第7章 细胞质基质与内膜系统课件

第7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第7章细胞质基质与内膜系统真核细胞内区室化第7章细胞质基质与内膜系统第一节细胞质基质及其功能第7章细胞质基质与内膜系统一、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（cytoplasmicmatrix）生物化学家多称之为胞质溶胶

（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，起重要的组织作用第7章细胞质基质与内膜系统大分子拥挤(Macromolecularcrowding)Thecrowdedstateofthecytoplasmin

(a)eukaryoticand(b)E.colicells第7章细胞质基质与内膜系统二、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第7章细胞质基质与内膜系统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第7章细胞质基质与内膜系统2.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的信号泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-andproteasome-mediatedpathway）第7章细胞质基质与内膜系统2004年诺贝尔化学奖发现泛素调节的蛋白质降解第7章细胞质基质与内膜系统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第7章细胞质基质与内膜系统4.帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠热休克蛋白（heatshockprotein，HSP）：一类进化上高度保守的蛋白质家族，作为分子伴侣（molecularchaperone）发挥多种作用，协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配等第7章细胞质基质与内膜系统第二节细胞内膜系统及其功能第7章细胞质基质与内膜系统一、内质网糙面内质网（rER）光面内质网（sER）◆特殊类型的内质网

●微粒体(microsome)●肌质网(sarcoplasmicreticulum)（一）内质网的两种基本类型第7章细胞质基质与内膜系统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）显示糙面内质网区第7章细胞质基质与内膜系统rER和sER的分离第7章细胞质基质与内膜系统（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第7章细胞质基质与内膜系统合成磷脂所需要的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第7章细胞质基质与内膜系统磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）膜脂的不对称性？第7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第7章细胞质基质与内膜系统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第7章细胞质基质与内膜系统蛋白质糖基化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-乙酰半乳糖胺第7章细胞质基质与内膜系统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第7章细胞质基质与内膜系统糙面内质网中蛋白质N-连接糖基化过程第7章细胞质基质与内膜系统内质网腔二硫键形成第7章细胞质基质与内膜系统4.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，并维持很高的浓度第7章细胞质基质与内膜系统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)中降解第7章细胞质基质与内膜系统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Molecular&CellularProteomicsMay2007vol.6no.5798-811第7章细胞质基质与内膜系统5.内质网的其他功能肝细胞的解毒作用细胞色素P-450第7章细胞质基质与内膜系统5.内质网的其他功能肌质网储存和释放Ca2+第7章细胞质基质与内膜系统5.内质网的其他功能内质网上糖原的合成与分解固醇类激素的合成第7章细胞质基质与内膜系统在各种应激因素（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第7章细胞质基质与内膜系统未折叠蛋白质应答反应（UPR）第7章细胞质基质与内膜系统SREBP的胆固醇敏感调控第7章细胞质基质与内膜系统Nature,2006,443,796-802ERS反应引发的细胞凋亡第7章细胞质基质与内膜系统二、高尔基体CamilloGolgi1898年，意大利医生CamilloGolgi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（internalreticularapparatus）。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第7章细胞质基质与内膜系统（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第7章细胞质基质与内膜系统高尔基体的４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1～2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）第7章细胞质基质与内膜系统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第7章细胞质基质与内膜系统（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第7章细胞质基质与内膜系统1.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（regulatedsecretion）途径特化类型的分泌细胞（3）组成型分泌（constitutivesecretion）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第7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第7章细胞质基质与内膜系统2.蛋白质的糖基化及其修饰蛋白质糖基化的生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第7章细胞质基质与内膜系统（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第7章细胞质基质与内膜系统（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1～4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-乙酰半乳糖胺等第7章细胞质基质与内膜系统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膜囊区间的加工过程第7章细胞质基质与内膜系统（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）第7章细胞质基质与内膜系统3.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第7章细胞质基质与内膜系统胰岛素原的加工第7章细胞质基质与内膜系统三、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第7章细胞质基质与内膜系统（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第7章细胞质基质与内膜系统（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①嵌有质子泵②具有多种载体蛋白③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第7章细胞质基质与内膜系统（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、吞噬作用和自噬作用3种途径第7章细胞质基质与内膜系统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AaronCiechanover.NatureReviewsMolecularCellBiology,2005,6,79-87第7章细胞质基质与内膜系统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第7章细胞质基质与内膜系统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第7章细胞质基质与内膜系统细菌的哪部分结构类似溶酶体？植物细胞液泡第7章细胞质基质与内膜系统（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：信号斑第7章细胞质基质与内膜系统溶酶体酶的加工与分选第7章细胞质基质与内膜系统溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体第7章细胞质基质与内膜系统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）第7章细胞质基质与内膜系统（四）溶酶体与疾病溶酶体储积症（lysosomalstoragediseases）：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；Ⅰ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、类风湿性关节炎等第7章细胞质基质与内膜系统四、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第7章细胞质基质与内膜系统（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第7章细胞质基质与内膜系统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第7章细胞质基质与内膜系统（二）过氧化物酶体的功能动物细胞中：①参与脂肪酸的β-氧化②具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化