细胞质基质与内膜系统.ppt

第7章 细胞质基质与内膜系统,本章主要内容,细胞质基质及其功能细胞内膜系统及其功能内质网高尔基体溶酶体过氧化物酶体,功能,在结构、功能乃至发生上是彼此相关的由单层膜包绕形成的动态细胞器，包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。,细胞质基质与内膜系统,细胞质基质,内膜系统,基本概念,过氧化物酶体,高尔基体,在真核细胞中除去由生物膜形成的细胞器外的剩余空间,糙面内质网：蛋白质合成，糖基化，二硫键形成与重排，折叠 与组装修饰，应激反应光面内质网：膜脂合成，解毒作用，类固醇合成，钙离子储存,形态结构 极性:体现在形态、膜囊内的化学组成及功能不一样,动物细胞中：解毒；参与脂肪酸氧化植物细胞中:光呼吸作用,功能,又称微体；异质性细胞器常含氧化酶和过氧化氢酶,蛋白由细胞核基因编码，两种发生途径,溶酶体,溶酶体酶的合成（信号肽）溶酶体酶的加工（信号斑）：形成M6P溶酶体酶的分选：依赖或不依赖于M6P,细胞分泌活动；蛋白质糖基化及其修饰 蛋白质水解和其他加工过程,细胞内消化作用以及预防等,异质性：初级、次级溶酶体和残质体标志酶：酸性水解酶；最适pH为5.0左右富含质子泵、载体蛋白和高度糖基化,含义,功能,与细胞中间代谢相关；与细胞质骨架相关与蛋白质合成、修饰、折叠和选择性降解等相关,其他由膜所包被的细胞器,内质网,功能,特征,发生,相关疾病,特征,发生,真核细胞内区室化,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）,第一节 细胞质基质及其功能,1、经典细胞学:电镜下，在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器及其亚微结构以外的细胞质部分称为细胞质基质.2、生物化学:用差速离心的方法分级离心细胞匀浆物中的各种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的部分称为胞质溶胶.3、学术争议:有人认为细胞骨架不属于细胞质基质的范畴，是细胞器，也有人认为细胞骨架是细胞质基质的主要结构体系，是其他成分锚定的骨架，同时它们经常处于装配和解聚的动态平衡中，其解聚的亚单位仍保持在液相中.,一、细胞质基质的含义,细胞质基质很可能是一种高度有序的体系关键在于细胞质骨架纤维贯穿其中，起重要的组织作用主要特点：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主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。,大分子类：蛋白质、脂蛋白、RNA、多糖等。,细胞质基质是细胞真正的内环境，其组成成分复杂。主要含有与中间代谢有关的数千种酶类，依分子大小大致划分为下列几种。,小分子和各种离子：如水 K+、Cl-、Na+、Mg+、Ca+等。,中分子类：脂类、糖类、氨基酸、核苷酸类等。,故认为它呈复杂的胶体性质，可随环境条件的改变由溶胶变为凝胶状态或者相反，这成为某些细胞运动方式的动力。,大分子拥挤(Macromolecular crowding),The crowded state of the cytoplasm in(a)eukaryotic and(b)E.coli cells,二、细胞质基质的功能,完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等为某些蛋白质合成和脂肪酸合成提供场所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；细胞质基质结构体系的组织者与细胞膜相关的功能细胞质基质产生区室化；依靠细胞膜或细胞器膜上的泵蛋白和离子通道维持细胞 内外跨膜的离子梯度蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解,1.蛋白质的修饰,辅酶或辅基与酶的共价结合磷酸化与去磷酸化蛋白质糖基化作用甲基化修饰酰基化,2.控制蛋白质的寿命,N 端第一个氨基酸残基是决定蛋白质寿命的信号,泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径（ubiquitin-and proteasome-mediated pathway）,2004 年诺贝尔化学奖,发现泛素调节的蛋白质降解,3.降解变性和错误折叠的蛋白质,细胞质基质中的变性蛋白质、错误折叠的蛋白质、含有被氧化或其他非正常修饰氨基酸的蛋白质，不管其 N 端氨基酸残基是否稳定，常常很快被降解清除,4.帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠,热休克蛋白（heat shock protein，HSP）：一类进化上高度保守的蛋 白质家族，作为分子伴侣（molecular chaperone）发挥多种作用，协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配等,分子伴侣（molecular chaperone）：存在于细胞质基质或细胞器中，可以识别正在合成或部分折叠的多肽，并与之某些部位结合，协助其转运、正确折叠或装配的一类蛋白质，但其本身不参与终产物的形成。,热休克蛋白(heat shock protein，Hsp)DNA序列分析表明热休克蛋白有3个主要家族即25kD，70kD和90kD的蛋白，每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白。有的基因在正常条件下表达，而有些则在温度增高或其它异常情况下大量表达，以保护细胞，减少异常环境的损伤。已有证据表明在正常的细胞中，90kD和70kD，特别是70kD的热休克蛋白选择性的与畸形的蛋白质及其形成的聚合物结合，利用水解ATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解并进一步折叠成具有正确构象的蛋白质。,第二节 细胞内膜系统及其功能,真核细胞膜结合区室的主要功能,内膜系统可能的进化过程,内膜系统,内质网(endoplasmic reticulum),高尔基复合体(Golgi complex),溶酶体(lysosomes),intracellular compartments:endosomes,Nuclear-ER,Golgi,ER,lysosome,细胞内的房室化,The Endomembrane System is Complex,21,细胞的内膜系统（endomembrane system）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，主要包括：内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。内膜系统使真核细胞内区域化（compartmentalization）意义：内膜系统的出现是真核细胞区别于原核细胞的显著特点之一，其意义在于：大大增加了细胞内膜的表面积；为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点；酶系统的隔离与连接；蛋白质、糖、脂肪的合成、加工和包装；运输分泌物；扩散屏障及膜电位建立；离子梯度的维持等。,质膜 内膜,生物膜,原核细胞 质膜构成的单一区室真核细胞 内膜 各种细胞器,内膜系统出现的意义：各自独立，各司其职 相互依存，协调同一大大提高了细胞代谢反应的效率,1945年，K.R.Poter;电子显微镜;小鼠成纤维细胞,24,一、内质网 ER(endoplasmic reticulum),（一）内质网的形态结构（二）内质网的化学组成（三）内质网的类型（四）内质网的主要功能（五）内质网应激及其信号调控（六）内质网的病理性变化,内质网 ER(endoplasmic reticulum),核膜外层,（一）内质网的形态结构,内质网,ER是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管，小泡，扁囊状结构，相互连接形成一个连续的网状膜系统。,小管,小泡,扁囊状,细胞膜,核膜,内质网,细胞膜,内质网的内腔相互连通。,26,（二）内质网的化学组成,1.脂类（3040）以磷脂中的磷脂酰胆碱为主，比细胞膜丰富,鞘磷脂少2.蛋白质（6070）30多种不同的酶或者酶系标志酶：葡萄糖6磷酸酶,（三）内质网的类型(Types of ER),核糖体,粗面内质网,滑面内质网,There are two basic kinds of ER:Rough/granular endoplasmic reticulum(RER，粗面/颗粒内质网)-has ribosomes attached.Smooth/agranular endoplasmic reticulum(SER，滑/光面/无颗粒内质网)-no ribosomes.,28,粗面内质网(RER),滑面内质网(SER),rough endoplasmic reticulum(RER),rER:膜表面附着核糖体，膜上有核糖体连接蛋白；形态多为板层状排列的扁囊；网腔内含低电子或中等电子密度的物质；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。(Russells body),The smooth ER(SER),sER:膜表面无核糖体附着；形态多为分枝小管或小泡；多分布在一些特化的细胞中。,31,糙面内质网与光面内质网结构,胰腺外分泌细胞中发达的糙面内质网，内质网膜及外核膜上附有核糖体黄体细胞有丰富的光面内质网Cos-7 细胞经双重荧光染色显示的内质网的分布：绿色显示两种形式的内质网，叠加色（黄）显示糙面内质网区,另外还有两个概念:微粒体和肌质网,可将它们看成是特殊类型的内质网。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膜系统（主要是内质网和高尔基体）自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构。多数情况下，由破碎的内质网自我融合形成的微粒体，包含内质网膜和核糖体两种基本成分，这些小囊泡的直径大约100nm左右，是异质性的集合体。在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。,特殊类型的内质网,p117,肌质网(sarcoplasmic reticulum)心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,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。受到神经冲动刺激后，Ca2+释放出来，参与肌肉收缩的调节。,p122,（四）内质网的功能,向细胞外分泌的蛋白质膜的整合蛋白细胞器中的可溶性驻留蛋白,1.蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能,合成磷脂所需要的3 种酶活性部位都定位在内质网膜的细胞质基质侧,2光面内质网是脂质合成的重要场所,酰基转移酶,磷脂酸,rER胞质侧,磷酸酶,二酰基甘油(DG),胆碱磷酸转移酶,卵磷脂,rER腔面,先由酰基转移酶将胞质中的脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷脂酸(留在脂双层中)。在磷酸酶作用下，由磷脂酸和磷酸甘油组成DG;最后,再在胆碱磷酸转移酶催化下由DG和CDP-胆碱合成卵磷脂。翻转酶(flipase)。,37,磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）,膜脂的不对称性？,P119,A.通过膜泡转运脂质 B.通过PEP 介导的脂质转运C.膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触,内质网上合成的磷脂转运的三种可能方式,3.蛋白质的修饰与加工,发生在内质网和高尔基体的蛋白质糖基化在内质网发生二硫键的形成蛋白质折叠和多亚基蛋白的装配在内质网、高尔基体和分泌泡发生特异性的蛋白质水解切割,蛋白质糖基化,N-连接糖基化与O-连接糖基化的比较 N-连接糖基化与之直接结合的糖是N-乙酰葡糖胺O-连接糖基化与之直接结合的糖是N-乙酰半乳糖胺,N-连接与O-连接的寡糖比较,在内质网发生的蛋白质N-连接糖基化的加工，转移至高尔基体后还会经过一系列复杂的修饰,糙面内质网中蛋白质N-连接糖基化过程,p121,内质网腔二硫键形成,附着在内质网膜腔面上的蛋白二硫键异构酶（PDI）可以切断错误的二硫键，形成自由能最低的蛋白质构象，从而帮助新合成的蛋白质重新形成二硫键并产生正确折叠的构象。,4.新生多肽的折叠与组装,4.新生多肽的折叠与组装,蛋白二硫键异构酶（PDI)和结合蛋白（Bip，HSP70）等蛋白质都具有4 肽驻留信号（KDEL 或 HDEL）以保证它们滞留在内质网中，并维持很高的浓度,内质网中的一种结合免疫球蛋白蛋白（Bip）是属于HSP70家族的分子伴侣，在内质网中有2个作用：一是Bip同进入内质网的未折叠蛋白质的疏水氨基酸结合，防止多肽链不正确地折叠和聚合，或者识别错误折叠的蛋白质或未装配好的蛋白质亚单位，并促进它们重新折叠与装配；二是防止新合成的蛋白质在转运过程中变性或断裂.,内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所,内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所。不能正确折叠的畸形肽链或未组装成寡聚体的蛋白质亚基，不论在内质网膜上还是在内质网腔中，一般都不能进入高尔基体，并通过Sec61p复合体从内质网腔转至细胞质基质，进而通过泛素依赖性降解途径被蛋白酶体所降解。,内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所,Molecular&Cellular Proteomics May 2007 vol.6 no.5 798-811,5.内质网的其他功能,肝细胞的解毒作用,肝细胞中含有丰富的光面内质网，它是合成外输性脂蛋白颗粒的基地。这些光面内质网含有一些酶（如混合功能氧化酶细胞色素P-450），介导氧化、还原和水解反应，使有毒物质由脂溶性转变成水溶性而被排出体外，此过程称为肝细胞的解毒作用。,5.内质网的其他功能,肌质网储存和释放Ca2+,心肌和骨骼肌细胞中的一种特殊的内质网,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。受到神经冲动刺激后，Ca2+释放出来，参与肌肉收缩的调节。,5.内质网的其他功能,内质网上糖原的合成与分解,sER中的葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液，供细胞之用,固醇类激素的合成,(五）内质网应激及其信号调控,内质网应激（ERS)反应，是一个存活程序和凋亡程序同时被激活的过程：细胞可以整合应激反应，调动应激反应蛋白以减轻应激因素对细胞的损伤，调整细胞稳态；同时细胞也可以启动细胞凋亡来处理不能修复的损伤细胞，因此，ERS机制事关细胞生死抉择。,(五）内质网应激及其信号调控,在各种应激因素（错误折叠或未折叠蛋白质在ER腔内聚集、Ca2+平衡紊乱、缺氧、异常糖基化和病毒感染等）作用下，主要通过3条途径引发内质网应激（ERS)反应，影响特定基因表达。如果内质网功能持续紊乱，细胞将最终启动凋亡程序。,（1）UPR（未折叠蛋白质应答反应）：错误折叠或未折叠蛋白过多积累引起；（2）固醇调节级联反应：胆固醇损耗所致，SREBP（固醇调控元件结合蛋白）介导；（3）EOR（内质网超负荷应答反应）：正确折叠蛋白和膜蛋白异常堆积引起；,1.未折叠蛋白质应答反应,在UPR信号转导途径中起感受器作用的3种跨ER膜蛋白：IRE1（需要肌醇酶1）、PERK（PKR样内质网激酶；PKR 即dsRNA激活的蛋白激酶）和ATF6（激活性转录因子）。平时它们与内质网腔中的调控蛋白Bip/GRP78（结合免疫球蛋白蛋白/葡萄糖调节蛋白78）结合成无活性的复合物，应激时解离并分别引发不同的3条平行信号途径。,（1）IRE1：ER腔面结构域（分子伴侣Bip/GRP78 结合位点）；胞质面结构域（双功能：蛋白激酶/核酸内切酶自我交叉磷酸化和mRNA的剪接）（2）PERK：ER腔面结构域（分子伴侣Bip/GRP78 结合位点）；胞质面结构域（蛋白激酶自我交叉磷酸化和eIF2的磷酸化）,（3）ATF6：跨ER膜ATF6转位至高尔基体被S1P和S2P蛋白酶裂解而激活 ATF6进入细胞核 促进含内质网应激反应元件（ERSE）的转录因子（如XBP-1）及未折叠蛋白质应答反应元件（UPRE）的UPR 靶分子（Bip/GRP78）等基因转录。,2.固醇调节级联反应,在高尔基体上，SREBP随即在2个位点分别被蛋白酶S1P和S2P切割，从而使SREBP转录因子N端bHLH结构域得以释放；释放后的bHLH结构域称作nSREBP（核-SREBP），并转位到核内，调控具有SRE（固醇调控元件）的靶基因的转录。,固醇调节级联反应是指胆固醇缺乏引发的固醇调控元件结合蛋白（SREBP）信号通路调节基因转录的反应。,（1）当胆固醇水平过高时，跨ER膜蛋白insig-1（2）与SCAP上固醇敏感结构域结合，将SCAP-SREBP 复合物锚定在内质网膜上。,（2）在胆固醇水平降低时，insig-1（2）与SCAP解离，容许SCAP-SREBP 复合物以膜泡转运的形式移动到高尔基体。,尽管ERS介导的细胞凋亡信号通路的细节尚不清楚，但已知细胞内Ca2+稳态失衡和calpain（需Ca2+蛋白酶）及caspase-12的激活是关键的环节。Calpain（需Ca2+蛋白酶）：存在于细胞质中，由大小2个亚基组成：大亚基有4个结构域，包含活性部位；小亚基有2个结构域，包含调节部位；大小亚基均有Ca2+的结合位点。高水平的Ca2+导致calpain酶原大小亚基水解而被激活。Caspase-12（天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶）：唯一存在于内质网膜的胞质侧的caspase家族成员。Calpain在T132/A133和K158/T1592个切割位点切割caspase-12酶原，将其激活。ERS介导的细胞凋亡信号通路：ERS凋亡信号内质网膜IP3R（IP3受体）通道 Ca2+释放至细胞质中激活calpain切割底物 vinculin（黏着斑蛋白）/Bcl-xL/caspase-12酶原 细胞凋亡（途径）,3.ERS反应引发的细胞凋亡,（六）内质网的病理性变化,1.ER是一个比较敏感的细胞器。2.内质网肿胀：ER膨大成空泡状，电子密度底于正常，伴有线粒体肿胀，病理学上称为浊肿(cloudy swelling)。缺氧、辐射等。3.内质网脱粒：药物中毒、病毒感染等。4.内质网内包涵体：某些疾病中可看到脂类、蛋白质在ER腔中积累。如脂肪肝细胞中有大量脂质体存在；肝硬化患者的肝细胞可见到ER腔中聚集大量的1-AT（1-抗胰蛋白酶）。,二、高尔基体,高尔基体（Golgi body）/高尔基器（Golgi apparatus）/高尔基复合体（Golgi complex）：一种由相对排列整齐的弓形扁平膜囊体系和大小不一的形态多变的管泡网结构组成的极性细胞器。高尔基体的主要功能：对ER转运来的脂分子及蛋白质进行加工、修饰、分类、包装以及分选。此外，高尔基体也是细胞内糖类合成的工厂。高尔基体是高度动态的结构，而且难以分离与纯化，目前积累的资料仍不足以彻底阐明高尔基体的结构与功能。,（一）、高尔基体的极性,高尔基体的形态学极性：高尔基体是一种有极性的细胞器，这不仅表现在它在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，而且物质从高尔基体的一侧输入，从另一侧输出，因此每层膜囊也各不相同。在很多细胞中，高尔基体靠近细胞核的一侧，扁囊弯曲成凸面（又称形成面或顺面）；面向细胞质膜的一侧常呈凹面（又称成熟面或反面）。注意：高尔基体的顺面并非总是在高尔基体的凸面，在细胞发育的某个阶段可能位于高尔基体的凹面。,高尔基体的生化极性,常用4种细胞化学（染色）反应来表现高尔基体的生化极性：（1）嗜锇反应顺面；（2）NADP酶的细胞化学反应中间几层扁平囊；（3）TPP酶的细胞化学反应反面的12层膜囊；（4）CMP酶和酸性磷酸酶的细胞化学反应 靠近反面膜囊状和反面管网结构。,高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种可能模型,（A）膜泡运输模型（B）膜囊成熟模型,（1）膜泡运输模型：高尔基体的膜囊群主体是相对稳态的结构，膜囊自身的更新和各部膜囊的生化极性（特征性酶和驻留蛋白的变化）是通过不同类型转运膜泡在相邻膜囊间正向（顺面反面）和反向（反面顺面）有序转移实现的。（2）膜囊成熟模型：高尔基体的膜囊群主体是动态的结构，源自ER的泡管结构首先形成高尔基体CGN，随后膜囊自身从顺面到反面逐次成熟并迁移，一些不当转移的膜囊特征性酶或驻留蛋白通过反向COP转运膜泡再没收回来。,细胞骨架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着重要的作用。,高尔基体与细胞内膜泡运输,膜流(membrane flow)：细胞各种膜性结构之间相互联系和转移的现象称膜流。,运输小泡,高尔基体,大囊泡,细胞膜,内质网,61,（二）高尔基体的功能,高尔基体是细胞内大分子加工转运的枢纽对内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后定向转运内质网合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂,高尔基体与细胞的分泌活动,3H标记亮氨酸,3分钟,20分钟,120分钟,高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。,63,1.高尔基体与细胞的分泌活动,高尔基体TGN区是蛋白质包装分选的关键枢纽，至少有3 条分选途径（1）溶酶体酶的包装与分选途径 甘露糖-6-磷酸（M6P）标记（2）可调节性分泌（regulated secretion）途径 特化类型的分泌细胞（3）组成型分泌（constitutive secretion）途径 所有真核细胞，均可通过分泌泡连续分泌某些蛋白质至细胞表面,高尔基体与溶酶体的形成,溶酶体的酶是由rER上的核糖体合成,rER腔内,运输小泡,高尔基体（加工修饰）,溶酶体的酶内含有甘露糖-6-磷酸，高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并“出芽”离开高尔基复合体形成溶酶体。溶酶体酶的分选：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。,发生在高尔基体TGN 区的蛋白质分选途径,高尔基体对蛋白质的修饰加工,参与糖蛋白的合成和修饰,N-连接寡糖链：在rER腔内合成。,O-连接寡糖链：在高尔基体内合成。,糖蛋白,3H标记甘露糖,3H标记半乳糖；唾液糖,3H标记N-乙酰葡萄糖胺,参与蛋白质的改造,无活性前体物(某些肽类激素),加工改造,有活性的物质(激素),高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有严格的顺序性。,67,2.蛋白质的糖基化及其修饰,蛋白质糖基化的生物学功能蛋白质糖基化类型蛋白聚糖在高尔基体中组装植物细胞多糖的合成与分泌糖脂的合成与加工,（1）蛋白质糖基化的生物学功能,糖基化的蛋白质其寡糖链具有促进蛋白质折叠和增强糖蛋白稳定性的作用蛋白质糖基化修饰利于高尔基体进行分选与包装，保证糖蛋白从 rER 至高尔基体膜囊单向转移细胞内一些负责糖链合成与加工的酶类均由管家基因编码；细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，直接介导细胞间的双向通讯，或参与分化、发育等多种过程多羟基糖侧链还可能影响蛋白质的水溶性及蛋白质所带电荷的性质,（2）蛋白质糖基化类型,P120表7-1,N-连接寡糖的核心糖基是在内质网装配后转移到的高尔基体的；N-连接寡糖的进一步加工修饰在高尔基体上完成,N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程,（3）蛋白聚糖在高尔基体中组装,由一个或 多个糖氨聚糖(glycosaminoglycan)结合到核心蛋白的丝氨酸Ser残基上，直接与Ser羟基结合的不是N-乙酰半乳糖胺而是木糖（xylose）,3.蛋白酶的水解和其他加工过程,无生物活性的蛋白原（proprotein）进入高尔基体后，切除N 端或两端的序列形成成熟多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白等含有多个相同氨基酸序列的前体，在高尔基体中被水解形成同种有活性的多肽，如神经肽等同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工，产生不同种类的多肽，增加了细胞信号分子的多样 性,胰岛素分子的加工与成熟,4高尔基复合体的病理性变化,异常改变,高尔基复合体的增生和肿胀：囊泡扩张可占据细胞质的大部分区域，多见于药物中毒。,高尔基复合体在癌细胞中的改变,高尔基复合体的萎缩和解体：囊泡塌陷、数量减少或降解，见于中毒或肿瘤细胞。,三、溶酶体,图 溶酶体的发现过程（酸性磷酸酶存在于膜结合小泡中）左：造成膜泡破裂及酸性磷酸酶释放的条件右：鼠肝线粒体分离组分置于低渗条件下检测的酸性磷酸酶活性曲线,溶酶体的发现,1949年De Duve 将大鼠肝匀浆分级分离各种细胞器时，发现含有酸性磷酸酶活性的颗粒。1955年，电镜下观察到这种颗粒表面包围着一层膜，从而确认是一种新细胞器，定名为溶酶体。溶酶体：Lysosome，由单层膜围绕、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和保护作用。,三、溶酶体,溶酶体（Lysosome)细胞内“垃圾”处理厂,小鼠膀胱上皮细胞中的溶酶体,（一）溶酶体的形态结构与类型,异质性细胞器初级溶酶体次级溶酶体残质体,初级溶酶体(primary lysosome),刚刚从反面高尔基体形成的小囊泡,仅含有水解酶类，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),初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体，有水解酶和相应的底物，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体。根据所消化的物质来源不同,分为自噬性溶酶体、异噬性溶酶体。自噬性溶酶体：作用底物是内源性的,即细胞内的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。异噬性溶酶体：它的作用底物是外源性的,即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。,残余体（residual lysosome）,未被消化的物质残余在溶酶体中形成残余小体或后溶酶体，以胞吐外排。也可能留在细胞内逐年增多，如表皮细胞的老年斑，肝细胞的脂褐质,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,残余小体,异噬作用,自噬作用,胞外消化,（一）溶酶体的形态结构与类型,溶酶体含有多种酸性水解酶类，酶的最适pH 为5.0 左右酸性磷酸酶是常用的标志酶溶酶体膜成分特殊 嵌有质子泵 具有多种载体蛋白 膜蛋白高度糖基化次级溶酶体分为自噬溶酶体和异噬溶酶体,（溶酶体酶的最适pH为5.0左右）,（水解产物外运）,（防止被降解）,（二）溶酶体的功能,溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，一般可概括成内吞作用、吞噬作用和自噬作用3 种途径,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,Aaron Ciechanover.Nature Reviews Molecular Cell Biology,2005,6,79-87,2.防御功能,防御功能是某些细胞特有的功能，它可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解,3.其他重要的生理功能,作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节程序性死亡后的细胞被周围吞噬细胞溶酶体消化清除受精过程中的顶体反应,协助受精,顶体：特化的溶酶体，精子头部膜下含有水解酶的囊状结构。,高尔基体与溶酶体的形成,溶酶体的酶是由rER上的核糖体合成,rER腔内,运输小泡,高尔基体（加工修饰）,溶酶体的酶内含有甘露糖-6-磷酸，高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体，能特异与其结合，诱导溶酶体酶聚集并“出芽”离开高尔基复合体形成溶酶体。溶酶体酶的分选：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。,（三）溶酶体的发生,内吞体,rER,顺面管网,反面管网,高尔基复合体,溶酶体水解酶前体,M-6-P,溶酶体酶,前溶酶体,ATP,ADP+Pi,H+,去除磷酸,成熟溶酶体,pH=6,溶酶体酶的加工与分选,溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体,1.具有M6P 标记的溶酶体酶与膜受体结合，在TGN 出芽，形成网格蛋白/AP 包被膜泡。2.包被复合物解聚，形成脱被转运膜泡。3.转运 膜泡与晚期胞内体融合。4.磷酸化的酶与M6P 受体解离，形成溶酶体；2a 和4a 表示包被蛋白和M6P 受体可再循环利用。,5.某些受体可转运到 细胞表面，磷酸化的溶酶体酶偶尔也会通过组成型分泌途径转运到细胞表面或分泌到细胞外。68.分泌的酶通过受体介导的内吞作用被回收。,溶酶体酶分选途径多样化,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）,（四）溶酶体与疾病,溶酶体储积症（lysosomal storage diseases）：溶酶体缺乏某种水解酶，导致相应的底物不能被降解而积蓄在溶酶体内如泰萨二氏病；细胞病等溶酶体膜稳定性下降，水解酶外溢导致的相关疾病如矽肺、类风湿性关节炎等,溶酶体与矽肺,矽肺 silicosis 与溶酶体膜受损有关。胶原纤维结节，肺弹性降低。,矽肺,正常肺,溶酶体与痛风,溶酶体病,粘多糖贮积病,泰-萨氏综合征神经元缺少氨基已糖酯酶A，神经节甘脂GM2积累,四、过氧化物酶体,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细胞器存在于所有动物细胞和很多植物细胞中异质性细胞器,鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体和其他细胞器如线粒体等,（一）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密度梯度离心可分离过氧化物酶体和溶酶体,过氧化物酶体与溶酶体在成分、功能及发生方式等方面的差异,过氧化物酶体与溶酶体的特征比较,（二）过氧化物酶体的功能,动物细胞中：参与脂肪酸的-氧化具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/2是在微体中氧化为乙醛植物细胞中：参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢在萌发的种子中，进行脂肪酸-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体,（二）过氧化物酶体的功能,过氧化物酶体中的两种酶依赖于黄素（FAD）的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2过氧化氢酶，其含量常占过氧化物酶体蛋白质总量的40，它 的作用是将H2O2 分解，形成水和氧气,（三）过氧化物酶体的发生,膜蛋白和可溶性的基质蛋白均由细胞核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后分选转运到过氧化物酶体中发生途径一是细胞内已有的成熟过氧化物酶体 经分裂增殖而产生子代细胞器二是在细胞内重新发生（de novo）,新的过氧化物酶体的产生 过氧化物酶体通过二裂法进行增殖,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,过氧化物酶体的生物发生与分裂过程的模型,过氧化物酶体的装配起始于内质网，即由内质网出芽衍生出前体膜泡，然后过氧化物酶 体的膜蛋白掺入，形成过氧化物酶体雏形（peroxisomal ghost），,具有 PTS1 和PTS2 分选信号的基质蛋白，它们分别以Pex5 和Pex7 为胞质受体，各自靶向序列与相应受体结合再 与膜受体（Pex14）结合，在膜蛋白复合物（Pex10、Pex12 和Pex2）的介导下完成基质蛋白输入产生成熟的 过氧化物酶体；,成熟的过氧化物酶体经分裂产生子 代过氧化物酶体，分裂过程依赖于Pex11 蛋白,本章小结,细胞质基质是一个高度有序且又不断变化的动态结构体系细胞内膜系统是指在结构、功能乃至发生上相互关联，由膜包被的细胞器或细胞结构内质网是细胞内蛋白质与膜脂合成的基地高尔基体有极性，在蛋白质的加工、分选、包装与转运以及在细胞内的“膜流”中起重要作用溶酶体含有多种酸性水解酶，进行细胞内消化过氧化物酶体直接利用分子氧,功能,在结构、功能乃至发生上是彼此相关的由单层膜包绕形成的动态细胞器，包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。,细胞质基质与内膜系统,细胞质基质,内膜系统,基本概念,过氧化物酶体,高尔基体,在真核细胞中除去由生物膜形成的细胞器外的剩余空间,糙面内质网：蛋白质合成，糖基化，二硫键形成与重排，折叠 与组装修饰，应激反应光面内质网：膜脂合成，解毒作用，类固醇合成，钙离子储存,形态结构 极性:体现在形态、膜囊内的化学组成及功能不一样,动物细胞中：解毒；参与脂肪酸氧化植物细胞中:光呼吸作用,功能,又称微体；异质性细胞器常含氧化酶和过氧化氢酶,蛋白由细胞核基因编码，两种发生途径,溶酶体,溶酶体酶的合成（信号肽）溶酶体酶的加工（信号斑）：形成M6P溶酶体酶的分选：依赖或不依赖于M6P,细胞分泌活动；蛋白质糖基化及其修饰 蛋白质水解和其他加工过程,细胞内消化作用以及预防等,异质性：初级、次级溶酶体和残质体标志酶：酸性水解酶；最适pH为5.0左右富含质子泵、载体蛋白和高度糖基化,含义,功能,与细胞中间代谢相关；与细胞质骨架相关与蛋白质合成、修饰、折叠和选择性降解等相关,其他由膜所包被的细胞器,内质网,功能,特征,发生,相关疾病,特征,发生,Thank you!,