1、翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第细胞生物学（第4版）版）第第7章章 细胞质基质与内膜系统细胞质基质与内膜系统本章主要内容本章主要内容 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 过氧化物酶体真核细胞内区室化真核细胞内区室化细细 胞胞 组组 分分 数数 目目 体体 积积 比比细胞质基质细胞质基质细胞核细胞核内质网内质网高尔基体高尔基体溶酶体溶酶体胞内体胞内体过氧化物酶体过氧化物酶体线粒体线粒体 1 1 1 1 1 1 1 1 300 300 200 200 400 400 1700 1700 54 54 6 6 12 12 3 3 1 1 1 1 1 1 22
2、 22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（引自Albert.1998Albert.1998）第一节第一节 细胞质基质及其功能细胞质基质及其功能一、细胞质基质的含义 细胞质基质很可能是一种高度一种高度有序的体系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 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。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。大分子拥挤大分子拥挤(Macromole
3、cular 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蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解1.蛋白质的修饰蛋白质的修饰 辅
4、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）3.降解变性和错误折叠的蛋白质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2004 年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 发现泛素调节的蛋白质降解DNARNAPROTEINtranslationreplic
5、ationtranscriptionfolding,assembly,targetingdegradation amino acids,peptidesregulation of conformation/functionFUNCTIONAL PROTEINUbiquitin-Proteasome System(UPS)UbUbProteasomeUbUbUbUbProteinUbUbProtein degradationUbE1E3E2E3E3E1:ubiquitin-activating enzyme E2:ubiquitin-conjugating enzymeE3:ubiquitin
6、ligase UbiquitinationDegradationLysDUBs*DUBs:Deubiquitinating enzymes*Ub:UbiquitinP116Types of UbiquitinationUbKUbKUbKUbKUbKUbUbUbUbMonoubiquitinationMulti-monoubiquitinationPolyubiquitinationN-terminal ubiquitination-amino group of the N-terminal residue-amino group of lysine residueSUMOpeptideUba2
7、 Aos1E1SUMOSUMOSUMOUlp1ProteinSUMOE2Ubc9Ubc91.MaturationE3ATPAMP+PPiUlp1Uba2 Aos12.Activation3.Conjugation4.Ligation4.帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠热休克蛋白（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（分子伴侣（molecular chaperone）发挥多种作用，协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配等热休克蛋白(heat shock protein，Hsp)DNADNA序
8、列分析表明热休克蛋白有序列分析表明热休克蛋白有3 3个主要家族即个主要家族即25kD25kD，70kD70kD和和90kD90kD的蛋白，每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白。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，有证据表明在正常的细胞中，90kD90kD和和70kD70kD，特别是，特别是70kD70kD的热的热休克蛋白休克蛋白选择性的与畸形的蛋白质
9、及其形成的聚合物结合，选择性的与畸形的蛋白质及其形成的聚合物结合，利用水解利用水解ATPATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解并进一步折叠成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具有正确构象的蛋白质。第二节第二节 细胞内膜系统及其功能细胞内膜系统及其功能真核细胞膜结合区室的主要功能真核细胞膜结合区室的主要功能细胞器细胞器(区室区室)主要功能主要功能胞质溶胶胞质溶胶代谢的主要场所；蛋白质合成部位代谢的主要场所；蛋白质合成部位细胞核细胞核基因组存在场所，基因组存在场所，DNA和和RNA的合成地的合成地内质网内质网大多数脂的合成场所，蛋白质合成和集散大多数脂的合成场所，蛋白质合成
10、和集散地地高尔基体高尔基体蛋白质和脂的修饰、分选和包装蛋白质和脂的修饰、分选和包装溶酶体溶酶体细胞内的降解作用细胞内的降解作用内体内体内吞物质的分选内吞物质的分选线粒体线粒体通过氧化磷酸化合成通过氧化磷酸化合成ATP叶绿体叶绿体进行光合作用进行光合作用过氧化物酶体过氧化物酶体毒性分子的氧化毒性分子的氧化内膜系统可能的进化过程内膜系统内膜系统内质网内质网(endoplasmic reticulum)高尔基复合体高尔基复合体(Golgi complex)溶酶体溶酶体(lysosomes)过氧化氢体过氧化氢体(peroxisomes)(核膜、小泡核膜、小泡)intracellular compart
11、ments:endosomes Nuclear-ERGolgiERlysosome细胞内的房室化细胞内的房室化 The Endomembrane System is Complex25 质膜质膜 内膜内膜生物膜原核细胞原核细胞 质膜构成的单一区室质膜构成的单一区室真核细胞真核细胞 内膜内膜 各种细胞器各种细胞器内膜系统出现的意义：内膜系统出现的意义：各自独立，各司其职各自独立，各司其职 相互依存，协调同一相互依存，协调同一大大提高了细胞代谢反应的效率大大提高了细胞代谢反应的效率 1945年，年，K.R.Poter;电子显微镜电子显微镜;小鼠成纤维细胞小鼠成纤维细胞28一、内质网一、内质网 ER
12、(endoplasmic reticulum)（一）内质网的形态结构（一）内质网的形态结构（二）内质网的化学组成（二）内质网的化学组成（三）（三）内质网的类型内质网的类型（四）内质网的主要功能（四）内质网的主要功能（五）内质网的病理性变化（五）内质网的病理性变化内质网内质网 ER(endoplasmic reticulum)核核膜膜外外层层（一）内质网的形态结构（一）内质网的形态结构内质网内质网 ER是由一层单位膜是由一层单位膜围成的形状大小不同的围成的形状大小不同的小管，小泡，扁囊状结小管，小泡，扁囊状结构，相互连接形成一个构，相互连接形成一个连续的网状膜系统。连续的网状膜系统。小管小管小泡
13、小泡扁囊状扁囊状细胞膜细胞膜核膜核膜内内质质网网细细胞胞膜膜内质网的内腔相互连通。内质网的内腔相互连通。30（二）内质网的化学组成（二）内质网的化学组成1.1.脂类（脂类（30304040 ）以磷脂中的以磷脂中的磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱为主，为主，比细胞膜丰比细胞膜丰富富,鞘磷脂少鞘磷脂少2.2.蛋白质（蛋白质（60607070）3030多种不同的酶或者酶系多种不同的酶或者酶系 标志酶：葡萄糖标志酶：葡萄糖6 6磷酸酶磷酸酶（三）内质网的类型（三）内质网的类型(Types of ER)核糖体核糖体粗面内质网粗面内质网滑面内质网滑面内质网There are two basic kinds of ER
14、:Rough/granular endoplasmic reticulum(RER，粗面粗面/颗颗粒内质网粒内质网)-has ribosomes attached.Smooth/agranular endoplasmic reticulum(SER，滑滑/光光面面/无颗粒内质网无颗粒内质网)-no ribosomes.32粗面内质网粗面内质网(RER)(RER)滑面内质网滑面内质网(SER)(SER)rough endoplasmic reticulum(RER)rER:膜表面附膜表面附着核糖体，膜上有着核糖体，膜上有核糖体连接蛋白核糖体连接蛋白；形态多为板层状排形态多为板层状排列的扁囊；网腔
15、内列的扁囊；网腔内含低电子或中等电含低电子或中等电子密度的物质；多子密度的物质；多分布在分泌活动旺分布在分泌活动旺盛或分化较完善的盛或分化较完善的细胞内。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。或小泡；多分布在一些特化的细胞中。35糙面内质网与光面内质网结构糙面内质网与光面内质网结构A.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B.黄体细胞有丰富的光面内质网C.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
16、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
17、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（四）内质网的功能 向细胞外分泌的蛋白质向细胞外分泌的蛋白质 膜的整合蛋白膜的整合蛋白 细胞器中的可溶性驻留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蛋白质的合成是糙面内质网的主要功能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细胞质基质侧2光面内质网是脂质合成的重要场所光面内质网是脂质合成的重要场所酰基转酰基转移酶移酶磷脂酸磷脂酸rER胞质侧胞质侧磷酸酶磷酸
18、酶二酰基甘油二酰基甘油(DG)胆碱磷酸胆碱磷酸转移酶转移酶卵磷脂卵磷脂rER腔面腔面 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)。41磷脂转位蛋白或称转位酶（磷脂转位蛋白或称转位酶（flippase）膜脂的不对称性？膜脂的不对称性？P119A.通过膜泡转运脂质通过膜泡转运脂质 B.通过通过PEP 介导的脂质转运介导的脂质转运C.膜嵌入蛋白介导的膜间直接接触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内质网上合成的磷脂转
19、运的三种可能方式3.蛋白质的修饰与加工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-连接与连接与O-连接的寡糖比较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糙面内质网中蛋白质N-连接糖基化过程连接糖基化过程p121内质网腔二硫键形成内质网腔二硫键形
20、成4.新生多肽的折叠与组装新生多肽的折叠与组装 蛋白二硫键异构酶和Bip 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折叠错误的多肽被送到细胞质中折叠错误的多肽被送到细胞质中,被泛素被泛素(ubiquitin)结合结合,然后送到然后送到蛋白酶体蛋白酶体(proteosome)中降解中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
21、May 2007 vol.6 no.5 798-811 5.内质网的其他功能内质网的其他功能 肝细胞的解毒作用细胞色素P-4505.内质网的其他功能内质网的其他功能 肌质网储存和释放Ca2+5.内质网的其他功能内质网的其他功能 内质网上糖原的合成与分解 固醇类激素的合成sER中中的葡萄糖的葡萄糖-6-磷酸酶磷酸酶将葡萄糖将葡萄糖-6-磷酸水解生成磷酸水解生成葡萄糖和无机磷，释放游葡萄糖和无机磷，释放游离的葡萄糖进入血液，供离的葡萄糖进入血液，供细胞之用细胞之用（五）内质网的病理性变化 1.ER是一个比较敏感的细胞器。是一个比较敏感的细胞器。2.内质网肿胀内质网肿胀：ER膨大成空泡状，电子密度底
22、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.内质网脱粒内质网脱粒：药物中毒、病毒感染等。4.内质网内包涵体内质网内包涵体：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）。56 1898 意大利意大利-高尔基高尔基(Camillo Golgi)-光镜光镜-枭、猫枭、猫-神经细胞神经细胞二、高尔基体二、高尔基体光镜：网状结构光镜：网状结构电电镜镜扁平膜囊/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
23、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)（一）高尔基体的形态结构与极性（一）高尔基体的形态结构与极性大大 囊囊 泡泡 100-500nm;膜厚：8nm;泡内含物质：高电子密度物质，浓缩泡。来源：扁平囊周边或局部球状膨突脱落形成。凹面凹面/成熟（反）面成熟（反）面Golgi Apparatus 高尔基体是由一层单位膜包围形成的囊泡系统。由扁平囊(saccule)、小泡(vesical)和大泡(vacuole)三种基本形态组成的。trans Golgi network,TGN扁 平 囊呈盘状，3-10层称高尔基堆扁平囊间距：15-30nm；囊
24、腔宽：6-15nm凸面：形成(顺)面；凹面(concave)：成熟(反)面形成面膜厚：6nm;成熟面膜厚：8nm囊腔内含：中等电子密度的物质来 源：小囊泡融合。medial Golgi networkForming/cis faceMature/trans face凸面：形成凸面：形成(顺顺)面；面；小小 囊囊 泡泡 40-80nm球形小泡膜厚：6nm;泡内含物质：低电子密度物质，较透明。来源：由rER“芽生”而来。cis Golgi network,CGN高尔基体的种标志细胞化学反应高尔基体的种标志细胞化学反应 嗜锇反应（顺面膜囊）焦磷酸硫胺素酶（TPP 酶）反应（反面的12 层膜囊）胞嘧啶
25、单核苷酸酶（CMP 酶）和酸性磷酸酶反应（反面膜囊状和反面管 网结构）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶（NADP酶）反应（中间几层）高尔基体与细胞内膜泡运输 膜流膜流(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。运输小泡运输小泡高尔基体高尔基体大囊泡大囊泡细胞膜细胞膜内质网内质网62（二）高尔基体的功能（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高尔基体与细胞的分泌活动细胞的分泌活动3H标记亮氨酸标记亮氨
26、酸3分钟分钟20分钟分钟120分钟分钟 高尔基复合体在高尔基复合体在细胞分泌活动中起着细胞分泌活动中起着重要的运输作用；在重要的运输作用；在分泌颗粒的形成过程分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、中起着浓缩、修饰、加工等作用。加工等作用。641.高尔基体与细胞的分泌活动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
27、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。发生在高尔基体发生在高尔基体TGN 区的蛋白质分选途径区的蛋白质分选途径高尔基体对蛋白质的修饰加工高尔基体对蛋白质的修饰加工参与糖蛋白的合成和修饰参与糖蛋白的合成和修饰N-连接寡糖链：连接寡糖链：在在r
28、ER腔内合成。腔内合成。O-连接寡糖链：连接寡糖链：在高尔基体内合成。在高尔基体内合成。糖蛋白糖蛋白3H标记甘露糖标记甘露糖3H标记半乳糖；唾液糖标记半乳糖；唾液糖3H标记标记N-乙酰葡萄乙酰葡萄糖胺糖胺参与蛋白质的改造参与蛋白质的改造无活性前体物无活性前体物(某些肽类激素某些肽类激素)加工改造加工改造有活性的物质有活性的物质(激素激素)高尔基复合体对糖蛋白的合成和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。修饰过程具有严格的顺序性。682.蛋白质的糖基化及其修饰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
29、脂的合成与加工（1）蛋白质糖基化的生物学功能）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）蛋白质糖基化类型特特 征征 N-连接连接 O-连接连接合成部位粗面内质网高尔基体合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去与之结合的氨基酸残基一个
30、个单糖加上去丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸最终长度 至少5个糖残基一般14个糖残基，但ABO血型抗原较长第一个糖残基N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺等P120表7-1N-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）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
31、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高尔基复合体的病理性变化异常改变异常改变高尔基复合体的增生和肿胀：囊泡扩张可占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。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
32、的改变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。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光镜下的内皮细胞：绿色荧光定位溶酶体光镜下的内皮细胞：绿色荧光定位溶酶体 红色显红色显示线粒体示线粒体。溶酶体（溶酶体（Lysosome)Lysosome)细胞内细胞内“垃圾垃圾”处理处理厂厂（一）溶酶体的形态结构与类型（一）溶酶体的形态结构与类型 异质性细胞器
33、 初级溶酶体 次级溶酶体 残质体初级溶酶体初级溶酶体(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
34、余体（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内体初级溶酶体初级溶酶体吞噬体吞噬体异溶酶体异溶酶体吞饮体吞饮体异溶酶体异溶酶体自噬体自噬体自溶酶体自溶酶体分泌颗粒分泌颗粒分泌溶酶体分泌溶酶体次次 级级 溶溶 酶酶 体体残余小体残余小体异噬作用异噬作用自噬作用自噬作用胞外消化胞外消化（一）溶酶体的形态结构与类型（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
35、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（二）溶酶体的功能（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内吞作用、吞噬作用和自噬吞噬作用和自噬作用作用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 亡的细胞亡的细胞Aaron Ciechanover.Nature Reviews Molecular Cell Biology,2005,6,79-872.防御功能防御功能 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
36、能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协助受精 水解酶水解酶 至胞外至胞外精子附着精子附着卵子表面卵子表面顶体：精子头部膜下含有水解酶的囊状结构。顶体膜与精子顶体膜与精子 质膜融合穿孔质膜融合穿孔 膜融合膜融合 消化卵外膜消化卵外膜 滤泡细胞滤泡细胞（三）溶酶体的发生（三）溶酶体的发生溶酶体酶的合成及溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰（连接的糖基化修饰（rER）高尔基体高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化膜囊寡糖链上的甘露糖残
37、基磷酸化M6PN-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶磷酸转移酶高尔基体高尔基体trans-膜囊和膜囊和TGN膜（膜（M6P受体）受体）溶酶体酶分选与局部浓缩溶酶体酶分选与局部浓缩以出芽的方式转运到前溶酶体以出芽的方式转运到前溶酶体磷酸葡萄糖苷酶磷酸葡萄糖苷酶磷酸化识别信号：信号斑磷酸化识别信号：信号斑内吞体内吞体rER顺面管网顺面管网反面管网反面管网高尔基复合体高尔基复合体 溶酶体水解酶前体溶酶体水解酶前体加入磷酸基团加入磷酸基团M-6-PM-6-P溶酶体酶溶酶体酶 前溶酶体前溶酶体ATPADP+PiH+去除磷酸去除磷酸成熟溶酶体成熟溶酶体pH=6溶酶体酶的加工与分选溶酶体酶的加工与分选溶酶体
38、酶从高尔基体溶酶体酶从高尔基体TGN和细胞表面转运到溶酶体和细胞表面转运到溶酶体溶酶体酶分选途径多样化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 还存在不依赖于不依赖于M6P的分选途径的分选途径（如酸性磷酸酶、分泌溶酶体的perforin和granzyme）（四）溶酶体与疾病（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
39、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溶酶体与矽肺矽肺矽肺 silicosissilicosis 与与溶酶体膜受损有关。溶酶体膜受损有关。胶原纤维结节胶原纤维结节，肺弹性降低。肺弹性降低。矽肺矽肺正常肺正常肺溶酶体与痛风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
40、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（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（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
41、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（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）的氧化酶氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2 过氧化氢酶过氧化氢酶，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（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
42、 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催化蛋白输入的特异蛋白特异的胞液蛋白摄取特异的胞液蛋白摄取导致的生长导致的生长子代的过氧化物酶体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生物发生与分裂过程的模型本章小结本章小结 细胞质基质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
43、内质网是细胞内蛋白质与膜脂合成的基地 高尔基体高尔基体有极性，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 过氧化物酶体过氧化物酶体直接利用分子氧生物膜的基本特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？生物膜的基本特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？答案要点：生物膜的基本结构特征：磷脂双分子层组成生物膜的基本骨答案要点：生物膜的基本结构特征：磷脂双分子层组成生物膜的基本骨架，具有极性的头部和非极性的尾部的脂分子在水相中具有自发形成封闭架，具有极性的头部和非极性的尾部的脂分子在水相中具有自发形成封闭膜系统的性质，以
44、非极性尾部相对，以极性头部朝向水相。这一结构特点膜系统的性质，以非极性尾部相对，以极性头部朝向水相。这一结构特点为细胞和细胞器的生理活动提供了一个相对稳定的环境，使细胞与外界、为细胞和细胞器的生理活动提供了一个相对稳定的环境，使细胞与外界、细胞器与细胞器之间有了一个界面；蛋白质分子以不同的方式镶嵌其中细胞器与细胞器之间有了一个界面；蛋白质分子以不同的方式镶嵌其中或结合于表面，蛋白质的类型、数量的多少、蛋白质分布的不对称性及其或结合于表面，蛋白质的类型、数量的多少、蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜不同的特性与功能；这些结构特征有利于与脂分子的协同作用赋予生物膜不同的特性与功能
45、；这些结构特征有利于物质的选择运输，提供细胞识别位点，为多种酶提供了结合位点，同时参物质的选择运输，提供细胞识别位点，为多种酶提供了结合位点，同时参与形成不同功能的细胞表面结构特征。与形成不同功能的细胞表面结构特征。说明说明Na+-K+泵的工作原理及其生物学意义。泵的工作原理及其生物学意义。答案要点：答案要点：Na+-K+泵是一种典型的主动运输方式，由泵是一种典型的主动运输方式，由ATP直接提供能量。直接提供能量。Na+-K+泵存泵存在于细胞膜上，是由在于细胞膜上，是由和和二个亚基组成的跨膜多次的整合膜蛋白，具有二个亚基组成的跨膜多次的整合膜蛋白，具有ATP酶活性。酶活性。工作原理：在细胞内侧
46、工作原理：在细胞内侧亚基与亚基与Na+相结合促进相结合促进ATP水解，水解，亚基上的天门亚基上的天门冬氨酸残基磷酸化引起冬氨酸残基磷酸化引起亚基构象发生变化，将亚基构象发生变化，将Na+泵出细胞，同时细胞泵出细胞，同时细胞外的外的K+与与亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，亚基构象再度发生变亚基构象再度发生变化将化将K+泵进细胞，完成整个循环。泵进细胞，完成整个循环。Na+依赖的磷酸化和依赖的磷酸化和K+依赖的去磷酸化依赖的去磷酸化引起构象变化有序交替进行。每个循环消耗一个引起构象变化有序交替进行。每个循环消耗一个ATP分子，泵出分子，泵出3个个Na+和和泵进泵进2个个K+。生物学意义：动物细胞借助生物学意义：动物细胞借助Na+-K+泵维持细胞渗透平衡，同时利用胞外高泵维持细胞渗透平衡，同时利用胞外高浓度的浓度的Na+所储存的能量，主动从细胞外摄取营养。所储存的能量，主动从细胞外摄取营养。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）Copyright 高等教育出版社 2011 Thank you!
