细胞质基质与内膜系统ppt课件

1、第七章第七章 细胞质基质与细胞内膜系统细胞质基质与细胞内膜系统第一节第一节 细胞质基质的涵义与功能细胞质基质的涵义与功能 一、细胞基质的涵义一、细胞基质的涵义 二、细胞基质的功能二、细胞基质的功能第二节第二节 细胞内膜系统及其功能细胞内膜系统及其功能 一、内质网的形状构造与功能一、内质网的形状构造与功能 二、高尔基体的形状与功能二、高尔基体的形状与功能 三、溶酶体的形状与功能三、溶酶体的形状与功能第三节第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 一、信号假说与蛋白质分选信号一、信号假说与蛋白质分选信号 二、蛋白质分选的根本途径与类型二、蛋白质分选的根本途径与类型 三、膜泡

2、运输三、膜泡运输 四、细胞机构体系的组装四、细胞机构体系的组装细胞内被膜区细胞内被膜区 细胞质基质细胞质基质Cytoplasmic matrix) 细胞内膜系统细胞内膜系统endomembrane system) 其他被膜包被的细胞器线粒体、叶绿体、过氧其他被膜包被的细胞器线粒体、叶绿体、过氧化酶体和细胞核化酶体和细胞核)第一节第一节 细胞质基质的涵义与功能细胞质基质的涵义与功能细胞质基质细胞质基质Cytosol, Cytoplasmic matrix细胞质基质的功能细胞质基质的功能细胞质基质细胞质基质Cytosol, Cytoplasmic Matrix 细胞质基质细胞质基质:在细胞中，除去

3、可分辨的细胞器以外的在细胞中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，细胞的重要的构呵斥分，其体积约占细胞胶状物质，细胞的重要的构呵斥分，其体积约占细胞质的一半。质的一半。 细细 胞胞 组组 分分数数 目目体体 积积 比比 细胞质基质细胞质基质 细胞核细胞核 内质网内质网 高尔基体高尔基体 溶酶体溶酶体 胞内体胞内体 过氧化物酶体过氧化物酶体 线粒体线粒体 1 1 1 1 300 200 400170054 612 3 1 1 122肝细胞中细胞质基质和细胞其他组分的数目及所占的体积比肝细胞中细胞质基质和细胞其他组分的数目及所占的体积比一、细胞质基质的涵义一、细胞质基质的涵义在细胞基质中，各种复杂的

4、代谢反响是如何有条在细胞基质中，各种复杂的代谢反响是如何有条 不紊地进展，各个代谢环节之间又是如何相互关不紊地进展，各个代谢环节之间又是如何相互关 联、相互制约的？联、相互制约的？数以千种的生物大分子和代谢产物或底物又数以千种的生物大分子和代谢产物或底物又 是如何定向地转运？是如何定向地转运？调理细胞增殖、分化、衰老与凋亡等艰苦生命活调理细胞增殖、分化、衰老与凋亡等艰苦生命活 动的细胞转导途径又是怎样传送与整合的？动的细胞转导途径又是怎样传送与整合的？细胞基质细胞基质细胞液细胞液Cell sap)透明质透明质(Hyaloplasm)胞质溶液胞质溶液(Cytosol)细胞基质细胞基质(Cytop

5、lasmic Matrix) 细胞基质看成是酶溶液细胞基质看成是酶溶液细胞基质很能够是高度有组织的体系细胞基质很能够是高度有组织的体系根据细胞基质中各种生物根据细胞基质中各种生物大分子构造的实践数目与大分子构造的实践数目与相对大小所绘制的细胞基相对大小所绘制的细胞基质构造的表示图质构造的表示图The microtrabecular lattice微梁网络微梁网络 of the cytoplasmic matrix in an unextracted cell. 根本概念根本概念用差速离心的方法分别细胞匀浆物中个组分，先后用差速离心的方法分别细胞匀浆物中个组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高

6、尔基体和细胞质膜除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞构造后，存留在上清液中的主要是细等细胞器或细胞构造后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。 主要成分主要成分 中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架构造。中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架构造。 细胞基质的成分细胞基质的成分免疫荧光技术：酵解过程有关蛋白结合在微丝上免疫荧光技术：酵解过程有关蛋白结合在微丝上原位杂交技术：原位杂交技术：mRNA在细胞中区域性分布在细胞中区域性分布卵母细胞中不同的卵母细胞中不同的mRNA在细胞质的不同的部位在细胞质

7、的不同的部位酵解有关的酶类，彼此之间以弱键结合在一同构酵解有关的酶类，彼此之间以弱键结合在一同构成酶的复合体，定位在细胞基质的特定部位，催成酶的复合体，定位在细胞基质的特定部位，催化细胞的葡萄糖和丙酮酸的一系列反响。化细胞的葡萄糖和丙酮酸的一系列反响。细胞分裂期的细胞质基质细胞分裂期的细胞质基质 细胞质基质是一个高度有序的体系，其中细胞细胞质基质是一个高度有序的体系，其中细胞质骨架纤维贯穿在粘稠的蛋白质胶体中，多数质骨架纤维贯穿在粘稠的蛋白质胶体中，多数的蛋白质直接或间接地与骨架结合，或与生物的蛋白质直接或间接地与骨架结合，或与生物膜结合，完成特定的生物学功能。膜结合，完成特定的生物学功能。

8、细胞超微构造与生物化学等不同的侧面相互结细胞超微构造与生物化学等不同的侧面相互结 合来研讨细胞质基质的特殊的复杂的构造体系。合来研讨细胞质基质的特殊的复杂的构造体系。 在细胞质基质中，蛋白质与蛋白质之间，蛋白在细胞质基质中，蛋白质与蛋白质之间，蛋白质与其它大分子之间的相互作用都是经过非常质与其它大分子之间的相互作用都是经过非常弱的键来进展，并且经常处于动态平衡之中，弱的键来进展，并且经常处于动态平衡之中，这种构造体系的维持只能在高浓度的蛋白质及这种构造体系的维持只能在高浓度的蛋白质及特定的离子环境的条件之下实现。特定的离子环境的条件之下实现。 细胞质基质与胞质溶胶细胞质基质与胞质溶胶 细胞质基

9、质主要是由微管、微丝和中等纤维等构细胞质基质主要是由微管、微丝和中等纤维等构成的相互联络的构造体系，其中蛋白质和其它分成的相互联络的构造体系，其中蛋白质和其它分子以凝聚形状或暂时的凝聚形状存在，它与周围子以凝聚形状或暂时的凝聚形状存在，它与周围的溶液即周围水相中的分子处于动态平衡。的溶液即周围水相中的分子处于动态平衡。 胞质溶胶的成分能否与细胞质基质周围溶液的成分一样？胞质溶胶的成分能否与细胞质基质周围溶液的成分一样？ Paine把乳胶小球注射到非洲爪蟾的卵母细胞经把乳胶小球注射到非洲爪蟾的卵母细胞经过一段时间之后，取出乳胶小球，用聚丙烯酰过一段时间之后，取出乳胶小球，用聚丙烯酰胺双向凝胶电泳

10、技术分析了渗入乳胶小球中的胺双向凝胶电泳技术分析了渗入乳胶小球中的蛋白质成分，并与周围细胞质中的蛋白质成分蛋白质成分，并与周围细胞质中的蛋白质成分进展了比较。结果发现，在所检测到的进展了比较。结果发现，在所检测到的90多种多种多肽中，多肽中，80的多肽未曾分散到乳胶小球中，的多肽未曾分散到乳胶小球中，而结合在细胞质基质上。而结合在细胞质基质上。 另一些实验阐明，另一些实验阐明，mRNA和核糖体也都是结合和核糖体也都是结合在细胞质基质上。在细胞质基质上。 用差速离心的方法所获得的胞质溶胶的成分与用差速离心的方法所获得的胞质溶胶的成分与细胞质基质周围的溶液成分有很大的不同。胞细胞质基质周围的溶液成

11、分有很大的不同。胞质溶胶中的多数蛋白质，特别是分子量较大的质溶胶中的多数蛋白质，特别是分子量较大的蛋白质，能够经过较弱的次级键直接或间接地蛋白质，能够经过较弱的次级键直接或间接地结合在细胞质基质的纤维上。结合在细胞质基质的纤维上。 一概念一概念 1、经典细胞学、经典细胞学:电镜下，除去可见的细胞器及其亚电镜下，除去可见的细胞器及其亚微构造以外的细胞质部分称为细胞质基质。微构造以外的细胞质部分称为细胞质基质。2、细胞生物学、细胞生物学:分级离心后，除去一切细胞器和颗分级离心后，除去一切细胞器和颗粒剩下的清液部分称为胞质溶胶。粒剩下的清液部分称为胞质溶胶。学术争议学术争议:有人以为细胞骨架不属于细

12、胞质基质的有人以为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴，是细胞器，也有人以为细胞骨架是细胞质基范畴，是细胞器，也有人以为细胞骨架是细胞质基质的主要构造体系，是其他成分锚定的骨架，同时质的主要构造体系，是其他成分锚定的骨架，同时它们经常处于装配和解聚的动态平衡中，其解聚的它们经常处于装配和解聚的动态平衡中，其解聚的亚单位仍坚持在液相中。亚单位仍坚持在液相中。二化学组成二化学组成成分复杂，不易分析，所以，反映了大部分细成分复杂，不易分析，所以，反映了大部分细胞生化成分，即是许多细胞器生化反响的底物胞生化成分，即是许多细胞器生化反响的底物和产物的运输通道，本身又涉及了几种细胞代和产物的运输通道，本身又涉及

13、了几种细胞代谢途径。谢途径。离心分别中，易发生混杂和丧失，破碎的细胞离心分别中，易发生混杂和丧失，破碎的细胞器及液泡内含物能够混入可溶相，而另外一些器及液泡内含物能够混入可溶相，而另外一些本属基质的物质，如可溶性酶又可依靠在细胞本属基质的物质，如可溶性酶又可依靠在细胞器碎片上被分别掉。器碎片上被分别掉。1、是进展某些细胞生化活动的场所，糖酵解、脂、是进展某些细胞生化活动的场所，糖酵解、脂肪酸合成，有些供细胞本身构造和代谢所需蛋白，肪酸合成，有些供细胞本身构造和代谢所需蛋白，如组蛋白、非组蛋白、肌球蛋白，核糖体蛋白都如组蛋白、非组蛋白、肌球蛋白，核糖体蛋白都在游离核糖体中合成。在游离核糖体中合成

14、。2、维持细胞器稳定，提供适宜离子环境、维持细胞器稳定，提供适宜离子环境3、供应细胞器内发生反响的底物、供应细胞器内发生反响的底物4、对蛋白质修饰选择性降解和构象修正、对蛋白质修饰选择性降解和构象修正磷酸化与去磷酸化，糖基化，甲基化，酰基化磷酸化与去磷酸化，糖基化，甲基化，酰基化依赖泛素标志的蛋白酶体中的蛋白质降解途径依赖泛素标志的蛋白酶体中的蛋白质降解途径热休克蛋白热休克蛋白HSP协助变性或畸形蛋白质重新折叠协助变性或畸形蛋白质重新折叠5、物质储存和运输，如、物质储存和运输，如:膜系统和细胞骨架系统解膜系统和细胞骨架系统解聚后的物质均储存于细胞质基质中，被称为聚后的物质均储存于细胞质基质中，

15、被称为“分子分子库，当需重新组装时由此提供元件。库，当需重新组装时由此提供元件。二、细胞质基质的功能二、细胞质基质的功能第二节第二节 细胞内膜系统细胞内膜系统endomembrane system及其功能及其功能内质网的构造与功能内质网的构造与功能 高尔基体的形状构造与功能高尔基体的形状构造与功能溶酶体的形状构造与功能溶酶体的形状构造与功能一、细胞内膜系统概述一、细胞内膜系统概述细胞内膜系统是指细胞内在构造、功能及发生上细胞内膜系统是指细胞内在构造、功能及发生上相关的由膜包绕构成的细胞器或细胞构造。相关的由膜包绕构成的细胞器或细胞构造。真核细胞细胞内的区域化真核细胞细胞内的区域化compart

16、mentalization： 细胞骨架纤维为组织者的细胞骨架纤维为组织者的Cytomatrix构成构成 有序的动态构造；有序的动态构造； 细胞内的膜相构造细胞内的膜相构造细胞器细胞器organelles。二、细胞内膜系统的研讨方法二、细胞内膜系统的研讨方法 1974，诺贝尔奖，诺贝尔奖 A.Claude，发明分别细胞器的差速离心技术，发明分别细胞器的差速离心技术 de Duve，用离心技术发现了溶酶体和过氧化酶体，用离心技术发现了溶酶体和过氧化酶体 G.Palade,研讨了内质网和高尔基体研讨了内质网和高尔基体放射自显影放射自显影Autoradiography生化分析生化分析Biochemic

17、al analysis遗传突变分析遗传突变分析Genetic mutants放射自显影术放射自显影术Autoradiography Secretory pathway identified by Palade et al.蛋白质分泌的同位素追踪实验：蛋白质分泌的同位素追踪实验：胰腺组织胰腺组织 放射性同位素标志的培育基上短转培放射性同位素标志的培育基上短转培育育 固定、切片固定、切片 放射自显影检测。放射自显影检测。 发现放射性出如今内质网上。发现放射性出如今内质网上。蛋白质合成始于内质网。蛋白质合成始于内质网。 3 labeling and the immediate autoradiogr

18、aphy3 labeling, 7 chase, and autoradiography3 labeling, 120 chase, and autoradiography脉冲追踪实验脉冲追踪实验Pulse-chase experimentvLabel cells with radioisotopesvChase w/ cold amino acidsvFind the radioisotope in time courseEM Autoradiographyfatty acidsamino acidsIntroduce radio-labeled membrane precursorsint

19、o the cytosol T = 0cellRadiolabel in cytosolWait 10, 30, 60, 90. minutesOverlay an emulsion “sensitive to radiationwaitRadiation triggers the formation of silver particleswhich are photon and electron denseEM autoradiography provides the best resolutionSilver Grains corresponding to the approximatep

20、osition of radio labeled proteins30 min - 1 hr : ER membrane and lumen radio labeledanother 30 min - 1 hr : Transport / Shuttle Vesicles labeled30another 30 min - 1 hr : Golgi Membrane & Lumen labeledanother 30 min - 1 hr : Post Golgi Vesicles labeledanother 30 min - 1 hr : Plasma Membrane label

21、ed and some radio labeled proteins found in the extracellular spacePalades original dataProteins were localized to i) rER ii) Golgi iii) Secretory vesiclesER Golgi Secretory Vesicles cell exteriorde Duve，G.Palade，分别到了但八只合成和分，分别到了但八只合成和分泌功能的构造。泌功能的构造。细胞被破碎，膜碎片构成小囊泡，细胞被破碎，膜碎片构成小囊泡，小囊泡来自于不同的膜结合细胞器小囊泡来自

22、于不同的膜结合细胞器(细胞核、线细胞核、线粒体、质膜、内质网等粒体、质膜、内质网等)来自于内膜系统的小囊泡称微粒体来自于内膜系统的小囊泡称微粒体microsome) 差速离心分别与功能分析差速离心分别与功能分析 微粒体微粒体(microsomes)分别分别微粒体的功能研讨微粒体的功能研讨微粒体：保管了膜的构造特征微粒体：保管了膜的构造特征, 活细胞中的生物活性和功能活细胞中的生物活性和功能如：高尔基体的囊泡：如：高尔基体的囊泡： 1将蛋白质和脂进展糖基化修饰的作用将蛋白质和脂进展糖基化修饰的作用 2分别的特殊蛋白作为抗原制备抗体分别的特殊蛋白作为抗原制备抗体, 3制备的抗体与特定的颗粒如金颗粒

23、结合制备的抗体与特定的颗粒如金颗粒结合, 4经过免疫电镜技术就可以对用作抗原的酶进展定位经过免疫电镜技术就可以对用作抗原的酶进展定位, 5提示了高尔基体在复杂的糖装配中的详细过程。提示了高尔基体在复杂的糖装配中的详细过程。用酵母突变体研讨分泌过程及与分泌相关的基用酵母突变体研讨分泌过程及与分泌相关的基因提示了小泡运输过程。因提示了小泡运输过程。用突变体研讨内膜系统的运输作用用突变体研讨内膜系统的运输作用Mutagenize cells and allow to grow at permissive temp. (24 C).Shift cells to 37 C (non-permissive

24、 temp.) for several hours.Separate cells by density gradient centrifugationPlate the dense cells at 24 C.Screen individual colonies for defects in secretion*permissive vs nonpermissive temperature sec 突变体的突变体的5种不同种类种不同种类sec4-2 25 Csec15-1 after 2 hr 37 CWild typemorphologyAccumulationof vesicles野生型是

25、分泌正常的酵母野生型是分泌正常的酵母,A、B、C、D、E是五类不同的是五类不同的sec基因基因(secretory genes)突变突变,代表了蛋白质分泌的五个过程。代表了蛋白质分泌的五个过程。A:分泌蛋白不能进入内质网分泌蛋白不能进入内质网,B: 内内质网出芽缺陷质网出芽缺陷,C:分泌小泡不能与高尔基体交融分泌小泡不能与高尔基体交融:D:高尔基体不能构成分泌泡高尔基体不能构成分泌泡;E:分泌泡不能与质膜交融。分泌泡不能与质膜交融。膜结合细胞器与内膜系统膜结合细胞器与内膜系统 膜结合细胞器膜结合细胞器(membrane-bound organelles)或膜结或膜结合区室合区室(membran

26、e-bound compartments) 细胞质膜系统细胞质膜系统(cytoplasmic membrane system) 内膜系统内膜系统(endomembrane systems)膜结合细胞器的种类和功能膜结合细胞器的种类和功能 真核细胞膜结合区室的主要功能真核细胞膜结合区室的主要功能细胞器细胞器( (区室区室) )主要功能主要功能胞质溶胶胞质溶胶代谢的主要场所；蛋白质合成部位代谢的主要场所；蛋白质合成部位细胞核细胞核基因组存在场所，基因组存在场所，DNADNA和和RNARNA的合成地的合成地内质网内质网大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地高尔基

27、体高尔基体蛋白质和脂的修饰、分选和包装蛋白质和脂的修饰、分选和包装溶酶体溶酶体细胞内的降解作用细胞内的降解作用内体内体内吞物质的分选内吞物质的分选线粒体线粒体通过氧化磷酸化合成通过氧化磷酸化合成ATPATP叶绿体叶绿体进行光合作用进行光合作用过氧化物酶体过氧化物酶体毒性分子的氧化毒性分子的氧化膜结合细胞器在细胞内的分布膜结合细胞器在细胞内的分布 内膜系统的动态性质内膜系统的动态性质 主要是由细胞中三种不同主要是由细胞中三种不同的生化活动引起的的生化活动引起的: 蛋白质和脂的合成活动蛋白质和脂的合成活动: 在动物细胞中主要涉及分在动物细胞中主要涉及分泌性蛋白的合成和脂的合泌性蛋白的合成和脂的合成

28、和加工。脂的合成在光成和加工。脂的合成在光面内质网面内质网,而分泌蛋白的合而分泌蛋白的合成起始于粗面内质网成起始于粗面内质网,完成完成于高尔基体。于高尔基体。分泌活动分泌活动: 内吞活动内吞活动(endocytosis pathway),是分泌的相反是分泌的相反过程过程, 细胞将细胞外的物细胞将细胞外的物质吞进内体和溶酶体。质吞进内体和溶酶体。 内膜系统与蛋白质分选内膜系统与蛋白质分选(protein sorting) 蛋白质分选定位的时空概念蛋白质分选定位的时空概念 时间上时间上 蛋白质的合成分选有两种情况蛋白质的合成分选有两种情况: 先合成先合成,再分选再分选 一边合成一边分选。一边合成一

29、边分选。 为了适于蛋白质分选的时间上的需求为了适于蛋白质分选的时间上的需求,核糖体在合成蛋白核糖体在合成蛋白质时就有两种存在形状质时就有两种存在形状:游离的或与内质网结合的。游离的或与内质网结合的。空间上空间上 包括了细胞内各个部分包括了细胞内各个部分, 蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需求从细胞质中获蛋白质合成机器的线粒体和叶绿体也需求从细胞质中获取所需蛋白质。取所需蛋白质。蛋白质分选定位的空间妨碍及运输方式蛋白质分选定位的空间妨碍及运输方式 蛋白质定位的细胞内空间部位构造蛋白质定位的细胞内空间部位构造,可分为三种类型可分为三种类型:没有膜妨碍的没有膜妨碍的,如胞质溶胶如胞质溶胶,包括胞质溶

30、胶中的细胞包括胞质溶胶中的细胞 骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；骨架蛋白和各种酶及蛋白分子；有完全封锁的膜妨碍有完全封锁的膜妨碍,如线粒体、叶绿体、内质网、如线粒体、叶绿体、内质网、 高尔基体等；高尔基体等；有膜妨碍有膜妨碍,但是膜上有孔但是膜上有孔,如细胞核。如细胞核。 核孔运输核孔运输(transport through nuclear pore) 跨膜运输跨膜运输(across membrane transport) 小泡运输小泡运输(transport by vesicles) 一、一、 内质网的形状构造与功能内质网的形状构造与功能一内质网的两种根本类型一内质网的两种根本类型粗面内质网粗面

31、内质网rough endoplasmic reticulum，rER光面内质网光面内质网smooth endoplasmic reticulum，sER微粒体微粒体microsome 内质网内质网(Endoplasmic eticulum,ER):由封锁的管状由封锁的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔构成相互沟通的三或扁平囊状膜系统及其包被的腔构成相互沟通的三维网络构造。维网络构造。粗面内质网粗面内质网rough endoplasmic reticulum，rER 多呈扁囊状多呈扁囊状,陈列较整齐，内质网与核糖体共陈列较整齐，内质网与核糖体共同同 构成的复合机能构造构成的复合机能构造, 主要功能

32、：合成分泌性蛋白和多种膜蛋白主要功能：合成分泌性蛋白和多种膜蛋白 分泌细胞和分泌抗体的浆细胞中的分泌细胞和分泌抗体的浆细胞中的rRE非常发非常发 达，未分化的细胞与肿瘤细胞中较为稀少达，未分化的细胞与肿瘤细胞中较为稀少 移位子移位子translocon:新合成多肽进入内质新合成多肽进入内质网网 有关有关Sec61p 有有20余种与光面内质网不同的蛋白质；余种与光面内质网不同的蛋白质；光面内质网光面内质网smooth endoplasmic reticulum，sER 呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。 脂质合成的场所脂质合成的场所 细胞不含纯粹的细胞不含纯粹的RER或或SER，它们分别是，它们分别是ER连连 续构造的一部分。续构造的一部分。 与高尔基体构造、功能与发生上的关系亲密与高尔基体构造、功能与发生上的关系亲密 驱动蛋白与内质网结合驱动蛋白与内质网结合 肌肉细胞中的肌质网是一种特化的肌肉细胞中的肌质网是一种特化的SER，称，称为为 肌质网，可储存肌质网，可储存Ca2+，引起肌肉收缩。，引起肌肉收缩。二二