第7章细胞质基质和内膜系统.ppt

第七章 细胞基质与细胞内膜系统,第一部分 细胞质基质,一、细胞质基质的基本涵义 在细胞质中，除去可辨认细胞器以外的胶状物质。,A.与中间代谢有关的数千种酶类,例如：糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径； 糖原的合成、蛋白质与脂肪合成的重要场所,B.细胞周期、增殖、分化、衰老、凋亡的调控因子。,主要成分： 蛋白质占总量的2030%，以水化物的形式存在：,C.骨架系统（微丝 、微管、中间纤维）:是细胞质机制的组织者,D.mRNA,细胞质基质的组织结构 1.细胞质基质是一个高度有序的凝胶结构体系，形成精细的区域。 细胞骨架纤维形成复杂的三维纤维网络。多数蛋白直接或间接地与骨架结合或与生物膜结合 2.在细胞质基质结构体系中，蛋白质与蛋白质、蛋白质与其他大分子之间都是通过弱键相互作用的。 3.各组分之间的作用常常处于动态平衡之中。 细胞质基质所依赖的特殊环境 高蛋白浓度； 特定的离子环境,1.各种复杂的代谢反应是如何有条不紊地进行？ 各个环节之间是如何相互关联、相互制约？ 2.数以千种的生物大分子和代谢产物又是如何定向装运的？ 3.调节细胞增殖、分化、衰老、凋亡等重大生命活动的信号转导及其网络的确切途径是什么？,在基质中的课题,1.中间代谢的场所（蛋白质合成和脂肪酸合成） 2.维持细胞形态、运动，细胞内物质的运输机能量传递及细胞器定位 3.蛋白的分选及定向运输 4.由于细胞骨架的组织，使细胞中的成分，在结构功能上形成更为精细的区域。实现了细胞质中各功能的区域化。 5.维持细胞的内环境,二、细胞质基质的功能,各膜质细胞器 细胞核 细胞质基质,细胞内房室化,6.蛋白质的修饰 1.辅基或辅酶与酶的共价结合 2.磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性。 3.糖基化。多数为O-连接的糖基化。 在哺乳动物细胞中把N-乙酰葡萄糖胺分子加到蛋白质的丝氨酸的羟基上 。 4.蛋白质N端的甲基化修饰，使蛋白质维持较长的寿命。 例如：组蛋白 中间纤维 5.酰基化。 蛋白质与脂肪酸形成脂蛋白。 跨膜蛋白在内质网、高尔基体的转运过程中，暴露在细胞质基质中的结构域被酰基化。,7.降解变性与错误折叠的蛋白和短寿命蛋白质,真核细胞中，蛋白质降解途径有两条：一是不依赖于ATP的溶酶体途径；二是依赖ATP的泛素途径降解短寿命蛋白。 泛素：是一个由76个氨基酸残基构成的小分子蛋白质。 功能： .帮助清理细胞中短寿命蛋白和错误折叠的蛋白质； .参与细胞周期调控； .DNA修复； .细胞的程序性死亡。 降解机制：共价地结合于底物蛋白的赖氨酸残基。被泛素标记的蛋白将被特异性的识别，并迅速被降解泛素在一系列酶的作用下与靶蛋白结合，使靶蛋白被泛素标记，从而被蛋白酶体水解。,错误折叠的内质网蛋白的降解和输出,8.帮助变形或错误折叠的蛋白重新折叠，形成正确的分子构象 利用热休克蛋白（heat shock protein ）Hsp,在消耗ATP的情况下把变性蛋白重新折叠成正确的构象。 热休克蛋白有三个家族：25kD、75kD、90kD,错变形或错误折叠的蛋白,正确的分子构象,Hsp,ATP,ADP,三、细胞质基质与胞质溶胶,细胞质基质 是由微管、微丝和中间纤维等形成的相互联系的结构体系。其中蛋白质和其他大分子以凝聚状态或暂时以凝聚状态存在与周围的溶液分子处于动态平衡。 是一种由精细区域化的凝胶结构体系，细胞在不同的发育阶段和不同的生理状态下，可能有所不同 。 作为一个蛋白质是否属于细胞质基质中的结构成分，主要取决于其在生命活动中是结合在细胞骨架上，还是溶解在周围的溶液中。,胞质溶胶 早期的实验细胞学家和生化学家用差速离心的方法分离细胞匀浆的各组分，获得的上清液称之为胞质溶胶。 乳胶小球实验：将乳胶小球用微注射的方法注入非洲爪蟾的卵母细胞中，经一段时间后，取出乳胶小球，分析渗入小球中的蛋白质。结合在细胞质基质中的蛋白质不容易渗入乳胶小球。 胞质溶胶与细胞质基质的关系 包涵关系,内膜系统：指位于细胞质内，在结构、功能乃至发生上相关的膜围绕的细胞器或细胞结构的总称。它包括核膜、内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体及液泡和其他各种小泡。内膜系统是真核细胞特有的结构。,第二部分 内膜系统,细胞内组分的合成、分泌和内吞途径,内膜系统,一、内质网 二、高尔基复合体 三、溶酶体 四、过氧化物酶体,由KR. Porter、A. Claude 和 EF. Fullam等人于1945年发现，他们在观察培养的小鼠成纤维细胞时，发现细胞质内部具有网状结构，建议叫做内质网endoplasmic reticulum，ER，后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还有质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切，并且常伴有许多线粒体。,内质网,(一) 内质网的形态结构与类型,内质网：膜厚56nm；由一层单位膜围成的管状、泡状、扁囊状连接成网状； 内质网形态结构、分布状态、数量与细胞类型、生理状态及分化程度极为相关； 内质网占膜系统的一半，占细胞总体积的10%以上。,内质网,小管,小泡,扁囊状,细胞膜,核膜,(一)粗面内质网（RER):膜表面附着核糖体；形态多为板层状排列的扁囊；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。,(二)滑面内质网(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。,内质网的类型,(二) 内质网的化学组成,内质网膜含有的蛋白质比细胞膜的多(种类达30多种)如粗面内质网膜上有SRP(信号识别颗粒)受体蛋白；脂类较细胞膜的少，鞘磷脂少，卵磷脂多。 葡萄糖-6-磷酸酶(G-6-P酶)被视为内质网膜的标志酶,1.与细胞膜相连：甚至有管道相通 2.与外层核膜相接：内质网腔与核周隙相通 3.与高尔基体在结构、功能与发生上关系密切 4.rER与线粒体紧密相依： 过去：供能 最近：与脂质的相互交换及Ca2+释放的调节关系密切 5.ER的分布与微管走向一致 (核膜内质网高尔基体质膜),(三) 内质网与细胞内其它细胞器的关系,微粒体：细胞匀浆和超速离心，特别是密度梯度离心过程中，由破碎的内质网等形成的近似球形的封闭小泡结构，它包括内质网膜与核糖体两种基本成分。,很好的研究材料,一)粗面内质网(RER)的功能:,二)滑面内质网(SER)的功能:,(四)内质网的功能,1. 蛋白质合成 核糖体 2. 蛋白质折叠 3. 蛋白质修饰 4. 蛋白质运输,1.脂类的合成 2.糖原的分解 3.解毒作用 4.肌肉收缩(肌质网)：储存Ca2+肌细胞中的sER 5.盐酸的分泌、渗透压调节,蛋白质合成始于细胞质基质，但部分很快转至内质网膜上。 以共转移(边合成边转移)的方式， 在粗面型内质网上合成的蛋白： 1.向胞外分泌的蛋白质。 2.膜的整合蛋白。其方向性在内质网膜上合成时就确定。 3.构成细胞器中的可溶性驻留蛋白。,1.蛋白质的合成,附着核糖体：主要合成分泌性蛋白质 游离核糖体：主要合成结构性蛋白质 功能状态都为多聚核糖体，非功能状态为大、小亚基分开,核糖体的存在形式,注：当Mg2+的浓度为10mmol/L时,大小亚基聚合;Mg2+的浓度降至0.1mmol/L时,大小可解离,核糖体,小亚基 mRNA穿通隧道 大亚基 中央通道 正在合成的多肽链,5,核糖体是合成蛋白质的细胞器 主要成分蛋白质和rRNA 功 能：按照mRNA的指令合成多肽链,mRNA,核糖体,A部位：氨基酸部位或受位，接受氨酰基tRNA P部位：肽基部位或放位，肽基tRNA移交肽链后，tRNA被释放的部位,T因子：肽基转移酶催化P位上的氨酰基结合到A位的氨酰tRNA上,信号假说,信号密码：位于起始密码(AUG)之后，有一组编码特殊氨基酸序列的密码子。 信号肽：蛋白质合成时，首先在游离核糖体上由信号密码翻译出一段肽链，这一小段额外的肽链为疏水的氨基酸序列，约有1530个氨基酸组成。信号肽是个信号，是附着核糖体的标记。,信号识别颗粒(signal recognition particle，SRP)，它是由6条不同的肽链结合在1分子的7SrRNA上组成的llS核糖体蛋白，它能特异识别结合信号肽。SRP占据了核糖体的A位，阻挡了携带氨基酸的tRNA进入核糖体，使蛋白质的合成暂时中止。 SRP受体(SRP receptor)，它是结合在内质网膜上的镶嵌蛋白，分子量约72000，它可以识别结合SRP。 信号肽酶：水解信号肽的酶。,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,信号假说,1.游离核糖体上信号肽合成； 2.胞质中SRP识别信号肽，形成SRP-核糖体复合体，从而使多肽链合成暂停。 3.核糖体与粗面内质网结合，形成SRP-SRP受体-核糖体复合体； 4.SRP脱离并参加再循环，核糖体上的多肽链合成继续进行。 5.信号肽被ER膜上的信号肽酶切掉，合成后的多肽链落入内质网腔中； 6.附着核糖体脱离内质网膜，大小亚基分开，回到胞质基质中参加再循环，内质网膜上的受体小管消失 。,附着核糖体与蛋白质的合成过程,蛋白质折叠,分子伴侣：蛋白质折叠需要内质网腔内的某些可溶性驻留蛋白参与，这类蛋白能特异性地识别新生肽链或部分折叠的多肽并与之结合，帮助这些多肽进行折叠、装配和转运，而其本身并不参与最终产物的形成。,1.蛋白二硫键异构酶 切断二硫键，帮助其重新形成二硫键，并处于正确的状态,2.结合蛋白(Bip) 能识别不正确的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进其重新折叠与组装,3.肽信号 滞留在内质网中的蛋白质的信号(-Lys-Asp-Glu-Leu-COO),折叠错误、畸形肽链、未装配等,胞质,通过Sec61p复合体,被蛋白酶体降解,内质网的结构和功能蛋白羧基端的一个四肽序列: Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL信号序列。这段序列在高尔基体的膜受有相应的受体, 一旦进入高尔基体就会被高尔基体上的受体结合, 形成回流小泡被运回内质网, 所以将该序列称为内质网滞留信号。如Bip就带有KDEL信号, 它是内质网中的分子伴侣,如果从Bip上除去这种信号, Bip蛋白就会分泌出来; 如果将KDEL信号加到别的分泌蛋白上, 这种蛋白也就变成了滞留在内质网中的蛋白质。,RER的蛋白质修饰功能,蛋白质的糖基化：是指单糖或寡糖与蛋白质共价结合形成糖蛋白。 包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等。 蛋白质糖基化的概念、作用、方式。,细胞质基质中只发现少数几种简单的糖基化,糖,糖基转移酶,寡糖链,与磷酸多萜醇相接,糖蛋白,寡糖转移酶,与新生肽上的天冬酰胺相连,蛋白,糖基化的基本过程,蛋白质边合成边糖基化,糖供体为核苷糖：UDP -葡萄糖、CMP-唾液酸、GDP-甘露糖,蛋白质糖基化的作用,使蛋白质能够抵抗消化酶的作用 赋予蛋白质传导信号的功能 某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠 在细胞表面形成糖萼,蛋白质糖基化作用方式,N-连接的糖基化： 发生在内质网腔内，糖蛋白中最普遍的一种。,O-连接的糖基化： 主要或全部在高尔基复合体中进行。,在粗面内质网中，糖链被连接在多肽链中天冬酰胺残基(Asn)的氨基基团上，故称之为N-连接糖基化。 在内质网腔中N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖的多个分子按顺序先后被连接到内质网膜中叫多萜醇的脂质分子上，成为寡聚糖，并使寡聚糖活化。 已活化的寡聚糖即由糖基转移酶催化,N-连接的糖基化,N-连接寡糖前体的生物合成,N-连接的糖基化,O-连接的寡糖的糖基化,O-连接的寡糖是指与蛋白质的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基侧链上的羟基基团连接的寡糖。 O-连接的寡糖的糖链中又增加了半乳糖、岩藻糖和唾液酸等糖残基。,N-连接与O-连接的寡糖比较,酰基化 发生在内质网的胞质侧 软脂酸共价结合在跨膜蛋白的半胱氨酸残基上 高尔基体、膜蛋白向细胞膜的转移中也发生类似的酰基化 另外，在内质网上还发生羟基化和二硫键形成等,RER的蛋白质运输功能,向细胞外分泌的蛋白质： RER合成糖基化作用小泡(含分泌蛋白)经GC 浓缩泡分泌颗粒 排出； 膜嵌入蛋白质，即膜蛋白； 需要与其他细胞组分严格隔离的蛋白质； 需要进行复杂修饰的蛋白质；,SER的脂类合成功能,肾上腺皮质细胞、睾丸间质细胞、卵巢共黄体细胞等类固醇激素细胞 SER含有合成胆固醇全套酶系和使胆固醇转化为类固醇激素(肾上腺激素、性激素)的酶类及与脂类合成有关的酶类,ER的脂类合成功能,合成大部分细胞膜和细胞内膜系统的膜脂 合成脂类的酶都位于内质网脂质双层，活性部位朝向胞质面 翻转酶 磷脂酰胆碱的生物合成过程： 酰基转移酶、磷脂酸酶、胆碱磷酸转移酶 脂类物质的运输途径： 1.以膜泡运输的方式，运至高尔基体、溶酶体、质膜 2.与磷脂转换蛋白phospholipid exchange protein(PEP)结合形成水溶性复合物，通过自由扩散的方式运至靶膜。,磷脂酰胆碱在内质网膜上的合成过程,光面内质网在糖原分解中的作用,SER的解毒作用,肝细胞的解毒作用-SER通过氧化、甲基化、结合等方式，降低或排除毒性物质 药物、毒物(SER膜上的氧化酶系)解毒或转化 如：氨基酸代谢氨尿素(无毒)； 苯巴比妥类药物+葡萄糖醛酸水溶性物质,SER的盐酸分泌和渗透压调节功能,哺乳动物胃底臂细胞的胞质中，SER能将血浆中的Cl-传递到细胞内分泌小管的膜上， Cl-可与胞质中由碳酸解离的H+在膜上结合产生HCl，排出细胞外。,(五) 内质网与基因表达的调控,(六) 内质网的病理改变,病理条件下内质网肿胀(低氧、病毒性肝炎) 物质累积(a1-抗胰蛋白酶缺乏病人的血清中缺乏a1-抗胰蛋白酶，而在肝细胞的粗面内质网和滑面内质网中却储存着a1-抗胰蛋白酶) 癌变细胞中的内质网变化,高尔基复合体,高尔基体的化学组成与形态结构 高尔基体的细胞化学反应 高尔基体的功能区隔 高尔基体的功能 高尔基复合体与疾病,1898年，意大利医生首次发现高尔基体。也称为高尔基器(Golgi apparatus) 高尔基复合体(Golgi complex),高尔基复合体的化学组成介于细胞膜与内质网之间，如蛋白质、磷脂酰胆碱。高尔基复合体是一种过渡性的细胞器。 高尔基复合体含有多种酶，有糖基转移酶、甘露糖苷酶、磷脂酶，其中糖基转移酶则为高尔基体的标志酶。,(一) 高尔基体的化学组成,形态：高尔基体是由大小不一、形态多变的囊泡体系 结构：由排列整齐的扁平囊泡和其周围大小不等的泡状囊泡组成。 高尔基体是极性细胞器，具有恒定的位置与方向，物质从一侧进入，另一侧输出。,顺面(cis face)或形成面(forming face) 反面 (trans face) 或成熟面 (mature face),(二)高尔基体的形态结构,培养的上皮细胞中高尔基体的分布(高尔基体为红色，核为绿色),高尔基复合体的形态结构,光镜：网状结构,电 镜,扁平囊,成熟面(反面),小囊泡,大囊泡 (液泡),形成面(顺面),扁平囊（cisternae） 扁平囊堆（stack）,大泡、小泡（vesicles）,囊泡系统,顺面管网结构cis-network 顺面膜囊cis cisterna 中间膜囊medial cisterna 反面膜囊trans cisterna 反面管网结构trans-network,扁 平 囊,呈盘状，3-10层称高尔基垛,凹面：成熟(反)面,凸 面：形成(顺)面；,凸面：形成(顺)面,形成面膜厚： 6nm ; 成熟面膜厚：8nm,小 囊 泡,30-80nm球形小泡,膜厚：6nm;,囊腔内含：中等电子密度的物质,泡内含物质：低电子密度物质，较透明。,来 源：小囊泡融合。,来 源：由rER芽生而来。,大 囊 泡,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,嗜锇反应，经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色； 焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应，可特异地显示高尔基体的反面的12层膜囊； 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应，是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应；,(三)高尔基体各部分膜囊的细胞化学反应,细胞化学：研究细胞的化学组成成分及其在细胞活动中的变化和定位的学科。在不破坏细胞形态结构的情况下，用生化物理技术对各组分作定量的分析，研究其动态变化。确定复杂细胞过程的分子细节，如： 四氧化锇与不饱和酸反应呈黑色，证明脂肪滴的存在。,胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应，常常可显示靠近反面上的一些膜囊状和管状结构，这种结构称为GERL。 它与高尔基体密切相关，但它是ER的一部分。 CMP酶也是溶酶体的标志酶，溶酶体就是在此处分泌产生的。,高尔基体顺面网络结构(cis Golgi network，CGN) 是高尔基体的入口处，接受内质网合成的物质，分类后转入中间膜囊。 高尔基体中间膜囊(medial Golgi): 糖基化、糖脂的形成、多糖的合成。 高尔基体反面网络结构(trans Golgi network，TGN) 由反面一侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域。 功能：参与蛋白质的分类与包装，最后输出。,高尔基体空间结构的维持 ，依赖于微管微丝及其马达蛋白、血影蛋白网络。,(四)高尔基体的功能区隔,1.参与细胞的分泌活动 2.对蛋白质、脂类的糖基化修饰 3.对蛋白质的水解加工 4.对蛋白质的分拣运输 5.参与膜的转化,(五)高尔基复合体的功能,3H标记亮氨酸,3分钟,20分钟,90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。,1参与细胞的分泌活动,2.对蛋白质、脂类的糖基化修饰,参与糖蛋白的合成和修饰,N-连接的糖蛋白,O-连接的糖蛋白,糖蛋白,3H标记半乳糖；唾液糖,糖基化的作用： 为蛋白质打上不同的“烙印”； 增加了蛋白质的稳定性； 使蛋白质在成熟中折叠成正确的构象； 影响蛋白质的水溶性，及蛋白质所带电荷的的性质 糖基化的特点： “深加工” O-连接的糖基化多在高尔基体中完成。 发生特定的、有序的、复杂的糖基化修饰。,无活性的前体物质 (某些肽类激素),加工改造,有生物活性的物质(激素),3.对蛋白质的水解和加工,直接酶解切除新生蛋白原中的N-端或中间或两端的氨基酸序列，使之成为具有生物活性的蛋白质，如胰岛素原、甲状腺激素原和血清蛋白原等,新生蛋白原中含有多个氨基酸序列相同的区段，经酶解加工后形成多个序列相同的有活性的多肽链，如神经肽。 新生蛋白原中含有数种不同的信号序列，经过不同的加工方式可形成多种不同活性的多肽链，同时增加了分子的多样性，如一些信息分子。,4对蛋白质的分选,蛋白质合成,溶酶体糖磷酸化,溶酶体,顺面高尔基网,中间囊,反面囊,反面高尔基网,rER,高尔基复合体,顺面囊,高尔基垛,(磷酸转移酶),5.参与膜的转化,膜流：细胞的各种膜性结构之间相互联系和转移的现象称膜流。,内质网,运输小泡,高尔基复合体,大囊泡,细胞膜,(六)高尔基复合体与疾病,1.癌细胞中的高尔基复合体结构(不发达) 2.中毒细胞中的高尔基复合体的变化(形态萎缩、结构破坏、甚至消失) 3.功能亢进时的高尔基复合体结构(肥大),溶酶体,熟悉溶酶体的存在状态与类型,了解溶酶体的结构及化学组成,掌握微体、过氧化物酶体的概念。,了解溶酶体与疾病,掌握溶酶体的来源与功能,主要内容,一、基本特性,溶酶体,1949年C.de Duve 寻找与糖代谢有关的酶时，对大鼠肝组织匀浆细胞组分进行差速离心分离研究意外发现作为对照的酸性磷酸酶活性主要集中在线粒体分离层。酸性磷酸酶活性在蒸馏水提取物中高于蔗糖渗透平衡液抽提物，在放置一段时间的抽提物中高于新鲜制品，而且酶的活性与沉淀的线粒体物质无关。,由此推想：细胞内存在有含酸性水解酶活性的结构实体，其膜很可能非常易碎，碎后可释放出内含物。,单层膜包围 多种酸性水解酶 异质性囊泡状,溶酶体,1955年, C. de Duve：,酸性磷酸酶活性,溶酶体(lysosome),没有典型的溶酶体结构,植物细胞：,细菌：,溶酶体,vacuoles,没有典型的溶酶体结构,溶酶体几乎存在于所有动物细胞中,溶酶体：Lysosome，由单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的异质性囊泡状细胞器。其主要功能是进行细胞内的消化和保护作用。,溶酶体,（一）形态和大小,溶酶体的电镜形态,形态,溶酶体,大小,(最小：0.05m 最大：数m 平均：0.5m),一般：0.20.8 m,单层单位膜包围 异质性囊泡状,溶酶体细胞内的分布和移动：,培养的成纤维细胞的暗视野显微镜图片 示含致密物质的溶酶体(白点)围核(黑色)分布,溶酶体,为消化作用提供一个密闭空间； 控制该空间中的成分和内环境； 具有能与其它膜泡融合和内陷的能力.,（二）化学组成,1. 溶酶体膜,710nm,溶酶体,几种整合膜蛋白的酸性复合糖链(glycans)，可能参与了晕圈的形成,晕圈作用：保护这层膜不被溶酶体水解酶所降解 或可结合正在被消化的物质。,晕圈(halo)：糖类的阳性染色反应,这层膜对溶酶体本身的水解酶具有抗性,晕圈内没有可溶性溶酶体水解酶,溶酶体,膜蛋白高度糖基化 含有多种载体蛋白 膜中嵌有质子泵(H+-ATPase),溶酶体膜在成分上与其它生物膜不同:,溶酶体,绝大多数均为磷脂（在不同膜制品中差异较大）,多萜醇(dolichol)的衍生物 bis单酰甘油磷酸(bismonoacylglycerylphosphate),溶酶体结合膜蛋白(lysosomal-associated membrane protein, LAMPs) 溶酶体整合膜蛋白(lysosomal integral membrane protein, LIMPs)(溶酶体膜糖蛋白, lgp),(2) 膜蛋白,寡糖成分约占50%,(1) 膜脂,溶酶体,溶酶体膜糖蛋白(LIMPs)的蛋白质核心的一级结构模式图解,C-端,N-端,连接在Asn上的寡糖链,氨基酸序列同源性：,高度糖基化,通用识别信号,LIMP高度保守：同一个祖先基因,溶酶体,2. 溶酶体酶,溶酶体,异质性 不同的溶酶体所含溶酶不同。酶的种类已发现有60多种，可分六大类：蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶、磷酸酶、溶菌酶。其中酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶。,pH7.2,pH 5.0,溶酶体中酸性pH值的维持机制 膜上质子泵利用ATP不断把H+抽进溶酶体，使酸度保持在pH 5.0,溶酶体含有的主要酶类及其作用底物,溶酶体酶的种类虽然很多，且含量很高，但每一个溶酶体中所含有酶的种类却是有限的。,嗜中性白细胞(neutrophil)：溶菌酶(lysozyme)和髓过氧化物酶(myeloperoxidase)降解微生物,某些特化细胞：特殊代谢酶类,溶酶体,三、溶 酶 体 的 来 源,甘露糖-6-磷酸途径(mannose 6-phosphate sorting pathway)：溶酶体的酶类在内质网上起始合成, 跨膜进入内质网的腔, 在顺面高尔基体带上甘露糖6-磷酸标记后在高尔基体反面网络形成溶酶体分泌小泡, 最后还要通过脱磷酸才成为成熟的溶酶体 。 并非溶酶体产生的唯一的途径。粘脂病,CGN区对拥有信号斑的溶酶体蛋白进行磷酸化,溶酶体酶蛋白的M6P标记,糖基化：糙面内质网进行N-连接糖基化, 经加工后形成带有8个甘露糖残基和2个N-乙酰葡萄糖胺残基的糖蛋白转运到高尔基体 磷酸化：高尔基体,溶酶体水解酶的识别机制 1.GlcNAc磷酸转移酶的催化UDP-GlcNAc的GlcNAc-P转移到溶酶体水解酶的甘露糖残基上， 2.由磷酸二酯酶切除GlcNAc基，形成了具有M-6-P的溶酶体酶,顺面高尔基体上,GlcNAc磷酸转移酶,磷酸二酯酶,GlcNAc基,GlcNAc-P,切除GlcNAc基,甘露糖(M),甘露糖(M),甘露糖(M),甘露糖-6-磷酸(M-6-P),TGN区M6P受体特异性的识别并结合M6P，反面膜囊溶酶体酶在聚积处，出芽形成有被小泡,最终形成无被运输小泡,大纲,无被小泡与前溶酶体融合逐渐形成成熟的溶酶体,内质网上核糖体合成溶酶体蛋白进入内质网腔进行N-连接的糖基化修饰，溶酶体酶蛋白先带上3个葡萄糖、9个甘露糖和2个N-乙酰葡萄糖胺，后切除三分子葡萄糖和一分子甘露糖进入高尔基体Cis面膜囊N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑将N-乙酰葡糖胺磷酸转移在12个甘露糖残基上在中间膜囊由N-乙酰葡萄糖苷酶切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配体与trans膜囊上的受体结合选择性地包装成初级溶酶体。,初级溶酶体和次级溶酶体模式图,次级溶酶体,初级溶酶体,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,溶酶体酶的M6P分选途径,（一）降解底物的来源：,四、溶酶体降解底物来源及溶酶体的类型,溶酶体降解底物来源的三条途径,内吞,吞噬,自噬,自噬小体,线粒体,细菌,吞噬体,初级溶酶体,次级溶酶体,初级溶酶体,早期内体,晚期内体,初级溶酶体,溶酶体,溶酶体,（二）溶酶体的类型：,非活性的水解酶 无底物,溶酶体,有活性的水解酶 有底物 将要或正在消化,含有消化不了的残留物,残余小体,次级溶酶体,初级溶酶体,溶酶体酶转 运小泡 ? !,初级溶酶体,次级溶酶体,一、初级溶酶体(primary lysosome),高尔基复合体分选产生的运输小泡和前溶酶体融合形成 内含各种酸性水解酶，未与底物结合 均质球形,初级溶酶体的发生,溶酶体酶的分选 含溶酶体酶的无被小泡形成 无被小泡与前溶酶体融合,初级溶酶体形成,二、次级溶酶体(secondary lysosome),初级溶酶体与不同的作用底物结合后形成,电镜下初级溶酶体和次级溶酶体,溶酶体,细胞中酸性水解酶分布电镜图 酸性水解酶是溶酶体的标志酶,含酸性水解酶的膜泡即为溶酶体,根据底物来源和消化程度不同，次级溶酶 体可分为： 异噬性溶酶体(heterophagolysosome) 自噬性溶酶体(autophagolysosome) 残余小体(residual body),1、异噬性溶酶体,作用底物是外源性的，如：细菌、红细 胞、血红蛋白、铁蛋白、酶、糖原颗粒， 常见于单核-吞噬细胞系统的细胞、白细 胞、肝细胞、肾细胞 分为： 吞噬性溶酶体（phagolysosome) 多泡小体（multivesicular body),(heterophagolysosome),内体与多泡小体之间的关系,多泡小体电镜照片,2、自噬性溶酶体,作用底物是内源性的： 发生条件：细胞内结构衰老、变性；机体发生饥饿；细胞本身发生病变,小鼠肾近曲小管上皮细胞中自噬溶酶体电镜图像,溶酶体,自噬性溶酶体和异噬性溶酶体,3、残余小体,消化不了的残渣物质累积在次级溶酶体中形成残余小体。根据残余物不同分为： 脂褐素(lipofusion) 含铁小体(siderosome) 髓样结构(myelin figure),脂 褐 素,外围以单位膜的不规则小体，内含电子密度较高、色调较深的物质，常含有浅亮脂滴 存在于神经细胞、心肌细胞,含 铁 小 体,外被以单位膜，内含电子密度高的含铁颗粒 存在于正常的单核吞噬细胞,髓 样 结 构,溶酶体内成层的膜性结构 存在于正常细胞和病变的肿瘤细胞,人肺泡巨噬细胞中髓样小体残余小体电镜图像,老年斑脂褐质小体,溶酶体,心肌中的脂褐质残余小体,溶酶体的三种存在状态,残余小体,次级溶酶体,异噬性溶酶体 消化底物是细胞外源性物质,自噬性溶酶体 消化底物是细胞内源性物质,吞噬溶酶体 吞噬泡融合,多泡小体 胞饮泡融合,初级溶酶体,底物,脂褐素 含铁小体 髓样结构,1. 细胞内消化,三、溶酶体的功能,溶酶体,内源性和外源性结构、物质被降解为可溶性小分子，可溶性的小分子释放到细胞质内被重新利用，以补充细胞内所需营养。,LDL 在溶酶体中形成胆固醇,低密度脂蛋白,2. 防御功能,次级溶酶体,细胞对外来物的吞噬过程图解,溶酶体,正在吞噬酵母菌的巨噬白细胞,清除衰老的生物大分子和细胞器 清除多余的细胞器 清除暂不需要的酶或某些代谢产物,3. 细胞内衰老和多余细胞器的清除,“细胞内 清洁工”,溶酶体,在蝌蚪变态过程中尾部溶酶体的组织蛋白酶活性与尾长度的关系,4. 发育过程中细胞的清除功能,溶酶体,例1. 两栖类动物变态：,(吴尔夫管退化),(米勒氏管退化),输卵管,输精管,人胚胎,吴尔夫管,米勒氏管,哺乳动物胚胎发育过程中生殖管道的变化过程图示,发育过程中细胞的清除功能,第一节 溶酶体,两性人,吴尔夫管,米勒氏管,发育,发育,均不 退化,例2. 哺乳动物生殖管的发育：,溶酶体膜蛋白高度糖基化，可抵御水解酶的降解，不会轻易破裂；,溶酶体的活动要受到严格的调控,溶酶体酶活性的最适pH5，胞质溶质pH7.2，溶酶体酶进入胞质溶质，活性丧失。,溶酶体,精子头部的顶体在受精过程中的作用图解,5. 在受精中的功能,溶酶体,特化的溶酶体,内分泌细胞中含有相当数量的溶酶体，溶酶体在激素分泌的各个环节(包括激素的合成、释放、分泌调节等)都具有不可忽视的作用。,6、内分泌细胞中的功能,如状腺素的合成：储存在甲状腺腺体内腔中的甲状腺球蛋白(thyroglobin)受到刺激后，经吞噬作用进入甲状腺上皮细胞，与溶酶体融合后被组织蛋白酶D和酪氨酸酸性羟基肽酶水解，变成含碘的游离甲状腺素T3和T4，然后分泌到细胞外的毛细血管中。,溶酶体,肽类激素的分泌方式为不连续分泌。一些实验证明，溶酶体也参与肽类激素的释放，可能是作用于分泌颗粒膜或细胞膜。但其确切机制，还需要更多实验证据。,此外，溶酶体还通过自噬作用清除细胞内过多的激素或与激素合成有关的细胞器，从而实现对激素分泌量的调节。,如：当母鼠终止哺乳时，其催乳素细胞进入细胞抑制状态，溶酶体将其不同成熟阶段的分泌颗粒降解。,溶酶体,1. 贮积病：与溶酶体有关的先天性疾病绝大多数为贮积病。,四、溶酶体与疾病,型肝糖病(glycogenosis)病人的肝细胞 缺少 -糖苷酶无法把糖原降解为葡萄糖，造成糖原在溶酶体内大量积累,溶酶体,粘 多 糖 储 积 病,黑蒙性先天愚型病(Tay-Sachs disease)患儿神经元中的残余小体 溶酶体中缺少-氨基己糖酯酶，不能降解神经节苷脂，而呈同心圆状被贮积在溶酶体中；如果发生在神经细胞中，便造成精神痴呆, 26岁会死亡,溶酶体,2. 肺结核：结核杆菌蜡质外被 硫酸脑苷脂,截至去年底，全国累计发生尘肺病病例55.8万例，累计死亡33.3万例，病死率为23.85%，尘肺病人已有42.5万例。,3. 矽肺：,矽肺患者的肺,4. 类风湿关节炎：,类风湿性因子巨球蛋白IgM IgM-IgG免疫复合物 沉积于关节滑膜或血管壁 补体激活 细胞内溶酶体酶外逸 关节组织的破坏及炎症,5、溶酶体与休克：,休克后缺血缺氧降低溶酶体膜的稳定性。,休克后缺血缺氧影响细胞的氧化磷酸化过程。,休克后缺血缺氧引起细胞内PH下降促进酶的激活。,测定淋巴液和血液中溶酶体酶的含量高低，可作为细胞损伤轻重度的定量指标,6. 溶酶体与肿瘤 (1)致癌物质引起细胞分裂调节机能的障阻及染色体畸变，可能与溶酶体释放水解酶的作用有关； (2)某些影响溶酶体膜通透性的物质，如巴豆油，某些去垢剂、高压氧等，是促进致癌作用的辅助因子，也能引发细胞的异常分裂； (3)在核膜残缺的情况下，核膜对核的保护丧失，溶酶体可以溶解染色质，而引起细胞突变； (4)溶酶体代谢过程中的某些产物是肿瘤细胞增殖的物质基础； (5)致癌物质进入细胞，在与染色体整合之前，总是先贮存在溶酶体中，这已为放射自显影所证实。 总之，溶酶体与肿瘤发生是否有直接关系，尚待进一步探索,微体(microbody)专指含有氧化酶、过氧化物酶，或过氧化氢酶活性的细胞器，普遍存在于动物体和植物体中。,微体,1954年，J. Rhodin：一类卵圆形小体,单层膜,卵圆形或哑铃形小体,0.21.5m,无定形的颗粒基质,微体的电镜照片,微体,常常成群分布在内质网膜的附近。有时紧靠线粒体或叶绿体,微体为一类异质性细胞器,微体,微体,糙面内质网,线粒体,细胞壁,叶绿体,微体与初级溶酶体的比较,此外，微体为在一定条件下可以被诱导而进行增殖的一种细胞器,微体,过氧化物酶体 (peroxisome),一、微体的形态结构,微体,过氧化物酶体的电镜图 (a)大鼠肝细胞中的过氧化物酶体，电子致密核心为尿酸氧化酶； (b)植物叶肉细胞中具有晶格状核心的过氧化物酶体，常紧邻叶绿体,尿酸氧化酶,(a),(b),微体,水仙叶肉细胞中过氧化物酶体的细胞化学反应图片 过氧化氢酶专一性定位于过氧化物酶体(P)中,微体,过氧化物酶体,过氧化物酶体中的氧化酶均含有与蛋白质结合的黄素辅基，故称为黄素氧化酶。,微体,过氧化物酶体膜的化学组成,微体,过氧化物酶体是细胞内糖、脂和氮的重要代谢部位,二、微体的功能,1、过氧化物酶体的功能：,微体,对有毒物质的解毒作用。例如：乙醇,过氧化氢酶是微体中最活跃的酶，它能利用H2O2通过过氧化反应来氧化各种底物,乙醛酸循环体的功能：,微体,过氧化物酶体与乙醛酸循环体的主要异同点,微体,微体酶：细胞质溶质中合成 且不糖基化。,三、微体的发生,大鼠肝细胞局部电镜图 示过氧化物酶体与内质网的连续性,过氧化物 酶体,膜脂：来自内质网(磷脂交换蛋白),微体膜,膜蛋白：细胞质溶质中合成,微体,一个含血红素的四聚体蛋白质，其单体在细胞质溶质中合成，在特定信号序列的指导下进入过氧化物酶体,微体输入信号C-端的3个氨基酸(Ser-Lys-Leu)序列,此信号序列在完成使命后不会被切除,过氧化氢酶：,酶体膜的胞质面上有识别信号序列的受体,微体,过氧化物酶体的生长和分裂方式图解,已有证据表明，由已有的微体经过分裂形成新的子代微体，经进一步装配后形成成熟微体。,微体,古老的细胞器,氧含量逐渐提高,形成一个简单的呼吸链,供能功能被线粒体取代,系统发生的角度,微体,微体病,广泛性微体 功能缺失,特异性单个 微体酶缺陷,Zellweger综合征 （脑肝肾综合征）,X-连锁肾上腺脑白质营 养不良（X-连锁ALD）,微体与疾病,Zellweger综合征 （脑肝肾综合征）,是一种常染色体隐性遗传病。 由于患儿微体膜上35000转运蛋白分子发生变异，致使患儿新合成的酶分子不能转运进微体腔内，微体呈血影样，对极长链脂肪酸（C22）无法氧化,使得这些极长链脂肪酸积累在细胞内,成为片层状内含物,可作为一种毒物影响早期胚胎细胞的正常迁移,使患儿发生畸形.,（）,白内障,黄疸,半乳糖血症,X-连锁肾上腺脑白质营 养不良（X-连锁ALD）,微体是极长链脂肪酸氧化的唯一场所. 早期认为X-连锁ALD是由于微体缺乏VLCFA-CoA合成酶,导致不能对VLCFA进行氧化而引起的一种脑神经系统严重疾病.但最近研究表明， X-连锁ALD是由于微体膜70000转运蛋白功能缺陷，致使VLCFA-CoA合成酶无法被转运入微体所引起的疾病。,溶酶体,化学组成,溶酶体膜,溶酶体酶,（酸性磷酸酶）,溶酶体的发生,RER （N-连接）,GC （修饰、加工