细胞生物学细胞质基质和细胞内膜系统

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1、第七章 细胞质基质与细胞内膜系统 细胞质基质 内 质 网 高尔基体 溶酶体与过氧化物酶体 细胞内蛋白质的分选与膜泡运输 自学 第一节 细胞质基质 细胞质基质 cytoplasmic matrix or cytomatrix 细胞内膜系统 endomembrane system 一 细胞质基质 cytoplasmic matrix or cytomatrix 细胞质基质是细胞的重要的结构成分 其 体积约占细胞质的一半 细 胞 组 分 数 目 体 积 比 细胞质基质 细胞核 内质网 高尔基体 溶酶体 胞内体 过氧化物酶体 线粒体 1 1 1 1 300 200 400 1700 54 6 12 3

2、 1 1 1 22 细胞质基质的涵义 细胞质基质的功能 肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比 细 胞 组 分 数 目 体 积 比 细胞质基质 细胞核 内质网 高尔基体 溶酶体 胞内体 过氧化物酶体 线粒体 1 1 1 1 300 200 400 1700 54 6 12 3 1 1 1 22 肝细胞中细胞质基质及细胞其它组分的数目及所占的体积比 引自Albert 1998 体积 基本概念 用差速离心法分离细胞匀浆物组分 先后除去细胞核 线粒体 溶酶体 高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构 后 存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分 生物化学 家多称之为胞质溶胶 主要成分 中间代

3、谢有关的数千种酶类 细胞质骨架结构 主要特点 细胞质基质是一个高度有序的体系 通过弱键而相互作用处于动态平衡的结构体系 细胞质基质的涵义 完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程 磷酸戊糖途径 糖醛酸途径等 蛋白质的分选与运输 与细胞质骨架相关的功能 维持细胞形态 细胞运动 胞内物质运输及能量传递等 蛋白质的修饰 蛋白质选择性的降解 蛋白质的修饰 控制蛋白质的寿命 降解变性和错误折叠的蛋白质 帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠 形成正确的分子构象 细胞质基质的功能 二 细胞内膜系统 endomembrane system 细胞内膜系统概述 细胞内膜系统的研究方法 细胞内膜系统概述 细胞内膜系统是指细

4、胞内在结构 功能及发生上相 关的由膜包绕形成的细胞器或细胞结构 真核细胞细胞内的区域化 compartmentalization 细胞骨架纤维为组织者的Cytomatrix形成 有序的动态结构 细胞内的膜相结构 细胞器 organelles 区域化 细胞器 细胞内膜系统的研究方法 De Duve A Claude and G Palade 1974 Nobel Plrize 放射自显影 Autoradiography 生化分析 Biochemical analysis 遗传突变分析 Genetic mutants 放射自显影 第二节 内 质 网P175 内质网 endoplasmic reti

5、culum ER 的形态结构 ER的功能 内质网与基因表达的调控 一 内质网的形态结构 内质网的两种基本类型 粗面内质网 rough endoplasmic reticulum rER 光面内质网 smooth endoplasmic reticulum sER 微粒体 microsome 两种基本类型 rER 微粒体 二 ER的功能 ER是细胞内蛋白质与脂类合成的基地 几乎全部脂类 和多种重要蛋白都是在内质网合成的 rER的功能 sER的功能 rER的功能 蛋白质合成 蛋白质的修饰与加 工 新生肽的折叠与组 装 脂类的合成 蛋白质合成 分泌蛋白 整合膜蛋白 内膜系统各种细胞器内的 可溶性蛋白

6、 需要隔离或修饰 其它的多肽是在细胞质基质中 游离 核糖体上合 成的 包括 细胞质基质中的驻留蛋白 质膜外周蛋白 核 输入 蛋白 转运到线粒体 叶绿体和过氧物酶体的 蛋白 注意 细胞中蛋白质都是在核糖体上合成的 并都是起始于细胞质基质中 游离 核糖 体 蛋白质的修饰与加工 修饰加工 糖基化 羟基化 酰基化 二硫键 形成等 糖基化在glycosyltransferase作用下发生 在ER腔面 N linked glycosylation Asn O linked glycosylation Ser Thr or Hylys Hypro 酰基化发生在ER的细胞质基质侧 软脂酸 Cys 糖基化 新生

7、肽的折叠与组装 新生肽的折叠组装 非还原性的内腔 易于二硫键形 成 正确折叠涉及驻留蛋白 具有KDEL or HDEL 信号 蛋白二硫键异构酶 protein disulfide isomerase PDI 切断二硫键 帮助新合成的蛋白重新形成二硫 键并处 于正确折叠的状态 结合蛋白 Binding protein Bip chaperone 识别错误折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位 并促进重新折叠与装配 脂类的合成 ER合成细胞所需绝大多数膜脂 包括磷脂和胆固醇 两种例外 鞘磷脂和糖脂 ER开始 Golgi complex完成 Mit Chl某些单一脂类是在它们的膜上 合成的 各种不同的细胞

8、器具有明显不同的脂类组成 phosphatidylcholine PC ER GC PM 高 低 phosphatidylserine PS PM GC ER 高 低 phospholipd translocator flippase与膜质转位 磷脂合成酶是ER膜整合蛋白 活性位点朝向cytosol 磷脂的转运 transport by budding ER GC Ly PM transport by phospholipid exchange proteins PEP ER other organelles including Mit and Chl sER的功能 类固醇激素的合成 生殖腺内

9、分泌细胞和肾上腺皮质 肝的解毒作用 Detoxification System of oxygenases cytochrome p450 family 肝细胞葡萄糖的释放 G 6P G 储存钙离子 肌质网膜上的Ca2 ATP酶将细 胞质基质中Ca2 泵入肌质网腔中 三 内质网与基因表达的调控 内质网蛋白质的合成 加工 折叠 组装 转运及向高尔 基体转运的复杂过程显然是需要有一个精确调控的过程 影响内质网 细胞核信号转导的三种因素 内质网腔内未折叠蛋白的超量积累 折叠好的膜蛋白的超量积累 内质网膜上膜脂成份的变化 主要是固醇缺乏 不同的信号转导途径 最终调节细胞核内特异基因表达 第三节 高尔基

10、体P182 高尔基体的形态结构 高尔基体的功能 高尔基体与细胞内的膜泡运输 一 高尔基体的形态结构P182 电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成 高尔基体是有极性的细胞器 位置 方向 物质转运与生化极性 高尔基体各部膜囊的 种标志细胞化学反应 高尔基体至少由互相联系的4个部分组成 每一部分又可能划分出更精细的间 隔 高尔基体与细胞骨架关系密切 在非极性细胞中 高尔基体分布在MTOC 负端 高尔基的膜囊上存在微管的马达蛋白 cytoplasmic dynein和kinesin 和微 丝 的马达蛋白 myosin 最近还发现特异的血影蛋白 spectrin 网架 它们在维持高尔基体动

11、态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起重要的作用 电镜下高尔基体结构是由扁平膜囊和大小不等的囊泡构成 扁囊弯曲成凸面 又称形成面 forming face 或顺面 cis face 面向质膜的凹面 concave 又称成熟面 mature face 或反面 trans face 高尔基体是有极性的细胞器 高尔基体各部膜囊的 种标志细胞化学反应 嗜锇反应的高尔基体cis面膜囊 焦磷酸硫胺素酶 TPP酶 细胞化学反应 显示trans面1 2层膜囊 胞嘧啶单核苷酸酶 CMP酶 细胞化学反应 显示靠近trans面膜囊状 和管状结构 GERL结构 60年代初 Novikoff发现CMP和酸性磷酸酶存在于高尔

12、基体的一 侧 称这种结构为GERL 意为与高尔基体 G 密切相关 但 它是内质网 ER 的一部分 参与溶酶体 L 的生成 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶 NADP酶 的细胞化学反应 显示中间扁平囊 高尔基体顺面网状结构 cis Golgi network CGN 又称cis膜囊 高尔基体中间膜囊 medial Golgi 多数糖基修饰 糖脂的形成 与高尔基体有关的多糖的合成 高尔基体反面网状结构 trans Golgi network TGN 周围大小不等的囊泡 顺面囊泡称ERGIC VTC ERGIC53 58蛋白 结合Mn 反面体积较大的分泌泡与分泌颗粒 高尔基体的4个组成部分 高尔基体顺面网状

13、结构 CGN RER 蛋白质和脂类 蛋白质KDEL或HDEL CGN 蛋白丝氨酸残基发生O 连接糖基化 跨膜蛋白在细胞质基质一侧结构域的酰基化 日冕病毒的装配 高尔基体反面网状结构 TGN TGN中的低pH值 标志酶CMP酶阳性 TGN的主要功能 参与蛋白质的分类与包装 运输 某些 晚期 的蛋白质修饰 如唾液酸化 蛋白质酪氨酸残基的硫酸化及蛋 白原的水解加工 在蛋白质与脂类的转运过程中 的 瓣膜 作用 保证单向转运 二 高尔基体的功能P186 高尔基体与细胞的分泌活动 蛋白质的糖基化及其修饰 蛋白酶的水解和其它加工过程 高尔基体与细胞的分泌活动 蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的

14、基因本身 流感病毒囊膜蛋白特异性地转运 上皮细胞游离端的质膜 水泡性口炎病毒囊膜蛋白特异性地转运 上皮细胞基底面的质膜 水泡性口炎病毒囊膜蛋白等膜蛋白在胞质基质侧的双酸分选信号 Asp X Gln或DXE 起重要的作用 溶酶体酶的分选 甘露糖 6 磷酸 M6P 反面膜囊M6P受体 在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径 蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身 蛋白质的糖基化及其修饰P187 蛋白质糖基化类型 蛋白质糖基化的特点及其生物学意义 蛋白聚糖在高尔基体中组装 植物细胞中高尔基体合成和分泌多种多糖 蛋白质糖基化类型 特 征 N 连接 O 连接 1 合成部

15、位 粗面内质网粗面内质网或高尔基体 2 合成方式 来自同一个寡 糖前体 一个个单糖加上去 3 与之结合的 氨基酸残基 天冬酰胺 丝氨酸 苏氨酸 羟赖氨酸 羟脯氨酸 4 最终长度 至少5个 糖残基 一般1 4个糖残基 但ABO血型抗原较长 5 第一个糖残基 N 乙酰葡萄 糖胺 N 乙酰半乳糖胺等 N 连接与O 连接的寡糖比较 蛋白质糖基化的特点及其生物学意义 糖蛋白寡糖链的合成与加工都没有模板 靠不同的酶在 细胞不同间隔中经历复杂的加工过程才能完成 糖基化的主要作用是蛋白质在成熟过程中折叠成正确构 象和增加蛋白质的稳定性 多羟基糖侧链影响蛋白质的 水溶性及蛋白质所带电荷的性质 对多数分选的蛋白质

16、 来说 糖基化并非作为蛋白质的分选信号 进化上的意义 寡糖链具有一定的刚性 从而限制了其它 大分子接近细胞表面的膜蛋白 这就可能使真核细胞的祖 先具有一个保护性的外被 同时又不象细胞壁那样限制细 胞的形状与运动 蛋白聚糖在高尔基体中组装 一个或多个糖胺聚糖 通过木糖 结合到核 心蛋白的Ser残基上 植物细胞高尔基体合成和分泌多种多糖 蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型 P190 无生物活性的蛋白原 proprotein 高尔基体 切除N 端或两 端的序列 成熟的多肽 如胰岛素 胰高血糖素及血清白蛋白等 蛋白质前体 高尔基体 水解 同种有活性的多肽 如神经肽等 含有不同信号序列的蛋白质前体 高尔基体 加工成不同的产物 同一种蛋白质前体 不同细胞 以不同的方式加工 不同的多肽 加工方式多样性的可能原因 确保小肽分子的有效合成 弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号 有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用 在高尔基体中进行的肽链酪氨酸残基的硫酸化作用 三 高尔基体与细胞内的膜泡运输 高尔基体在细胞内膜泡蛋白运输中起重要的枢纽作 用 膜泡运输的主要途径 其中多数与高尔基体直接相关 枢纽