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1、第七章细胞内膜系统,7.1内质网,类型,功能,与基因表达调空,内质网,概述：1945年，著名超微结构学家K.B.Porter，在电镜下观察组织培养的细胞时，发现有各种大小的管道相连成网状，并多处在细胞质的内质部位，故定名为内质网,形态,1）内质网存在于真核细胞的细胞质中，由单位膜围成的小管(tubule)、小泡(vesicle)或扁囊(cisternae)连接而成的连续网状膜系统。2）内质网膜和外层核膜是连续的，ER内腔与两层核膜中间的核周间腔相通连，少数内质网与质膜相连。3）内质网连续网状结构的形成可能由其上结合的驱动蛋白引导其沿微管延伸排列而成。4）内质网结构和功能的好材料微粒体（micr
2、osome）组织或细胞匀浆过程中内质网被破坏，破碎的内质网重新封闭形成直径约100nm的小囊泡结构，此即微粒体。它包含内质网膜与核糖体两种组分。在体外实验中，微粒体仍具蛋白质合成，蛋白质的糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。,它是真核细胞重要的细胞器原核细胞内没有内质网，细胞膜代行使其类似功能。,它增大了膜的面积，供酶、核糖体等附着在上面。使各种化学反应有序进行。,它是生物体内重要大分子，如蛋白质，脂类和糖类合成的基地，也是蛋白质运输的通道。因此，有人把内质网比喻为有机物合成的“车间”或者“工厂”。,内质网的类型,根据外表面是否有颗粒附着，主要分成两类：,1）糙面内质网（roughendopl
3、asmicreticulum，RER）,2）光面内质网（smoothendoplasmicreticulum，SER）,糙面内质网:电镜下多为扁囊状结构,排列较为整齐排列较为整齐呈同心板层样排列，膜表面附着有大量的颗粒状的核糖体.它是合成蛋白质的重要场所,蛋白质的合成：,粗面内质网合成的蛋白质主要是分子量较大的分泌蛋白，包括酶类、肽类激素和抗体等，此外，也合成一些膜嵌入糖蛋白（整合蛋白）、内质网腔可溶性驻留蛋白（retentionprotein）和溶酶体蛋白等。,光面内质网：表面光滑，无核糖体附着在形态上常呈分枝状，小管或小泡的网状结构，很少象RER那样扩大成池，其膜也不如RER膜厚。另外，S
4、ER的一端常与RER相连，有时还和高尔基复合体或核膜相连.光面内质网是脂类合成的重要场所.,细胞器：核仁细胞核核糖体囊泡糙面内质网高尔机体细胞骨架光面内质网线粒体液泡细胞质溶酶体中心粒,光面型内质网与蛋白质的合成无关，但功能更为复杂,a、合成膜脂：光面型内质网合成的脂类除满足自身需要外，还提供给高尔基体、溶酶体、内体、质膜、线粒体、叶绿体等膜性细胞结构。大多数膜脂是完全在光面型内质网中合成的b、解毒作用：光面型内质网中的P450酶系属于单加氧酶，又称为多功能氧化酶、羟化酶，也有的存在于质膜、线粒体、高尔基体、过氧化物酶体、核膜等细胞器的膜中，具有解毒作用，通常可将脂溶性有毒物质代谢为水溶性物质
5、，使有毒物质排出体外。有时也会将致癌物代谢为活性致癌物。,c、甾体类激素的合成：在生殖腺和肾上腺的内分泌细胞中，光面型内质网、线粒体，可能还有高尔基体上的一些酶共同参与甾体类激素的合成。d、调节血糖浓度：使葡糖7-磷酸水解为磷酸和葡萄糖，释放糖至血液中。e、形成特殊结构：如肌细胞中的光面型内质网特化成的肌质网可储存钙离子，作为细胞内信号物质。,脂质的合成：由于内质网膜中含有与胆固醇合成、激素转化及其他膜脂合成的酶系，是细胞内脂类合成的主要场所,它合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。,内质网的功能,蛋白质的合成,脂质的合成,蛋白质的修
6、饰与加工,新生多钛的折叠与装配,其它功能,蛋白质的修饰与加工：,进入内质网内的蛋白质发生的主要化学修饰作用有糖基化，酰基化，羟基化与二硫键的形成糖基化的发生与多肽的合成同时进行，是内质网中最常见的蛋白质修饰,新生多肽的折叠与装配,不同的蛋白质在内质网停留的时间长短不一，这在很大程度上取决于合成蛋白正确折叠所需要的时间,（三）内质网与基因表达的调控,内质网通过膜脂成分的变化、内质网腔内未折叠蛋白和折叠好蛋白的累积来完成和细胞核的对话，实现二者之间的信号传导，调节相关基因表达。,1898年C.Golgi内网器后来高尔基复合体或高尔基器20世纪50年代EM下证实其存在,7.2高尔基复合体,一、高尔基
7、复合体的结构,由数个扁平囊泡堆在一起形成的高度有极性的细胞器。常分布于内质网与细胞膜之间，呈弓形或半球形,凸出的一面对着内质网称为形成面（formingface）或顺面（cisface）。凹进的一面对着质膜称为成熟面（matureface）或反面（transface）。膜厚77nm，中间形成囊腔，周缘多呈泡状，48个扁平囊在一起，某些藻类可达一二十个，构成高尔基体的主体，称为高尔基堆（Golgistack）。,2高尔基体是极性细胞器,1）排列有方向性：顺面(cisface)或称输入面靠近细胞核；反面(transface)或称输出面靠近细胞膜。2）物质转运方向性：物质从一侧进入，另一侧输出。3）
8、生化极性：高尔基体各膜囊中酶及其它结构成分不同，功能也不相同。高尔基体的顺面膜囊、trans面的1-2层膜囊、trans面的一些膜囊状和管状结构和中间几层扁平囊分别表现出嗜锇反应、焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)、胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)和烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应。,高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应：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trans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；胞嘧啶单核苷酸酶(CMP
9、酶)的细胞化学反应，常常可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶，溶酶体就是在此处分泌产生的。,（一）顺面高尔基网状结构（形成面）CGN,靠近内质网，顺面最外侧，呈连续分支的管网状结构主要功能：分选由内质网新合成的蛋白质和脂类,一般认为CGN接受来自内质网的新合成的物质并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，小部分蛋白质与脂类再返回内质网。返回内质网的蛋白质具有KDEL(或HDEL)这一信号序列，它是驻留在内质网内蛋白的特有序列。,（二）高尔基中间膜囊,顺、反面之间的扁平囊状结构主要功能：糖基修饰、糖脂形成、多糖合成,（三）反面高尔基网状结构（成熟面）TGN,
10、反面最外层，管网状，与囊泡相连主要功能：对蛋白质进行分选、修饰,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）,有极性的分泌型细胞,二、高尔基复合体的功能,（一）在细胞分泌活动中的作用负责对细胞合成的蛋白质进行加工，分类，并运出，其过程是SER上合成蛋白质进入ER腔以出芽形成囊泡进入CGN在medialGdgi中加工在TGN形成囊泡囊泡与质膜融合、排出。,（二）对蛋白质的修饰加工,N-连接糖基化O-连接糖基化,（三）分选蛋白质,新蛋白质经溶酶体酶（具分选信号）修饰形成分泌蛋白（具分选信号）膜蛋白,受体,M7P,（四）对蛋白质的水解加工：水解有活性，如：胰岛素,（五）参与膜的转化,膜
11、厚：2.54nm7.5nm膜物质：如磷脂、胆固醇、蛋白质等成分，Golgi器介于内质网和细胞膜之间。分泌物质浓度：稀至稠膜流,内质网膜,Golgi器,细胞膜,高尔基体不论在向外运输的膜泡转移中，还是在内吞形成的膜泡转移中都起着重要的作用。伴随各种膜泡运输过程，细胞内形成复杂的“膜流”，高尔基体在“膜流”的调控中很可能起着重要的枢纽作用。由高尔基体产生的溶酶体也参与膜流过程，其作用更多的是更新膜蛋白与膜脂以及水解内吞的物质。,膜流形成膜分化,40年代末期:发现具酸性磷酸酶活性颗粒1957年:确认为细胞器，定名为溶酶体现在:发现几乎所有的真核细胞都具有溶酶体，原核细胞无细胞内的消化器官,7.3溶酶
12、体,一、溶酶体的结构及酸性水解酶,结构：0.20.8m，单层膜，7nm。内容物：含40种以上酸性水解酶，最适pH=5.0，这些酶能将蛋白质、多糖、脂类和核酸等水解为小分子。水解发生的部位：在溶酶体内。,二、溶酶体的类型,溶酶体是以含有大量酸性水解酶为共同特征、不同形态大小，执行不同生理功能的一类异质性的细胞器,初级溶酶体（primarylysosome）次级溶酶体（secondarylysosome）自噬溶酶体（autophagolysosome）异噬溶酶体（phagolysosome）残余小体（residualbody），又称后溶酶体。,1、初级溶酶体直径约0.20.5um膜厚7.5nm，内
13、含物均一，无明显颗粒，是高尔基体分泌形成的（图7-27）。含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入，才有酶活性。其水解酶包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酯酶、磷脂酶类。,溶酶体膜的特征,嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境；具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解,2、次级溶酶体,由初级溶酶体同消化物融合形成，形态不规则，直径可达几微米。,（二）吞噬性溶酶体,自体吞噬体,异体吞噬体,内体性溶酶体,自噬性溶酶体,异噬性溶酶体,1.自噬性溶酶体：作用底物是内源性的，对细胞内结构的更新起着重要作用。发生条件：细胞内结构衰
14、老、变性；机体发生饥饿；细胞本身发生病变,2.异噬性溶酶体作用底物是外源性的，常见于单核吞噬细胞系统a.吞噬性溶酶体:吞噬泡和初级溶酶体结合形成。b.多泡体:胞饮泡和初级溶酶体结合形成。,3、残余小体,又称后溶酶体已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如肝细胞中的脂褐质,溶酶体的功能,清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞防御功能（病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞而吞噬、消化）其它重要的生理功能,作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养；分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节参与清除赘生组织或退行性变化的细胞；
15、受精过程中的精子的顶体（acrosome）反应。抗原加工。,参与激素生成,参与机体的器官变态和退化自溶作用：正常生理状态下的细胞、组织大面积的死亡如：两栖类蝌蚪变态的尾部消失；哺乳类动物子宫内膜的周期性萎缩,协助精卵受精,顶体,溶酶体与疾病的关系,溶酶体与矽肺,（巨噬细胞）,成纤维细胞增生巨噬细胞不断死亡成纤维细胞分泌大量胶原胶原纤维结节肺弹性下降矽肺,先天性溶酶体病由缺乏某些酶引起代谢障碍造成溶酶体过载而致病如：型糖原蓄积病、泰-萨二氏病溶酶体与类风湿关节炎关节软骨细胞内溶酶体膜脆性增加溶酶体酶局部释放侵蚀软骨细胞溶酶体与恶性肿瘤,三溶酶体的发生,溶酶体的形成是一个相当复杂的过程,涉及的细胞
16、器有内质网、高尔基体和内体等。比较清楚的是甘露糖-7-磷酸途径：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7-磷酸标记后在高尔基体反面网络形成溶酶体分泌小泡.最后通过脱磷酸才成为成熟的溶酶体.,三溶酶体的发生,溶酶体酶蛋白的M7P标记溶酶体酶蛋白在膜旁核糖体上合成，进入内质网后进行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。溶酶体的酶上都有一个特殊的标记7-磷酸甘露糖(mannose7-phosphate,M7P)。这一标记是溶酶体酶合成后在粗面内质网和高尔基体通过糖基化和磷酸化添加上去的。,信号斑(sign
17、alpatch)信号斑是溶酶体酶蛋白多肽形成的一个特殊的三维结构,它是由三段信号序列构成的,可被磷酸转移酶特异性识别。,溶酶体酶蛋白信号斑与磷酸化酶相互作用,M7P受体蛋白,M7P受体蛋白是反面高尔基网络上的膜整合蛋白,能够识别溶酶体水解酶上的M7P信号并与之结合,从而将溶酶体的酶蛋白分选出来。M7P受体蛋白主要存在于高尔基体的反面网络，但在一些动物细胞的质膜中发现有很多M7P受体蛋白的存在,这是细胞的一种保护机制,可防止溶酶体的酶不正确地分泌到细胞外。,溶酶体酶前体从粗面内质网转移到顺面高尔基体,并进行甘露糖残基的磷酸化。在反面高尔基网络,磷酸化的酶同M7P受体结合,通过该受体将溶酶体的酶包
18、装到由纤维状网格蛋白包被的小泡中,然后网格蛋白外被很快解体。无包被的运输小泡很快与次级内体融合,由于次级内体中pH呈酸性,致使磷酸化的酶与M7P受体脱离,接着脱磷酸。通过次级内体的分选作用.溶酶体的酶进入从次级内体出芽形成的运输小泡,接着同溶酶体融合完成溶酶体酶的传递过程。而受体重新回到高尔基体再利用。,内体的重要作用,溶酶体酶运输小泡与次级内体的融合及次级内体的分选作用,内体,内体有初级内体(earlyendosome)和次级内体(lateendosome)之分,内体的主要特征是酸性的、不含溶酶体酶的小囊泡。初级内体是由于细胞的内吞作用而形成的含有内吞物质的膜结合的细胞器。次级内体中的pH呈
19、酸性,且具有分拣作用。内体膜上具有ATPase-H+质子泵，利用H+质子的浓度，保证了内部pH的酸性。,1954年，在电子显微镜下检查肾小管时发现一种膜结合的颗粒，直径约为0.51.0m，单层膜。由于不知道这种颗粒的功能，将它称为微体（microbody）。微体有两种主要类型过氧化物酶体和乙醛酸循环体，后者只在植物中发现。,7.4过氧化物酶体,过氧化物酶体中的酶,1.依赖于黄素(FAD)的氧化酶：将底物氧化，并形成H2O2，其催化反应如下式：RH2+O2R+H2O22.过氧化氢酶：占过氧化物酶体总蛋白量的40，为过氧化物酶体的标志酶，催化反应如下：H2O2+RH2R+2H2O2,过氧化物酶体的
20、结构,0.21.7m，中央含类核体（人和鸟除外）；肝、肾细胞中典型内含40多种酶，其中过氧化氢酶普遍存在，谓之标志酶,过氧化物酶体与溶酶体的区别,过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征。通过离心可分离过氧化物酶体和溶酶体。过氧化物酶体和溶酶体的差别189,烟草叶肉细胞的过氧化物酶体（中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心）,人肝细胞过氧化物酶体（Ps，没有尿酸氧化酶结晶）,过氧化物酶体的功能,RH2+O2R+H2O2H2O2+RH2R+2H2O2H2O2对细胞具有毒害作用，上述反应可解毒，如酒精被分解成乙醛,过氧化物酶体
21、的功能,动物细胞（肝细胞或肾细胞）中过氧化物酶体可氧化分解血液中的有毒成分，起到解毒作用。过氧化物酶体分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。在植物细胞中过氧化物酶体的功能：,1.在绿色植物叶肉细胞中，它催化CO2固定反应副产物的氧化,即所谓光呼吸反应；2.乙醛酸循环的反应，在种子萌发过程中，过氧化物酶体,降解储存的脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸葡萄糖。,过氧化物酶体的形成,过氧化物酶体蛋白分选的信号序列（Peroxisomal-targetingsignal，PTS）：PTS1为Ser-lys-leu，多存在于基质蛋白的C端。PTS2为Arg/Lys-Leu/lle-5X-His/Gln-leu，存
22、在于某些基质蛋白N-端。过氧化物酶体膜上存在几种可与信号序列相识别的可能的受体蛋白。过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后转运而来。内质网也参与过氧化物酶体的发生,7.5线粒体与叶绿体,半自主性细胞器起源蛋白质分选,半自主性细胞器,一、线粒体和叶绿体的DNA均呈双链环状分子，不含组蛋白，可以半保留方式自我复制。一般线粒体DNA较叶绿体DNA少。mtDNA在S期及G2期复制而ctDNA在G1期复制。它们的复制受核控制，所需DNA聚合酶是由核基因编码，在细胞质核糖体上合成。二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成绝大多数蛋白由核DNA编码，在细游离核糖体上合成后再运送到线粒体或叶绿体中。少量自身特异蛋白由自
23、身DNA编码，并在自身核糖体上合成。其中叶绿体中某些蛋白可由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。三线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,线粒体和叶绿体的增值1线粒体的增殖：通过已有线粒体的生长与分裂进行繁殖。分裂方式如下：间壁分离的方式，即分裂时先由内膜向中心皱褶，中间产生隔膜，将线粒体分为两个；通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长，然后再分裂为两个。出芽生殖。2叶绿体的增值叶绿体由前质体（proplastid）分化而来。幼龄叶绿体可由中部向内收缩而分裂；但成熟叶绿体不能分裂。,二线粒体和叶绿体的起源真核细胞的共生起源,线粒体的来源叶绿体的来源,内共生学说线粒体和叶绿体是由被吞噬的细菌和蓝藻演化来的
24、,半自主性,内共生学说实验证据,线粒体和叶绿体的基因组大小，形态和结构方面与细菌相似；线粒体和叶绿体有的蛋白质合成系统，其合成机制与细菌类似；线粒体和叶绿体的外膜与细胞内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似；二者都以分裂的方式进行繁殖，与细菌相同；能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有自主性和共生性的特征；反硝化副球菌和紫色非硫光合细菌的磷脂成分、呼吸类型和细胞色素c的初级结构与线粒体很接近；发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构蓝小体，可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。,内共生学说不足之处,a.不好解释在代谢上明显占优势的共生体为何将大量的遗传信息转移到宿主细胞中。b不能解释细胞核是如何进
25、化来的，即原核细胞如何演化为真核细胞。c.线粒体和叶绿体的基因组中有内含子，而真细菌原核生物基因组中无内含子，其内含子如何来的，不好解释。,非共生起源学说,真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌，它比典型的原核细胞大，这样就要逐渐增加呼吸作用的膜表面。开始是通过细菌细胞膜的内陷，扩张和分化（形成的双层膜分别将基因组包围在其中），形成了线粒体和叶绿体和细胞核的雏形，后逐渐形成独立的细胞器。此学说解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。但实验证验不多；无法解释线粒体和叶绿体同细菌在DNA分子结构和蛋白合成性能上的相似之处，以及线粒体和叶绿体的DNA酶、RNA酶和核糖体来源。,谢谢观赏！,