細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)膜

1、第六章 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng),學(xué)習(xí)要求： 掌握細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)各個部分的結(jié)構(gòu)與功能 掌握細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)各個部分間的關(guān)系和細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選與細(xì)胞結(jié)構(gòu)的裝配及其相關(guān)知識,重點(diǎn)與難點(diǎn)： 本章各個部分都屬重點(diǎn) 本章難點(diǎn)：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和溶酶體的功能；信號假說與蛋白質(zhì)分選系統(tǒng)；蛋白質(zhì)分選系統(tǒng)的基本途徑與類型。,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) 高爾基體溶酶體與過氧化物酶體 細(xì)胞內(nèi)蛋

2、白質(zhì)的分選與細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組裝,,第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì),細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) （cytoplasmic matrix or cytomatrix）細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembrane system）,,一、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) （cytoplasmic matrix or cytomatrix）,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是細(xì)胞的重要的結(jié)構(gòu)成分，其 體積約占細(xì)胞質(zhì)的一半,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的涵義 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能,,肝細(xì)胞中細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)及細(xì)胞其它組分的數(shù)目及

3、所占的體積比 （引自Albert.1998）,,? 基本概念：在真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，除可分辨的細(xì)胞器以外的膠狀物質(zhì)，稱為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。它是一種高度有序且又不斷變化的結(jié)構(gòu)體系。在確保與協(xié)調(diào)各種代謝反應(yīng)、胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸與信息傳遞等方面，起重要作用。 ? 主要成分：中間代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類、細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)。 ? 主要特點(diǎn)：細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是一個高度有序的體系； 通過弱鍵而相互作用處于動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)體系。,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的涵

4、義,,,? 完成各種中間代謝過程 如糖酵解過程、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等? 蛋白質(zhì)的分選與運(yùn)輸? 與細(xì)胞質(zhì)骨架相關(guān)的功能 維持細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞運(yùn)動、胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸及能量傳遞等 ? 蛋白質(zhì)的修飾、蛋白質(zhì)選擇性的降解蛋白質(zhì)的修飾 控制蛋白質(zhì)的壽命 降解變性和錯誤折疊的蛋白質(zhì) 幫助變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)重新折疊，形成正確的分子構(gòu)象,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能,,The protein synth

5、esis, degradation and modification.,,二、細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembrane system）,細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)概述 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的研究方法,,二、細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembrane system）,細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)概述 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的研究方法,,內(nèi)膜系統(tǒng)和膜運(yùn)輸,內(nèi)膜系統(tǒng)的進(jìn)化,◆起因∶ 遺傳信息的擴(kuò)大 體積的增大 表面積與體積比值失調(diào) 物質(zhì)代謝

6、速度受限◆對策:細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)域化 ◆途徑： 內(nèi)共生途徑 細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)陷途徑。,細(xì)胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體的進(jìn)化,內(nèi)膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與動態(tài)性質(zhì),◆具有質(zhì)膜的共性◆獨(dú)立性 ●內(nèi)膜封閉的區(qū)室 ●執(zhí)行獨(dú)立的功能◆協(xié)作性:動態(tài)性質(zhì),內(nèi)膜系統(tǒng)的動態(tài)特性,內(nèi)膜系統(tǒng)的生物學(xué)意義,① 首先是內(nèi)膜系統(tǒng)中各細(xì)胞器膜結(jié)構(gòu)的合成和裝配是統(tǒng)一進(jìn)行的，這不僅提高了合成的效率，更重要的是保證了膜結(jié)構(gòu)的一致性，特別是保證了膜蛋白在這些膜結(jié)構(gòu)中方向的一致性。②

7、內(nèi)膜系統(tǒng)在細(xì)胞內(nèi)形成了一些特定的功能區(qū)域和微環(huán)境，如酶系統(tǒng)的隔離與銜接, 細(xì)胞內(nèi)不同區(qū)域形成pH值差異, 離子濃度的維持, 擴(kuò)散屏障和膜電位的建立等等，以便在蛋白質(zhì)、脂類、糖類的合成代謝、加工修飾、濃縮過程中完成其特定的功能。,③ 內(nèi)膜系統(tǒng)通過小泡分泌的方式完成膜的流動和特定功能蛋白的定向運(yùn)輸，這不僅保證了內(nèi)膜系統(tǒng)中各細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)的更新，更重要的是保證了一些具有殺傷性的酶類在運(yùn)輸過程中的安全，并能準(zhǔn)確迅速到達(dá)作用部位。④ 細(xì)胞內(nèi)的許

8、多酶反應(yīng)是在膜上進(jìn)行的,內(nèi)膜系統(tǒng)的形成,使這些酶反應(yīng)互不干擾。⑤ 擴(kuò)大了表面積,提高了表面積與體積的比值。⑥ 區(qū)室的形成,相對提高了重要分子的濃度,提高了反應(yīng)效率。,,真核細(xì)胞中具有膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器的總體描述,膜結(jié)合細(xì)胞器:指細(xì)胞質(zhì)中所有具有膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器,包括細(xì)胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、分泌泡、線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等。由于它們都是封閉的膜結(jié)構(gòu),內(nèi)部都有一定的空間,所以又稱為膜結(jié)合區(qū)室。 內(nèi)膜系統(tǒng):內(nèi)膜系統(tǒng)是指內(nèi)質(zhì)

9、網(wǎng)、高爾基體、溶酶體和液泡(包括內(nèi)體和分泌泡)等四類膜結(jié)合細(xì)胞器, 因?yàn)樗鼈兊哪な窍嗷チ鲃拥? 處于動態(tài)平衡, 在功能上也是相互協(xié)同的。廣義上的內(nèi)膜系統(tǒng)概念也包括線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、細(xì)胞核等細(xì)胞內(nèi)所有膜結(jié)合的細(xì)胞器。,動物細(xì)胞中膜結(jié)合的細(xì)胞器及分布,,細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的研究方法,? 放射自顯影（Autoradiography） ?微粒體(microsomes)分離 ?遺傳突變分析（Genetic mutan

10、ts）,,,微粒體(microsomes),微粒體是指在細(xì)胞勻漿和差速離心過程中獲得的由破碎的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自我融合形成的近似球形的膜囊泡狀結(jié)構(gòu),它包含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和核糖體兩種基本成分。在體外實(shí)驗(yàn)中,具有蛋白質(zhì)合成、蛋白質(zhì)糖基化和脂類合成等內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的基本功能。,微粒體分離,確定了參與合成和分泌的主要細(xì)胞器的作用:內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是參與蛋白質(zhì)合成和轉(zhuǎn)運(yùn)的, 高爾基體不僅是中轉(zhuǎn)站, 而且具有加工的作用。,微粒體的功能研究,通過差速離心分離的微粒體不僅保留了膜的結(jié)構(gòu)

11、特征,同時還具有活細(xì)胞中的生物活性和功能。如來自高爾基體的囊泡具有將蛋白質(zhì)和脂進(jìn)行糖基化修飾的作用。用從這些囊泡中分離的特殊蛋白作為抗原制備抗體,然后將制備的抗體與特定的顆粒如金顆粒結(jié)合,再通過免疫電鏡技術(shù)就能夠?qū)τ米骺乖拿高M(jìn)行定位,通過這些研究詳細(xì)揭示了高爾基體在復(fù)雜的糖裝配中的具體過程。,,突變體使用,,A:分泌蛋白不能進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng);B: 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出芽缺陷;C:分泌小泡不能與高爾基體融合;D:高爾基體不能形成分泌泡;E:分泌泡不能與質(zhì)

12、膜融合。,第二節(jié) 內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng),,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER) 的形態(tài)結(jié)構(gòu)ER的功能 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與基因表達(dá)的調(diào)控,一、 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的兩種基本類型 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ rough endoplasmic reticulum，rER） 光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（smooth endoplasmic reticulum，sER）微粒體和肌質(zhì)網(wǎng),,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的模式圖,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是由一層單位膜所形成的囊狀、泡狀和管狀結(jié)構(gòu)，并形成一個連續(xù)的網(wǎng)膜系統(tǒng)。由于它靠

13、近細(xì)胞質(zhì)的內(nèi)側(cè)，故稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 在細(xì)胞內(nèi)占細(xì)胞體積的10%，占膜系統(tǒng)的一半左右,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與核膜的關(guān)系,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與核膜是相互連通的，有人把核膜看成是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一部分,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的化學(xué)組成,◆內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的標(biāo)志酶是 葡萄糖-6-磷酸酶。 ◆細(xì)胞色素P450在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中 最為豐富。,,,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(rough endoplasmic reticulum, RER）,多呈大的扁平膜囊狀, 在電鏡下觀察排列

14、極為整齊。它是核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)共同構(gòu)成的復(fù)合機(jī)能結(jié)構(gòu), 普遍存在于分泌蛋白質(zhì)的細(xì)胞中, 越是分泌旺盛的細(xì)胞(如漿細(xì)胞)越多, 未分化和腫瘤細(xì)胞中較少。其主要功能是合成分泌性的蛋白質(zhì)、多種膜蛋白和酶蛋白。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與細(xì)胞核的外層膜相連通。,,光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(smooth endoplasmic reticulum, SER),無核糖體附著的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)稱為光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng), 通常為小的膜管和小的膜囊狀, 而非扁平膜囊狀,廣泛存在于各種類型的細(xì)胞中，包括合成

15、膽固醇的內(nèi)分泌腺細(xì)胞、肌細(xì)胞、腎細(xì)胞等。光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是脂類合成的重要場所,它往往作為出芽的位點(diǎn), 將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)或脂類轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體。,超薄和掃描電鏡觀察的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),,2個特殊的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmic reticulum) ：心肌和骨骼肌細(xì)胞中的一種特殊的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),其功能是參與肌肉收縮活動微粒體(microsome)： 在細(xì)胞勻漿和差速離心過程中獲得的由破碎的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自我融合形成的近似球形的膜囊泡狀結(jié)構(gòu),,二、ER的

16、功能,ER是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)與脂類合成的基地，幾乎全部脂類和多種重要蛋白都是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的。,? rER的功能? sER的功能,,rER的功能——蛋白質(zhì)的合成和運(yùn)輸,因此，必須有極好的運(yùn)輸機(jī)制進(jìn)行分選定位, 這就是信號肽假說,rER合成的蛋白質(zhì)主要包括： 細(xì)胞外分泌蛋白 膜蛋白 溶酶體的酶類和胞外的酶類（細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)蛋白）,核糖體循環(huán),粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能 --信號肽與蛋白質(zhì)運(yùn)輸,,蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的修飾,除了N-連

17、接糖基化以外，新生肽的脯氨酸和賴氨酸要進(jìn)行羥基化，形成羥脯氨酸和羥賴氨酸，不過這種反應(yīng)只是在少數(shù)蛋白上發(fā)生。在合成膠原的細(xì)胞中,脯氨酸和賴氨酸羥基化則是一個主要的反應(yīng)。,羥基化(hydroxylation),N-連接糖基化,形成脂錨定蛋白,,sER的功能,光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的酶類 ◆糖代謝酶類 ◆脂代謝酶類 ◆藥物脫毒與相關(guān)的氧化酶 ◆蛋白質(zhì)的加工酶類,?糖原分解與游離葡萄糖釋放?脂類的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)?解毒作用?Ca2+離子濃度的調(diào)節(jié)

18、作用,糖原分解與游離葡萄糖釋放,sER中的葡萄糖-6-磷酸酶將葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖和無機(jī)磷，釋放游離的葡萄糖進(jìn)入血液，供細(xì)胞之用,類固醇激素的合成,在光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上含有合成膽固醇和將膽固醇轉(zhuǎn)化為激素的全套酶系；所以光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)能夠合成膽固醇，然后將膽固醇氧化、還原、水解進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成各種類固醇激素。,磷脂的合成,細(xì)胞膜所需要的最重要的磷脂也是在光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的。在光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的磷脂先作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的構(gòu)成部分，然后再轉(zhuǎn)運(yùn)給其他的膜

19、。,首先，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中脂肪酸與胞質(zhì)溶膠中的磷酸甘油結(jié)合,然后脫磷,并內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中膽堿磷脂轉(zhuǎn)移酶的作用下,將胞質(zhì)溶膠中的CDP-膽堿與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中的甘油脂肪酸結(jié)合形成磷脂酰膽堿。新合成的磷脂酰膽堿朝向胞質(zhì)溶膠一側(cè),但可在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中磷脂轉(zhuǎn)位酶的作用下翻轉(zhuǎn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔面。,在rER膜中合成磷脂酰膽堿,磷脂轉(zhuǎn)運(yùn)的方式,轉(zhuǎn)脂蛋白的作用（葉綠體、線粒體和過氧化物酶體）,解毒作用◆光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)含有豐富的氧化酶系統(tǒng)(如細(xì)胞色素P450、NADH細(xì)胞色素C還原

20、酶等)能使許多有害物質(zhì)解毒,轉(zhuǎn)化為易于排出的物質(zhì)。,光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的氧化作用,Ca2+離子濃度的調(diào)節(jié)作用,肌質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)特化的光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng), 是貯存Ca2+的細(xì)胞器。肌質(zhì)網(wǎng)膜上重要的膜蛋白是Ca2+-ATP酶, 光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可構(gòu)成心肌和骨胳肌肌原纖維周圍的肌質(zhì)網(wǎng)。當(dāng)肌細(xì)胞膜的興奮信號傳遞到肌質(zhì)網(wǎng)時則引起肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+, 從而導(dǎo)致肌細(xì)胞的收縮活動。當(dāng)肌肉松弛時, 鈣離子又重新泵回肌質(zhì)網(wǎng)。所以肌質(zhì)網(wǎng)實(shí)際上是作為鈣庫, 其內(nèi)有鈣結(jié)合蛋白, 每個鈣

21、結(jié)合蛋白可以結(jié)合30個左右的Ca2+。,,三、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與基因表達(dá)的調(diào)控,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)的合成、加工、折疊、組裝及向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)的復(fù)雜過程顯然是需要有一個精確調(diào)控的過程。 影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)?細(xì)胞核信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的三種因素： ? 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊蛋白的超量積累。? 折疊好的膜蛋白的超量積累。? 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上膜脂成份的變化——主要是固醇缺乏不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，最終調(diào)節(jié)細(xì)胞核內(nèi)特異基因表達(dá),,第三節(jié) 高爾基體,高爾基

22、體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 高爾基體的功能 高爾基體與細(xì)胞內(nèi)的膜泡運(yùn)輸,,◆高爾基器(Golgi apparatus)或高爾基復(fù)合體(Golgi complex)◆意大利科學(xué)家Camillo Golgi在 1898年發(fā)現(xiàn)的。,高爾基體,?形態(tài)結(jié)構(gòu) 連續(xù)的整體膜結(jié)構(gòu)?！舯馄侥遗?sacuules)◆小囊泡(vesicle)◆大囊泡(vacuoles),一、高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu),高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu),高爾基體的極性,◆高爾基內(nèi)側(cè)網(wǎng)絡(luò)

23、(cis-Golgi network, CGN) 順面、形成面◆中間潴泡 (medial cisternae)◆高爾基外側(cè)網(wǎng)絡(luò) (trans Golji network,TGN) 外側(cè)面、成熟面,數(shù)量與化學(xué)組成,◆數(shù)量 分泌功能越旺盛的細(xì)胞,越多?！舻鞍踪|(zhì)和脂 高爾基復(fù)合體高于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜: 質(zhì) 膜: 蛋白質(zhì) 40%, 脂 60%; 內(nèi)質(zhì)網(wǎng): 蛋白質(zhì) 20%, 脂 5

24、0-60%; 高爾基體: 蛋白質(zhì) 60%, 脂 40%;◆高爾基復(fù)合體的標(biāo)志酶是糖基轉(zhuǎn)移酶。,二、高爾基體的功能,?蛋白質(zhì)運(yùn)輸◆ER到高爾基體內(nèi)側(cè)的運(yùn)輸◆ER蛋白的逆向運(yùn)輸◆高爾基體內(nèi)側(cè)到高爾基體外側(cè)運(yùn)輸?蛋白質(zhì)的修飾?蛋白質(zhì)的分選,,高爾基體的蛋白運(yùn)輸作用,◆ER駐守蛋白的駐守機(jī)制●內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐守信號(ER retention signal): Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL信號序列●KD

25、EL信號受體 ▲內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜 ▲高爾基體膜,KDEL信號及其受體維持ER蛋白的穩(wěn)定,ER保留蛋白的運(yùn)輸,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白的運(yùn)輸,蛋白質(zhì)從順面高爾基網(wǎng)絡(luò)向反面高爾基網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸,伴隨有蛋白質(zhì)的各種加工,高爾基體中蛋白質(zhì)的糖基化,◆O-連接的糖基化 將糖鏈轉(zhuǎn)移到多肽鏈的絲氨酸、蘇氨酸或羥賴氨酸的羥基上，稱為O-連接的糖基化?！鬘-連接的寡聚糖進(jìn)一步加工,N-連接糖基化在高爾基體的加工,蛋白聚糖(proteoglycan)的合成,高爾基體

26、中也可以進(jìn)行多糖的合成。動物細(xì)胞中合成的多糖主要是透明質(zhì)酸，這是一種氨基聚糖, 是細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分。植物細(xì)胞壁中的幾種多糖，包括半纖維素、果膠也是在高爾基體中合成的。,蛋白原的水解,胰島素是在胰島B細(xì)胞中合成的, 剛從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的多肽在N- 末端有信號肽鏈, 稱前胰島素原(preproinsulin), 相對分子質(zhì)量為12,000。隨后在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的信號肽酶的作用下, 切除信號肽, 成為胰島素原(proinsulin),相對分子質(zhì)量9,

27、000, 含84個氨基酸。運(yùn)輸?shù)礁郀柣w后, 通過蛋白酶的水解作用, 生成一個分子由51個氨基酸殘基組成的胰島素和一個分子C肽,胰島素分子的加工成熟和運(yùn)輸,蛋白質(zhì)分選與輸出,◆分選的概念 ▲內(nèi)膜系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)分選作用 ▲高爾基體外側(cè)網(wǎng)絡(luò)的分選作用●分選作用主要是由信號序列和受體之間的相互作用決定的,蛋白質(zhì)分選,,高爾基體進(jìn)行的蛋白質(zhì)的分選,某些類型的信號肽特征,高爾基體在細(xì)胞內(nèi)膜泡蛋白運(yùn)輸中起重要的樞紐作用,,第四節(jié) 溶酶體

28、與過氧化物酶體,,溶酶體幾乎存在于所有的動物細(xì)胞中。溶酶體（lysosome）： 是單層膜圍繞、內(nèi)含多種酸性水解酶類的囊泡狀細(xì)胞器。其主 要功能是進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的消化作用。 ? 溶酶體的結(jié)構(gòu)類型 ? 溶酶體的功能 ? 溶酶體的發(fā)生 ? 溶酶體與過氧化物酶體,一、溶酶體的結(jié)構(gòu),◆動物細(xì)胞內(nèi)的一種細(xì)胞器◆小球狀,外面由一層單位膜包被◆溶酶體含有50多種水解酶類,在細(xì)胞內(nèi)起消化和保護(hù)作用◆當(dāng)細(xì)胞被損

29、傷時,溶酶體可釋放出水解酶類,使細(xì)胞自溶,電子顯微鏡下的溶酶體,? 溶酶體膜的特征： ? 嵌有質(zhì)子泵，形成和維持溶酶體中酸性的內(nèi)環(huán)境； ? 具有多種載體蛋白用于水解的產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運(yùn)； ? 膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。 ?溶酶體膜含有較高的膽固醇, 促進(jìn)了膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。,溶酶體的標(biāo)志酶：酸性磷酸酶（acid phosphatase）,溶酶體的形態(tài)、大小、及所含主要酶類,溶酶體的類型,◆初級溶酶

30、體(primary lysosome)： 此類溶酶體是剛剛從反面高爾基體形成的小囊泡, 僅含有水解酶類，但無作用底物，外面只有一層單位膜，其中的酶處于非活性狀態(tài)。 ◆次級溶酶體(secondary lysosome)： 此類溶酶體中含有水解酶和相應(yīng)的底物，是一種將要或正在進(jìn)行消化作用的溶酶體。根據(jù)所消化的物質(zhì)來源不同, 分為自噬性溶酶體、異噬性溶酶體。 ▲自噬性溶酶體(aotolysosome)：

31、 是一種自體吞噬泡, 作用底物是內(nèi)源性的,即細(xì)胞內(nèi)的蛻變、破損的某些細(xì)胞器或局部細(xì)胞質(zhì)。這種溶酶體廣泛存在于正常的細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)起“清道夫”作用。 ▲異噬性溶酶體(heterolysosome)： 又稱異體吞噬泡, 它的作用底物是外源性的, 即細(xì)胞經(jīng)吞噬、胞飲作用所攝入的胞外物質(zhì)。異噬性溶酶體實(shí)際上是初級溶酶體同內(nèi)吞泡融合后形成的。,植物液泡,植物溶酶體是植物細(xì)胞中由一層單位膜包裹的含有細(xì)微結(jié)構(gòu)的球形顆粒，直徑為

32、0.5～1μm，內(nèi)含酸性水解酶，相當(dāng)于動物細(xì)胞的溶酶體。,溶酶體的功能（對內(nèi)是清道夫，對外消化）,?吞噬作用(Phagocytosis)?自噬作用(Autophagy)?自溶作用(Autolysis)?其它的生理功能 ◆胚胎發(fā)育和形態(tài)建成 ◆受精作用(fertilization),自噬作用與吞噬作用,自噬作用,自噬作用主要是清除降解細(xì)胞內(nèi)受損傷的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、衰老的細(xì)胞器、以及不再需要的生物大分子,衰老的線粒體和過氧化物酶

33、體被包裹在一個雙層膜結(jié)構(gòu)中,該膜來自于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。被ER膜包裹而成的自噬體將會與溶酶體融合,進(jìn)而被溶酶體酶降解,自體吞噬泡形成的機(jī)制,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成一個雙膜的杯形結(jié)構(gòu)(a,b),衰老的細(xì)胞器(線粒體)從杯口進(jìn)入(c), 然后封口(d),形成雙膜的小泡。小泡與成熟的溶酶體融合(e),或與來自溶酶體分泌小泡融合(f), 溶酶體的酶降解融合泡中的底物(g)。,異體吞噬,其它重要的生理功能,?作為細(xì)胞內(nèi)的消化“器官”為細(xì)胞提供營養(yǎng)；?分泌腺細(xì)胞中，

34、溶酶體攝入分泌顆粒參與分泌過程的調(diào)節(jié)?參與清除贅生組織或退行性變化的細(xì)胞（如青蛙的尾巴的消除）；?受精過程中的精子的頂體（acrosome）反應(yīng)（精細(xì)胞的溶酶體分泌酶進(jìn)行細(xì)胞外消化）。,溶酶體與疾病,包涵體細(xì)胞病(inclusion cell disease)甘露糖不能被磷酸化，意味著溶酶體的酶不能正確地進(jìn)入溶酶體，而是被分泌到細(xì)胞外。病人的成纖維細(xì)胞中含有很多細(xì)胞質(zhì)小泡，小泡中大量的分子不能被溶酶體的酶消化。,矽肺(sili

35、cosis)空氣中的矽(SiO2 )被吸入肺后，被肺部的吞噬細(xì)胞所吞噬，由于吞入的二氧化硅顆粒不能被消化，并在顆粒的表面形成硅酸。硅酸的羧基和溶酶體膜的受體分子形成氫鍵，使膜破壞，釋放出水解酶，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，結(jié)果刺激成纖維細(xì)胞產(chǎn)生膠原纖維結(jié)節(jié)，造成肺組織的彈性降低，肺受到損傷，呼吸功能下降。,,Ⅱ型糖原貯積癥(glycogen storage disease type Ⅱ)是最早發(fā)現(xiàn)的貯積癥。由于常染色體上的一個隱性基因突變，造

36、成了溶酶體缺乏α葡萄糖苷酶，缺少了這種酶的溶酶體不能把肝細(xì)胞中或肌細(xì)胞中過剩的糖原進(jìn)行水解而大量積累在溶酶體內(nèi)，造成溶酶體超載。此病多發(fā)于嬰兒，表現(xiàn)為肌肉無力，心臟增大，心力衰竭, 通常于兩周內(nèi)死亡。,休克(shock)由于組織缺血、缺氧，影響了供能系統(tǒng)，造成膜的不穩(wěn)定，引起溶酶體酶的外漏，造成細(xì)胞與機(jī)體的損傷。溶酶體的酶外漏的可能機(jī)理是：由于缺氧，引起細(xì)胞pH值的下降，酸性水解酶活化，水解溶酶體的膜, 使膜漏增強(qiáng)，最終導(dǎo)致溶酶體膜

37、破裂，溶酶體酶釋放，使細(xì)胞組織自溶；而三羧酸循環(huán)的受阻影響細(xì)胞氧化磷酸化的過程，ATP減少，功能不足，鈉泵失靈，組織內(nèi)滲透壓下降，導(dǎo)致溶酶體膜的通透性增高，酶釋放，組織自溶。因此，在搶救休克病人時，臨床上采用大劑量的糖皮質(zhì)類固醇，以穩(wěn)定溶酶體的膜。,,三、溶酶體的發(fā)生,? 發(fā)生途徑? 分選途徑多樣化? 酶的加工方式多樣化 ? 糖側(cè)鏈的部分水解、膜蛋白等,溶酶體酶的加工,◆信號斑(signal patch) 是溶酶體酶

38、形成的一個特殊的空間結(jié)構(gòu)，信號斑是由幾段信號肽形成的一個三維結(jié)構(gòu)的表面, 這幾段信號肽聚集在一起, 形成一個斑點(diǎn)被磷酸轉(zhuǎn)移酶識別。,信號斑與信號肽,甘露糖磷酸化的酶,一種酶是N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶(N-acetyglucosamine phosphotransferase)，一個酶是N-乙酰葡萄糖苷酶, 功能是釋放N-乙酰葡萄糖胺,甘露糖 6-磷酸標(biāo)記,◆M6P受體蛋白(M6P receptor protein)●M6P受體蛋白

39、在pH為6.5～7的條件下與M6P結(jié)合●在酸性條件下(pH=6)脫落●M6P受體蛋白主要存在于高爾基體外側(cè)網(wǎng)絡(luò)●在某些細(xì)胞中M6P受體蛋白也存在于細(xì)胞質(zhì)膜上。,溶酶體酶的分選,內(nèi)體(endosome),內(nèi)體是膜包裹的囊泡結(jié)構(gòu),有初級內(nèi)體(early endosome)和次級內(nèi)體(late endosome)之分, 初級內(nèi)體通常位于細(xì)胞質(zhì)的外側(cè)，次級內(nèi)體常位于細(xì)胞質(zhì)的內(nèi)側(cè)，靠近細(xì)胞核。內(nèi)體的主要特征是酸性的、不含溶酶體酶的小囊泡,

40、其內(nèi)的受體與配體是分開的。一般認(rèn)為初級內(nèi)體是由于細(xì)胞的內(nèi)吞作用而形成的含有內(nèi)吞物質(zhì)的膜結(jié)合的細(xì)胞器, 通常是管狀和小泡狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)集合體。次級內(nèi)體中的pH呈酸性, 且具有分揀作用，能夠分選與配體結(jié)合的受體，讓它們再循環(huán)到細(xì)胞質(zhì)膜表面或高爾基體反面網(wǎng)絡(luò), 次級內(nèi)體中的受體和配體不再偶聯(lián)在一起，所以次級內(nèi)體又被稱為CURL，意思是受體與配體非偶聯(lián)的區(qū)室。,溶酶體酶運(yùn)輸小泡與次級內(nèi)體的融合及次級內(nèi)體的分選作用,溶酶體的形成,溶酶體酶的合成

41、及N-連接的糖基化修飾（RER）,高爾基體cis膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化,M6P,N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶,,,,高爾基體trans-膜囊和TGN膜（M6P受體）,溶酶體酶分選與局部濃縮,以出芽的方式轉(zhuǎn)運(yùn)到前溶酶體,,,,,磷酸葡萄糖苷酶,磷酸化識別信號：信號斑,,發(fā)生途徑,四、溶酶體與過氧化物酶體,過氧化物酶體(peroxisome)又稱微體(microbody)，是 由單層膜圍繞的內(nèi)含一種或幾種氧化酶類的異質(zhì)性細(xì)胞器。

42、? 過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別? 過氧化物酶體的功能? 過氧化物酶體的發(fā)生,,鼠肝細(xì)胞超薄切片所顯示的過氧化物酶體（P）和其它細(xì)胞器如線粒體（M）等（Albert et al. ，1989）,,,,過氧化物酶體與溶酶體的區(qū)別,?過氧化物酶體和初級溶酶體的形態(tài)與大小類似，但過氧化物酶體中的尿酸氧化酶等常形成晶格狀結(jié)構(gòu)，可作為電鏡下識別的主要特征。?通過離心可分離過氧化物酶體和溶酶體 ?過氧化物酶

43、體和溶酶體的差別,,,,微體與初級溶酶體的特征比較,,過氧化物酶體的功能,?動物細(xì)胞（肝細(xì)胞或腎細(xì)胞）中過氧化物酶體可氧化分解血液 中的有毒成分，起到解毒作用。 過氧化物酶體中常含有兩種酶： 依賴于黃素（FAD）的氧化酶，其作用是將底物氧化形成H2O2； 過氧化氫酶，作用是將H2O2分解，形成水和氧氣。?過氧化物酶體分解脂肪酸等高能分子向細(xì)胞直接提供熱能。?在植物細(xì)胞中過氧化物酶體的功能： ? 在

44、綠色植物葉肉細(xì)胞中，它催化CO2固定反應(yīng)副產(chǎn)物的氧化， 即所謂光呼吸反應(yīng)； ? 乙醛酸循環(huán)的反應(yīng)，在種子萌發(fā)過程中，過氧化物酶體 降解儲存的脂肪酸?乙酰輔酶A?琥珀酸?葡萄糖。,,過氧化物酶體的功能,?動物細(xì)胞（肝細(xì)胞或腎細(xì)胞）中過氧化物酶體可氧化分解血液 中的有毒成分，起到解毒作用。 過氧化物酶體中常含有兩種酶： 依賴于黃素（FAD）的氧化酶，其作用是將底物氧化形成H2O2；

45、過氧化氫酶，作用是將H2O2分解，形成水和氧氣。?過氧化物酶體分解脂肪酸等高能分子向細(xì)胞直接提供熱能。?在植物細(xì)胞中過氧化物酶體的功能： ? 在綠色植物葉肉細(xì)胞中，它催化CO2固定反應(yīng)副產(chǎn)物的氧化， 即所謂光呼吸反應(yīng)； ? 乙醛酸循環(huán)的反應(yīng)，在種子萌發(fā)過程中，過氧化物酶體 降解儲存的脂肪酸?乙酰輔酶A?琥珀酸?葡萄糖。,,,,過氧化物酶體的發(fā)生,? 氧化物酶體經(jīng)分裂后形成子代的細(xì)胞器，子代的過氧化物酶體

46、 還需要進(jìn)一步裝配形成成熟的細(xì)胞器。 ? 組成過氧化物酶體的蛋白均由核基因編碼，主要在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 中合成，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到過氧化物酶體中。 ? 過氧化物酶體蛋白分選的信號序列（Peroxisomal-targeting signal，PTS）： ? PTS1為Ser-lys-leu，多存在于基質(zhì)蛋白的C端。 ? PTS2為Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存在于某些基質(zhì)蛋白N