基础医学细胞生物学-细胞质基质与内膜系统.ppt
细胞生物学与遗传学教研室 杨保胜E-mail:Tel:3029960(O)2008.3,第6章 细胞质基质与细胞内膜系统(2)（Cytomatrix and Endomembrane System）,内膜系统,内质网(endoplasmic reticulum),高尔基复合体(Golgi complex),溶酶体(lysosomes),过氧化氢体(peroxisomes)(核膜、小泡),intracellular compartments:endosomes,Nuclear-ER,Golgi,ER,lysosome,细胞内的房室化,The Endomembrane System is Complex.,2,3,1955年,de Duve等人,电镜-鼠肝细胞-细胞化学显示，含多种水解酶，分解各种内源和外源性物质，称为溶酶体。,一、溶酶体的形态结构与酶,溶酶体的形态特征,溶酶体是由一层单位膜包围，内含多种酸性水解酶的泡状结构。m圆形、卵圆形小体；也长杆状、蛇形称为管状溶酶体、线状溶酶体。,第四节 溶酶体与过氧化物酶体,4,4,lysosome,5,溶酶体的酶,溶酶体含有60多种水解酶，这些水解酶多为酸性水解酶，具有某些特征的同源序列；pH值4-6。,酶,蛋白酶（肽酶）,核酸酶,磷酸酶,糖苷酶（水解糖蛋白和糖脂、糖链的酶）,酯 酶,硫酸酯酶（分解氨基多糖的酶）,酸性磷酸酶（AcP酶)，acid phosphatase,三偏磷酸酶(TMP酶),标志酶,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,6,二、溶酶体膜的特性,溶酶体膜,膜上有H+质子泵：保持溶酶体基质内的酸性环境。,膜内存在特殊的转运蛋白：可运输消化水解的产物。,蛋白质高度糖基化：防止膜自身被水解消化。（两种跨膜整合蛋白的含量非常丰富，lgpA 和lgpB）,7,内吞体,三、溶酶体的形成,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,pH=6,成熟溶酶体,M-6-P(甘露糖-6-磷酸是一种分选信号),8,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,发生途径,9,溶酶体的发生过程,10,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、分泌溶酶体的水溶性蛋白穿孔素perforin 和粒酶granzyme）。,分选途径多样化,11,四、溶酶体的分类,初级溶酶体(primary lysosome)：只含酶，不含底物。,次级溶酶体(secondary l.)：吞噬性溶酶体(phago-)初级溶酶体+底物,次级溶酶体,异噬(heterophagic)溶酶体：初级溶酶体+外源物：异噬过程,+吞饮体,+吞噬体,+微吞饮小泡,多泡体,自(噬性)溶酶体(autophagic-)：初级溶酶体+内源性物质(自噬体)：自体吞噬（autophagy）,后溶酶体(末溶酶体、残质体residual body)：含有溶酶体内消化分解后的残余物质的溶酶体。如：脂褐质，髓样小体，含铁小体等。,终末溶酶体(telolysosome)：初级溶酶体消化后残质体,12,Phagocytosis,13,A summary of the phagocytic pathway,14,Lysosomes,15,五、溶酶体的功能,消化营养作用。防御作用。参与免疫作用。脏器的形成发生。参与受精过程。参与激素的合成、分泌过程。植物细胞的液泡含有多种水解酶，具有与动物细胞溶酶体类似的功能。,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,16,溶酶体的消化作用,异溶作用：对细胞内吞物的消化。,自噬作用：对自身物质的消化。,分泌自噬：对细胞内分泌颗粒的吞噬。,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,17,Coated pits,18,A summary of the autophagic pathway,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,19,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,残质体,异噬作用,自噬作用,胞外消化,20,清除无用的生物大分子、衰老损伤的细胞(器),很多生物大分子的半衰期只有几个小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天左右；红细胞120天（衰老红细胞特征，每天清除1011个），这些任务主要由溶酶体和蛋白酶体共同完成。“清道夫”或“细胞内消化器官（特殊的黏菌、变形虫）”,细胞受损后，细胞崩溃(内含溶酶体)，使周围组织溶解液化，而成脓液。清除发育和成体中凋亡的细胞。溶酶体储积病。,21,Autophagy,22,溶酶体参与免疫过程,抗原被巨噬细胞吞噬和处理(溶酶体参与)，使抗原物质保留下来，然后再将这免疫信息传递(携带或释放抗原)给T/B淋巴细胞，使他们分泌淋巴素或抗体。,免疫过程中形成的抗原抗体复合物（正常情况下被吞噬），在炎症或损伤时，可促使溶酶体释放中性蛋白酶，破坏血管的弹性蛋白而致脉管炎，破坏肾小球微血管基质引起肾小球肾炎，破坏肺的结缔组织而致肺气肿，破坏软骨而致关节炎。,23,溶酶体与脏器的形成与退化,脊椎动物胚胎发育至两性分化时，Mullerian ducts 在雌性发育成输卵管，在雄性退化，退化开始时发现其溶酶体的水解酶浓度增加，此变化不发生于雌性。睾酮可促进此类酶释放。雄激素调节。,两栖类发育中蝌蚪尾巴的消化，哺乳动物断奶后乳腺退行性变化等，都涉及某些特定细胞编程性死亡及周围活细胞对其的清除，这都与溶酶体相关。,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,24,当精子与卵外层膜接触后，形成小孔道，顶体内的各种酶（顶体酶）便被激发而释放到细胞外，称顶体反应（acrosome reaction）。,溶酶体参与受精过程,透明质酸酶使精子穿过卵丘的细胞层；放射冠穿透酶使精子冲破放射冠抵达透明带；而顶体素使精子突破透明带抵达卵黄膜；最后在一种尚不清楚的酶的作用下使精子入卵（产生抑制顶体素物质，封闭透明带，使其他精子不易进入卵。）。,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,25,参与激素合成：参与激素合成的原料摄取、加工、储存和已合成的激素的加工和成熟等。如甲状腺球蛋白被胞吞后，在溶酶体水解为甲状腺素T3、T4。参与激素释放：分泌颗粒-质膜靠近、吸附、融合、胞吐等，都有溶酶体参与。参与细胞内激素的降解：一些激素并不全部释放，降解量可占激素（肽类）的15-50%。,溶酶体参与激素的合成与分泌等,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,26,六、溶酶体与医学,溶酶体与疾病,溶酶体膜失常与疾病:矽肺、石棉沉着病、痛风,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。影响细胞的氧化磷酸化过程。引起细胞内pH下降(5以下)促进酶的激活,水解溶酶体膜。,（一）溶酶体与疾病发生,27,（二）溶酶体与疾病治疗,由于溶酶体活性异常或溶酶体膜稳定性异常都会引起相应的疾病，因此，,通过使用溶酶体膜稳定剂，增强膜的稳定性，可治疗因溶酶体膜稳定性降低所致的一些疾病。,通过使用溶酶体活化剂，降低溶酶体膜的稳定性，可用于肿瘤治疗正在引起人们的关注。,探索通过脂质体运载将酶（或特异性抑制剂）移入溶酶体治疗先天性溶酶体病。,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,28,1954年Rhodin,电镜小鼠肾小管上皮细胞微体(microbody),(一)过氧化物酶体(peroxisome)的形态结构,电镜：由一层单位膜包围、高电子密度、圆形或卵圆形的细胞器。亦见半月形或长方形。0.3-0.5um；最小 0.1um（人类与鸟类,微-）；最大 1.5um。有些细胞(如肝细胞)的peroxisome内含有晶状结构,称类核体(nucleoid)或类晶体。,七、过氧化物酶体,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,29,(二)过氧化物酶体所含的酶,酶,氧化酶：50%，特征：氧化底物的同时将氧还原成过氧化氢。如尿酸氧化酶，D/L-氨基酸氧化酶等。饮进的酒精几乎半数是在peroxisome中氧化成乙醛的。,过氧化氢酶：40%,作用：对氧化酶作用底物后形成的过氧化氢还原成水。,过氧化物酶：只有少数几种细胞(如血细胞)中含有此酶,将过氧化氢还原成水。,标志酶：过氧化氢酶。,此外,还含有柠檬酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶等.,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,30,(三)过氧化物酶体的功能,2H2O2,过氧化氢酶,2H2O+O2,防止H2O2在细胞内堆积，起保护细胞的作用。,功 能,对有毒物质的解毒作用：RH2+H2O2 R+2H2O,对细胞氧张力的调节作用：RH2+O2R+H2O2,对氧化型辅酶I(NAD+)的再生作用,参与核酸、脂肪和糖的代谢,植物细胞中的光呼吸反应和乙醛酸循环体(glyoxysome)。,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,31,(四)过氧化物酶体的起源,起 源,传统：内质网芽生而来。,与溶酶体相似：内质网小泡高尔基复合体分泌泡过氧化物酶体,近年来：过氧化物酶体的形成不同与溶酶体，其酶和蛋白质是由胞质中的游离核糖体合成输送而来，而膜的形成与rER有关。实验证明有一短序列指导胞液中合成的蛋白质输入到过氧化物酶体。推测在过氧化物酶体膜胞液面有识别该信号的受体蛋白，通过受体蛋白识别输入蛋白质上的信号而被输入。,杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室,32,新的过氧化物酶体的产生,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,33,第五节 细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装,除线粒体和叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数的蛋白质均在细胞质基质中或内质网上的核糖体上开始合成，然后转运到细胞的特定部位，这一过程称蛋白质的定向转运（protein targeting）或分选（sorting）。分泌蛋白合成的模型信号假说 蛋白质分选与分选信号 膜泡运输 细胞结构体系的组装,34,Transport Into the Cell From the Plasma Membrane:Endocytosis,Endocytic pathway,35,一、分泌蛋白合成的模型信号假说,信号假说(Signal hypothesis)。GBlobel et al：Signal hypothesis,1975。信号肽(Signal peptide)与共转移(Cotranslocation)导肽(Leader peptide)与后转移(Post translocation)）。蛋白质N-端的信号肽（signal peptide）。信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）。信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白docking protein，DP）等。,36,信号肽的一级序列 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型病毒糖蛋白gp160信号肽为例，显示两者n区长度明显不同。,37,在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系,*“+”和“-”分别代表反应混合物中存在（+）或不存在（-）该物质。,38,起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜次数。跨膜蛋白的去向。蛋白质在胞质中合成后再转移到细胞器中，称后转移(post translocation)。蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。,39,2.合成起始后转入RER腔中或嵌入ER膜中，随后经高尔基体至溶酶体、细胞膜或分泌到细胞外，或作为ER和高尔基体自身的蛋白质。,二、蛋白质分选的基本途径与类型,1.在胞质合成,然后转运至膜围绕的细胞器。,40,继信号肽后，又发现了一系列蛋白质分选信号(sorting signals)序列(见下表)），通称信号序列。,41,从蛋白质分选的类型或机制角度可分为4种基本类型,门控运输(gated t.)。跨膜运输(transmembrane t.)。膜泡运输(vesicular t.)。细胞质基质中的蛋白质的转运。,42,蛋白质的分选信号与运输途径,蛋白质分选信号是蛋白质分子上的一段特殊的氨基酸序列，称为信号肽（signal peptide）。定位于不同部位的蛋白质，其信号肽的氨基酸序列及其在蛋白质中的位置是不同的，从而决定蛋白质的不同去向。,游离核糖体负责合成输送到细胞核、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体的蛋白质，以及驻留在胞质溶胶的蛋白质。,43,Formation of coated vesicles in a cell-free system,44,Coated vesicles,45,Targeting lysosomal enzymes to lysosomes,46,Accumulation of COP-coated vesicles,47,蛋白质的分选信号与运输途径(1),输送到细胞核的蛋白质带有核定位信号(nuclear localization signal,NLS)或称为核输入信号(nuclear import signal,NIS)；是一类富含碱性氨基酸的短肽，可位于蛋白质的任何部位。,输送到线粒体的蛋白质其氨基端有一螺线信号。输送到过氧化物酶体的蛋白质其羧基端有一个三肽信号。输送到ER的蛋白质，其信号肽位于氨基端。,48,Proposed steps in the targeting of transport vesicles to target membranes,49,A model of the interactions between v-and t-SNAREs leading to membrane fusion and exocytosis,50,An overview of the biosynthetic/secretory and endocytic pathways that unite endomembranes into a dynamic,interconnected network,51,蛋白质的分选信号与运输途径(2),输送到调节性分泌小泡中的分泌性蛋白质带有浓缩信号(concentrating signal)；,输送到溶酶体的蛋白质带有果糖-6-磷酸信号；,驻留在ER的蛋白质，在其羧基端有KDEL信号(Lys-Asp-Glu-Leu-COO，赖-天-谷-亮)；,驻留在Gc的蛋白质，带有跨膜螺线信号。,定位于胞质和细胞表面的蛋白质没有分选信号，这种定位方式称为违约或欠缺途径(default pathway)。,52,The role of dynamin in the formation of clathrin-coated vesicles,Molecular organization of a coated vesicle,53,Importing proteins into a mitochondrion,54,Importing proteins into a chloroplast,55,四、细胞结构体系的组装,生物大分子组装方式：有些装配过程需ATP或GTP提供能量或其它成份的介入或对装配亚基的修饰。自我装配的信息存在于装配亚基的自身，细胞提供的装配环境。,生物大分子的组装方式:自我装配(self-assembly),协助装配(aided-assembly),直接装配(direct-assembly),复杂的细胞结构及结构体系的组装。,56,装配具有重要的生物学意义,1.减少和校正蛋白质合成中出现的错误 2.减少所需的遗传物质信息量 3.通过装配与去装配更容易调节与控制 多种生物学过程:核小体;核糖体;mRNA-多聚核糖体;DNA复制起始物;spliceosome;proteosome;电子呼吸链;三羧酸循环酶系及细胞骨架等的装配。,57,作业与思考,1.名词解释：endomembrane system；microsome；ER;RER;SER;molecular chaperon；glycosylation；cis Golgi complex(CGN);MGN;TGN;protein sorting；residual body;microbody;signal recognition particle(SRP)；clathrin coat;autolyosome;autophagy;phagosome;pinosome;heterophagy;protein sorting；residual body;crinphagy;acrosome reaction;exocytosis 2.内膜系统包括哪些细胞器?各细胞器的结构特点如何?3.举例说明信号假说与内质网的哪种功能有关?4.举例说明高尔基体结构的区室化与它的功能有何关系?5.请以分泌蛋白为例说明内膜系统中的物质流动和变化过程。6.溶酶体是如何形成的，它在细胞中有何作用?7.What is the function of all the specialized compartments?8.How are specialized membranes and proteins directed/targeted to a specialized site/compartment?,58,Bye-bye!,
