1、第六章 細胞質和細胞器,細胞質（cytoplasm）: 是細胞整體功能結構的主要組成部分之一，包括細胞質基質和細胞器。 細胞質基質（cytoplasmic matrix）：指細胞質中除有形結構之外的無定形膠狀物質體系。 細胞器(organelle)：存在于細胞質基質中，具有一定化學組成、一定形態(tài)結構、執(zhí)行特定生理功能，并且為細胞所固有的有形結構小體。,第一節(jié) 細胞質基質,一、細胞質基質的化學組成 無機小分子類物質： 水、各種無機鹽離子、一些溶解氣體。 2. 中分子物質： 糖（單糖與寡糖）、脂類、氨基酸、細胞代謝產(chǎn)物及其衍生物。 . 大分子物質 游離的多糖、脂蛋白、可溶性蛋白質及 RNA 等。,

2、二、細胞質基質的理化特性 光鏡下，均質透明，因此又稱透明質體； 電鏡下，極性化分布； 實驗證明：蛋白質含量 20-30，擴散速率 為水溶液的 1/5，具較強的粘滯性； 生活細胞：呈液晶態(tài)，能可逆改變（形態(tài)改變、 變形運動、胞質環(huán)流運動）。,三、細胞質基質的功能 為細胞的生命活動提供相對獨立、穩(wěn)定的內環(huán)境； 既是細胞內多種生化反應的場所，又是胞內營養(yǎng)物質儲存及代謝產(chǎn)物的分散介質； 對于細胞內外物質的交換和轉運具有一定的調節(jié)控制作用；,參與細胞表面特化結構的形成及功能活動過程； 為各種細胞器完整機構的維持與正常功能活動的行使，提供必要的環(huán)境基質和作用底物； 在生物個體發(fā)育，特別是在生物個體的胚胎發(fā)

3、育過程中對于細胞的分裂增殖、細胞分化具有重要作用。,第二節(jié) 核糖體（Ribosome）,核糖體 是細胞內一種核糖核蛋白顆粒 ，其唯一的功能是按照 mRNA 的指令把氨基酸高效且精確地合成為多肽鏈，所以，核糖體是細胞內蛋白質合成的分子機器。,一、核糖體的形態(tài)結構,強嗜堿性的一種無膜包被的顆粒狀結構：1525nm,在蛋白質合成中核糖體與 mRNA 及 tRNA 的位置關系,核糖體的活性位點,二、核糖體的類型與理化特性,強負電性,可同陽離子和堿性染料(如甲苯胺藍)相結合,4050%,50 60%,核糖體成分的解組圖解,三、核糖體的形成與裝配,形成位置：核仁 形成過程：核仁組織中心的 rDNA 經(jīng)轉錄

4、形成 rRNA； 蛋白質由胞質經(jīng)核孔進入核仁區(qū)，與rRNA組裝為大、小亞基，再經(jīng)核孔進入胞質。,rRNA具有高度復雜的二級結構,3端有一段序列同大多數(shù)原核生物mRNA的核糖體結合部位具有互補關系，能識別mRNA的起始端,游離核糖體,四、核糖體與蛋白質的合成,（一）RNA 的作用,密碼子信息,合成場所,氨基酸轉運,mRNA 蛋白質合成的模板，每3個相鄰核苷酸構成一個密碼子（codon），編碼一個特定氨基酸。,tRNA 識別mRNA上的密碼子，并將特定氨基酸運輸至蛋白質合成部位。,識別密碼子,攜帶氨基酸,rRNA 核糖體中起主要作用的結構成分。,具有肽酰轉移酶的活性； 為tRNA提供結合位點 (A

5、位點、P位點等)； 為多種蛋白質合成因子提供結合位點； 在蛋白質合成起始時參與同mRNA選擇性地結 合以及在肽鏈的延伸中與mRNA結合；,rRNA具有高度復雜的二級結構,（二）蛋白質合成的基本過程,起始、延伸和終止三個階段,1. 起始： 在始動因子（initiation factor, IF）作用下，mRNA 與核糖體小亞基結合，蛋氨酰-tRNA 識別 mRNA 上起始密碼子（AUG）形成始動復合體，再與大亞基結合形成完整核糖體。 蛋氨酰-tRNA 結合 mRNA 起始密碼子同時，進入核糖體 P 位。,小亞基-mRNA-Met-tRNAfmet,大腸桿菌始動復合物的形成過程,mRNA,真核生物

6、的起始因子eIF-2在起始翻譯中的作用圖解,2. 延長：包括進位、轉肽、移位 進位：第二個氨酰-tRNA進入A位 轉肽：在轉肽酶作用下，P位上的甲硫氨酸與A位上的氨基酸形成肽鏈，并把P位上的甲硫氨酸接收過來，P位上的tRNA失去所攜帶的氨基酸后從P位脫落。 移位：在移位酶作用下，核糖體沿mRNA從5到3移動一個密碼子距離，從而與A位相連的肽基酰tRNA進入到P位。,新肽鍵的形成過程圖解,延伸(Elongation),3. 終止：終止密碼出現(xiàn)，多肽鏈合成終止。在釋放因子的作用下，多肽鏈與tRNA分離、脫落下來，tRNA釋放出來， mRNA分離，大、小亞基解離。,肽鏈合成的起始,肽鏈合成的延伸,肽

7、鏈合成的終止,肽鏈合成的過程圖解,五、核糖體的存在形式,游離核糖體 膜結合核糖體（結合于粗面內質網(wǎng)膜）,多聚核糖體 (polyribosome),(A),多核糖體的大小同 mRNA 鏈的長短成正比,第三節(jié) 內膜系統(tǒng),內膜系統(tǒng) (endomembrane system)：細胞內在結構、功能乃至發(fā)生上相互關聯(lián)的所有膜性結構細胞器的統(tǒng)稱。,各內膜之間可通過出芽和融合而相互流動,但線粒體和葉綠體不參與此類交流,內膜系統(tǒng)具有許多重要的生物學功能：,增加了細胞內的表面積； 使細胞質區(qū)域化，提高了細胞的代謝水平和功能效率 酶系統(tǒng)的隔離與連接； 擴散屏障及膜電位的建立； 離子梯度的維持； 細胞內不同分區(qū)內差別

8、pH值的形成; 等等,一、內質網(wǎng)（Endoplasmic reticulum, ER）,The endoplasmic reticulum Electron micrograph of part of a bat pancreatic cell.,（一）內質網(wǎng)的化學組成,微粒體的電鏡形態(tài),內質網(wǎng)化學組成方面的資料主要來源于對微粒體 (microsome) 膜的研究。,微粒體不是細胞內的固有結構, 而是細胞在勻漿過程中所分離出的一種膜泡成分, 它由內膜系統(tǒng)中各組分的膜斷片自然卷曲而成，如內質網(wǎng)和高爾基復合體的膜等。,主要為磷脂,約含有3040種酶,細胞色素P-450,內質網(wǎng)膜駐留激酶 信號識別顆

9、粒的受體 (signal-recognition particle receptor) 核糖體親合蛋白,葡萄糖-6-磷酸酶,內質網(wǎng)腔,網(wǎng)質蛋白 (reticulo-plasmin),內質蛋白(endoplasmin) 鈣網(wǎng)蛋白(calreticulin),貯積Ca2+,分子伴侶,免疫球蛋白重鏈結合蛋白 (Ig heavy-chain-binding protein, BiP) 蛋白質二硫鍵異構酶 (protein disulphide isomerase, PDI),（二）內質網(wǎng)的形態(tài)結構與類型,膜厚約56nm，單位膜結構，總面積很大。 如肝細胞中，內質網(wǎng)總面積=質膜的3040倍。,內質網(wǎng)的分

10、布,完整細胞內的內質網(wǎng)在核周形成網(wǎng)狀三維結構。,內質網(wǎng)的兩種類型,胞質面附著有核糖體，表面粗糙,無核糖體附著，表面光滑,電鏡下的光面內質網(wǎng)圖象,糙面內質網(wǎng)的EM圖象,RER和 SER的形態(tài)差異,電鏡下糙面內質網(wǎng)常呈平行的雙層膜狀, 兩層膜間寬距不等,在三維結構上，內質網(wǎng)是連續(xù)的網(wǎng)狀膜系統(tǒng), 其內腔相通。,膜向腔的一面,膜向胞質的一面,大而扁平的片狀結構,內質網(wǎng)的三維立體結構,Rough ER,（三）內質網(wǎng)的功能,1. RER 的功能,蛋白質的合成,新生多肽鏈的折疊與裝配,二硫鍵異構酶（PDI）：切斷二硫鍵，幫助新合成蛋白重新形成二硫鍵并處于正確折疊的狀態(tài)。 結合蛋白（Bip）：識別錯誤折疊的蛋

11、白或未裝配好的蛋白亞基，并促進重新折疊與裝配。 整合蛋白：結合未正確折疊的蛋白，使之滯留于內質網(wǎng)。,蛋白質的糖基化,N-連接糖基化,蛋白質的運輸,分泌細胞中細胞器結構呈極性分布,2. SER 的功能,脂質合成,SER 膜上含多種與脂類合成有關的酶，脂質在膜的胞質側合成，借助轉位酶翻至內質網(wǎng)腔面。,糖原代謝,解毒作用 (detoxification),清除脂溶性廢物，使之極性增強，更易于排泄，從而減輕毒性。,SER中含有一些酶：,與外源性物質結合 使其氧化 失活,Ca2+的儲存及其濃度調節(jié),內質網(wǎng),Ca2+儲備庫,內質網(wǎng)儲存大量Ca2+，當細胞需要時向胞質釋放引起相關生理反應發(fā)生。,胃酸、膽汁的

12、合成與分泌,胃壁腺上皮細胞、肝細胞中。,（四）新合成肽鏈穿越內質網(wǎng)的轉移機制,信 號 肽 假 說,信號肽（signal sequence）：位于新生分泌蛋白多肽N-端的一段短序列，指導新生肽鏈結合于粗面內質網(wǎng)膜上。 信號識別顆粒（signal recognition particle, SRP）：位于細胞質中，能夠識別信號肽并介導新生蛋白及核糖體結合于內質網(wǎng)膜。,蛋白合成均始于游離核糖體 新生肽上出現(xiàn)信號肽 SRP識別 SRP-核糖體復合體，蛋白合成暫時終止 SRP與內質網(wǎng)膜上的SRP受體結合 核糖體結合通道蛋白移位子 SRP解離 蛋白質合成重新開始 信號肽通過移位子進入內質網(wǎng) 信號肽切除 肽

13、鏈合成完成 蛋白質進入內質網(wǎng)腔 核糖體脫離內質網(wǎng)。,G.Blobel因此項創(chuàng)見而榮獲1999年諾貝爾獎！,信號肽,SRP,SRP 受體,內質網(wǎng)腔,通道蛋白移位子,膜蛋白的合成,轉移終止序列,二、高爾基復合體（ Golgi Complex ）,嗜銀的網(wǎng)狀結構,高爾基體 (Golgi body) 高爾基器 (Golgi Apparatus),內網(wǎng)器 (internal reticular apparatus),1898年，C. Golgi 所描述的“內網(wǎng)器”形態(tài),（一）高爾基復合體的形態(tài)結構,高爾基復合體 (Golgi complex)：若干個分散的高爾基體相互連接成復雜的網(wǎng)狀結構。,大囊泡、小囊

14、泡、扁平囊,弓形,高爾基體的結構極性,6nm,10nm,高爾基復合體的模式圖解,分泌細胞中高爾基體的分布及極性定向,高爾基復合體,細胞核,分泌囊,（二）高爾基復合體的化學組成,膽固醇 磷脂 糖脂,高爾基復合體脂質成分含量介于質膜與內質網(wǎng)膜之間。,(標記酶),脂類糖基化：磺化-糖基轉移酶,（參與蛋白質合成）,（三）高爾基復合體的功能,物質轉送運輸和分泌活動,糖蛋白的加工合成,蛋白質的水解,蛋白質分選和胞內膜泡運輸,酶原顆粒的形成路線圖解,高爾基復合體的功能,物質轉送運輸和分泌活動,受調控和不受調控的分泌路線示意圖,高爾基復合體的功能,分揀 (sorting),TGN (反面高爾基網(wǎng)),胞質,高爾

15、基復合體,連續(xù)分泌 (continuous secretion),肽激素、胰蛋白酶等物質的分泌泡,不連續(xù)分泌 (discontinuous secretion),糖蛋白的加工合成,連在Asn的氨基基團上,連在Ser、Thr和hLys的羥基基團上,寡糖,高爾基復合體的功能,高爾基復合體對糖蛋白共價修飾的分區(qū)化 反面高爾基網(wǎng)為蛋白質的分選部位,高爾基復合體的功能,蛋白質的水解,高爾基復合體對胰島素分子的加工改造過程圖解,前胰島素原,胰島素原,高爾基復合體的功能,蛋白質分選和胞內膜泡運輸,高爾基復合體的功能,蛋白質的混合物,ER,Golgi Complex,質膜,TGN,三、溶酶體（ Lysosom

16、e）,單層膜包圍 多種酸性水解酶 （標志酶-酸性磷酸酶）,溶酶體,（一）溶酶體的結構特征,形態(tài)和大小,溶酶體的電鏡形態(tài),形態(tài),大小,(最小：0.05m 最大：數(shù)m 平均：0.5m),一般：0.20.8 m, 膜蛋白高度糖基化 含有多種載體蛋白 膜中嵌有質子泵 (H+-ATPase),溶酶體膜在成分上與其它生物膜不同:,（二）溶酶體的類型,新形成 未同消化物融合 水解酶處于貯存狀態(tài)(潛伏狀態(tài))，球形,溶酶體,復合小體 較大，形狀不規(guī)則 且含有顆?；蚰に槠?含有消化不了的殘留物,殘余小體 (residual body) 或三級溶酶體 (tertiary lysosome),次級溶酶體 (secon

17、dary lysosome),初級溶酶體 (primary lysosome),細胞中酸性水解酶分布電鏡圖 酸性水解酶是溶酶體標志酶,含酸性水解酶的膜泡即為溶酶體,吞噬,自噬溶酶體： 吞噬自身組分。 異噬溶酶體： 吞噬外來異物。,人肺泡巨噬細胞中髓樣小體殘留小體電鏡圖像,老年斑脂褐質小體,（三）溶酶體的形成與成熟,溶酶體酶的特異分選信號為甘露糖6-磷酸 (M6P)。；,在內質網(wǎng)腔，溶酶體酶被糖基化成為N-連接甘露糖糖蛋白；在高爾基體，磷酸轉移酶識別其三級結構形成的信號斑，將其寡糖鏈上的甘露糖磷酸化形成 M6P。,網(wǎng)格蛋白,M6P受體,反面高爾基網(wǎng),酶蛋白的分選,晚期內吞體,溶酶體發(fā)生過程,M6

18、P,（四）溶酶體的功能,清除衰老的生物大分子和細胞器 清除多余的細胞器 清除暫不需要的酶或某些代謝產(chǎn)物,“細胞內 清潔工”,1. 細胞內物質的消化分解及衰老殘損細胞器的清除,2. 細胞營養(yǎng)作用,原生動物依靠溶酶體的分解消化作用將營養(yǎng)物質分解利用。 真核細胞在饑餓狀態(tài)下，可利用自噬作用將部分細胞質或細胞器分解為可利用小分子，提供營養(yǎng)維持生存。,3. 防御保護功能,次級溶酶體,正在吞噬酵母菌的巨噬白細胞,細胞對外來物的吞噬過程圖解,4. 參與某些腺體組織細胞分泌過程的調節(jié),如儲存于甲狀腺腺體內腔中的甲狀腺球蛋白，首先要通過吞噬作用進入分泌細胞內，被溶酶體水解成甲狀腺素，才被分泌到胞外。,5. 參與

19、生物個體發(fā)生、發(fā)育過程,在蝌蚪變態(tài)過程中尾部溶酶體的組織蛋白酶活性與尾長度的關系,哺乳動物胚胎發(fā)育過程中生殖管道的變化過程圖示,特化的溶酶體,受精過程中的功能,（五）溶酶體異常與人類疾病,目前已知的與溶酶體有關的疾病有30余種。,2. 肺結核：結核桿菌的菌體成分硫酸腦苷脂能抵抗溶酶體的殺傷作用，使其在肺泡內大量繁殖，導致巨噬細胞裂解，釋放出的結核桿菌再被吞噬重復上述過程，最終引起肺組織鈣化和纖維化。,1. 貯積?。憾酁橄忍煨?溶酶體酶缺失和異常導致底物大量貯積，影響細胞功能。,3. 矽肺： SiO2顆粒吸入肺泡巨噬細吞噬，吞噬小體與溶酶體融合SiO2的羥基與溶酶體膜的磷脂或蛋白形成氫鍵，溶酶體

20、崩解，細胞自溶矽塵釋出后被其他巨噬細胞吞噬，如此反復受損巨噬細胞釋放“致纖維化因子”膠原纖維沉積，肺組織纖維化呼吸功能,四、過氧化物酶體（ peroxisome）,亦稱微體 (microbody)：指含有氧化酶、過氧化物酶，或過氧化氫酶活性的細胞器，普遍存在于各類細胞中。,1954年，J. Rhodin：一類卵圓形小體,單層膜,卵圓形或圓形小體, 0.010.15nm,過氧化物酶體的電鏡照片,（一）過氧化物酶體的形態(tài)結構,晶格狀核心由尿酸氧化酶形成,（二）過氧化物酶體的功能,過氧化物酶體是細胞內糖、脂和氮的重要代謝部位,解毒作用,第四節(jié) 線粒體 (Mitochondrion),線粒體是細胞的動

21、力工廠，提供動物細胞所需能量的80%。,一、線粒體的結構,線粒體的形態(tài)、大小,線粒體形態(tài)和大小與細胞類型和生理狀態(tài) (發(fā)育，營養(yǎng)狀態(tài)，滲透壓, 溫度, pH) 有關。,一般 0.51.0 m 28 m 多與細菌近似！,線粒體在活細胞中的形態(tài)變化,在同種細胞中及相同生理狀態(tài)下，線粒體形態(tài)和大小也不是固定不變的。,線粒體的數(shù)量,線粒體的數(shù)量因細胞類型不同而有很大差別：,線粒體數(shù)量,1個,50萬個(巨大變形蟲),同一種細胞中的線粒體數(shù)量也因生理狀態(tài) (如需能程度)不同而不同：,數(shù)千個(甲亢),細胞內代謝和能量需求狀態(tài)的不同也會使線粒體在局部集中分布。,線粒體的分布,一般隨機均勻分布,在代謝旺盛的需能

22、部位較集中,細胞活躍合成蛋白質時，線粒體在 RER 處局部集中,線粒體的三維結構：外膜、膜間隙、內膜和基質,線粒體的超微結構,線粒體三維結構圖解,肝細胞線粒體的超微結構,線粒體,5-7nm; 比較光滑; 有孔蛋白 (porin) 形成通道，允許一些物質包括小分子多肽（10 kDa）通過。,1. 線粒體外膜,4.5 nm；通透性很低 ( 150Da不帶電荷的小分子)，稍大的分子須經(jīng)由專一運載系統(tǒng)才能穿膜。,內膜表面不光滑：向內突出形成嵴（cristae），上有基粒（elementary particle）。,2. 線粒體內膜和內部空間,基片（F0）,頭部（F1）,自然狀態(tài)下功能-合成ATP。,嵴

23、(cristae) ：擴大內膜面積，增加內膜的代謝效率,嵴的數(shù)量與線粒體氧化活性的強弱程度有關。,多數(shù)高等動物細胞中，嵴呈板層狀, 且多垂直于線粒體長軸；,不同類型的細胞中, 嵴的形狀與排列方式也不同:,3. 內外膜轉位接觸點（translocation contact site）,- 蛋白質等物質進出線粒體的通道。,蛋白質,有形成分,均 質 的 膠狀物質,絲狀物質(環(huán)狀DNA和RNA),致密顆粒狀物質 (含Ca2+、Mg2+或Zn2+等),三羧酸循環(huán)的有關酶類,脂肪酸氧化的有關酶類,丙酮酸氧化的有關酶類,核糖體,脂類,4. 基質（matrix）,二、線粒體的化學組成,線粒體中各種酶的定位,由于線粒體各部位功能不同, 所含的酶也不同：,內膜：,電子傳遞鏈和氧化磷酸化的酶,線粒體基質：,參與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化和丙酮酸氧化的酶,三、線粒體的功能,動物細胞中80%