细胞生物学细胞质基质与细胞内膜系统.ppt

第七章 细胞质基质与细胞内膜系统,第一节 细胞质基质 cytoplasmic matrix,基本概念：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，称细胞质基质。,细胞质基质与胞质溶胶：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。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。,细胞质基质是一个高度有序的体系，其中细胞质骨架纤维贯穿在粘稠的蛋白质胶体中，多数的蛋白质直接或间接地与骨架结合从而完成特定的生物学功能。,特点：,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 蛋白质的合成与脂肪酸的合成2 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,细胞质基质的功能,3 蛋白质修饰和选择性降解,1）辅酶或辅基与酶的共价结合。2）磷酸化与去磷酸化。3）糖基化。,1.蛋白质的化学修饰,O-linked oligosaccharide,N-linked oligosaccharides,4）对某些蛋白质的N-端进行甲基化修饰。5）酰基化。,src 基因编码的酪氨酸激酶与豆蔻酸的共价结合，促使激酶转移并靠豆蔻酸链结合到细胞质膜上，只有这样，细胞才能被转化。,2.蛋白质的选择性降解,决定蛋白质寿命的信号为存在于N端的第一个氨基酸:N端第一个是：Gly、Pro、Ser、Met、Thr、Ala、Val、Cys，稳定N端第一个是其他12种不稳定，能被泛素降解途径（ubiquitin-dependent pathway）所识别，目的蛋白的Lys被泛素化后送往蛋白酶复合体（proteosome）降解.泛素降解途径(ubiquitin-dependent pathway)：泛素是一种由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白，具有蛋白质降解和细胞周期调控等多种生物学功能。,3.降解变性和错误折叠的蛋白质,分子伴侣(chaperones)是一种引导蛋白质正确折叠的蛋白质。当蛋白质折叠时，它们能保护蛋白质分子 免受其它蛋白质的干扰。很多分子伴侣属于热休克蛋白（heat shock protein，Hsp）.,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,4.对蛋白质结构的修饰：,1.molecular chaperone：与未折叠或部分折叠的蛋白质结合，防止蛋白质降解。2.Chaperonin：陪伴蛋白。多个分子伴侣蛋白形成的复合体，能直接推动蛋白质的折叠。,4.对蛋白质结构的修饰：,分子伴侣(chaperones),细胞内膜系统(endomembrane systems),概念：细胞内膜系统是在结构、功能、乃至发生上相关的，由膜围绕的细胞器或细胞结构。主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。,内膜系统是动态的,这些膜是相互流动的，处于动态平衡，功能上相互协调,ER 是真核细胞中最大的细胞器 ER的膜占细胞膜系统的一半 所包围的体积占细胞总体积的10%,ER,一、内质网的形态结构,内质网(endoplasmic reticulum,ER),微粒体-细胞匀浆等人工过程，破碎的内质网形成的近似球形的囊泡,内质网的化学组成,主要为蛋白质、脂类。磷脂占50%-60%,蛋白质约占20%。内质网的标志酶是葡萄糖-6-磷酸酶和 CytP-450。细胞色素P450在内质网膜中最为丰富P4,内质网的化学组成,三、内质网的类型,核糖体,粗面内质网,滑面内质网,分为粗面型内质网（rough endoplasmic reticulum，RER）和光面型内质网（smooth endoplasmic reticulum，SER）。RER呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着。分别是ER连续结构的一部分。,A 光面内质网的功能,脂的合成与转运,内质网的功能,磷脂转位因子 磷脂的转位是由内质网膜中磷脂转位因子或称翻转酶帮助的。有选择性的,保证了膜中磷脂分布的不对称。,合成包括磷脂和胆固醇几乎全部的膜脂。其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。3种酶都在ER上。,磷脂转运有两种方式。一种是凭借一种水溶性蛋白,叫磷脂交换蛋白(phospholipid exchange protein,PEP)的作用另一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞质膜上,磷脂转运：,糖原分解释放葡萄糖,解毒作用 光面内质网含有一些酶用于清除一些脂溶性废物以及代谢产生的有害物质.丰富的氧化酶系统(如细胞色素P450、NADH细胞色素C还原酶等)能使许多有害物质解毒,转化为易于排出的物质。,Ca2+离子浓度的调节作用 肌质网是细胞内特化的光面内质网,是贮存Ca2+的细胞器。,Proteins synthesized on ribosomes of RER include:向细胞外分泌的蛋白质膜的整合蛋白构成细胞器中的可溶性驻留蛋白,粗面内质网的功能,蛋白质的合成蛋白质转运,包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。,蛋白质的修饰与加工,内质网上进行N-连接的糖基化。糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇分子上，装配成寡糖链。再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺残基上。,RER腔中丰富的蛋白二硫健异构酶（PDI）和分子伴侣系统，为蛋白质多肽链的折叠提供了极为有利的环境。,2.粗面内质网与蛋白质的折叠,蛋白二硫异构酶（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Bip蛋白是一类分子伴侣,属于Hsp70家族。,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。,Bip在ER蛋白质的折叠作用,一、高尔基复合体的形态结构,高尔基体的形态结构,高尔基体是一种有极性的细胞器位置恒定,结构极性,功能极性：,电镜,扁平囊/中间高尔基网(包括顺面、中间和反面扁囊)/高尔基堆,成熟面(mature face),小囊泡/顺面高尔基网/形成面/未成熟面/凸面,大囊泡/反面高尔基网/分泌面/凹面,形成面(forming face),光镜：网状结构,高尔基体顺面网状结构（CGN）又称cis膜囊 高尔基体中间膜囊 多数糖基修饰；糖脂的形成；多糖的合成 高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体网状结构（trans Golgi network，TGN）,高尔基体的4个组成部分,嗜锇反应：cis面膜囊被特异地染色；焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)：可特异显示高尔基体的trans面的12层膜囊；烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)或甘露糖酶：可显示高尔基体中间几层扁平囊；胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)或核苷酸二磷酸酶：可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶。,高尔基体各部膜囊的种标志细胞化学反应,高尔基体的主要功能是将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，然后分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输，因此可以说，高尔基体是细胞内大分子运输的一个主要交通枢纽。此外高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂，在细胞生命活动中起多种重要的作用。,二、高尔基体的功能,O-连接的糖基化 将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基上，称为O-连接的糖基化。N-连接的寡聚糖进一步加工：内质网上：磷酸多萜醇上的糖基转移到多肽的天冬酰胺（Asn）上 高尔基体：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的单糖，形成成熟的糖蛋白,高尔基体中蛋白质的糖基化,高甘露糖侧链的修饰,成熟的N-连接的寡糖链,哺乳动物高尔基体中进行的修饰过程,复杂的N-连接糖基化,N-连接与O-连接的寡糖比较,蛋白质的糖基化生物学意义,不同的蛋白质的糖基化具有不同的功能,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。,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。,蛋白质在高尔基体中酶解加工类型,蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽，如神经肽等。(泛素分子)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。(脑啡肽原、ACTH/内啡肽原和强啡肽原)不同的肽的不同加工方式：1.有些多肽分子太小，在核糖体上难以有效地合成，如只有5个aa的神经肽。2.有些可能缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号。3.防止活性物质在合成部位发挥活性。硫酸化作用也在高尔基中进行，供体3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸，PAPS,蛋白质在高尔基体中酶解加工类型,1949年，de Duve将大鼠肝组织匀浆，并对其中各种细胞器进行分级分离，以期找出哪些细胞器与糖代谢的酶有关。在测定作为对照的酸性磷酸酶活性时，发现酶的活性主要在线粒体的组分中。但实验结果却出现了一些反常的现象，如蒸馏水提取物中酶的活性比在蔗糖渗透平衡液抽提物中酶的活性高。放置一段时间的抽提物比新鲜制品中的酶活性高，而且其酶的活性却与沉淀物线粒体无关。随后又发现其它几种水解酶也有类似的现象，从而推测在线粒体组分中还存在一种新的细胞器。1955年，de Duve与Novikoff合作首次用电子显微镜证明了溶酶体的存在。,溶酶体(lysosome),溶酶体（lysosome）几乎存在于所有的动物细胞中。溶酶体是单层膜围绕、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(lysosome),溶酶体的特点：,1、溶酶体是一种异质性的细胞器,溶酶体的类型,初级溶酶体(primary lysosome)次级溶酶体(secondary lysosome)自噬性溶酶体(aotolysosome)异噬性溶酶体(heterolysosome)后溶酶体(post lysosome),初级溶酶体（primary lysosome）,此类溶酶体是含有有多种酸性水解酶，但无作用底物，外面只有一层单位膜，其中的酶处于非活性状态。,次级溶酶体（secondary lysosome）,此类溶酶体中含有水解酶和相应的底物，是正在进行或完成消化作用的溶酶体，可分为自噬溶酶体和异噬溶酶体。,肝细胞脂褐质,后溶酶体（残体）Residual body,已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如肝细胞中的脂褐质。,2、溶酶体内含有50多种酸性水解酶,-the principal sites of intracellular digestion.,Lysosomes can digest every kind of biological molecule.,酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶，,溶酶体的膜上具有多种载体蛋白用于水解产物向外转运溶酶体的膜上嵌有质子泵溶酶体的膜蛋白高度糖基化溶酶体的膜含有能促进膜稳定性的胆固醇,3、溶酶体膜稳定性,溶酶体的主要功能是消化作用，根据其消化的物质又可将他的作用分为以下3种：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,二、溶酶体的功能,溶酶体和蛋白酶体：（1）很多生物大分子的半寿期只有几个小时至几天，（2）肝细胞中线粒体的平均寿命约10天（3）细胞质膜不断更新，（4）成人的红细胞仅能存活120天，每天要清除1011个红细胞，（5）发育中和成体凋亡的细胞,2防御作用,（1）吞噬细胞位于肝、脾及血管中，清除抗原-抗体复合物 单核细胞巨噬细胞（过氧化物及超氧过物）（2）麻疯杆菌、利什曼原虫、某些病毒利用吞噬细胞的吞噬作用进入细胞抑制溶酶体酶的活性，在细胞内释放核壳进行增殖。,3.其它重要的生理功能（1）作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养。,（2）在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，可能参与分泌过程的调节。甲状腺球蛋白（腺体内腔）溶酶体水解成甲状腺素，然后分泌到细胞外毛细血管中。免疫应答的抗原递呈过程。（3）两栖类发育过程中蝌蚪尾巴的退化，哺乳动物断奶后乳腺的退行性变化等都涉及某些特定细胞程序性死亡及周围活细胞将其清除，这些过程都与溶酶体有关。,（4）在受精过程中的作用，精子的顶体相当于特化的溶酶体，其中含多种水解酶类，如透明质酸酶、酸性磷酸酶及蛋白水解酶等，它能溶解卵细胞的外被及滤泡细胞，产生孔道，使精子进入卵细胞。,在细胞凋亡过程中以出芽的形式形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬并消化。,自噬作用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,溶酶体的生物发生,溶酶体的形成是一个相当复杂的过程,涉及的细胞器有内质网、高尔基体和内体.,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。,过氧化物酶体(peroxisome),过氧化物酶体(peroxisom)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。,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，DL-氨基酸氧化酶等,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。,标志酶：过氧化氢酶。,微体与初级溶酶体的特征比较,新的过氧化物酶体的发生,蛋白质的分选,蛋白质在细胞质中起始合成后,或是在细胞质基质中,或是转移到粗面内质网上继续合成,然后通过不同的途径转运至细胞的特定部位的过程称为蛋白质的定向转运或蛋白质分选。,第五节 细胞内蛋白质的分选,后转移(翻译后运输):,共转移(共翻译运输),1、门控运输（gated transport）：如核孔可以选择性的主 动运输大分子物质和RNP复合体，并且允许小分子物质自由 进出细胞核。2、跨膜运输（transmembrane transport）：蛋白质通过跨 膜通道进入目的地。如细胞质中合成的蛋白质在信号序列 的引导下，通过线粒体上的转位因子，以解折叠的线性分 子进入线粒体。3、膜泡运输（vesicular transport）：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、细胞摄入某 些营养物质或激素，都属于这种运输方式。4、蛋白质在细胞基质中的运输（细胞骨架体系）。,从蛋白质分选的类型或机制的角度看，可以分为以下途径,细胞内合成的蛋白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：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence）。其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor）。,蛋白质分选的基本原理,靠新生肽上的特殊的信号序列以及加工后形成的标记与特定的受体相互作用而完成的.,信号序列的作用,靶向输送蛋白的信号序列,信号斑（Signal patch）,共转移：在细胞质中起始合成后转移到粗面内质网上合成的蛋白质，肽链在粗面内质网膜上边合成边转移到内质网腔中称为共转移。,合成后蛋白的去向,1.进入内质网腔中,2.跨膜蛋白的合成,信号-锚定序列（signal-anchor sequence）：引导新生肽链从细胞质进入内质网并锚定在内质网膜中。,停止转运-锚定序列（stop transfer anchor sequence）：它是存在于新生肽中能够使肽链通过膜转移停止的一段信号序列,结果导致蛋白质锚定在膜的双脂层,停止转运信号以螺旋的形式锚定在双脂层。,蛋白质的分选运输途径主要有四类：1、门控运输（gated transport）：2、跨膜运输（transmembrane transport）：3、膜泡运输（vesicular transport）：4、蛋白质在细胞基质中的运输（细胞骨架体系）。,胞内膜泡运输沿微管或微丝运行，动力来自马达蛋白。与膜泡运输有关的马达蛋白有3类：一类是动力蛋白（dynein），可向微管负端移动；另一类为驱动蛋白（kinesin），可牵引物质向微管的正端移动；第三类是肌球蛋白（myosin）,可向微丝的正极运动。在马达蛋白的作用下，可将膜泡转运到特定的区域，,细胞内部内膜系统各个部分之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体；细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。膜泡运输是一种高度有组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器，不同的膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。,三 膜泡运输(Vesicle translocation）,膜泡运输是蛋白运输的一种特有的方式，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。,三种不同类型的包被小泡,网格蛋白有被小泡,COPII有被小泡,COPI有被小泡,在受体介导的细胞内吞途径中，也负责将物质从质膜细胞质，胞内体溶酶体,1.网格蛋白有被小泡,网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输泡运输。高尔基体TGN是网格蛋白有被小泡形成的发源地,网格蛋白(clathrin),50100nm,五边形网格结构,三腿蛋白,当网格蛋白衣被小泡形成时，可溶性蛋白dynamin聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断衣被小泡。,The formation of clathrin-coated pits in the TGN,2.COPII有被小泡,这种类型的小泡是介导从ER到顺面高尔基体、从顺面高尔基体到高尔基体中间膜囊、从中间膜囊到反面高尔基体的运输。小泡的外被是外被蛋白COP(coat protein)，外被蛋白是一个大的复合体，称为外被体(coatomer),是个多亚基的蛋白复合物。构成的亚基有Sec23/Sec24、Sec13/Sec31和Sec16等,COP被膜小泡的装配COP小泡的装配需要一种称为Sar1的G蛋白的参与。当Sar1中GDP与GTP进行了交换,诱导Sec23和Sec24蛋白的结合,接着是Sec13和Sec31蛋白的结合,最后由一种结合在ER表面的大蛋白质,Sec16与Sec23/Sec24复合物、Sec13/Sec31复合物相互作用,装配成一个完整的小泡。,COP是一种胞质溶胶蛋白质复合物,由7个亚基组成:、。COP在出芽小泡的胞质溶胶面聚合,形成COP被膜小泡。由COP作为外被的小泡称为COP 被膜小泡。功能：负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网。内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体。内质网通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。COP I衣被小泡还可以介导高尔基体不同区域间的蛋白质运输。,3、COP I衣被小泡,COP被膜小泡的形成,装配反应因子(assembly reaction factor,ARF)装配反应因子是外被体外被的装配和去装配的信号。ARF是一种单体GTPase。,内质网的结构和功能蛋白羧基端的一个四肽序列:Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL信号序列。这段序列在高尔基体的膜受有相应的受体,一旦进入高尔基体就会被高尔基体上的受体结合,形成Cop I回流小泡被运回内质网,所以将该序列称为内质网滞留信号。内质网的膜蛋白（如SRP受体）在C端有一个不同的回收信号，通常是Lys-Lys-X-X（KKXX，X：任意氨基酸），同样可保证它们的回收。,内质网滞留信号(ER retention signal),衣被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs和Rabs。其中SNARE介导运输小泡特异性停泊和融合，Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜。,小泡的定向运输、停靠和融合机理,James Rothman和他的同事根据对动物细胞融合研究的发现,提出有关小泡寻靶的SNARE假说(SNARE hypothesis),不同的小泡具有不同的SNAREs,SNAREs的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合。动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs。,Rabs Rab属于单体GTP酶，已知30余种。位于膜上，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合,调节SNAREs复合体的形成。Rabs还有许多效应因子，其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜.,SNAREs,v-SNAREs和 t-SNAREs都具有一个螺旋结构域，能相互缠绕形成跨SNAREs复合体（trans-SNAREs complexes），并通过这个结构将运输小泡的膜与靶膜拉在一起，实现运输小泡特异性停泊和融合,在SNAREs接到新一轮的运输小泡停泊之前，SNAREs必须以分离的状态存在，NSF催化 SNAREs的分离，它是一种类似分子伴娘的ATP酶，它能利用ATP作为能量通过插入几个适配蛋白（adaptor protein）将SNAREs复合体的螺旋缠绕分开，以便开始下一轮的转运。,名词解释：内膜系统 微粒体 信号识别颗粒 共转移（cantranslocation）与后转移（post translocation）蛋白分选（protein sorting）微体 问答:1 什么是细胞质基质？其主要结构组成与功能是什么？2 滑面内质网与糙面内质网有何差异？有哪些主要功能？3 高尔基复合体具有哪些功能？4 高尔基体在形态结构上至少由互相联系的那几个部分组成，请简述各部分的功能。5 溶酶体的基本功能是什么？6 溶酶体的发生过程是什么？7 如果从蛋白质的类型或机制的角度看，蛋白质分选的途径有哪些类型?8 膜泡运输方式中有哪几种同类型的包被小泡,各有什么功能?,