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第六章 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,基质与内膜1修改课件,第六章 细胞质基质与细胞内膜系统细胞质基质 基质与内,第一节 细胞质基质,1. 细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix）2. 细胞内膜系统（endomembrane system）概述,基质与内膜1修改课件,第一节 细胞质基质1. 细胞质基质 （cytopl,第二节 内 质 网,1. 内质网(endoplasmic reticulum,ER)的形态结构2. ER的功能,基质与内膜1修改课件,第二节 内 质 网1. 内质网(endoplasm,第三节 高尔基体,最早发现于1855年，1889年，Golgi用银染法在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。 1. 高尔基体的形态结构 2. 高尔基体的功能 3. 高尔基体与细胞内的膜泡运输,基质与内膜1修改课件,第三节 高尔基体 最早发现于,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。1. 溶酶体的结构类型 2. 溶酶体的功能3. 溶酶体的发生4. 溶酶体与过氧化物酶体,基质与内膜1修改课件,第四节 溶酶体与过氧化物酶体 溶酶体几乎存在于所有的,第五节 细胞内蛋白质的分选,1. 分泌蛋白合成的模型-信号假说 2. 蛋白质分选与分选信号,基质与内膜1修改课件,第五节 细胞内蛋白质的分选1. 分泌蛋白合成的模型,1. 细胞质基质 （cytoplasmic matrix or cytomatrix）,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,1.1 细胞质基质的涵义 1.2 细胞质基质的功能,基质与内膜1修改课件,1. 细胞质基质 （cytoplasmic matrix,1.1 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，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学 家多称之为胞质溶胶。 1.2 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。 1.3 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。,1. 细胞质基质的涵义,基质与内膜1修改课件,1.1 基本概念：1. 细胞质基质的涵义基质与内膜1修改,1.2.1 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1.2.2 蛋白质的分选与运输1.2.3 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 1.2.4 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,1.2 细胞质基质的功能,基质与内膜1修改课件,1.2.1 完成各种中间代谢过程 1.2 细胞质基质的功,2. 细胞内膜系统概述,2.1 概念: 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。2.2 功能: 真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization）：,基质与内膜1修改课件,2. 细胞内膜系统概述2.1 概念: 基质与内膜1修改课,1. 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）,基质与内膜1修改课件,1. 内质网的形态结构内质网的两种基本类型基质与内膜1修,2. ER的功能,ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部膜脂和多种重要蛋白都是在内质网合成的。,2.1 rER的功能 2.2 sER的功能,基质与内膜1修改课件,2. ER的功能ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，,2.1 rER的功能,2.1.1 蛋白质合成2.1.2 蛋白质的修饰与加工2.1.3 新生肽的折叠与组装2.1.4 脂类的合成,基质与内膜1修改课件,2.1 rER的功能2.1.1 蛋白质合成基质与内膜1,2.2 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,返回,基质与内膜1修改课件,2.2 sER的功能 类固醇激素的合成（生殖腺,2.1.1 蛋白质合成,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。,基质与内膜1修改课件,2.1.1 蛋白质合成 分泌蛋白；整合膜蛋白；内膜系统,2.1.2 蛋白质的修饰与加工,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- linked glycosylation（Ser/Thr or Hylys/Hypro）酰基化发生在ER的细胞质基质侧：软脂酸Cys,基质与内膜1修改课件,2.1.2 蛋白质的修饰与加工修饰加工：糖基化、羟基化、酰,2.1.3 新生肽的折叠与组装,不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同，主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间，这一过程是在属于hsp70家族的ATP酶的作用下完成的，需要消耗能量。有些无法完成正确折叠的蛋白质被输出内质网转入细胞质基质降解掉， 蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）可以切断二硫键，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）可以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。,基质与内膜1修改课件,2.1.3 新生肽的折叠与组装,2.1.4 脂类的合成,ER合成细胞所需绝大多数膜脂（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。,基质与内膜1修改课件,2.1.4 脂类的合成ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包,1. 高尔基体的形态结构,1.1形态结构：由数个扁平膜囊和大小不等的囊泡构成的有极性的细胞器，常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形，凸出的一面对着内质网称为形成面（forming face）或顺面（cis face）。凹进的一面对着质膜称为成熟面（mature face）或反面（trans face）。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡，在具有极性的细胞中，高尔基体常大量分布于分泌端的细胞质中。1.2功能区隔：高尔基体至少由互相联系的3个部分组成，每部分又可能划分出更精细的间隔1.3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处，高尔基的膜囊上存在微管的马达蛋白（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）网架也存在于高尔基体处。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。,基质与内膜1修改课件,1. 高尔基体的形态结构1.1形态结构：由数个扁平膜囊和大小,培养的上皮细胞中高尔基体的分布（高尔基体为红色，核为绿色）,基质与内膜1修改课件,培养的上皮细胞中高尔基体的分布（高尔基体为红色，核为绿色）,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）,基质与内膜1修改课件,扁囊弯曲成凸面基质与内膜1修改课件,高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应, 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,基质与内膜1修改课件,高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应 嗜锇反应的高尔基体, 高尔基体顺面网状结构（cis-Golgi network，CGN）：高尔基体顺面的网络结构（cis Golgi network，CGN），是高尔基体的入口区域，接受由内质网合成的物质并分类后转入中间膜囊。 高尔基体中间膜囊（medial Golgi）：多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。 高尔基体反面网状结构（trans Golgi network，TGN）：由反面一侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。 ,高尔基体的3个组成部分,基质与内膜1修改课件, 高尔基体顺面网状结构（cis-Golgi networ,高尔基体顺面网状结构, 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,基质与内膜1修改课件,高尔基体顺面网状结构 RER（蛋白质和脂类）（蛋,高尔基体反面网状结构, 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”作用，保证单向转运,基质与内膜1修改课件,高尔基体反面网状结构 TGN中的低pH值；标志酶CMP酶,2. 高尔基体的功能,高尔基体的主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。 2.1 参与细胞分泌活动 :负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程是SER上合成蛋白质进入ER腔以出芽形成囊泡进入CGN在medial Gdgi中加工在TGN形成囊泡囊泡与质膜融合、排出。 高尔基体对蛋白质的分类，依据的是蛋白质上的信号肽或信号斑。 2.2 蛋白质的糖基化及其修饰2.3 蛋白酶的水解和其它加工过程2.4其它功能,基质与内膜1修改课件,2. 高尔基体的功能 高尔基体的,2.4高尔基体的其它功能,1、进行膜的转化功能：高尔基体的膜无论是厚度还是在化学组成上都处于内质网和质膜之间，因此高尔基体在进行着膜转化的功能，在内质网上合成的新膜转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成运输泡与质膜融合，使新形成的膜整合到质膜上。2、参与形成溶酶体。3、参与植物细胞壁的形成。4、合成植物细胞壁中的纤维素和果胶质。,基质与内膜1修改课件,2.4高尔基体的其它功能1、进行膜的转化功能：高尔基体的膜无,2.2 蛋白质的糖基化及其修饰,2.2.1 蛋白质糖基化类型2.2.2 蛋白质糖基化的特点及其生物学意义2.2.3 植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖,基质与内膜1修改课件,2.2 蛋白质的糖基化及其修饰2.2.1 蛋白质糖基化类,蛋白质糖基化类型,N-连接与O-连接的寡糖比较,基质与内膜1修改课件,蛋白质糖基化类型 特 征 N,2.2.2 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。,基质与内膜1修改课件,2.2.2 蛋白质糖基化的特点及其生物学意义 糖蛋白寡糖链,2.3蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型,2.3.1 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。2.3.2 硫酸化:在高尔基体中进行的肽链酪氨酸残基的硫酸化作用,基质与内膜1修改课件,2.3蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型2.3.1,3. 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,基质与内膜1修改课件,3. 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,1. 溶酶体的结构类型,1.1 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； 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。1.2 溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acid phosphatase）1.3 溶酶体的 类型,基质与内膜1修改课件,1. 溶酶体的结构类型1.1 溶酶体膜的特征：基质与内,1.3 类型,1.3.1 初级溶酶体（primary lysosome） 1.3.2 次级溶酶体（secondary lysosome） 自噬溶酶体（autophagolysosome） 异噬溶酶体（phagolysosome） 1.3.3 残余小体（residual body），又称后溶酶体。,基质与内膜1修改课件,1.3 类型 1.3.1 初级溶酶体（primar,2. 溶酶体的功能,2.1 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2.2 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）2.3 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。 ,基质与内膜1修改课件,2. 溶酶体的功能2.1 清除无用的生物大分子、衰老的细胞器,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。,基质与内膜1修改课件,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,3. 溶酶体的发生,3.1 发生途径3.2 发生途径多样化,基质与内膜1修改课件,3. 溶酶体的发生3.1 发生途径基质与内膜1修改课件,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,基质与内膜1修改课件,溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（RER） 高尔基体ci, 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）,3.2 发生途径多样化,基质与内膜1修改课件, 依赖于M6P 的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过3,4. 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。4.1 过氧化物酶体与溶酶体的区别4.2过氧化物酶体的功能,基质与内膜1修改课件,4. 溶酶体与过氧化物酶体 过氧化物酶体(per,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）,基质与内膜1修改课件,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,4.1 过氧化物酶体与溶酶体的区别,基质与内膜1修改课件,4.1 过氧化物酶体与溶酶体的区别基质与内膜1修改课件,4.2 过氧化物酶体的功能,4.2.1 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； 过氧化氢酶，作用是将H2O2分解，形成水和氧气。4.2.2 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。4.2.3 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。,基质与内膜1修改课件,4.2 过氧化物酶体的功能4.2.1 动物细胞（肝细胞或肾,1. 分泌蛋白合成的模型-信号假说,1.1 信号假说(Signal hypothesis) GBlobel et al：Signal hypothesis,19751.2 信号肽（Signal peptide）与共转移（Cotranslocation） 1.3 导肽（Leader peptide）与后转移（Post translocation）,基质与内膜1修改课件,1. 分泌蛋白合成的模型-信号假说1.1 信号假说(,1.1 信号假说,1.1.1 信号假说内容 1.1.2 有关成分: 指导因子： 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,基质与内膜1修改课件,1.1 信号假说1.1.1 信号假说内容 基质与内膜1修,1.2 信号肽与共转移,1.2.1 起始转移序列和终止转移序列 1.2.2 起始转移序列和终止转移序列的数目决定多肽跨膜 次数,基质与内膜1修改课件,1.2 信号肽与共转移基质与内膜1修改课件,1.3 导肽与后转移,1.3.1 基本的特征：蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，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。 1.3.2 存在部位: 线粒体,叶绿体及过氧化物酶体中的大部分蛋白质以该方式进入。1.3.3 分子“伴侣”（molecular chaperones）:细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子“伴侣”。,基质与内膜1修改课件,1.3 导肽与后转移1.3.1 基本的特征：蛋白质在细胞,2. 蛋白质分选（protein sorting） 与分选信号（sorting signals）,2.1 分选途径 2.2 分选信号,基质与内膜1修改课件,2. 蛋白质分选（protein sorting）,分选途径（Road map）,门控运输（gated transport）:核孔复合体跨膜运输（transmembrane transport）；膜泡运输（vesicular transport）,基质与内膜1修改课件,分选途径（Road map） 门控运输（gated tra,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）,基质与内膜1修改课件,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,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,高尔基体的三个功能区域,基质与内膜1修改课件,高尔基体的三个功能区域 基质与内膜1修改课件,2.1 高尔基体与细胞的分泌活动,基质与内膜1修改课件,2.1 高尔基体与细胞的分泌活动 基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,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（朴英杰）,基质与内膜1修改课件,小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体基质与内膜1修改课件,动物细胞溶酶体系统示意图,基质与内膜1修改课件,动物细胞溶酶体系统示意图 基质与内膜1修改课件,溶酶体的发生过程,基质与内膜1修改课件,溶酶体的发生过程 基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,信号肽的一级序列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型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，显示出两者的n区长度明显不同,基质与内膜1修改课件,信号肽的一级序列基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,基质与内膜1修改课件,