第7章細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)

1、第七章第七章 細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)細胞質基質與細胞內膜系統(tǒng)細胞外基質細胞外基質細胞膜細胞膜核核內膜內膜系統(tǒng)系統(tǒng)細胞質基質細胞質基質細細胞胞質質信號信號傳導傳導7.17.1細胞質基質的涵義與功能細胞質基質的涵義與功能 主要成分：主要成分：中間代謝有關的數千種酶類、中間代謝有關的數千種酶類、細胞質骨架結構細胞質骨架結構等等。概念：概念：真核細胞質中，除去可分辨的細胞真核細胞質中，除去可分辨的細胞器以外的膠狀物質。器以外的膠狀物質。 3 細胞質基質細胞質基質是一個高度有是一個高度有序的體系；通過弱鍵而相互作序的體系；通過弱鍵而相互作用處于動態(tài)平衡的結構體系。用處于動態(tài)平衡的結構體系。細胞質基質組

2、分的主要特點：7.2 7.2 內膜系統(tǒng)內膜系統(tǒng)概念：概念：是指真核細胞中由膜圍成的，在結構、功能乃至發(fā)生上是指真核細胞中由膜圍成的，在結構、功能乃至發(fā)生上有密切關系的細胞器或細胞結構。主要包括有密切關系的細胞器或細胞結構。主要包括細胞核、內質網、細胞核、內質網、高爾基體、溶酶體、過氧化物酶體等高爾基體、溶酶體、過氧化物酶體等。這些膜是相互流動的，處于動態(tài)平衡，功能上相互協(xié)調，內膜這些膜是相互流動的，處于動態(tài)平衡，功能上相互協(xié)調，內膜系統(tǒng)使細胞質基質區(qū)域化。系統(tǒng)使細胞質基質區(qū)域化。7.2.1 內質網內質網 endoplasmic reticulum, er形態(tài)形態(tài) er er 存在于真核細胞中，

3、由單位膜圍成的小管、小泡存在于真核細胞中，由單位膜圍成的小管、小泡或扁囊連接而成的連續(xù)的網狀膜系統(tǒng)?；虮饽疫B接而成的連續(xù)的網狀膜系統(tǒng)。內質網種類內質網種類根據是否附有核糖體：根據是否附有核糖體：糙面內質網糙面內質網(rer) 光面內質網光面內質網(ser) 合成分泌蛋白質合成分泌蛋白質 合成脂類合成脂類主要功主要功能：能： 一般在蛋白質合成旺盛的細胞，一般在蛋白質合成旺盛的細胞，rerrer較多；較多； 參與脂肪代謝的細胞，多為參與脂肪代謝的細胞，多為serser； 1. 1. 蛋白質的合成蛋白質的合成 粗面內質網上合成粗面內質網上合成分泌蛋白分泌蛋白、膜蛋白膜蛋白、細胞器中可溶性駐留蛋白細胞

4、器中可溶性駐留蛋白。 其它部位所需蛋白質都是由其它部位所需蛋白質都是由游離核糖體游離核糖體合成。合成。注意：注意：細胞中蛋白質都是在核糖體上合成的細胞中蛋白質都是在核糖體上合成的，并都并都是起始于細胞質基質中。是起始于細胞質基質中。內質網的功能內質網的功能8內膜系統(tǒng)的內膜系統(tǒng)的動態(tài)特性動態(tài)特性2.2.蛋白質的修飾和加工蛋白質的修飾和加工修飾：修飾：糖基化、羥基化、?；⒍蜴I形成等糖基化、羥基化、?；?、二硫鍵形成等 糖基化糖基化： 發(fā)生在發(fā)生在erer腔面腔面，是，是在在糖基轉移酶糖基轉移酶作用下作用下. . n-linked glycosylation（asn） 新生肽的折疊與組裝新生肽

5、的折疊與組裝非還原性的內腔，易于二硫鍵形成；非還原性的內腔，易于二硫鍵形成； p二硫鍵異構酶（二硫鍵異構酶（proteindisulfide isomerase，pdi）切斷切斷二硫鍵，幫助新合成的蛋白重新形成二硫鍵并處于正確折疊二硫鍵，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)的狀態(tài)；p結合蛋白（結合蛋白（binding protein，bip，chaperone） 屬于熱休屬于熱休克蛋白克蛋白hsp70家族成員家族成員。 3.3.脂質的合成（脂質的合成（光面內質網）光面內質網）er合成細胞所需絕大多數膜脂（包括磷脂和膽固醇）磷脂的轉運方式:p 出芽( budding)：ergc、l

6、y、pm p 可溶性的載體蛋白（phospholipid exchange proteins, pep）：磷脂分子+pep細胞質基質靶膜127.2.2 高爾基復合體高爾基復合體高爾基為高爾基為意大利意大利科學家科學家camillo golgi在在 1898年年發(fā)現的。發(fā)現的。13高爾基體的形態(tài)結構高爾基體的形態(tài)結構高爾基體（高爾基體（golgi body）是內膜系統(tǒng)的一部分，由許多）是內膜系統(tǒng)的一部分，由許多扁囊、扁囊、小泡、大泡小泡、大泡組成，也稱高爾基器（組成，也稱高爾基器（golgi apparatus）或高爾基）或高爾基復合體（復合體（golgi complex） 14高高爾爾基基復復

7、合合體體的的結結構構:高爾基順面網狀結構：高爾基順面網狀結構：( (ciscis-golgi network, -golgi network, cgn) cgn) 順面、形成面順面、形成面, , 面向核面向核中間膜囊中間膜囊 (medial cisternae)(medial cisternae)高爾基反面網狀結構高爾基反面網狀結構 ( (transtrans golji golji network,tgn)network,tgn) 外側面、成熟面外側面、成熟面化化學學組組成成: : 蛋白質、多糖和脂蛋白質、多糖和脂高爾基復合體的標志酶是高爾基復合體的標志酶是糖基轉移酶糖基轉移酶。15高爾基體

8、是極性細胞器 p 排列有方向性：順面排列有方向性：順面(cis face)或稱輸入面靠近細胞核；或稱輸入面靠近細胞核；反面反面(trans face)或稱輸出面靠近細胞膜。或稱輸出面靠近細胞膜。p 物質轉運方向性：物質從一側進入，另一側輸出物質轉運方向性：物質從一側進入，另一側輸出。p 生化極性：高爾基體各膜囊中酶及其它結構成分不同，生化極性：高爾基體各膜囊中酶及其它結構成分不同，功能也不相同。功能也不相同。16嗜鋨反應嗜鋨反應tpp酶反應酶反應cmp酶反應酶反應nadp酶反應酶反應種標志細胞化學反應種標志細胞化學反應17高爾基體的功能高爾基體的功能 蛋白質運輸蛋白質運輸 蛋白質的糖基化蛋白質

9、的糖基化 蛋白質的水解蛋白質的水解18高爾基體的蛋白運輸作用高爾基體的蛋白運輸作用12319er駐留蛋白的運輸駐留蛋白的運輸駐留機制駐留機制內質網駐留信號內質網駐留信號(er retention signal): lys-asp-glu-leu-coo-，即，即kdelkdel信號序列信號序列kdelkdel信號受體信號受體 高爾基體膜高爾基體膜: : 有識別該信有識別該信號的受體號的受體, ,形成小泡形成小泡, ,將逃逸的將逃逸的蛋白送回；蛋白送回； 內質網膜內質網膜: :有識別該信號有識別該信號的受體的受體, ,接收逃逸的蛋白；接收逃逸的蛋白；20 gc中蛋白質的糖基化中蛋白質的糖基化 o

10、 o- -連接的糖基化連接的糖基化 將糖鏈轉移到多肽鏈的將糖鏈轉移到多肽鏈的絲氨酸、蘇氨酸或羥賴氨酸絲氨酸、蘇氨酸或羥賴氨酸的的-oh-oh上，上，稱為稱為o-o-連接的糖基化。連接的糖基化。n n- -連接的寡聚糖進一步加工：連接的寡聚糖進一步加工： 內質網上：內質網上：磷酸多萜醇磷酸多萜醇上的糖基轉移到多肽的上的糖基轉移到多肽的天冬酰胺（天冬酰胺（asnasn）上；上； 高爾基體：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的單高爾基體：加工，切除葡萄糖和部分甘露糖分子，添加特定的單糖，形成成熟的糖蛋白。糖，形成成熟的糖蛋白。217.2.3 溶酶體溶酶體 (lysosome) 動 物 細 胞

11、 內 的 一 種 細 胞 器 。 動 物 細 胞 內 的 一 種 細 胞 器 。 是 一 種 異 質 性是 一 種 異 質 性(heterogenous)(heterogenous)的細胞器的細胞器, ,呈小球狀呈小球狀, ,外面由一層單外面由一層單位膜包被。大小形態(tài)各異。位膜包被。大小形態(tài)各異。 植物細胞中？植物細胞中？溶酶體的發(fā)現溶酶體的發(fā)現22電電子子顯顯微微鏡鏡下下的的溶溶酶酶體體23溶酶體膜穩(wěn)定性溶酶體膜穩(wěn)定性溶酶體的膜上嵌有質子泵溶酶體的膜上嵌有質子泵，將質子泵入溶酶體，使，將質子泵入溶酶體，使h h值降低；值降低；溶酶體的膜上具有多種載體蛋白用于水解產物向外轉運；溶酶體的膜上具有

12、多種載體蛋白用于水解產物向外轉運；溶酶體的膜蛋白高度糖基化，有利于防止自身膜蛋白的降溶酶體的膜蛋白高度糖基化，有利于防止自身膜蛋白的降解；解；溶酶體的膜含有能促進膜穩(wěn)定性的膽固醇。溶酶體的膜含有能促進膜穩(wěn)定性的膽固醇。24溶酶體的酶類溶酶體的酶類 種類種類: a typical lysosome contains approximately 50 different hydrolytic enzymes the enzymes of a lysosome all have their optimal activity at an acid ph and thus are acid hydrol

13、ases（酸性水解酶）（酸性水解酶）, which is approximately 4.6 少量的溶酶體酶泄漏到細胞質基質中會不會引起細少量的溶酶體酶泄漏到細胞質基質中會不會引起細胞損傷胞損傷? 酸性磷酸酶酸性磷酸酶是溶酶體的標志酶。是溶酶體的標志酶。25溶溶酶酶體體及及其其酶酶類類核酸酶核酸酶蛋白酶蛋白酶糖苷酶糖苷酶酯酶酯酶磷酸酶磷酸酶硫酸酶硫酸酶磷脂酶磷脂酶26溶酶體的類型溶酶體的類型 初級溶酶體初級溶酶體(primary lysosome)(primary lysosome) 剛剛從反面剛剛從反面gcgc形成的小囊泡，僅含有多種酸性水解酶，但沒有作用形成的小囊泡，僅含有多種酸性水解酶，

14、但沒有作用底物。底物。 次級溶酶體次級溶酶體(secondary lysosome)(secondary lysosome)為正在進行或完成消化作用的溶酶體，內含水解酶和相應的底物。為正在進行或完成消化作用的溶酶體，內含水解酶和相應的底物。 后溶酶體后溶酶體(post lysosome)(post lysosome)（殘余體）（殘余體）已失去酶活性，僅留未消化的物質已失去酶活性，僅留未消化的物質。根據溶酶體所處的完成其生理功能的不同階段：27 溶酶體的功能溶酶體的功能 吞噬作用吞噬作用(phagocytosis): 外來物質、衰老、死亡的細胞外來物質、衰老、死亡的細胞 自噬作用自噬作用(aut

15、ophagy)：細胞內受損、衰老的細胞器、不需：細胞內受損、衰老的細胞器、不需要的生物大分子。要的生物大分子。 其它的生理功能其它的生理功能 胚胎發(fā)育和形態(tài)建成胚胎發(fā)育和形態(tài)建成 受精作用受精作用(fertilization) 28異異體體吞吞噬噬29圍殲線粒體圍殲線粒體自噬泡自噬泡圖片所示是衰老的線粒體被包裹在一個雙層膜結構中。圖片所示是衰老的線粒體被包裹在一個雙層膜結構中。30電鏡照片所示是衰老的線粒體和過氧化物酶體被包裹在一電鏡照片所示是衰老的線粒體和過氧化物酶體被包裹在一個雙層膜結構中。個雙層膜結構中。31 溶酶體的生物發(fā)生溶酶體的生物發(fā)生甘露糖甘露糖-6-6-磷酸途徑（磷酸途徑（m6

16、pm6p）非非甘露糖甘露糖-6-6-磷酸途徑磷酸途徑: : 32 溶酶體的生物發(fā)生溶酶體的生物發(fā)生m6p溶酶體酶的合成及溶酶體酶的合成及n-連接的糖基化修飾（連接的糖基化修飾（rer） 高爾基體高爾基體cis膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化膜囊寡糖鏈上的甘露糖殘基磷酸化m6pn-乙酰葡萄糖胺磷乙酰葡萄糖胺磷酸轉移酶酸轉移酶高爾基體高爾基體trans-膜囊膜（膜囊膜（m6p受體）受體）溶酶體酶分選與局部濃縮溶酶體酶分選與局部濃縮以出芽的方式轉運以出芽的方式轉運n-乙酰乙酰葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶33溶溶酶酶體體酶酶的的加加工工34溶酶體酶的特征溶酶體酶的特征溶酶體的酶上都有一個特殊的標記溶酶體的酶上都

17、有一個特殊的標記甘露糖甘露糖6-6-磷酸磷酸 (mannose 6-phosphate, m6p)。高爾基體外側網格上的高爾基體外側網格上的m6pm6p受體通過對受體通過對m6pm6p的識別和結合將的識別和結合將溶酶體的酶分選出來。溶酶體的酶分選出來。35 絕大多數蛋白質在細胞質基質中的核糖體上開始絕大多數蛋白質在細胞質基質中的核糖體上開始合成，然后轉運至細胞的特定部位，也只有轉運合成，然后轉運至細胞的特定部位，也只有轉運至正確的部位并裝配成結構與功能的復合體，才至正確的部位并裝配成結構與功能的復合體，才能參與細胞的生命活動。能參與細胞的生命活動。蛋白質的定向運輸、分選蛋白質的定向運輸、分選3

18、6p翻譯后轉運途徑翻譯后轉運途徑 在細胞質基質中完成多肽鏈的合成，然后轉運至膜圍繞在細胞質基質中完成多肽鏈的合成，然后轉運至膜圍繞的細胞器，如的細胞器，如線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、細胞核及細胞線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、細胞核及細胞質基質的特定部位質基質的特定部位；p共翻譯轉運途徑共翻譯轉運途徑 蛋白質合成起始后轉移至粗面內質網，新生肽邊合成邊蛋白質合成起始后轉移至粗面內質網，新生肽邊合成邊轉入粗面內質網腔中，隨后經高爾基體運至轉入粗面內質網腔中，隨后經高爾基體運至溶酶體、細胞膜或溶酶體、細胞膜或分泌到細胞外分泌到細胞外。protein sorting and export 1975年年

19、，blobel等正式提出了信號假說等正式提出了信號假說signal hypothesis過程: 信號肽信號識別顆粒信號識別顆粒的受體 合成合成暫停39實驗組別實驗組別 含有編碼信號含有編碼信號 srp dp 微粒體微粒體 序列的序列的mrna 實驗結果實驗結果 1 + - - - 產生含信號肽的完整多肽產生含信號肽的完整多肽 2 + + - - 合成合成70100氨基酸殘基氨基酸殘基 后，后， 肽鏈停止延伸肽鏈停止延伸 3 + + + - 產生含信號肽的完整多肽產生含信號肽的完整多肽 4 + + + + 信號肽切除，多肽鏈進入信號肽切除，多肽鏈進入 微粒體中微粒體中 * “+”和“-”分別代表

20、反應混合物中存在（+）或不存在（-）該物質。在非細胞系統(tǒng)中蛋白質的翻譯過程與在非細胞系統(tǒng)中蛋白質的翻譯過程與srp、dp和微粒體的關系和微粒體的關系信號肽的特性信號肽的特性在蛋白質上的位置在蛋白質上的位置: : n- n-端突出的一段肽端突出的一段肽序列特征序列特征 16-2616-26個（個（15-3515-35個）氨基酸殘基，其中含個）氨基酸殘基，其中含有有4-124-12個疏水殘基個疏水殘基41蛋白質分選信號（蛋白質分選信號（sorting signals） 信號功能信號功能 舉舉 例例蛋白進入蛋白進入er +h3n-met-met-ser-phe-val-ser-leu-ler-leu

21、-val-gly-ile-leu-phe-trp-ala-thr-glu-ala-glu-gln-leu-thr-lys-cys-glu-val-phe-gln-滯留在滯留在er中中 -lys-asp-glu-leu-coo-蛋白進入線粒體蛋白進入線粒體 +h3n-met-leu-ser-leu-arg-gln-ser-ile-arg-phe-phe-lys-pro-ala-thr-arg-thr-leu-cys-ser-ser-arg-tyr-leu-leu-進入細胞核進入細胞核 -pro-pro-lys-lys-arg-lys-val- 進入過氧化進入過氧化 物酶體物酶體 -ser-lys

22、-leu- 信號序列信號序列在蛋白質定位中的作用在蛋白質定位中的作用?細細胞胞內內蛋蛋白白質質的的分分選選途途徑徑 蛋白質分選定位的三種機制蛋白質分選定位的三種機制 細胞質基質中蛋白質的轉運細胞質基質中蛋白質的轉運門控運輸門控運輸（gated transport） 通過核孔的運輸通過核孔的運輸（transport through nuclear pore） 跨膜運輸跨膜運輸 （across membrane transport） 膜泡運輸膜泡運輸 （vesicle translocation）451、門控運輸（gated transport）：如核孔可以選擇性的主動運輸大分子物質和rnp復合體，并且允許小分子物質自由進出細胞核。2、跨膜運輸（transmembrane transport）：蛋白質通過跨膜通道進入目的