最新：细胞生物学第7章 1文档资料.ppt

细胞内区室化是真核细胞结构和功能的基本特征之一。细胞内被膜区分为3类结构：细胞质基质 细胞内膜系统 其他由膜包被的各种细胞器,细胞内区室化：,膜结合细胞器,细胞内膜系统：结构、功能或发生上相关的膜围绕的细胞器或细胞结构，主要包括内质网、高尔基体及其形成的溶酶体和分泌泡，广义地讲包括细胞核、线粒体与叶绿体和过氧化物酶体等。,细胞质基质:在真核细胞的细胞质中，除 去可分辨的细胞器以外的胶状物质。,膜结合细胞器在细胞内是按功能、分层次分布,1）化学物质：小分子 水（起溶剂作用）、无机离子 中分子 核苷酸及其衍生物等、脂类、糖类 大分子 蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖、酶等,7.1.1 细胞质基质的组成成分,-与中间代谢有关的数千种酶类-维持细胞形态和细胞内含物质运输有关的 细胞质骨架结构。,第一节 细胞质基质的涵义与功能,液体性 含水约为7580，最好的溶剂和最佳 热稳定剂 胶体性 因含有丰富蛋白质，有粘滞性和弹性、具 液晶态的特性，可随环境条件改变。高度有序体系 许多酶及其他组分以弱键结合成复合体，定位在基质特定部位,2）性质,胞质蛋白质的修饰（磷酸化、去磷酸化、甲基化、酰基化）和选择性降解。,7.1.2 细胞质基质的功能,许多中间代谢过程的主要活动场所。,起细胞骨架作用，为基质中有关成分提供了锚定位点。,第二节 内质网（ER）,7.2.1 形态、结构、特点,1945年，著名超微结构学家K.RPorter首先观察到，并定为内质网。,内质网是由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔构成的相互沟通的三维网状结构。（图）扁囊或池。,根据结构与功能，,粗面内质网（rER）:扁囊状，排列较为整齐，膜表面分布着大量的 核糖体。是合成分泌性蛋白和多种膜蛋白，以及对合成的蛋白质进行修饰与加工的场所。,光面内质网（sER）:分支管状，胞内占面积较小。主要合成脂类的场所。具有解毒、糖原分解等功能。,7.2.2 内质网的两种基本类型,图9-11 超薄和扫描电镜观察的内质网(a)粗面内质网;(b)光面内质网,上半部是超薄电镜照片,下半部是扫描电镜照片。,肝细胞的rER,sER 部分三维重建图,腔,两个特殊类型的内质网：,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质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。在体外实验中,具有内质网的基本功能。肌质网(sarcoplasmic reticulum)：心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的（光面)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。,1、蛋白质的合成（与细胞质基质中的不同）（见表）;,7.2.3、内质网的功能,2、脂类的合成：,3、蛋白质的修饰和加工，新生肽的折叠和装配:,4、其它的功能 a.旰细胞的解毒作用 b.储存钙离子的作用,出芽方式-高尔基体、溶酶体、细胞质膜,水溶性载体蛋白（PEP）-线粒体、过氧化物酶体,表-真核细胞中膜结合核糖体和游离核糖体合成的蛋白,高尔基器(Golgi apparatus)或高尔基复合体(Golgi complex)意大利科学家Camillo Golgi在 1898年发现的。,第三节 高尔基体,7.3.1 形态结构和极性,扁平膜囊（主体结构）囊泡（可移动）,连续的有序整体膜结构。,形态结构：,高尔基体的形态结构,顺面膜囊(cis-Golgi network,CGN)顺面、形成面（靠近细胞核、内质网，凸面）中间膜囊(medial cisternae)反面膜囊(trans Golgi network,TGN)反面、成熟面（面向胞质基质，凹面）,高尔基体的极性,高尔基体是一种有极性的细胞器（特定的位置和方向性）。,图-高尔基体的膜囊结构及其排列,高尔基体3个精细部分的作用：,顺面的管网结构（CGN）：接受内质网的新合成物质，分类后转入中 间膜囊或返回内质网。,中间膜囊（medial Golgi）：多数糖基修饰、糖脂的形成及合成与高尔基体有关的多糖,反面的管网结构（TGN）：参与蛋白质的分类与包装和输出。,四种特有的电镜细胞化学的方法分析高尔基体的结构成分：,1、嗜锇反应 使高尔基体的顺面膜囊被特 异地染色。2、焦磷酸硫胺素酶（TPP 酶）特异显示高尔基体的反面的1-2层膜囊3、胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）特异地 显示靠近反面上的一些膜囊状和管状结构。4、烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）高尔基体中间几层扁平囊的标志反应。,7.3.1、高尔基体的功能,a.将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，分送到细胞的特定的部位或细胞外。,b.将内质网上合成的部分脂类运输到细胞质膜和溶酶体膜等部位。,细胞内大分子运输的一个主要的交通枢纽。,ER到高尔基体内侧 中间膜囊 外侧的运输,ER蛋白的逆向运输,方向：,ER合成蛋白质的运输,ER驻守蛋白的驻守机制内质网蛋白驻守信号(ER retention signal):Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（賴天冬谷亮），即KDEL信号序列KDEL信号受体 内质网膜 高尔基体膜,蛋白质糖基化及其修饰,内质网和高尔基体中的蛋白质被糖基化修饰，是糖蛋白；细胞质基质和核蛋白大多无糖基化修饰。,糖基化修饰的生物学意义:,1、给蛋白质打上不同的标志,以利于高尔基体的分选与包装,保证糖蛋白从粗面内质网向高尔基体囊膜单方向运输.,2、影响多肽的构像，使之正确的折叠、成熟。,3、增强蛋白质的稳定性。,糖基化修饰的类型：,N-连接：寡糖基连接在天冬酰胺的酰胺氮原子上；在粗面内质网中进行。,O-连接：寡糖基连接在丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸或羟脯氨酸的羟基上；在高尔基体和内质网中进行。,第四节 溶酶体与 过氧化物酶体,单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，是一种异质性的细胞器。,7.4.1 溶酶体（Lysosome）的结构、类型,普遍存在于动物细胞内的一种细胞器。1949，De Duve,用差速离心的方法研究与糖代谢有关的酶的定位，测定酸性磷酸酶活性时发现的，1955年被电镜证实。,a.初级溶酶体b.次级溶酶体c.残余小体（后溶酶体）,溶酶体所处的不同生理功能阶段：,溶酶体的类型,60多种，酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶。,溶酶体的酶类,8,当细胞被损伤时,溶酶体可释放出水解酶类,使细胞自溶。,嵌有H+质子泵具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运膜蛋白高度糖基化溶酶体膜含有一定量的能促进膜稳定性的胆固醇,溶酶体膜的特点：,7.4.2 溶酶体的功能,基本功能是对生物大分子的强烈的消化作用和对细胞的保护作用，为细胞提供营养、能量：,自体吞噬作用：吞噬细胞内原有的物质，清除细胞内受损伤的结构，消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。（自噬溶酶体）,异体吞噬作用：提供被消化的物质来自细胞外，如吞噬泡和胞饮泡的内含物，具有防御功能。（异噬溶酶体）,围歼线粒体自体吞噬,胞内体,自体吞噬作用,异体吞噬作用,吞噬体,溶酶体的其它重要功能：,在分泌细胞中参与分泌过程的调节,清除特定程序性死亡细胞,参与受精过程,阅读：194-195，3,7.4.3 溶酶体的发生,溶酶体的酶上都有特异的信号斑和特殊的标记6-磷酸甘露糖M6P(mannose 6-phosphate)。高尔基体反面膜囊中含有M6P的识别受体，将溶酶体的酶分选出来。,溶酶体酶合成及糖基化,-1,6-甘露糖磷酸化,M6P与受体结合,PH降低，酶与受体脱离,脱磷酸,6-磷酸甘露糖途径形成溶酶体,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶，N-乙酰葡萄糖苷酶,溶酶体与疾病,1、矽肺：二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细胞内吞，导致吞噬细胞溶酶体破裂，导致成纤维细胞胶原纤维沉积，肺组织纤维化。2、类风湿性关节炎、休克、肿瘤：溶酶体膜易脆裂。,3各类贮积症台-萨氏综合症：缺少氨基已糖酯酶A。II型糖原累积病：缺乏-1,4-葡萄糖苷酶。Gaucher病：缺乏-葡萄糖苷酶。细胞内含物病：N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变。,7.4.4 过氧化物酶体,（微体）,-单层膜围绕的、内含一种或几种氧化酶类的细胞器。,-异质性细胞器，形态大小和降解大分子功能类似于溶酶体。,-酶类：氧化酶（50%）和过氧化氢酶（40%）,RH2+O2,R+H2O2,2H2O2,O2+H2O,1954年 Rhodin 鼠肾肾小管上皮细胞中发现，普遍存在动物和很多植物细胞中。,过氧化氢酶是标志酶,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）,特 征,溶 酶 体,过 氧 化 物 酶 体,形态大小酶种类PH 值是否需氧气功 能发 生识别的标志酶,多呈球形，直径0.20.5um，无酶晶体酸性水解酶5 左右不细胞内的消化作用酶在粗面内质网合成经高尔基体出芽形成酸性磷酸酶等,球形，直径0.150.25um，内常含有酶晶体含有氧化酶类等7 左右需要多种功能酶在细胞质基质中合成，经分裂与组装形成过氧化氢酶,过氧化物酶与初级溶酶体的比较,过氧化物酶体的功能：,1、使毒性物质失活2、对氧浓度的调节3、脂肪酸的氧化4、参与含氮物质的代谢,第五节 细胞内蛋白质的分选,蛋白质的分选：（protein sorting）是细胞中合成的蛋白质定向转运到特定的部位，装配成结构与功能的复合体，参与生命活动的整个过程。或称蛋白质寻靶（protein targeting）,从细胞质中获取所需蛋白质(图9-5)。,6.5.1 蛋白质分选的基本原理,细胞内合成的蛋白质等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：,1972，C.Milstein发现免疫球蛋白N端长度不同；1975，G.Blobel&D.Sabatini 信号假说。,其一是蛋白质中包含特殊的信号序列，或特殊的信号结构.,其二是具特定的信号识别装置，即位于细胞质中的信号识别颗粒（SRP）和细胞器膜上的信号识别颗粒蛋白受体，或称为停泊蛋白（DP）。,蛋白质的分选信号,根据结构的不同，细胞内至少存在两类蛋白质分选的信号：,信号序列（signal sequence）：存在于蛋白质一级结构上的线性序列，指导蛋白质的定向运输。位于蛋白质的N端，通常16-28个氨基酸组成。,信号斑（signal patch）：存在于完成折叠的蛋白质中。构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。,一些典型信号序列及功能,根据信号序列引导方向的不同，将蛋白质分选信号分为3种类型：,核定位信号：指导核蛋白的运输。不被切除。,导肽或前导肽：指导线粒体、叶绿体和过氧化 物酶体蛋白质的运输。被切除。,信号肽：指导内膜系统的蛋白质运输。完成蛋白质的定向转移之后被信号肽酶切除。,信号肽在蛋白质分选中的两个基本作用：,通过与SRP的识别和结合,引导核糖体与内质网结合;通过信号肽序列的疏水性,引导新生肽跨膜转运。,信号识别颗粒（SRP）：与信号序列结合的核糖核蛋白复合体，游离于细胞质中。有信号肽识别（含GTPase）和核糖体结构域，导致Pr合成暂停。可与内质网停泊蛋白结合。,分选信号识别装置,停泊蛋白（DP）：内质网膜上信号识别颗粒的受体,可与SRP特异结合。,分选信号识别装置,易位子：位于内质网膜上的蛋白复合体，又称转位因子，由3-4个Sec61蛋白构成的通道，其功能是帮助新合成的多肽进入内质网。,图6-17 分泌性蛋白质在内质网上合成过程图解 192页,分子伴侣：介导新生肽的折叠、装配成有功能活性的蛋白质分子家族，但不成为最后功能结构的组分。,信号肽（起始转移序列）与分泌蛋白,停止转移序列与跨膜蛋白,多次跨膜蛋白,7.5.2 蛋白质分选的基本途径与类型,1、细胞质基质中完成多肽链的合成，转运至膜围绕细胞器，线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核及细胞质基质中特定部位。后转运,2、细胞质基质中蛋白质合成起始后转移至粗面内质网，新生肽边合成边转入粗面内质网腔中，后经高尔基体运至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外。共转运,两条基本途径：,蛋白质分选的四种类型（分选的转运方式或机制）：,1、选择性的门控运输（gated transport）：指通过核孔复合体完成选择性的核输入和核输出。,2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨膜通道转运进入内质网、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等细胞器。如细胞质中合成的蛋白质通过线粒体上的转位因子进入线粒体。,3、膜泡运输（vesicular transport）：被运输的蛋白质被选择性地包装成运输小泡，定向转运到靶细胞器。如内质网向高尔基体的物质运输、高尔基体分泌形成溶酶体等运输方式。,4.细胞质基质中的蛋白质的转运。,膜泡运输,有被小泡类型,小G蛋白,组成与接合素蛋白,运输方向,网格蛋白重链和轻链AP2,质膜 内吞泡,网格蛋白重链和轻链AP1,高尔基体 内体,网格蛋白重链和轻链AP3,高尔基体 溶酶体,高尔基体 植物液泡,COP1有被小泡,Arf,Arf,COP1 蛋白复合体（7亚基）,高尔基体 内质网,COP有被小泡,Sar 1,COP 蛋白复合体（5亚基）,内质网 高尔基体,Clathrin网格蛋白有被小泡,有被小泡的类型和功能,V-SNARE:膜泡上的可溶性NSF附着蛋白受体,NSF：N-乙基马来酰亚胺敏感的融合蛋白(N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein),Rab:一种G蛋白,T-SNARE:靶细胞膜上的可溶性NSF附着蛋白受体。,运输小泡寻靶,SNAP:可溶性的NSF附着蛋白,参与溶酶体酶甘露糖残基的磷酸化酶：,N-乙酰葡萄糖胺磷酸转位酶,磷酸葡萄糖苷酶,蛋白质,甘露糖残基,碳链,UDP-P-P-GlcNAc,UMP-P,GlcNAc-P-,甘露糖残基,蛋白质,GlcNAc,甘露糖残基,蛋白质,P-,碳链,碳链,早期的信号假说(signal hypothesis),要点是:(1)分泌蛋白的合成始于细胞质中的游离核糖体;(2)合成的N-端信号序列露出核糖体后,靠自由碰撞与内质网膜上易位子蛋白复合体接触,然后以袢环形式边合成边穿过内质网的膜;(3)如果合成的是分泌的蛋白,除了信号序列被信号肽酶切除外,全部进入内质网的腔；若是膜蛋白,则由一个或多个停止转移信号将蛋白质锚定在内质网膜上。,核糖体同内质网的结合受制于mRNA中特定的信号序列，具有这种信号序列的新生肽与核糖体一起附着到内质网膜的特定部位。核糖体同内质网的结合是功能性结合，具有功能性和暂时性，并受时间和空间的限制。,新的信号假说的基本内容：,设计一个离体实验证明信号肽、SRP和SRP受体的功能：,非细胞系统 分泌蛋白基因,肝细胞中主要膜结合细胞器的体积比,溶酶体的发生过程,作业：,1、溶酶体的酶是如何经M6P分选途径进行分选的?2、为什么说高尔基体是一种极性细胞器?3、为什么说蛋白质的合成和分选运输是细胞中最重要的生命活动之一?4、2013年诺贝尔生理学或医学奖颁给了谁，他们的主要贡献是什么？,内膜系统最大特点是其动态的性质。内膜系统中的结构是不断变化的，其各自的位置是处于流动状态。穿梭小泡将细胞的生化合成、分泌和内吞作用连接成动平衡网络。,内质网的立体结构模式图及其与其他细胞器的关系,