生物膜和细胞表面刘志学broken

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,*,*,第三章,:,细胞表面,和,2024/9/21,1,总纲,3.0,介绍,3.1,生物膜成分和结构,3.2,质膜,3.3,跨膜运输,3.4,细胞连接和粘连分子,3.5,胞外基质和细胞壁,2024/9/21,2,3.0,介绍,所有细胞都由一层膜所包围。,在,真核细胞,中,膜将细胞区室化成一些小亚区室从而形成细胞器。,在,原核细胞,中,不存在亚区室,2024/9/21,3,真核细胞和原核细胞,(,参见第一章,),2024/9/21,4,真核细胞细胞质中由膜包围的细胞器,由,双层膜,(,一层内膜和一层外膜,),包裹的细胞器,;,在细胞呼吸中起到重要作用,;,合成,ATP,作为各种生命活动的能量原料。,线粒体,由,双层膜,(,一层内膜和一层外膜,),包裹的细胞器,;,叶绿体吸收太阳光，通过光合作用合成糖类。,叶绿体,由,膜囊,包围，在真核细胞中具有多种功能，贮存物质等。,液泡,由,单层膜,包裹，包含真核细胞中消化食物和废物的酶。,溶酶体,膜囊,堆叠，包含特异性酶修饰、贮存产物和将产物从内质网运输到细胞膜或真核细胞的其它部位。,高尔基体,相互连接的,膜小管,形成网状结构，包含特异性酶；光面内质网表面没有核糖体，是合成脂质的重要场所；糙面内质网与核糖体共同合成蛋白质。,内质网,最大、最重要的细胞器，由,双层膜,包围，包括染色质、核仁、核纤层、核基质和一些,RNA,。,核,由,细胞膜,包围的半液体基质，所有细胞器漂浮在其中。,细胞质*,描 述,细胞器,*,细胞质不作为独立的细胞器，不仅仅在真核细胞中，其它细胞亦然。,2024/9/21,5,真核细胞中主要功能发生场所,主要功能,细胞学区域,定位和组织,质膜和细胞器,组分运输调控,质膜,信号检测和传输,质膜和核膜,DNA,复制和转录*,核膜,细胞内互作,质膜,能量转换,线粒体和叶绿体,蛋白质合成和运输,糙面内质网和高尔基体,脂质合成和运输,光面内质网,碳水化合物合成和运输,细胞质和线粒体等,耐受和沉积作用,植物液泡,*,真核细胞细胞膜上,DNA,复制和转录发生的地方,2024/9/21,6,细胞表面结构,细胞壁,细胞壁和细胞外基质,2024/9/21,7,3.1,生物膜成分和结构,基本成分,脂质,蛋白质,糖类,2024/9/21,8,一些生物膜的基本成分,2024/9/21,9,3.1.1,生物膜脂质,磷酸甘油酯,鞘脂,类固醇,两性分子,疏水性尾部基团,极性头部基团,2024/9/21,10,磷酸甘油酯,X,PC:,卵磷脂,X=,胆碱,PE:,磷脂酰乙醇胺,X=,乙醇胺,PS:,磷脂酰丝氨酸,X=,丝氨酸,2024/9/21,11,卵磷脂,2024/9/21,12,鞘磷脂,(SM),其它鞘脂类,葡糖脑苷脂,2024/9/21,13,鞘脂类分类,2024/9/21,14,胆固醇,2024/9/21,15,一些生物膜的脂质成分,来源,/,物种,组分,(mol %),PC,PE+PS,SM,Cholesterol,质膜,(,人红血球,),21,29,21,26,鞘脂膜,(,人神经元,),16,37,13,34,质膜,(,大肠杆菌,),0,85,0,0,内质网膜,(,小鼠,),54,26,5,7,高尔基体膜,(,小鼠,),45,20,13,13,线粒体内膜,(,小鼠,),45,45,2,7,线粒体外膜,(,小鼠,),34,46,2,11,Primary leaflet location,外胞浆,基质,外胞浆,外胞浆和基质,2024/9/21,16,磷脂组成生物膜的基本框架结构,2024/9/21,17,3.1.2,生物膜中的蛋白质,三种形式的膜蛋白,整合蛋白,(,跨膜蛋白,),脂质锚定膜蛋白,外周膜蛋白,结构蛋白,酶,2024/9/21,18,脂质双层膜中的蛋白,2024/9/21,19,整合蛋白,基质区,外胞浆区,跨膜区,亲水表层,镶嵌在膜上,与水溶液互作,与磷酸脂质双层疏水性尾部互作,与其它分子或离子结合,锚定细胞骨架蛋白,激发细胞内信号同路,形成通道和孔,蛋白质糖基化,定位在胞浆区域,2024/9/21,20,脂质锚定膜蛋白,共价结合于磷酸脂质双层中的脂质分子,多肽链不进入磷酸脂质双层,外周膜蛋白,通过于整合蛋白互作,间接结合在膜上,或通过与脂质亲水性头部组分互作直接结合在膜上,定位在基质或质膜外胞浆表面,2024/9/21,21,细胞膜上的蛋白质可分为,:,通道蛋白,:,小分子物质和离子通过孔道自由跨膜运输；,转运蛋白,:,促进小分子物质和离子的协助扩散和主动运输；,细胞识别蛋白,:,识别特殊细胞,;,受体蛋白,:,特异性结合荷尔蒙、细胞因子等；,酶蛋白,:,催化特异性化学反应。,2024/9/21,22,3.1.3,膜上的糖,根据细胞类型不同膜上的含量约为,2%,10%,与膜蛋白共价结合形成糖蛋白,所有膜糖类都分布在质膜外侧面,(E,面,),2024/9/21,23,膜糖的种类,D-,葡萄糖,D-,半乳糖,D-,甘露糖,L-,果糖,N-,乙酰,-D-,半乳糖胺,N-,乙酰,-,葡糖胺,矽酸,2024/9/21,24,膜糖的功能,增强膜结构稳定性,增强蛋白酶的稳定性,帮助膜蛋白形成正确的三维膜构像,细胞信号识别,细胞黏附和细胞接合,新生成蛋白转运的正确定位,凝集素,保护细胞何种子,血型决定,2024/9/21,25,3.1.4,膜流体性,膜功能的本质是膜流体性,:,允许分子快速扩散；,细胞运动、生长、分配、和分泌等,Larry Frye,和,Michael,于,1970,年首次论证,限制性的膜蛋白移动,SPT,脂质提供整合蛋白与之结合的部位，因此脂质的物理状态对于决定整合蛋白的机动性是非常重要的。,2024/9/21,26,两种不同类型的细胞可以被融合成具有普通胞质和单一、连续质膜的一个细胞。这一事实看来似乎表明膜整合蛋白能够自由地移动。,2024/9/21,27,然而，利用,FRAP,进一步的研究表明：膜蛋白的移动是具有限制性的。,荧光恢复的速率,2024/9/21,28,SPT:,个别的膜蛋白分子被标记,这样被标记的膜蛋白分子的运动就能被检测,实验结果表明：,大部分膜蛋白分子随机运动速率类似于自由扩散,(,扩散系数大约为,510,-9,cm2/sec),；,运动距离在零点几微米以内；,进行长距离扩散时运动速度较慢；,在某些情况下,特定的蛋白以高速,(,非随机性,),直接向细胞某一部分或另一部分运动；,有些膜蛋白几乎不运动被视为固定不动的蛋白。,2024/9/21,29,运动形式：,扩散和旋转比,“,翻转运动,”,频繁；,单个脂质分子沿着轴心快速自旋,(,30,000rpm,),；,磷酸脂质在,1,2,秒内从一端扩散到另一端；,磷酸脂质从一单层运动到另一单层要花几小时甚至几天；,“,翻转运动,”,(,一种脂质分子从一单层的一半运动到同一单层的另一半,),是十分受限制的。,2024/9/21,30,膜中磷脂双层可能,的运动形式,2024/9/21,31,3.1.5,膜不对称性,脂质双层的两边经常包括不同类型的磷脂或糖脂,脂质双层的内在蛋白具有特定的方向性,2024/9/21,32,膜的不对称性是利用脂质消化酶发现的。因为脂质消化酶不能渗透质膜却可以消化脂质双层中的,外层,。,2024/9/21,33,真核生物中，脂质的不对称是由于不断产生新脂质而造成的。,2024/9/21,34,3.2,质膜,(,细胞膜,),所有细胞都被质膜所包围,a,b,c,2024/9/21,35,3.2.1.,质膜概述,细胞膜的内侧和外侧,胞液面,外胞浆面,2024/9/21,36,细胞膜的蛋白质和糖蛋白,2024/9/21,37,植物细胞壁和质膜,2024/9/21,38,细菌细胞壁和质膜,2024/9/21,39,质膜是半透性的,磷脂双层,2024/9/21,40,3.2.2,质膜的一般功能,作为一种渗透屏障,密切参与细胞壁的组装,形成细胞间特异性的结合,胞外基质的锚定成分,与信号分子特异结合的受体蛋白,参与细胞的区域化作用,能量转换,2024/9/21,41,3.3,跨膜运输,质膜,:,在所有细胞中质膜是最重要的跨膜运输结构,质膜的选择性渗透性使细胞得以维持一个稳定的内在环境,(,出、入细胞或留在细胞中,),不同种类细胞的质膜拥有一系列特异性的,转运蛋白,运输特异性的分子和离子,大部分分子和所有离子的运动是通过磷脂双层中有选择性的,跨膜运输蛋白,实现的。,2024/9/21,42,3.3.1,跨膜运输的概述,特性,被动扩散,协助扩散,主动运输,协同运输*,特异性运输蛋白,不需要,需要,需要,需要,溶质逆浓度梯度转运,否,否,是,是,与,ATP,水解偶联,否,否,是,否,依靠离子浓度梯度降低产生驱动力,否,是,否,是,举例,O,2, CO,2,类固醇荷尔蒙，有些药物,葡萄糖和氨基酸,(,单一载体,);,离子和水,(,通道,),离子,小亲水性分子,脂质,(ATP-,驱动泵,),葡萄糖和氨基酸,(,协同运输,);,各种离子和蔗糖,(,反向运输,),2024/9/21,43,3.3.2,被动扩散,(,简单扩散,),提示这类分子可以不需要转运蛋白而扩散通过细胞膜,O,2, CO,2,尿素和乙醇,类固醇荷尔蒙，药物,能够扩散通过人工膜,在整个过程中，不消耗能量，不需要特异性转运蛋白，分子沿着浓度下降的方向扩散。,2024/9/21,44,被动扩散依靠热力学运动驱动,决定扩散速率的因素,:,跨膜浓度梯度,疏水性,大小,跨膜电位,2024/9/21,45,3.3.3,协同扩散,协同扩散概述,极性分子,离子和水,在协同作用下实现跨膜运输,与被动扩散的区别,:,扩散速率比被动扩散快,与分配系数,K,不相关,通过有限个数的单一载体分子实现转运,特异性转运,2024/9/21,46,膜蛋白介导的转运,转运蛋白,通道蛋白,转运体,2024/9/21,47,通道蛋白,水,离子和亲水小分子,顺浓度梯度或电化学梯度,帮助扩散,形成跨膜亲水通道,非门控通道,:,多数时间是开放的,门控通道,:,仅在响应特异性化学或电信号时开放,2024/9/21,48,一些离子通道的举例,通道,场所,功能,K,+,渗漏通道,大多数动物细胞的质膜,维持静息膜电位,电压门,Na,+,通道,神经细胞轴突的质膜,介导产生动作电位,电压门,K,+,通道,神经细胞轴突的质膜,起始动作电位后使膜恢复静息电位,电压门,Ca,2+,通道,神经终末的质膜,刺激神经递质释放,乙酰胆碱受体,(,乙酰胆碱门,Na,+,and Ca,2+,通道,),肌肉细胞的质膜,(,神经,-,肌肉接头处,),兴奋性突触信号传递,(,在靶细胞将化学信号转换为电信号,),GABA,受体,(GABA-,门,Cl,-,通道,),许多神经元的质膜,(,突触处,),抑制性突触信号传递,压力激活的阳离子通道,内耳听觉毛细胞,检测声音震动,2024/9/21,49,转运蛋白,(,载体,),分子或离子通过转运体得以运输，每种类型的转运体转运特异性的溶质分子；,改变自身构造,三种类型,:,单一转运体,反向转运体和协同转运体,2024/9/21,50,一个典型的例子,- GLUT1,2024/9/21,51,葡萄糖通过,GLUT1,转运至红血球的模型,2024/9/21,52,伴随能量的转换，亲水性溶质通过脂质双层膜,2024/9/21,53,3.3.4,主动运输,由特异性膜蛋白介导,逆,浓度梯度,需要能量供给,Light,electrochemical gradient,Light powered pump,2024/9/21,54,(1) ATP-,驱动的泵,分,4,种类型,: P-,型, V-,型, F-,型 和,ABC-,型,能量供给与,ATP,水解偶联,Simply pumps,2024/9/21,55,列举,4,种,ATP,泵,类型,举例,P-,型,植物、真菌和细菌的质膜,(H,+,泵,),高等真核生物质膜,(Na,+,/K,+,泵,),哺乳动物胃部质膜顶部,(H,+,/K,+,泵,),所有真核细胞质膜,(Ca,2+,泵,),肌肉细胞中的肌浆网状膜,(Ca,2+,泵,),。,V-,型,植物、酵母、其它真菌的液泡膜，动物细胞的胞内体和溶酶体膜,破骨细胞质膜，和一些肾小管细胞。,F-,型,细菌质膜,线粒体内膜,叶绿体类囊体膜。,ABC-,型,细菌质膜,(,氨基酸,糖,和肽透性酶,),哺乳动物质膜,(,磷酸脂质转运体,小亲水性药物,胆固醇,其它小分子物质,),。,2024/9/21,56,(2),协同运输,两种类型,:,共运输和反向运输,与提供能量的反应偶联,利用电化学梯度形成的能量,维持这种电化学梯度,次级活化运输,.,2024/9/21,57,两种类型的转运体使消化道上皮细胞将葡萄糖和氨基酸转运通过消化道被覆,2024/9/21,58,动物和植物细胞中共转运比较,2024/9/21,59,3.3.5,离子泵,产生和维持跨细胞膜的离子梯度,Ca,2+,离子从基质进入肌浆网,维持动物细胞中胞内,Na,+,离子和,K,+,离子浓度,质子泵跨膜并酸化内腔,细菌透性酶是一种,ABC,型蛋白转运各种营养物质,哺乳动物中,ABC,小分子泵,水的,运输,2024/9/21,60,产生和维持跨细胞膜的离子梯度,基质和胞外液体的离子成分,离子泵存在和其功能的早期证据,离子泵现在被认为主要负责建立和维持跨膜和细胞内膜的正常离子梯度,2024/9/21,61,典型的胞内和胞外离子浓度,离子,细胞,(mM),血液,(mM),鱿鱼轴突,(,无脊椎动物,)*,K,400,20,Na,50,440,Cl,40,150,560,Ca,2+,0.0003,10,X,-,*,300,400,5,10,哺乳动物,(,脊椎动物,),K+,139,4,Na+,12,145,Cl,-,4,116,HCO3,-,12,29,X,138,9,Mg2+,0.8,1.5,Ca2+,0.0002,1.8,2024/9/21,62,Ca,2+,离子从基质进入肌浆网,2024/9/21,63,肌肉,Ca,2+,离子,ATP,酶催化性,亚单位的结构,2024/9/21,64,维持动物细胞中胞内,Na,+,离子和,K,+,离子浓度,2024/9/21,65,2024/9/21,66,质子泵跨膜并酸化内腔,b,a,2024/9/21,67,细菌透性酶是一种,ABC,型蛋白转运各种营养物质,2024/9/21,68,哺乳动物中,ABC,小分子泵,2024/9/21,69,水的运输,渗透性,(,渗透流量,),和渗透压,低渗、高渗溶液和等压介质,动物细胞如何维持它们的细胞体积？,2024/9/21,70,2024/9/21,71,3.4,细胞连接和粘连分子,细胞连接,:,紧密连接,锚定连接,间隙连接,胞间连丝,细胞粘连,:,钙粘素,整联蛋白,选择素,免疫球蛋白,钙粘素通常介导稳定的细胞结合,2024/9/21,72,细胞粘连分子,2024/9/21,73,细胞粘着分子主要家族,(CAM),2024/9/21,74,连接粘连和非连接粘连的机制概述,2024/9/21,75,3.4.1,紧密连接,紧密连接的现行模型,2024/9/21,76,3.4.2,锚定连接,(1),细胞与细胞的 锚定连接,2024/9/21,77,(2),细胞与基质的锚定连接,两种类型的细胞与基质的锚定连接：,粘着斑,在第七章,(7.5),中讨论,半桥粒,:,锚定角蛋白丝体在上皮细胞和胞外基膜,锚定位点由整联蛋白定位在上皮细胞的质膜基部,细胞外这些整联蛋白结合在基膜上，细胞内与角蛋白丝体连接,形成一种类似于半桥粒的结构，能够将上皮细胞锚定在,皮下组织,2024/9/21,78,桥粒,2024/9/21,79,3.4.3,间隙连接,形成连接蛋白结构,六个连接蛋白组合成一个中心开放的亲水孔,相邻细胞的连接蛋白互相连接形成一个通道,形成胞间代谢和电信号偶联,在代谢活性和胞间信号传递中起到重要作用,2024/9/21,80,3.4.4,植物细胞粘连和胞间连丝,2024/9/21,81,3.5,胞外基质和细胞壁,在多细胞生物体中围绕细胞的胞外基质,ECM,是非生活物质；,在胞间信号传递、损伤修复、细胞粘连和组织功能等方面有重要意义；,主要形成植物纤维素、节肢动物和真菌的几丁质、脊椎动物的碳水化合物和蛋白质；,三种,ECM,的常见形式是,骨、软骨,和,基底膜,。,2024/9/21,82,3.5.1. ECM,的成分,蛋白质,糖蛋白,胶原,层粘连蛋白,纤连蛋白,弹性蛋白,蛋白聚糖,蛋白聚糖由几个糖基组合而成,糖基化作用发生在高尔基体,蛋白聚糖能被溶酶体降解,2024/9/21,83,3.5.2.,细胞和,ECM,连接,ECM,通过纤连蛋白与细胞表面互作,细胞通过整联蛋白结合到,ECM,上,整联蛋白是至关重要的受体蛋白,2024/9/21,84,2024/9/21,85,3.5.3.,细胞壁,肽聚糖细胞壁,植物细胞壁,细胞壁功能,细胞壁主要成分是纤维素,2024/9/21,86,2024/9/21,87,第三章思考题：,用电子显微镜观察时，脂质双层常被描述成像铁路轨道。试解释对脂质双层结构的这种比喻。,生物膜包括许多不同类型的脂质分子。试述目前在生物膜中发现的三种主要类型的脂质分子，以及它们的相似处与不同处。,脂质双层被认为是,二维流体,，怎么解释？脂质分子和蛋白质运动的驱动力来自哪里？这些运动是如何被监测到的？那些因素影响膜流动性？,试解释一下现象,:,所有生物膜的结构取决于磷脂的化学特性，然而，每种特异性生物膜的功能取决于与之相关联的特异性蛋白。,与生物膜相关联的蛋白有哪三种？试述各自的作用机制。,真核细胞的重要特征之一是存在细胞器。试述真核细胞的主要细胞器及其各自的功能。什么是基质,(,胞液或胞质溶胶,),？细胞在基质中发生什么？,试比较简单转运和被动扩散的区别。,2024/9/21,88,