第六章细胞质基质与细胞内膜系统

细胞生物学教案邵邻相1第六章细胞质基质与细胞内膜系统一．教学目标：1．了解细胞质基质的组成和主要功能。2．深刻理解内质网、高尔基体、溶酶体在结构、功能和发生上的相互关系。3．了解过氧物酶体的结构、功能和发生过程。二．重点：1内质网、高尔基体的结构特点。2溶酶体的结构特点、发生及功能。三．难点：内膜系统各结构之间的关系。四．授课方式与教学方法：讲授、讨论、多媒体辅助教学。五．教学内容:电子显微镜的使用，使人们确认：真核细胞的细胞质内具有发达的内膜系统，形成了细胞质基质以及膜围绕的细胞器。细胞的内膜系统是在结构、功能乃至发生上相关的，由膜围绕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、线粒体、叶绿体、核膜和分泌泡等。第一节细胞质基质一一、、细细胞胞质质基基质质（（ccyyttooppllaassmmiiccmmaattrriixxoorrccyyttoommaattrriixx））细胞质基质是细胞的重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半基本概念：用差速离心法分离细胞匀浆物组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶。主要成分：中间代谢有关的数千种酶类、细胞质骨架结构。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。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蛋白质的分选与运输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蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解蛋白质的修饰蛋白酶体泛素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二、细胞内膜系统细细胞胞内内膜膜系系统统概概述述细胞生物学教案邵邻相2细胞内膜系统是指细胞内在结构、功能及发生上相关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构。真核细胞细胞内的区域化（compartmentalization）：细胞骨架纤维为组织者的Cytomatrix形成有序的动态结构；细胞内的膜相结构----细胞器（organelles）。细细胞胞内内膜膜系系统统的的研研究究方方法法DeDuve,A.ClaudeandG.Palade,1974NobelPlrize放射自显影（Autoradiography）;生化分析（Biochemicalanalysis）;遗传突变分析（Geneticmutants）第二节内质网一、内内质质网网的的形形态态结结构构内质网的两种基本类型粗面内质网（roughendoplasmicreticulum，rER）光面内质网（smoothendoplasmicreticulum，sER）微粒体（microsome）二、ER的功能ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地，几乎全部脂类和多种重要蛋白都是在内质网合成的。rER的功能蛋白质合成蛋白质的修饰与加工新生肽的折叠与组装脂类的合成sER的功能类固醇激素的合成（生殖腺内分泌细胞和肾上腺皮质）肝的解毒作用（Detoxification）肝细胞葡萄糖的释放（G-6PG）储存钙离子：肌质网膜上的Ca2+-ATP酶将细胞质基质中Ca2+泵入肌质网腔中蛋白质合成分泌蛋白；整合膜蛋白；内膜系统各种细胞器内的可溶性蛋白（需要隔离或修饰）。其它的多肽是在细胞质基质中“游离”核糖体上合成的：包括：细胞质基质中的驻留蛋白、质膜外周蛋白、核输入蛋白、转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白。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“游离”核糖体。蛋白质的修饰与加工修饰加工：糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等糖基化在glycosyltransferase作用下发生在ER腔面N-linkedglycosylation（Asn）(发生在天冬酰胺残基)O-linkedglycosylation（Ser/ThrorHylys/Hypro）（发生在丝氨酸或苏氨酸残基）细胞生物学教案邵邻相3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新生肽的折叠组装：非还原性的内腔，易于二硫键形成；正确折叠涉及驻留蛋白：具有KDELorHDEL信号蛋白二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase，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（Bindingprotein，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。脂类的合成ER合成细胞所需绝大多数膜脂（包括磷脂和胆固醇）。两种例外：鞘磷脂和糖脂（ER开始→Golgicomplex完成）；Mit/Chl某些单一脂类是在它们的膜上合成的。各种不同的细胞器具有明显不同的脂类组成：phosphatidylcholine（PC）：ER→GC→PM（高→低）phosphatidylserine（PS）：PM→GC→ER（高→低）phospholipdtranslocator/flippase与膜质转位磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性位点朝向cytosol；磷脂的转运:transportbybudding：ER→GC、Ly、PMtransportbyphospholipidexchangeproteins（PEP）：ER→otherorganelles（includingMitandChl）。三三、、内内质质网网与与基基因因表表达达的的调调控控内质网蛋白质的合成、加工、折叠、组装、转运及向高尔基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程。影响内质网—细胞核信号转导的三种因素：内质网腔内未折叠蛋白的超量积累。折叠好的膜蛋白的超量积累。内质网膜上膜脂成份的变化—主要是固醇缺乏不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达第三节高尔基体一、高尔基体的形态结构电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成高尔基体是有极性的细胞器：表现在高尔基体在细胞中不仅有比较恒定的位置与方向，而且物质从高尔基体的一侧进入，从另一侧输出，因此每层膜囊也各不相同。高尔基体各部膜囊的４种标志细胞化学反应：高尔基体至少由互相联系的4个部分组成，每一部分又可能划分出更精细的间隔细胞生物学教案邵邻相4高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基体分布在MTOC(负端)高尔基的膜囊上存在微管的马达蛋白（cytoplasmicdynein和kinesin）和微丝的马达蛋白（myosin）。最近还发现特异的血影蛋白（spectrin）网架。它们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重要的作用。扁囊靠近细胞核的一面，扁囊弯曲成凸面，又称形成面（formingface）或顺面（cisface）扁囊面向质膜的凹面（concave），又称成熟面（matureface）或反面（transface）高尔基体各部膜囊的４种标志细胞化学反应嗜锇反应的高尔基体cis焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）细胞化学反应，显示trans面1～2层膜囊；胞嘧啶单核苷酸酶（CMP酶）细胞化学反应，显示靠近trans面膜囊状和管状结构GERL结构：60年代初，Novikoff发现CMP和酸性磷酸酶存在于高尔基体的一侧，称这种结构为GERL，意为与高尔基体（G）密切相关，但它是内质网（ER）的一部分，参与溶酶体（L）的生成。烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）的细胞化学反应，显示中间扁平囊高尔基体顺面网状结构（cis-Golginetwork，CGN），又称cis膜囊高尔基体中间膜囊（medialGolgi多数糖基修饰；糖脂的形成；与高尔基体有关的多糖的合成高尔基体反面网状结构（transGolginetwork，TGN周围大小不等的囊泡顺面囊泡称ERGIC/VTC----ERGIC53/58蛋白（结合Mn）反面体积较大的分泌泡与分泌颗粒高高尔尔基基体体顺顺面面网网状状结结构构RER（蛋白质和脂类）——（蛋白质KDEL或HDEL）CGN；蛋白丝氨酸残基发生O—连接糖基化；跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化；日冕病毒的装配高高尔尔基基体体反反面面网网状状结结构构TGN中的低pH值；标志酶CMP酶阳性TGN的主要功能：参与蛋白质的分类与包装、运输；某些“晚期”的蛋白质修饰（如唾液酸化、蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋白原的水解加工）在蛋白质与脂类的转运过程中的“瓣膜”作用，保证单向转运二二、、高高尔尔基基体体的的功功能能高高尔尔基基体体的的主主要要功功能能是是将将内内质质网网合合成成的的多多种种蛋蛋白白质质进进行行加加工工、、分分类类、、包包装装，，然然后后分分门门别别类类地地运运送送到到细细胞胞的的特特定定部部位位或或分分泌泌到到细细胞胞外外。。高尔基体与细胞的分泌活动蛋白质的糖基化及其修饰细胞生物学教案邵邻相5蛋白酶的水解和其他加工过程高高尔尔基基体体与与细细胞胞的的分分泌泌活活动动蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身•流感病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞游离端的质膜•水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞基底面的质膜•水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号Asp-X-Gln或DXE）起重要的作用溶酶体酶的分选：M6P（6-磷酸甘露糖）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。蛋蛋白白质质的的糖糖基基化化及及其其修修饰饰蛋白质糖基化类型蛋白质糖基化的特点及其生物学意义蛋白聚糖在高尔基体中组装植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖蛋蛋白白质质糖糖基基化化类类型型蛋白质糖基化的特点及其生物学意义糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板，靠不同的酶在细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成。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。蛋蛋白白聚聚糖糖在在高高尔尔基基体体中中组组装装一一个个或或多多个个糖糖胺胺聚聚糖糖（（通通过过木木糖糖））结结合合到到核核心心蛋蛋白白的的SSeerr残残基基上上植植物物细细胞胞高高尔尔基基体体合合成成和和分分泌泌多多种种多多糖糖蛋蛋白白质质在在高高尔尔基基体体中中酶酶解解加加工工的的几几种种类类型型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。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；有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。在高尔基体中进行的肽链酪氨酸残基的硫酸化作用三三、、高高尔尔基基体体与与细细胞胞内内的的膜膜泡泡运运输输高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作用细胞生物学教案邵邻相6第第四四节节溶溶酶酶体体与与过过氧氧化化物物酶酶体体一一、、溶溶酶酶体体的的结结构构类类型型溶酶体膜的特征：嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境；具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acidphosphatase）类型初级溶酶体（primarylysosome）次级溶酶体（secondarylysosome）自噬溶酶体（autophagolysosome）异噬溶酶体