和调节蛋白质的生物活性、进而使细胞能完成其各种生命活动等都具有非常重要的作用,蛋白质修饰,辅酶和辅基的共价结合,糖基化,酰基化,磷酸化、去磷酸化,N-端甲基化,四）蛋白质的合成与修饰,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,1、蛋白质寿命控制,Met、Ser、Th

6、r、Ala、Val、Cys、Gly或Pro：稳定,决定蛋白质寿命的信号,N-端的第一个氨基酸残基,其它12个氨基酸：不稳定,五）蛋白质的选择性降解,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,2、蛋白质的选择性降解,带有“不稳定氨基酸信号”的蛋白,催化限速反应的一些重要酶类 细胞癌基因(如fos和myc)等的产物 没有被及时运出的其它部位的蛋白质,错误折叠的不正常蛋白质 变性的不正常蛋白质,带有“稳定氨基酸信号”的不正常蛋白,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,重新折叠成正确的分子构象,错误折叠的不正常蛋白质; 变性的不正常蛋白质,分子伴侣,降解,带有“稳定氨基酸信号” 不正常

7、蛋白的选择性降解方式,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,泛素依赖性蛋白降解途径 (ubiquitin-dependent path of protein degradation,3、蛋白质选择性降解的途径,Avram Hershko and Irwin Rose, et al., 1980,细胞对不需要的蛋白质通过标记泛素标签来进行选择性降解，蛋白质一旦被标记了泛素标签，就会很快在蛋白酶体中被降解,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,1、泛素激活酶(E1)的激活：此反应是通过添加泛素分子发生的，需要ATP； 2、泛素分子转移：泛素分子加接到泛素结合酶(E2)的半胱氨酸

8、残基上； 3、加接泛素标签：由泛素连接酶(ubiquitin ligase)(E3)催化，在E2结合的泛素分子与靶蛋白(要降解)的赖氨酸残基间形成肽键,泛素化要经过3步,此三步反应可反复多次，每次加接上一个泛素分子,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,泛素化蛋白质被蛋白酶体降解过程,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,20,蛋白酶体的结构形态 (A) 根据计算机处理显示出的蛋白酶体图像，呈圆筒状，两端各盖有一帽状结构。 (B) 蛋白酶体纵剖面示意图，中央为圆筒腔。 (自B.Alberts等，2004,真核细胞中大多数蛋白质的降解是一种大的细胞质基质蛋白质水解复合物蛋白酶

9、体(proteasome)来执行,多泛素链可被蛋白酶体帽识别，将带有多泛素链的蛋白质送入蛋白酶体圆筒腔中降解。蛋白质被切割成许多小的肽片段(78个残基)，而泛素分子保持完整,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,21,Aaron Ciechanover等三位科学家由于发现了细胞摧毁有害蛋白质的机理（即泛素调节的蛋白质降解）， 而荣获2004年诺贝尔化学奖,Irwin Rose,Aaron Ciechanover,Avram Hershko,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,信号转导,胞内物质运输,细胞的运动,结构的组织者,细胞的形态,细胞分裂,六) 细胞形态与运动、胞内

10、物质运输及大分子定位,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，内质网膜及外核膜上附有核糖体 黄体细胞有丰富的光面内质网 Cos-7 细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布：绿色显示两种形式的内质网，叠加色（黄）显示糙面内质网区,第二节 细胞的内膜系统,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,核膜外层,一、内质网的形态结构,内质网,ER是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管，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,24,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统

11、,二、内质网的化学组成,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，含有内质网膜和核糖体两种成分。 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,25,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,26,匀浆,Isolation of a microsomal fraction by differential centrifugation,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,三、内质网的类型( Types of ER,核糖体,粗面内质网,滑面内质网,There are two basic kinds

12、 of ER : Rough/granular endoplasmic reticulum (RER，粗面/颗粒内质网) - has ribosomes attached. Smooth/agranular endoplasmic reticulum (SER，滑/光面/ 无颗粒内质网) - no ribosomes,27,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,四、内质网的功能( Function of ER,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；为蛋白质，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,RER

13、：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,28,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,1.蛋白质的合成,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,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,30,内质网腔,细胞质,SRP受体,信号识别颗粒,SRP,tRNA,A,P,核糖体,mRNA,信号肽,A,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,31,细胞生物学翟中

14、和编 第章 细胞质基质与内膜系统,The 1999 Nobel Prize in Physiology or Medicine,Gnter Blobel,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,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。(哺动细胞的translocon的主要成分是与蛋白分泌相关的一种多肽Sec61P等组成的复合物,33,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,RER合成的蛋白质包括,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，

15、如膜受体、膜抗原等。 3. 构成细胞器中的可溶性驻留蛋白,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,2 . 蛋白质的修饰与加工 1）蛋白质的糖基化(glycosylation):单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程. N-连接的糖基化: N-连接的寡糖与天冬酰胺残基侧链上的-NH2相连形成糖蛋白. 内质网腔中完成 O-连接的糖基化: O-连接的寡糖与蛋白质的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基侧链上的-OH连接形成糖蛋白. 高尔基复合体中进行,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,Protein glycosylation,多萜分子,36,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜

16、系统,酰基化 发生在内质网的胞质侧 软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上 高尔基体、膜蛋白向细胞膜的转移中也发生类似 的酰基化 另外，在内质网上还发生羟基化和二硫键形成等,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,3.新生肽链的折叠与装配,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,38,1、蛋白二硫键异构酶 切断二硫键，帮助其重新形成 二硫键，并处于正确的状态,2、结合蛋白（Bip） 能识别不正确的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进其重新折叠与组装,3、4肽信号 滞

17、留在内质网中的蛋白质的信号（-Lys-Asp-Glu-Leu-COO） 如 蛋白二硫键异构酶 结合蛋白（Bip,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,4.粗面内质网与蛋白质的运输,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质基质混合,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,5. 脂类的合成,40,SER含有许多与脂类合成有关的酶,几乎所有脂类(包括磷脂和胆固醇)都是在SER中合成的,合成的最主要的磷脂为磷脂酰胆碱,每一种磷脂都由专一的磷脂交换蛋白转运,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,酰基转移酶,磷脂酸,SER胞质侧,

18、磷酸酶,二酰基甘油(DG,胆碱磷酸转移酶,卵磷脂,SER腔面,由酰基转移酶将胞质中的脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷脂酸(留在脂双层中)。在磷脂酸酶作用下，磷脂酸和磷酸甘油组成DG;最后,再在转磷酸胆碱酶催化下由DG和CDP-胆碱合成卵磷脂。翻转酶(flippase,41,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,A. 通过膜泡转运脂质 B. 通过PEP 介导的脂质转运 C. 膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触,内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,清除脂溶性废物、代谢产生的有害物质和外源性有害物质,使外源性有害物质(如药物)失活的作用,SER中含有一些

19、酶,可与外源性物质结合 使其氧化 失活,6.解毒作用,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,细胞色素P-450是含血红素蛋白的氧化酶，具有解毒作用,服用大量药物与解毒有关的酶活性大量增加SER增生,细胞色素P450使脂溶性物质羟化解毒示意图,它可使脂溶性外来异物和细胞内有害代谢产物发生羟基化,变为水溶性物质排出细胞，并随尿液排至体外,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,内质网,Ca2+储备库,10-2,内质网是细胞信号传递途径的Ca2+储备库,10-7,7. 贮积钙离子,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,46,一、高尔基复合体的形态结构,光镜：网状结构,电

20、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/凸面,大囊泡/反面高尔基网/成熟面/凹面,形成面(forming face,高尔基复合体,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,高尔基体的形态结构与极性,高尔基体是一种有极性的细胞器,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,二、高尔基复合体(Gc)的化学组成,甘露糖和N-乙酰半乳糖的糖基化酶 N-乙酰葡萄糖胺的糖基化酶 唾液酸、半乳糖和岩藻糖的糖基化酶,脂类糖基化：磺基-糖基转移酶,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,1 GC膜的动态平衡：

21、 RER 小泡 扁平膜囊 液泡 细胞膜 2 发生和分化角度：扁平膜囊是内质网膜和细胞质膜的中间分化阶段 形成面膜厚约6nm，近似于内质网膜 成熟面膜厚约8nm，与细胞质膜相似 3 化学组成：高尔基复合体介于二者之间 蛋白质含量：内质网高尔基复合体质膜 神经鞘磷脂和胆固醇比例逐渐升高，磷脂酰胆碱比例则逐渐降低，其它磷脂比例比较恒定,ER、 GC、细胞膜三者之间的联系,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,50,三、高尔基复合体功能,一）高尔基复合体与 细胞的分泌活动,3H标记亮氨酸,3分钟,17分钟,117分钟,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

22、浓缩、修饰、加工等作用,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,发生在高尔基体TGN 区的蛋白质分选途径,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,52,二）高尔基复合体对蛋白质的修饰加工,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,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,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,53,N-连接与O-连接的寡糖比较,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,糖基化的功能,协助蛋白质的折叠和转运 (2) 维持膜的不对称性 (3) 保护蛋白免受蛋白酶的降解 (4) 作为

23、蛋白的分选信号 (5) 作为细胞表面受体参与细胞间识别,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,55,高尔基复合体对蛋白质的加工,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,56,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,57,A B D,不同的加工方式,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,58,三）高尔基复合体对蛋白质的分拣运输,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,高尔基堆,RER合成的蛋白质在Gc加工中，被加上不同的分

24、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,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,59,四）高尔基复合体与溶酶体的形成,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,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,60,一、溶酶体的

25、形态结构与酶,溶酶体是由一层单位膜包围，内含多种酸性水解酶的泡状结构。0.25-0.5m圆形、卵圆形小体。主要功能是进行细胞内消化。异质性,溶酶体,60,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,61,溶酶体的酶,溶酶体含有60多种水解酶，这些水解酶多为酸性水解酶，最适pH值5,酶,蛋白酶（肽酶,核酸酶,磷酸酶,糖苷酶（水解糖蛋白和糖脂、糖链的酶,酯 酶,硫酸酯酶（分解氨基多糖的酶,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,62,62,二、溶酶体膜的特性,溶酶体膜,质子泵：保持溶酶体基质内的酸性环境,多种载体蛋白：运输消化水解的产物,膜蛋白高度糖基化：防止膜自身被水解消化,细胞生物

26、学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,63,63,三、溶酶体的分类,初级溶酶体(primary lysosome)：只含酶，不含底物,次级溶酶体(secondary lysosome)：吞噬性溶酶体(phago-)初级溶酶体+底物,次级溶酶体,异噬溶酶体(phagolysosome) ：初级溶酶体+外源物：异噬过程,自噬性溶酶体(autophagolysosome)：初级溶酶体+内源性物质(自噬体)：自噬作用,残余体(residual body)：初级溶酶体消化后后溶酶体,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,64,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,65,65,四、溶

27、酶体的功能,异噬作用：营养；防御作用 自噬作用：新陈代谢的方式；机体和细胞的自我保护 自溶作用：细胞死亡；器官发生 细胞外消化作用：受精过程 植物细胞的液泡含有多种水解酶，具有与动物细胞溶酶体类似的功能,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,66,66,清除无用的生物大分子、衰老损伤的细胞(器,很多生物大分子的半衰期只有几个小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天左右；红细胞120天（衰老红细胞特征，每天清除1011个），这些任务主要由溶酶体和蛋白酶体共同完成。“清道夫”或“细胞内消化器官,细胞受损后，细胞崩溃(内含溶酶体)，使周围组织溶解液化，而成脓液。清除发育和成体中凋亡的细

28、胞,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,67,67,Autophagy,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,68,68,溶酶体与脏器的形成与退化,两栖类发育中蝌蚪尾巴的消化，哺乳动物断奶后乳腺退行性变化等，都涉及某些特定细胞程序性死亡及周围活细胞对其的清除，这都与溶酶体相关,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,69,69,当精子与卵外层膜接触后，形成小孔道，顶体内的各种酶（顶体酶）便被激发而释放到细胞外，称顶体反应（acrosome reaction,溶酶体参与受精过程,透明质酸酶使精子穿过卵丘的细胞层； 放射冠穿透酶使精子冲破放射冠抵达透明带； 而顶体素使

29、精子突破透明带抵达卵黄膜； 最后在一种尚不清楚的酶的作用下使精子入卵（产生抑制顶体素物质，封闭透明带，使其他精子不易进入卵,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,70,70,参与激素合成：参与激素合成的原料摄取、加工、储存和已合成的激素的加工和成熟等。如甲状腺球蛋白被胞吞后，在溶酶体水解为甲状腺素T3、T4。 参与激素释放：分泌颗粒-质膜靠近、吸附、融合、胞吐等，都有溶酶体参与。 参与细胞内激素的降解：一些激素并不全部释放，降解量可占激素（肽类）的15-50,溶酶体参与激素的合成与分泌等,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,71,内吞体,五、溶酶体的形成,rER,顺面管网

30、,反面管网,高尔基复合体,溶酶体水解酶前体,加入磷酸基团,M-6-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,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,72,72,溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（RER,高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化,M6P,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶,高尔基体trans-膜囊和TGN膜（M6P受体,溶酶体酶分选与局部浓缩,以出芽的方式转运到前溶酶体,磷酸葡萄糖苷酶,磷酸化识别信号：信号斑,发生途径,细胞生物学翟中和编 第章 细胞质基质与内膜系统,73,73,1954年Rhodin,电镜小鼠肾小管上皮细胞微体(microbody,一)过氧化物酶体(peroxisome)的形态结构,电镜