细胞质基质与内膜系统培训课件

1、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1细胞质基质与内膜系统10/3/2022本章主要内容细胞质基质及其功能1细胞质基质与内膜系统10/3真核细胞内区室化2细胞质基质与内膜系统10/3/2022真核细胞内区室化2细胞质基质与内膜系统10/3/2022第一节 细胞质基质及其功能3细胞质基质与内膜系统10/3/2022第一节 细胞质基质及其功能3细胞质基质与内膜系统10/3/一、细胞质基质的含义在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，占据着细胞膜内、细胞核外的细胞内空 间，称细胞质基质（cytoplasmic matrix）生物化学家多称

2、之为胞质溶胶（cytosol）细胞质基质很可能是一种高度有序的体系关键在于细胞质骨架纤维贯穿其中，起重要的组织作用4细胞质基质与内膜系统10/3/2022一、细胞质基质的含义在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器大分子拥挤 (Macromolecular crowding)The crowded state of the cytoplasm in (a) eukaryotic and (b) E. coli cells5细胞质基质与内膜系统10/3/2022大分子拥挤 (Macromolecular crowding二、细胞质基质的功能完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸

3、途径等为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递；细胞质基质结构体系的组织者与细胞膜相关的功能细胞质基质产生区室化；依靠细胞膜或细胞器膜上的泵蛋白和离子通道维持细胞 内外跨膜的离子梯度蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解6细胞质基质与内膜系统10/3/2022二、细胞质基质的功能完成各种中间代谢过程 6细胞质基质与内1. 蛋白质的修饰辅酶或辅基与酶的共价结合磷酸化与去磷酸化蛋白质糖基化作用甲基化修饰酰基化7细胞质基质与内膜系统10/3/20221. 蛋白质的修饰辅酶或辅基与酶的共价结合7细胞质基质与内膜2. 控制蛋白质的寿命N 端第一个

4、氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-and proteasome-mediated pathway）8细胞质基质与内膜系统10/3/20222. 控制蛋白质的寿命N 端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命2004 年诺贝尔化学奖发现泛素调节的蛋白质降解9细胞质基质与内膜系统10/3/20222004 年诺贝尔化学奖发现泛素调节的蛋白质降解9细胞质基质3. 降解变性和错误折叠的蛋白质细胞质基质中的变性蛋白质、错误折叠的蛋白质、 含有被氧化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白质，不管其 N 端氨基酸残基是否稳定，常常很快被降解清除10细胞质基质与内膜系统

5、10/3/20223. 降解变性和错误折叠的蛋白质细胞质基质中的变性蛋白质、错4. 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠热休克蛋白（heat shock protein， HSP）：一类进化上高度保守的蛋 白质家族，作为分子伴 侣（molecular chaperone）发挥多种作用，协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配等11细胞质基质与内膜系统10/3/20224. 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠热休克蛋白（heat第二节 细胞内膜系统及其功能12细胞质基质与内膜系统10/3/2022第二节 细胞内膜系统及其功能12细胞质基质与内膜系统10/一、内质网糙面内质网（rER）光面内质网（sE

6、R） 特殊类型的内质网 微粒体 (microsome) 肌质网 (sarcoplasmic reticulum)（一）内质网的两种基本类型13细胞质基质与内膜系统10/3/2022一、内质网糙面内质网（rER） 特殊类型的内质网（一）内质糙面内质网与光面内质网结构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14细胞质基质与内膜系统10/3/2022糙面内质网与光面内质网结构胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，rER和sER的分离15细胞质基质与内膜系

7、统10/3/2022rER和sER的分离15细胞质基质与内膜系统10/3/202（二）内质网的功能向细胞外分泌的蛋白质膜的整合蛋白细胞器中的可溶性驻留蛋白1. 蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能16细胞质基质与内膜系统10/3/2022（二）内质网的功能向细胞外分泌的蛋白质1. 蛋白质的合成是糙合成磷脂所需要的3 种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞质基质侧2光面内质网是脂质合成的重要场所17细胞质基质与内膜系统10/3/2022合成磷脂所需要的3 种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞质基质磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）膜脂的不对称性？18细胞质基质与内膜系统10/3/2022磷脂转位

8、蛋白或称转位酶（flippase）膜脂的不对称性？1A. 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19细胞质基质与内膜系统10/3/2022A. 通过膜泡转运脂质 B. 通过PEP 3. 蛋白质的修饰与加工发生在内质网和高尔基体的蛋白质糖基化在内质网发生二硫键的形成蛋白质折叠和多亚基蛋白的装配在内质网、高尔基体和分泌泡发生特异性的蛋白质水解切割20细胞质基质与内膜系统10/3/20223. 蛋白质的修饰与加工发生在内质网和高尔基体的蛋白质糖基化蛋白质糖基化N -连接糖基化与O -连接糖基化的比较 N -连接糖基化与

9、之直接结合的糖是N -乙酰葡糖胺O -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰半乳糖胺21细胞质基质与内膜系统10/3/2022蛋白质糖基化N -连接糖基化与O -连接糖基化的比较21细胞N -连接与O -连接的寡糖比较在内质网发生的蛋白质N-连接糖基化的加工，转移至高尔基体后还会经过一系列复杂的修饰22细胞质基质与内膜系统10/3/2022N -连接与O -连接的寡糖比较在内质网发生的蛋白质N-连接糙面内质网中蛋白质N -连接糖基化过程23细胞质基质与内膜系统10/3/2022糙面内质网中蛋白质N -连接糖基化过程23细胞质基质与内膜系内质网腔二硫键形成24细胞质基质与内膜系统10/3/202

10、2内质网腔二硫键形成24细胞质基质与内膜系统10/3/20224. 新生多肽的折叠与组装蛋白二硫键异构酶和Bip 等蛋白质都具有4 肽驻留信号（KDEL 或 HDEL）以保证它们滞留在内质网中，并维持很高的浓度25细胞质基质与内膜系统10/3/20224. 新生多肽的折叠与组装蛋白二硫键异构酶和Bip 等蛋白质内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所折叠错误的多肽被送到细胞质中,被泛素(ubiquitin)结合,然后送到蛋白酶体(proteosome)中降解26细胞质基质与内膜系统10/3/2022内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所折叠错误的内质网是蛋白质分泌转运途径

11、中行使质量监控的重要场所Molecular & Cellular Proteomics May 2007 vol. 6 no. 5 798-811 27细胞质基质与内膜系统10/3/2022内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所Molec5. 内质网的其他功能肝细胞的解毒作用细胞色素P-45028细胞质基质与内膜系统10/3/20225. 内质网的其他功能肝细胞的解毒作用细胞色素P-450285. 内质网的其他功能肌质网储存和释放Ca2+ 29细胞质基质与内膜系统10/3/20225. 内质网的其他功能肌质网储存和释放Ca2+ 29细胞质基5. 内质网的其他功能内质网上糖原的合成与

12、分解固醇类激素的合成30细胞质基质与内膜系统10/3/20225. 内质网的其他功能内质网上糖原的合成与分解30细胞质基质在各种应激因素（错误折叠或未折叠蛋白质在ER 腔内聚集、Ca2+ 平衡紊乱、缺氧、异常糖基化和病毒感染等）作用下，主要通过3 条途径引发内质网应激（ERS）反应，影响特定基因表达。如果内质网功 能持续紊乱，细胞将最终启动凋亡程序（三）内质网应激及其信号调控31细胞质基质与内膜系统10/3/2022在各种应激因素（错误折叠或未折叠蛋白质在ER 腔内聚集、Ca未折叠蛋白质应答反应（UPR）32细胞质基质与内膜系统10/3/2022未折叠蛋白质应答反应（UPR）32细胞质基质与内

13、膜系统10/SREBP 的胆固醇敏感调控33细胞质基质与内膜系统10/3/2022SREBP 的胆固醇敏感调控33细胞质基质与内膜系统10/3Nature , 2006, 443, 796-802ERS 反应引发的细胞凋亡34细胞质基质与内膜系统10/3/2022Nature , 2006, 443, 796-802ERS二、高尔基体Camillo Golgi1898 年，意大利医生Camillo Golgi 用镀银法首次在神经细胞内观察到一种网状结构， 命名为内网器（internal reticular apparatus）。后来在很多细胞中相继发现了类似的结构并称之为高尔基体。直到20世纪

14、50 年代以后随着电子显微镜技术的应用和超薄切片技术的发展，才确证了高尔基体的存在35细胞质基质与内膜系统10/3/2022二、高尔基体Camillo Golgi1898 年，意大利医（一）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36细胞质基质与内膜系统10/3/2022（一）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3高尔基体的种标志细胞化学反应嗜锇反应（顺面膜囊）焦磷酸硫胺素酶（TPP 酶）反应（反面的12 层膜囊）胞嘧啶单核苷酸酶（CMP 酶）和酸性磷酸酶反应（反面膜囊状和反面管 网结构）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应（中间几层）37细胞质基质与内膜系统1

15、0/3/2022高尔基体的种标志细胞化学反应嗜锇反应（顺面膜囊）37细胞质A. 膜泡运输模型 B. 膜囊成熟模型高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种模型38细胞质基质与内膜系统10/3/2022A. 膜泡运输模型 B. 膜囊成熟模型高尔基体结构（二）高尔基体的功能高尔基体是细胞内大分子加工转运的枢纽对内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后定向转运内质网合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂39细胞质基质与内膜系统10/3/2022（二）高尔基体的功能高尔基体是细胞内大分子加工转运的枢纽391. 高尔基体与细胞的分泌活动高尔基体TGN区是蛋白质包

16、装分选的关键枢纽，至少有3 条分选途径（1）溶酶体酶的包装与分选途径 甘露糖-6- 磷酸（M6P）标记（2）可调节性分泌（regulated secretion）途径 特化类型的分泌细胞（3）组成型分泌（constitutive secretion）途径 所有真核细胞，均可通过分泌泡连续分泌某些蛋白质至细胞表面40细胞质基质与内膜系统10/3/20221. 高尔基体与细胞的分泌活动高尔基体TGN区是蛋白质包装分发生在高尔基体TGN 区的蛋白质分选途径41细胞质基质与内膜系统10/3/2022发生在高尔基体TGN 区的蛋白质分选途径41细胞质基质与内膜2. 蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质糖基化的生

17、物学功能蛋白质糖基化类型蛋白聚糖在高尔基体中组装植物细胞多糖的合成与分泌糖脂的合成与加工42细胞质基质与内膜系统10/3/20222. 蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质糖基化的生物学功能42细胞（1）蛋白质糖基化的生物学功能糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进蛋白质折叠和增强糖蛋白稳定性的作用蛋白质糖基化修饰利于高尔基体进行分选与包装，保证糖蛋白从 rER 至高尔基体膜囊单向转移细胞内一些负责糖链合成与加工的酶类均由管家基因编码；细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，直接介导细胞间的双向通讯，或参与分化、发育等多种过程多羟基糖侧链还可能影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质43细胞质基质与内膜系统10

18、/3/2022（1）蛋白质糖基化的生物学功能糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进（2）蛋白质糖基化类型特 征 N-连接 O-连接合成部位粗面内质网高尔基体合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去与之结合的氨基酸残基一个个单糖加上去丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸最终长度 至少5个糖残基一般14个糖残基，但ABO血型抗原较长第一个糖残基N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺等44细胞质基质与内膜系统10/3/2022（2）蛋白质糖基化类型特 征 N-连接 O-连接合成部位粗N -连接寡糖的核心糖基是在内质网装配后转移到的高尔基体的；N -连接寡糖的进一步加工修饰在高尔基体上完成N -连接寡糖在高尔基体各

19、膜囊区间的加工过程45细胞质基质与内膜系统10/3/2022N -连接寡糖的核心糖基是在内质网装配后转移到的高尔基体的；（3）蛋白聚糖在高尔基体中组装由一个或 多个糖氨聚糖 (glycosaminoglycan)结合到核心蛋白的丝氨酸Ser残基上，直接与Ser羟基结合的不是N-乙酰半乳糖胺而是木糖（xylose）46细胞质基质与内膜系统10/3/2022（3）蛋白聚糖在高尔基体中组装由一个或 多个糖氨聚糖 (gl3. 蛋白酶的水解和其他加工过程无生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，切除N 端或两端的序列形成成熟多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白等含有多个相同氨基酸序列的前

20、体，在高尔基体中被水解形成同种有活性的多肽，如神经肽等同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工，产生不同种类的多肽，增加了细胞信号分子的多样 性47细胞质基质与内膜系统10/3/20223. 蛋白酶的水解和其他加工过程无生物活性的蛋白原（prop胰岛素原的加工48细胞质基质与内膜系统10/3/2022胰岛素原的加工48细胞质基质与内膜系统10/3/2022三、溶酶体图 溶酶体的发现过程（酸性磷酸酶存在于膜结合小泡中）左：造成膜泡破裂及酸性磷酸酶释放的条件右：鼠肝线粒体分离组分置于低渗条件下检测的酸性磷酸酶活性曲线49细胞质基质与内膜系统10/3/2022三、溶酶体图 溶酶体的发现过程

21、（酸性磷酸酶存在于膜结合小泡（一）溶酶体的形态结构与类型异质性细胞器初级溶酶体次级溶酶体残质体50细胞质基质与内膜系统10/3/2022（一）溶酶体的形态结构与类型异质性细胞器50细胞质基质与内膜（一）溶酶体的形态结构与类型溶酶体含有多种酸性水解酶类，酶的最适pH 为5.0 左右酸性磷酸酶是常用的标志酶溶酶体膜成分特殊 嵌有质子泵 具有多种载体蛋白 膜蛋白高度糖基化次级溶酶体分为自噬溶酶体和异噬溶酶体51细胞质基质与内膜系统10/3/2022（一）溶酶体的形态结构与类型溶酶体含有多种酸性水解酶类，酶的（二）溶酶体的功能溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，一般可概括成内吞作用、 吞噬作用和自噬作

22、用3 种途径52细胞质基质与内膜系统10/3/2022（二）溶酶体的功能溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，一般可1. 清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老 损伤和死 亡的细胞Aaron Ciechanover. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2005, 6, 79-8753细胞质基质与内膜系统10/3/20221. 清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老 损伤和死 亡2. 防御功能防御功能是某些细胞特有的功能，它可以识别并 吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并 进一步降解54细胞质基质与内膜系统10/3/20222. 防御功能防

23、御功能是某些细胞特有的功能，它可以识别并 吞3. 其他重要的生理功能作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒， 参与分泌过程的调节程序性死亡后的细胞被周围吞噬细胞溶酶体消化清除受精过程中的顶体反应55细胞质基质与内膜系统10/3/20223. 其他重要的生理功能作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营细菌的哪部分结构类似溶酶体？植物细胞液泡56细胞质基质与内膜系统10/3/2022细菌的哪部分结构类似溶酶体？植物细胞液泡56细胞质基质与内膜（三）溶酶体的发生溶酶体酶的合成及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M6PN-乙酰

24、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57细胞质基质与内膜系统10/3/2022（三）溶酶体的发生溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（rE溶酶体酶的加工与分选58细胞质基质与内膜系统10/3/2022溶酶体酶的加工与分选58细胞质基质与内膜系统10/3/202溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体59细胞质基质与内膜系统10/3/2022溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体59细胞质基质溶酶体酶分选途径多样化依赖于M6P 的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输

25、小泡直接分泌到细胞外在细胞质膜上也存在依赖于钙离子的M6P受体，同样可与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用，将酶送至前溶酶体中，M6P受体返回细胞质膜，反复使用还存在不依赖于M6P的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体的perforin和granzyme） 60细胞质基质与内膜系统10/3/2022溶酶体酶分选途径多样化依赖于M6P 的分选途径的效率不高，部（四）溶酶体与疾病溶酶体储积症（lysosomal storage diseases）：溶酶体缺乏某种水解酶，导致相应的底物不能被降解而积蓄在溶酶体内如泰萨二氏病；细胞病等溶酶体膜稳定性下降，水解酶外溢导致的相关疾病如矽肺、类风湿性关

26、节炎等61细胞质基质与内膜系统10/3/2022（四）溶酶体与疾病溶酶体储积症（lysosomal stor四、过氧化物酶体又称微体(microbody)， 是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的细胞器存在于所有动物细胞和很多植物细胞中异质性细胞器鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体和其他细胞 器如线粒体等62细胞质基质与内膜系统10/3/2022四、过氧化物酶体又称微体(microbody)， 是由单层膜（一）过氧化物酶体与溶酶体的区别过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征通过密度梯度离心可分离过氧化物酶体和溶酶体63细胞质基质与内膜系统10/3/2022（一）过氧化物酶体与溶酶体的区别过氧化物酶体和初级溶酶体的形过氧化物酶体与溶酶体在成分、功能及发生方式等方面的差异过氧化物酶体与溶酶体的特征比较64细胞质基质与内膜系统10/3/2022过氧化物酶体与溶酶体在成分、功能及发生方式等方面的差异过氧化（二）过氧化物酶体的功能动