大学细胞生物学讲义第五章细胞内膜系统

1、大学细胞生物学讲义第五章细胞内膜系统真核细胞（eucaryotic cells）基本结构 细胞膜（plasma membrane） 细胞核(nucleus) 细胞质 (cytoplasm) 细胞器(organelles) 细胞质基质（cytoplasmic matrix / cytosol ） 内含物(inclusions) ：一些有形成分，如糖原 真核细胞平面结构模式图 细胞器 非膜结构细胞器: 核糖体、中心体、细胞骨架 膜性结构细胞器: 线粒体/叶绿体、内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体、核膜等细胞的内膜系统(internal membrane system) 内膜系统： 细胞内结

2、构、功能及发生上密切相关的膜性结构细胞器通称为内膜系统，主要包括内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体和核膜等膜性结构。 内膜系统形成的意义： 区室化Compartmentaliztion 分隔式区域，互不干扰地执行特定的功能，提高细胞的代谢效率Internal membrane system 过氧化物酶体高尔基体 粗面内质网细胞核溶酶体第一节 内质网(Endoplasmic Reticulum, ER)一、内质网的基本形态 小管（tubules) 50100nm 小泡 (vesicles ) 扁囊 (lamina) 连接成网状膜系统 膜厚约5-6nm，围成内质网腔(ER lumen) 合

3、成蛋白质和脂类 rER的扁囊、小管、小泡vesiclesLaminaLamina 鼠肝细胞 扁囊状粗面内质网，叠层排列 睾丸间质细胞 众多小管或小泡，呈网状结构 横纹肌细胞 连成网状分布于肌原纤维之间，称肌质网 卵细胞和胚胎细胞 含量少，随发育与分化内质网增加，结构逐步复杂化荧光抗体显示的ER显微图像A cultured mammalian cellA living plant cellrERsER附着核糖体(attachedRibosome)rER & sER模式图二、 ER分类 粗面内质网（rough endoplasmic reticulum, rER） 膜的外表面附着核糖体（胰

4、腺细胞），与外输性蛋白和多种膜蛋白的合成有关 （游离核糖体主要合成细胞本身所需的结合蛋白质和某些特殊蛋白质） 滑面内质网（smooth endoplasmic reticulum, sER） 膜的外表光滑，无核糖体附着（肝细胞），具有脂质合成、糖原代谢、解毒等多种功能 在肝细胞，通过葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖 两种类型的内质网在不同组织细胞中的分布状况各不相同 皆为粗面内质网，或全为滑面内质网，还可以不同比例共同存在细胞中 过渡型内质网(transitional elements) ER膜一半有核糖体附着，另一半没有核糖体附着，常在此形成运输小泡(ER腔)Free rib

5、osome(游离核糖体)Attached ribosome(附着核糖体)rER电镜超微结构图研究ER的材料微粒体（microsome）： 梯度超速离心， ER断裂形成的封闭小泡 Rough microsome smooth microsome微粒体的形成 rER分布特点 可占整个细胞的膜成分一半以上 与细胞类型、生理状态、分化程度密切相关，可作为细胞分化程度和功能状态的指标，如 胰腺外分泌细胞分泌旺盛时与分泌静止活动期 相应成熟细胞与未分化或未成熟细胞 分化程度高的细胞与分化程度低的细胞rER的解聚和脱粒细胞中毒时， 膜上的多聚核糖体解聚为单个，并失去正常而有规律的排列，该现象称为解聚； 进而

6、脱离内质网膜，称为脱粒。三、ER的化学组成 蛋白质 占2/3，含量比细胞膜丰富，含有大量的酶（3040种），细胞色素P450，多种合成酶，各种网质蛋白（内质蛋白、网钙蛋白等） 标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶 脂类： 占1/3，磷脂、中性脂、缩醛脂、神经节苷脂。（磷脂含量最多）内质网膜磷脂含量 磷脂酰胆碱 55 磷脂酰乙醇胺 2025 磷脂酰丝氨酸 510 磷脂酰肌醇 510 鞘磷脂 47 磷脂酰胆碱（卵磷脂）丰富 鞘磷脂含量很少膜流动性大四、 rER功能主要功能： 参与蛋白质合成 激素、膜蛋白、驻留蛋白等 蛋白质的糖基化 N-连接（天冬酰胺的氨基） 运输蛋白质和脂类（一）参与蛋白质合成 核糖体如何

7、结合到内质网膜上？ 游离核糖体：主要合成细胞自身所需的蛋白 附着核糖体：主要合成分泌蛋白、膜蛋白、 溶酶体蛋白等 信号假说 1975年 Blobel & Doberstein提出 信号假说中的几个名词概念 信号密码（signal codon） mRNA5 端编码特殊氨基酸序列的密码子 信号肽（signal peptide)： 由信号密码翻译的一段多肽链，约由18-30个疏水氨基酸组成，能引导“游离”的核糖体与ER膜结合 信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP) 6条多肽链亚单位和一个7S的RNA分子组成，能识别并结合信号肽 SRP结构模式图 SRP

8、受体/停泊蛋白(dorking protein )： 位于rER膜上 移位子 内质网移位子蛋白通道与蛋白转运有关 核糖体连接蛋白（ribophorin) ： 只位于rER膜上， 有I、II两型，与核糖体大亚基结合信号假说要点 信号肽的生成信号肽的生成 分泌蛋白mRNA起始密码后的信号密码被翻译成信号肽 SRP-信号肽SRP-核糖体复合物 SRP占据核糖体大亚基A位, 蛋白质合成暂停 SRP-SRP受体(在ER膜上) 结合 大亚基-ribophorin 核糖体与rER膜结合 SRP/SRP受体分离， SRP回到细胞质基质，进入SRP循环，暂停状态的肽链重新开始合成，新生肽链尾随信号肽 进入内质网

9、腔翻译完成后 信号肽被信号肽酶(rER膜腔面)降解，临时通道关闭，核糖体/ER，大小亚基分离，重新进入“核糖体循环”信号肽假说图示肽链进入内质网腔 协同转运翻译（co-translational translocation） 多肽链的翻译以及进入内质网腔同时进行 译后转运（post-translational translocation） 多肽链翻译完成后被转运进入内质网腔新生肽进入ER腔ER中与新生肽进入以及折叠有关的蛋白分子伴侣： 在内质网内对蛋白质进行折叠和转运的蛋白质。如结合蛋白、葡萄糖调节蛋白94、蛋白二硫键异构酶和钙网素等。 ER驻留蛋白（resident proteins） 在C

10、-端有4个aa（Lys-Asp-Glu-Leu）的ER滞留信号肽（KDEL），使该蛋白质最终留在ER内。作为催化剂，帮助许多进入ER的蛋白质正确的折叠和装配。 结合蛋白（Bip）： Bip是ER的驻留蛋白，能和折叠不正常的肽链结合，并予以滞留，待折叠成正确的蛋白质后才被转运。 蛋白二硫键异构酶（PDI）： 蛋白二硫键异构酶，催化 Cys SH 生成 S-S- ， 完成合成蛋白的修饰 蛋白二硫键异构酶 (PDI ) 催化胱氨酸游离巯基（ SH）的氧化，形成二硫键(S-S)葡萄糖调节蛋白94（Grp94） 又称内质网素，是内质网的标志分子伴侣 受蛋白激酶激活 参与新生肽链的折叠和转运 与c-myc

11、癌基因相关 在高侵袭力的癌细胞表达增多（二）rER与蛋白质的糖基化蛋白质的糖基化 （glycosylation）： 单糖或低聚糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程糖与蛋白的2种连接方式： N-连接 主要发生在ER腔，寡糖链与天冬酰胺侧链-NH2连接 O-连接 发生在高尔基复合体蛋白质N-连接寡糖的过程寡糖与ER膜上的一种脂质分子多萜醇连接而活化在糖基转移酶的作用下，转移到天冬酰胺（Asn）残基上 糖基转移酶活性部位只存在于ER膜腔，游离核糖体合成的蛋白质不能进入ER腔，故不能糖基化大部分在rER合成的蛋白通过N-连接寡糖糖基化 ER的主要功能之一就是将糖共价连接到蛋白 寡糖前体 (由 N-乙酰葡

12、萄糖胺，甘露糖, 和葡萄糖组成，共含有 14个糖) ，转移到蛋白的天冬酰胺侧链-NH2基团，即N-连接或者是天冬酰胺连接 催化该反应的酶：寡糖基转移酶，是一种膜结合酶，其活性位点暴露在内质网的腔面。 大多数蛋白的转入内质网腔与蛋白的翻译同步，所以，N-连接的寡糖总是在蛋白质合成过程中加入 寡糖前体先由一种特殊的脂类分子：多萜醇dolichol连接 当新生肽转移进内质网腔过程中一旦出现天冬酰胺，寡糖通过一个酶促反应转移到天冬酰胺上O-连接寡糖 发生在高尔基体内 发生在丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基侧链上的-OH上（三）rER与脂类及蛋白的运输 参与脂类代谢 参与脂类合成，合成的量与sER可能有差异

13、过渡型内质网无核糖体的一面以芽生方式生出 运输小泡，将ER合成的分泌蛋白、可溶性蛋白、膜蛋白、膜脂运送到靶部位 新生的膜脂和膜蛋白 芽生小泡 与靶膜融合 靶细胞器 或分泌到细胞外 芽生小泡 与ER分离 运输小泡 直接形成 经G （情况很少） 浓缩泡 与膜融合 排到细胞外 线粒体和过氧化物酶体的蛋白质和脂类补充 蛋白质由细胞质基质直接输入； 膜脂通过磷脂交换蛋白（一种可溶性载体蛋白）来实现输入滑面内质网：一种多功能的细胞器 与脂类的代谢 与类固醇激素的生成 与糖原代谢 与横纹肌的收缩 解毒作用 其它 胃底腺壁细胞sER与盐酸分泌、渗透压 肝细胞与胆汁的生成1.脂类合成的主要部位：合成磷脂与胆固醇

14、 原料：来自细胞质基质 脂类合成酶：位于脂质双层，活性部位都朝向细胞质基质面，新合成的磷脂也位于此 磷脂转位蛋白 (转位酶) ：位于ER膜的细胞质基质面，协助磷脂分子翻转, 使脂双层的磷脂分子达到平衡脂类代谢 如小肠中， 脂肪酸、草酸甘油等 甘油三酯 与磷脂、固醇、蛋白质结合 乳糜颗粒 高尔基复合体 细胞侧面进入淋巴管磷脂酰胆碱的合成磷脂酰胆碱的合成 乙酰转移酶催化2分子脂肪酸连续加到磷酸甘油，产生 磷脂酸 (非水溶性) 磷脂酶去除磷脂酸上的1分子磷酸基团生成二脂酰甘油脂 胆碱磷酸转移酶将二磷酸胞苷酸-胆碱 （CDP-胆碱）加到二脂酰甘油脂生成磷脂酰胆碱和 CMP 磷脂酰胆碱在内质网的合成过程

15、磷脂酸磷脂酸二脂酰甘油脂二脂酰甘油脂磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱sER与类固醇的合成 sER膜上有合成胆固醇、转化胆固醇为激素的 全部酶系 过程：脂肪酸乙酰辅酶A类固醇激素 肾上腺皮质细胞, 睾丸间质细胞, 卵巢黄体细胞中sER丰富 分泌类固醇激素的睾丸组织细胞sER2.与糖原代谢 ER膜上有葡萄糖-6-磷酸酶，使基质中糖原产生的葡萄糖-6-磷酸葡萄糖ER腔血液3.与横纹肌的收缩 心肌、骨骼肌肌细胞的肌质网（特化的sER） 肌质网膜上有大量的钙泵， 肌质网释放Ca2+, 肌细胞收缩； 肌肉松弛， Ca2+又泵回肌质网 4.解毒作用 sER有参与解毒作用的各种酶系 含丰富的氧化及电子传递酶系 外源性毒物

16、或药物、内源性毒物在sER中以氧化、还原、水解和结合方式解毒第二节 高尔基复合体Golgi complex (apparatus) 一、高尔基体的形态结构 (structure) 二、高尔基体的化学组成(composing) 三、高尔基复合体的功能(function)Golgi Apparatus 形成面 Cis Face 小囊泡 Vesicle 扁平囊 Cistema 成熟面 Trans FaceGolgi Complex一、高尔基体的形态结构（一）扁平囊泡（cistema） 1、结构：盘状扁囊，囊腔直径1015nm。 2、排列：310个扁平囊平行排列 3、极性 ：凸面为顺面或形成面 （靠核

17、） 凹面为反面或成熟面 （靠膜） 三个区室：顺面、反面、中间区室 Cis face , Trans face , Middle regions （二）小囊泡（vesicle） 4080nm球形vesicle，位于cis face 。 载有endoplasmic reticulum合成的protein ，又称运输小泡（transitional vesicle）。 由粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, rER)芽生 （三）大囊泡（vacuole） 为100150nm球形泡，位于trans face ； 带有扁平囊泡所含secretory matter； 由反面扁平

18、囊形成，又称secretory vacuole 。 Golgi Apparatus二、高尔基体的化学组成 1、蛋白质（protein）：约占60%，包含多种enzyme ，糖基转移酶是高尔基复合体的特征性酶。 2、脂类(fat and lipid)：约占40%，主要为磷脂(phospholipid)、中性脂类(neutral lipid)和糖脂(glycolipid)。 三、高尔基体的功能 （一）参与细胞的分泌活动 secretion activity 高尔基体的主要功能是为蛋白质和脂质提供运输系统(provide belt line for protein and lipid )。 粗面内质

19、网分泌蛋白内质网腔运输小泡高尔基体分泌小泡细胞外。 （二）糖蛋白的合成、加工、修饰 1、形成O-连接寡糖糖蛋白 糖基转移酶 P r - O H + 寡 糖 P r - O - 寡 糖丝（酪、苏）氨酸2、糖链的加工、修饰 processing and decorate of sugar chain 从ER运来的糖蛋白上糖链有三种成分：N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖。 在GB(Golgi body)中，对分泌性蛋白、膜蛋白先去除大部分甘露糖，再加上半乳糖、唾液酸；对溶酶体蛋白的糖链加上6-磷酸甘露糖。 N-乙酰氨基葡萄糖 M-甘露糖 G-半乳糖 S-唾液酸 F-海藻糖蛋白质糖基化的意义 保护蛋白

20、质，免遭水解酶降解 带上运输信号，有助于分选运输 形成细胞膜表面糖被，识别与传递信息3、糖蛋白的定向运输 分选信号(sorting signal) sorting signalreceptorsorting transport of protein 某些蛋白质的分选信号 糖蛋白 分选信号 分泌蛋白、膜蛋白 半乳糖、唾液酸 溶酶体蛋白 6-磷酸甘露糖 杯状细胞分泌蛋白 糖链上硫酸基团运输方向生化区室(biochemistry compartmentation) Cis face：磷酸转移酶 Middle layer：N-乙酰葡萄糖胺转移酶I Trans face：半乳糖转移酶运输途径(trans

21、port route)： rER合成proteinGolgi糖蛋白 lysosome excrete cell outside membrane、cytoplasm （三）参与溶酶体的形成 运输小泡与内体结合形成内体性lysosome。（四）参与膜的转变(change) * 形态上介于内质网膜与细胞膜之间。 * 化学成分上处于ER与质膜的中间过渡水平。 * 功能上物质浓度从顺面至反面由稀变浓，并产生膜流（membrane flow ）。 高尔基产生的运输小泡Brief Summary Golgi apparatus consists of a stack of flat and membran

22、ous sacs The stack includes three distinct regions, cis face , trans face , middle regions The major processing activity is glycosylation: the adding of sugar molecules to form glycoproteins There are three track in golgi * Integral membrane proteins * End up in lysosome * Be secreted by exocytosis第

23、三节 溶酶体（Lysosome，Ly） 溶酶体的形态结构( shape and structure) 溶酶体的类型( type) 溶酶体的功能(function) 溶酶体与疾病(lysosome and disease) 电镜下细胞结构：箭头指示溶酶体电镜下细胞结构：箭头指溶酶体 Lyred Mitgreen Nblue 一、溶酶体的形态结构 1、溶酶体的一般特征(commonly character) 圆 形 或 卵 圆 形 囊 状 结 构 。 直 径 约0.20.8m,内含多种水解酶。2、溶酶体的酶类(enzymes in lysosome) 含60多种酸性水解酶，最适。标志酶是酸性磷酸酶

24、。3、溶酶体膜的特点 Ly膜有质子泵(proton pump)，保证Ly腔内pH为。 Ly膜有特殊转运蛋白(transfer protein)，可把分解产物运出Ly外。 Ly膜蛋白（IgpA 和 IgpB）高度糖基化(glycosylation)，保护Ly膜不被水解酶作用。 二、溶酶体的类型(type) 1、按作用底物分 初级溶酶体（primary lysosome） 次级溶酶体（secondary lysosome） 三级溶酶体（tertiary lysosome）（残余小体）2、按形成及其功能分 内体性溶酶体（endolysosome） 吞噬性溶酶体（phagolysosome） Primary And Secondary LysosomeEndolysosome And PhagolysosomeThe Forming Of Endolysosome活动性溶酶体active lysosome 自噬性溶酶体 异噬性溶酶体 autophagolysosome heterophagolysosome作用底物 内源性的 外源性的过程 自噬小泡 吞噬泡、吞饮泡产物去向 重新利用 排出胞外 残余