細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)

2017/11/2,1,CHAPTER 8,Endomembrane System,2017/11/2,2, cytoplasmic matrix or cytomatrix 用差速離心法分離細(xì)胞勻漿物組分，先后除去細(xì)胞核、線粒體、溶酶體、高爾基體和細(xì)胞質(zhì)膜等細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)后，存留在上清液中的主要是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的成分，也稱為胞質(zhì)溶膠。 主要成分： 與中間代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類(lèi)；細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)。 主要特點(diǎn)： 高度有序；動(dòng)態(tài)平衡。,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì),2017/11/2,3,完成各種中間代謝過(guò)程； 如糖酵解過(guò)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(dòng)、胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸及能量傳遞等 參與蛋白質(zhì)的修飾、折疊和選擇性的降解。,細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能,2017/11/2,4,結(jié)構(gòu)、功能及發(fā)生上相關(guān)的內(nèi)膜包被形成的細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)。包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、胞內(nèi)體和分泌泡5類(lèi)膜包被細(xì)胞器，因?yàn)樗鼈兊哪せハ嗔鲃?dòng)，處于動(dòng)態(tài)平衡，在功能上也是相互協(xié)同的。,細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng),2017/11/2,5,內(nèi)膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn),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(dòng)態(tài)性質(zhì) Biosynthetic pathway Secretory pathway Endocytic pathway,2017/11/2,6,內(nèi)膜系統(tǒng)的研究方法放射自顯影術(shù),2017/11/2,7,2017/11/2,8,膜包被細(xì)胞器的進(jìn)化,膜包被細(xì)胞器(membrane-bound organelle)：指細(xì)胞質(zhì)中所有具有膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，除內(nèi)膜系統(tǒng)中的細(xì)胞器外，還包括葉綠體、線粒體和過(guò)氧化物酶體等。,2017/11/2,9,Endoplasmic Reticulum（ER，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）,2017/11/2,10,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)遍布整個(gè)細(xì)胞質(zhì),由喹啉藍(lán)熒光染料染色的細(xì)胞在熒光顯微鏡下顯示的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu),2017/11/2,11,經(jīng)高錳酸鉀技術(shù)處理后的細(xì)胞在TEM下的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜系統(tǒng)的全貌性結(jié)構(gòu),2017/11/2,12,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu),形態(tài) ER is a network of membrane-enclosed tubules and sacs (cisternae) that extends from the nuclear membrane throughout the cytoplasm. Its membrane may account for about half of all cell membranes. The space enclosed by the ER may represent about 10% of the total cell volume.,2017/11/2,13,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的類(lèi)型Rough endoplasmic reticulum (rER) Smooth endoplasmic reticulum (sER),2017/11/2,14,特殊類(lèi)型的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),微粒體(microsome) 在細(xì)胞勻漿和差速離心過(guò)程中獲得的由破碎的ER自我融合形成的近似球形的膜囊泡狀結(jié)構(gòu)，包含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和核糖體兩種基本成分。肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmic reticulum) 心肌和骨骼肌細(xì)胞中的一種特殊的sER，其功能是參與肌肉收縮活動(dòng)，內(nèi)部?jī)?chǔ)存了大量的Ca2+。,2017/11/2,15,ER是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)與脂類(lèi)合成的基地，幾乎全部脂類(lèi)和多種重要蛋白都是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的。,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能,2017/11/2,16,在rER完成蛋白質(zhì)的合成 分泌蛋白； 膜整合蛋白； 內(nèi)膜系統(tǒng)各種細(xì)胞器內(nèi)的可溶性蛋白。,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能,其它的多肽是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中游離核糖體上合成的，包括：細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的駐留蛋白、質(zhì)膜外周蛋白、核輸入蛋白、轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體、葉綠體和過(guò)氧物酶體的蛋白。細(xì)胞中蛋白質(zhì)都是在核糖體上合成的，并都是起始于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中游離核糖體。,2017/11/2,17,細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成,2017/11/2,18,在rER中進(jìn)行蛋白質(zhì)的加工與修飾, 糖基化 主要進(jìn)行的是N-連接的糖基化(N-linked glycosylation)，發(fā)生在合成肽鏈的天冬酰胺的氮原子上，與之接觸的糖為N-乙酰葡萄糖胺； 少數(shù)糖基化為O-linked glycosylation，發(fā)生在絲氨酸/蘇氨酸或羥賴氨酸/羥脯氨酸羥基的氧原子上，直接接觸的糖為N-乙酰半乳糖胺。,2017/11/2,19,N-linked glycosylation,2017/11/2,20,N-連接的糖基化,2017/11/2,21,羥基化 脯氨酸和賴氨酸通過(guò)羥基化形成羥脯氨酸和羥賴氨酸,二硫鍵形成,?；?新合成的蛋白通過(guò)?；珽R膜上的糖脂結(jié)合，將自己錨定在ER膜上，形成脂錨定蛋白,2017/11/2,22,rER內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)的折疊與組裝,蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(protein disulfide isomerase) 幫助新合成的蛋白重新形成二硫鍵，并處于正確折疊的狀態(tài)Bip蛋白(binding protein) 防止未折疊的多肽鏈不正確的折疊和聚合； 防止新合成的蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中變性或斷裂。,2017/11/2,23,BiP蛋白在rER中的作用,2017/11/2,24,光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能,sER內(nèi)進(jìn)行脂類(lèi)的合成sER合成細(xì)胞所需絕大多數(shù)膜脂，包括磷脂和膽固醇；磷脂合成酶是ER膜整合蛋白，活性部位朝向細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)，磷脂合成好后轉(zhuǎn)向ER腔面；磷脂從ER向其它膜的轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)兩種方式 出芽融合：高爾基體、溶酶體、細(xì)胞膜； 通過(guò)磷脂轉(zhuǎn)換蛋白(PEP) : 線粒體、過(guò)氧化酶體 供體膜與受體膜之間直接接觸,2017/11/2,25,磷脂從sER的轉(zhuǎn)運(yùn),2017/11/2,26,解毒作用（肝細(xì)胞） sER含有豐富的氧化酶系統(tǒng)(如細(xì)胞色素P450)，能使許多有害物質(zhì)解毒，轉(zhuǎn)化為易于排出的物質(zhì)。游離葡萄糖釋放（肝細(xì)胞） ER中的葡萄糖-6-磷酸酶能夠?qū)⑵咸烟?6-磷酸水解為葡萄糖和磷酸，釋放游離的葡萄糖進(jìn)入血液； 葡萄糖-6-磷酸酶是ER的標(biāo)志酶。類(lèi)固醇激素的合成（分泌類(lèi)固醇激素的細(xì)胞） 合成的膽固醇氧化、還原、水解轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N類(lèi)固醇激素；Ca2+濃度的調(diào)節(jié)作用（心肌、骨骼肌細(xì)胞）,2017/11/2,27,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及其信號(hào)調(diào)控,未折疊蛋白應(yīng)答反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)超負(fù)荷反應(yīng)（endoplasmic reticulum overload response，EOR ）固醇調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)反應(yīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)引起細(xì)胞凋亡,2017/11/2,28,2017/11/2,29,未折疊蛋白應(yīng)答反應(yīng),2017/11/2,30,固醇調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)反應(yīng),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是細(xì)胞一種自我保護(hù)機(jī)制，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激如果不能使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)恢復(fù)蛋白折疊的良好環(huán)境就會(huì)啟動(dòng)細(xì)胞程序性死亡。,左圖：Apoptotic pathways induced by ER stress: 1) ER stress leads to the activation of PERK and, eventually, the GADD34/PP1 phosphatase complex, which dephosphorylates eIF2, promoting apoptosis. Genetic strategies or chemicals that enforce eIF2 phosphorylation protect cells from ER stress-induced apoptosis. 2) Caspase-12 (mice) or -4 (humans) is associated with the cytoplasmic face of the ER membrane and can be activated by ER stress in several ways, including via IRE1 and TRAF2（腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2）, or by cleavage by calpain, itself activated by the release of calcium from ER stores. Bcl-2 family members also reside in the ER membrane and influence apoptosis induced by ER stress, both through the regulation of calcium flux and amplification of the apoptotic signal via the mitochondrial pathway. (JNK, c-Jun N-terminal kinases,JNK活化與線粒體凋亡途徑有關(guān)，在射線等處理細(xì)胞后JNK可被激活啟動(dòng)凋亡。JNK還有促細(xì)胞增值等作用）/ 右圖：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起的Ca2+上升激活鈣離子依賴的蛋白酶calpain引起溶酶體內(nèi)組織蛋白酶cathepsin泄漏導(dǎo)致細(xì)胞壞死。 /,2017/11/2,32,6.3 Golgi complex,高爾基體(Golgi body)、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。,2017/11/2,33,6.3.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成,數(shù)量和分布生物體中高爾基體的數(shù)量不等；在分泌功能旺盛的細(xì)胞中，高爾基體數(shù)量很多；肌細(xì)胞和淋巴細(xì)胞中高爾基體少見(jiàn)；高爾基體在細(xì)胞內(nèi)多位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與細(xì)胞膜之間； 高爾基體只存在于真核細(xì)胞中，原核細(xì)胞中沒(méi)有。,2017/11/2,34,形態(tài)結(jié)構(gòu),扁平膜囊(saccules) 高爾基體的主體部分，呈弓形或半球形，中間囊腔，周緣泡狀，多層組成； 凸出的一面對(duì)著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)稱為形成面或順面(cis face)； 凹進(jìn)的一面對(duì)著質(zhì)膜稱為成熟面或反面(trans face)；,小囊泡(vesicle) 扁平膜囊周?chē)脑S多小泡，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體出芽形成。,2017/11/2,35,高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu),2017/11/2,36,高爾基體主體的功能區(qū)隔,順面高爾基網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cis Golgi network，CGN) 高爾基體的入口區(qū)域，接受來(lái)自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)新合成的物質(zhì)；,反面高爾基網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(trans Golji network，TGN) 高爾基體的出口區(qū)域，參與蛋白質(zhì)的分類(lèi)與包裝，最后輸出。,中間膜囊(medial Golgi) 多數(shù)糖基修飾，糖脂的形成以及與高爾基體有關(guān)的多糖的合成均發(fā)生此處；,2017/11/2,37,化學(xué)組成與特異反應(yīng),高爾基體的標(biāo)志酶是糖基轉(zhuǎn)移酶高爾基體各部分膜囊具有不同的細(xì)胞化學(xué)反應(yīng) 嗜鋨反應(yīng)：cis面膜囊被特異地染色； 煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）反應(yīng)：中間幾層扁平膜囊； 焦磷酸硫胺素酶（TPP酶）反應(yīng)：特異顯示trans面的12層膜囊； 胞嘧啶單核苷酸酶（CMP酶）反應(yīng)：靠近trans面上的一些膜囊狀和管狀結(jié)構(gòu)。,2017/11/2,38,a) Cis cisternae of Golgi complex: reduced osmium tetroxide(OsO4);b) Reaction for enzyme mannosidase II , localized in the medial;c) Reaction for enzyme nucleoside diphosphatase , localized in the trans cisternae.,Regional differences in membrane composition across the Golgi stack,2017/11/2,39,6.3.2 高爾基體的功能,參與細(xì)胞分泌活動(dòng)（蛋白質(zhì)和脂）蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾蛋白原的水解進(jìn)行蛋白質(zhì)的分選,2017/11/2,40,參與細(xì)胞分泌活動(dòng),rER上合成的蛋白質(zhì)進(jìn)入ER腔COPII運(yùn)輸泡進(jìn)入CGN在medial Golgi中加工在TGN形成運(yùn)輸泡運(yùn)輸或與質(zhì)膜融合、排出。,2017/11/2,41,蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾,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/羥脯氨酸的羥基上，稱為O-連接的糖基化。N-連接的寡聚糖進(jìn)一步加工動(dòng)物細(xì)胞蛋白聚糖的裝配（硫酸化）植物細(xì)胞中高爾基體合成和分泌多種多糖，包括半纖維素和果膠。,2017/11/2,42,N-連接寡糖的合成過(guò)程,磷酸多萜醇載體的合成及轉(zhuǎn)位寡糖前體的合成及轉(zhuǎn)移,2017/11/2,43,N-連接寡糖在ER和Golgi的加工過(guò)程,來(lái)自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的糖蛋白進(jìn)一步在高爾基體中進(jìn)行加工,2017/11/2,44,N-連接與O-連接的寡糖比較,2017/11/2,45,蛋白原的水解,有些分泌產(chǎn)物在其剛從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成時(shí)是較大分子的蛋白原，這些蛋白原被送到高爾基體后通過(guò)蛋白的水解作用，形成成熟的分泌蛋白。如胰島素的合成。,2017/11/2,46,2017/11/2,47,將含有多個(gè)相同氨基序列的前體水解為有活性的多肽，如神經(jīng)肽。含有不同信號(hào)序列的蛋白質(zhì)前體在高爾基體加工成不同的產(chǎn)物。或同一種蛋白質(zhì)前體在不同細(xì)胞、以不同的方式加工成不同的多肽。加工還包括肽鏈酪氨酸殘基的硫酸化作用。,2017/11/2,48,進(jìn)行蛋白質(zhì)的分選,由于細(xì)胞質(zhì)膜的蛋白質(zhì)、溶酶體酶蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白都是在膜結(jié)合核糖體上合成并全部進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔，最終在TGN集結(jié)，所以TGN必然有一種機(jī)制將這些蛋白質(zhì)分開(kāi)；蛋白質(zhì)的分選主要是由信號(hào)序列和受體之間的相互作用決定的。,2017/11/2,49,高爾基體進(jìn)行的蛋白質(zhì)的分選,2017/11/2,50,6.4 溶酶體(lysosome),溶酶體(lysosome)為de Duve和Novikoff于1955年首次發(fā)現(xiàn)；存在于動(dòng)物細(xì)胞，由單層膜包被、內(nèi)含多種酸性水解酶類(lèi)的囊泡狀細(xì)胞器，其主要功能是進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)消化（植物細(xì)胞中的圓球體和中央液泡具有溶酶體類(lèi)似的功能）；具有異質(zhì)性(heterogenous)，形態(tài)大小和水解酶種類(lèi)都可能有很大的不同；酸性磷酸酶是標(biāo)志酶。,2017/11/2,51,電子顯微鏡下的溶酶體,2017/11/2,52,溶酶體膜的特征,膜上嵌有質(zhì)子泵，將H+泵入溶酶體，使其PH值降低；膜上具有多種載體蛋白，用于水解產(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；膜上含有膽固醇，能促進(jìn)膜的穩(wěn)定性。,2017/11/2,53,2017/11/2,54,植物溶酶體,圓球體(spherosome)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0.51m，內(nèi)含酸性水解酶，相當(dāng)于動(dòng)物細(xì)胞的溶酶體。與動(dòng)物細(xì)胞的溶酶體不同，圓球體能夠被脂溶性的染料染色, 因此推測(cè)圓球體含有大量的脂類(lèi)成份。由于含有大量的脂，有理由推測(cè)圓球體的功能可能是參與脂的儲(chǔ)存,2017/11/2,55,植物溶酶體,液泡(vacuoles)植物中由膜包裹的結(jié)構(gòu), 幾乎占據(jù)了細(xì)胞總體積的90%。植物細(xì)胞的液泡也含有多種水解酶類(lèi), 具有與動(dòng)物細(xì)胞溶酶體酶類(lèi)似的功能。液泡膜上具有H+-ATPase, 能夠?qū)+運(yùn)輸?shù)揭号葜? 同時(shí)在液泡膜上還有一些運(yùn)輸?shù)鞍? 幫助液泡行使一些特殊的功能。,2017/11/2,56,6.4.1 溶酶體的類(lèi)型,初級(jí)溶酶體(primary lysosome)次級(jí)溶酶體(secondary lysosome)殘余小體(residual body),2017/11/2,57,初級(jí)溶酶體(primary lysosome),剛剛從外側(cè)高爾基體形成的小囊泡；直徑約0.2-0.5um，不含有明顯的顆粒物質(zhì)；有多種酸性水解酶，但沒(méi)有活性。,2017/11/2,58,次級(jí)溶酶體(secondary lysosome),是正在進(jìn)行或完成消化作用的溶酶體，內(nèi)含水解酶和相應(yīng)的底物，可分為： 自噬性溶酶體(aotolysosome) 異噬性溶酶體(heterolysosome),2017/11/2,59,殘余小體(residual body),又稱后溶酶體(post lysosome)，已失去酶活性，僅留未消化的殘?jiān)?；殘余小體可通過(guò)外排作用排出細(xì)胞，也可能留在細(xì)胞內(nèi)逐年增多，如表皮細(xì)胞的老年斑，肝細(xì)胞的脂褐質(zhì)。,2017/11/2,60,(1) 內(nèi)體性溶酶體 內(nèi)吞作用 內(nèi)體 內(nèi)體性溶酶體 Go 轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡 (2) 自噬性溶酶體 衰老細(xì)胞器自噬體 自噬性溶酶體 內(nèi)體性溶酶體 (3)異噬性溶酶體 吞噬異物異噬體 異噬性溶酶體內(nèi)體性溶酶體,消化途徑,2017/11/2,61,溶酶體消化作用的3種途徑：吞噬作用、胞飲作用、自噬作用,2017/11/2,62,自溶作用(Autolysis)： 手指或腳趾的形成； 蝌蚪發(fā)育中尾巴的退化；,參與激素的分泌調(diào)節(jié)作用： 將甲狀腺球蛋白降解成有活性的甲狀腺素； 通過(guò)自體吞噬將合成激素的細(xì)胞器消除掉。,2017/11/2,63,細(xì)胞外消化（形成精子的頂體）：,細(xì)胞內(nèi)消化（提供營(yíng)養(yǎng)）： 高等動(dòng)物內(nèi)吞低密度脂蛋白獲得膽固醇； 單細(xì)胞真核生物利用溶酶體消化食物；,2017/11/2,64,溶酶體的酶上都有一個(gè)特殊的標(biāo)記：6-磷酸甘露糖(mannose 6-phosphate, M6P)。這一標(biāo)記是溶酶體酶在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成后通過(guò)糖基化和磷酸化添加上去的。高爾基體外側(cè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)M6P的識(shí)別將溶酶體的酶分選并濃縮。,溶酶體酶的結(jié)構(gòu)特征,溶酶體的生物發(fā)生,2017/11/2,65,溶酶體酶的6-磷酸甘露糖發(fā)生途徑,2017/11/2,66,溶酶體酶的加工,2017/11/2,67,M6P受體蛋白在pH為6.57的條件下與M6P結(jié)合 在酸性條件下(pH=6)脫落并返回高爾基體 M6P受體蛋白主要存在于高爾基體外側(cè)網(wǎng)絡(luò) M6P受體蛋白也存在于細(xì)胞質(zhì)膜上,M6P受體蛋白(M6P receptor protein),2017/11/2,68,部分溶酶體酶通過(guò)運(yùn)輸小泡直接分泌到細(xì)胞外，在細(xì)胞質(zhì)膜上也存在M6P受體，可與胞外的溶酶體酶結(jié)合，通過(guò)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用將酶送至前溶酶體中，M6P受體返回細(xì)胞質(zhì)膜反復(fù)使用。細(xì)胞中還存在不依賴于M6P的分選途徑，如酸性磷酸酶等進(jìn)入溶酶體，統(tǒng)稱為非M6P途徑，機(jī)理不明。,溶酶體酶的其它分選途徑,2017/11/2,69,溶酶體的生物發(fā)生,2017/11/2,70,四、溶酶體與疾病,矽肺：二氧化硅塵粒（矽塵）吸入肺泡后被巨噬細(xì)內(nèi)吞噬，導(dǎo)致吞噬細(xì)胞溶酶體破裂。激活成纖維細(xì)胞，導(dǎo)致膠原纖維沉積，肺組織纖維化。肺結(jié)核：結(jié)核桿菌引起肺組織鈣化和纖維化。 類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎：溶酶體膜易脆裂。,2017/1