1、第七章第七章 细胞质基质与细胞内膜系统细胞质基质与细胞内膜系统细胞外基质细胞膜细胞膜核内膜系统细胞质基质细细胞胞质质信号信号传导传导6.1 细胞质基质 主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。概念：真核细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质。整理课件3 细胞质基质的涵义 化学成分：水（游离水、结合水）和无机盐 有机物：中分子(代谢所需要的底物如氨基酸、单糖、核苷酸）大分子（蛋白质、多糖、核酸）状态：物质的组织高度有序细胞质基质的功能 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 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 蛋白质的
2、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内膜系统概念：是指内质网、高尔基体、细胞核、溶酶体、乙醛酸循环体、液泡6类膜结合细胞器。这些膜是相互流动的，处于动态平衡，功能上相互协调内膜系统的动态特性6.2 内质网 Endoplasmic Reticulum,ER形态 ER 由封闭的膜系统及其形成的腔构成的相互沟通的网状结构。它从核膜延伸至细胞质中，靠近细胞质内侧。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%内质网的化学组成内质网的化学组成主要为蛋白质、脂类。内质网的标志酶是葡萄糖-6
3、-磷酸酶。细胞色素P450在内质网膜中最为丰富。内质网的形态结构内质网种类根据是否附有核糖体：糙面内质网(RER)光面内质网(SER)合成分泌蛋白质 合成脂类主要功能：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功能内质网的功能 蛋白质的合成 蛋白质运输 蛋白质的修饰和加工 脂质的合成 蛋白质的合成蛋白质的合成粗面内质网上,膜结合核糖体,合成分泌蛋白、膜蛋白、细胞器中可溶性驻留蛋白。其它部位所需蛋白质都是由游离核糖体合成。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。蛋白质的修饰和加工修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等 糖基化：发生在ER腔面
4、，是在糖基转移酶作用下.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新生肽的折叠与组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成；正确折叠涉及驻留蛋白：二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，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（Binding protein，Bip，chaperone）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。脂质的合成（光面内质网）ER合成细胞
5、所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；合成后很快转向内质网腔面(转位酶flippase)磷脂的转运:出芽(budding)：ERGC、Ly、PM 磷脂转换蛋白(phospholipid exchange proteins,PEP）：磷脂分子+PEP细胞质基质靶膜其它功能糖原分解与游离葡萄糖释放解毒作用:光面内质网含有丰富的氧化酶系统(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:Ca2+储存库,参与信号传导整理课件186.3 高尔基复合体高尔基复合体高尔基器高尔基器(
6、Golgi apparatus)或高尔或高尔基复合体基复合体(Golgi complex)意 大 利 科 学 家意 大 利 科 学 家Camillo Golgi在在 1898年发现的。年发现的。整理课件19高尔基体的形态结构整理课件20 高尔基体的结构和极性高尔基体的结构和极性形态形态结构结构:连续的整体膜结构。连续的整体膜结构。扁平囊泡扁平囊泡(sacuules)(sacuules)小囊泡小囊泡(vesicle)(vesicle)大囊泡大囊泡(vacuoles)(vacuoles)整理课件21高高尔尔基基体体的的极极性性:高尔基内侧网络 (cis-Golgi network,CGN)顺面、形
7、成面,面向核中间膜囊(medial cisternae)高尔基外侧网络 (trans Golji network,TGN)外侧面、成熟面化化学学组组成成:蛋白质和脂蛋白质和脂:高尔基复合体的标志酶是高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶糖基转移酶。整理课件22种标志细胞化学反应种标志细胞化学反应 嗜锇反应的高尔基体嗜锇反应的高尔基体ciscis面膜囊；面膜囊；焦磷酸硫胺素酶（焦磷酸硫胺素酶（TPPTPP酶）细胞化学反应，显示酶）细胞化学反应，显示transtrans面面1 12 2层膜囊；层膜囊；胞嘧啶单核苷酸酶（胞嘧啶单核苷酸酶（CMPCMP酶）细胞化学反应，显示酶）细胞化学反应，显示靠近靠近tr
8、anstrans面膜囊状和管状结构面膜囊状和管状结构 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADPNADP酶）的细胞化酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊学反应，显示中间扁平囊整理课件23 Regions of the Golgi apparatus 嗜锇反应嗜锇反应TTP酶反应酶反应CMP酶反应酶反应NADP酶反应酶反应整理课件24高尔基体的功能高尔基体的功能 蛋白质运输 蛋白质的糖基化 蛋白质的水解整理课件25高尔基体的蛋白运输作用123整理课件26蛋白质运输蛋白质运输ER到高尔基体内侧的运输ER蛋白的逆向运输高尔基体内侧到高尔基体外侧运输以及向溶酶体和细胞膜的运输整理课件2
9、7 GC中蛋白质的糖基化中蛋白质的糖基化 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，形成成熟的糖蛋白整理课件28蛋白质的糖基化生物学意义蛋白质的糖基化生物学意义 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
10、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。整理课件29 蛋白质在高尔基体中酶解加工类型蛋白质在高尔基体中酶解加工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。整理课件306.3 溶酶体溶酶体(lysosome)动物细胞内的一种细胞器。动物细胞内的一种细胞器。植物细胞中？植物细胞中？小球状小球
11、状,外面由一层单位膜包被外面由一层单位膜包被是一种异质性是一种异质性(heterogenous)(heterogenous)的细胞器的细胞器,呈小球呈小球状。大小变化很大，直径一般状。大小变化很大，直径一般0.250.250.8m0.8m，最大的可超过最大的可超过1m,1m,最小的直径只有最小的直径只有25-50nm25-50nm溶酶体含有溶酶体含有5050多种水解酶类多种水解酶类,在细胞内起消化和在细胞内起消化和保护作用保护作用当细胞被损伤时当细胞被损伤时,溶酶体可释放出水解酶类溶酶体可释放出水解酶类,使使细胞自溶细胞自溶溶酶体的发现整理课件31电子显微镜下的溶酶体整理课件32溶酶体膜稳定性
12、溶酶体膜稳定性溶酶体的膜上嵌有质子泵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整理课件33溶酶体的酶类溶酶体的酶类 种类:A typical lysosome contains approximately 50 different hydrolytic enzymes The enzymes of a lysosome all have their optimal activity at an acid pH and thus are acid hydrolases（酸性水解酶）,which is approximately 4
13、.6 少量的溶酶体酶泄漏到细胞质基质中并不会引起细胞损伤?酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶整理课件34溶酶体及其酶类核酸酶核酸酶蛋白酶蛋白酶糖苷酶糖苷酶酯酶酯酶磷酸酶磷酸酶硫酸酶硫酸酶磷脂酶磷脂酶整理课件35溶酶体的类型溶酶体的类型 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)混合性溶酶体(ambilysosome)具消化作用后溶酶体(post lysosome)整理课件36异体吞噬整理课件37围歼线粒体ER自噬泡自噬泡整理课件38 溶酶体的功能溶酶体的功能 吞噬作
14、用(Phagocytosis):外来物质、衰老、死亡的细胞(清理、防御、营养等)自噬作用(Autophagy)：细胞内受损、衰老的细胞器、不需要的生物大分子（清理）溶酶体病：各种储积症（如台萨氏病、糖原储积症）自溶作用(Autolysis)：细胞的自我毁灭溶酶体病：类风湿关节炎 其它的生理功能 胚胎发育和形态建成 受精作用整理课件39 溶酶体的生物发生溶酶体的生物发生甘露糖-6-磷酸途径（M6P）非甘露糖-6-磷酸途径:整理课件40 溶酶体的生物发生溶酶体的生物发生溶酶体酶的合成及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M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶高尔基体
15、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：信号斑整理课件41溶酶体酶的加工整理课件42溶酶体酶的特征溶酶体酶的特征溶酶体的酶上都有一个特殊的标记溶酶体的酶上都有一个特殊的标记6-6-磷酸甘露磷酸甘露糖糖(mannose 6-phosphate,M6P)(mannose 6-phosphate,M6P)。高尔基体外侧网络通过对高尔基体外侧网络通过对M6PM6P的识别将溶酶体的酶的识别将溶酶体的酶分选出来。分选出来。这一标记是溶酶体在粗面内质网合成后通过糖基这一标记是溶酶体在粗面内质网合成后通过糖基化和磷酸化添加上去的。化
16、和磷酸化添加上去的。整理课件43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。过氧化物酶体过氧化物酶体整理课件44鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体（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）和其它细胞器如线粒体（粒体（M）等）等（Albert et al.，1989）整理课件45 过氧化物酶体的功能 动物细胞中：参与脂肪酸的氧化 解毒作用：植物细胞中：参与光呼吸作用。在萌发的种子中，参与葡萄糖异生作用。6.5 细胞内蛋白质的分选细胞内蛋白质的分选与细胞结构的组装与细胞结构的组装蛋白质的定向运输、分选
17、蛋白质的定向运输、分选Protein Sorting and Export from the Golgi Apparatus 分选的概念分选的概念 广义广义 狭义狭义:内膜系统中的蛋白质分选作用内膜系统中的蛋白质分选作用 高尔基体外侧网络的分选作用高尔基体外侧网络的分选作用分选作用主要是由信号序列和受体之间的分选作用主要是由信号序列和受体之间的相互作用决定的相互作用决定的整理课件48 信号肽与蛋白质运输早期早期信号假说信号假说(signal hypothesis)(signal hypothesis)19751975年，年，BlobelBlobel等正式提出了信号假说等正式提出了信号假说目前普
18、遍承认目前普遍承认:指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成,需要其它因子的协助: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 过程:信号肽信号识别颗粒信号识别颗粒的受体 合成整理课件51Signal hypothesis信号肽的特性信号肽的特性指导分泌性蛋白在粗面内质指导分泌性蛋白在粗面内质网上合成网上合成在蛋白质上的位置在蛋白质上的位置:N-N-端突出的一段肽端突出的一段肽序列特征序列特征 16-2616-26个（个（15-3515-35个）氨基酸个）氨基酸残基，其中含有残基，其中含有4-1
19、24-12个疏水残个疏水残基基信号肽的一级序列信号肽的一级序列.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.整理课件54多个起始与终止跨膜信号合成后蛋白的去向:若信号肽序列被信号肽酶切除 完全进入腔(共转移)若有停止转移信号，能与内质网膜有极强的亲合力:膜蛋白 共转移共转移:肽链在粗面内质网膜上边合成边转移到内质网腔中肽链在粗面内质网膜上边合成边转移到内质网腔中后转移后转移:蛋白质在细胞质基质中合成以后在某种信号指导下再蛋白质在细胞质基质中合成以后在某种信号指导下再转移到线粒体、叶
20、绿体、过氧化氢体等细胞器中的转移方式转移到线粒体、叶绿体、过氧化氢体等细胞器中的转移方式.这类信号序列称这类信号序列称导肽导肽.需要需要ATPATP使多肽去折叠；需要一些蛋白质（如热休克蛋白使多肽去折叠；需要一些蛋白质（如热休克蛋白Hsp70Hsp70）帮助其正确地折叠成有功能的蛋白）帮助其正确地折叠成有功能的蛋白.与生俱来的三种信号序列 寿命信号 加工信号 定位信号 核定位信号（NLS）导肽 信号肽信号序列的种类信号序列的种类细胞内蛋白质的分选途径整理课件58Protein Sorting 蛋白质分选定位的四种机制蛋白质分选定位的四种机制 细胞质基质中蛋白质的转运细胞质基质中蛋白质的转运门控
21、运输门控运输（gated transport）通过核孔的运输通过核孔的运输（Transport through nuclear pore）跨膜运输跨膜运输（Across membrane transport）膜泡运输膜泡运输（Vesicle translocation）膜泡运输膜泡运输 (Vesicle(Vesicle translocationtranslocation）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三种不同类型的包被小泡网格蛋白有被小泡COPII
22、有被小泡COPI有被小泡负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输。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 高尔基体TGN是网格蛋白 有被小泡形成的发源地在 高 尔 基 体在 高 尔 基 体TGN区网格蛋区网格蛋白有被小泡的白有被小泡的形成示意图形成示意图负责从内质网高尔基体的物质运输；COPII包被由5种蛋白亚基组成；包被蛋白的装配是受控的；COPII有被小泡具有对转运物质的选择性并使之浓缩。COPI包被含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于ARF；负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网。细胞器中保
23、留及回收蛋白质的两种机制：转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；通过识别驻留蛋白C-端的回收信号的特异性受体，以COPI-包被小泡的形式捕获逃逸蛋白;驻留蛋白C-端的回收信号:KDEL(Lys-asp-glu-leu).COPI-包被小泡在非选择性的批量运输（bulk flow）中行使功能。COPI-包被小泡除行使GolgiER逆行转运外，可能也行使顺行转运从ERGolgi。整理课件66膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋膜泡运输是特异性过程，涉及多种蛋白识别、组装、去组装的复杂调控白识别、组装、去组装的复杂调控 膜泡融合是特异性的选择性融合 选择性融合基础在于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相互作用 细胞结构体系的组装细胞结构体系的组装装配的方式?装配和去装配的生物学意义?
