第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输

第一章绪论第二章细胞的统一性与多样性第三章细胞生物学研究方法第四章细胞质膜第五章物质的跨膜运输第六章细胞的能量转换—线粒体与叶绿体第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输第八章细胞信号转导第九章细胞骨架第十章细胞核与染色体第十一章核糖体第十二章细胞增殖及其调控第十三章细胞程序性死亡与细胞衰老第十四章细胞分化与基因表达调控第十五章细胞社会的联系：细胞连接、细胞黏着和细胞外基质CYTOPLASMICMATRICANDENDOMEMBRANESYSTEM第七章真核细胞内膜系统、蛋白质分选与膜泡运输第一节细胞质基质的涵义与功能第二节细胞内膜系统及其功能第三节细胞内蛋白质的分选与膜泡运输一.细胞质基质的涵义基本概念：在真核细胞的细胞质中,除去可分辨的细胞器外的胶状物质,称细胞质基质。成分：中间代谢有关的酶类、细胞骨架结构。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。第一节细胞质基质的涵义与功能许多中间代谢过程在细胞基质中完成：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细胞质骨架维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递，构成细胞基质结构体系。细胞基质与骨架蛋白分子间选择性结合，使生物大分子锚定在细胞骨架的三维空间的特定区域。在蛋白质的修饰、蛋白质选择性的降解等方面起重要作用：蛋白质的修饰的主要类型：①辅酶或辅基与酶的共价结合②糖基化：N－乙酰葡萄糖胺加到蛋白质丝氨酸残基的羟基上。③磷酸化和去磷酸化④N－端甲基化⑤酰基化：脂肪酸+Pro控制蛋白质的寿命：N-Met、Ser，Thr，Ala，Val，Cys，Gly或Pro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：靠Hsp水解ATP来完成。二.定义：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,主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。功能：区隔化；增加内表面积，提高代谢和调节能力。从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。第二节细胞内膜系统及其功能内膜系统内膜系统的进化◆起因∶●遗传信息的扩大●体积的增大●表面积与体积比值失调●物质代谢速度受限◆对策:细胞内部结构区域化◆途径：●内共生途径●细胞质膜内陷途径。内膜结构特点与动态性质◆独立性●内膜封闭的区室●执行独立的功能◆协作性:动态性质●Biosyntheticpathway●Secretorypathway●Endocyticpathway:materialsmovefromtheoutersurfaceofthecelltocompartments,suchasendosomesandlysosomes,locatedwithinthecytoplasm内膜系统的动态特性内膜系统的生物学意义◆形成了一些特定的功能区域和微环境(细胞内功能分化)●合理使用资源●集团化管理●提高工作效率◆动态性质●保证了膜结构的一致性●使细胞“青春常在”?一.内质网的形态结构与功能K.R.Porter等于1945年发现于培养的小鼠成纤维细胞，因最初看到的是位于细胞质内部的网状结构，故名内质网（endoplasmicreticulum，ER）。后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还与质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切，并且常伴有许多线粒体。ER(一)内质网的两种基本类型约占细胞总膜面积的一半，是封闭的网络系统。分为粗面型内质网（roughendoplasmicreticulum，RER）和光面型内质网（smoothendoplasmicreticulum，SER）。RER呈扁平囊状，排列整齐，膜围成的空间称为ER腔（lumen），有核糖体附着。SER呈分支管状或小泡状，无核糖体附着,是脂质合成的重要场所。细胞不含纯粹的RER或SER，它们分别是ER连续结构的一部分。ER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是标志酶，核糖体结合糖蛋白（ribophorin）只分布在RER，P450酶系只分布在SER。内质网的模式图内质网的形态结构内质网与核膜的关系内质网的化学组成◆内质网的标志酶是葡萄糖-6-磷酸酶。◆细胞色素P450在内质网膜中最为丰富。光面内质网的功能光面内质网的酶类◆糖代谢酶类◆脂代谢酶类◆药物脱毒与相关的氧化酶◆蛋白质的加工酶类糖原分解与游离葡萄糖释放脂类的合成与转运解毒作用Ca2+离子浓度的调节作用磷脂的合成磷脂交换蛋白的作用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。粗面内质网的功能--信号肽与蛋白质运输核糖体循环?蛋白质合成蛋白质都是在核糖体上合成的，并且起始于细胞质基质中“游离”核糖体，但是有些蛋白质在合成开始不久后便转在内质网上合成，这些蛋白主要有：1.向细胞外分泌的蛋白、如抗体、激素；2.膜的整合蛋白；3.需要与其它细胞组合严格分开的酶，如溶酶体的各种水解酶；4.需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。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。二、ER的功能（RER）ProteinssynthesizedonribosomesofrERinclude:secretoryproteins,integralmembraneproteins,solubleproteinsoforganelles.蛋白质的修饰与加工包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用：–①使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；–②赋予蛋白质传导信号的功能；–③某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种：–O-连接的糖基化（O-linkedglycosylation）：与Ser、Thr和Hyp的OH连接，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行。–N-连接的糖基化（N-linkedglycosylation）：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡萄糖胺。内质网上进行N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡萄糖胺。糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇（dolicholphosphate）分子上，装配成寡糖链。再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺残基上。X是除Pro以外的任何氨基酸。新生肽链的折叠、组装和运输不同的蛋白质在内质网腔中停留的时间不同，这主要取决于蛋白质完成正确折叠和组装的时间。有些无法完成正确折叠的蛋白质被输出内质网，转入溶酶体中降解掉。新生肽的折叠组装：ER内腔是非还原性的，易于二硫键形成；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。正确折叠涉及驻留蛋白：PDI和Bip具有KDELorHDEL信号；内质网的其它作用（SER）1.合成磷脂、胆固醇等膜脂:合成后以出芽的方式转运至高尔基体，溶酶体和质膜上，或借磷脂转移蛋白（PTP）形成水溶性复合物，转至其他膜上。2.解毒：如肝细胞的细胞色素P450酶系，通常可将脂溶性有毒物质，代谢为水溶性物质，使有毒物质排出体外。3.参与甾体类激素的合成：在生殖腺和肾上腺的内分泌细胞中，SER、线粒体，可能还有高尔基体上的一些酶共同参与甾体类激素的合成。4.调节血糖浓度：使葡糖6-磷酸水解为磷酸和葡萄糖，释放糖至血液中。5.储存钙离子:作为细胞内信号物质，如肌质网。6.支撑作用：内质网是细胞内最丰富的膜，形成了一种网络结构，提供机械支撑作用，并成为细胞质中酶附着的支架。三、内质网与基因表达的调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。这些变化通过不同的信号转导途径，最终调节细胞核内特异基因表达。二.高尔基体的形态结构与功能最早发现于1855年，1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。(一)、形态与组成是由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形。凸出的一面对着内质网称为形成面或顺面（cisface）。凹进的一面对着质膜称为成熟面或反面（transface）。顺面和反面都有一些或大或小的运输小泡。扁平囊直径约1um，单层膜构成，中间为囊腔，周缘多呈泡状，4~8个扁平囊在一起(某些藻类可达一二十个)，构成高尔基体的主体，即高尔基体堆(Golgistack)。高尔基体的结构和极性形态结构连续的整体膜结构。◆扁平囊泡(sacuules)◆小囊泡(vesicle)◆大囊泡(vacuoles)TheGolgiApparatus培养的上皮细胞中高尔基体的分布（高尔基体为红色，核为绿色）培养的上皮细胞中高尔基体的分布（高尔基体为红色，核为绿色）高尔基体的形态结构高尔基体的极性◆高尔基内侧网络(cis-Golginetwork,CGN)顺面、形成面◆中间潴泡(medialcisternae)◆高尔基外侧网络(transGoljinetwork,TGN)外侧面、成熟面RegionsoftheGolgiapparatus数量与化学组成◆数量分泌功能越旺盛的细胞,越多。◆蛋白质和脂质膜:蛋白质40%,脂60%;内质网:蛋白质20%,脂50-60%;高尔基体:蛋白质60%,脂40%;◆高尔基复合体的标志酶是糖基转移酶。二、功能区隔1.高尔基体顺面的网络结构（cisGolginetwork，CGN）：是高尔基体的入口区域。接受由内质网合成的物质并分类后转入中间膜囊。2.高尔基体中间膜囊（medialGolgi）：多数糖基修饰、糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。3.高尔基体反面的网络结构（transGolginetwork，TGN）：由反面一侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。4.在高尔基体周围还存在大小不等的囊泡。高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应：①嗜锇反应：cis面膜囊被锇酸特异地染色；②焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)：可特异显示高尔基体的trans面的1～2层膜囊；③胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)：可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶。④烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)：可显示高尔基体中间几层扁平囊；高尔基体与细胞骨架关系密切，在非极性细胞中，高尔基体分布在微管的负端----微管组织中心（MTOC）。高尔基的膜囊上存在马达蛋白（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。三、高尔基体主要功能1、负责对细胞合成的蛋白质进