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1、医用生物学教研室 李延兰 E-mail: Tel:3831928(O) 2010.03,第3章 细胞内膜系统 (Endomembrane System),内膜系统(endomembrane system) :指位于细胞质内,在结构,功能乃至发生上有一定联系的膜性结构的总称。,内膜系统使胞内形成一些相互分隔的膜性区室,区室内的特殊环境将独特的酶系统局限在胞内的特定区域,使胞内特定的生化反应过程在特定的区域内进行,减少互相干扰,提高代谢效率,内膜系统的这种分隔作用称为细胞内的区域化(compartmentation)。,Membrane-bound compartments of the cyt
2、oplasm,2,内膜系统,内质网(endoplasmic reticulum),高尔基复合体(Golgi complex),溶酶体(lysosomes),过氧化氢体(peroxisomes) (核膜、小泡),intracellular compartments: endosomes,Nuclear-ER,Golgi,ER,lysosome,细胞内的房室化,The Endomembrane System is Complex.,3,1945年,K.R.Poter; 电子显微镜; 小鼠成纤维细胞,第一节 内质网 (Endoplasmic Reticulum,ER),4,5,核膜外层,一、内质网的
3、形态结构,内质网,ER是由一层单位膜围成的形状大小不同的小管,小泡,扁囊状结构,相互连接形成一个连续的网状膜系统。,小管,小泡,扁囊状,细胞膜,核膜,内质网,细胞膜,内质网的内腔相互连通。,6,二、内质网膜的化学组成,微粒体(microsome):为用蔗糖密度梯度离心方法,从细胞匀浆中分离出的内质网碎片。 含有脂类(糖脂、胆固醇)、RNA、蛋白质及丰富的酶等。 胞质面与腔面的酶的分布不同。,标志酶:葡萄糖-6-磷酸酶,7,8,匀浆,Isolation of a microsomal fraction by differential centrifugation,三、内质网的类型( Types
4、of ER ),核糖体,粗面内质网,滑面内质网,There are two basic kinds of ER : Rough/granular endoplasmic reticulum (RER,粗面/颗粒内质网) - has ribosomes attached. Smooth/agranular endoplasmic reticulum (SER,滑/光面/ 无颗粒内质网) - no ribosomes.,9,10,The smooth ER(SER),rough endoplasmic reticulum (RER),RER: 膜表面附着核糖体,膜上有核糖体连接蛋白;形态多为板层状
5、排列的扁囊;网腔内含低电子或中等电子密度的物质;多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。(Russells body),11,The smooth ER(SER),SER: 膜表面无核糖体附着;形态多为分枝小管或小泡;多分布在一些特化的细胞中。,12,四、内质网的功能( Function of ER),内质网功能:使细胞质区域化,为物质代谢提供特定的内环境;扩大膜的表面积,有利于酶的分布提高代谢效率;为蛋白质,脂类和糖类的重要合成基地;参与物质运输,物质交换和解毒作用;对细胞起机械支持作用。,RER:蛋白质的合成、折叠与转运,蛋白质的糖基化,膜脂的合成。,SER:脂类和类固醇激素的合成与代谢
6、、糖原的代谢、储存和调节钙离子浓度以及细胞的解毒作用等。,13,1.粗面内质网与蛋白质的合成,1975年Bloble提出信号假说(signal hypothesis ),信号肽的合成,信号识别颗粒(SRP)-核糖体复合体形成,核糖体与内质网膜结合,多肽链进入内质网腔,主要过程,(一)粗面内质网的功能,14,G.Blobel、B.Dobberstein、P.Walter和他们的同事在研究中发现信号序列具有一些共同的特性:长度一般为1535个氨基酸残基, N-末端含有1个或多个带正电荷的氨基酸,其后是612个连续的疏水残基;在蛋白质合成中将核糖体引导到内质网, 进入内质网后通常被切除(图3-17)
7、。, 信号序列的一般特征, 信号序列的一般特征,ER跨膜可切除信号的一般结构,信号序列的两个基本作用是:通过与SRP的识别和结合, 引导核糖体与内质网结合; 通过信号序列的疏水性,引导新生肽跨膜转运。,蛋白质分选的信号假说,认为新合成的蛋白质分子内包含有某种分选信号(sorting signal), 分选信号具有决定蛋白质在细胞内的去向或定位的作用。,后来先后证明了分选信号、信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP)及其受体及细胞膜上的蛋白质传导通道(protein-conducting channel,PCC)的存在,使信号假说成为一个系统的理论。,17,
8、Brings protein to ER Binds signal sequence on protein Binds SRP receptor on ER RNA-protein complex,信号假说(signal hypothesis ),18,Signal recognition particle (SRP),19,内质网腔,细胞质,SRP受体,信号识别颗粒,(SRP),核糖体结合蛋白,tRNA,A,P,核糖体,mRNA,信号肽,A,Endomembrane and secreted proteins,20,Endomembrane and secreted proteins,21,
9、ER膜上有一种称为易位子(translocon)的蛋白复合体,直径8.5nm,中心有一个直径2nm的通道,其功能与新生成的多肽进入ER有关。(哺动细胞的translocon的主要成分是与蛋白分泌相关的一种多肽Sec61P等组成的复合物)。,22,RER合成的外输性蛋白质包括,1. 分泌性蛋白质,如基质蛋白、酶、抗体、肽类激素和细胞因子等。 2. 膜整合蛋白,如膜受体、膜抗原等。 3. 定位于高尔基复合体、光面内质网(SER)和溶酶体的蛋白质。 4. 驻留在糙面内质网(RER)的蛋白质。,23,转移信号(transfer signal)与膜整合蛋白(Integral membrane prote
10、ins的合成,穿膜信号包括转移起始信号和转移终止信号 N-terminus in cytosol C-terminus in ER lumen,24,25,Integral membrane proteins,26,A schematic model for the synthesis of a secretory protein (or a lysosomal enzyme)on a membrane-bound ribosome of the rough ER,27,A schematic model for the synthesis of an integral membrane pr
11、otein,假设门控蛋白,28,2.粗面内质网与蛋白质的折叠,RER腔中丰富的氧化性谷胱甘肽(GSSG)、蛋白二硫异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)和分子伴侣(molecular chaperone)系统,为蛋白质多肽链的折叠提供了极为有利的环境。,蛋白质的折叠,二硫键的形成:内质网腔的氧化还原电位趋向于氧化状态(GSHGSSG为1-31);PDI催化任何两个半胱氨酸残基间形成二硫键。,多肽链的折叠:分子伴侣是一类在细胞内帮助其它蛋白质多肽链进行正确折叠、组装、转运及降解的蛋白质分子,其中大部分属于热激蛋白(heat shock protein,hsp)家
12、族。钙联蛋白(calnexin)具有分子伴侣的功能。,29,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:其C端末尾具有驻留信号肽,其氨基酸序列通常为KDEL or HDEL信号(赖/组天谷亮)的蛋白, KDEL能够与内质网膜上的KDEL受体结合。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。 免疫球蛋白重链结合蛋白(Binding protein,Bip,molecular 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。,
13、30,3.粗面内质网与蛋白质的糖基化,蛋白质的糖基化(glycosylation):是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白的过程。,糖与蛋白质的连接方式,N-结合型的寡糖蛋白:发生在内质网腔内(蛋白质的天冬酰胺的氨基基团,先与RER膜上的多萜分子连接而被活化)。,O-结合型的寡糖蛋白:发生在高尔基体内。,31,The steps in the synthesis of the core portion of an N-linked oligosaccharide in the rough ER,32,Protein glycosylation,以出芽方式将合成的分泌性蛋白质包裹成膜性转运小泡
14、,以囊泡形式转运至高尔基复合体,避免RER合成的蛋白质与细胞基质混合。,4.粗面内质网与蛋白质的运输,包被囊泡根据包被蛋白的不同分为3种,即网格蛋白包被囊泡、包被蛋白(COP )和包被蛋白( COP )。 COP 负责包裹内质网折叠好的蛋白质运至高尔基复合体。 COP 囊泡介导蛋白质在高尔基复合体的前向和反向运输,以及蛋白质从高尔基复合体内质网。,酰基转移酶,磷脂酸,RER胞质侧,磷酸酶,二酰基甘油(DG),胆碱磷酸转移酶,卵磷脂,RER腔面,先由酰基转移酶将胞质中的脂肪酸和磷酸甘油缩合成磷脂酸(留在脂双层中)。在磷酸酶作用下,由磷脂酸和磷酸甘油组成DG;最后,再在胆碱磷酸转移酶催化下由DG和
15、CDP-胆碱合成卵磷脂。翻转酶(flipase)。,35,5.粗面内质网与膜脂的合成,SER的功能,1.脂类的合成,2.糖原的合成与分解,3.解毒作用,4.储存和调节Ca2+浓度,5.水和电解质代谢(盐酸)、胆汁及血小板的生成,(二)滑面内质网的功能 ( Function of SER ),36,1. 脂类的合成,在合成胆固醇类物质的肾上腺皮质细胞和卵巢黄体细胞中,SER很发达,SER中存在与胆固醇合成、激素转化及其他脂类合成的酶系。认为SER是脂类合成与运输的主要场所。某些细胞中RER也可以合成脂类。,在质膜和Gc膜上,存在一种依赖ATP的转位酶,称为氨基磷脂转位酶,转运PS、PE和PI。磷
16、脂转移蛋白(phospholipid transfer protein)能从ER中“提取”单个磷脂分子,并将磷脂分子埋藏在其分子内,在ER膜与线粒体和微体间转移磷脂。,37,2.药物代谢与解毒,内质网上存在与解毒作用有关的酶和酶系,其中光面内质网上集中了多种重要的氧化酶系,如细胞色素P450、NADPH-细胞色素C还原酶等。,许多对机体有害的物质,如药物和毒物等经氧化酶系的作用可以被解毒和转化。,如给动物服用大量苯巴比妥可引起光面内质网的增生,同时与解毒有关的酶的含量明显增加。停止给药后在短时间内光面内质网的数量就很快减少到正常水平。,38,3. 糖原的合成与分解,实验证明,糖原的分布与SER
17、紧密联系。细胞中糖原位于接近SER的部位,且SER常为丰富的糖原所遮盖。动物绝食数日造成糖原减少后,SER的小管与小囊集中围绕残余的糖原。再喂食则使SER显著增加。说明SER与糖原合成有关。,糖原分解与ER有关。肝细胞内SER朝向胞质膜面附着的糖原颗粒,可被磷酸化酶降解,形成1-P-G,再在细胞质基质中转化为6-P-G。,39,4.储存和调节Ca2+浓度,肌质网(特化SER) 具有储存和调节Ca2+浓度的功能。腔中PDI(蛋白二硫键异构酶)有结合Ca2+作用。 其中的Ca2+结合蛋白(calreticulin)高亲和力结合Ca2+。ER通过其膜上的Ca2+通道和Ca2+泵调节细胞内的Ca2+浓
18、度,从而调控肌肉的收缩和舒张。,sarcoplasmic reticulum,40,五、内质网的病理性变化,1.ER是一个比较敏感的细胞器。 2.内质网肿胀:ER膨大成空泡状,电子密度底于正常,伴有线粒体肿胀,病理学上称为浊肿(cloudy swelling)。缺氧、辐射等。 3.内质网脱粒:药物中毒、病毒感染等。 4.内质网内包涵体:某些疾病中可看到脂类、蛋白质在ER腔中积累。如脂肪肝细胞中有大量脂质体存在;肝硬化患者的肝细胞可见到ER腔中聚集大量的1-AT(1-抗胰蛋白酶)。,41,42,1898 意大利-高尔基(Camillo Golgi)-光镜-枭、猫-神经细胞,第三节 高尔基复合体,
19、一、高尔基复合体的形态结构,光镜:网状结构,电 镜,扁平膜囊/中间高尔基网(包括顺面、中间和反面扁囊)/高尔基堆,成熟面(mature face),小囊泡/顺面高尔基网/形成面/未成熟面/凸面,大囊泡/反面高尔基网/分泌面/凹面,形成面(forming face),第三节 高尔基复合体,43, 100-500nm;膜厚:8nm; 泡内含物质:高电子密度物质,浓缩泡。 来源:扁平囊周边或局部球状膨突脱落形成。,凹面/成熟(反)面,Golgi Apparatus,高尔基体是由一层单位膜包围形成的囊泡系统。由扁平囊(saccule)、小泡(vesical)和大泡(vacuole)三种基本形态组成的。
20、,trans Golgi network, TGN,44,扁 平 囊,呈盘状,3-10层称高尔基堆 扁平囊间距:15-30nm; 囊腔宽:6-15nm 凸面:形成(顺)面; 凹面(concave):成熟(反)面 形成面膜厚: 6nm; 成熟面膜厚:8nm 囊腔内含:中等电子密度的物质 来 源:小囊泡融合。,medial Golgi network,Forming/cis face,Mature/trans face,45,凸面:形成(顺)面;,小 囊 泡,40-80nm球形小泡 膜厚:6nm; 泡内含物质:低电子密度物质,较透明。 来源:由rER “芽生”而来。,cis Golgi netwo
21、rk, CGN,46,二、高尔基复合体(Gc)的化学组成,从ER到Gc到质膜,蛋白质种类逐渐减少。Gc所含磷脂酰胆碱也介于ER与质膜之间。说明Gc是处于ER和细胞膜之间的一种过渡性细胞器。,Gc各部分呈不同的细胞化学反应,顺面扁平囊呈嗜锇反应,反面扁平囊呈焦磷酸硫胺素酶反应,反面管网呈胞嘧啶单核苷酸(CMP)酶反应。以上3种反应和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADP)酶反应均为Gc的特征反应,上述3种酶则为高尔基体的标志酶,定位于Gc的特殊区室中,可作为鉴别高尔基体极性的标准。,主要酶包括:糖基转移、磺基-糖基转移酶(糖脂合成) 、酰基转移酶(磷脂合成)、糖苷酶和其它酶类。,47,高尔基复合体各层
22、膜囊标志酶电镜图 a)Cis面嗜锇反应阳性;b)中间膜囊NADP酶阳性 ;c) trans面TPP酶阳性,48,49,三、高尔基复合体的区域化,Gc的扁平囊堆具有三个生化区室,分别为顺面扁囊、中扁囊和反面扁囊,分别依次包含对蛋白质进行逐步加工的特异性酶。,如顺面囊中有磷酸转移酶;中扁囊有N-乙酰葡萄糖胺转移酶I;反面扁囊含有对糖蛋白的糖链末端进一步修饰的半乳糖转移酶等。(比喻成一个工厂,而不同的生化区室就如工厂中的不同车间或工段,修饰加工和选择包装。通过出芽(budding)方式在囊间转移并融合。在此过程中扁平囊本身保持相对稳定。,四、高尔基复合体功能,(一)高尔基复合体与 细胞的分泌活动,3
23、H标记亮氨酸,3分钟,20分钟,120分钟,高尔基复合体在细胞分泌活动中起着重要的运输作用;在分泌颗粒的形成过程中起着浓缩、修饰、加工等作用。,50,The dynamics of transport through the Golgi complex,51,(二)高尔基复合体对蛋白质的修饰加工,1. 参与糖蛋白的合成和修饰,N-连接寡糖链:在rER腔内合成。,O-连接寡糖链:在高尔基体内合成。,糖蛋白,3H标记甘露糖,3H标记半乳糖;唾液糖,3H标记N-乙酰葡萄糖胺,2. 参与蛋白质的改造,无活性前体物(某些肽类激素),加工改造,有活性的物质(激素),高尔基复合体对糖蛋白的合成和修饰过程具有
24、严格的顺序性。,52,N-linked Glycosylation,Can be further divided into two stages: Initial glycosylation event Subsequent modification of the carbohydrate side chain,53,Protein Glycosylation,Defined as the addition of carbohydrate groups to specific amino acid residues in a protein There are two kinds of gly
25、cosylation: N-linked -addition of carbohydrates to asparagine residues O-linked - addition of carbohydrates to serine or threonine residues,54,N-连接与O-连接的寡糖比较,55,蛋白质糖基化的特点及其生物学意义,糖蛋白寡糖链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。 糖基化是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来说,糖基化并非作为蛋白质
26、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。与丝氨酸残基相连的是木糖,而不是N-乙酰半乳糖胺。 植物细胞中高尔基体合成和分泌多糖。,56,(三)高尔基复合体对蛋白质的分拣运输,蛋白质合成,溶酶体寡聚糖磷酸化,切除甘露糖,加N-乙酰葡萄糖胺,加半乳糖,加唾液酸;分拣,溶酶体,顺面管网,中层囊,反面囊,反面管网,大泡(分泌颗粒),rER,高尔基复合体,顺面囊,切除甘露糖,高尔基堆,RER合成的蛋白质在Gc加工中,被加上不同的分选信号(磷
27、酸、半乳糖、唾液酸等),被反面Gc膜上的专一受体识别、浓缩、分选后,形成不同运输小泡运到细胞不同部位。,57,(三)高尔基复合体对蛋白质的分拣运输,蛋白质合成,溶酶体寡聚糖磷酸化,切除甘露糖,加N-乙酰葡萄糖胺,加半乳糖,加唾液酸;分拣,溶酶体,顺面管网,中层囊,反面囊,反面管网,大泡(分泌颗粒),rER,高尔基复合体,顺面囊,切除甘露糖,高尔基堆,58,Protein Sorting,蛋白质的分选(Sorting)及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身。流感病毒囊膜蛋白特异性地转运上皮细胞游离端的质膜。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
28、在胞质基质侧的双酸分选信号Asp-X-Glu或DXE)起重要的作用,59,(四)高尔基复合体与溶酶体的形成,溶酶体的酶是由rER上的核糖体合成,rER腔内,运输小泡,高尔基复合体(加工修饰),溶酶体的酶内含有甘露糖-6-磷酸,高尔基复合体反面扁囊膜上有甘露糖-6-磷酸受体,能特异与其结合,诱导溶酶体酶聚集并“出芽”离开高尔基复合体形成溶酶体。 溶酶体酶的分选: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。,60,内吞体,溶酶体酶的磷酸化,rER,顺面管网,反面管网,高尔基复合体,溶酶体水解酶前体,加入磷酸基团,M-6-P,溶酶体酶,前 溶 酶 体,ATP,
29、ADP+Pi,H+,去除磷酸,pH=6,成熟溶酶体,M-6-P(甘露糖-6-磷酸是一种分选信号),61,内吞体,rER,顺面管网,反面管网,高尔基复合体,溶酶体水解酶前体,加入磷酸基团,M-6-P,溶酶体酶,前 溶 酶 体,ATP,ADP+Pi,H+,去除磷酸,pH=6,成熟溶酶体,clathrin coat, early/late endosome, acidic compartment,62,无生物活性的蛋白原高尔基体切除N-端或两端的序列成熟的多肽。如胰岛素、胰高血糖素等。 蛋白质前体高尔基体水解同种有活性的多肽,如神经肽。 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
30、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。,(五)蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型,63,(六)高尔基复合体与细胞内膜泡运输,膜流(membrane flow):细胞各种膜性结构之间相互联系和转移的现象称膜流。,运输小泡,高尔基复合体,大囊泡,细胞膜,内质网,64,供(受)体房室/膜,膜再循环;结构/调节性分泌途径; 前/反向运输,coat protein, COP/ ,反向运输(retrograde t.),前向运输(anterograde t.
31、),65,内膜系统与膜流,膜流(membrane flow):是指细胞的膜成分在质膜与内膜之间,以及在内膜系统各种结构之间流动的现象。又称为小泡流(vesicle flow)。 膜流过程中,提供膜性小泡的膜结构成为供体房室(donor compartment)或供体膜,接受膜性小泡的膜结构成为受体房室(acceptor c.)或受体膜。膜的再循环(membrane recycling)实现细胞器膜成分的内在平衡机制(homeostatic mechanisms)。 结构性分泌途径(constitutive secretory pathway)与调节性分泌途径(regaluted s. p.)
32、。 前向运输(anterograde t.)与反向运输(retrograde t.)。,66,Retrieving ER proteins,67,The formation of clathrin-coated vesicles at the TG,68,Secreted proteins,Proteins move from Golgi complex to plasma membrane in secretory vesicles,Constitutive (intestinal mucus)肠 粘液 Regulated (neurotransmitters)神经递质,69,五、高尔基复合
33、体的病理性变化,异常改变,高尔基复合体的增生和肿胀:囊泡扩张可占据细胞质的大部分区域,多见于药物中毒。,高尔基复合体内容物的改变: (颗粒)电子密度低含饱和脂肪酸,反之,高尔基复合体在癌细胞中的改变,高尔基复合体的萎缩和解体:囊泡塌陷、数量减少或降解,见于中毒或肿瘤细胞。,70,作业与思考,1.名词解释:endomembrane system;microsome; ER; RER; SER; molecular chaperone; glycosylation;cis Golgi complex(CGN); MGN; TGN; signal recognition particle(SRP);
34、protein sorting 2.内膜系统包括哪些细胞器?各细胞器的结构特点如何? 3.举例说明信号假说与内质网的哪种功能有关? 4.举例说明高尔基体结构的区室化与它的功能有何关系? 5.请以分泌蛋白为例说明内膜系统中的物质流动和变化过程。,71,参 考 文 献,1.翟中和等主编. 细胞生物学,第3版,高等教育出版社,2007 2.韩贻仁主编. 分子细胞生物学(第3版),高等教育出版社,2007 3.艾伯茨等著,赵寿元等译. 基础细胞生物学,上海科学技术出版社,2002 4.王金发. 细胞生物学,科学出版社,2004 5.杨 恬.细胞生物学,人民卫生出版社,2005 6.Karp G. Ce
35、ll and Molecular Biology,4th ed(2005), 高等教育出版社,2007 7.Lodish H et al. Molecular Cell Biology. 4th ed. W H Freeman and Company, 2000,参 考 网 站,1.新乡医学院精品课程 http:/ 2.细胞生物学 http:/202.116.64.20/wjf/index.htm(中山大学) 3.细胞生物学 http:/221.10.254.145/204/show.asp?id=49 (川大) 4.细胞生物学在线 http:/ 5.生物软件网 http:/www.bio- 6.细胞生物学专业信息网 http:/www.xa- 7.http:/www.bio-medicine.org/ 8.http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/ 9.http:/www.sciencekomm.at/advice/dict.html 10.中国医科大学精品课程 细胞生物学 http:/
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