细胞生物学：第6章细胞基质与细胞内膜系统.pptx

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1、6.1 细胞质基质 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。概念：真核细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。第1页/共68页2 细胞质基质的涵义 化学成分：水（游离水、结合水）和无机盐 有机物：中分子(代谢所需要的底物如氨基酸、单糖、核苷酸）大分子（蛋白质、多糖、核酸）状态：物质的组织高度有序第2页/共68页细胞质基质的功能 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 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等 蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解 蛋白质的修饰 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质 帮助变性或错误折叠的蛋

2、白质重新折叠，形成正确的分子构象第3页/共68页内膜系统内膜系统概念：是指内质网、高尔基体、细胞核、溶酶体、乙醛酸循环体、液泡6类膜结合细胞器。这些膜是相互流动的，处于动态平衡，功能上相互协调第4页/共68页内膜系统的内膜系统的动态特性动态特性第5页/共68页6.2 内质网 Endoplasmic Reticulum,ER形态形态 ER 由封闭的膜系统及其形成的腔构成的相互沟通的网状结构。它从核膜延伸至细胞质中，靠近细胞质内侧。ER的膜占细胞膜系统的一半 所包围的体积占细胞总体积的10%第6页/共68页内内质质网网的的化化学学组组成成主要为蛋白质、脂类。主要为蛋白质、脂类。内质网的标志酶是内质

3、网的标志酶是葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸酶磷酸酶。细胞色素细胞色素P P450450在内质网膜中最在内质网膜中最为丰富。为丰富。第7页/共68页内内质质网网的的形形态态结结构构第8页/共68页内质网种类根据是否附有核糖体：糙面内质网(RER)光面内质网(SER)合成分泌蛋白质 合成脂类主要功能：第9页/共68页微粒体微粒体-细胞匀浆等人工过程，破碎的内质网形成的近似球形的囊泡第10页/共68页内质网的功能内质网的功能 蛋白质的合成蛋白质的合成 蛋白质运输蛋白质运输 蛋白质的修饰和加工蛋白质的修饰和加工 脂质的合成脂质的合成第11页/共68页 蛋白质的合成蛋白质的合成粗面内质网上粗面内质网上,膜结

4、合核糖体膜结合核糖体,合成合成分泌分泌蛋白蛋白、膜蛋白膜蛋白、细胞器中可溶性驻留蛋细胞器中可溶性驻留蛋白白。其它部位所需蛋白质都是由其它部位所需蛋白质都是由游离核糖体游离核糖体合成。合成。注意：细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质中。并都是起始于细胞质基质中。第12页/共68页 蛋白质的修饰和加工蛋白质的修饰和加工修饰：修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化糖基化：发生在发生在ER腔面腔面，是，是在在糖基转移酶糖基转移酶作用下作用下.N-linked glycosylation（Asn）O-li

5、nked glycosylation（Ser/Thr or Hylys/Hypro）酰基化发生在酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸的细胞质基质侧：软脂酸Cys第13页/共68页新生肽的折叠与组装：新生肽的折叠与组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成；非还原性的内腔，易于二硫键形成；正正确确折折叠叠涉涉及及驻驻留留蛋蛋白白：二二硫硫键键异异构构酶酶（protein disulfide isomerase，PDI）切切断断二二硫硫键键，帮帮助助新新合合成成的的蛋蛋白白重重新新形形成成二二硫硫键键并并处处于于正正确确折折叠叠的状态的状态 结结 合合 蛋蛋 白白（Binding protein，Bi

6、p，chaperone）识识别别错错误误折折叠叠的的蛋蛋白白或或未未装装配配好好的的蛋蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配。白亚单位，并促进重新折叠与装配。第14页/共68页 脂质的合成（脂质的合成（光面内质网）光面内质网）ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；合成后很快转向内质网腔面(转位酶flippase)磷脂的转运:出芽(budding)：ERGCGC、LyLy、PMPM 磷脂转换蛋白(phospholipid exchange proteins,PEP）：磷脂分子+PEP细胞质基质靶膜第15页/共68页其它功能其它功能糖原分

7、解与糖原分解与游离葡萄糖释放游离葡萄糖释放解毒作用解毒作用:光面内质网含有丰富的氧化酶光面内质网含有丰富的氧化酶系统系统(如细胞色素如细胞色素P P450450、NADHNADH细胞色素细胞色素C C还原酶等还原酶等)能使许多有害物质解毒能使许多有害物质解毒,转化为易于排出的物转化为易于排出的物质。质。CaCa2+2+离子浓度的调节作用离子浓度的调节作用:CaCa2+2+储存库储存库,参与信号传导参与信号传导第16页/共68页176.3 高尔基复合体高高尔尔基基器器(Golgi apparatus)或或 高高尔尔 基基 复复 合合 体体(Golgi complex)意意 大大 利利 科科 学学

8、 家家Camillo Golgi在在 1898年发现的。年发现的。第17页/共68页18高尔基体的形态结构高尔基体的形态结构第18页/共68页19 高尔基体的结构和极性高尔基体的结构和极性形态形态结构结构:连续的整体膜结构。连续的整体膜结构。扁平囊泡扁平囊泡(sacuules)(sacuules)小囊泡小囊泡(vesicle)(vesicle)大囊泡大囊泡(vacuoles)(vacuoles)第19页/共68页20高高尔尔基基体体的的极极性性:高尔基内侧网络高尔基内侧网络 (cis-Golgi network,CGN)顺面、形成面顺面、形成面,面向核面向核中间膜囊中间膜囊 (medial c

9、isternae)高尔基外侧网络高尔基外侧网络 (trans Golji network,TGN)外侧面、成熟面外侧面、成熟面化化学学组组成成:蛋白质和脂蛋白质和脂:高尔基复合体的标志酶是高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶糖基转移酶。第20页/共68页21种标志细胞化学反应 嗜锇反应的高尔基体ciscis面膜囊；焦磷酸硫胺素酶（TPPTPP酶）细胞化学反应，显示transtrans面1 12 2层膜囊；胞嘧啶单核苷酸酶（CMPCMP酶）细胞化学反应，显示靠近transtrans面膜囊状和管状结构 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADPNADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊第21页/共68页22

10、Regions of the Golgi apparatus 嗜锇反应TTP酶反应CMP酶反应NADP酶反应第22页/共68页23高尔基体的功能高尔基体的功能 蛋白质运输 蛋白质的糖基化 蛋白质的水解第23页/共68页24高尔基体的蛋白运输作用高尔基体的蛋白运输作用123第24页/共68页25蛋白质运输ERER到高尔基体内侧的运输到高尔基体内侧的运输ERER蛋白的逆向运输蛋白的逆向运输高尔基体内侧到高尔基体外侧运输以高尔基体内侧到高尔基体外侧运输以及向溶酶体和细胞膜的运输及向溶酶体和细胞膜的运输第25页/共68页26 GC中蛋白质的糖基化 O O-连接的糖基化连接的糖基化 将将糖糖链链转转移移

11、到到多多肽肽链链的的丝丝氨氨酸酸、苏苏氨氨酸酸或或羟羟赖赖氨酸的羟基上，称为氨酸的羟基上，称为O-O-连接的糖基化。连接的糖基化。N N-连接的寡聚糖进一步加工：连接的寡聚糖进一步加工：内内质质网网上上：磷磷酸酸多多萜萜醇醇上上的的糖糖基基转转移移到到多多肽肽的的天天冬酰胺（冬酰胺（AsnAsn）上）上 高高尔尔基基体体：加加工工，切切除除葡葡萄萄糖糖和和部部分分甘甘露露糖糖分分子子，添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白第26页/共68页27蛋白质的糖基化生物学意义 糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正确构象和增加

12、蛋白质的稳定性；多羟基糖侧链影响蛋确构象和增加蛋白质的稳定性；多羟基糖侧链影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。对多数分选白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质。对多数分选的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。的蛋白质来说，糖基化并非作为蛋白质的分选信号。进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制进化上的意义：寡糖链具有一定的刚性，从而限制了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真了其它大分子接近细胞表面的膜蛋白，这就可能使真核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细核细胞的祖先具有一个保护性的外被，同时又不象细胞壁那样限制细胞的形状与运动。胞壁那样限制细胞的形状与运动。第2

13、7页/共68页28 蛋白质在高尔基体中酶解加工类型蛋白质在高尔基体中酶解加工类型无无生生物物活活性性的的蛋蛋白白原原（proproteinproprotein）高高尔尔基基体体切切除除N-N-端端或或两两端端的的序序列列成成熟熟的的多多肽肽。如如胰胰岛岛素素、胰高血糖素及血清白蛋白等。胰高血糖素及血清白蛋白等。蛋蛋白白质质前前体体高高尔尔基基体体水水解解同同种种有有活活性性的的多多肽肽，如神经肽等。如神经肽等。含含有有不不同同信信号号序序列列的的蛋蛋白白质质前前体体高高尔尔基基体体加加工工成不同的产物。成不同的产物。同同一一种种蛋蛋白白质质前前体体不不同同细细胞胞、以以不不同同的的方方式式加加

14、工工不同的多肽。不同的多肽。第28页/共68页296.3 溶酶体(lysosome)动物细胞内的一种细胞器。动物细胞内的一种细胞器。植物细胞中？植物细胞中？小球状小球状,外面由一层单位膜包被外面由一层单位膜包被是是一一种种异异质质性性(heterogenous)(heterogenous)的的细细胞胞器器,呈呈小小球球状状。大大小小变变化化很很大大，直直径径一一般般0.250.250.8m0.8m，最最大大的的可可超超过过1m,1m,最最小小的的直直径径只只有有25-50nm25-50nm溶溶酶酶体体含含有有5050多多种种水水解解酶酶类类,在在细细胞胞内内起起消消化和保护作用化和保护作用当当

15、细细胞胞被被损损伤伤时时,溶溶酶酶体体可可释释放放出出水水解解酶酶类类,使细胞自溶使细胞自溶溶酶体的发现溶酶体的发现第29页/共68页30电电子子显显微微镜镜下下的的溶溶酶酶体体第30页/共68页31溶酶体膜稳定性溶酶体膜稳定性溶酶体的膜上嵌有质子泵溶酶体的膜上嵌有质子泵溶酶体的膜上具有多种载体蛋白用溶酶体的膜上具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运于水解产物向外转运溶酶体的膜蛋白高度糖基化溶酶体的膜蛋白高度糖基化溶酶体的膜含有能促进膜稳定性的溶酶体的膜含有能促进膜稳定性的胆固醇胆固醇第31页/共68页32溶酶体的酶类溶酶体的酶类 种类种类:A typical lysosome contains

16、 approximately 50 different hydrolytic enzymes The enzymes of a lysosome all have their optimal activity at an acid pH and thus are acid hydrolases（酸性水解酶）,which is approximately 4.6 少量的溶酶体酶泄漏到细胞质基质中并不会引起细胞损伤?酸性磷酸酶酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶是溶酶体的标志酶第32页/共68页33溶溶酶酶体体及及其其酶酶类类核酸酶蛋白酶糖苷酶酯酶磷酸酶硫酸酶磷脂酶第33页/共68页34溶酶体的类型溶酶体的

17、类型 初级溶酶体初级溶酶体(primary lysosome)次级溶酶体次级溶酶体(secondary lysosome)自噬性溶酶体自噬性溶酶体(aotolysosome)异噬性溶酶体异噬性溶酶体(heterolysosome)混合性溶酶体混合性溶酶体(ambilysosome)具消化作用具消化作用后溶酶体后溶酶体(post lysosome)第34页/共68页35异异体体吞吞噬噬第35页/共68页36围歼线粒体围歼线粒体ER自噬泡自噬泡第36页/共68页37 溶溶酶酶体体的的功功能能 吞噬作用吞噬作用(Phagocytosis):外来物质、衰老、外来物质、衰老、死亡的细胞死亡的细胞(清理、

18、防御、营养等清理、防御、营养等)自噬作用自噬作用(Autophagy)：细胞内受损、衰老的细胞内受损、衰老的细胞器、不需要的生物大分子（清理）细胞器、不需要的生物大分子（清理）溶酶体病：各种储积症（如台萨氏病、糖原储积症）溶酶体病：各种储积症（如台萨氏病、糖原储积症）自溶作用自溶作用(Autolysis)：细胞的自我毁灭：细胞的自我毁灭溶酶体病：类风湿关节炎溶酶体病：类风湿关节炎 其它的生理功能其它的生理功能 胚胎发育和形态建成胚胎发育和形态建成 受精作用受精作用第37页/共68页38 溶酶体的生物发生溶酶体的生物发生甘露糖-6-磷酸途径（M6P）非甘露糖-6-磷酸途径:第38页/共68页39

19、 溶酶体的生物发生溶酶体的生物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39页/共68页40溶溶酶酶体体酶酶的的加加工工第40页/共68页41溶酶体酶的特征溶酶体酶的特征溶溶酶酶体体的的酶酶上上都都有有一一个个特特殊殊的的标标记记6-6-磷磷酸酸甘甘露露糖糖(mannose 6-phosphate,M6P)(mannose 6-phosphate,M6P)。高高尔尔基基体体外外侧

20、侧网网络络通通过过对对M6PM6P的的识识别别将将溶溶酶酶体体的的酶分选出来。酶分选出来。这这一一标标记记是是溶溶酶酶体体在在粗粗面面内内质质网网合合成成后后通通过过糖糖基基化和磷酸化添加上去的。化和磷酸化添加上去的。第41页/共68页42过氧化物酶体(peroxisom)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异质性细胞器。过氧化物酶体第42页/共68页43鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（P）和其它细胞器如线粒体（M）等（Albert et al.，1989）第43页/共68页44 过氧化物酶体的功能 动物细胞中：参与脂肪酸的氧化 解毒作用：植物细胞中：

21、参与光呼吸作用。在萌发的种子中，参与葡萄糖异生作用。第44页/共68页6.5 细胞内蛋白质的分选细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装与细胞结构的组装蛋白质的定向运输、分选第45页/共68页Protein Sorting and Export from the Golgi Apparatus 分选的概念分选的概念 广义广义 狭义狭义:内膜系统中的蛋白质分选作用内膜系统中的蛋白质分选作用 高尔基体外侧网络的分选作用高尔基体外侧网络的分选作用分分选选作作用用主主要要是是由由信信号号序序列列和和受受体体之之间间的相互作用决定的的相互作用决定的第46页/共68页47 信号肽与信号肽与蛋白质运输蛋白质运输第

22、47页/共68页早期早期信号假说信号假说(signal(signal hypothesis)hypothesis)19751975年，年，BlobelBlobel等正式提出了信号假说等正式提出了信号假说第48页/共68页目前普遍承认目前普遍承认:指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成,需要需要其它因子的协助其它因子的协助:信号识别颗粒（信号识别颗粒（signal recognition particlesignal recognition particle，SRPSRP）信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白,docking,docking

23、proteinprotein，DPDP）等）等 过程过程:信号肽信号肽信号识别颗粒信号识别颗粒信号识别颗粒的信号识别颗粒的受体受体 合成合成第49页/共68页50Signal hypothesis第50页/共68页信信 号号 肽肽 的的 特特性性指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成在蛋白质上的位置在蛋白质上的位置:N-N-端突出的一段肽端突出的一段肽序列特征序列特征 16-2616-26个个（15-3515-35个个）氨氨基基酸酸残残基基，其其中中含含有有4-124-12个个疏疏水残基水残基第51页/共68页信号肽的一级序列.信号肽一级序列由疏水核心（h）、C端（c

24、）和N端（n）三个区域构成。以血清白蛋白和HIV-1型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，显示出两者的n区长度明显不同.第52页/共68页53多个起始与终止跨膜信多个起始与终止跨膜信号号第53页/共68页合成后蛋白的去向合成后蛋白的去向:若若信号肽序列信号肽序列被信号肽酶切除被信号肽酶切除 完全进入腔完全进入腔 (共转移共转移)若有若有停止转移信号停止转移信号，能与内质网膜有极强的亲，能与内质网膜有极强的亲合力合力:膜蛋白膜蛋白共转移共转移:肽链在粗面内质网膜上边合成边转移到内质网腔中肽链在粗面内质网膜上边合成边转移到内质网腔中后转移后转移:蛋白质在细胞质基质中合成以后在某种信号指导下再蛋白质在

25、细胞质基质中合成以后在某种信号指导下再转移到线粒体、叶绿体、过氧化氢体等细胞器中的转移方式转移到线粒体、叶绿体、过氧化氢体等细胞器中的转移方式.这类信号序列称这类信号序列称导肽导肽.需要需要ATPATP使多肽去折叠；需要一些蛋白质（如热休克蛋白使多肽去折叠；需要一些蛋白质（如热休克蛋白Hsp70Hsp70）帮助其正确地折叠成有功能的蛋白）帮助其正确地折叠成有功能的蛋白.第54页/共68页与生俱来的三种信号序列与生俱来的三种信号序列 寿命信号寿命信号 加工信号加工信号 定位信号定位信号 核定位信号核定位信号 （NLSNLS）导肽导肽 信号肽信号肽信号序列的种类信号序列的种类第55页/共68页细胞

26、细胞内蛋内蛋白质白质的分的分选途选途径径第56页/共68页57Protein Sorting第57页/共68页 蛋蛋白白质质分分选选定定位位的的四四种种机机制制 细胞质基质中蛋白质的转运细胞质基质中蛋白质的转运门控运输门控运输（gated transport）通通过过核核孔孔的的运运输输（Transport through nuclear pore）跨膜运输跨膜运输（Across membrane transport）膜泡运输膜泡运输（Vesicle translocation）第58页/共68页 膜泡运输膜泡运输 (Vesicle(Vesicle translocationtransloca

27、tion）膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白本身的修饰、加工和组装，还涉及到多种不同膜泡定向运输及其复杂的调控过程。第59页/共68页三种不同类型的包被小三种不同类型的包被小泡泡1.1.网格蛋白有被小泡网格蛋白有被小泡2.2.COPIICOPII有被小泡有被小泡3.3.COPICOPI有被小泡有被小泡第60页/共68页1.网格蛋白有被小泡负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。在受体介导的细胞内吞途径中，也负责将物质从质膜细胞质胞内体溶酶体 高尔基体TGN是网格蛋白 有被小泡形成的发源地第61页/共68页在 高 尔 基 体T

28、GN区 网 格蛋 白 有 被 小泡 的 形 成 示意图第62页/共68页2.COPII有 被 小泡负责从内质网高尔基体的物质运输；COPII包被由5种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的；COPII有被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。第63页/共68页3.COPI有被小泡 COPI包被含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于ARF；负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网。细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；通过识别驻留蛋白C-端的回收信号的特异性受体，以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白;

29、驻留蛋白C-端的回收信号:KDEL(Lys-asp-glu-leu).COPI-包被小泡在非选择性的批量运输（bulk flow）中行使功能。COPI-包被小泡除行使GolgiER逆行转运外，可能也行使顺行转运从ERGolgi。第64页/共68页65第65页/共68页膜泡运输是特异性过程，涉及多种膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、去组装的复杂调蛋白识别、组装、去组装的复杂调控控 膜泡融合是特异性的膜泡融合是特异性的选择性融合选择性融合 选择性融合基础在于供体膜蛋白与受体膜蛋选择性融合基础在于供体膜蛋白与受体膜蛋白的白的特异性相互作用特异性相互作用第66页/共68页 细胞结构体系的组装细胞结构体系的组装装配的方式?装配和去装配的生物学意义?第67页/共68页68感谢您的观看！第68页/共68页