1、第三篇 细胞质和细胞器,第三篇 细胞质和细胞器细胞质基质 内膜系统 线粒体 核糖体 细胞骨架,第十一章 细胞质基质 cytoplasmic matrix,基本概念: 细胞质（cytoplasm）：细胞膜以内、细胞核以外的整个区域，以及存在于其中的一切构造。 细胞质基质（cytoplasmic matrix）：除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞膜等细胞器及其各种有形成分后的可溶性成分；又称为透明质（hyaloplasm）、细胞液（cell sap）或细胞溶液（cytosol）。 细胞器（organelle）：为光镜和电镜下能分辨出的、具有一定形态特点、执行特定功能的有形结构。,第十一章
2、细胞质基质 cytoplasmic matrix 第一节 细胞质基质的化学组成及其某些物理特性,细胞质基质的化学成分: 小分子类(如：H2O、无机离子、可溶性气体); 中分子类(如：糖、脂类、氨基酸、核苷酸等)； 大分子类(如：蛋白质、多糖、RNA);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。,第十一章 细胞质基质 cytoplasmic matrix 第二节 细胞质基质的生物学特性,第十一章 细胞质基质 cytoplasmic matrix 第三节 细胞质基质的功能,细胞质基质的功能: 完成各种中间代谢过程; 蛋白质的分选与运输； 与细胞质骨架相
3、关的功能; 蛋白质折叠或重新折叠； 蛋白质的修饰、选择性的降解。,第十二章 内膜系统 endomembrane system,内膜系统 (endomembrane system) /细胞内膜 (intracellular membrane) /细胞质膜 (cytoplasmic membrane),内膜系统：指位于细胞质内，在结构、功能乃至发生上有一定联系的膜相结构的总称。内膜系统是真核细胞所特有的结构。,细胞膜(cell membrane)/ 质膜(plasma membrane)/ 原生质膜(protoplasm membrane),生物膜 (biomembrane),第十二章 内膜系统
4、endomembrane system 第一节 内质网, 1945年，KR. Porter、A. Claude 和 EF. Fullam等，-电子显微镜-小鼠成纤维细胞； 因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名endoplasmic reticulum，ER; 存在于所有的真核细胞（除原核细胞和成熟的红细胞外）；,Albert Claude Born: 24 August 1898, Longlier, Belgium Died: 22 May 1983, Brussels, Belgium Affiliation at the time of the award: Universit
5、Catholique de Louvain, Louvain, Belgium,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1974 to them: “for their discoveries concerning the structural and functional organization of the cell”,一、内质网的形态结构和类型,细胞膜, 内质网是由一层单位膜围成的形状大小不同的管状，泡状，扁囊状结构，相互连接形成一个连续的网状膜系统； 内质网的内腔相互连通；,内质网的类型: 粗面内质网（rough ER, RER）：膜表面附
6、着核糖体；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; 滑面内质网（smooth ER, SER）：膜表面无核糖体附着；形态上多为分枝小管或小泡；多分布在一些特化的细胞中。,特殊类型的内质网: 微粒体：非生理性结构；由破碎的内质网自我融合而成；仍然保持内质网的基本特征。 肌质网：存在于心肌和骨骼肌细胞中；,内质网、细胞核与高尔基复合体的立体结构,透射电镜下的RER,透射电镜下的rough ER,扫描电镜下的rough ER,扫描电镜下的rough ER,rough and smooth ER,smooth ER,抗肝肾微粒体(LKM)抗体
7、显示微粒体,二、内质网的化学组成和酶类,内质网的化学组成: 内质网膜含60%的蛋白和40%的脂类，脂类中PC（磷脂酰胆碱）含量较高，SM（鞘磷脂）含量较少，没有或很少含胆固醇； 约30多种膜结合蛋白，另有30多种位于ER网腔； 葡萄糖-6-磷酸酶是ER标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，p450酶系只分布在SER。See：P92,三、内质网的功能 (一).糙面内质网的功能,1.参与蛋白质的合成: 粗面内质网合成的蛋白质类型: 分泌蛋白； 整合膜蛋白； 内膜系统中各种细胞器内的驻留蛋白（可溶性蛋白，需要隔离或修饰）； 蛋白质的合成和转移： G. Blobel ,Gnt
8、er Blobel Born: 21 May 1936, Waltersdorf (now Niegoslawice), Germany (now Poland) Affiliation at the time of the award: Rockefeller University,New York, NY,USA,Howard Hughes Medical Institute,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1999 to them: “for the discovery that proteins have intrinsic sign
9、als that govern their transport and localization in the cell”, 分泌性蛋白质转移到内质网合成所涉及的成分:1).信号肽：位于N端，约1560个氨基酸，含有615个带正电荷的非极性氨基酸，又称为开始转移序列(start transfer sequence); 一级结构序列由疏水核心(h)、C端(c)和N端(n)三个区域构成;2).信号识别颗粒(signal recognition particle, SRP)：由6种多肽和1个7S RNA组成，属RNP。与信号序列结合，导致多肽链合成暂停。SRP的功能部位：翻译暂停结构域(P9/P14
10、)、信号肽识别结合位点(P54) 、SRP受体蛋白结合位点(P68/P72)；,3).SRP受体/停靠蛋白（SRP receptor/docking protein, DP）：ER膜的整合蛋白，异二聚体，可与SRP特异结合，将其引导至内质网膜上的通道蛋白移位子（translocon）上。4).停止转移序列（stop transfer sequence）:与内质网膜的亲合力很高，阻止肽链继续进入网腔，成为跨膜蛋白;5).转位因子：由3-4个Sec61蛋白构成的通道,每个Sec61由3条肽链组成；,信号肽一级序列：由疏水核心(h)、C端(c)和N端(n)三个区域构成。以血清白蛋白和HIV-1型病毒
11、的糖蛋白gp160信号肽为例，显示出两者的n区长度明显不同。, 蛋白质转入内质网合成的过程:胞质游离核糖体合成信号肽 信号肽与SRP结合 肽链延伸终止 SRP与受体结合 SRP脱离 肽链进入内质网 信号肽切除 肽链延伸至终止； 肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为共翻译转移/转运（co-translational transloca-tion）;,内质网腔,细胞质,SRP受体,信号识别颗粒,(SRP),核糖体结合蛋白,tRNA,A,P,信号肽,A,信号假说,2.蛋白质的折叠组装: 正确折叠涉及驻留蛋白：帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态； 结合蛋白/分子伴侣（Binding
12、protein，Bipmolecular chaperone）：识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进重新折叠与装配； 热休克蛋白（heat shock/stress protein, HSP）主要有HSP70和HSP90家族;,.蛋白质的糖基化修饰: 蛋白质的糖基化：是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程。,N连接的寡糖蛋白（Asn）：发生在内质网腔内，连接葡萄糖；,O连接的寡糖蛋白（丝氨酸，Ser/苏氨酸， Thr/羟赖氨酸，Hylys/羟脯氨酸，Hypro）：发 生在高尔基复合体内。连接半乳糖；, 酰基化：发生在ER的细胞质基质侧;,L-天门冬酰胺(L-Asparagi
13、ne, Asn) 分子式：NH2COCH2CH(NH2)COOH,甘,甘,甘,甘,甘,甘,甘,甘,甘,RER腔,RER膜,糖基转移酶,4. 粗面内质网与蛋白质的运输:,5. 粗面内质网与膜脂的合成：磷脂和胆固醇等膜脂；,三、内质网的功能 (二).光面内质网的功能,1. 脂类的合成与转运: 合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）；鞘磷脂和糖脂（ER开始Golgi complex完成）； 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向胞质； 磷脂的转运: transport by budding：ER GC/Ly/PM; transport by phospholipid exchange/ tr
14、ansfer proteins（PEP）：ERother organelles（including Mit、Ps and Chl）；,细 胞 质,酰基转移酶,磷脂酸,卵磷脂,翻转酶,（a）.通过小泡运输将内质网上合成的脂转运到其他内膜系统的膜上包括细胞核膜;（b）.通过磷脂转运蛋白将内质网上合成的脂转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的膜中。,2.类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）:3.肝的解毒作用（detoxification）：System of oxygenases-cytochrome p450 family；4.糖原的合成与分解：肝细胞葡萄糖的释放（G-6-P G + P
15、）5.储存调节Ca2+浓度：肌质网膜上的Ca2+ -ATP酶将细胞质基质中Ca2+泵入肌质网腔中；,四、内质网与医学 (一).病理条件下内质网的异常改变,四、内质网与医学 (二).内质网与阿尔茨海默病,第十二章 内膜系统 endomembrane system 第二节 高尔基复合体, 1898年，Camillo Golgi，在猫和猫头鹰的 神经细胞内观察到了一种清晰的网状结构，命名 为内网器（internal reticulum apparatus）；后 来为纪念他的这一发现，命名为高尔基器/体 （Golgi apparatus/body），现称为高尔基复合 体（Golgi Complex）。
16、,Camillo Golgi Born: 7 July 1843, Corteno, Italy Died: 21 January 1926, Pavia, Italy Affiliation at the time of the award: Pavia University, Pavia, Italy,Santiago Ramn y Cajal Born:1 May 1852, Petilla de Arag, Spain Died: 17 October 1934，Madrid，Spain Affiliation at the time of the award: Madrid Univ
17、ersity, Madrid，Spain.,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1906 to them: “in recognition of their work on the structure of the nervous system”,一、高尔基复合体的形态结构,Distribution in cell: nucleus green，Golgi body red,Golji complex in red and nucleus in blue,高尔基复合体立体结构模式图,二、高尔基复合体的化学组成 (一).高尔基复合体的脂类组成, 脂
18、类的含量介于内质网与质膜之间(卵磷脂和磷脂酰肌醇除外)；See：表12-2 高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类，具有一些和ER共同的蛋白成分; 高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶;,二、高尔基复合体的化学组成 (二).高尔基复合体的酶 See：P97,三、高尔基复合体的极性,高尔基复合体的极性,四、高尔基复合体的功能 (一).高尔基复合体对蛋白质的加工,(一).高尔基复合体参与糖蛋白的合成和修饰,1.参与糖蛋白的合成和修饰：,N-连接的寡糖链：在RER腔内合成。,O-连接的寡糖链：在高尔基复合体内合成。,糖蛋白,3H标记甘露糖,3H标记半乳糖；唾液糖,3H标记N-乙酰葡萄糖胺,说明：高
19、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。,1.甘露糖苷酶I,甘,甘,2.N-乙酰葡萄糖胺转移酶,甘,甘,N-乙酰 葡萄糖胺,3.甘露糖苷酶,甘,甘,4.N-乙酰葡萄糖胺转移酶,N-乙酰 葡萄糖胺,5.半乳糖转移酶,半乳 糖,半乳 糖,6.唾液酸转移酶,唾液酸,唾液酸,O-连接的寡糖链加工,L-天门冬酰胺(L-Asparagine, Asn) 分子式：NH2COCH2CH(NH2)COOH,苏氨酸(threonine, Thr),酪氨酸(tyrosine, Tyr),丝氨酸(serine, Ser),3. 参与蛋白质的改造,2. 溶酶体酶的磷酸化,四、高尔基复合体的功能 (二).高尔
20、基复合体对蛋白质的分选,五、高尔基复合体的病理性变化 (一).肥大与萎缩,五、高尔基复合体的病理性变化 (二).高尔基复合体中内容物的改变,五、高尔基复合体的病理性变化 (三).癌细胞内变化,第十二章 内膜系统 endomembrane system 第三节 溶酶体,光镜下的内皮细胞：绿色荧光：溶酶体；红色：线粒体, 20世纪40年代末，鼠肝匀浆离心发现酸性 磷酸酶；1955年de Duve等人在电镜下观察到鼠 肝细胞溶酶体，细胞化学显示：,Christian de Duve Born: 2 October 1917, Thames Ditton, United Kingdom Affilia
21、tion at the time of the award: Rockefeller University, New York, NY, USA, Universit Catholique de Louvain, Louvain, Belgium,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1974 to them: “for their discoveries concerning the structural and functional organization of the cell”,一、溶酶体的形态结构与酶, 溶酶体是由一层单位膜包围，内含多
22、种酸性水解酶的泡状结构； ：0.25-0.5圆形、卵圆形小体；也有长杆状、蛇形的称为管（线）状溶酶体; 含各种酸性水解酶（最适pH=5）； 具有异质性，酸性磷酸酶是标志酶;,ACID HYDROLASES,nucleases,glycosidases,sulfatases,phospholipases,lipases,phosphatases,proteases,pH5,H+,ATP,ADP,Pi,CYTOSOL,pH7.2,+,Lysosome membrane,二、溶酶体膜的特性, 溶酶体膜上有H+质子泵（H+-ATPase）:保持溶酶体基质内的酸性环境； 溶酶体膜内存在特殊的转运蛋白：可
23、运输溶酶体消化水解的产物; 溶酶体的蛋白质高度糖基化：防止自身被水解消化;,三、溶酶体的形成 (一).内质网内溶酶体酶前体的合成、初加工和转运,溶酶体的酶是由RER上的核糖体合成,三、溶酶体的形成 (二).高尔基复合体对溶酶体酶前体的标记、分选和转运, 溶酶体的酶内含有一种分选信号甘露糖-6-磷酸（M-6-P），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 网格蛋白有被小泡 无被运输小泡 形成溶酶体；,三、溶酶体的形成 (三).内体性溶酶体的形成,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-
24、6-P,溶酶体酶,前溶酶体,ATP,ADP+Pi,H+,去除磷酸,pH=6,成熟溶酶体,三、溶酶体的形成 (四).溶酶体的成熟,溶酶体形成的功能定位： 溶酶体的酶来自RER上的附着核糖体； 溶酶体酶的糖基化在RER的腔内； 溶酶体的分选发生在高尔基复合体； 溶酶体的膜来自晚期内体。,四、溶酶体的类型 (一).初级溶酶体,初级溶酶体（primary lysosome）： 含多种酸性水解酶，不含作用底物，酶处于非活性状态；,四、溶酶体的类型 (二).次级溶酶体,次级溶酶体,异噬溶酶体：初级溶酶体+外源性物质异噬过程,+ 吞饮体,+ 吞噬体,+ 微吞饮小泡,自噬溶酶体：初级溶酶体 + 内源性物质(自
25、噬体) 自体吞噬(自噬过程),次级溶酶体（secondary lysosome）： 是正在进行或完成消化作用的溶酶体，分为自噬溶酶体和异噬溶酶体；,secondary lysosome,secondary lysosome,四、溶酶体的类型 (三).终末溶酶体,终末/后溶酶体/残体（telolysosome/ post-lysosome/residual body）： 已失去酶活性，仅留未消化的残渣，故名; 可排出细胞，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；,肝细胞中的脂褐质,台-萨氏综合征神经元中同心圆状的溶酶体,五、溶酶体的功能 (一).消化、营养保护作用,异噬作用
26、：对细胞内吞物的消化-吞噬作用和胞饮作用。,自噬作用：对自身物质的消化-衰老细胞器分解。,粒溶作用：分解细胞内的多余分泌颗粒（分泌自噬）。,自溶作用：对细胞外物质的消化-胚胎发育（外源信号启动）。,内体,初级溶酶体,吞噬体,吞噬溶酶体,吞饮体,吞饮溶酶体,自噬体,自噬溶酶体,分泌颗粒,分泌溶酶体,次 级 溶 酶 体,残质体,异噬作用,自噬作用,胞外消化,五、溶酶体的功能 (二).参与机体组织器官的变态和退化,器官的变态反应：蝌蚪 青蛙,两性分化：米勒氏管(Mllerian duct),输卵管,退化,睾丸酮,五、溶酶体的功能 (三).参与受精过程,五、溶酶体的功能 (四).参与激素的合成与浓度调
27、节,六、溶酶体与医学 (一).溶酶体与疾病发生,六、溶酶体与疾病发生,溶酶体与疾病,溶酶体膜失常与疾病: 矽肺 、石棉沉着病、痛风等；,先天性溶酶体病：糖原贮积病、脂质沉积病、粘多糖 沉积病等；,溶酶体与癌的关系：,溶酶体与休克：,休克后缺血缺氧降低溶酶体膜的稳定性；,休克后缺血缺氧影响细胞的氧化磷酸化过程；,休克后缺血缺氧引起细胞内pH下降促进 酶的激活；,六、溶酶体与医学 (二).溶酶体与疾病治疗,第十二章 内膜系统 endomembrane system 第四节 过氧化物酶体, 1954年，Rhodin在鼠肾小管上皮细胞发现，命名为微体（microbody）;,乙醛酸循环体（植物）,过氧
28、化物酶体,氢酶体,糖酶体,一、过氧化物酶体的形态结构, 过氧化物酶体（peroxisome）是由一层单位膜包围，具有异质性； ：0.3-0.6，多呈圆形、卵圆形小体；也有半月形或长方形; 某些细胞（如大鼠肝细胞）的过氧化物酶体内含有晶状结构，称类核体/类晶体（nucleoid/crystalloid）为尿酸氧化酶晶体。,人肝细胞（hepatocyte）过氧化物酶体（Ps，没有尿酸氧化酶结晶）,烟草叶肉细胞的过氧化物酶体 (中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心),二、过氧化物酶体的酶 (一).氧化酶, 过氧化物酶体约含40多种酶； 氧化酶：尿酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶、L-氨基酸氧化酶和L-羟基酸
29、氧化酶等; 依赖黄素(flavin)的氧化酶特点是：将底物氧化后生成过氧化氢，而过氧化氢酶又利用H2O2去氧化其它底物。,二、过氧化物酶体的酶 (二).过氧化氢酶, 过氧化氢酶：存在于所有的过氧化物酶体中，为过氧化物酶体的标志酶，约占酶总量的40%。催化过氧化氢还原成水和氧气;,二、过氧化物酶体的酶 (三).过氧化物酶, 过氧化物酶：少数几种细胞的过氧化物酶体中含有此酶，作用与过氧化氢酶一样;, 其它酶类：异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和乙醛酸酯还原酶等;,三、过氧化物酶体的功能 (一).调节细胞的氧张力,防止H2O2在细胞内堆积，起保护细胞的作用。,三、过氧化物酶体的功能 (二).解毒作用,三
30、、过氧化物酶体的功能 (三).其他作用, 对氧化型辅酶I（NAD+）的再生作用; 参与核酸、脂肪和糖的代谢;,四、过氧化物酶体病, 脑肝肾综合征(Zellweger syndrome) 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，酶体是“空的”; 脑、肝、肾异常，出生3-6个月后死亡;,第十二章 内膜系统 endomembrane system 第五节 内膜系统与细胞内蛋白质的分选,一、内膜系统的区域化（房室化）,二、蛋白质的分选 (一).蛋白质分选的信号假说, 1975年，G.Blobel & D.Sabatini提出信号假说，即： 分泌性蛋白的N-端序列作为信号肽，引导分泌性蛋白
31、到ER膜上合成； 多肽通过ER膜上的水溶性转运通道进入ER的腔中，并推测多肽是在合成的同时转移的； 以后证实分选信号(sorting signal)、SRP、SRP受体以及细胞器膜上的蛋白质传导通道(protein conducting channel, PCC)的存在，使信号假说成为一个系统理论；,二、蛋白质的分选 (二).蛋白质的分选信号与运输途径,高尔基复合体,N端信号肽,N端螺旋信号,胞质溶胶,线粒体,过氧化物酶体,核输 入信号,细胞核,细胞表面,C端 三肽信号,C端KDEL,内质网,跨膜螺旋信号,溶酶体,结构性 分泌小泡,调节性 分泌小泡,浓缩信号,甘露糖 -6-磷酸,核糖体,蛋白质
32、分选信号与运输途径示意图, 定位信号的种类： 核定位信号（NLS）; 信号肽/信号序列; 前导/转运肽或导向序列/信号（leading/ transit peptide or targeting sequence/signal）; 后翻译转移/转运（post-translational Translocation）：蛋白质合成后在导肽指导 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；, 合成后蛋白的去向: 若信号肽序列被信号肽酶切除 完全进入腔内（共转移）; 若有停止转移信号，与内质网膜有极强的亲合力，形成膜蛋白; 起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数；,三、蛋白质
33、的运输方式 (一).门孔运输, 门控运输(gated transport)：如通过核孔复合体的运输； 需核定位/输入信号(Nuclear localization/ import signal，NLS/NIS); 通过门孔核孔转运; 以折叠和集合的形式转运;,三、蛋白质的运输方式 (二).跨膜运输, 跨膜运输(transmembrane transport):蛋白质通过跨膜通道进入目的细胞器; ER：需信号肽; Mit, Per：需导肽; 通过膜上的易位子转运; 以单链和非折叠的形式转运; 需分子伴侣的帮助完成转运;,三、蛋白质的运输方式 (三).囊泡运输, 膜泡运输（vesicular tr
34、ansport）：蛋白质在内质网或高尔基体中被包装成衣被小泡,选择性地运输到靶细胞器; 出芽转运，衔接并最后与靶膜融合; 膜泡上集合包被蛋白质（Clathrin, COPII and COPI）; 仅部分折叠和集合蛋白质;,第十二章 内膜系统 endomembrane system 第六节 内膜系统与膜流, 膜泡运输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； 膜流(membrane flow)：细胞的各种膜性结构之间相互联系和转移的现象；,膜流(membrane flow), 三种不同类型的包被小泡及其作用: 网格蛋白包被小泡：负责蛋白质从高尔基体TGN 质膜、胞内体或溶酶体等的运输； COPII包被小泡：负责从内质网 高尔基体的物质运输； COPI-包被小泡：负责回收、转运内质网逃逸蛋白；COPI-包被小泡除Golgi ER逆行转运外，也进行从ER Golgi的顺行转运；,第十二章 内膜系统 endomembrane system 第七节 内膜系统的起源,一、内质网,二、高尔基复合体,三、溶酶体,四、过氧化物酶体,
