1、第七章 细胞质基质与细胞内膜系统,细胞质基质 内 质 网 高尔基体溶酶体与过氧化物酶体 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 (自学),第一节 细胞质基质,细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix）细胞内膜系统（endomembrane system）,细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半,细胞质基质的涵义 细胞质基质的功能,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）,体积, 基本概念：用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的
2、主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。 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。,细胞质基质的涵义, 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 蛋白质的分选与运输 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白质重新折叠，形成正确的分子构象,细胞质基质的功能 P172,二、细胞内膜系统 （endomembrane sys
3、tem）, 细胞内膜系统概述 细胞内膜系统的研究方法,细胞内膜系统概述,细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization）：细胞骨架纤维为组织者的Cytomatrix形成有序的动态结构；细胞内的膜相结构-细胞器（organelles）。,区域化,细胞器,细胞内膜系统的研究方法,De Duve, A.Claude and G.Palade,1974 Nobel Plrize 放射自显影（Autoradiography）; 生化分析（Biochemical analysis）;遗传突变分析（Geneti
4、c mutants）,放射自显影,第二节 内 质 网 P175, 内质网(endoplasmic reticulum,ER)的形态结构 ER的功能 内质网与基因表达的调控,一、 内质网的形态结构,内质网的两种基本类型粗面内质网（ rough endoplasmic reticulum，rER）光面内质网（smooth endoplasmic reticulum，sER）微粒体（microsome）,两种基本类型,rER,微粒体 P176,二、ER的功能,ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。, rER的功能 sER的功能,rER的功能 P178, 蛋
5、白质合成 蛋白质的修饰与加工 新生肽的折叠与组装 脂类的合成,蛋白质合成 P178,分泌蛋白；整合膜蛋白；内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白 （需要隔离或修饰）。其它的多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的：包括：细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。注意：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“游离”核糖体。,蛋白质的修饰与加工 P179,修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔面N- linked glycosylation（Asn）O-linke
6、d glycosylation（Ser/Thr or Hylys/Hypro） 酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸Cys,糖基化,新生肽的折叠与组装 P180,新生肽的折叠组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成； 正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDEL or HDEL信号蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）切断二硫键，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（Binding protein，Bip，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。,脂类的合成 P178, ER合成细胞所需绝大多
7、数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。两种例外： 鞘磷脂和糖脂（ER开始Golgi complex完成）；Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。 各种不同的细胞器具有明显不同的脂类组成： phosphatidylcholine（PC）：ERGCPM（高低）phosphatidylserine（PS）：PMGCER（高低） phospholipd translocator / flippase与膜质转位 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol； 磷脂的转运:transport by budding：ERGC、Ly、PMtransport by phospholipid excha
8、nge proteins（PEP）：ERother organelles（including Mit and Chl）。,sER的功能, 类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质） 肝的解毒作用（Detoxification）System of oxygenases-cytochrome p450 family； 肝细胞葡萄糖的释放（G-6PG） 储存钙离子：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+ 泵入肌质网腔中,三、内质网与基因表达的调控,内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔 基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。影响内质网细胞核信号转导的三种因
9、素： 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。 折叠好的膜蛋白的超量积累。 内质网膜上膜脂成份的变化主要是固醇缺乏不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达,第三节 高尔基体 P182, 高尔基体的形态结构 高尔基体的功能 高尔基体与细胞内的膜泡运输,一、高尔基体的形态结构, 电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成 高尔基体是有极性的细胞器：位置、方向、物质转运与生化极性 高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应： 高尔基体至少由互相联系的4个部分组成，每一部分又可能划分出更精细的间隔 高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基体分布在MTOC(负端) 高尔基的膜囊上存在微管的马
10、达蛋白（cytoplasmic dynein和kinesin）和微丝的马达蛋白（myosin）。最近还发现特异的血影蛋白（spectrin）网架 。它们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重要的作用。,电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成,扁囊弯曲成凸面又称形成面（forming face）或顺面（cis face）面向质膜的凹面（concave）又称成熟面（mature face）或反面（trans face）,高尔基体是有极性的细胞器,高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应 P183, 嗜锇反应的高尔基体cis面膜囊； 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示
11、trans面12层膜囊； 胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构GERL结构：60年代初，Novikoff发现CMP和酸性磷酸酶存在于高尔基体的一侧，称这种结构为GERL，意为与高尔基体（G）密切相关，但它是内质网（ER）的一部分，参与溶酶体（L）的生成。 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊, 高尔基体顺面网状结构（cis-Golgi network，CGN）又称cis膜囊 高尔基体中间膜囊（medial Golgi）多数糖基修饰；糖脂的形成；与高尔基体有关的多糖的合成 高尔基体反面网状结构（trans Golgi ne
12、twork，TGN） 周围大小不等的囊泡顺面囊泡称ERGIC/VTC-ERGIC53/58蛋白（结合Mn） 反面体积较大的分泌泡与分泌颗粒,高尔基体的4个组成部分 P184,高尔基体顺面网状结构(CGN), RER（蛋白质和脂类）（蛋白质KDEL或HDEL）CGN；蛋白丝氨酸残基发生O-连接糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；日冕病毒的装配,高尔基体反面网状结构(TGN), TGN中的低pH值；标志酶CMP酶阳性 TGN的主要功能：参与蛋白质的分类与包装、运输；某些“晚期”的蛋白质修饰 （如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋 白原的水解加工）在蛋白质与脂类的转运过程中 的“瓣膜
13、”作用，保证单向转运,二、 高尔基体的功能, 高尔基体与细胞的分泌活动 蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白酶的水解和其它加工过程,高尔基体与细胞的分泌活动, 蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身流感病毒囊膜蛋白特异性地转运 上皮细胞游离端的质膜水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞基底面的质膜水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号Asp-X-Gln或DXE）起重要的作用 溶酶体酶的分选：甘露糖-6-磷酸(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。,蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身,蛋白质的糖基化
14、及其修饰, 蛋白质糖基化类型 蛋白质糖基化的特点及其生物学意义 蛋白聚糖在高尔基体中组装 植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖,蛋白质糖基化类型,N-连接与O-连接的寡糖比较,蛋白质糖基化的特点及其生物学意义, 糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。 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
15、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。,蛋白聚糖在高尔基体中组装 一个或多个糖胺聚糖（通过木糖）结合到核心蛋白的Ser残基上 植物细胞高尔基体合成和分泌多种多糖,蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型, 无生物活性的蛋白原（proprotein）高尔基体切除N-端或两端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清白蛋白等。 蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。 含有不同信号序列的蛋白质前体高尔基体加工成不同的产物。 同一种蛋白质前体不同细胞、以不同的方式加工不同的多肽。加工方式多样性的可能原因：确保小肽分子的有效合成；弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；有效地
16、防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。在高尔基体中进行的肽链酪氨酸残基的硫酸化作用,三、高尔基体与细胞内的膜泡运输,高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用,膜泡运输的主要途径,其中多数与高尔基体直接相关,枢纽作用,第四节 溶酶体与过氧化物酶体,溶酶体几乎存在于所有的动物细胞中。溶酶体 （lysosome）是单层膜围绕、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作用。 溶酶体的结构类型 溶酶体的功能 溶酶体的发生 溶酶体与过氧化物酶体,一、溶酶体的结构类型, 溶酶体膜的特征： 嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境； 具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；
17、 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。 溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acid phosphatase） 类型,类型,初级溶酶体（primary lysosome） 次级溶酶体（secondary lysosome） 自噬溶酶体（autophagolysosome） 异噬溶酶体（phagolysosome）残余小体（residual body），又称后溶酶体。 溶酶体是以含有大量酸性水解酶为共同特征、不同形态大小，执行不同生理功能的一类异质性（heterogenous）的细胞器 。,小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体 用电镜细胞化学技术显示其中含有的酸性磷酸酶， M：线粒体，L：溶酶体（朴
18、英杰）,动物细胞溶酶体系统示意图,二、溶酶体的功能,phagocytosis phagosomeendocytosis early endosome late endosomelysosome autophagy autophagosome 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 防御功能（病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化） 其它重要的生理功能 溶酶体与疾病,其它重要的生理功能,作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养；分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节参与清除赘生组织或退行性变化的细胞；受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。,溶酶体与
19、疾病,溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障，影响细胞代谢，引起疾病。如台-萨氏（Tay-Sachs）等各种储积症（隐性的遗传病）某些病原体（麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境）,三、溶酶体的发生, 发生途径 分选途径多样化 酶的加工方式多样化 糖侧链的部分水解、膜蛋白等,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
20、化识别信号：信号斑,发生途径,溶酶体的发生过程,发生途径, 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）,分选途径多样化,四、溶酶体与过氧化物酶体,过氧化物酶体(peroxisome)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。 过氧化物酶体与溶酶体的区别 过氧化物酶体的功能 过
21、氧化物酶体的发生,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）,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。通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体 过氧化物酶体和溶酶体的差别,通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体,微体与初级溶酶体的特征比较,过氧化物酶体的功能,动物细胞（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。过氧化物酶体中常含有两种酶： 依赖于黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2
22、；过氧化氢酶，作用是将H2O2分解，形成水和氧气。 过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。 在植物细胞中过氧化物酶体的功能： 在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化，即所谓光呼吸反应； 乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体降解储存的脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。,光呼吸反应,过氧化物酶体的发生, 氧化物酶体经分裂后形成子代的细胞器，子代的过氧化物酶体还需要进一步装配形成成熟的细胞器。 组成过氧化物酶体的蛋白均由核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后转运到过氧化物酶体中。 过氧化物酶体蛋白分选的信号序列（Peroxisomal-targeting signal，PTS）： PTS1为Ser-lys-leu，多存在于基质蛋白的C端。 PTS2为Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基质蛋白N-端。 过氧化物酶体膜上存在几种可与信号序列相识别的可能的受体蛋白。 过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后转运而来。 内质网也参与过氧化物酶体的发生,
