基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與內(nèi)膜系統(tǒng)課件

1、細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 楊保勝E-mail: Tel:3029960(O)2008.3第6章 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)(2)（Cytomatrix and Endomembrane System）內(nèi)膜系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum)高爾基復(fù)合體(Golgi complex)溶酶體(lysosomes)過(guò)氧化氫體(peroxisomes) (核膜、小泡)intracellular compartments: endosomes Nuclear-ERGolgiERlysosome細(xì)胞內(nèi)的房室化 The Endomembrane System is Complex.23 1

2、955年, de Duve等人, 電鏡-鼠肝細(xì)胞-細(xì)胞化學(xué)顯示，含多種水解酶，分解各種內(nèi)源和外源性物質(zhì)，稱(chēng)為溶酶體。一、溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與酶溶酶體的形態(tài)特征 溶酶體是由一層單位膜包圍，內(nèi)含多種酸性水解酶的泡狀結(jié)構(gòu)。0.25-0.5m圓形、卵圓形小體；也長(zhǎng)桿狀、蛇形稱(chēng)為管狀溶酶體、線狀溶酶體 。第四節(jié) 溶酶體與過(guò)氧化物酶體44lysosome楊保勝 細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 6二、溶酶體膜的特性溶酶體膜膜上有H+質(zhì)子泵：保持溶酶體基質(zhì)內(nèi)的酸性環(huán)境。膜內(nèi)存在特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：可運(yùn)輸消化水解的產(chǎn)物。蛋白質(zhì)高度糖基化：防止膜自身被水解消化。（兩種跨膜整合蛋白的含量非常豐富，lgpA 和lgpB）7內(nèi)吞體

3、三、溶酶體的形成rER順面管網(wǎng)反面管網(wǎng)高爾基復(fù)合體 溶酶體水解酶前體加入磷酸基團(tuán)M-6-P溶酶體酶前溶酶體ATPADP+PiH+去除磷酸pH=6成熟溶酶體M-6-P(甘露糖-6-磷酸是一種分選信號(hào))9溶酶體的發(fā)生過(guò)程 10 依賴(lài)于M6P的分選途徑的效率不高，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)膜上也存在依賴(lài)于鈣離子的M6P受體，同樣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。 還存在不依賴(lài)于M6P的分選途徑（如酸性磷酸酶、分泌溶酶體的水溶性蛋白穿孔素perforin 和粒酶granzyme）。分選途徑多樣化11四、溶酶體

4、的分類(lèi)初級(jí)溶酶體(primary lysosome)：只含酶，不含底物。次級(jí)溶酶體(secondary l.)：吞噬性溶酶體(phago-)初級(jí)溶酶體+底物次級(jí)溶酶體異噬(heterophagic)溶酶體：初級(jí)溶酶體+外源物：異噬過(guò)程+吞飲體+吞噬體+微吞飲小泡多泡體自(噬性)溶酶體(autophagic -)：初級(jí)溶酶體+內(nèi)源性物質(zhì)(自噬體)：自體吞噬（autophagy）后溶酶體(末溶酶體、殘質(zhì)體residual body)：含有溶酶體內(nèi)消化分解后的殘余物質(zhì)的溶酶體。如：脂褐質(zhì)，髓樣小體，含鐵小體等。終末溶酶體(telolysosome)：初級(jí)溶酶體消化后殘質(zhì)體12Phagocytosis

5、13 A summary of the phagocytic pathway 14Lysosomes楊保勝 細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 16溶酶體的消化作用異溶作用：對(duì)細(xì)胞內(nèi)吞物的消化。自噬作用：對(duì)自身物質(zhì)的消化。分泌自噬：對(duì)細(xì)胞內(nèi)分泌顆粒的吞噬。內(nèi)體初級(jí)溶酶體吞噬體吞噬溶酶體吞飲體吞飲溶酶體自噬體自噬溶酶體分泌顆粒分泌溶酶體次 級(jí) 溶 酶 體殘質(zhì)體異噬作用自噬作用胞外消化17Coated pits楊保勝 細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 19內(nèi)體初級(jí)溶酶體吞噬體異溶酶體吞飲體異溶酶體自噬體自溶酶體分泌顆粒分泌溶酶體次 級(jí) 溶 酶 體殘質(zhì)體異噬作用自噬作用胞外消化20清除無(wú)用的生物大分子、衰老損傷的細(xì)胞

6、(器) 很多生物大分子的半衰期只有幾個(gè)小時(shí)至幾天，肝細(xì)胞中線粒體的平均壽命約10天左右；紅細(xì)胞120天（衰老紅細(xì)胞特征，每天清除1011個(gè)），這些任務(wù)主要由溶酶體和蛋白酶體共同完成?！扒宓婪颉被颉凹?xì)胞內(nèi)消化器官（特殊的黏菌、變形蟲(chóng)）” 細(xì)胞受損后，細(xì)胞崩潰(內(nèi)含溶酶體)，使周?chē)M織溶解液化，而成膿液。清除發(fā)育和成體中凋亡的細(xì)胞。 溶酶體儲(chǔ)積病。 21Autophagy22溶酶體參與免疫過(guò)程 抗原被巨噬細(xì)胞吞噬和處理(溶酶體參與)，使抗原物質(zhì)保留下來(lái)，然后再將這免疫信息傳遞(攜帶或釋放抗原)給T/B淋巴細(xì)胞，使他們分泌淋巴素或抗體。 免疫過(guò)程中形成的抗原抗體復(fù)合物（正常情況下被吞噬），在炎癥或損

7、傷時(shí)，可促使溶酶體釋放中性蛋白酶，破壞血管的彈性蛋白而致脈管炎，破壞腎小球微血管基質(zhì)引起腎小球腎炎，破壞肺的結(jié)締組織而致肺氣腫，破壞軟骨而致關(guān)節(jié)炎。23溶酶體與臟器的形成與退化 脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育至兩性分化時(shí)，Mullerian ducts 在雌性發(fā)育成輸卵管，在雄性退化，退化開(kāi)始時(shí)發(fā)現(xiàn)其溶酶體的水解酶濃度增加，此變化不發(fā)生于雌性。睪酮可促進(jìn)此類(lèi)酶釋放。雄激素調(diào)節(jié)。 兩棲類(lèi)發(fā)育中蝌蚪尾巴的消化，哺乳動(dòng)物斷奶后乳腺退行性變化等，都涉及某些特定細(xì)胞編程性死亡及周?chē)罴?xì)胞對(duì)其的清除，這都與溶酶體相關(guān)。楊保勝 細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 24 當(dāng)精子與卵外層膜接觸后，形成小孔道，頂體內(nèi)的各種酶（頂體酶）便

8、被激發(fā)而釋放到細(xì)胞外，稱(chēng)頂體反應(yīng)（acrosome reaction）。 溶酶體參與受精過(guò)程 透明質(zhì)酸酶使精子穿過(guò)卵丘的細(xì)胞層； 放射冠穿透酶使精子沖破放射冠抵達(dá)透明帶； 而頂體素使精子突破透明帶抵達(dá)卵黃膜； 最后在一種尚不清楚的酶的作用下使精子入卵（產(chǎn)生抑制頂體素物質(zhì)，封閉透明帶，使其他精子不易進(jìn)入卵。）。楊保勝 細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 26六、溶酶體與醫(yī)學(xué)溶酶體與疾病溶酶體膜失常與疾病: 矽肺 、石棉沉著病、痛風(fēng)先天性溶酶體?。禾窃A積病、脂質(zhì)沉積病、粘多糖沉積病等。溶酶體與癌的關(guān)系：溶酶體與休克：休克后缺血缺氧降低溶酶體膜的穩(wěn)定性。影響細(xì)胞的氧化磷酸化過(guò)程。引起細(xì)胞內(nèi)pH下降(5以下)

9、促進(jìn)酶的激活,水解溶酶體膜。（一）溶酶體與疾病發(fā)生27（二）溶酶體與疾病治療 由于溶酶體活性異常或溶酶體膜穩(wěn)定性異常都會(huì)引起相應(yīng)的疾病，因此， 通過(guò)使用溶酶體膜穩(wěn)定劑，增強(qiáng)膜的穩(wěn)定性，可治療因溶酶體膜穩(wěn)定性降低所致的一些疾病。 通過(guò)使用溶酶體活化劑，降低溶酶體膜的穩(wěn)定性，可用于腫瘤治療正在引起人們的關(guān)注。 探索通過(guò)脂質(zhì)體運(yùn)載將酶（或特異性抑制劑）移入溶酶體治療先天性溶酶體病。楊保勝 細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 29(二)過(guò)氧化物酶體所含的酶酶氧化酶：50%，特征：氧化底物的同時(shí)將氧還原成過(guò)氧化氫。如尿酸氧化酶，D/L-氨基酸氧化酶等。飲進(jìn)的酒精幾乎半數(shù)是在peroxisome中氧化成乙醛的。過(guò)氧

10、化氫酶：40%, 作用：對(duì)氧化酶作用底物后形成的過(guò)氧化氫還原成水。過(guò)氧化物酶：只有少數(shù)幾種細(xì)胞(如血細(xì)胞)中含有此酶,將過(guò)氧化氫還原成水。標(biāo)志酶：過(guò)氧化氫酶。 此外,還含有檸檬酸脫氫酶和蘋(píng)果酸脫氫酶等.楊保勝 細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 30(三)過(guò)氧化物酶體的功能2H2O2過(guò)氧化氫酶2H2O +O2防止H2O2在細(xì)胞內(nèi)堆積，起保護(hù)細(xì)胞的作用。功 能對(duì)有毒物質(zhì)的解毒作用： RH2+H2O2 R+ 2H2O 對(duì)細(xì)胞氧張力的調(diào)節(jié)作用： RH2+O2R+ H2O2對(duì)氧化型輔酶I(NAD+)的再生作用參與核酸、脂肪和糖的代謝 植物細(xì)胞中的光呼吸反應(yīng)和乙醛酸循環(huán)體(glyoxysome) 。楊保勝 細(xì)胞生

11、物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 31(四)過(guò)氧化物酶體的起源起 源傳統(tǒng)：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)芽生而來(lái)。與溶酶體相似：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小泡高爾基復(fù)合體分泌泡過(guò)氧化物酶體近年來(lái)：過(guò)氧化物酶體的形成不同與溶酶體，其酶和蛋白質(zhì)是由胞質(zhì)中的游離核糖體合成輸送而來(lái)，而膜的形成與rER有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明有一短序列指導(dǎo)胞液中合成的蛋白質(zhì)輸入到過(guò)氧化物酶體。推測(cè)在過(guò)氧化物酶體膜胞液面有識(shí)別該信號(hào)的受體蛋白，通過(guò)受體蛋白識(shí)別輸入蛋白質(zhì)上的信號(hào)而被輸入。楊保勝 細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室 32新的過(guò)氧化物酶體的產(chǎn)生催化蛋白輸入的特異蛋白特異的胞液蛋白攝取導(dǎo)致的生長(zhǎng)子代的過(guò)氧化物酶體33第五節(jié) 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選與細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組裝 除線粒體和葉綠體中能合成少量

12、蛋白質(zhì)外，絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)均在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體上開(kāi)始合成，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞的特定部位，這一過(guò)程稱(chēng)蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運(yùn)（protein targeting）或分選（sorting）。 分泌蛋白合成的模型信號(hào)假說(shuō) 蛋白質(zhì)分選與分選信號(hào) 膜泡運(yùn)輸 細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝34Transport Into the Cell From the Plasma Membrane: EndocytosisEndocytic pathway35一、分泌蛋白合成的模型信號(hào)假說(shuō) 信號(hào)假說(shuō)(Signal hypothesis) 。 GBlobel et al：Signal hypothesis,1975。 信號(hào)肽(

13、Signal peptide)與共轉(zhuǎn)移(Cotranslocation)導(dǎo)肽(Leader peptide)與后轉(zhuǎn)移(Post translocation)）。 蛋白質(zhì)N-端的信號(hào)肽（signal peptide）。 信號(hào)識(shí)別顆粒（signal recognition particle，SRP）。 信號(hào)識(shí)別顆粒的受體（又稱(chēng)停泊蛋白docking protein，DP）等。36 信號(hào)肽的一級(jí)序列 由疏水核心(h)、C端(c)和N端(n)三個(gè)區(qū)域構(gòu)成。以血清白蛋白和HIV-1型病毒糖蛋白gp160信號(hào)肽為例，顯示兩者n區(qū)長(zhǎng)度明顯不同。 37在非細(xì)胞系統(tǒng)中蛋白質(zhì)的翻譯過(guò)程與SRP、DP和微粒體的關(guān)系

14、 實(shí)驗(yàn)組別含有編碼信號(hào) SRP DP 微粒體序列的mRNA結(jié) 果1 + _ _ _ 產(chǎn)生含信號(hào)肽的完整多肽2 + + _ _ 合成70100氨基酸殘基后， 肽鏈停止延伸3 + + + _ 產(chǎn)生含信號(hào)肽的完整多肽4 + + + + 信號(hào)肽切除，多肽鏈進(jìn)入 微粒體中 * “+”和“-”分別代表反應(yīng)混合物中存在（+）或不存在（-）該物質(zhì)。38 起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列的數(shù)目決定多肽跨膜次數(shù)。 跨膜蛋白的去向。蛋白質(zhì)在胞質(zhì)中合成后再轉(zhuǎn)移到細(xì)胞器中，稱(chēng)后轉(zhuǎn)移(post translocation)。 蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移過(guò)程需要ATP使多肽去折疊，還需要一些蛋白質(zhì)的幫助（如熱休克蛋白Hsp70）使其能夠正確

15、地折疊成有功能的蛋白。 392. 合成起始后轉(zhuǎn)入RER腔中或嵌入ER膜中，隨后經(jīng)高爾基體至溶酶體、細(xì)胞膜或分泌到細(xì)胞外，或作為ER和高爾基體自身的蛋白質(zhì)。二、蛋白質(zhì)分選的基本途徑與類(lèi)型 1.在胞質(zhì)合成,然后轉(zhuǎn)運(yùn)至膜圍繞的細(xì)胞器。 40 繼信號(hào)肽后，又發(fā)現(xiàn)了一系列蛋白質(zhì)分選信號(hào)(sorting signals )序列(見(jiàn)下表)），通稱(chēng)信號(hào)序列。功能信號(hào)序列組成輸入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)+H3 N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu- Gln-Leu-Thr- Lys-Cys-Glu-Va

16、l-Phe-Gln滯留內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-輸入線粒體+H3 N-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- 輸入細(xì)胞核輸入過(guò)氧化物酶體-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-Ser-Lys-Leu-41 從蛋白質(zhì)分選的類(lèi)型或機(jī)制角度可分為4種基本類(lèi)型門(mén)控運(yùn)輸(gated t.)?？缒み\(yùn)輸(transmembrane t.)。膜泡運(yùn)輸(vesicular t.)。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的蛋白質(zhì)

17、的轉(zhuǎn)運(yùn)。42蛋白質(zhì)的分選信號(hào)與運(yùn)輸途徑 蛋白質(zhì)分選信號(hào)是蛋白質(zhì)分子上的一段特殊的氨基酸序列，稱(chēng)為信號(hào)肽（signal peptide）。定位于不同部位的蛋白質(zhì)，其信號(hào)肽的氨基酸序列及其在蛋白質(zhì)中的位置是不同的，從而決定蛋白質(zhì)的不同去向。 游離核糖體負(fù)責(zé)合成輸送到細(xì)胞核、線粒體、溶酶體、過(guò)氧化物酶體的蛋白質(zhì)，以及駐留在胞質(zhì)溶膠的蛋白質(zhì)。43Formation of coated vesicles in a cell-free system44Coated vesicles45 Targeting lysosomal enzymes to lysosomes46Accumulation of CO

18、P-coated vesicles47蛋白質(zhì)的分選信號(hào)與運(yùn)輸途徑(1) 輸送到細(xì)胞核的蛋白質(zhì)帶有核定位信號(hào)(nuclear localization signal, NLS)或稱(chēng)為核輸入信號(hào)(nuclear import signal, NIS)；是一類(lèi)富含堿性氨基酸的短肽，可位于蛋白質(zhì)的任何部位。 輸送到線粒體的蛋白質(zhì)其氨基端有一螺線信號(hào)。 輸送到過(guò)氧化物酶體的蛋白質(zhì)其羧基端有一個(gè)三肽信號(hào)。 輸送到ER的蛋白質(zhì)，其信號(hào)肽位于氨基端。48 Proposed steps in the targeting of transport vesicles to target membranes49 A

19、model of the interactions between v- and t- SNAREs leading to membrane fusion and exocytosis50 An overview of the biosynthetic/secretory and endocytic pathways that unite endomembranes into a dynamic,interconnected network51蛋白質(zhì)的分選信號(hào)與運(yùn)輸途徑(2) 輸送到調(diào)節(jié)性分泌小泡中的分泌性蛋白質(zhì)帶有濃縮信號(hào)(concentrating signal)； 輸送到溶酶體的蛋白質(zhì)帶

20、有果糖-6-磷酸信號(hào)； 駐留在ER的蛋白質(zhì)，在其羧基端有KDEL信號(hào)(Lys-Asp-Glu-Leu-COO，賴(lài)-天-谷 -亮)； 駐留在Gc的蛋白質(zhì)，帶有跨膜螺線信號(hào)。 定位于胞質(zhì)和細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)沒(méi)有分選信號(hào)，這種定位方式稱(chēng)為違約或欠缺途徑(default pathway)。52 The role of dynamin in the formation of clathrin-coated vesicles Molecular organization of a coated vesicle53Importing proteins into a mitochondrion54 Import

21、ing proteins into a chloroplast55四、細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝 生物大分子組裝方式： 有些裝配過(guò)程需ATP或GTP提供能量或其它成份的介入或?qū)ρb配亞基的修飾。 自我裝配的信息存在于裝配亞基的自身，細(xì)胞提供的裝配環(huán)境。 生物大分子的組裝方式 :自我裝配(self-assembly),協(xié)助裝配(aided-assembly), 直接裝配(direct-assembly),復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)體系的組裝 。56裝配具有重要的生物學(xué)意義 1.減少和校正蛋白質(zhì)合成中出現(xiàn)的錯(cuò)誤 2.減少所需的遺傳物質(zhì)信息量 3.通過(guò)裝配與去裝配更容易調(diào)節(jié)與控制 多種生物學(xué)過(guò)程: 核小體;核糖體;mRNA-多聚核糖體;DNA復(fù)