细胞生物学7.1

细胞生物学7.1

第七章：真核细胞内膜系统、蛋白质分选和膜泡运输\n第一节细胞质基质的涵义与功能一、细胞质基质的涵义1.曾用名称：细胞液、透明质、胞质溶胶等2.细胞质基质（cytoplasmicmatrix）在真核细胞的细胞质中，除去可以分辨的细胞器以外的胶状物质，称细胞质基质。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黏稠的蛋白质胶体中，多数的蛋白质直接或间接与骨架结合，完成特定的生物学功能。\n蛋白质含量占20-30%形成黏稠的胶体：多数水分子以水化合物的形式紧密地结合再蛋白质和其他大分子表面的极性部位，只有部分水分子以游离态存在，其溶剂作用。多数蛋白质，以非溶解态存在，结合在微丝等部位。\n二、细胞质基质的功能许多代谢过程的场所（糖酵解、糖原合成、某些生物大分子的分解）蛋白质在细胞质基质中的分选和转运与细胞骨架的选择性结合（细胞内功能的区域化）蛋白质修饰（共价结合、去/磷酸化、糖基化、甲基化、酰基化）控制蛋白质的寿命（由N端第一个氨基酸决定稳定性，泛素水解）泛素（ubiquitin）：由76个aa组成的小分子蛋白，具有多种生物学功能。稳定蛋白质：Met/Ser/Thr/Ala/Val/Cys/Gly/Pro泛素依赖降解途径：多个ubiquitin共价结合到不稳定pr的N端26S蛋白酶复合体将pr水解\n\n\n降解变性和错误折叠的蛋白质帮助变性和错误折叠的蛋白质重新折叠畸形蛋白暴露aa疏水基团N端添加不稳定aa泛素依赖降解途径热休克蛋白完成热休克蛋白与畸形蛋白聚合水解ATP，蛋白溶解重新折叠\n错误折叠的内质网蛋白的降解和输出\n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第二节细胞内膜系统及其功能在结构、功能乃至发生上相互关联、由膜包被的细胞器或细胞结构细胞内区室化原核细胞–质膜构成的单一区室真核细胞–内膜–各种细胞器\n细胞内区室化\n细胞细胞质基质细胞内膜系统其他由膜包被的细胞器内质网高尔基体溶酶体胞内体分泌泡细胞核线粒体叶绿体过氧化物酶体\n结构、功能、发生上相互关联\n一、内质网的形态结构与功能——内质网（endoplasmicreticulum,ER）是由封闭的管状或扁平囊状膜系统及其包被的腔体形成互相沟通的三维网络结构。占细胞膜系统的一般左右，体积占细胞总体积的10%以上合成生物大分子如蛋白质、脂质和糖类的场所\n（一）内质网的基本类型1.糙面内质网（roughendoplasmicreticulum,RER,rER）多扁平囊状，膜表面有大量核糖体附着易位子：直径8.5nm,通道2nm，内质网膜上的蛋白复合体通道，与新合成的多肽进入内质网有关主要功能：合成分泌性pr和多种膜pr旺盛合成分泌蛋白的细胞分布多浆细胞、胰腺细胞、肝细胞旺盛合成膜的细胞分布多成熟中的卵细胞、视杆细胞未成熟或未分化的细胞分布少干细胞、胚胎细胞\n在一些特化细胞中丰富肝细胞：产生脂蛋白、解毒肾上腺皮质细胞：肾上腺皮质激素睾丸间质细胞和卵巢黄体细胞：雄激素和雌激素骨骼肌（肌质网）：钙库视网膜色素上皮细胞（髓样体）：利用光能糙面内质网上有20种以上蛋白与光面内质网不同2.光面内质网（smoothendoplasmicreticulum,SER,sER）常为分支管状，形成较为复杂的立体结构，表面没有核糖体附着主要功能：合成脂质的重要场所，区域较小，往往作为出芽的位点\n由喹啉蓝荧光染料染色的细胞在荧光显微镜下显示的内质网结构\n糙面内质网的形态\n光面内质网的形态\n\n3.微粒体（microsome）——在细胞匀浆和超速离心过程中，由破碎的内质网形成的近似球形的囊泡结构，包括内质网膜与核糖体，具有蛋白质合成、糖基化和脂质合成的功能。——人工产物\n4.内质网与细胞内其它细胞器的关系与细胞膜相连：甚至有管道相通与外层核膜相接：内质网腔与核周隙相通与高尔基体在结构、功能与发生上关系密切rER与线粒体紧密相依：过去：供能最近：与脂质的相互交换及Ca2+释放的调节关系密切ER的分布与微管走向一致（核膜－内质网－高尔基体－质膜）\n（二）内质网的功能1.蛋白质的合成——糙面内质网的主要功能蛋白质合成始于细胞质基质，但部分很快转至内质网膜上。在内质网上合成的蛋白质包括向细胞外分泌的蛋白质胰腺细胞-酶，浆细胞-抗体，内分泌腺-激素以分泌泡的形式通过胞吐作用输送到细胞外膜整合蛋白细胞质膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白④需要加工、修饰的蛋白\n蛋白质转移到内质网上的合成\n2.脂质合成——光面内质网的主要功能内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部膜脂，最主要的磷脂是卵磷脂。\n磷脂酰胆碱的合成过程\n转位酶ER腔面合成的新磷脂一面扩大翻转的磷脂分子两侧面都扩大基质新合成磷脂的运输：出芽方式转运：水溶性载体蛋白（磷脂转换蛋白，PEP）：内质网高尔基体溶酶体细胞质膜内质网线粒体过氧化物酶体\n3.蛋白质的修饰与加工主要化学修饰：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键的形成在内质网的腔面，寡糖链连接在插入膜内的磷酸多萜醇上，当与糖基化有关的氨基酸残基出现后，通过膜上的糖基转移酶，将寡糖基由磷酸多萜醇转移到相应的天冬氨酸残基上。N—连接的糖基化糖:N—乙酰葡萄糖胺氨基酸：天冬氨酸发生部位：内质网(rER)O—连接的糖基化糖：N—乙酰半乳糖胺氨基酸：丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸发生部位：高尔基体（主要）细胞质基质中只发现少数几种简单的糖基化\n\nN-连接的糖基化\n粗面内质网上N-连接寡糖的合成过程\n粗面内质网上N-连接寡糖的合成过程\n\n酰基化发生在内质网的胞质侧软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上高尔基体、膜蛋白向细胞膜的转移中也发生类似的酰基化另外，在内质网上还发生羟基化和二硫键形成等\n4.新生多肽的折叠与组装二硫键异构酶加快新合成的pr重新形成二硫键，并正确折叠不能正确折叠的畸形肽、未组装成寡聚体的亚单位识别后，通过Sec61p复合体转移至细胞质基质，泛素化后被蛋白酶体降解不正确折叠的蛋白、未组装好的亚单位被结合蛋白（bindingprotein，Bip）识别，促进其重新折叠和组装二硫键异构酶、Bip等蛋白具有4肽驻留信号，留在内质网中-Lys-Asp-Glu-Leu-COO－KDELORHDEL\nBip(结合蛋白):与折叠不正常的肽链结合，予以滞留。\n5.内质网的其他功能合成脂蛋白（外输性）——肝细胞中的sER解毒功能——肝细胞中的sER如：细胞色素P450家族酶系（又称加单氧酶系、羟化酶系）由一些氧化还原酶构成，是电子传递系统，但不与ATP合成相偶连不溶于水的废物、代谢产物细胞色素P450家族酶系羟基化尿液排出合成固醇类激素——睾丸间质细胞的sER储存Ca2+——肌细胞中的sER为细胞质基质中的Pr、酶提供附着点储存、运输物质，能量与信息传递，细胞的支持和运动等作用。\n（三）内质网与基因表达的调控异常：未折叠蛋白质超量积累折叠好膜蛋白超量积累内质网膜脂成分变化内质网——核信号转导途径特异基因表达内质网功能正常正常：蛋白质ER中调控折叠、装配、加工、包装、转运\n二、高尔基体的形态结构与功能高尔基体，又叫高尔基器、高尔基复合体（一）高尔基体的形态结构与极性1.形态结构多由4-8个排列整齐的扁平膜囊堆叠在一起，呈弓形、半球形或球形。膜囊直径1um，中间窄，周缘呈状），扁囊间距15－30nm。膜囊周围有大量大小不等的囊泡结构。\n2.极性细胞器位置与方向恒定物质运输有方向性：一侧进入，另一侧输出形成面、顺面（cisface）成熟面、反面（transface）靠近细胞核面向细胞膜\n3.4种标志性细胞化学反应嗜锇反应cis面焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）trans面1~2层膜囊胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）trans面膜囊状和管状结构溶酶体的标志性酶烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）/甘露糖酶中间扁平膜囊\n4.3个组成部分高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体官网状结构（CGN）接受内质网新合成的物质，分类大部分进入中间膜囊小部分pr和脂质返回内质网KDELORHDEL其他丝氨酸发生O-连接糖基化跨膜pr细胞质基质侧酰基化\n中间膜囊糖基修饰、糖脂的形成、与高尔基体有关的多糖的合成高尔基体反面膜囊及反面高尔基体官网状结构（TGN）蛋白的分类和包装、输出晚期的蛋白质修饰（半乳糖2，6位的唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化、蛋白原的水解加工作用）瓣膜作用：保证物质单方向转运\n高尔基体\n\n5.化学组成：高尔基体膜含有大约60%的蛋白和40%的脂类，具有一些和ER共同的蛋白成分。膜脂中磷脂酰胆碱的含量介于ER和质膜之间，中性脂类主要包括胆固醇，胆固醇酯和甘油三酯。高尔基体中的酶主要有糖基转移酶、磺基-糖基转移酶、氧化还原酶、磷酸酶、蛋白激酶、甘露糖苷酶、转移酶和磷脂酶等不同的类型。\n（二）高尔基体的功能对内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，分门别类地运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外一部分在内质网上合成的脂质经过高尔基体向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输糖类合成工厂\n1.参与细胞的分泌活动脉冲标记：证明pr从内质网高尔基体分泌泡细胞外负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程是ER上合成蛋白质，进入ER腔，出芽形成囊泡，进入CGN，在medialGdgi中加工，在TGN形成囊泡，囊泡与质膜融合、排出。\n如何对pr进行分类和转运？例子：溶酶体中的酶M6P分选信号E在内质网上糖基化（N-连接）E在高尔基体上磷酸化N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶N-乙酰葡糖胺磷酸糖苷酶高尔基体反面膜囊上存在M6P受体，局部浓缩，出芽依据蛋白上的信号肽或信号斑\nIcell病：N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因缺失，不能合成M6P，溶酶体的酶不能转运到溶酶体中。糖链对pr的分选不起决定作用，分选信息存在与基因本身例子：流感病毒包膜蛋白上皮细胞游离端细胞膜水泡性口炎病毒基底面细胞膜双酸分选信号：Asp-X-Gln(DXE)\n对蛋白质进行分选\n2.蛋白质的糖基化及其修饰N-连接的糖链合成起始于内质网，完成于高尔基体。许多糖蛋白同时具有N-连接的糖链和O-连接的糖链。O-连接的糖基化在高尔基体中进行，通常第一个连接上去的糖单元是N-乙酰半乳糖，连接的部位为Ser、Thr和Hyp的OH基团，然后逐次将糖基转移上去形成寡糖链。糖基化的结果使不同的蛋白质打上不同的标记，改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。在高尔基体上还可以将一至多个氨基聚糖链通过木糖安装在核心蛋白的丝氨酸残基上，形成蛋白聚糖。这类蛋白有些被分泌到细胞外形成细胞外基质或粘液层，有些锚定在膜上。\n内质网和高尔基体中与糖基化和寡糖加工有关的酶都是整合膜蛋白。糖基化的功能(1)维持膜的不对称性(2)影响多肽构象，协助蛋白质的折叠和转运(3)增强蛋白质的稳定性，保护蛋白免受蛋白酶的降解(4)为蛋白质打上不同标记，作为蛋白的分选信号(5)作为细胞表面受体参与细胞间识别\n\n寡糖在内质网和高尔基体上的合成\n寡糖在内质网和高尔基体上的合成\n3.蛋白酶的水解成为有活性的多肽在糙面内质网中切除信号肽，即成为有活性的成熟多肽某些生长因子、病毒的包膜蛋白在高尔基体的TGN或TGN形成的分泌小泡中，在蛋白水解酶的作用下特异水解，成为有活性的多肽如多肽激素、神经多肽\n蛋白质在高尔基体中的酶解方式：切除N端序列或同时切除N端和C端序列胰岛素、胰高血糖素、血清蛋白含有多个相同aa序列的前体，在高尔基体中水解成同种多肽神经肽一个蛋白质前体中含有不同的信号序列，加工方式不同产生不同中的多肽\n(阿片黑皮质素前体)促黑(素细胞)激素内啡肽促脂解素(促肾上腺皮质激素)神经肽\n加工方式多样性的可能原因：确保小肽分子的有效合成弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号有效防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用\n4.参与膜的转化高尔基体的膜无论是厚度还是在化学组成上都处于内质网和质膜之间，因此高尔基体在进行着膜转化的功能，在内质网上合成的新膜转移至高尔基体后，经过修饰和加工，形成运输泡与质膜融合，使新形成的膜整合到质膜上。5.硫酸化在高尔基体中进行\n下节课内容\n三、溶酶体的形态结构与功能发现：先差速离心，后形态观察（1955年，deDuve&Novikoff）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，主要功能是进行细胞内的消化作用。对维持细胞正常代谢活动及防御等方面起重要作用，在病理学中具有重要意义。酸性水解酶膜上有H+-pumps,pH5.0多种载体蛋白，向外转运水解产物膜蛋白高度糖基化\n（一）溶酶体的形态结构与类型溶酶体是异质性的细胞器（形态大小、包含的水解酶种类）初级溶酶体次级溶酶体残余(小)体（后溶酶体）0.2-0.5um，内容物均一，无明显颗粒物质，含多种水解酶(酸性水解酶)，最适PH5，PH7失活自噬溶酶体异噬溶酶体内含生物大分子、颗粒、膜片甚至细胞器，形态不规则，直径达几纳米未消化物质残存在溶酶体中，通过类似胞吐方式排出内容物残余小体中的物质也可在细胞内可形成脂褐质色素颗粒，形成老年斑\n初级溶酶体残余（小）体次级溶酶体\n（二）溶酶体的功能——消化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——细胞内消化不需要的酶细胞器细胞自噬泡巨噬细胞自噬溶酶体异噬溶酶体异噬泡台-萨氏(Tay-Sachs)（家族黑蒙性白病）溶酶体中β-氨基己糖脂酶A(β-N-hexosaminidaseA)缺失，GM2累积在脑细胞内，精神呆滞，2-6岁死亡。类似疾病——储积症——隐性遗传病溶酶体中充满了未降解的物质\n防御功能——细胞外消化清除抗原-抗体复合物及吞噬的细菌、病毒巨噬细胞中自由基与溶酶体共同杀菌某些细胞特有的功能：巨噬细胞等吞噬细胞麻风杆菌、利什曼原虫：巨噬细胞中繁殖—抑制吞噬泡酸化—抑制酶的活性病毒：受体介导的胞吞作用侵入细胞—利用酸性环境释放病毒核壳防御功能失灵\n其他重要的生理功能作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养分泌细胞中，参与分泌的调节过程参与清除赘生性组织或退行性变化的细胞：蝌蚪尾巴的退化精子的顶体为特化的溶酶体，受精过程发生顶体反应，促进受精如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。营养来自血液，内吞LDL、血清脂蛋白\n动物细胞溶酶体系统示意图\n\n（三）溶酶体的发生识别信号：不是肽链，而是依赖溶酶体酶的构象或三级结构形成溶酶体蛋白Cis膜囊中间膜囊Trans膜囊N连接糖基化甘露糖N-乙酰葡糖胺磷酸去乙酰葡糖胺形成M6P受体结合出芽，形成初级溶酶体1.依赖M6P的溶酶体分选途径\n溶酶体的发生过程\n2.溶酶体蛋白的其他分选途径依赖于M6P的分选途径的效率不高，部分含有M6P标志的溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外。在细胞质膜上还存在依赖于钙离子的M6P受体，与胞外的溶酶体酶结合，通过受体介导的内吞作用，把酶运送至前溶酶体中，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T细胞溶酶体中的酶通过不依赖M6P的途径进入溶酶体。溶酶体膜上的蛋白不具有M6P标志。酸性磷酸酶的分选也不涉及M6P途径鉴定溶酶体的主要标志酶\n\n\n（四）溶酶体与过氧化物酶体过氧化物酶体（peroxisome）又称微体（microbody）——由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的细胞器，由J.Rhodin（1954）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。是一种具有异质性的细胞器，在不同生物及不同发育阶段有所不同。共同特点是内含一至多种依赖黄素（FAD）的氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urateoxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心。\n人肝细胞过氧化物酶体\n小鼠肺细胞过氧化物酶体\n烟草叶肉细胞的过氧化物酶体（中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心）\n特征初级溶酶体过氧化物酶体形态大小无酶晶体常有酶晶体酶种类酸性水解酶氧化酶、过氧化氢酶类PH5左右7左右是否需氧不需要需要功能细胞内消化多种功能发生在内质网中合成经G出芽形成酶在细胞基质中合成，经分裂装配形成标志酶酸性水解酶过氧化氢酶过氧化物酶体与溶酶体的区别\n过氧化物酶体的功能解毒功能依赖黄素的氧化酶的共性是将底物氧化后，生成过氧化氢。RH2+O2→R+H2O2过氧化氢酶又可以利用过氧化氢，将其它底物氧化。R′H2+H2O2→R′+2H2O此外，当细胞中的H2O2过剩时，过氧化氢酶亦可催化以下反应：2H2O2→2H2O+O2R’:酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质\n分解脂肪酸，向细胞之间提供热能在动物中过氧化物酶体参与脂肪酸的β氧化在植物中过氧化物酶体主要有：①参与光呼吸作用，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，②在萌发的种子中，进行脂肪的β-氧化，产生CoA，经乙醛酸循环，加入三羧酸循环，将脂肪转变为葡萄糖。因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体（glyoxysome）。\n过氧化物酶体的发生过氧化物酶体经分裂繁殖，与线粒体、叶绿体相似，但不含DNA过氧化物酶体蛋白有核基因编码，在基质中合成，之后转运到过氧化物酶体中进入过氧化物酶体需要在信号序列的指导下进行（PTS）PTS1多存在于C端PTS2多存在于N端过氧化物酶体的膜脂可能在内质网合成\n过氧化物酶体发生示意图\n\n溶酶体与疾病1．矽肺二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细胞吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。\n2．肺结核结核杆菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内溶酶体的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。\n3．各类贮积症贮积症（storagedisease）：是由于遗传缺陷引起的，由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积，进而影响细胞功能，常见的贮积症主要有以下几类。台-萨氏综合征（Tay-Sachsdiesease）：又叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（β-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累，影响细胞功能，造成精神痴呆，2－6岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏α-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。\nGaucher病：又称脑苷脂沉积病,是巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏β-葡萄糖苷酶造成的。大量的葡萄糖脑苷脂沉积在这些细胞溶酶体内,巨噬细胞变成Gaucher细胞，患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中枢神经系统发生退行性变化，常在1岁内死亡。细胞内含物病（inclusion-celldisease，I-celldisease）：N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起的。由于基因突变，高尔基体中加工的溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，酶被运出细胞（defaultpathway）。这类病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，导致底物在溶酶体中大量贮积，形成所谓的“包涵体（inclusion）”。另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径。\n4．类风湿性关节炎溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎。\n过氧化物酶体与疾病Zellweger综合症是一类与过氧化物酶体有关的遗传病，也叫脑肝肾综合症，患者细胞的过氧化物酶体中，酶蛋白输入有关的蛋白质变异，过氧化物酶体是“空的”。脑、肝、肾异常，出生3-6个月内后死亡。