大学细胞生物学课件-第五章-细胞的内膜系统.ppt

第六章 细胞的内膜系统Internal membrane system,一、内质网二、高尔基复合体三、溶酶体,真核细胞（eucaryotic cells）基本结构,细胞膜（plasma membrane）细胞核(nucleus)细胞质(cytoplasm)细胞器(organelles)细胞质基质（cytoplasmic matrix/cytosol）内含物(inclusions)：一些有形成分，如糖原,真核细胞平面结构模式图,细胞器,非膜结构细胞器:核糖体、中心体、细胞骨架膜性结构细胞器:线粒体/叶绿体、内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体、核膜等,细胞的内膜系统(internal membrane system),内膜系统：细胞内结构、功能及发生上密切相关的膜性结构细胞器通称为内膜系统，主要包括内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体和核膜等膜性结构。内膜系统形成的意义：区室化Compartmentaliztion 分隔式区域，互不干扰地执行特定的功能，提高细胞的代谢效率,Internal membrane system,过氧化物酶体,高尔基体,粗面内质网,细胞核,溶酶体,第一节 内质网(Endoplasmic Reticulum,ER),一、内质网的基本形态小管（tubules)50100nm小泡(vesicles)扁囊(lamina)连接成网状膜系统 膜厚约5-6nm，围成内质网腔(ER lumen)合成蛋白质和脂类,rER的扁囊、小管、小泡,vesicles,Lamina,Lamina,鼠肝细胞 扁囊状粗面内质网，叠层排列睾丸间质细胞 众多小管或小泡，呈网状结构横纹肌细胞 连成网状分布于肌原纤维之间，称肌质网卵细胞和胚胎细胞 含量少，随发育与分化内质网增加，结构逐步复杂化,荧光抗体显示的ER显微图像,A cultured mammalian cell,A living plant cell,rER,sER,附着核糖体(attachedRibosome),rER&sER模式图,二、ER分类,粗面内质网（rough endoplasmic reticulum,rER）膜的外表面附着核糖体（胰腺细胞），与外输性蛋白和多种膜蛋白的合成有关（游离核糖体主要合成细胞本身所需的结合蛋白质和某些特殊蛋白质）滑面内质网（smooth endoplasmic reticulum,sER）膜的外表光滑，无核糖体附着（肝细胞），具有脂质合成、糖原代谢、解毒等多种功能,在肝细胞，通过葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖,两种类型的内质网在不同组织细胞中的分布状况各不相同 皆为粗面内质网，或全为滑面内质网，还可以不同比例共同存在细胞中过渡型内质网(transitional elements)ER膜一半有核糖体附着，另一半没有核糖体附着，常在此形成运输小泡,(ER腔),Free ribosome(游离核糖体),Attached ribosome(附着核糖体),rER电镜超微结构图,研究ER的材料,微粒体（microsome）：梯度超速离心，ER断裂形成的封闭小泡Rough microsome smooth microsome,微粒体的形成,rER分布特点,可占整个细胞的膜成分一半以上与细胞类型、生理状态、分化程度密切相关，可作为细胞分化程度和功能状态的指标，如 胰腺外分泌细胞分泌旺盛时与分泌静止活动期 相应成熟细胞与未分化或未成熟细胞 分化程度高的细胞与分化程度低的细胞,rER的解聚和脱粒,细胞中毒时，膜上的多聚核糖体解聚为单个，并失去正常而有规律的排列，该现象称为解聚；进而脱离内质网膜，称为脱粒。,三、ER的化学组成,蛋白质 占2/3，含量比细胞膜丰富，含有大量的酶（3040种），细胞色素P450，多种合成酶，各种网质蛋白（内质蛋白、网钙蛋白等）标志酶：葡萄糖-6-磷酸酶脂类：占1/3，磷脂、中性脂、缩醛脂、神经节苷脂。（磷脂含量最多）,内质网膜磷脂含量,磷脂酰胆碱 55磷脂酰乙醇胺 2025磷脂酰丝氨酸 510磷脂酰肌醇 510鞘磷脂 47磷脂酰胆碱（卵磷脂）丰富鞘磷脂含量很少,膜流动性大,四、rER功能,主要功能：参与蛋白质合成 激素、膜蛋白、驻留蛋白等蛋白质的糖基化 N-连接（天冬酰胺的氨基）运输蛋白质和脂类,（一）参与蛋白质合成,核糖体如何结合到内质网膜上？游离核糖体：主要合成细胞自身所需的蛋白 附着核糖体：主要合成分泌蛋白、膜蛋白、溶酶体蛋白等信号假说 1975年 Blobel&Doberstein提出,信号假说中的几个名词概念,信号密码（signal codon）mRNA5 端编码特殊氨基酸序列的密码子信号肽（signal peptide)：由信号密码翻译的一段多肽链，约由18-30个疏水氨基酸组成，能引导“游离”的核糖体与ER膜结合信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP)6条多肽链亚单位和一个7S的RNA分子组成，能识别并结合信号肽,SRP结构模式图,SRP受体/停泊蛋白(dorking protein)：位于rER膜上移位子 内质网移位子蛋白通道与蛋白转运有关核糖体连接蛋白（ribophorin)：只位于rER膜上，有I、II两型，与核糖体大亚基结合,信号假说要点,信号肽的生成 分泌蛋白mRNA起始密码后的信号密码被翻译成信号肽SRP-信号肽SRP-核糖体复合物 SRP占据核糖体大亚基A位,蛋白质合成暂停SRP-SRP受体(在ER膜上)结合 大亚基-ribophorin 核糖体与rER膜结合SRP/SRP受体分离，SRP回到细胞质基质，进入SRP循环，暂停状态的肽链重新开始合成，新生肽链尾随信号肽 进入内质网腔,翻译完成后,信号肽被信号肽酶(rER膜腔面)降解，临时通道关闭，核糖体/ER，大小亚基分离，重新进入“核糖体循环”,信号肽假说图示,肽链进入内质网腔,协同转运翻译（co-translational translocation）多肽链的翻译以及进入内质网腔同时进行译后转运（post-translational translocation）多肽链翻译完成后被转运进入内质网腔,新生肽进入ER腔,ER中与新生肽进入以及折叠有关的蛋白,分子伴侣：在内质网内对蛋白质进行折叠和转运的蛋白质。如结合蛋白、葡萄糖调节蛋白94、蛋白二硫键异构酶和钙网素等。ER驻留蛋白（resident proteins）在C-端有4个aa（Lys-Asp-Glu-Leu）的ER滞留信号肽（KDEL），使该蛋白质最终留在ER内。作为催化剂，帮助许多进入ER的蛋白质正确的折叠和装配。,结合蛋白（Bip）：Bip是ER的驻留蛋白，能和折叠不正常的肽链结合，并予以滞留，待折叠成正确的蛋白质后才被转运。蛋白二硫键异构酶（PDI）：蛋白二硫键异构酶，催化 Cys SH 生成 S-S-，完成合成蛋白的修饰,蛋白二硫键异构酶(PDI)催化胱氨酸游离巯基（SH）的氧化，形成二硫键(S-S),葡萄糖调节蛋白94（Grp94）,又称内质网素，是内质网的标志分子伴侣受蛋白激酶激活参与新生肽链的折叠和转运与c-myc癌基因相关在高侵袭力的癌细胞表达增多,（二）rER与蛋白质的糖基化,蛋白质的糖基化（glycosylation）：单糖或低聚糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程糖与蛋白的2种连接方式：N-连接 主要发生在ER腔，寡糖链与天冬酰胺侧链-NH2连接O-连接 发生在高尔基复合体,蛋白质N-连接寡糖的过程,寡糖与ER膜上的一种脂质分子多萜醇连接而活化在糖基转移酶的作用下，转移到天冬酰胺（Asn）残基上糖基转移酶活性部位只存在于ER膜腔，游离核糖体合成的蛋白质不能进入ER腔，故不能糖基化,大部分在rER合成的蛋白通过N-连接寡糖糖基化,ER的主要功能之一就是将糖共价连接到蛋白寡糖前体(由 N-乙酰葡萄糖胺，甘露糖,和葡萄糖组成，共含有 14个糖)，转移到蛋白的天冬酰胺侧链-NH2基团，即N-连接或者是天冬酰胺连接 催化该反应的酶：寡糖基转移酶，是一种膜结合酶，其活性位点暴露在内质网的腔面。大多数蛋白的转入内质网腔与蛋白的翻译同步，所以，N-连接的寡糖总是在蛋白质合成过程中加入,寡糖前体先由一种特殊的脂类分子：多萜醇dolichol连接当新生肽转移进内质网腔过程中一旦出现天冬酰胺，寡糖通过一个酶促反应转移到天冬酰胺上,O-连接寡糖,发生在高尔基体内发生在丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基侧链上的-OH上,（三）rER与脂类及蛋白的运输,参与脂类代谢 参与脂类合成，合成的量与sER可能有差异过渡型内质网无核糖体的一面以芽生方式生出 运输小泡，将ER合成的分泌蛋白、可溶性蛋白、膜蛋白、膜脂运送到靶部位,新生的膜脂和膜蛋白,芽生小泡 与靶膜融合 靶细胞器 或分泌到细胞外,芽生小泡 与ER分离 运输小泡 直接形成 经G（情况很少）浓缩泡 与膜融合 排到细胞外,线粒体和过氧化物酶体的蛋白质和脂类补充,蛋白质由细胞质基质直接输入；膜脂通过磷脂交换蛋白（一种可溶性载体蛋白）来实现输入,滑面内质网：一种多功能的细胞器,与脂类的代谢与类固醇激素的生成与糖原代谢与横纹肌的收缩解毒作用其它 胃底腺壁细胞sER与盐酸分泌、渗透压 肝细胞与胆汁的生成,1.脂类合成的主要部位：合成磷脂与胆固醇,原料：来自细胞质基质脂类合成酶：位于脂质双层，活性部位都朝向细胞质基质面，新合成的磷脂也位于此磷脂转位蛋白(转位酶)：位于ER膜的细胞质基质面，协助磷脂分子翻转,使脂双层的磷脂分子达到平衡,脂类代谢,如小肠中，脂肪酸、草酸甘油等 甘油三酯 与磷脂、固醇、蛋白质结合 乳糜颗粒 高尔基复合体 细胞侧面进入淋巴管,磷脂酰胆碱的合成,乙酰转移酶催化2分子脂肪酸连续加到磷酸甘油，产生 磷脂酸(非水溶性)磷脂酶去除磷脂酸上的1分子磷酸基团生成二脂酰甘油脂胆碱磷酸转移酶将二磷酸胞苷酸-胆碱（CDP-胆碱）加到二脂酰甘油脂生成磷脂酰胆碱和 CMP,磷脂酰胆碱在内质网的合成过程,磷脂酸,二脂酰甘油脂,磷脂酰胆碱,sER与类固醇的合成,sER膜上有合成胆固醇、转化胆固醇为激素的 全部酶系 过程：脂肪酸乙酰辅酶A类固醇激素肾上腺皮质细胞,睾丸间质细胞,卵巢黄体细胞中sER丰富,分泌类固醇激素的睾丸组织细胞sER,2.与糖原代谢,ER膜上有葡萄糖-6-磷酸酶，使基质中糖原产生的葡萄糖-6-磷酸葡萄糖ER腔血液,3.与横纹肌的收缩,心肌、骨骼肌肌细胞的肌质网（特化的sER）肌质网膜上有大量的钙泵，肌质网释放Ca2+,肌细胞收缩；肌肉松弛，Ca2+又泵回肌质网,4.解毒作用,sER有参与解毒作用的各种酶系 含丰富的氧化及电子传递酶系 外源性毒物或药物、内源性毒物在sER中以氧化、还原、水解和结合方式解毒,第二节 高尔基复合体Golgi complex(apparatus),一、高尔基体的形态结构(structure)二、高尔基体的化学组成(composing)三、高尔基复合体的功能(function),Golgi Apparatus,形成面 Cis Face小囊泡 Vesicle扁平囊 Cistema成熟面 Trans Face,Golgi Complex,一、高尔基体的形态结构,（一）扁平囊泡（cistema）1、结构：盘状扁囊，囊腔直径1015nm。2、排列：310个扁平囊平行排列 3、极性：凸面为顺面或形成面（靠核）凹面为反面或成熟面（靠膜）三个区室：顺面、反面、中间区室 Cis face,Trans face,Middle regions,（二）小囊泡（vesicle）,4080nm球形vesicle，位于cis face。载有endoplasmic reticulum合成的protein，又称运输小泡（transitional vesicle）。由粗面内质网(rough endoplasmic reticulum,rER)芽生,（三）大囊泡（vacuole）,为100150nm球形泡，位于trans face；带有扁平囊泡所含secretory matter；由反面扁平囊形成，又称secretory vacuole。,Golgi Apparatus,二、高尔基体的化学组成,1、蛋白质（protein）：约占60%，包含多种enzyme，糖基转移酶是高尔基复合体的特征性酶。2、脂类(fat and lipid)：约占40%，主要为磷脂(phospholipid)、中性脂类(neutral lipid)和糖脂(glycolipid)。,三、高尔基体的功能,（一）参与细胞的分泌活动 secretion activity 高尔基体的主要功能是为蛋白质和脂质提供运输系统(provide belt line for protein and lipid)。粗面内质网分泌蛋白内质网腔运输小泡高尔基体分泌小泡细胞外。,（二）糖蛋白的合成、加工、修饰,1、形成O-连接寡糖糖蛋白 糖基转移酶 Pr-OH+寡糖 Pr-O-寡糖丝（酪、苏）氨酸,2、糖链的加工、修饰 processing and decorate of sugar chain,从ER运来的糖蛋白上糖链有三种成分：N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖。在GB(Golgi body)中，对分泌性蛋白、膜蛋白先去除大部分甘露糖，再加上半乳糖、唾液酸；对溶酶体蛋白的糖链加上6-磷酸甘露糖。,N-乙酰氨基葡萄糖 M-甘露糖 G-半乳糖 S-唾液酸 F-海藻糖,蛋白质糖基化的意义,保护蛋白质，免遭水解酶降解带上运输信号，有助于分选运输形成细胞膜表面糖被，识别与传递信息,3、糖蛋白的定向运输,分选信号(sorting signal)sorting signalreceptorsorting transport of protein 某些蛋白质的分选信号 糖蛋白 分选信号 分泌蛋白、膜蛋白 半乳糖、唾液酸 溶酶体蛋白 6-磷酸甘露糖 杯状细胞分泌蛋白 糖链上硫酸基团,运输方向,生化区室(biochemistry compartmentation),Cis face：磷酸转移酶 Middle layer：N-乙酰葡萄糖胺转移酶I Trans face：半乳糖转移酶运输途径(transport route)：rER合成proteinGolgi糖蛋白 lysosome excrete cell outside membrane、cytoplasm,（三）参与溶酶体的形成,运输小泡与内体结合形成内体性lysosome。（四）参与膜的转变(change)*形态上介于内质网膜与细胞膜之间。*化学成分上处于ER与质膜的中间过渡水平。*功能上物质浓度从顺面至反面由稀变浓，并产生膜流（membrane flow）。,高尔基产生的运输小泡,Brief Summary,Golgi apparatus consists of a stack of flat and membranous sacs The stack includes three distinct regions,cis face,trans face,middle regionsThe major processing activity is glycosylation:the adding of sugar molecules to form glycoproteinsThere are three track in golgi*Integral membrane proteins*End up in lysosome*Be secreted by exocytosis,第三节 溶酶体（Lysosome，Ly）,溶酶体的形态结构(shape and structure)溶酶体的类型(type)溶酶体的功能(function)溶酶体与疾病(lysosome and disease),电镜下细胞结构：箭头指示溶酶体,电镜下细胞结构：箭头指溶酶体,Lyred Mitgreen Nblue,一、溶酶体的形态结构,1、溶酶体的一般特征(commonly character)圆形或卵圆形囊状结构。直径约0.20.8m,内含多种水解酶。2、溶酶体的酶类(enzymes in lysosome)含60多种酸性水解酶，最适pH5.0。标志酶是酸性磷酸酶。,3、溶酶体膜的特点,Ly膜有质子泵(proton pump)，保证Ly腔内pH为5.0。Ly膜有特殊转运蛋白(transfer protein)，可把分解产物运出Ly外。Ly膜蛋白（IgpA 和 IgpB）高度糖基化(glycosylation)，保护Ly膜不被水解酶作用。,二、溶酶体的类型(type),1、按作用底物分 初级溶酶体（primary lysosome）次级溶酶体（secondary lysosome）三级溶酶体（tertiary lysosome）（残余小体）2、按形成及其功能分 内体性溶酶体（endolysosome）吞噬性溶酶体（phagolysosome）,Primary And Secondary Lysosome,Endolysosome And Phagolysosome,The Forming Of Endolysosome,活动性溶酶体active lysosome,自噬性溶酶体 异噬性溶酶体 autophagolysosome heterophagolysosome作用底物 内源性的 外源性的过程 自噬小泡 吞噬泡、吞饮泡产物去向 重新利用 排出胞外 残余胞内（residual body）example:lipofuscin and myelin figure,残余体(residual body),残余体：是末期阶段的吞噬性Ly，已失去消化功能，积聚着不能消化的物质。常见的残余体：脂褐质(lipofuscin)多泡体(multivesicular body)髓样结构(myelin figure)含铁小体(siderosome),三、溶酶体的功能(function),1、消化 digestion 吞噬性溶酶体内物质消化分解 2、自溶 autolysis 分解萎缩细胞、器官退化 3、参与激素的释放和分泌调节 甲状腺激素 Be concerned with release and regulation of hormonal 4、参与受精(fecundation)过程 顶体是一巨大溶酶体 5、参与骨质更新(update)破骨细胞使骨质更新,Impregnation,四、溶酶体与疾病,矽肺 SiO2引起巨噬细胞Ly破裂 大量水解酶和硅酸流入胞质内 诱导成纤维细胞增生并分泌大量胶原物质，降低肺的弹性 贮积病(storage disease)先天性缺乏Ly的某种水解酶，致使相应底物不能消化而蓄积在细胞内，如型糖原贮积病缺乏酸性-葡萄糖苷酶,Summary,Lysosomes are roughly spherical bodies bounded by a single membrane.They are manufactured by the Golgi apparatus(pathway 2 in the figure).They contain over 3 dozen different kinds of hydrolytic enzymes including*Proteases*Nucleases*Polysaccharidases,Summary(continued),Digestion is the main function of lysosome.The materials digested by lysosome:Other organelles such as mitochondria Food molecules or,food particles Foreign particles like bacteria,