细胞质基质与内膜系统课件

,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,*,*,翟中和 王喜忠 丁明孝 主编,细胞生物学（第,4,版）,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,*,*,翟中和 王喜忠 丁明孝 主编,细胞生物学（第,4,版）,Copyright ,高等教育出版社,2011,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,*,*,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,功能,在结构、功能乃至发生上是彼此相关的由单层膜包绕形成的动态细胞器，包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等 。,细胞质基质与内膜系统,细胞质基质,内膜系统,基本概念,过氧化物酶体,高尔基体,在真核细胞中除去由生物膜形成的细胞器外的剩余空间,糙面内质网：蛋白质合成，糖基化，二硫键形成与重排，折叠,与组装修饰，应激反应,光面内质网：膜脂合成，解毒作用，类固醇合成，钙离子储存,形态结构 极性,:,体现在形态、膜囊内的化学组成及功能不一样,动物细胞中：解毒；参与脂肪酸,氧化,植物细胞中,:,光呼吸作用,功能,又称微体；异质性细胞器,常含氧化酶和过氧化氢酶,蛋白由细胞核基因编码，两种发生途径,溶酶体,溶酶体酶的合成（信号肽）,溶酶体酶的加工（信号斑）：形成,M6P,溶酶体酶的分选：依赖或不依赖于,M6P,细胞分泌活动；蛋白质糖基化及其修饰,蛋白质水解和其他加工过程,细胞内消化作用以及预防等,异质性：初级、次级溶酶体和残质体,标志酶：酸性水解酶；最适,pH,为,5.0,左右,富含质子泵、载体蛋白和高度糖基化,含义,功能,与细胞中间代谢相关；与细胞质骨架相关,与蛋白质合成、修饰、折叠和选择性降解等相关,其他由膜所包被的细胞器,内质网,功能,特征,发生,相关疾病,特征,发生,真核细胞内区室化,细 胞 组 分,数 目,体 积 比,细胞质基质,细胞核,内质网,高尔基体,溶酶体,胞内体,过氧化物酶体,线粒体,1,1,1,1,300,200,400,1700,54,6,12,3,1,1,1,22,肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比,（引自,Albert.1998,）,第一节 细胞质基质及其功能,1,、经典细胞学,:,电镜下，在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为,细胞质基质,.,2,、生物化学,:,用差速离心的方法分级离心细胞匀浆物中的各种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的部分称为,胞质溶胶,.,3,、,学术争议,:,有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴，是细胞器，也有人认为细胞骨架是细胞质基质的主要结构体系，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，其解聚的亚单位仍保持在液相中,.,一、细胞质基质的含义,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,主要特点：细胞质基质是一个高度有序的体系；通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系,主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。,大分子类：蛋白质、脂蛋白、,RNA,、多糖等。,细胞质基质是细胞真正的内环境，其组成成分复杂。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，依分子大小大致划分为下列几种。,小分子和各种离子：如水,K+,、,Cl-,、,Na+,、,Mg+,、,Ca+,等。,中分子类：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸类等。,故认为它呈复杂的胶体性质，可随环境条件的改变由溶胶变为凝胶状态或者相反，这成为某些细胞运动方式的动力。,大分子拥挤,(Macromolecular crowding),The crowded state of the cytoplasm in (a) eukaryotic and (b),E. coli,cells,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,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,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-and proteasome-mediated pathway,）,2004,年诺贝尔化学奖,发现泛素调节的蛋白质降解,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,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,分子伴侣（,molecular chaperone,）：,存在于细胞质基质或细胞器中，可以识别,正在合成或部分折叠的多肽，并与之某些部位结合，协助其转运、正确折叠或,装配的一类蛋白质，但其本身不参与终产物的形成。,热休克蛋白,(heat shock protein,，,Hsp,),DNA,序列分析表明热休克蛋白有,3,个主要家族即,25kD,，,70kD,和,90kD,的蛋白，每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白。有的基因在正常条件下表达，而有些则在温度增高或其它异常情况下大量表达，以保护细胞，减少异常环境的损伤。已有证据表明在正常的细胞中，,90kD,和,70kD,，特别是,70kD,的热休克蛋白,选择性的与畸形的蛋白质及其形成的聚合物结合，利用水解,ATP,释放的能量使聚集的蛋白质溶解并进一步折叠成具有正确构象的蛋白质,。,第二节 细胞内膜系统及其功能,真核细胞膜结合区室的主要功能,细胞器,(,区室,),主要功能,胞质溶胶,代谢的主要场所；蛋白质合成部位,细胞核,基因组存在场所，,DNA,和,RNA,的合成地,内质网,大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散地,高尔基体,蛋白质和脂的修饰、分选和包装,溶酶体,细胞内的降解作用,胞内体,内吞物质的分选,线粒体,通过氧化磷酸化合成,ATP,叶绿体,进行光合作用,过氧化物酶体,毒性分子的氧化,内膜系统可能的进化过程,内膜系统,内质网,(,endoplasmic reticulum,),高尔基复合体,(,Golgi complex,),溶酶体,(,lysosomes,),intracellular compartments:,endosomes,Nuclear-ER,Golgi,ER,lysosome,细胞内的房室化,The Endomembrane System is Complex,21,细胞的,内膜系统（,endomembrane system,）,是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构，,主要包括：内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等 。,内膜系统使真核细胞内区域化（,compartmentalization,）,意义：,内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特,点之一，其意义在于：大大增加了细胞内膜的表面积；为多种,酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点；酶系统的隔离与,连接；蛋白质、糖、脂肪的合成、加工和包装；运输分泌物；,扩散屏障及膜电位建立；离子梯度的维持等。,质膜,内膜,生物膜,原核细胞,质膜构成的单一区室,真核细胞,内膜,各种细胞器,内膜系统出现的意义：,各自独立，各司其职,相互依存，协调同一,大大提高了细胞代谢反应的效率,1945年，,K.R.Poter;,电子显微镜; 小鼠成纤维细胞,24,一、内质网,ER (endoplasmic reticulum),（一）内质网的形态结构,（二）内质网的化学组成,（三） 内质网的类型,（四）内质网的主要功能,（五）内质网应激及其信号调控,（六）内质网的病理性变化,内质网,ER (endoplasmic reticulum),核膜外层,（一）内质网的形态结构,内质网,ER,是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管，小泡，扁囊状结构，相互连接形成一个连续的网状膜系统。,小管,小泡,扁囊状,细胞膜,核膜,内质网,细胞膜,内质网的内腔相互连通。,26,（二）内质网的化学组成,1.,脂类（,30,40, ）,以磷脂中的,磷脂酰胆碱,为主，,比细胞膜丰富,鞘磷脂少,2.,蛋白质（,60,70,）,30,多种不同的酶或者酶系,标志酶：葡萄糖,6,磷酸酶,（三）内质网的类型,(,Types of ER,),核糖体,粗面内质网,滑面内质网,There are two basic kinds of ER :,Rough/granular endoplasmic reticulum,(RER，,粗面/颗粒内质网) -,has ribosomes attached.,Smooth/agranular endoplasmic reticulum,(SER，,滑/光面/ 无颗粒内质网) -,no ribosomes.,28,粗面内质网,(RER),滑面内质网,(SER),rough endoplasmic reticulum (RER),rER:,膜表面附着核糖体，膜上有,核糖体连接蛋白,；,形态多为板层状排列的扁囊；网腔内含低电子或中等电子密度的物质；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。(,Russells body),The smooth ER(SER),sER:,膜表面无核糖体附着；形态多为分枝小管或小泡；多分布在一些特化的细胞中。,31,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,另外还有两个概念,:,微粒体和肌质网,可将它们看成是特殊类型的内质网。,微粒体,(microsome),在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内膜系统（主要是内质网和高尔基体）自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。多数情况下，由破碎的内质网自我融合形成的微粒体，包含内质网膜和核糖体两种基本成分，这些小囊泡的直径大约,100nm,左右，是异质性的集合体。在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。,特殊类型的内质网,p117,肌质网,(sarcoplasmic reticulum),心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。肌质网膜上的,Ca2+-ATP,酶将细胞基质中的,Ca2+,泵入肌质网中储存起来，使肌质网,Ca2+,的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激后，,Ca2+,释放出来，参与肌肉收缩的调节。,p122,（四）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,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,酰基转移酶,磷脂酸,rER,胞质侧,磷酸酶,二酰基甘油,(DG),胆碱磷酸转移酶,卵磷脂,rER,腔面,先由,酰基转移酶,将胞质中的脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷脂酸,(,留在脂双层中,),。在,磷酸酶,作用下，由磷脂酸和磷酸甘油组成,DG,;,最后,再在,胆碱磷酸转移酶,催化下由,DG,和,CDP,-,胆碱合成卵磷脂。翻转酶,(,flipase)。,37,磷脂转位蛋白或称转位酶（,flippase,）,膜脂的不对称性？,P119,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,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,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,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,糙面内质网中蛋白质,N,-,连接糖基化过程,p121,内质网腔二硫键形成,附着在内质网膜腔面上的,蛋白二硫键异构酶（,PDI,）,可以切断错误的二硫键，形成自由能最低的蛋白质构象，从而帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并产生正确折叠的构象。,4.,新生多肽的折叠与组装,4.,新生多肽的折叠与组装,蛋白二硫键异构酶（,PDI),和结合蛋白（,Bip,，,HSP70,）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,内质网中的一种,结合免疫球蛋白蛋白（,Bip,）,是属于,HSP70,家族的分子伴侣，在内质网中有,2,个作用：一是,Bip,同进入内质网的未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合，或者识别错误折叠的蛋白质或未装配好的蛋白质亚单位，并促进它们重新折叠与装配；二是防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂,.,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,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。不能正确折叠的畸形肽链或未组装成寡聚体的蛋白质亚基，不论在内质网膜上还是在内质网腔中，一般都不能进入高尔基体，并通过,Sec61p,复合体从内质网腔转至细胞质基质，进而通过,泛素依赖性降解途径,被蛋白酶体所降解。,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 & Cellular Proteomics May 2007 vol. 6 no. 5 798-811,5.,内质网的其他功能,肝细胞的解毒作用,肝细胞中含有丰富的光面内质网，它是合成外输性脂蛋白颗粒的基地。这些光面内质网含有一些酶（如混合功能氧化酶,细胞色素,P-450,），介导氧化、还原和水解反应，使有毒物质由脂溶性转变成水溶性而被排出体外，此过程称为肝细胞的解毒作用。,5.,内质网的其他功能,肌质网储存和释放,Ca,2+,心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,其功能是参与肌肉收缩活动。肌质网膜上的,Ca2+-ATP,酶将细胞基质中的,Ca2+,泵入肌质网中储存起来，使肌质网,Ca2+,的浓度比胞质溶胶高出几千倍。受到神经冲动刺激后，,Ca2+,释放出来，参与肌肉收缩的调节。,5.,内质网的其他功能,内质网上糖原的合成与分解,sER,中,的葡萄糖,-6-,磷酸酶将葡萄糖,-6-,磷酸水解生成葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液，供细胞之用,固醇类激素的合成,(,五）内质网应激及其信号调控,内质网应激（,ERS),反应,，,是一个存活程序和凋亡程序同时被激活的过程：,细胞可以整合应激反应，调动应激反应蛋白以减轻应激因素对细胞的损伤，调整细胞稳态；同时细胞也可以启动细胞凋亡来处理不能修复的损伤细胞，因此，,ERS,机制事关细胞生死抉择。,(,五）内质网应激及其信号调控,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。,（,1,）,UPR,（未折叠蛋白质应答反应）：错误折叠或未折叠蛋白过多积累引起；,（,2,）固醇调节级联反应：胆固醇损耗所致，,SREBP,（固醇调控元件结合蛋白）介导；,（,3,）,EOR,（内质网超负荷应答反应）：正确折叠蛋白和膜蛋白异常堆积引起,；,1.,未折叠蛋白质应答反应,在,UPR,信号转导途径中起感受器作用的,3,种跨,ER,膜蛋白：,IRE1,（需要肌醇酶,1,）、,PERK,（,PKR,样内质网激酶；,PKR,即,dsRNA,激活的蛋白激酶）和,ATF6,（激活性转录因子）。平时它们与内质网腔中的调控蛋白,Bip/GRP78,（结合免疫球蛋白蛋白,/,葡萄糖调节蛋白,78,）结合成无活性的复合物，应激时解离并分别引发不同的,3,条平行信号途径。,（,1,）,IRE1,：,ER,腔面结构域（分子伴侣,Bip/GRP78,结合位点）；胞质面结构域（双功能：蛋白激酶,/,核酸内切酶自我交叉磷酸化和,mRNA,的剪接）,（,2,）,PERK,：,ER,腔面结构域（分子伴侣,Bip/GRP78,结合位点）；胞质面结构域（蛋白激酶自我交叉磷酸化和,eIF2,的磷酸化）,（,3,）,ATF6,：跨,ER,膜,ATF6,转位至高尔基体被,S1P,和,S2P,蛋白酶裂解而激活,ATF6,进入细胞核 促进含内质网应激反应元件（,ERSE,）的转录因子（如,XBP-1,）及未折叠蛋白质应答反应元件（,UPRE,）的,UPR,靶分子（,Bip/GRP78,）等基因转录。,2.,固醇调节级联反应,在高尔基体上，,SREBP,随即在,2,个位点分别被蛋白酶,S1P,和,S2P,切割，从而使,SREBP,转录因子,N,端,bHLH,结构域得以释放；释放后的,bHLH,结构域称作,nSREBP,（核,-SREBP,），并转位到核内，调控具有,SRE,（固醇调控元件）的靶基因的转录。,固醇调节级联反应是指胆固醇缺乏引发的固醇调控元件结合蛋白（,SREBP,）信号通路调节基因转录的反应。,（,1,）当胆固醇水平过高时，跨,ER,膜蛋白,insig-1,（,2,）与,SCAP,上固醇敏感结构域结合，将,SCAP - SREBP,复合物锚定在内质网膜上。,（,2,）在胆固醇水平降低时，,insig-1,（,2,）与,SCAP,解离，容许,SCAP - SREBP,复合物以膜泡转运的形式移动到高尔基体。,尽管,ERS,介导的细胞凋亡信号通路的细节尚不清楚，但已知细胞内,Ca,2+,稳态失衡和,calpain,（需,Ca,2+,蛋白酶）及,caspase-12,的激活是关键的环节。,Calpain,（需,Ca,2+,蛋白酶）：,存在于细胞质中，由大小,2,个亚基组成：大亚基有,4,个结构域，包含活性部位；小亚基有,2,个结构域，包含调节部位；大小亚基均有,Ca,2+,的结合位点。高水平的,Ca,2+,导致,calpain,酶原大小亚基水解而被激活。,Caspase-12,（天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶） ：,唯一存在于内质网膜的胞质侧的,caspase,家族成员。,Calpain,在,T132/A133,和,K158/T1592,个切割位点切割,caspase-12,酶原，将其激活。,ERS,介导的细胞凋亡信号通路：,ERS,凋亡信号内质网膜,IP,3,R,（,IP,3,受体）通道,Ca,2+,释放至细胞质中激活,calpain,切割底物, vinculin,（黏着斑蛋白）,/Bcl-xL/ caspase-12,酶原,细胞凋亡（途径）,3. ERS,反应引发的细胞凋亡,（六）内质网的病理性变化,1.ER,是一个比较敏感的细胞器。,2.,内质网肿胀,：,ER,膨大成空泡状，电子密度底于正常，伴有线粒体肿胀，病理学上称为浊肿,(cloudy swelling)。,缺氧、辐射等。,3.,内质网脱粒,：,药物中毒、病毒感染等。,4.,内质网内包涵体,：,某些疾病中可看到脂类、蛋白质在,ER,腔中积累。如脂肪肝细胞中有大量脂质体存在；肝硬化患者的肝细胞可见到,ER,腔中聚集大量的,1-AT,（,1-,抗胰蛋白酶）。,二、高尔基体,高尔基体（,Golgi body,）,/,高尔基器（,Golgi apparatus,）,/,高尔基复合体（,Golgi complex,）：,一种由相对排列整齐的弓形扁平膜囊体系和大小不一的形态多变的管泡网结构组成的极性细胞器。,高尔基体的主要功能：,对,ER,转运来的脂分子及蛋白质进行加工、修饰、分类、包装以及分选。此外，高尔基体也是细胞内糖类合成的工厂。,高尔基体是高度动态的结构，而且难以分离与纯化，目前积累的资料仍不足以彻底阐明高尔基体的结构与功能。,（一）、高尔基体的极性,高尔基体的形态学极性：,高尔基体是一种有极性的细胞器，这不仅表现在它在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，而且物质从高尔基体的一侧输入，从另一侧输出，因此每层膜囊也各不相同。在很多细胞中，高尔基体靠近细胞核的一侧，扁囊弯曲成凸面（又称形成面或顺面）；面向细胞质膜的一侧常呈凹面（又称成熟面或反面）。,注意：,高尔基体的顺面并非总是在高尔基体的凸面，在细胞发育的某个阶段可能位于高尔基体的凹面。,高尔基体的生化极性,常用,4,种细胞化学（染色）反应来表现高尔基体的生化极性：,（,1,）嗜锇反应顺面；,（,2,）,NADP,酶的细胞化学反应中间几层扁平囊 ；,（,3,）,TPP,酶的细胞化学反应反面的,12,层膜囊 ；,（,4,）,CMP,酶和酸性磷酸酶的细胞化学反应 靠近反面膜囊状和反面管网结构。,高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种可能模型,（,A,）膜泡运输模型 （,B,）膜囊成熟模型,（,1,）膜泡运输模型：,高尔基体的膜囊群主体是相对稳态的结构，膜囊自身的更新和各部膜囊的生化极性（特征性酶和驻留蛋白的变化）是通过不同类型转运膜泡在相邻膜囊间正向（顺面反面）和反向（反面顺面）有序转移实现的。,（,2,）膜囊成熟模型：,高尔基体的膜囊群主体是动态的结构，源自,ER,的泡管结构首先形成高尔基体,CGN,，随后膜囊自身从顺面到反面逐次成熟并迁移，一些不当转移的膜囊特征性酶或驻留蛋白通过反向,COP,转运膜泡再没收回来。,细胞骨架在维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起着重要的作用。,高尔基体与细胞内膜泡运输,膜流,(membrane flow),：,细胞各种膜性结构之间相互联系和转移的现象称膜流。,运输小泡,高尔基体,大囊泡,细胞膜,内质网,61,（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,高尔基体与,细胞的分泌活动,3,H,标记亮氨酸,3分钟,20,分钟,1,20,分钟,高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。,63,1.,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（,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,高尔基体与溶酶体的形成,溶酶体的酶是由,rER,上的核糖体合成,rER,腔内,运输小泡,高尔基体（加工修饰）,溶酶体的酶内含有,甘露糖-6-磷酸,，高尔基复合体反面扁囊膜上有,甘露糖-6-磷酸受体,，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并,“,出芽”离开高尔基复合体形成溶酶体。,溶酶体酶的分选：,M6P,反面膜囊,M6P,受体,。,在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于,M6P,的另一种分选途径。,发生在高尔基体,TGN,区的蛋白质分选途径,高尔基体对蛋白质的修饰加工,参与糖蛋白的合成和修饰,N-,连接寡糖链：,在,rER,腔内合成。,O-,连接寡糖链：,在高尔基体内合成。,糖蛋白,3,H,标记甘露糖,3,H,标记半乳糖；唾液糖,3,H,标记,N-,乙酰葡萄,糖胺,参与蛋白质的改造,无活性前体物(某些肽类激素),加工改造,有活性的物质(激素),高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有严格的顺序性。,67,2.,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,（,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,（,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,P120,表,7-1,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,（,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,）,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,胰岛素分子的加工与成熟,4,高尔基复合体的病理性变化,异常改变,高尔基复合体的增生和肿胀：囊泡扩张可占据细胞质的大部分区域，多见于药物中毒。,高尔基复合体在癌细胞中的改变,高尔基复合体的萎缩和解体：囊泡塌陷、数量减少或降解，见于中毒或肿瘤细胞。,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,溶酶体的发现,1949,年,De Duve,将大鼠肝匀浆分级分离各种细胞器时，发现含有,酸性磷酸酶活性,的颗粒。,1955,年，电镜下观察到这种颗粒表面包围着一层膜，从而确认是一种新细胞器，定名为溶酶体。,溶酶体：,Lysosome,，由单层膜围绕、内含多种,酸性水解酶类,的囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的,消化和保护,作用,。,三、溶酶体,溶酶体（,Lysosome),细胞内,“,垃圾,”,处理厂,小鼠膀胱上皮细胞中的溶酶体,（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,初级溶酶体,(primary lysosome),刚刚从反面高尔基体形成的小囊泡,仅含有水解酶类，但无作用底物，外面只有一层单位膜，,其中的酶处于非活性状态。,次级溶酶体,(secondary lysosome),初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体,，,有,水解酶和相应的底物,，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体。,根据所消化的物质来源不同,分为自噬性溶酶体、异噬性溶酶体。,自噬性溶酶体,：作用底物是,内源性,的,即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。,异噬性溶酶体,：它的作用底物是,外源性,的,即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。,残余体（,residual lysosome,）,未被消化的物质残余在溶酶体中形成残余小体或后溶酶体，以胞吐外排。也可能留在细胞内逐年增多，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质,内体,初级溶酶体,吞噬体,异溶酶体,吞饮体,异溶酶体,自噬体,自溶酶体,分泌颗粒,分泌溶酶体,次 级 溶 酶 体,残余小体,异噬作用,自噬作用,胞外消化,（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,（溶酶体酶的最适,pH,为,5.0,左右）,（水解产物外运）,（防止被降解）,（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,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, 79-87,2.,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,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,协助受精,水解酶,至胞外,精子附着,卵子表面,顶体：特化的溶酶体，精子头部膜下含有水解酶的囊状结构。,顶体膜与精子,质膜融合穿孔,膜融合,消化卵外膜,滤泡细胞,高尔基体与溶酶体的形成,溶酶体的酶是由,rER,上的核糖体合成,rER,腔内,运输小泡,高尔基体（加工修饰）,溶酶体的酶内含有,甘露糖-6-磷酸,，高尔基复合体反面扁囊膜上有,甘露糖-6-磷酸受体,，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并,“,出芽”离开高尔基复合体形成溶酶体。,溶酶体酶的分选：,M6P,反面膜囊,M6P,受体,。,在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于,M6P,的另一种分选途径。,（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,M6P,N-,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,内吞体,rER,顺面管网,反面管网,高尔基复合体,溶酶体水解酶前体,加入磷酸基团,M-6-P,溶酶体酶,前溶酶体,ATP,ADP+Pi,H,+,去除磷酸,成熟溶酶体,p,H=6,溶酶体酶的加工与分选,溶酶体酶从高尔基体,TGN,和细胞表面转运到溶酶体,1.,具有,M6P,标记的溶酶体酶与膜受体结合，在,TGN,出芽，形成网格蛋白,/AP,包被膜泡。,2.,包被复合物解聚，形成脱被转运膜泡。,3.,转运 膜泡与晚期胞内体融合。,4.,磷酸化的酶与,M6P,受体解离，形成溶酶体；,2a,和,4a,表示包被蛋白和,M6P,受体可再循环利用。,5.,某些受体可转运到 细胞表面，磷酸化的溶酶体酶偶尔也会通过组成型分泌途径转运到细胞表面或分泌到细胞外。,68.,分泌的酶通过受体介导的内吞作用被回收。,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,）,（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、类风湿性关节炎等,溶酶体与矽肺,矽肺,silicosis,与溶酶体膜受损有关。,胶原纤维结节,，,肺弹性降低。,矽肺,正常肺,溶酶体与痛风,溶酶体病,粘多糖贮积病,泰,-,萨氏综合征神经元,缺少氨基已糖酯酶,A,，神经节甘脂,GM2,积累,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,（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,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,（二）过氧化物酶体的功能,动物细胞中：,参与脂肪酸的,-,氧化,具有解毒作用，过氧化氢酶利用,H,2,O,2,将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精,1/2,是在微体中氧化为乙醛,植物细胞中：,参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢,在萌发的种子中，进行脂肪酸,-,氧化，产生乙酰辅酶,A,，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体,（二）过氧化物酶体的功能,过氧化物酶体中的两种酶,依赖于黄素（,FAD,）的,氧化酶,，其作用是将底物氧化形成,H,2,O,2,过氧化氢酶,，其含量常占过氧化物酶体蛋白质总量的,40,，它 的作用是将,H,2,O,2,分解，形成水和氧气,（三）过氧化物酶体的发生,膜蛋白和可溶性的基质,蛋白均由细胞核基因编码,，主要在细胞质基质中合成，然后分选转运到过氧化物酶体中,发生途径,一是细胞内已有的成熟过氧化物酶体 经分裂增殖而产生子代细胞器,二是在细胞内重新发生 （,de novo,）,新的过氧化物酶体的产生,过氧化物酶体通过二裂法进行增殖,催化蛋白输入的特异蛋白,特异的胞液蛋白摄取,导致的生长,子代的过氧化物酶体,过氧化物酶体的生物发生与分裂过程的模型, 过氧化物酶体的装配起始于内质网，即由内质网出芽衍生出前体膜泡，然后过氧化物酶 体的膜蛋白掺入，形成过氧化物酶体雏形（,peroxisomal ghost,），, 具有,PTS1,和,PTS2,分选信号的基质蛋白，它们分别以,Pex5,和,Pex7,为胞质受体，各自靶向序列与相应受体结合再 与膜受体（,Pex14,） 结合， 在膜蛋白复合物（,Pex10,、,Pex12,和,Pex2,）的介导下完成基质蛋白输入产生成熟的 过氧化物酶体；, 成熟的过氧化物酶体经分裂产生子 代过氧化物酶体，分裂过程依赖于,Pex11,蛋白,本章小结,细胞质基质,是一个高度有序且又不断变化的动态结构体系,细胞内膜系统,是指在结构、功能乃至发生上相互关联，由膜包被的细胞器或细胞结构,内质网,是细胞内蛋白质与膜脂合成的基地,高尔基体,有极性，在蛋白质的加工、分选、包装与转运以及在细胞内的“膜流”中起重要作用,溶酶体,含有多种酸性水解酶，进行细胞内消化,过氧化物酶体,直接利用分子氧,功能,在结构、功能乃至发生上是彼此相关的由单层膜包绕形成的动态细胞器，包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等 。,细胞质基质与内膜系统,细胞质基质,内膜系统,基本概念,过氧化物酶体,高尔基体,在真核细胞中除去由生物膜形成的细胞器外的剩余空间,糙面内质网：蛋白质合成，糖基化，二硫键形成与重排，折叠,与组装修饰，应激反应,光面内质网：膜脂合成，解毒作用，类固醇合成，钙离子储存,形态结构 极性,:,体现在形态、膜囊内的化学组成及功能不一样,动物细胞中：解毒；参与脂肪酸,氧化,植物细胞中,:,光呼吸作用,功能,又称微体；异质性细胞器,常含氧化酶和过氧化氢酶,蛋白由细胞核基因编码，两种发生途径,溶酶体,溶酶体酶的合成（信号肽）,溶酶体酶的加工（信号斑）：形成,M6P,溶酶体酶的分选：依赖或不依赖于,M6P,细胞分泌活动；蛋白质糖基化及其修饰,蛋白质水解和其他加工过程,细胞内消化作用以及预防等,异质性：初级、次级溶酶体和残质体,标志酶：酸性水解酶；最适,pH,为,5.0,左右,富含质子泵、载体蛋白和高度糖基化,含义,功能,与细胞中间代谢相关；与细胞质骨架相关,与蛋白质合成、修饰、折叠和选择性降解等相关,其他由膜所包被的细胞器,内质网,功能,特征,发生,相关疾病,特征,发生,Thank you!,