细胞膜物质的跨膜运输与信号转导PPT课件.ppt

第四章细胞膜 物质跨膜运输与信号转导 单位膜 指任何生物膜在电镜下都呈现 两暗一明 三层结构 这三层结构称为单位膜 生物膜 细胞膜 细胞内膜 生物膜 biomembrane 细胞膜 细胞质 一 细胞膜的化学组成 脂类50 蛋白质40 50 糖类1 10 细胞膜 第一节细胞膜的化学组成与分子结构 一般地说 功能多而复杂的膜 蛋白质 脂类大 功能少而简单的膜 蛋白质 脂类小 膜脂 磷脂 最重要的脂类 糖脂 胆固醇 一 膜脂构成细胞膜的基本骨架 膜脂 生物膜上的脂类统称膜脂 磷脂 磷脂酰肌醇 磷脂酰胆碱 卵磷脂 磷脂酰乙醇胺 脑磷脂 磷脂酰丝氨酸 磷酸甘油酯 神经鞘磷脂 鞘磷脂 1 磷脂 极性头部基团 亲水 非极性尾部基团 疏水 X 甘油 磷酸 磷酸化醇 磷脂的分子结构特点 双亲性分子 兼性分子 1个亲水头部 磷脂酰碱基 2条疏水尾 脂肪酸链 Cellmembrane Structure 半乳糖苷脂 糖脂分子 2 糖脂 3 胆固醇 极性头部 固醇环结构 非极性尾部 功能 双向调节膜的流动性 增强膜的稳定性 水 水 水 磷脂分子团 磷脂双分子层 磷脂脂质体 实验显示 质膜由两层磷脂分子层组成 二 膜蛋白执行细胞膜的多种功能 膜蛋白 生物膜所含的蛋白质 膜蛋白 外在膜蛋白 外周蛋白 20 30 内在膜蛋白 跨膜蛋白 70 80 脂锚定蛋白 1 单次穿膜 脂质双层 非胞质面 胞质面 1 2 3 4 5 2 多次穿膜 3 直接与脂双层的碳氢链形成共价键进行锚定 4 通过与非胞质面的磷脂酰肌醇 GPI 结合的寡糖链结合而被锚定 脂锚定蛋白 5 外在蛋白 内在蛋白 膜糖类 糖类 10 膜脂 共价键 糖脂 糖类 90 膜蛋白 糖蛋白 共价键 脂双层 膜蛋白 细胞衣 膜糖类分布特点 膜的非胞质面 细胞表面 cellsurface 是以质膜为主体 包括质膜和质膜外侧的细胞外被和质膜内侧的胞质溶胶层共同组成的一个多功能复合结构体系 2 细胞外被 细胞衣 糖萼 中的糖类与糖蛋白和糖脂相连的糖链 被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白的糖链 流动性和不对称性 二 细胞膜的特性 一 不对称性 1 膜脂分布的不对称性 种类 数量有明显不同 胞质侧 磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸 非胞质侧 磷脂酰胆碱和鞘磷脂 胆固醇 糖脂 2 膜蛋白分布的不对称性 分布位置 数量 穿膜方向 活性位点内外不对称 细胞膜内层多于外层 糖蛋白 糖脂上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧 3 膜糖类分布的不对称性 非胞质面 4 细胞膜内侧面分布有微管 微丝 不对称性的生物学意义 决定了膜内外表面功能的不对称性 1 侧向扩散 2 旋转运动 3 翻转运动 膜脂分子的运动方式 4 弯曲运动 5 伸缩和振荡运动 2 膜脂的流动性 3 影响膜脂流动性的因素 1 脂肪酸链的饱和程度 2 脂肪酸链的长度 3 胆固醇的影响 4 卵磷脂 鞘磷脂的比例 6 其它因素 饱和程度高 流动性小饱和程度低 流动性大 链长 流动性小链短 流动性大 双向调节膜的流动性 浓度越高 膜流动性越趋于稳定 此比例小 流动性小此比例大 流动性大 环境温度 PH 离子强度等 5 膜蛋白的影响 越多 流动性越小 4 膜蛋白的流动性 膜蛋白分子的运动方式 1 侧向扩散 2 旋转运动 小鼠细胞 人膜蛋白抗体 人膜蛋白 抗原 异核细胞 小鼠膜蛋白抗体 荧光素 人膜蛋白抗体 罗丹明 小鼠膜蛋白抗体 小鼠膜蛋白 抗原 人细胞 孵育 37 40分钟 三 细胞膜的分子结构模型 1 生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体 2 膜蛋白以各种形式与脂质双分子层结合 4 细胞膜具有流动性 膜上各成分处于动态平衡之中 3 细胞膜具有不对称性 镶嵌蛋白界面脂 要点 1 膜蛋白对脂类分子流动性的控制作用 呈小片点状分布 2 脂类分子流动的不均一性说明了生物膜既有流动性又有相对完整性和稳定性 晶格镶嵌模型 晶格 Jain White 1977 要点 流动的脂质双分子层中存在许多大小不同 刚性较大 彼此独立移动的脂质区 有序结构的板块 有序结构的板块之间被流动的脂质区 无序结构的板块 所分割 生物膜是因不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构 板块镶嵌模型 细胞膜的物质运输 膜内外物质的运输 小分子 离子 大分子 颗粒 胞吐作用 胞吞作用 跨膜运输 膜泡运输 简单扩散 主动运输 易化扩散 被动运输 高浓度 低浓度 脂质双分子层 电化学梯度 一简单扩散freediffusion 简单扩散 1 物质的转运是从高浓度向低浓度方向2 不耗能3 溶质能直接透过膜 第二节小分子物质的跨膜运输 能进行简单扩散的物质 脂溶性物质如苯 醇 甾类激素以及O2 N2等 某些极性分子 如水 尿素 甘油 CO2等 不带电荷 分子小 肺泡与肺毛细血管之间的气体交换 二 膜转运蛋白介导的跨膜运输 易化扩散 1 物质的转运是从高浓度 电化学梯度 向低浓度 电化学梯度 方向2 不耗能能量 属于被动运输3 被转运物质为非脂溶性 或亲水性 的小分子 需要膜转运蛋白 载体蛋白或通道蛋白 协助 膜转运蛋白 高浓度 低浓度 电化学梯度 通道蛋白 离子通道扩散的特点 通道蛋白在转运过程中不与溶质分子结合对离子大小和所带电荷具有高度选择性转运速率高多数通道蛋白不持续开放 受 闸门 控制 一 通道蛋白 离子通道 介导的易化扩散 配体门控通道电压门控通道应力激活通道 门控通道的类型 高浓度 低浓度 电化学梯度 1 配体门控通道 典型配体门控通道 乙酰胆碱受体 2 电压门控通道 闸门开放时间只有几毫秒 随即迅速自发关闭电压门控通道存在于可兴奋细胞 如神经元细胞 肌细胞 二 载体蛋白介导的易化扩散 载体蛋白可运输一些亲水性物质 如 氨基酸 葡萄糖 核苷酸 载体蛋白 高浓度 低浓度 电化学梯度 被转运物质与载体暂时 可逆结合借助构象变化完成运输选择性和特异性可饱和性 存在最大转运速度 载体介导的易化扩散特点 三 载体蛋白介导的主动运输 逆浓度梯度或电化学梯度需要能量需载体蛋白参与 主动运输 1ATP驱动泵 钠钾泵 化学本质 Na KATP酶 既是载体又是酶 化学组成 Na K ATP酶 大亚基 小亚基 跨膜蛋白 催化部位 内侧 Na ATP的结合部位 外侧 K 乌本苷结合部位 膜外半嵌入的糖蛋白 作用不详 细胞内 浓度梯度 30倍 浓度梯度 13倍 Na K Na Na Na Pi Na K K 钠结合部位 K Pi 钾结合部位 运输过程 Na K 细胞外 工作效率 1个ATP酶分子每秒钟水解1000个ATP分子 每水解1分子ATP所释放的能量可泵出3个Na 同时泵入2个K 生理意义 A 维持渗透压 维持恒定的细胞体积 B 产生和维持膜电位 C 为某些物质的吸收提供驱动力 D 为蛋白质的合成及代谢活动提供必要的离子浓度 Ca2 泵 Ca2 ATP酶 分布位置 肌细胞的肌浆网 所有真核细胞的细胞膜作用 维持细胞内较低的钙离子浓度 细胞内Ca2 浓度10 7M 细胞外10 3M 工作原理 与Na K 泵相似 通过磷酸化和去磷酸化过程使构象改变 结合与释放Ca2 特性 泵出2个Ca2 每分子ATP 2 离子浓度驱动的协同运输 间接消耗ATP 动力来自膜两侧Na 或H 电化学梯度协同运输过程由特异的载体蛋白完成同向运输与对向运输 根据溶质运输方向与Na 顺浓度转移方向 共运输 同向运输 物质运输方向与Na 转移方向相同 如小肠上皮细胞 肾小管上皮细胞对葡萄糖 氨基酸的吸收 Na 葡萄糖 2Na 1分子葡萄糖 对向运输 物质运输方向与Na 转移方向相反举例动物细胞Na H 交换载体 利用Na 顺浓度内流排出细胞内的H 以调节细胞内PH值 Na Ca 交换载体 利用Na 内流排出细胞内的Ca 壁细胞分泌盐酸时其质膜上多种转运蛋白的协同作用 小分子物质跨膜运输 被动运输 简单扩散 主动运输 易化扩散 Na K 泵 Ca2 pump Na 葡萄糖协同运输 小结 Na H 协同运输 巨噬细胞 细胞核 细胞质 第三节大分子和颗粒物质的膜泡运输 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 细胞的吞噬作用过程 膜的融合与断裂 耗能 吞噬作用 胞饮作用 吞噬体 胞饮体 膜泡运输 胞吞作用 胞吐作用 胞饮作用 吞噬作用 受体介导的内吞作用 1吞噬作用 仅部分细胞具有吞噬功能 如中性粒细胞 单核细胞 巨噬细胞吞噬的对象为入侵的微生物 损伤和死亡的细胞等起防御作用 一胞吞作用 2胞饮作用 绝大多数细胞具有胞饮功能细胞进行胞饮时会吞入大量细胞外液 1 概念 是细胞通过受体的介导摄取细胞外专一性蛋白质或其他化合物的过程 2 特点 1 存在配体 受体的识别 结合过程 特异性极强2 具有选择浓缩作用 不需要吞入大量细胞外液 3 网格蛋白包被的膜泡 coatedvesicle 运输 3受体介导的内吞作用 低密度脂蛋白颗粒 实例 细胞摄取LDL颗粒 获得胆固醇 LDL颗粒 低密度脂蛋白 LDL受体 有被小窝 有被小泡 内吞 去被 无被小泡 胞内体 融合 受体与LDL颗粒分开 含受体部分 受体再循环 含LDL颗粒部分 内体性溶酶体 融合 吞噬性溶酶体 游离胆固醇 释出 有被小窝 coatedpit 是质膜上受体集中的特定区域 此区域质膜向内凹陷 内表面覆盖一层由网格蛋白和衔接蛋白组成的毛刺状电子致密物 有被小泡 coatedvesicle 有被小窝形成后进一步内陷 与质膜断离后形成有被小泡进入细胞 被 网格蛋白 捕获膜受体 牵拉质膜内陷形成有被小泡 衔接蛋白 连接网格蛋白与受体 参与 被 的形成 网格 笼形 蛋白包被的膜泡 受体向有被小窝集中与LDL结合 有被小窝凹陷 缢缩形成有被小泡进入细胞 有被小泡迅速脱去外被形成无被小泡 无被小泡与内体融合 在内体酸性环境下LDL与受体解离 受体经转运囊泡返回质膜 被重新利用 含LDL的内体与溶酶体融合 LDL被分解释放出游离胆固醇 LDL受体介导的胞吞作用 二 胞吐作用 适用对象激素酶类抗体未消化的食物残渣 包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面 与质膜融合 将物质排出细胞之外的过程 一 连续性分泌 定义 连续性分泌途径指分泌蛋白在粗面内质网合成后 转运至高尔基复合体修饰 浓缩 分选 装入分泌膜泡 随即被运送到细胞膜 与质膜融合 将分泌物排出的过程 分布 普遍存在于所有的动物细胞中 二 受调分泌 定义 调节性分泌途径是指细胞分泌蛋白合成后被储存于分泌囊泡内 只有当细胞接受到细胞外信号的刺激 才能启动胞吐过程 将分泌物释放到细胞外 分布 存在于分泌激素 酶 神经递质的特化细胞中 第四节细胞膜与信号转导 信号转导 信号分子 配体 通过与细胞膜上或胞内的受体特异性结合 将信号转换后传给相应的胞内系统 使细胞对外界信号做出适当的反应 这一过程称为信号转导 二受体 是一类存在于胞膜或胞内的特殊蛋白质 能够特异性识别并结合胞外信号分子 进而激活胞内一系列生化反应 使细胞对外界刺激产生相应的效应 一信号 配体 细胞外能够作用于细胞的有生物活性的化学物质 信号 配体 靶细胞 受体 产生第二信使 激活一系列生化反应 细胞应答 第一信使 化学信号 神经递质 局部化学介质 激素 膜受体 胞内受体 受体的类型 膜受体 分布在细胞膜上的一类镶嵌蛋白 胞内受体 分布在细胞质和细胞核内 受体能选择性地与特定配体结合配体具备强的亲和力受体配体结合后显示可饱和性受体 配体的结合具有可逆性受体 配体的结合可通过磷酸化和去磷酸化调节 受体的作用特点 膜受体的结构 细胞外域 胞内域 受体向着细胞外部分 多为糖蛋白 可识别不同的配体 狭义受体指此部位 受体向着细胞质部分 起信号传递作用 受体与配体结合后被激活 引起一系列变化 产生相应的生物效应 受体跨膜部分 将受体固定在细胞膜上 跨膜域 膜受体的分类 离子通道型受体 蛋白偶联受体 酪氨酸蛋白激酶型受体 G蛋白偶联受体 由单一多肽链组成 带有7个跨膜疏水区域 NH2端朝向细胞外 COOH端面向细胞质 1 G蛋白偶联受体 2 G蛋白 鸟苷酸结合蛋白 共同特征 1 三个亚基组成2 亚基能结合GTP或GDP 具有GTP酶活性功能 构象改变后可激活效应蛋白 使后者活化 实现信号转导 效应蛋白 腺苷酸环化酶 AC 鸟苷酸环化酶 GC 磷脂酶C 离子通道 1 静息状态 受体未与配体结合 G蛋白与受体分离 无活性G蛋白呈异三聚体形式 亚基结合GDP 2 配体与受体结合 受体激活 受体分子构象改变 受体结合G蛋白 亚基 亚基构象改变 与GDP结合力变弱 与GTP结合力变强 G蛋白被激活 3G蛋白的作用机制 3 G蛋白激活 亚基结合GTPG蛋白异三聚体解离 变为 和 亚基两部分 并沿着细胞膜扩散 作用于下游效应蛋白 完成信号从胞外传递到胞内 效应蛋白 4 配体与受体分离 G蛋白复原失活 亚基水解其结合的GTP变为GDPG蛋白 亚基重新与 亚基结合构成三聚体 G蛋白回复静息状态 静息状态 受体激活 G蛋白激活 G蛋白复原失活 三细胞内信使 第二信使受体被激活后在细胞内产生的 能介导信号转导的活性物质 又称为第二信使 cAMP 甘油二脂 DG 三磷酸肌醇 Ip3 cGMP NO Ca2 1998年R Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖 RobertF Furchgott LouisJ Ignarro FeridMurad 第五节细胞膜异常与疾病 一 载体蛋白异常与疾病二 离子通道异常与疾病三 膜受体异常与疾病四 G蛋白异常与疾病 载体蛋白异常与疾病 一胱氨酸尿症 病人肾小管上皮细胞转运胱氨酸的载体蛋白缺陷 二肾性糖尿 病人肾小管上皮细胞转运葡萄糖的载体功能缺陷 葡萄糖重吸收障碍 离子通道异常与疾病 囊性纤维化 白种人常见致死性常染色体隐性遗传病氯离子通道遗传性缺失 家族