医学生物学-生命的细胞基础-细胞质-线粒体-核糖体-骨架蛋白.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章 生命的细胞基础,第三节 细胞质,“A Busy Factory”,二、线粒体（,mitochondria,）,1890,年,R.Altaman,首次发现线粒体，命名为,bioblast,，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。,1898,年,Benda,首次将这种颗粒命名为,mitochondrion,。,1900,年发现线粒体具有氧化作用。,Green,（,1948,）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，,Kennedy,和,Lehninger,（,1949,）发现脂肪酸氧化为,CO,2,的过程是在线粒体内完成的。,Hatefi,等（,1976,）纯化了呼吸链四个独立的复合体。,Mitchell,（,1961,1980,）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。,（一）线粒体的亚微结构,线粒体是由,双层单位膜,套叠而成的,封闭性膜囊结构,内膜与外膜套叠形成囊中之囊,内外膜组成线粒体的支架,1,、外膜（,outer membrane,）,脂类：蛋白质,=1:1,孔蛋白（,porin,）,通透性好（,ATP,、,NAD,、,CoA,可自由通过）,蛋白质和脂类的比例约,4:1,高度的选择通透性,借助载体蛋白控制内外物质的交换,类似细菌质膜,2,、内膜（,inner membrane,）,基粒：内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒。每个线粒体约,10,4,10,5,个。与膜面垂直而规律排列。,可溶性的,ATP,酶（,F,1,),既是合成酶又是水解酶,疏水蛋白（,F,0,)70 000,头部,:,合成,ATP,柄部,:,调节质子通道,基片：质子的通道,对寡酶素敏感蛋白（,OSCP),基粒是将呼吸链电子传递中释放的能量用于使,ADP,磷酸化生成,ATP,的重要部位,（,ATP,合酶复合体）。,4nm,长,4.5-5nm,6-11.5nm,高,5-6nm,9nm,9nm,基粒（,elementary particle,）,基粒由头部（,F1,偶联因子）、柄部和基片（,F0,偶联因子）构成，,F0,嵌入线粒体内膜。,3.,膜间腔（,intermembrane space,）,酶、底物、辅助因子,外膜,内膜,膜间腔,嵴间腔,嵴内空间,嵴,基粒（,ATP,酶）,线粒体核糖体,基质,（外腔）,内膜和嵴围成的腔隙，腔内充满较致密的物质,线粒体基质,。,线粒体基质,脂 类,蛋白质,酶 类,线粒体,DNA,线粒体,DNA,线粒体,mRNA,线粒体,tRNA,线粒体核糖体,4,、脊间腔（,interscristal space,）,蛋白质：种类,多，占干重的,6570%,。,脂类：主要是磷脂，构成膜。,DNA,：一个分子，多个,拷贝。,其它成分：水、酶、无机离子及维生素等。,（二）线粒体化学组成,线 粒 体 中 酶 的 分 布,线粒体中约有,120,种酶,线粒体主要酶的分布,部 位,酶 的 名 称,外 膜,单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、,NADH-,细胞色素,C,还原酶、,脂类代谢有关的酶（酰基辅酶,A,合成酶、脂肪酸激酶等）,特征酶：,单胺氧化酶,膜 间 隙,腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亚硫酸氧化酶,特征酶：,腺苷酸激酶,内 膜,细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、,NADH,脱氢酶、肉碱酰基转移酶、,-,羟丁酸和,-,羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、,ATP,合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。,特征酶：,细胞色素（,c,）氧化酶、琥珀酸脱氢酶,基 质,柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系,特征酶：,苹果酸脱氢酶,氧化还原酶,37%,水解酶,9%,连接酶,10%,15,生命活动中,95%,的能量来自线粒体,细胞的动力工厂。,线粒体是糖、脂肪、氨基酸等能源物质最终氧化释放能量的,场所,细胞氧化,（,cellular oxidation,）,。,：细胞,氧化过程中，要消耗,O,2,释放,CO,2,和,H,2,O,细胞呼吸,（,cellular respiration,）,。,（三）线粒体的功能,C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+36ATP,线粒体是,细胞核以外惟一含,DNA,的细胞器,，具有,独立合成蛋白质,的能力，但一定程度上受细胞核的控制，因此线粒体是具有半自主性的细胞器,。,线粒体共有,37,个基因，均应用于线粒体自己。人类的,mtDNA,主要编码线粒体的,tRNA,、,mRNA,和一些线粒体蛋白质。,线粒体的大多数酶和蛋白质仍由核,DNA,编码合成之后，转运至线粒体。,（四）线粒体的半自主性,18,线粒体,DNA,的形态结构,mtDNA,为双链结构。,根据两条链转录,RNA,在,CsCl,中密度不同，分为重链,(heavy strand,H),和轻链,(light strand,L),。,两条链编码不同的基因。,mtDNA,环状形态，核,DNA,链状。,mtDNA,裸露，不与组蛋白结合。,19,（五）线粒体与疾病,20,三、核糖体（,ribosome,）,游离在细胞溶胶中,游离核糖体（,free ribosome,）,连接在粗面内质网上,附着核糖体（,attached ribosome,）,细胞内将氨基酸合成蛋白质的场所,(,分泌性蛋白和细胞自身结构蛋白,),2.,结构：,由和蛋白质组成，无膜包裹,1.,形态：,椭圆形的粒状小体,4.,功能：,3.,分类,多个核糖体有,mRNA,串起来合成蛋白,多核糖体（,polyribosome,）,四、细胞的支持和运动细胞器,（一）细胞骨架（,cytoskeleton,）,蛋白纤维构成的网架体系。,广义：核骨架、核纤层和细胞外基质，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构,狭义：细胞质内网络结构,微管主要分布在核周围，呈放射状向胞质四周扩散。,微丝主要分布在细胞质膜的内侧。,中间纤维分布在整个细胞中。,Microtubule,Microfilament,Intermediate filament,1.,微 管,上世纪,50,年代，首次在超薄切片中观察到微管,(,microtubule,),。,(a),脑细胞微管的电镜照片,(b),微管横截面的电镜照片,(c),微管纵切面模式图,1,）微管的结构与组成,微管的外径,24nm,，管壁厚度约,5nm,，跨越细胞的整个长度或宽度。,管壁由纵向排列的,13,条原纤维构成。,原纤维,由,微管蛋白球状亚基组成的异二聚体,装配而成。,每个装配单位一端是,微管蛋白，另一端是,微管蛋白。,所以原纤维不对称。,微管在细胞中的存在形式,单管：细胞质微管，,结构不稳定。,三联管：,13+10+10,存在于中心粒、基体，结构,稳定。,13,13,10,13,10,10,二联管：,13+10,见于特化的细胞结构,纤毛和鞭毛的轴丝内。,结构比较稳定。,2,）微管结合蛋白,微管结合蛋白,(,microtubule associated protein,MAP,),结合在微管表面的一种辅助蛋白,(,accessory proteins,),，提高微管的稳定性；改变其刚性或影响组装速率；介导微管与其他细胞器的连接。,MAP,具有两个结构域,(,domain,),一个结构域结合到微管蛋白侧面，加速微管的成核。,另一个结构域从微管蛋白表面向外延伸，与其他骨架纤维连接。,MAP1,MAP2,Tau,只存在于神经元细胞。,MAP4,广泛分布在哺乳动物非神经元细胞中。,*,结构域,蛋白质中在结构和功能上相对独立的区域。,神经细胞中的,MAPs,MAP2,有,3,个微管蛋白结合位点，彼此分开，与微管壁的,3,个不同微管蛋白亚基结合。,MAP2,的尾部向外伸出，拥有较长的突出结构域，以便与其他骨架纤维相互作用。,突出结构域的长度决定微管束中微管的间距。,突出结构域,神经细胞中的,MAPs,MAP2,有,3,个微管蛋白结合位点，彼此分开，与微管壁的,3,个不同微管蛋白亚基结合。,MAP2,的尾部向外伸出，拥有较长的突出结构域，以便与其他骨架纤维相互作用。,Tau,拥有较短的突出结构域。,细胞过量表达,MAP2,Tau,MAP2,过量表达的细胞，保持有较宽空间的微管束。,Tau,过量表达，形成包裹得更紧密的微管束。,3,）微管的装配与动力学,微管在正常情况下装配和去装配，以适应细胞在不同时间的变化需要。,微管的装配分为三个时期,成核期,(,nucleation phase,),微管蛋白聚合，形成一个短的寡聚体,/,核心。,聚合期,(,polymerization phase,),微管蛋白异二聚体不断加到微管正端，使微管延长。,稳定期,(,steady state phase,),游离微管蛋白水平下降，装配与去装配达到动态平衡。,微管装配的起始点是,微管组织中心,在体内，微管的成核和组织过程与一些特异的结构相关，这些结构被称为微管组织中心,(,microtubule-organizing center,MTOC,),。,MTOC,是微管装配的起始点,控制微管的数目、极性,控制组成微管壁的原纤维数目,控制微管组装的时间和地点,常见微管组织中心,间期细胞：中心体（动态微管）,鞭毛、纤毛细胞：基体，永久性结构,中心体,(,centrosome,),在动物细胞中，细胞骨架微管一般与中心体结合，组成一个复合结构。,含有,2,个桶状的中心粒,由,9,组三联管构成,成对的中心粒垂直排列，包埋在中心粒旁物质,(,pericentriolar material,PCM,),中。,经过复制的,2,对中心粒,微管的成核作用,-,环形蛋白复合体,(,-Tubulin ring complex,-TuRC,),螺旋化排列的,13,个,微管蛋白亚基组成一个开放的环状模板，,在模板上第一列,微管蛋白二聚体组装形成,-,TuRC,，与微管具有相同直径。,微管生长时，正端以开口片状存在，结合,GTP,的二聚体添加其上。,快速生长阶段，微管蛋白二聚体添加速率快于微管蛋白上,GTP,水解的速率。微管末端形成,GTP,帽，有利于添加更多的亚基使微管生长。但带有开放末端的微管会产生自发反应，导致管口闭合。,管口闭合，迫使结合的,GTP,水解，改变微管蛋白二聚体的构像。,当原纤维向外翻卷并发生级联去组装时，,GTP,水解形成的张力被释放。,微管特异性药物,秋水仙素,(colchicine),阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。,紫杉酚,(taxol),能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。,为行使正常的微管功能,微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。,基 体,位于鞭毛和纤毛根部的结构,ATP,酶 纤毛和鞭毛的运动动力,4,）微管功能,维持,细胞形态,细胞,内物质的,运输（细胞内囊泡运动）,细胞运动（鞭毛、纤毛）,细胞器位移（中心粒、纺锤丝）,细胞体,动力蛋白,胞质动力蛋白复合物,驱动蛋白,驱动蛋白受体,转运泡,轴突末端,胞质动力蛋白驱动向负极运输,2.,微丝（,microfilament,）,1,）结构和组分,微丝是由肌动蛋白单体（常称作,G-,肌动蛋白）组成的多聚体，直径约,8nm,。,肌动蛋白单体由,2,个亚基构成，每一亚基含有,375,个氨基酸残基。,肌动蛋白单体有,ATP,ADP,、,Mg,2+,和,K,+,Na,+,以及肌球蛋白的结合位点。,肌动蛋白纤维的冷冻蚀刻电镜照片,双股螺旋结构,每个肌动蛋白亚基都有极性，并且肌动蛋白纤维中所有的亚基均指向同一方向，所以整条微丝都有极性。,2,）肌动蛋白微丝组装,成核期,/,延迟期,成核作用发生在质膜下，由,ARP2/3,复合物催化，,是微丝组装的限速过程，刚形成的二聚体易水解，形成三聚体核心才稳定；,聚合期,球状肌动蛋白快速地在核心两端聚合；正端是快速增长端，负端是缓慢增长端。一端添加单体的速率是另一端的,5,10,倍；,平衡期,肌动蛋白,-,ATP,亚基倾向于添加到纤维的正端，而肌动蛋白,-,ADP,倾向于离开纤维的负端；聚合与解聚达到动态平衡。,3,）微丝的功能,构成细胞支架并维持细胞的形态,参与细胞运动,细胞分裂,肌肉收缩,细胞物质运输,受精与细胞内信号传递,构成细胞支架并维持细胞的形态,每根,微绒毛,含有,25,根微丝，通过绒毛蛋白和丝束蛋白将微丝交联成束，使其保持高度有序的排列。,参与细胞运动,巨噬细胞、白细胞含有丰富的微丝，通过与微丝结合蛋白的相互作用，使细胞表面形成凸起，如丝足、片足。,参与细胞分裂,有丝分裂后、末期，质膜下的微丝在肌球蛋白的作用下，形成带状束,收缩环，导致细胞一分为二。,参与肌肉收缩,肌细胞（纤维）由数百个肌原纤维组成。,每根肌原纤维由细肌丝和粗肌丝重叠而形成。,骨胳肌收缩的基本结构单位,肌小节,骨骼肌,肌束,肌纤维,细胞核,肌鞘,肌原纤维,肌节,肌球蛋白,分子结构,头,颈,尾,由一对重链和两对轻链组成：,成对的重链由一个杆状尾部和一对球状头部组成，,尾部的两条多肽链部分互相缠绕形成卷曲螺旋。,每根粗丝由几百个肌球蛋白,(myosin),分子组成。,粗肌丝和细肌丝,肌动蛋白 肌钙蛋白 原肌球蛋白,粗丝的中央由肌球蛋白分子相对的尾部组成。,由于组成粗丝的肌球蛋白分子的交错位置，,肌球蛋白的头部在每根粗丝的末端突出。,在肌肉收缩过程中肌节的缩短,I,带仅含细肌丝；,H,区只含粗肌丝；,H,区两侧的,A,带代表重叠区域，含有粗肌丝和细肌丝。,肌节在肌肉松弛与收缩状态中的差别。,在收缩过程中，肌球蛋白交联桥与周围的细肌丝接触，细肌丝被迫向肌节中央滑动。,交联桥非同步活动，以致在任意时刻都只有一部分处于活动状态。,在肌肉收缩过程中肌节的缩短,松弛和收缩的肌节纵切面的电镜照片。,显示由于细肌丝向肌节中央滑动，使,H,区消失。,肌肉收缩的分子基础,+,-,+,-,参与细胞内的物质运输,肌球蛋白,Va,驱动蛋白,色素颗粒,微管,微丝,细胞内信号传递,细胞表面的受体受到外界信号作用，诱导细胞质膜下的肌动蛋白结构改变，从而启动胞内激酶变化的信号传导过程。,3.,中 间 纤 维,(,intermediate filament,IF,),直径约,10nm,的实心纤维。,存在于细胞质和细胞核。,是最坚韧持久的细胞骨架成分。,1,）中间纤维的类型和分布,IF,是一类形态上非常相似，而化学组成上有明显差异的蛋白质。根据其组织分布、生化、遗传及免疫学标准分为六大类。,角蛋白,结蛋白,胶质原纤维酸性蛋白,波形纤维蛋白,神经纤丝蛋白,核纤层蛋白,(lamin),中间纤维的类型,IF,蛋白,序列类型,主要组织分布,酸性角蛋白,I,上皮,中性,/,碱性角蛋白,II,上皮,波形蛋白,III,间充质细胞,结蛋白,III,肌肉,外周蛋白,胶质原纤维酸性蛋白,III,III,外周神经元,神经胶质细胞,神经丝蛋白,(,NF-L,M,H,),IV,中枢神经元和外周神经,核纤层蛋白,(,lamin,),(,Lamin A,B,C,),V,所有细胞类型（核被膜）,Nestin,VI,神经干细胞,A,角蛋白,人类上皮细胞有,20,余种不同的角蛋白，分为,和,两类,角蛋白又称胞质角蛋白，分布于体表、体腔的上皮细胞中。,角蛋白为头发、指甲等坚韧结构所具有。,根据组成氨基酸的不同，也可分为,酸性角蛋白,(I,型,),中性,/,碱性角蛋白,(II,型,),B,波形纤维蛋白,存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞。,波形蛋白一端与核膜相连，另一端与细胞表面处的桥粒或半桥粒相连，将细胞核和细胞器维持在特定的空间。,C,结蛋白,存在于肌肉细胞，又称骨骼蛋白。,主要功能,:,使肌纤维连在一起。,D,胶质原纤维酸性蛋白,存在于星形神经胶质细胞和周围神经的许旺细胞，主要起支撑作用。,E,神经丝蛋白,由三种分子量不同的多肽组成的异聚体。,NF-L,(,low,6070KD,),NF-M,(,medium,105110KD,),NF-H,(,heavy,135150KD,),功能：提供弹性使神经纤维易于伸展、防止断裂。,2,）,中间纤维的装配,3,）中间纤维的功能,在,细胞内形成完整的网状骨架系统,为,细胞提供机械支持,参与,细胞连接,参与,细胞内信息传递及物质运输,维持,细胞核膜稳定,参与,细胞分化,在细胞内形成完整的网状骨架系统,中间纤维在靠近核区域多次分支，且与核纤层相连，整个纤维网架穿过胞质终止于质膜。,通过由纤维网状蛋白组成的细长束状交联桥可见中间纤维与微管连接。,中间纤维,微管,为细胞提供机械支持,细胞内的中间纤维通过桥粒相互连接形成贯穿于整个组织的网络，支持该组织并抵抗外界压力与张力。,上皮细胞中是角蛋白中间纤维。,心肌细胞中是结蛋白中间纤维,大脑表皮细胞中为波形中间纤维,参与细胞连接,中间纤维通过锚定在桥粒和半桥粒上，把一些器官和皮肤表皮细胞连接在其他细胞或固着在基底膜上。,桥粒介导细胞,-,细胞的黏着,半桥粒介导细胞,-,细胞外基质的黏着,参与细胞内信息传递及物质运输,中间纤维连接质膜及胞外基质，并与核纤层相连，形成一个跨膜的信息通道。,胞质,mRNA,锚定于中间纤维，可能与,mRNA,的运输、定位有关。,维持细胞核膜稳定,核纤层为核被膜提供机械支持，维持细胞核的形态。,参与细胞分化,不同的中间纤维蛋白在各类组织中有特异的表达，表明中间纤维与细胞的分化有密切关系,。,胚胎细胞能根据其发育的方向调节中间纤维基因的表达。,小鼠胚胎发育初期，胚胎细胞表达角蛋白；到第,8,9d,将要发育为间叶组织的细胞中，角蛋白表达下降并停止，同时出现波形纤维蛋白的表达。,神经外胚层发育中，首先出现角蛋白的表达，第,11d,左右，角蛋白表达停止，波形纤维蛋白出现。,微管,微丝,中间丝,单体,微管蛋白,肌动蛋白,6,类中间纤维蛋白,直径,24nm,7nm,10nm,结构,13,根原纤维组成的空心管状结构,双股螺旋,8,个,4,聚体或,4,个,8,聚体组成的空心管状纤维,极性,有,有,无,踏车现象,有,有,无,特异性药物,秋水仙素、长春花碱；,紫杉酚,细胞松驰素,B,鬼笔环肽,无,功能,1.,维持细胞形态,2.,细胞内物质的运输,3.,鞭毛运动和纤毛运动,4.,纺锤体与染色体运动,1,.,维持细胞形态，赋予质膜机械强度,2,.,应力纤维,3,.,细胞运动,4,.,微绒毛,5,.,参与胞质分裂,6,.,肌肉收缩,1.,增强细胞抗机械压力的能力,2.,角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持,3.,结蛋白纤维是肌肉,Z,盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用,4.,神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用,5.,参与传递细胞内机械的或分子的信息,6.,中间纤维与,mRNA,的运输有关,