细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序

1、医学细胞生物学医学细胞生物学 第五章 细胞的内膜系统与囊泡转运 高级讲师 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内膜系统内膜系统endomembrane system：细胞内 在结构、功能、发生 上 密切相关的 膜性细胞器的 总称；包括 内质网、高尔基体、溶酶体、 各种运输小泡、核膜等 19世纪末 光镜下在唾液腺和胰腺细胞中 观察到 丝条状结构，饥饿后 消失 进食后增多 1945年，K.R. Porter电镜观察 丝条状结构，实为 核附近 小泡小管、 网状结构，命名 内质网内质网endoplasmic reticulum ER 内质网的化学组成内质网的化学组成 内质网膜 常占细胞全部膜结构 50%

2、，体积占10%以上 超速离心 分级分离，从细胞浆中 分理出 直径100nm 囊状小泡，称 “微粒体”Microsome 生化分析等证明，微粒体 由内质网和核糖体组成，具有内质网的基本 功能 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网膜 脂类：磷脂、中性脂、缩醛脂、神经节苷脂 等 各种磷脂百分比： 卵磷脂55%、磷脂酰乙醇胺2025%、磷脂酰肌醇和 磷脂酰丝氨酸各占510%、鞘磷脂47% 内质网膜蛋白分析，表明 膜中含酶至少30种，分三种类型： 氧化反应电子传递酶系 与解毒功能相关 细胞色素P450 与脂类代谢相关的酶类 脂肪酸CoA连

3、接酶 与碳水化合物代谢相关酶类 葡萄糖-6-磷酸酶内质网膜的标志酶内质网膜的标志酶 内质网的形态结构内质网的形态结构 内质网膜厚度56nm，由小管、小泡、扁囊 组成；这些结构相互连通， 构成连续三维管状网络结构 内质网向内与核膜沟通，向外与高尔基体、溶酶体等 转换组分 细胞根据发育阶段和生理状态，内质网形态结构数量分布均有不同 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网的基本类型内质网的基本类型 根据电镜观察，内质网分为 粗面内质网粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER) 和 滑面内质网滑面内质网(smooth endoplasmic reti

4、culum, SER) 粗面内质网表面有核糖体附着粗面内质网表面有核糖体附着 多呈扁平囊状，参与分泌型蛋白质和多种膜蛋白的合成、加工和转运 分泌肽类激素和蛋白的细胞中，RER高度发达；肿瘤细胞、未分化细 胞 则很少 滑面内质网是表面光滑的管泡样网状结构滑面内质网是表面光滑的管泡样网状结构 滑面内质网 与粗面内质网 相通，是多功能细胞器；在不同细胞或不 同生理期，结构分布和发达程度差别很大 有的细胞以 RER为主，有的以 SER为主，随着生理状态改变，两者可 以互相转换 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 某些特殊组织细胞存在内质网衍生结构某些特殊组织细胞存在内质网衍生结构 视网膜色

5、素上皮细胞的 髓样体；生殖细胞、快速增殖细胞、神经元与 松果体 中的 孔环状片层 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网的功能内质网的功能 粗面内质网与外输性蛋白质的合成、加工及转运密切相关粗面内质网与外输性蛋白质的合成、加工及转运密切相关 1.作为核糖体附着的支架 许多肽链的合成必须随核糖体转移、附着于粗面内质网才能完成 附着型核糖体附着型核糖体 合成的蛋白质有合成的蛋白质有： 外输性或分泌性蛋白：肽类激素、细胞因子、抗体、消化酶、细胞 外基质蛋白 等 膜整合蛋白质：膜抗原、膜受体 等 细胞器的驻留蛋白：定位内质网、高尔基体、溶酶体 等的 可溶性 驻留蛋白，需要粗面内质网的

6、修饰 加工和转运 2.新生多肽链的折叠与装配 内质网 腔中 有丰富的 氧化型谷胱甘肽，便于肽链上 半胱氨酸残基间 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 氧化形成二硫键；内质网，膜腔面附着的 蛋白二硫键异构酶蛋白二硫键异构酶，使二硫 键的形成 及多肽链的折叠速度大大加快 内质网中的 重链结合蛋白(heavy-chain binding protein, BiP) 能与 折叠错误的多肽 和 未完成装配的蛋白亚单位 识别结合，予以滞留； 促进重新折叠、装配与运输 BiP属于 热休克蛋白70(HSP70) 家族；帮助多肽链转运、折叠和组装， 也称“分子伴侣分子伴侣”(molecular ch

7、aperone) 分子伴侣 协助多肽链折叠组装转运，但是不参与终产物形成不参与终产物形成；内质 网中 分子伴侣 还有：钙网素、葡萄糖调节蛋白94(GRP94)内质内质 网素网素，内质网 标志性 分子伴侣 分子伴侣 共同特点：羧基端 有 Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)四氨基四氨基 酸滞留信号肽酸滞留信号肽，结合于内质网膜受体蛋白，从而驻留于内质网腔，又 称 驻留蛋白驻留蛋白 分子伴侣 是蛋白质 质量监控 因子，避免错误蛋白的运输 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 3.蛋白质的糖基化 糖基化：单糖或寡糖 与蛋白质间，通过共价键 结合成 糖蛋白的过程 由附着在内质网上的核糖

8、体 合成的蛋白质 多数进行糖基化 粗面内质网中的 糖基化：寡糖与蛋白质 天冬酰胺天冬酰胺残基侧链的 氨基氨基基 团结合，即 N-糖基化 催化糖基化的酶糖基转移酶糖基转移酶，RER内膜整合蛋白 多萜醇:以多萜为母体的醇，属多异戊二烯醇异戊二烯醇衍生物(n3；常为1323)。如双萜的叶 绿醇、视黄醇、三萜的羊毛固醇、四萜的类胡萝卜素等。多萜醇的磷酸酯在维持细胞 膜的正常功能中具有重要作用 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 供糖分子 通常是 核苷糖核苷糖；如：CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙 酰葡萄糖胺 糖基转移反应 均由 糖基转移酶糖基转移酶 催化 内质网内质网 多萜醇

9、多萜醇 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网中的 N-连接糖基化，起始于 一个14寡糖，由2个N-乙酰葡萄糖 胺、9个甘露糖、3个葡萄糖 最后，寡糖转移酶 催化 14寡糖链 连接到 新生肽链 的特定特定 三肽序列三肽序列： Asn-X-Ser 或 Asn-X-Thr（X是 除Pro之外 的任何氨基酸）的 Asn上 内质网内质网 糖基化后的 新生肽链，寡糖链末端的2个葡萄糖残基被移 去，残留的葡萄糖残基结合内质网膜上的 分子伴侣，然后 在 分子伴侣帮助下 完成折叠，被移去最后一个葡萄糖残 基，包装外送；错误折叠 导致肽链的疏水基团 外露，被 GT（监控酶）识别 并重新连接1个葡萄糖，重新结合

10、分子 伴侣 进行折叠 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 4.蛋白质的胞内运输 正确修饰加工的蛋白质，被内质网膜包裹，以“出芽”方式 形成 膜性小 泡 而转运 粗面内质网的 膜泡转运 有两种形式：形成转运小泡 进入高尔基体 仅见某些哺乳类胰腺外分泌细胞内质网膜泡 进入大浓缩泡，发 育成 酶原颗粒酶原颗粒，排出细胞 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 信号肽介导信号肽介导 分泌性蛋白分泌性蛋白 在粗面内质网合成在粗面内质网合成 胞质中 核糖体 附着 内质网的秘密？ 1.信号肽与信号肽假说 1975年G. Blobel 提出 信号肽假说signal Hypothesis 附着在内质网上的

11、核糖体，合成的肽链的N端，有一段特殊氨基酸序 列，称 信号肽； 信号肽普遍存在于 分泌蛋白，由不同数目不同种类 氨基酸 组成 疏水氨基酸序列疏水氨基酸序列 核糖体与内质网膜的结合，还有赖于 胞质中的信号识别颗粒信号识别颗粒signal recognition particle, SRP，内质网膜上 信号识别颗粒受体信号识别颗粒受体SRP-receptor， 内质网膜上 移位子移位子translocon (通道蛋白) 信号肽假说信号肽假说 内容内容： 胞质中游离核糖体，翻译出有信号肽的多肽后，即被胞质中的SRP 识别、结合 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 SRP由6个多肽亚单位和

12、1个7S RNA小分子 组成，可结合信号肽序列、 也可部分插入核糖体，暂停翻译，形成：SRP-核糖体复合物 与信号肽结合的SRP 识别并结合 内质网膜上的 SRP-R，介导核糖体 结合内质网膜的 移位子(通道蛋白)；此结合 导致SRP被释放，返回胞 质 重新被利用；而 多肽链 进入移位子 通道内，翻译重新开始 核糖体与移位子的结合，使得核糖体大亚基的 中央管 与移位子 的 通道相对，继续合成的肽链 在信号肽牵引下 进入移位子通道，到达 内质网腔； 信号肽 被信号肽酶 切除；多肽合成结束，核糖体撤离 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网内质网 移位子 是内质网膜上的亲水通道，外

13、径8.5nm，内径2nm， 与信号肽 结合时，处于开放的活性状态；多肽链合成转移完 毕，转为无活性关闭状态 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 2.跨膜驻留蛋白的插入与转移 单次跨膜蛋白插入内质网膜的单次跨膜蛋白插入内质网膜的 两种机制两种机制： 新生肽链新生肽链 协同翻译协同翻译 插入机制插入机制： 跨膜蛋白除了N-端 转移信号肽， 肽链中存在 停止转移肽停止转移肽stop-transfer peptide，也是一段特定氨基酸序 列组成的疏水区段；当停止转移肽 进入 移位子，移位子 与之作用， 从活性状态 变为 失活状态，终停止对肽链的转移，停止转移肽 形成 -螺旋结构，当信号肽被切除，肽链的

14、N-端 朝向 内质网腔 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内信号肽内信号肽 介导的介导的 内开始转移肽内开始转移肽 插入转移机制插入转移机制： 内信号肽 即 信 号肽位于 肽链中 而不是N-端； 当 内信号肽 到达 移位子时，被保留 在 内质网膜的脂双层中，成为跨膜-螺旋结构； 若 内信号肽 的 N-端 比C-端 有更多 带正电氨基酸残基，则 C-端 插入 内质网腔；反 之，肽链插入方向相反 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 多次跨膜蛋白质的多次跨膜蛋白质的 转移插入转移插入 更复杂，但机制更复杂，但机制 相同相同 多次跨膜蛋白 通常以 内信号肽 作为 起始转移信号

15、 滑面内质网滑面内质网 是胞内是胞内 脂类物质合成的主要场所脂类物质合成的主要场所 1.滑面内质网参与脂质的合成和转运 小肠吸收 的甘油、脂肪酸等，进入细胞后，在内质网中被重新合成 甘油三酯 滑面内质网合成的脂类 常与粗面内质网 合成的蛋白质 结合成 脂蛋白， 经由高尔基体分泌出去；分泌出去后 常运输血液中 的胆固醇、甘油 三酯等 到脂肪组织 分泌 类固醇激素 的细胞，有发达 滑面内质网，其中存在 类固醇代谢 的 关键酶 除 线粒体 特有的两种 磷脂，几乎全部膜脂 由内质网合成；底物来源 于 细胞质中，催化酶 定位于 内质网膜上 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网膜上的内质

16、网膜上的 脂质合成过程脂质合成过程： 脂酰基转移酶 acyl transferase 催化 2分子 脂酰辅酶A(fatty acyl CoA) 与 甘油-3-磷酸 反应，形成 磷脂酸； 磷酸酶 催化 磷脂酸 脱磷酸，生成 双酰甘油； 胆碱磷酸转移酶 催化 双酰甘油 添加 极性基团，形成 磷脂分子 内质网内质网 脂质 合成的起始和完成 均在 内质网膜的 胞质侧胞质侧 细胞质侧细胞质侧 内质网腔内质网腔 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网膜(胞质侧) 合成的 脂类 借助 转位酶转位酶flippase(或译 翻转酶)，翻 转到 朝向内质网腔 的一侧，最终 被输送到其它膜上 内质网内质网 向其它

17、向其它 膜结构膜结构 转运转运 脂类脂类 的两种的两种 形式：形式： 出芽小泡 转运到 高尔基体、溶酶体、质膜 磷脂转换蛋白磷脂转换蛋白phospholipid exchange protein 作载体(特异识别磷脂分 子)，结合内质网膜的 磷脂 进入胞质，达到 线粒体、过氧化物酶体 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 2.滑面内质网参与 糖原代谢 肝细胞中 滑面内质网膜的 葡萄糖-6-磷酸酶，催化 糖原 在胞质中降解 的产物葡萄糖-6-磷酸 的去磷酸化； 去磷酸化 的葡萄糖 经由 内质网，进入血液 内质网内质网 未知未知： 为何只有 滑面内质网 密切结合 糖原？ 葡萄糖-6-磷酸

18、酶 活性部位 使产物 自动进入内质网 腔 葡萄糖-6-磷酸酶 在内质网膜 具体定位 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 3.滑面内质网 是细胞解毒 主要场所 肝脏 是外源性、内源性 毒物及药物 分解器官，其解毒作用解毒作用 主要由 滑滑 面内质网面内质网 完成 肝细胞 滑面内质网上，有丰富 氧化和电子传递酶系：细胞色素450、 NADPH-细胞色素 系列还原酶 等 解毒机制解毒机制：在电子传递的 氧化还原过程中，催化 多种化合物 氧化或 羟化，使 毒物/药物 被破坏；或增加了 毒物/药物 极性，使之 排泄 内质网电子传递链内质网电子传递链 与与 线粒体电子传递链线粒体电子传递链 区别区别： 电子

19、传递链 比线粒体的 短短；催化的反应，都是在 底物中 加个 氧原子 所以，内质网的电子传递酶系，也称 羟化酶 或 加单氧酶系 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 4.滑面内质网 是肌细胞Ca2+ 储存场所 肌细胞中的 发达的 滑面内质网 特化为 肌浆网sarcoplasmic reticulum 肌浆网上 Ca2+ATP酶 把胞质中 的Ca2+泵入网腔储存；受细胞外信号作 用， Ca2+向胞质中释放 肌浆网中 大量 钙结合蛋白，每个这样的蛋白 结合30个Ca2+ 高浓度Ca2+ 阻止运输小泡 形成 5.滑面内质网与 胃酸、胆汁 合成与分泌 密切相关 胃壁 腺上皮细胞，滑面内质网 使

20、 Cl- 与 H+ 结合 生成 HCl 肝细胞，滑面内质网的 葡萄糖醛酸转移酶，使 水溶性胆红素 形成 水 溶性 结合胆红素，后者 随胆汁排入肠内，被细胞还原为尿(粪)胆素元 内质网内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 1898年，意大利 C.Golgi 用银染技术 对猫头鹰 脊髓神经 观察，发现 20世纪50年代，电子显微镜 技术证明 高尔基体的存在和结构 高尔基复合体的形态结构高尔基复合体的形态结构 高尔基复合体由三种不同类型的膜性囊泡组成高尔基复合体由三种不同类型的膜性囊泡组成 1.扁平囊泡 cisternae 38个略微 弯弓形 扁平囊泡 整齐排列层叠，构成 主体 扁平囊泡 囊腔宽

21、 1520nm，相邻囊间距 2030nm 囊泡 凸面 朝细胞核，叫 顺面cis face 或 形成面forming face:膜厚6nm 凹面 朝向 细胞膜，称 反面trans face 或 成熟面mature face: 膜厚8nm 2.小囊泡 vesicles 聚集于 形成面形成面，是直径 4080nm的膜泡，多数是 光滑小泡，较小的是 衣被小泡内质网 芽生、分化而来，也称 运输小泡运输小泡 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 运输小泡 之间 不断融合，形成 扁平囊泡，在从内质网 转运物质的同 时，补充更新了 扁平囊泡的膜结构 3.大囊泡 vacuoloes 也称 分泌泡s

22、ecreting vacuoles，直径0.10.5m，在扁平囊泡的 成熟面， 由扁平囊泡 末端膨大、断裂而成 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基复合体具有显著的极性高尔基复合体具有显著的极性 从顺面 到反面 分成 三个部分： 顺面高尔基网状结构顺面高尔基网状结构： 连续分支的管网状结构；分选来自内质网的蛋白质和脂类，大多转入 高尔基中间囊膜，少量重返内质网；对蛋白质进行O-连接糖基化 以及 跨膜蛋白的酰基化 高尔基中间囊膜高尔基中间囊膜： 多层囊、管结构复合体；进行糖基化修饰 和多糖及糖脂的合成 反面高尔基网状结构反面高尔基网状结构： 对蛋白质 进行分选，或被分泌到细

23、胞外，或被转运到溶酶体；某些蛋 白质的修饰，如 酪氨酸残基的 硫酸化、半乳糖的 唾液酸化、蛋白水 解 等 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基体高尔基体 分子伴侣等内质网 驻留蛋白：羧基端 有 Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)四氨基酸滞留信号肽；帮助蛋白质 加工成熟后 重返内质网 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基复合体在不同组织细胞中呈现不同分布形式高尔基复合体在不同组织细胞中呈现不同分布形式 神经细胞：绕核分布 输卵管内皮、肠上皮、胰腺等：核附近 一极分布 肝细胞：细胞边缘 精、卵细胞：弥散分布 高尔基体的胞质分布 跟微管相关 分化、发育成熟 且有旺盛

24、分泌功能的细胞：高尔基复合体 发达 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基复合体的化学组成高尔基复合体的化学组成 脂类是高尔基复合体膜的基本成分脂类是高尔基复合体膜的基本成分 脂类种类脂类种类 内质网内质网 高尔基复合体高尔基复合体 细胞膜细胞膜 总磷脂总磷脂 61 45 40 鞘磷脂鞘磷脂 3.4 14.2 19.2 卵磷脂卵磷脂 47.8 32 31.4 磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺 36.8 36.5 4.4 磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸 5.6 4.7 4.6 胆固醇胆固醇 0.12 0.47 0.51 高尔基体膜脂类成分，介于 内质网膜与质膜之间 高尔基体高尔基体 细胞的

25、内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基复合体含有以糖基转移酶为标志的多种酶蛋白体系高尔基复合体含有以糖基转移酶为标志的多种酶蛋白体系 糖基转移酶糖基转移酶 是高尔基体 最具特征性特征性 酶酶，参与 糖蛋白和 糖脂 合成 高尔基复合体 其他重要酶类重要酶类： NADH-细胞色素C还原酶、NADPH-细胞色素还原酶的氧化还原酶 磷酸酶类：5-核苷酸酶、腺苷三磷酸酶、硫胺素焦磷酸酶 参与磷脂合成的 溶血卵磷脂酰基转移酶、磷酸甘油磷脂酰转移酶 磷脂酶类：磷脂酶A1、磷脂酶A2 酪蛋白磷酸激酶 -甘露糖苷酶 高尔基复合体 不同囊泡区间 分布不同 酶系 高尔基复合体 蛋白与酶 的含量和复杂程度 介于内质网 和

26、细胞膜 间 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基复合体的功能高尔基复合体的功能 高尔基复合体 与内膜系统其他组分，构成胞内物质转运的特殊通道， 也是物质合成、加工的重要场所 高尔基复合体是细胞内蛋白质运输分泌的中转站高尔基复合体是细胞内蛋白质运输分泌的中转站 放射性同位素标记示踪技术，显示 外输性分泌蛋白 在细胞内 合成转 运途径 溶酶体的酸性水解酶、多种细胞膜蛋白、胶原纤维等细胞外基质成分 都经由 高尔基复合体 进行定性转运蛋白质运输分泌 中转站 高尔基复合体是胞内物质加工合成的重要场所高尔基复合体是胞内物质加工合成的

27、重要场所 1.糖蛋白的加工合成 N-连接糖蛋白，糖基化始于内质网，完成于高尔基复合体 O-连接糖蛋白，糖基化在高尔基复合体 进行完成 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 O-连接糖蛋白，寡糖结合 氨基酸残基：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸 等 除 蛋白聚糖，氨基酸残基 结合的第一个 糖基都是：N-乙酰葡萄半乳糖胺 O-连接糖蛋白，单糖组分 一个个添加 完成糖基化 高尔基体高尔基体 内质网转来的糖蛋白，末 端寡糖 在高尔基体 被切去 ，添加上新糖基 天冬酰胺天冬酰胺 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 蛋白质糖基化意义糖基化意义： 保护蛋白质，免遭水解 是运输信号，引导蛋白质包装运输 糖基

28、化形成 细胞外被，参与保护、识别、联络等重要生命活动 2.蛋白质的水解加工 某些蛋白质或酶，只有在高尔基复合体 被特异性水解后，才成熟或有 活性；如 人胰岛素、胰高血糖素、血清白蛋白 等 溶酶体 酸性水解酶的 磷酸化、蛋白聚糖的硫酸化，均在高尔基复合 体 发生和完成 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基体高尔基体 人胰岛素 在高尔基复合体 水解加工成熟 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基复合体是胞内蛋白质的分选和膜泡定向运输的枢纽高尔基复合体是胞内蛋白质的分选和膜泡定向运输的枢纽 可能机制可能机制：对蛋白质修饰、加工，给蛋白质带上分选信号，进行选择、 浓缩，形成不同

29、去向的运输分泌小泡 运输小泡的三个去向三个去向： 溶酶体酶，以有被小泡 被转运到 溶酶体 分泌蛋白，以有被小泡 运向 细胞膜 以分泌小泡形式 在胞质中暂存，被调控释放 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 高尔基体高尔基体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 溶酶体lysosome 于1949年 由C.de Duve对细胞组分 差速离心分离分析 意外发现 溶酶体的形态结构和化学组成溶酶体的形态结构和化学组成 溶酶体是一种具有高度异质性的膜性结构细胞器溶酶体是一种具有高度异质性的膜性结构细胞器 溶酶体 由一层单位膜包裹，膜厚6nm，

30、球形，直径0.20.8m 一个动物细胞 通常含几百个溶酶体，含60多种 分解所有生物活性物 质的 酸性水解酶，最适pH3.55.5 溶酶体溶酶体 不同溶酶体所含 酶的种类 不尽相同， 导致 形态大小、数量分布、理化性质 的 高度异质性高度异质性 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 溶酶体的共同特征是含有酸性水解酶溶酶体的共同特征是含有酸性水解酶 尽管高度异质性，溶酶体有许多 共同特征： 均是 一层单位膜包裹成的 囊球小体 均含丰富 酸性水解酶酸性水解酶，如 蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶、磷酸 酶、溶菌酶 等 溶酶体膜中 两种高度糖基化的 跨膜整合蛋

31、白：lgpA和lgpB，朝向溶 酶体腔，防止酸性水解酶对 自身膜的消化 溶酶体膜上 嵌有 质子泵，依赖 水解ATP 释放能量，逆浓度梯度 将 H+泵人溶酶体中，维持低pH 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 溶酶体膜糖蛋白家族具有高度同源性溶酶体膜糖蛋白家族具有高度同源性 脊椎动物中 鉴定出 一个溶酶体膜糖蛋白家族溶酶体结合膜蛋白 LAMP 或称 溶酶体整合膜蛋白LIMP 结构特点：一个较短N-端 信号肽序列、一个高度糖基化的 腔内区、 一个单次跨膜区、C-端 10个氨基酸残基的 胞质尾区 不同物种 溶酶体的 不同蛋白，在功能结构区 都高度保守(氨基酸序列) 溶酶体膜糖蛋白结构的

32、糖基化蛋白核心的 天冬酰胺残基上 连接的寡 糖成分 占糖蛋白重量的 50%，寡糖链末端 均有唾液酸，大大降低了 此蛋白的 等电点 并呈 酸性 溶酶体整合膜蛋白 高度保守的 C-端 胞质尾区，是该类蛋白 从高尔基 体 向溶酶体运输的 识别信号 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 溶酶体的类型溶酶体的类型 溶酶体以其功能状态的不同可区分为三种基本类型溶酶体以其功能状态的不同可区分为三种基本类型 1.初级溶酶体primary lysosome 刚产生的溶酶体，膜厚6nm，不含明显颗粒物质的透明圆球 其囊腔中的酶酶 无活性无活性 2.次级溶酶体secondary lysosome 初级溶酶

33、体 经过成熟，与其它细胞内外的膜泡融合，成为 次级溶酶 体，具有功能具有功能，又称 消化泡 次级溶酶体 体积较大，外形不规则，囊腔中有 正被消化分解的 颗粒 物质或残损膜碎片 跟据所含底物的性质和来源，分为不同类型： 吞噬溶酶体吞噬溶酶体：初级溶酶体 与 吞噬体融合 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 多泡小体多泡小体：初级溶酶体 和 吞饮体融合 自噬溶酶体自噬溶酶体：只要溶酶体消化的底物 来自细胞自身组分，或衰老的细 胞器 异噬性溶酶体异噬性溶酶体：作用的底物 来自细胞外来物质 3.三级溶酶体 又称 后溶酶体后溶酶体，是次级溶酶体 完成底物消化、分解后，残留部分不 能降解的 物质

34、 于溶酶体中，是溶酶体功能的终末状态；也称 残留小残留小 体体residual body 这些残留小体，有的以胞吐方式 释放到细胞外 被清除； 有的沉积于细胞内，如 神经细胞、肝细胞、心肌细胞的 脂褐质脂褐质 lipofuscin 或者 肿瘤细胞、病毒感染细胞、大肺泡细胞、单核吞噬细胞 中的髓髓 样结构样结构、含铁小体含铁小体 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 溶酶体以其形成过程的不同可区分为两大类型溶酶体以其形成过程的不同可区分为两大类型 随着对溶酶体形成的认识，溶酶体被划分为： 内体性溶酶体：内体性溶酶体：高尔基复合体 芽生小泡 结合 细胞吞饮形成的 内体内体 endosom

35、e 而来 初级溶酶体(前溶酶体) 吞噬性溶酶体：吞噬性溶酶体：内体性溶酶体(前者) 结合 来自胞内外胞内外的作用底物形 成 次级溶酶体 溶酶体溶酶体 吞噬性溶酶体的形成过程吞噬性溶酶体的形成过程 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 溶酶体形成与成熟过程溶酶体形成与成熟过程 内体性溶酶体是由运输小泡和内体合并形成的内体性溶酶体是由运输小泡和内体合并形成的 内体性溶酶体 形成的几个 阶段： 1.酶蛋白的N-糖基化 与 内质网转运 溶酶体的酶 在粗面内质网 合成，加工后为 N-连接的甘露糖糖蛋白， 以出芽方式 转送到 高尔基体的 形成面 2.酶蛋白在高尔基复合体内的加工与转移 高尔基体形成面 囊泡里的

36、 磷酸转移酶 和 N-乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶 催化下 形成 甘露糖甘露糖-6-磷酸磷酸(M-6-P)，溶酶体水解酶 分选识别信号分选识别信号 3.酶蛋白的分选与转送 带有M-6-P的溶酶体水解酶前体，到达高尔基体 成熟面，被高尔基体 网膜 囊腔面的 受体蛋白识别，介导 有被小泡 形成，脱离高尔基体 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 溶酶体溶酶体 内体性溶酶体的形成模式图内体性溶酶体的形成模式图 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 M-6-P为标志的分选机制比较清楚，但不是唯一途径 4.前溶酶体的形成 脱离高尔基体的 有被小泡，脱去衣被，与胞内 晚期内吞体晚期内吞体 融合，形 成 前

37、溶酶体内体性溶酶体内体性溶酶体(初级溶酶体) 晚期内吞体：细胞膜 胞吞作用形成的小泡 与其他胞内小泡 融合，降 低了泡内 pH值，称 晚期内吞体 5.溶酶体的成熟 前溶酶体膜的 质子泵 将胞质中的H+不断泵人，腔内pH从7.4降到6.0左 右，溶酶体酶的前体 从M-6-P膜受体 上解离，去磷酸化 而成熟 而膜M-6-P受体 以出芽形式 重返 高尔基体 成熟面 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 吞噬性溶酶体是内体性溶酶体与来吞噬性溶酶体是内体性溶酶体与来 源于胞内外的作用底物融合形成的源于胞内外的作用底物融合形成的 过程如前面 溶酶体功能分类体系 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与

38、囊泡转运程序 溶酶体的功能溶酶体的功能 含60多种 水解酶，强大消化分解能力 溶酶体能够分解胞内的外来物质及清除衰老、残损细胞器溶酶体能够分解胞内的外来物质及清除衰老、残损细胞器 溶酶体摄入细胞内外来源的物质，分解成能被细胞重新利用的小分子， 通过溶酶体膜 释放到 细胞质中，参与了细胞的物质代谢 此过程 不仅保持了细胞内环境的稳定，也有利于细胞器的更新替代 溶酶体具有物质消化与细胞营养功能溶酶体具有物质消化与细胞营养功能 溶酶体 是细胞的 消化细胞器，在饥饿状态下，分解细胞内 并非必需 的 生物大分子，以提供 营养和能量 原生动物 靠溶酶体 进行消化 溶酶体是机体防御保护功能的组成部分溶酶体是

39、机体防御保护功能的组成部分 溶酶体强大的 物质消化和分解能力 是实现细胞防御的 基本机制 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 巨噬细胞 等 免疫细胞，均有发达的溶酶体，杀灭分解 病原体 溶酶体参与某些腺体组织细胞分泌过程的调节溶酶体参与某些腺体组织细胞分泌过程的调节 溶酶体在某些腺体组织细胞的 分泌过程中 发挥作用，比如 分泌细胞 通过吞噬作用 摄取 储存于甲状腺 腺体 内腔的 甲状腺球蛋白，经溶酶 体 水解成 甲状腺素，才分泌胞外 发挥作用 溶酶体在生物个体发生与发育过程中起重要作用溶酶体在生物个体发生与发育过程中起重要作用 在动物精子中，溶酶体溶酶体 特化 为精子头部前端的 顶

40、体顶体acrosome 精卵相遇时，顶体中的 水解酶释放，溶解、消化 卵细胞周围的 滤泡 细胞、外被等，打开精子前进之路 动物变态发育、骨组织的生长更新、子宫内膜的周期性萎缩、细胞凋 亡 等，都离不开 溶酶体的作用 溶酶体溶酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 1954年 由J.Rhodin 首次在肾小管上皮细胞中发现；是各类细胞中固有 的结构小体 过氧化物酶体的形态结构过氧化物酶体的形态结构 过氧化物酶体peroxisome，由一层单位膜 包裹而成的 膜性细胞器 上世纪70年代，人们才确定 过氧化物酶体 与 溶酶体 是不同细胞器 过氧化物酶体 多为圆/卵圆形 直径0.21.7m；偶见 半月

41、形、长方形 过氧化物酶体(区别于 溶酶体) 独特特征：常含电子密度高、排列规则 的晶格结构尿酸氧化酶 晶体，称为 类核体；过氧化物酶体 膜的 内表面 可见 高电子密度 条带状结构 过氧化物酶体的酶类组成过氧化物酶体的酶类组成 过氧化物酶体 有多达40余种酶，尚未发现 含全部酶的 过氧化物酶体 根据酶的不同作用性质，可分三类： 过氧化物酶体过氧化物酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 过氧化物酶体过氧化物酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 1.氧化酶类 包括 尿酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶、L-氨基酸氧化酶 等；各种氧化酶 约占 酶总量的50%60% 氧化酶的共同特征氧化酶的共同特征： 氧化

42、底物，将氧 还原成 过氧化氢 通 式：RH2+O2R+H2O2 2.过氧化氢酶类 这类酶约占 酶总量的40%，几乎存在于 各类 过氧化物酶体中，故而 是 过氧化物酶体的 标志酶标志酶； 该酶作用：2H2O22H2O+O2 3.过氧化物酶类 只存在于 血细胞等 少数细胞类型的 过氧化物酶体中，作用与 过氧化 氢酶相同， 2H2O22H2O+O2 过氧化物酶体 中还有少量 苹果酸脱氢酶、柠檬酸脱氢酶 等 过氧化物酶体过氧化物酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 过氧化物酶体的功能过氧化物酶体的功能 过氧化物酶体能有效清除细胞代谢过程中产生的过氧化氢过氧化物酶体能有效清除细胞代谢过程中产生的过氧化

43、氢 及其他毒性物质及其他毒性物质 氧化酶氧化酶 利用分子氧，氧化反应 去除去除特异有机底物上底物上的 氢原子氢原子 产生 过 氧化氢 过氧化氢酶过氧化氢酶 利用过氧化氢 去氧化氧化 甲醛、甲酸、酚、醇等 氧化酶 与 过氧化氢酶 催化藕联，有效清除清除细胞代谢过程中 产生的 过过 氧化氢氧化氢 和 毒性物质毒性物质，起到保护作用 在肝和肾 这个藕联 起到重要作用，如 氧化乙醇 等 过氧化物酶体过氧化物酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 过氧化物酶体能够有效地进行细胞氧张力的调节过氧化物酶体能够有效地进行细胞氧张力的调节 过氧化物酶体 耗氧占细胞耗氧量的20%，但是 当细胞出现高浓度氧高浓度氧

44、状 态时，可增强氧化能力增强氧化能力 来调节，避免避免高浓度氧的损害损害 过氧化物酶体参与对细胞内脂肪酸等高能分子物质的分解过氧化物酶体参与对细胞内脂肪酸等高能分子物质的分解 转化转化 过氧化物酶体的另一功能：分解 脂肪酸等 高能分子，使之 转化为 乙 酰辅酶A；然后将其转运到细胞质中 再利用，或 供能(进入线粒体内) 过氧化物酶体的发生过氧化物酶体的发生 两种观点两种观点： 与溶酶体起源相似，酶蛋白在粗面内质网上合成，加 工后以 小泡形式 转移、分化 与线粒体相似，一分为二 而来，其 酶蛋白等在胞质中 游离核糖体上合成，经 分选信号序列 或 导肽 引导 进入 新的过氧化物酶体 过氧化物酶体过

45、氧化物酶体 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 囊泡vesicle 是细胞中常见的膜泡结构，尽管不是相对稳定的细胞器结 构，但却是 内膜系统物质转运的 主要形式 囊泡的来源与类型囊泡的来源与类型 细胞内物质定向运输的囊泡类型 至少10种以上 网格蛋白有被囊泡产生于高尔基复合体及细胞膜网格蛋白有被囊泡产生于高尔基复合体及细胞膜 网格蛋白 有被囊泡 可产生于 高尔基复合体，也可介导细胞内吞作用 高尔基体产生的 网格蛋白囊泡，介导从 高尔基体 向 溶酶体、质膜外 的物质转运 网格蛋白 有被囊泡 直径50100nm，有被囊泡 产生过程 如前述(受体 介导的胞吞作用) COP有被囊泡产生于内质网有被囊泡产

46、生于内质网 COP 有被囊泡有被囊泡 属于 非网格蛋白 有被囊泡类型，最早发现于 酵母 细胞 粗面内质网粗面内质网 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 COP外被蛋白 由5种亚基组成，其中 Sar蛋白蛋白 属于一种小的 GTP结合结合 蛋白蛋白，通过水解GTP，调节囊泡外被装配 当Sar蛋白结合的 GTPGDP，活性失活，囊泡去装配无被小泡 COP囊泡 负责 从内质网 到高尔基体 物质转运；阻断 此囊泡 外被蛋 白聚合，能阻止 内质网形成出芽小泡 当COP囊泡 从内质网生成内质网生成后，在向高尔基体转移中，常彼此间融合， 形成“内质网内质网-高尔基体高尔基体 中间体

47、中间体”，然后 沿微管运行到 高尔基体的高尔基体的 形成形成 面面 当COP囊泡 与靶膜融合前，水解结合的GTP，囊泡脱包被蛋白 COP囊泡 对物质对物质转运的选择性选择性 机制机制： COP蛋白 能识别结合识别结合 内质 网 跨膜受体蛋白跨膜受体蛋白 胞质侧胞质侧的信号序列信号序列；而 跨膜受体蛋白 内质网腔侧 选 择性结合 可溶蛋白质 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 COP有被囊泡的主要功能是回收转运内质网逃逸蛋白有被囊泡的主要功能是回收转运内质网逃逸蛋白 COP也属于 非网格蛋白，COP囊泡囊泡 最早发现于 高尔基体高尔基体；负责 内质网逃逸蛋白的捕捉、回

48、收转运，及 高尔基体 膜内蛋白 逆向运输 COP外被蛋白 有几个蛋白亚基组成，其中蛋白是GTP结合蛋白， 可调控 外被蛋白复合物的聚合、装配、囊泡运输 COP囊泡形成过程囊泡形成过程： 胞质中游离的 蛋白 结合 GTP GTP-蛋白 结合 高尔基体膜上膜上的 受体 COP蛋白亚基聚合，诱导转运囊泡芽生 一旦COP有被囊泡 脱离高尔基， COP蛋白 即解离(GTP水解) 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 囊泡转运囊泡转运 囊泡转运是细胞物质定向运输的基本途径囊泡转运是细胞物质定向运输的基本途径 囊泡的芽

49、生 是主动的 自我装配过程，参与此过程的成分 在进化上非常 保守 囊泡的形成 伴随物质的转运；囊泡的轨迹和归宿，取决于其转运物质 的定位、去向 细胞外物质膜 囊泡胞内体/溶酶体 外输性蛋白内质网 囊泡高尔基体细胞膜/溶酶体细胞膜 囊泡双向运输，是细胞内外 物质交换、信息传递 重要途径&基本形式 囊泡转运是一个高度有序并受到严格选择和精密控制的物囊泡转运是一个高度有序并受到严格选择和精密控制的物 质运输过程质运输过程 不同来源 不同类型的囊泡，装载不同物质 沿正确路径 以特定方式运输 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 囊泡短距离转运：简单弥散方式运行，内质网高尔基体

50、 囊泡转运长距离：骨架蛋白和运动蛋白协助完成，如 神经细胞 囊泡转运，对运输蛋白，严格检查质量、加工修饰，决定去向；对于逃 逸蛋白，高尔基体 及时甄别捕捉，由COP有被囊泡 遣返 酵母细胞中发现至少30种基因 跟囊泡转运相关，如 sec4基因 编码一种 GTP结合蛋白，跟 非网格蛋白 有被囊泡 脱衣被 及其后的 转运融合 密切 相关 特异性识别融合是囊泡物质定向转运和准确卸载的基本保特异性识别融合是囊泡物质定向转运和准确卸载的基本保 证证 囊泡抵达 靶膜后，正确识别 是相互融合的 前提，然而识别机制 所知甚 少 可溶性可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受

51、体 soluble N-ethyl maleimide-sensitive factor attachment protein receptor, SNAREs 家族 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 在囊泡运输 和选择性锚泊融合 过程的作用 引起近年的关注和研究 该家族一对成员 参与：囊泡相关膜蛋白VAMP 与 联接蛋白syntaxin 被 转运囊泡 表面有VAMP类似蛋白，叫 v-SNAREs 靶膜上 存在 对应序列联接蛋白，叫 t-SNAREs 以上两者 互相识别，特异互补 普遍认为：转运囊泡 与 细胞器膜上 有各自特征的 SNAREs互补序列 它 们之间

52、高度特异的 相互识别和作用，使 转运囊泡 在靶膜上停靠，从 而保证了 定向运输 与准确卸载 也已 鉴定10余种 此两类 蛋白家族成员 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 还发现 一个 GTP结合蛋白家族(Rab蛋白家族) 参与 囊泡 转运识别、融合 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 囊泡转运是实现细胞膜及内膜系统功能结构转换和代谢更囊泡转运是实现细胞膜及内膜系统功能结构转换和代谢更 新的桥梁新的桥梁 囊泡转运的发源地：细胞膜 & 内质网 囊泡转运集散中心：高尔基复合体 内质网产 囊泡高尔基体(形成面成熟面)细胞膜/溶酶体细胞膜 细胞膜

53、来源 囊泡胞内体/吞饮体溶酶体 囊泡不断产生、存在、穿梭于 质膜与内膜系统间，介导物质运输，并 融汇更替 内膜系统 不同成分之间的膜，形成 膜流膜流 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 囊泡与囊泡转运囊泡与囊泡转运 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 内质网的病理变化内质网的病理变化 内质网最常见的病理改变是肿胀、肥大或囊池塌陷内质网最常见的病理改变是肿胀、肥大或囊池塌陷 肿胀主要由于 钠离子和水分的 渗入 低氧、辐射、慢性肝炎 等 引起内质网 肿胀，甚至囊池塌陷，核糖体 脱落 内质网囊腔中包含物的形成和出现是某些疾病或病理过程内质网囊腔中包含物的形成和出现是某些疾病

54、或病理过程 的表现特征的表现特征 药物中毒/肿瘤 导致代谢障碍，内质网中出现包含物； 某些遗传性疾病 导致蛋白质、糖原、脂类 在内质网中 累积 内质网在不同肿瘤细胞中呈现多样性的改变内质网在不同肿瘤细胞中呈现多样性的改变 低分化癌细胞：内质网稀少 高分化癌细胞：内质网发达 细胞内膜系统与医学的关系细胞内膜系统与医学的关系 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 低侵袭力癌细胞：内质网少，葡萄糖-6-磷酸酶 活性下降，分泌蛋白 合成较多 高侵袭力癌细胞：内质网较发达，各种蛋白合成 比低侵袭力癌细胞 均显著增高 有人认为 孔环片层 也是 肿瘤细胞常见 内质网改变 高尔基复合体的病理形态变化高尔基复合体的

55、病理形态变化 功能亢进导致高尔基体的代偿性肥大功能亢进导致高尔基体的代偿性肥大 细胞分泌功能亢进，高尔基体结构肥大，分泌旺盛 毒性物质作用导致高尔基体的萎缩与损坏毒性物质作用导致高尔基体的萎缩与损坏 乙醇等 毒性物质，造成肝细胞 高尔基体 脂蛋白合成分泌功能 丧失， 高尔基体自身萎缩、破坏；脂类堆积脂肪肝 肿瘤细胞分化状态影响高尔基复合体形态肿瘤细胞分化状态影响高尔基复合体形态 细胞内膜系统与医学的关系细胞内膜系统与医学的关系 细胞的内膜构造系统与囊泡转运程序 低分化癌细胞：高尔基体不发达，只是些 核周围的分泌小泡 高分化癌细胞：高尔基体特别发达，典型高尔基体形态结构 溶酶体与疾病溶酶体与疾病