细胞生物学-2细胞膜

,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,*,一、细胞膜和细胞表面,细胞膜（,cell membrane）,包围在细胞外周的一层薄膜，,又称质膜,、,单位膜,质膜：厚710,nm,高倍电镜下：,“两暗一明”三夹板式结构,细胞表面,结构,：,复合结构体系,主体结构细胞膜,细胞外被,胞质溶胶,功能：提供稳定内环境,参与物质转运、,信号传递、,细胞识别等,细胞膜的化学组成,脂类、蛋白质、糖类,脂类约50%，蛋白质4050%，糖类110%,1.膜脂,主要：磷脂、胆固醇和糖脂；磷脂最多,兼性分子：一个亲水的极性头和,一个疏水的非极性尾,水溶液中：自发形成脂双分子层,疏水尾相对、极性头朝外，连续的,脂双分子层组成生物膜的基本骨架,2. 膜蛋白,膜蛋白：生物膜中的蛋白质,主要：球状蛋白,分：外周蛋白和内在蛋白,外周（在）蛋白,：占2030%；主要膜内表面；,水溶性；通过非共价键与膜脂或内在蛋白相连,镶嵌（内在）蛋白,：7080%；有的部分嵌入膜，,有的贯穿全膜，两端暴露膜内外表面，跨膜蛋白,膜蛋白：细胞膜功能的主要承担者，,功能活动旺盛膜蛋白质含量高,如：运输、酶、受体等,3. 膜糖类,所有真核细胞表面均有糖类，,占210%,大多是低聚糖,主要分布细胞膜外表面,多与蛋白质或脂类分子结合,千变万化担任重要功能,细胞外被,(,cell coat)/,糖萼,(,glycocalyx,),细胞表面一层糖类结构，厚1020,nm,边界不清,用重金属染料（如钌红）染色，电镜下可显示,细胞外被具一定独立性,去掉细胞外被，不会直接损伤质膜,质膜和细胞外被的关系像“皮”和“毛”,细胞外被由质膜糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成,糖脂含量很少，不超过膜脂总量的5%,实质是质膜的一部分,寡糖链含有9种糖基,质膜许多重要生理功能和细胞外被有关,质膜模型：单位膜模型,1. 50年代末期，伦敦大学，,JDRobertson,电镜观察：动物、植物和微生物的,细胞膜和细胞内各种膜，,所有膜都呈三层式结构：,两侧为暗线，中央夹着一条明线；,暗线厚约2,nm，,明线约3.5,nm，,膜的总厚度约为7.5,nm,质膜模型：单位膜模型,2. 根据在电镜下观察到的结果，,以及质膜的一些功能指标，,提出：单位膜模型(,unit membrane model),Unit membrane model：,膜中央为脂双层分子，在电镜下显示为明线；,膜两侧为展开的蛋白质分子层，,在电镜下显示为暗线,，,展开的蛋白质分子层厚度恰为2,nm,质膜模型：单位膜模型,3. 后来实验证明：,人工制作的脂双分子层：不附着蛋白质，在电镜,下也呈现为暗明暗三层式结构,说明：细胞膜两侧在电镜下所显示出的暗线,是蛋白质和脂类分子亲水端,经锇酸染色后的反映,单位膜优点：正确说明了一层单位膜在电镜下的三层式结构,膜的流动镶嵌模型,(,fluid mosaic model),1972， S.J. Singer and G.L.,Nicolson,中心思想：,构成膜的蛋白质和脂类分子具有镶嵌关系，,膜结构处于流动变化中。,脂类分子：,双分子层排列，膜的网架和基质，蛋白质镶嵌其中,双性分子：亲水头、疏水尾；头朝水相，尾藏膜内部,双分子层内外不对称,膜的流动镶嵌模型,蛋白质：,嵌插在脂双层网架中，或黏附在脂双层的表面,根据在膜上存在部位不同，膜蛋白分为两类：,整合蛋白,：,以不同深度嵌插在脂双层中,膜周边蛋白,：,附着于膜的表层,流动镶嵌模型能够真实地说明膜的结构和属性,被学术界所普遍接受,成为深入研究生物膜公认的依据,膜蛋白,整合蛋白,：,均为双性分子,非极性区插在脂双层分子之间,极性区则朝向膜的表面，,通过很强的疏水或亲水作用力同膜脂牢固结合,一般不易分离开，采用破坏膜结构或使用去垢剂,例如，质膜中的,Na,+,K,+,-ATP,酶是典型的整合蛋白,膜蛋白,周边蛋白,：,与膜的结合比较疏松,不需破坏膜结构，用温和的方法可分离,例：人的红细胞内表面有一种蛋白血影蛋白,无论是整合蛋白还是周边蛋白，至少有一端露出膜表面，没有完全埋在膜内部的蛋白质分子,用冰冻蚀刻法可显示蛋白质颗粒在脂双层的分布状况,膜的特征,(1)镶嵌性：由脂双分子层镶嵌以蛋白质,(2)流动性：蛋白质分子和脂类分子不断地发生变化,(3)不对称性：膜两侧的分子性质和结构不同。,(4)蛋白质极性：整合蛋白多肽链极性区露出膜表面，,非极性区则埋在脂双层的内部，,故：蛋白质分子既与水溶性分子结合，,也可与脂溶性分子亲和。,膜的不对称性,影响因素：膜成分脂肪酸、胆固醇、蛋白等,温度、,pH、,离子强度等,实验证据,细胞融合实验,淋巴细胞的成斑和成帽反应,凝集素的凝集作用,膜的流动性,晶格镶嵌模型和板块镶嵌模型,补充：膜流动性的分子基础,比较合理地说明：生物膜既具有流动性,又具有相对完整性及稳定性,类脂中有：晶态（有序板块）,液态（无序板块）,流动是局部的,二、质膜与物质运输,活细胞：开放性结构体系,进行各种生命活动 必然要同环境发生物质交换,质膜：细胞与环境相互作用的前沿结构,是细胞的一堵“墙”，更重要的是细胞的“大门”,物质经过质膜进出细胞的运输方式：,膜泡运输：大分子和颗粒物质,两种,穿膜运输：离子和小分子,（一）、膜泡运输,大分子和颗粒物质较大量的进出细胞 批量运输,特点：物质进出细胞的运转过程都由膜包围,在细胞质内形成小膜泡,内吞作用(,endocytosis,),或胞吞：,质膜内陷，包围细胞外物质，,形成小泡后，脱离质膜进入细胞内,外排作用(,exocytosis,),或胞吐：,细胞质中的小泡同质膜融合，,把所含的物质运送到细胞外,内吞作用,：,吞噬作用,内吞作用分三类：吞噬作用、胞饮作用、穿胞运输,1吞噬作用(,phagocytosis,),定义：细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌等,原生动物：广泛存在，掠取营养物质维持生存重要方式,后生动物：主要作用是吞噬异物，进行防卫,异物在细胞内被消化后，有的成分可作为养料,哺乳动物：中性颗粒白细胞和巨噬细胞具极强吞噬能力,巨噬细胞：体内各种组织,吞噬过程：细胞伸出伪足包围颗粒物质，将其吞入细胞内，,形成有膜包围的吞噬体,2,胞饮作用(,pinocytosis,),定义：吞入液体或极小的颗粒物质,存在：白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞等,触发：细胞周围的某些物质，如蛋白质、氨基酸、,离子等，达到一定浓度时，即引发,内吞作用,：,胞饮作用,内吞作用,：,胞饮作用,胞饮过程：,外来物质作为诱导物同质膜上转移受体结合，,或靠静电引力同糖蛋白结合；,在细胞内微丝的作用下，,结合部位质膜向内凹陷，包围这些物质，,形成了胞饮小泡；,胞饮小泡进入细胞内部。,内吞作用,：,胞饮作用,微胞饮作用(,micropinocytosis,)：,胞饮小泡很小,实质：与胞饮无根本性区别，只是体积很小,主要作用：摄取和转运蛋白质,存在：毛细血管上皮细胞、肝细胞、,神经纤维上的施旺细胞,、,巨噬细胞、,肌细胞、网状细胞等,内吞作用,：,胞饮作用,胞饮泡进入细胞后,：,首先：同早期内吞体融合,(内吞体是靠近质膜形状不定的细胞内泡，,胞内液体呈酸性),经过三条途径产生三种不同的归宿：,与溶酶体融合：,质膜和配体-受体复合物被消化降解,内吞作用,：,胞饮作用,早期内吞体中配体与受体分离：,带有受体的膜泡通过外排又回到原来的细胞表面，,重新补充内吞时损耗的质膜。,内吞和外排形成了一个膜的再循环过程,配体-受体复合物不分解，仍包在小泡内：,在细胞的另一侧，小泡与质膜融合，,配体与受体分离被分泌到细胞外，,这种物质运转过程称为：物质的穿胞运输,(,transcytosis,),内吞作用,：,陷穴小泡胞饮,陷穴小泡(,caveolae,),胞饮：,由质膜内陷形成的胞饮泡，,属于有被小泡类，,直径约50-100,nm,存在：各类细胞，尤以内皮,、,平滑肌和成纤维最丰富,形成：小泡形成时，质膜内表面附着有陷穴蛋白,小泡形成后，表面覆被有陷穴蛋白，,成为陷穴蛋白衣被小泡,内吞作用,：,陷穴小泡胞饮,陷穴蛋白：跨膜蛋白，大小为22,kDa,，,肽链的,C,和,N,末端均在细质溶质中,在小泡表面排列成同心圆状线条,陷穴小泡膜：含有糖基鞘磷脂、鞘磷脂、胆固醇、,Ca,2+-,ATP,酶和糖基磷脂、酰肌醇等,小泡的功能：尚不完全清楚，,根据现有研究资料可能有下述功能,钙运输,信号转导,内吞作用,：,穿胞运输,3.穿胞运输,机体内物质运输的一种重要方式,穿胞运输：,内吞小泡穿过细胞质，,再由质膜其他部位将内含物外排出去，,构成吞排作用的质膜循环,动物组织：有的细胞介于两个解剖分区的交接处，细胞具有极性，通过内吞和外排相偶联，把一侧形成的胞饮小泡穿越细胞质，在细胞的另一侧使小泡中的物质释放出去。,内吞作用,：,穿胞运输,大鼠,：母鼠向仔鼠提供抗体的过程,实验：,母鼠血液中抗体经穿胞运输进入乳汁,乳汁进入仔鼠消化道,肠腔酸性环境中，乳汁中的抗体与肠上皮细胞,顶端质膜上的受体结合成复合物，,形成胞饮小泡，小泡与内体融合后，,抗体-受体复合物保持不变，,以出芽的方式离开早期内体，形成运输小泡，,运输小泡同细胞另一侧的质膜融合，,抗体-受体复合物暴露到细胞外环境中，,细胞外液体的,pH,值为中性，抗体与受体解离，,进入仔鼠血液中发挥作用,内吞作用,：,穿胞运输,人体：,母体的抗体以穿胞运输的方式从血液进入乳汁,但：乳汁进入婴儿消化道后，,抗体不再进入血液。,肝细胞：,从血窦中吸收免疫球蛋白,A(IgA,)，,通过穿胞运输输送到胆微管,内吞作用,：,受体介导内吞,质膜上的受体参与了细胞内吞过程。,受体：可与细胞外专一信号分子(配体)结合，并引起细胞发生反应的质膜蛋白。,受体介导内吞(,receptor-mediated,endocytosis,)：,有受体参与的、从胞外吸收专一性的,大分子和颗粒物质的过程。,受体介导内吞：,衣被小泡的形成,内吞第一步：,细胞外液体大分子同受体结合，形成配体-受体复合物,受体类型：25种以上；,有的只有同配体结合后才能向衣被小窝处集中,衣被小窝：质膜向内凹陷的部位,凹陷处的质膜内表面附着有一层成笼蛋白,有筛选受体蛋白的功能,受体介导内吞：,衣被小泡的形成,受体结合配体后：,受体分子变成了适合同衣被小窝结合的构型,衣被小窝进一步内陷，掐断后形成衣被小泡：,配体物质包在泡内,成笼蛋白在小泡的外面装配成类似笼子的结构,受体介导内吞：,成笼蛋白,分子构型：特殊，三足鼎立(三脚架)状，,具有3条腿，故称三腿子,三腿子：3条大肽链和3条小肽链构成的复合物,衣被小窝处：三腿子连接成网架，,网架由六角形和五角形网格组成,三腿子分子网架具有自我装配的能力,质膜内陷：可能由成笼蛋白牵引所致,衣被小泡一旦形成，成笼蛋白衣被随即脱去，,分子返回到质膜下方，重又参与形成新的衣被小泡,受体介导内吞：,衔接蛋白的作用,衣被小泡的衣被：成笼蛋白,衔接蛋白(,adaptin,),衔接蛋白：参与衣被的形成，与成笼蛋白相同,介于成笼蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用,种类：多种，分别结合不同类型的受体,衔接蛋白识别：,跨膜受体蛋白的细胞质端一个由4个氨基酸残基组成的序列，此序列是发生内吞作用的信号,受体介导内吞：,胆固醇的吸收,胆固醇：构成膜的一种脂类成分,血液中胆固醇与蛋白质结合成低密脂蛋白：,芯部胆固醇分子被酯化成长链脂肪酸,周围由一脂单层包围,这些脂分子被一个蛋白质分子组织成,LDL,颗粒,蛋白质分子同时为,LDL,颗粒与,LDL,受体的结合提供结合位点,膜合成需要胆固醇时：细胞合成,LDL,跨膜受体蛋白，,嵌插到膜中，向衣被小窝集中,细胞对胆固醇利用具有调节能力：细胞中胆固醇积累过多时，细胞即停止合成自身胆固醇，同时关闭合成,LDL,受体蛋白的合成途径，暂停吸收外来胆固醇,受体介导内吞：,胆固醇的吸收,LDL,颗粒与受体结合：,随衣被小窝内陷，衣被小窝从质膜上掐下来，形成衣被小泡；,衣被小泡随即脱掉成笼蛋白衣被，成为平滑小泡；小泡同早期内体融合，经晚期内体将,LDL,送人溶酶体；溶酶体中，,LDL,颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇被利用。,遗传缺陷,：,LDL,受体蛋白编码基因有缺陷，血液中胆固醇含量过高，患动脉粥样硬化症，易患冠心病,胞吐作用,与胞吞作用相反的过程,细胞质中的小泡同质膜融合,把所含的物质运送到细胞外,真核细胞的分泌活动几乎都以胞吐形式进行,（二）、离子和小分子的穿膜运输,物质穿膜的特点：,物质穿膜的性能称为通透性。,其大小与物质的性质和大小有关,影响通透性高低的因素：,(1)脂溶性越大的分子越容易穿膜,(2)小分子比大分子容易穿膜,(3)不带电荷的分子容易穿膜,(4)亲水性分子和离子穿膜依赖于专一性的跨膜蛋白,(5)细胞生理状态和环境条件,水进出细胞,快速，与膜上有水孔蛋白通道有关,水孔蛋白通道：,广泛，动物、植物和细菌的质膜上,高度专一性，只允许水分子,四聚体，每一单体都有独立的水通道功能,穿膜运输的类型,根据运输方向：被动运输(,passive transport),主动运输(,active transport),被动运输：物质顺浓度梯度，即顺电化学梯度,不消耗细胞本身的代谢能,电化学梯度：由物质浓度梯度和电位梯度共同决定,主动运输,：,物质逆电化学梯度,消耗细胞的代谢能,专一的载体蛋白,穿膜运输:,简单扩散,(,simple diffusion),不需消耗代谢能，不需载体,疏水性的非极性小分子，,如,O,2,、N,2,、,苯、甾类激素等,穿膜运输:,协助扩散,非脂溶性（或亲水性）物质；,Na,+,、,K,+,、,葡萄糖、氨基酸等,借助膜上的转运蛋白帮助,由高浓度一侧向低浓度一侧扩散,转运蛋白：通道蛋白、载体蛋白,载体蛋白,：与特定分子结合，构象变化来转运；,载体与转运物分离后，恢复原有构象；,如：转运葡萄糖、氨基酸,穿膜运输:,协助扩散,通道蛋白,：亲水通道，允许一定的离子通过；,肽链多次穿膜，围成充水小孔,选择性开关,离子通道与一般的亲水小孔的区别：,离子选择性；可控性，一般不开放,类型：,电压门通道；机械门通道；配体门通道,各种门开关调节：通道蛋白质磷酸化和去磷酸化,穿膜运输:,主动运输,离子和代谢物沿逆电化学梯度进行穿膜运输,消耗细胞的代谢能，又称代谢关联运输,跨膜载体蛋白的协助，起泵作用,初级主动运输：水解,ATP,驱动运输,次级主动运输（协同运输）：一种物质的逆浓度梯度运输,依赖于另一种溶质的顺浓度梯度运输，二者协同进行，,同向运输：两种溶质的运输方向相同，如细胞对葡萄糖,的吸收，是与,Na,+,同向穿膜,反向运输：两者运输的方向相反，如红细胞清除组织中,CO,2,时,主动运输与运输泵,泵(,pump)：,能驱动离子或小分子以主动运输的方式,穿过生物膜的跨膜蛋白,离子泵：驱动离子穿膜的跨膜蛋白，具,ATP,酶活性,Na,+,-K,+,泵：细胞内,K,+,的浓度很高，而,Na,+,浓度很低；,质膜外相反。,Na,+,和,K,+,的运输偶联，,Na,+,的排出和,K,+,的进入协同进行,实质：,Na,+,-,K,+,ATP,酶,跨膜蛋白质，,由,两个亚基构成,Na,+,-K,+,泵,亚基：,大亚基，具有,ATP,酶活性，,细胞质端有,Na,+,和,ATP,结合部位，,外端有,K,+,和乌本苷结合部位，,磷酸化和去磷酸化引起分子构象变化。,亚基：,糖蛋白亚基，作用不清楚，,可能与维持酶活性有关,当,亚基与,亚基分开时，,亚基的酶活性丧失,Na,+,-K,+,泵,质膜内外可分别为,Na,+,与,K,+,激活，催化,ATP,水解,Na,+,存在下：,ATP,分子末端的磷酸基转交给,ATP,酶，,ATP,酶磷酸化引起酶分子构象变化，把,Na,+,运出,K,+,存在下：,ATP,酶脱磷酸化，,酶分子恢复到原来的构象，把,K,+,运进膜内,各种细胞，每水解1个,ATP,分子,运输,Na,+,、,K,+,比例不同，由1,1到3,1,Na,+,-K,+,泵,Na,+,、,K,+,不对等运输：,造成膜内外的电化学梯度,神经和肌肉细胞中特别活跃，对强心苷类敏感,细胞内约有13的,ATP,用于维持这种离子浓度梯度,生理意义：,(1),调节渗透压,(2),物质吸收,(3),细胞正常代谢的必要条件,(4),保持膜电位,钙泵,真核：胞质中游离,Ca,2+,浓度低；细胞外,Ca,2+,浓度高,细胞局部,Ca,2+,浓度提高可激活某些,Ca,2+,反应蛋白质，,如钙调蛋白,、,肌钙蛋白等。,Ca,2+,：参与肌肉收缩活动；细胞内信使,胞质中低浓度,Ca,2+,维持：进行生理活动的戒备状态,Ca,2+,泵（,Ca,2+,-ATP,酶）：维持胞质中低浓度,Ca,2+,结构和功能上与,Na,+,-K,+,泵类似，,通过磷酸化与去磷酸化进,行泵吸活动循环,