东北师范大学细胞生物学课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,东北师范大学细胞生物学课件,1、,溶酶体的形态与结构,1955,年,de Duve,与,Novikoff,首次发现。,结构：单层膜围绕、含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。,主要功能:是进行细胞内消化。,标志酶：酸性磷酸酶，最适。,特征：具有异质性，形态大小及内含的水解酶种类。,初级溶酶体,（primary lysosome）,次级溶酶体,（secondary lysosome）,溶酶体,后溶酶体（残体）,（,residual body）,根据完成生理功能的不同阶段可分为,1,）初级溶酶体,直径约,m,，,膜厚，内含物均一，无明显颗粒，是高尔基体分泌形成的。,含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有酶活性。其水解酶包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酯酶、磷脂酶类，已知,60,余种，这些酶均属于酸性水解酶。,溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同，主要区别是：,膜上有质子泵，将,H,+,泵入溶酶体，使其,pH,值降低，,膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解，,具有多种载体蛋白用于将水解的产物向外转运。,溶酶体酶多数为可溶性酶,溶酶体膜整合蛋白，能抗御酸变性作用,溶酶体的酶具有同源序列,溶酶体酶共同标志：,甘露糖-6-磷酸（M6P）,催化相关反应溶酶体酶与非溶酶体酶的蛋白质一级结构相似,2,）次级溶酶体,是正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，,1）异噬溶酶体（,phagolysosome,），消化的物质来自外源,2）自噬溶酶体（,autophagolysosome,） ，消化的物质来自细胞本身的各种组分。,消化后的小分子物质通过膜上载体蛋白运送到基质，供细胞利用。未被消化的物质残存在溶酶体中形成残余体。,3）残体,又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣，残体可通过类似胞吐作用将内容物排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如肝细胞中的脂褐质。,脂褐质：结构致密，不能被彻底水解，又不能排出细胞，结果在细胞内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老。,脂褐质色素出现在皮肤上，医学上称“脂褐质色素”，俗称老年斑。,出现在脑细胞上，便会引起智力和记忆力的减退；如老年性痴呆（AD）就是由-淀粉样蛋白沉积引起的，因此-AP可做为AD的鉴定指标。,一个37岁的成人早衰症患者,脂褐质形成：,主要是机体中不饱和脂肪酸被氧化后产生的氧化脂质与蛋白质结合，变成黑褐色的脂褐质，积聚于细胞内，形成斑点。脂褐质不仅存在于皮肤表面，也积存于心、肝、脑等组织的细胞里，大量积聚会严重影响机体的代谢功能。,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,（1）清除暂时不需要的酶或某些代谢产物。,（2）清除衰老的细胞器和生物大分子,（3）清除发育和成体中凋亡的细胞，主要由溶酶体和蛋白媒体共同承担，是细胞的“清道夫”。,（4）清除衰老的细胞：巨噬细胞完成。,异常：溶酶体酶缺失或溶酶体酶代谢环节异常，影响代谢，导致,储积症。,2） 防御作用：,是某些细胞特有的功能，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降解。,如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解。,单核细胞 巨噬细胞 杀死细菌,异常：病原体进入吞噬泡或胞饮泡，抑制了吞噬泡的酸化从而抑制了溶酶体酶的活性，导致病原体未被杀死并在巨噬细胞的吞噬泡中繁殖，如麻疯杆菌，利什曼原虫。,3） 其它重要的生理功能,（1） 细胞内消化为细胞提供营养：,血液中的大分子物质通过内吞作用进入细胞，如内吞血清脂蛋白获得胆固醇，,单细胞真核生物，如黏菌，变形虫，吞噬细菌和微生物而生存。,饥饿状态下分解生物内生物大分子保证机体所需能量。,如将蛋白质分解成为二肽或游离的氨基酸，,将碳水化合物分解为寡糖类或单糖，,使核酸分解为核苷和磷酸，,使中性脂肪或磷脂分解成为游离脂肪酸、甘油或甘油磷酸二酯等。,最终均成为可溶性、可弥散的分子，并透过溶酶体膜，在胞质基质内继续代谢被再利用。,（2）参与分泌过程的调节：,如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素,（3） 细胞凋亡：,个体发生过程中往往涉及组织或器官的改造或重建，如昆虫和蛙类的变态发育等等。这一过程是在基因控制下实现的，称为程序性细胞死亡，注定要消除的细胞以出芽的形式形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬并消化。,（4）,形成精子的顶体：,顶体相当于特化的溶酶体，可溶穿卵子的皮层，使精子进入卵子。,动物细胞溶酶体系统示意图,3. 溶酶体的发生,多途径，不同种类细胞或同一种类细胞都可采取不同的方式。,M6P特异标志是目前研究高尔基体分选最为清除的一条途径。,酸性水解酶类,N-连接糖基化,寡糖链结合于酸性水解酶的天冬酰胺残基,N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶,N-乙酰葡糖胺磷酸糖苷酶,甘露糖磷酸化,M6P,M6P受体识别M6P,分选浓缩,初级溶酶体,出芽,溶酶体的发生,酸性磷酸酶,高尔基体转运,细胞膜,初级溶酶体,酸性磷酸酶的转运,4. 溶酶体与疾病,1,）矽肺,二氧化硅尘粒（矽尘） 肺泡 巨噬细胞吞噬 吞噬小体与溶酶体融合 次级溶酶体 溶酶体崩解 矽尘释出 又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。,受损或已破坏的巨噬细胞释放,“,致纤维化因子,”,，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。,2,）肺结核,菌体成分抵抗胞内的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。,3）麻风病,麻风分枝杆菌是一种典型胞内菌，病人渗出物标本涂片中可见大量麻风分枝杆菌存在于细胞内。这种细胞的胞浆呈泡沫状，称麻风细胞。可在巨噬细胞中逃离吞噬体，自身抗体和受损组织释放的抗原结合，形成免疫复合物。沉淀在皮肤或粘膜下，形成红斑和结节，称为麻风结节(leproma)，是麻风的典型 病灶。面部结节融合可呈狮面状。,4）各类贮积症,贮积症（storage disease）：是由于遗传缺陷引起的，由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积，进而影响细胞功能，常见的贮积症主要有以下几类。,台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：又叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累，影响细胞功能，造成精神痴呆，26岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。,台萨氏综合症神经元细胞溶酶体,II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。,脑苷脂沉积病,是巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏- 葡萄糖苷酶造成的。大量的葡萄糖脑苷脂沉积在溶酶体内, 患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中枢神经系统发生退行性变化，常在1 岁内死亡。,细胞内含物病（inclusion-cell disease，I-cell disease）：N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起的，导致溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，酶被运出细胞。这类病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，导致底物在溶酶体中大量贮积，形成所谓的“包涵体（inclusion）”。另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径。,4）类风湿性关节炎,溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎 。,4. 溶酶体与过氧化物酶体,过氧化物酶体（peroxisome）又称微体（microbody），由单层膜围绕而成。,由J. Rhodin（1954）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。,异质性的细胞器，在不同生物及不同发育阶段有所不同。,直径约,m，通常为,m，,呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，,标志酶：氧化酶和过氧化氢酶，已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urate oxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心。,人肝细胞过氧化物酶体,烟草叶肉细胞的过氧化物酶体,1） 过氧化物酶体与溶酶体的区别,特征,溶酶体,过氧化物酶体,形态大小,多呈球形,直径0.20.5 m,无酶晶体,球形, 直径多在0.150.25 m,内常有酶晶体,酶种类,酸性水解酶,氧化酶、过氧化氢酶类,pH,约为5,约为7,是否需氧,不需要,需要,功能,细胞内消化,多种功能,发生,在rER中合成经Golgi出芽形成,酶在细胞基质中合成，经分裂装配形成,标志酶,酸性水解酶,过氧化氢酶,2）过氧化物酶体的功能,动物体内：,1）参与脂肪酸的氧化,2）解毒作用：酒精氧化成乙醛,植物体内,：,1）,乙醛酸循环体,使脂肪转变为糖。脂肪酸氧化后产生的乙酰辅酶A,与乙醛酸结合形成苹果酸，苹果酸离开过氧化物酶体合成糖。,2）光合作用的副产物的氧化。乙醇酸氧化成乙醛酸和过氧化氢。,3）过氧化物酶体的发生,组成过氧化物酶体的氧化酶,：,由核基因编码，在细胞质基质中合成。,蛋白分选信号,PTS,(,peroxisomal,targeting signal,）,PTS1,在蛋白质的,C,端,:ser-,lys-leu-,COOH,;,PTS2,在蛋白质的,N,端,:,Arg/lys-leu/Ile-5X-His/Gln-leu,过氧化物酶体中膜脂：,在内质网中合成，以磷脂转换蛋白途径，运至 过氧化物酶体膜。,过氧化物酶体以生长分裂的形式增殖,过氧化物酶体发生示意图,内质网途径,基质途径,过氧化物酶体与疾病,Zellweger,综合征也叫脑肝肾综合征，患者细胞的过氧化物酶体中，酶蛋白输入有关的蛋白质变异，过氧化物酶体是,“,空的,”,。脑、肝、肾异常，出生,3-6,个月内后死亡。,第三节 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输,蛋白的分选,（protein sorting）：除线粒体、叶绿体内自身合成的蛋白质外，机体绝大多数蛋白质在细胞质基质中开始合成。随后，或在,细胞质基质中,，或转运到,粗面型内质网继续合成。,然后，,通过不同的途径,，转运到细胞的特定部位。,问题的提出：,1、为什么有的核糖体游离在细胞质基质中合成蛋白质，而有的与内质网结合形成粗面型内质网？,2、是什么指令蛋白质合成的部位，并指导蛋白质最终命运？,一、信号假说与蛋白质的分选信号,信号假说,1972,年,，,等在研究骨髓瘤细胞中的发现瘤细胞中提取的,IgG,分子,N,端比分泌到细胞外,IgG,分子,N,端多。,1975,年，,和,提出了信号假说。,1999,年，,获得了诺贝尔医学和生理学奖。,现已确定：,蛋白质,N,端,的信号序列，控制蛋白质在细胞内的转移与定位，是蛋白质在粗面型内质网上合成的决定因素。,一、信号假说与蛋白质分选,1975年Blobel和Sabatini等提出信号假说（Signal hypothesis）,分泌性蛋白N-端序列作为,信号肽,，指导分泌性蛋白到内质网上合成，然后在信号肽引导下蛋白质边合成，边通过,易位子蛋白复合体,进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。,Blobel获1999年诺贝尔医学和生理学奖,核糖体是合成蛋白质的细胞器,主要成分蛋白质和RNA,功 能：按照mRNA 的指令合成多肽链,mRNA,核糖体,A部位：氨基酸部位或受位，接受氨酰基tRNA,P部位：肽基部位或放位，肽基tRNA移交肽链后，tRNA,被释放的部位,T因子：肽基转移酶催化P位上的氨酰基结合到A位的氨酰tRNA上,G,因子：GTP酶，催化tRNA从A位P位,核糖体是蛋白质合成的场所,5,tRNA循环,3,mRNA,附着的多聚核糖体，主要合成分泌性Protein,游离的多聚核糖体，主要合成结构性Protein,RER,mRNA,指导分泌性蛋白在粗面内质网合成的决定因素：,1.蛋白质N端的信号肽（,signal sequence or targeting sequence,）,2.信号识别颗粒（Signal recognition particle, SRP）,3.内质网膜上的信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白，docking protein,DP）。,信号肽信号识别颗粒颗粒受体,信号肽,：存在于蛋白质N端，通常16-26个氨基酸残基，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端,SRP,：是一种核糖核蛋白复合体：6种蛋白质和一个300个核苷酸组成的7SRNA结合组成。SRP即能与新生肽信号序列和核糖体结合，又能与内质网SRP受体结合。,SRP受体,:,位于内质网膜上，特异地与SRP结合。,分泌性蛋白的合成与跨内质网膜的共翻译转运图解,分泌性蛋白在内质网合成的共翻译过程：,1.游离核糖体上信号肽合成，约80个aa时，信号肽延伸出核糖体；,2.胞质中SRP识别信号肽，形成SRP-核糖体复合体，从而使多肽链合成暂停，防止新生肽N端损伤和成熟前折叠。 与粗面内质网膜SRP受体结合，形成SRP-SRP受体-核糖体复合体；,4. 核糖体/新生肽与内质网膜上易位子结合，SRP脱离信号序列和核糖体，返回细胞基质并参加再循环。,5.信号肽与易位子结合并使孔道打开，信号肽穿入内质网膜并引导肽链以袢环形式进入内质网腔，同时，ER膜上的信号肽酶切除信号肽并使之降解。,6.核糖体上的多肽链合成继续进行，直至蛋白质合成终止，蛋白质进入内质网管腔。,7.附着核糖体脱离内质网膜，大小亚基分开，回到胞质基质中。,8. 内质网膜上的易位子关闭。,开始转移序列与,停止转移序列,：,开始转移序列,（,start transfer sequence,） ：,肽链上的一段序列，与内质网膜的亲合力,较低,，肽链,能,进入内质网腔,。,引导肽链进入内质网腔的一段,信号肽序列,。,停止转移序列,（,stop transfer sequence,）：,肽链上的一段序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。,意义：含信号肽，而无停止转移序列，多肽进入,内质网腔,。,含信号肽，中部有停止转移序列，形成,跨膜蛋白,。,含多个引导肽序列和多个停止转移序列，形成,多次跨膜蛋白。,跨膜蛋白合成,附着核糖体：主要合成,分泌性蛋白质,游离核糖体：主要合成,结构性蛋白质,功能状态都为多聚核糖体，非功能状态为大、小亚基分开,核糖体的存在形式,二、蛋白质分选的基本途径与类型,蛋白的分选,（protein sorting）：,除线粒体、叶绿体内自身合成的蛋白质外，绝大多在细胞质基质中开始合成。随后，或在,细胞质基质中,，或转运到,粗面型内质网继续合成,。然后，,通过不同的途径,，转运到细胞的特定部位。,问题的提出：,1、为什么有的核糖体游离在细胞质基质中合成蛋白质，而有的与内质网结合形成粗面型内质网？,2、是什么指令蛋白质合成的部位，并指导蛋白质最终命运？,基质中核糖体,半合成粗面内质网高尔基体溶酶体或膜或胞外,全合成转运至细胞器,蛋白质两条分选途径,：,溶酶体,分泌泡,细胞质膜,线粒体,叶绿体,过氧化物酶体,细胞核,基质特定部位，可溶性驻留蛋白和支架蛋白,高尔基体,内质网,2. 翻译后转运途径,胞外,1. 共翻译转运途径,共转移与后转移,共转移,（,co-translation,）：,肽链边合成边向内质网腔转移的方式。,后转移,（,post translation,）：,蛋白质在细胞基质中合成，然后再转移到特定位置。,如：叶绿体、线粒体、过氧化物酶体中的蛋白。,二、蛋白质分选、运输的途径,从蛋白质分选的转运方式分类：,1.,跨膜运输,：,蛋白质 线粒体、 叶绿体、过氧化 物酶体,高尔基体 分泌泡,2. 膜泡运输,内质网 高尔基体,高尔基体内各区间之间的膜泡运输,内质网逃逸蛋白的回收,高尔基体 溶酶体,高尔基体 胞内体,高尔基体 液泡,二、蛋白质分选、运输的途径,3. 选择性的门控运输：,在细胞基质中合成的蛋白质通过核孔复合体， 选择性的完成核输入或核中的蛋白输出。,核孔复合体,细胞核,细胞质基质,4. 细胞质基质中的定位运输:与细胞骨架有关。,功能,信号序列,输入细胞核,-,Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-,输出细胞核,-,Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-,输入线粒体,+,H,3,N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg,-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala,-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-,输入质体,+,H,3,N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-,Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu- Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile,-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu- Gln-Gly-,输入过氧化物酶体,-Ser-Lys-Leu-COO,-,输入内质网,+,H,3,N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Va,l-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-,Leu-Thr-Lys-Cys- Glu-Val-Phe-Gln-,返回内质网,-Lys-Asp-Glu-Leu-COO,-,（,KDEL,）,由质膜到内体,Tyr-X-X-,一些典型的分选信号,