细胞生物学-3内质网和核糖体.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,内膜系统,内膜系统：,真核细胞的胞质中，,除线粒体和叶绿体之外，,由膜围成的小管、小泡和扁囊组成的细胞器，,它们彼此相互关联，组成复杂膜系统,主要包括：,核膜、内质网和高尔基复合体三大部分，,质膜、溶酶体和分泌泡：可看作是衍生物,内膜系统,内膜系统：不含,DNA，,功能活动和装配完全受核,DNA,控制,各种内膜之间可通过出芽融合式交流,线粒体和叶绿体：含自身,DNA，,功能活动和装配受,DNA,和自身,DNA,共同调控,不参加出芽和融合式的交流,内膜系统：细胞质分区化,形成上具有一定的顺序相关性、膜分化,动态结构，,具有流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白质极性,内质网：,一、内质网的形态结构,细胞中只有一个内质网,是连续系统，保证功能上具有连续性,透射电镜：平行的双层膜状，两层膜之间的宽距不等,三维立体：,形状大小不同的小管、小囊或扁平囊,连续网状膜系统,内腔相通,大而扁平的片状结构，内质网的独有特征,细胞核周围：网状三维结构，,细胞质内：树枝状,一、内质网的形态结构,根据形态不同，内质网分为两个区域：,粗面内质网(,RER)：,胞质面附着有核糖体，,多为扁囊状，合成蛋白质,光面内质网(,SER)：,无核糖体附着，,小管或小囊状，合成类固醇,例：肝细胞，,RER,为扁囊状，,SER,为扁囊边缘伸出的小管网,二、内质网的化学组成,主要来源于对微粒体(,microsome,),膜的研究,微粒体：,不是细胞内固有结构,细胞匀浆在差速离心过程中分离出的一种膜泡成分,由内膜系统中各组分的膜断片自然卷曲而成，,根据,RER,和,SER,密度差异、差速离心可分离两种,ER,高盐度介质中，微粒体上核糖体脱落下来。,内质网膜,脂类约占13，蛋白质约占23；,SER,脂类要比,RER,多一些,二、内质网的化学组成,脂类：磷脂、中性脂肪、磷脂酰肌醇、缩醛磷脂,和一些神经节苷脂等,蛋白质含量：比质膜多。,约含30-40种酶，,有些酶与合成甘油三酯、磷脂和胆固 醇有关,至少有两种黄素蛋白和两种血红蛋白,细胞色素,P-450,是,SER,特有标记酶,蛋白质：边周蛋白、整合膜蛋白；,膜上分布不对称，,有的偏向腔面，有的偏向胞质面,三、粗面内质网的功能,1.蛋白质的合成,所有蛋白质的合成起始：均在游离核糖体上,翻译分泌蛋白的核糖体：结合在粗面内质网膜上继续进行,翻译,非,分泌蛋白核糖体：只能留在细胞质基质中继续进,RER,上合成的多肽链：均具有信号肽序列；,内质网膜上含有核糖体亲合蛋白与信号识别颗粒的受体，,在信号识别颗粒协助下，多肽链可被转移到,RER,上合成，,合成的多肽链可穿过内质网膜进入内质网腔。,穿膜时多肽链呈非折叠状态，,HSP70,可能参与了去折叠,三、粗面内质网的功能,RER,合成的蛋白质：主要为分泌蛋白,及装配内膜系统和质膜所需要的蛋白质,当活跃合成蛋白质：内质网扁平囊扩大，,里面充满了浓密的大分子物质,当细胞内必需营养物缺乏、能源不足或受毒素刺激：,ER,具有降低蛋白质合成起始速率的调控作用,三、粗面内质网的功能,2合成蛋白质的修饰与加工,修饰、加工：多肽链的糖基化和羟基化等,糖基化：,内质网腔面；,预先合成的寡糖链，通过焦磷酸键，,连接在一个插入到膜内的磷酸多萜醇上；,当穿过内质网膜的多肽链上出现天冬酰胺残基时，,在膜中糖基转移酶作用下，,将寡糖链从磷酸多萜醇上转移到天冬酰胺残基上,三、粗面内质网的功能,RER,糖基化：多为,N-,连接,寡糖链分两部分：,核心区：各种寡糖链中均相同,与天冬酰胺残基直接相连的第一个糖,总是,N-,乙酰葡萄糖胺,末端区：各种寡糖链中不同,加工修饰只发生在寡糖链的末端区，核心区保持不变,酰基化、羟化、二硫键的形成等修饰，,使新生多肽链折叠成正确的三维结构,3膜的生成,RER,能不断地进行自身装配和生成,实验：蛋白质和脂类前体物用,14,C,-,亮氨酸和,14,C,-,甘油标记,发现：标记前体物掺入到,RER,数量要比掺入到,SER,大得多,表明：膜的生成方向由,RER,到,SER,膜的生成：,首先合成基本膜脂和整合膜蛋白,然后按顺序依次添加酶、专一性糖和脂类,膜分化过程：,膜的生成要经过化学和结构上的改造，,逐步转变为内膜系统中各种膜以至质膜,三、粗面内质网的功能,三、粗面内质网的功能,4物质的运输,运输各种物质的通道，胞内物质运输循环系统,3,H,-,亮氨酸做脉冲追踪实验表明：,RER,合成分泌蛋白，经内质网腔进入,GC,腔，,包装成分泌颗粒后，运输至胞外或其他细胞器,内质网在离子和小分子物质运输方面也起一定作用,物质在内质网膜上可发生穿膜扩散和主动运输,三、粗面内质网的功能,5贮积钙离子,细胞的基本需求之一：对胞质中钙水平的控制,因为,Ca,2+,变化在细胞内信号系统中起关键作用,胞质中,Ca,2+,浓度极低(10,-7,molL)，,内质网腔中的,Ca,2+,浓度很高 膜上的钙泵来维持,内质网是细胞信号传递途径的,Ca,2+,储备库,一旦受到信号刺激，膜上的钙通道打开，,Ca,2+,迅速涌人胞质中，参与信号的,进一步传递，引起细胞发生一定的反应,内质网含有呈强酸性的网质蛋白,如内质蛋白和钙网蛋白，对,Ca,2+,具有高度亲合性，在贮积,Ca2,方面具有重要作用,四、滑面内质网的功能,1合成脂类,SER,有许多与脂类合成有关酶，,如：乙酰转移酶、磷酸酶和胆碱磷酸转移酶等,合成：除脂肪酸和两种线粒体磷脂外，,新膜所需的各种脂类，,包括磷脂、胆固醇、甾体激素,合成的脂类：掺入到内质网膜自身，,出芽或专一性载体蛋白运往其他细胞器,四、滑面内质网的功能,翻转酶：能把含胆碱的磷脂,从膜的胞质溶质一半反转到邻腔的一半造成膜两半脂类分布的不对称现象,磷脂交换蛋白：,位于胞质溶质中，水溶性的蛋白；,可同脂类结合，携带脂类随机扩散，,把脂分子从含脂多的膜转运到含脂少的膜中,每一种磷脂都由专一的磷脂交换蛋白转运,四、滑面内质网的功能,2解毒作用,有些酶与外源性有害物质结合，使其发生氧化而失活,清除脂溶性废物和代谢产生的有害物质,例：,SER,细胞色素,P-450,的解毒反应过程,细胞色素,P-450：,末端氧化酶；在肝中具有解毒作用；,通过羟基化使脂溶性废物或代谢产物失活并溶解于水；,使一些农药或其他药物失活；,排出细胞后送入尿液,服用大量药物的动物，与解毒有关酶活性增加，,SER,增生；,一旦药物消失，多余,SER,被溶酶体消化，几天内又恢复,四、滑面内质网的功能,3糖原代谢,肝细胞,SER,膜胞质面上附着有许多糖原小颗粒,当体内需要化学能时，,糖原在激素的调控下被磷酸化酶降解为葡萄糖-1-磷酸，,于胞质中再转化为葡萄糖-6-磷酸；,内质网膜对葡萄糖-6-磷酸具有不可通透性，,因而无法离开肝细胞，也不能被其他细胞所利用；,SER,含葡萄糖-6-磷酸酶，使之变成葡萄糖,葡萄糖穿越内质网膜进入,SER,腔，再输送至血液中，供使用,核 糖 体,一、核糖体的基本结构,原核、真核、线粒体、叶绿体：均有核糖体,原核、真核核糖体：外形和功能基本相同，大小不同,电镜下分：大、小亚单位,肝核糖体负染色：,大亚单位：略呈半圆形，直经约为23,nm，,一侧伸出三个突起，中央为一凹陷，,有一垂直通道，新合成的肽链由此通道穿出，,保护新生肽链免受蛋白水解酶的降解,一、核糖体的基本结构,小亚单位：,长条形，,约13长度处有一细的缢痕,大小亚单位结合成核糖体：,凹陷部位彼此对应，从而形成一个隧道，,为蛋白质翻译时,mRNA,的穿行通路,大亚单位：肽基转移酶中心,小亚单位：解码中心,核糖体重要活性部位（6个）,mRNA,的结合位点：小亚单位,能识别并结合,mRNA,的起始端,如：大多数原核细胞16,S,rRNA,的3端有一段序列,同,mRNA,结合位点具有互补关系,A,位点(氨酰基位点，亦称氨基酸受位)：大亚单位,接受新掺入的氨酰-,tRNA,的结合位点,P,位点(肽酰基位点，肽基部位或释放部位)：,小亚单位,为延伸中肽酰,tRNA,的结合位点,核糖体重要活性部位（6个）,E,位点：大亚单位,肽基转移后即将释放的,tRNA,的结合位点；,肽基转移酶的催化位点：大亚单位中的,rRNA,可催化氨基酸间形成肽键，这是蛋白质合成过程中的关键反应,GTP,酶（易位酶）的结合位点：大亚单位,延伸因子,EF-G,的结合位点，简称,G,因子，对,GTP,具有活性，可催化肽酰-,tRNA,从,A,位点转移到,P,位点，促使肽链的延伸,两亚单位常游离于细胞质溶质中,当小亚单位与,mRNA,结合后，大亚单位才与小亚单位结合成完整的核糖体,肽链翻译结束后，大小亚单位解离，重新游离细胞质,两亚单位的结合与分离受,Mg,2+,影响,Mg,2+,lmmol,L,时，两亚单位结合成单核糖体；,Mg,2+,10mmolL,时，两个核糖体则结合成二聚体,细胞进行蛋白质合成时：,常多个核糖体同时结合在一条,mRNA,链上，,卷曲成蜗牛壳状的结构，称为多核糖体，,为细胞正在合成蛋白质的标志。,二、核糖体的化学组成,主要成分：,蛋白质和,RNA,蛋白质占40-50，,RNA,占50-60,RNA：,占细胞中,RNA,总量80以上,rRNA,的磷酸基所带的负电荷量,多于蛋白质所带的正电荷量，,因而核糖体呈现出很强的负电性，,可同阳离子和碱性染料相结合,含核糖体多的细胞，其细胞质可被碱性染料(如甲苯胺蓝)所浓染,二、核糖体的化学组成,核糖体,RNA：,原核生物3种,rRNA,；,真核生物4种,rRNA,rRNA,具有高度复杂的二级结构,线性,rRNA,分子内部有70的区段形成双链螺旋,各种蛋白质则结合到折叠的,rRNA,分子上,16,SrRNA,的3端一段序列：,同大多数原核生物,mRNA,的核糖体结合部位具有互补关系，从而使30,S,亚单位能识别,mRNA,的起始端,5,SrRNA,一段序列：,同,tRNA,中的,TCG,顺序互补，使,tRNA,能结合到核糖体上,二、核糖体的化学组成,核糖体蛋白：,适当条件下，,CsCL,离心，可将核糖体各成分分离出来,蛋白质成分按照一定的顺序一组一组地被分离出来,大部分蛋白质均含有丰富的碱性氨基酸,组成核糖体的蛋白质，,在大小亚单位中均有一定的空间分布,利用专一性抗体，,在电镜下可对各种蛋白质做定位测定,三、核糖体的功能,合成蛋白质的场所,由核糖体、,mRNA,和,tRNA,三者密切配合共同完成,肽链合成的起始、延伸和终止三个阶段的反应,(一)核糖体与,tRNA,相互识别的分子机制,Paul,Schimmel,等(1998)提出一个模型，该模型认为：,1.带有反密码子的呈”,L”,型的,tRNA,具有两个不同的臂：,一个臂：其3端的通用,CCA,单链序列为氨基酸的结合位点,氨基酸通过酯化作用可连接到末端的,A,上；,另一个臂：含有三联体的反密码子，,与,mRNA,上的三联体密码子进行配对结合,(一)核糖体与,tRNA,相互识别的分子机制,2.一旦被氨基酸酰化结合，,tRNA,的反密码子功能区通过密码子-反密码子相结合方式，,作为一个模板阅读探头来破译,mRNA,上三联体密码子,3.根据,mRNA,上的三联体密码子，氨基酸酰化的,tRNA,线性排列在,mRNA,上，,其带电的小螺旋区紧靠在一起，从而使一个氨基酸的氨基端能攻击另一个氨基酸的羧基端，,在两个氨基酸之间便可形成肽键,(二)核糖体在翻译起始复合物形成中的作用机制,转译过程均是由起始密码子,AUG,启动,起始密码子,AUG：,编码产物：甲硫氨酸,可为特定的,tRNA,的反密码子所识别而形成一种特异性的起始物,tRNA,Met,原核生物、线粒体、叶绿体：甲酰甲硫氨酸,对,AUG,正确识别：,原核：16,SrRNA3,端的一段核苷酸序列,和,mRNA5,端起始部位(,AUG,上游),3-9个互补核苷酸序列(,SD sequence),碱基配对,(二)核糖体在翻译起始复合物形成中的作用机制,真核：,异三聚体的翻译因子,eIF2，,先与,GTP,和,tRNA,Met,结合形成一个稳定的三元复合物；,然后能与40,S,核糖体亚单位稳定结合,形成43,S,的前起始复合物；,此复合物与,mRNA,5,端附近的起始部位结合，,开始向,3,端扫描；,靠,tRNA,Met,上反密码子和,mRNA,上,AUG,的配对作用,搜寻起始密码子,AUG,(三)核糖体在肽键形成中的催化活性,多肽合成起始：,tRNA,Met,结合到,P,部位，,A,部位空着,接纳的种类要依,A,部位上,mRNA,所暴露的密码子决定,A,部位一旦被占据，在肽基转移酶的催化下，,P,部位上,tRNA,所携带的甲酰甲硫氨酸(或肽链)与,A,部位上氨基酸之间形成肽键,肽基转移酶：大肠杆菌研究结果表明是23,S,rRNA,实验：为了去除蛋白质对实验结果的干扰，人工合成了大肠杆菌的23,S,rRNA,，,在无核糖体蛋白存在的情况下，23,S,rRNA,仍具有催化氨基酸之间形成肽键的能力,(三)核糖体在肽键形成中的催化活性,肽链延长：,延长因子(,EF),参加，,主要作用是介导氨酰基-,tRNA,进入,A,位,和促使肽基-,tRNA,由,A,位转移到,P,位,合成终止：,当阅读,mRNA,中的,UAA、UAG,和,UGA,等终止密码子后，,多肽链的合成便终止,需要靠释放因子(,RP),的协助,RF,主要功能：可识别终止密码子，,使多肽链和,tRNA,从核糖体上释放出来,