細胞生物學(xué)第二章細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng).ppt

1,第二章 細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng),細胞質(zhì)基質(zhì)：是細胞內(nèi)除細胞器和內(nèi)含物以外的，較為均質(zhì)半透明的液態(tài)膠狀物質(zhì)；主要含有與物質(zhì)中間代謝有關(guān)的酶類、細胞骨架結(jié)構(gòu)及糖原和脂滴。,細胞內(nèi)膜系統(tǒng)：是在結(jié)構(gòu)、功能或發(fā)生上相關(guān)的膜圍繞的細胞器或細胞結(jié)構(gòu)，主要指內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基器、溶酶體、胞內(nèi)體、過氧化物酶體等。 內(nèi)膜系統(tǒng)形成了一種胞內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其功能： 其一是擴大膜的總面積，為酶提供附著的支架，如脂肪代謝、氧化磷酸化相關(guān)的酶都結(jié)合在細胞膜上。 其二是將細胞內(nèi)部區(qū)分為不同的功能區(qū)域，保證各種生化反應(yīng)所需的獨特的環(huán)境。,2,主要成分： （1）小分子：水、無機離子（K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl- ） （2）中等分子:脂類、糖類、氨基酸、核苷酸 （3）大分子：蛋白質(zhì)、脂蛋白、多糖、RNA,2.1細胞質(zhì)基質(zhì),功能： （1）在細胞物質(zhì)代謝中起重要作用。 （2）與細胞骨架的形成及存在有關(guān)。 （3）胞液在蛋白的修飾，蛋白選擇性降解，控制蛋白壽命及幫助變性或錯誤折疊的Pr重新折疊形成正常的分子構(gòu)象等方面起著重要作用。,4,從系統(tǒng)發(fā)生來看內(nèi)膜系統(tǒng)起源于質(zhì)膜的內(nèi)陷和內(nèi)共生（線粒體、葉綠體），從個體發(fā)生來看新細胞的內(nèi)膜系統(tǒng)來源于原有內(nèi)膜系統(tǒng)的分裂。當(dāng)細胞進行分裂時，不僅要進行染色體和細胞核的復(fù)制，同時各種細胞器通過吸收新合成的成分長大，然后隨著細胞的分裂分配到子細胞中去。細胞不能從無到有產(chǎn)生所有膜性細胞器，新的膜性細胞器來源于已存在細胞器的分裂。如果徹底移除細胞內(nèi)所有的過氧化物酶體，細胞根本不能重建新的過氧化物酶體，因為過氧化物酶體中具有選擇性地接受細胞質(zhì)內(nèi)合成的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)位因子（translocator）。細胞內(nèi)合成的蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)之所以能夠定向的轉(zhuǎn)運到特定的細胞器取決于兩個方面：其一是蛋白質(zhì)中包含特殊的信號序列（signal sequence or targeting sequence ），其二是細胞器上具特定的信號識別裝置（分選受體，sorting receptor），因此內(nèi)膜系統(tǒng)的發(fā)生具有核外遺傳（epigenetic）的特性。,5,6,7,一、蛋白質(zhì)分選信號 細胞類至少存在兩類蛋白質(zhì)分選的信號 信號序列（signal sequence）：存在于蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)上的線性序列，通常15-60個氨基酸殘基. 信號斑（signal patch）：存在于完成折疊的蛋白質(zhì)中，構(gòu)成信號斑的信號序列之間可以不相鄰，折疊在一起構(gòu)成蛋白質(zhì)分選的信號。,2.1 蛋白質(zhì)分選的基本原理,8,9,二、蛋白質(zhì)分選運輸?shù)耐緩?蛋白質(zhì)的分選運輸途徑主要有三類： 1、門控運輸（gated transport）：如核孔可以選擇性的主動運輸大分子物質(zhì)和RNP復(fù)合體，并且允許小分子物質(zhì)自由進出細胞核。 2、跨膜運輸（transmembrane transport）：蛋白質(zhì)通過跨膜通道進入目的地。如細胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)在信號序列的引導(dǎo)下，通過線粒體上的轉(zhuǎn)位因子，以解折疊的線性分子進入線粒體。 3、膜泡運輸（vesicular transport）：蛋白質(zhì)被選擇性地包裝成運輸小泡，定向轉(zhuǎn)運到靶細胞器。如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體的物質(zhì)運輸、高爾基體分泌形成溶酶體、細胞攝入某些營養(yǎng)物質(zhì)或激素，都屬于這種運輸方式。 這幾種運輸機制都涉及信號序列的引導(dǎo)和靶細胞器上受體蛋白的識別。,10,11,一、衣被類型 已知三類具有代表性的衣被蛋白，即：籠形蛋白（clathrin）、COPI和COPII，個介導(dǎo)不同的運輸途徑（表2）。 表2 衣被小泡的類型與功能,12,2.2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng),1945年,KR. Porter、A. Claude 和 EF. Fullam等觀察培養(yǎng)的小鼠成纖維細胞人于發(fā)現(xiàn)，建議叫做內(nèi)質(zhì)網(wǎng)endoplasmic reticulum，ER. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜約占細胞總膜面積的一半，是真核細胞中最多的膜。,2.2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng),由單位膜圍成的膜管狀結(jié)構(gòu)；是一系列重要生物大分子如蛋白質(zhì)、酯類和糖類合成的基地。,14,1.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的類型,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：呈扁囊狀，排列較為整齊，其膜表面分布著大量的核糖體。參與合成分泌蛋白質(zhì)和多種膜蛋白。 滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：多呈分支管道狀，是脂類合成的重要場所。 髓樣體和環(huán)狀片層：,15,16,17,18,19,20,21,2.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的化學(xué)組成,ER膜含有豐富的磷脂酰膽堿而鞘磷脂含量很少 ER膜蛋白質(zhì)含量比質(zhì)膜的多 ER具有大量的酶，其中G-6-P酸酶視為ER膜的標志酶，還有重要的標志酶是電子傳遞體系。 ER包含參與甘油三脂、磷脂、糖脂、脂肪酸、膽固醇、類固醇激素、膽汁酸等生物合成酶系。,24,3.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能：,參與蛋白質(zhì)的合成、修飾加工、輸運出細胞的過程 （1）蛋白質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)移； （2）轉(zhuǎn)移到ER腔內(nèi)蛋白質(zhì)進行加工修飾； 參與脂類的合成； 參與糖類的分解； 參與解毒作用：在電子傳遞體系參與下，使多種脂溶性的物質(zhì)如藥物、毒物等氧化,消滅其毒性。,26,(1)蛋白質(zhì)合成的信號假說,C. Milstein（1972）發(fā)現(xiàn)從骨髓瘤細胞提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到細胞外的N端多出一段。G. Blobel和D. Sabatini等根據(jù)進一步的實驗，提出了信號假說（Signal hypothesis），認為蛋白質(zhì)上的信號肽，指導(dǎo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成。Blobel因此項發(fā)現(xiàn)獲1999年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。,27,(1)蛋白質(zhì)合成的信號假說,蛋白質(zhì)的合成開始于胞液中的核蛋白體上，在核糖體所轉(zhuǎn)譯的肽鏈中包含一段疏水的氨基酸序列，作為信號指導(dǎo)游離核糖體附著到ER膜的表面，并結(jié)合于該處，繼續(xù)轉(zhuǎn)譯過程；核糖體所轉(zhuǎn)譯的多肽鏈中若沒有這樣的信號序列，就留在胞液中，在胞液中進行由遺傳信使翻譯成多肽的過程。,ER信號肽指導(dǎo)多肽到ER膜,需要通過兩種成分介導(dǎo)： 1.信號識別顆粒（SRP）： 2.信號識別顆粒（SRP）受體：,28,29,30,蛋白質(zhì)的修飾與加工 包括糖基化、羥基化、?；⒍蜴I形成等，其中最主要的是糖基化，幾乎所有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)最終被糖基化。糖基化的作用是： 使蛋白質(zhì)能夠抵抗消化酶的作用；賦予蛋白質(zhì)傳導(dǎo)信號的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正確折疊。糖基一般連接在4種氨基酸上，分為2種： O-連接的糖基化（O-linked glycosylation）：與Ser、Thr和Hyp的OH連接，連接的糖為半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高爾基體上進行O-連接的糖基化。 N-連接的糖基化（N-linked glycosylation）：與天冬酰胺殘基的NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。,31,32,33,34,35,36,37,2.3 高爾基器,1889年，Golgi用銀染法在貓頭鷹的神經(jīng)細胞內(nèi)觀察到了清晰的結(jié)構(gòu)，因此定名為高爾基體。 1.形態(tài)結(jié)構(gòu) 由單位膜圍成的扁平囊構(gòu)成高爾基堆，其周圍結(jié)合一些小管和小泡。高爾基堆至少可分為三個區(qū)隔： 順面區(qū)隔（凸面）：對著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)稱為形成面（forming face）或順面（cis face）,含磷酸轉(zhuǎn)移酶，催化磷酸基團加到溶酶體蛋白上； 中間區(qū)隔：具有N-已酰葡萄糖胺基轉(zhuǎn)移酶，催化 N-已酰葡萄糖胺加到糖蛋白上； 反面區(qū)隔（凹面）：面對著質(zhì)膜稱為成熟面（mature face）或反面（trans face）含有半乳糖轉(zhuǎn)移酶及唾液酸基轉(zhuǎn)移酶；,38,39,40,41,42,2. 高爾基器中的酶：,43,3. 高爾基器的功能：,參與蛋白質(zhì)的加工、分選、包裝與運輸； 參與蛋白的糖基化及其復(fù)雜的加工與修飾； 參與多肽的酶解及多糖的合成； 在細胞的“膜流”中起重要作用；,46,47,48,2.4 溶酶體,1955年de Duve與Novikoff首次發(fā)現(xiàn)溶酶體（lysosome）。 1.溶酶體的形成 一般認為溶酶體形成的主要位置是在高爾基器，從高爾基器端部膨大脫落下來形成初級溶酶體，逐級演化成次級溶酶體，溶酶體膜上具有質(zhì)子泵，依賴ATP水解放出能量，將H+泵入溶酶體內(nèi)維持其內(nèi)腔的酸性環(huán)境。 2.形態(tài)結(jié)構(gòu) 由單位膜圍成的球形小體，小體內(nèi)PH=5.0，其內(nèi)含有60多種酸性水解酶，概括起來包括：蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶、磷酸酶、硫酸脂酶和磷脂酶等。,51,52,3.溶酶體的功能：,1、清除無用的生物大分子、衰老細胞器和衰老損傷和死亡的細胞。此消化功能對細胞的營養(yǎng)、生長及發(fā)育起調(diào)節(jié)作用。,2、清除異物或病原菌，增強細胞的防御功能,3、參與兩棲類發(fā)育中蝌蚪尾巴的退化；,4、參與受精過程；,5、溶酶體與疾??；,1矽肺 2肺結(jié)核 結(jié)核桿菌的菌體成分硫酸腦苷脂能抵抗胞內(nèi)的溶菌殺傷作用，使結(jié)核桿菌在肺泡內(nèi)大量生長繁殖，導(dǎo)致巨噬細胞裂解，釋放出的結(jié)核桿菌再被吞噬而重復(fù)上述過程，最終引起肺組織鈣化和纖維化。 3各類貯積癥 貯積癥（storage disease）是由于遺傳缺陷引起的， 臺-薩氏綜合征（Tay-Sachs diesease）：要叫黑蒙性家族癡呆癥，溶酶體缺少氨基已糖酯酶A（-N-hexosaminidase），導(dǎo)致神經(jīng)節(jié)甘脂GM2積累（圖6-30），影響細胞功能，造成精神癡呆，26歲死亡?；颊弑憩F(xiàn)為漸進性失明、病呆和癱瘓，該病主要出現(xiàn)在猶太人群中。 4類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎 溶酶體膜很易脆裂，其釋放的酶導(dǎo)致關(guān)節(jié)組織損傷和發(fā)炎,56,2.5 過氧化物酶體,由J. Rhodin（1954）首次在鼠腎小管上皮細胞中發(fā)現(xiàn)。 1.形態(tài)結(jié)構(gòu)：是由單位膜包裹的卵圓形小