细胞膜动力学和跨膜信号通讯.ppt

第2章 细胞膜动力学和跨膜信号通讯 第一节细胞膜超微结构及物质跨膜转运一 生物膜的分子结构及其组成1895年 人们发现甲基脲 脂溶性 很容易穿过细胞膜 因此推测细胞膜的组成与脂有关 1925年 Donman发现 细胞膜具有双分子层结构 细胞膜与细胞内细胞器的膜具有同样的结构形式 故称单位膜 1952年 在电镜下观察呈 双轨 结构形式 总厚度为7 10nm 1972年 Singer等人提出细胞膜的 液态镶嵌模型 质脂双层分子 构成膜的基本骨架 呈液晶状 具有流动性 蛋白质 生物膜的很多功能都取决于膜蛋白质的类型 内在蛋白质 镶嵌于膜中 是细胞膜上的受体 酶和离子通道等 细胞膜的各种功能 主要取决于蛋白质 表在蛋白质 存在于细胞膜的内侧 使膜变形 糖链 只存在于膜的外表面 成为细胞的 标志 并结合特殊的化学物质 从而发挥生理功能 细胞膜的特点A 细胞膜中的分子具有侧向流动性 B 结构上内 外侧不对称性 同时决定了细胞膜在功能上内 外侧也是不对称的 二 细胞的跨膜物质转运 细胞膜是一个有选择性的半透膜 对不同的物质其通透性不一样 物质通过膜的难易程度称之为通透性 物质跨膜转运的方式主要分为以下三种类型 单纯扩散 膜蛋白介导的跨膜转运 出胞和入胞作用 一 单纯扩散 simplediffusion 单纯扩散 脂溶性的小分子物质定向从浓度高的一侧转运到浓度低的一侧 这种纯物理学的被动扩散叫做单纯扩散 扩散速率 A T C1 C2 r d其中 A 扩散面积 T 温度 C1 C2 浓度差 r 分子半径 d 扩散距离 影响通透性的因素 主要是膜两侧的浓度差 其次还有物质的脂溶性大小 温度 分子量的大小 电场力等 在机体中 如CO2 O2等 均为单纯扩散 细胞膜对不带电荷的水溶性小分子物质是不通透的 但是它们可以通过细胞膜中的水孔蛋白出入细胞 二 膜蛋白介导的跨膜转运 一些物质跨膜转运需要细胞膜蛋白的介导 这些蛋白称为膜转运蛋白 如载体和通道 通过膜蛋白转运的速度要比单纯扩散快得多 根据是否消耗ATP 膜蛋白转运又分为被动转运和主动转运 如果是依靠膜蛋白质的帮助 逆着物质的浓度梯度和电势梯度转运 消耗细胞代谢产生的ATP 称之为主动转运 如果是依靠膜蛋白的帮助 顺着物质的浓度梯度或电势梯度由高到低转运 不消耗细胞代谢产生的ATP 属于被动转运 这称之为易化扩散 facilitateddiffusion 分为载体转运和通道转运2种方式 1 由载体介导的易化扩散 所谓载体 carrier 是镶嵌于细胞膜中的蛋白质 它们的分子结构中存在着数量不等的与某些特定物质的结合位点 某些物质在高浓度一侧与结合位点结合 促使分子构型改变 将结合的物质变换到低浓度一侧 此时物质与结合位点的亲和力降低 于是被释放到低浓度一侧 此后载体的分子构型复原 开始下一轮的转运 在体内 葡萄糖 氨基酸等跨膜转运都是通过载体转运完成的 载体是以其专门转运的物质来命名的 如葡萄糖载体等 载体转运的特点 A 特异性载体的结合位点具有选择性 只与特定分子结构的物质结合 B 饱和性细胞膜上某种物质的结合位点数目是有限的 在一定的范围内 扩散的通量与物质的浓度成正比 但是一旦超过了载体结合位点的数量 其扩散通量就不再增加 这为扩散通量的饱和 C 竞争性抑制如果载体的结合位点能与分子结构相近似的物质A和B都能结合转运 当转运物质A多时 必然转运物质B就少 反之亦然 物质A和B的转运就出现竞争性抑制 2 由通道介导的易化扩散 所谓通道 channel 实际上就是镶嵌在细胞膜中的蛋白质在其分子内部形成的一种孔道 允许直径小于它的一些特定物质顺着其势能差快速通过 其通过速度远远快于载体转运 通道也具有一定的专一性 大多以通道可以通过的物质来命名 如钾通道 钙通道等 一般情况下 通道处于关闭状态 只有被一定的因素激活后才能使物质通过 随后 通道便恢复原来的关闭状态 控制通道开关的机制称为门控 gatecontrol 根据控制通道开关的机制可分为 电压门控通道和化学门控通道 对于电压门控通道 存在着如下三种不同的状态 刺激 准备状态 关闭 失活状态 关闭 激活状态 开放 如上三种状态只能依次转化 不能逆转或者跨越转化 失活与关闭是不同的两种状态 失活状态使得细胞兴奋后处于绝对不应期 对任何刺激不再产生兴奋 3 原发性主动转运 指细胞直接利用代谢产生的能量 ATP 将物质 通常是带电离子 逆浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运过程 位于细胞膜上进行原发性转运离子的蛋白质一般称之为离子泵 ionpump 在转运过程中需要分解ATP 因此离子泵本质上也是一种ATP酶 转运过程 参见教材P14图2 3 1 泵蛋白首先分解ATP 使蛋白质磷酸化 此时它对某种离子的亲和力比较高 结合上被转运的离子 2 泵蛋白分子构型改变 使结合的离子转向膜的另一侧 此时泵蛋白结合的磷酸基团脱离 对离子的亲和力降低 将了离子释放出 3 于是泵蛋白分子构型复原 再次分解ATP磷酸化 开始下一轮的转运 钠 钾泵 钠 钾泵 又称为钠 钾依赖ATP酶 它普遍存在于动物的各种细胞膜上 也是目前研究最多的一种离子泵 当细胞内液的Na 浓度升高 细胞外液K 浓度升高时 在Mg2 的参与下 它可以分解ATP 每分解一个ATP分子 可以向细胞外液泵出3个Na 与此同时向细胞内液摄入2个K 钠 钾泵由于向膜两测转运的电荷数量不等 因此是一种生电泵 钠钾泵的工作方式 钠泵活动的生理意义 细胞内高K 胞内代谢反应所必需 膜内外K Na 浓度差 RP AP产生前提 维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定 生电性活动 影响RP数值 胞外高Na 势能储备 GS AA继发性主动转运 Na H 交换 维持胞内pH稳定 Na Ca2 交换 维持胞内Ca2 浓度稳定 4 继发主动转运 secondaryactivetransport 又简称联合转运 细胞膜间接利用钠泵分解ATP释放的能量完成的主动转运 即细胞膜利用钠泵分解ATP释放的能量所建立起的细胞膜内外Na 浓度差的势能储备 再由转运体蛋白完成的逆电化学梯差的跨膜转运 如 小肠粘膜上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收GS AA为继发主动转运 介导继发主动转运的是特殊的转运蛋白 转运体 transporter 在继发性主动转运中 离子的转运永远是顺着自己的浓度差进行的 下坡运动 而被转运的分子永远是逆着自己的浓度差进行的 上坡运动 如果转运的离子与被转运的分子向着同一方向移动 称之为同向转运 cotransport 如近曲肾小管葡萄糖 氨基酸的重吸收 如果这样的离子与被转运的分子向相反的方向移动 则称之为反向转运 countertransport 譬如肾小管分泌K 和H 与Na 的反向偶联 参加下一页示意图 Na 葡萄糖的同向转运示意图 肾小管上皮细胞对葡萄糖 GS 的转运 基侧膜钠泵活动 Na 浓度势能差 管腔膜Na GS同向转运体 GS再易化扩散入血 转运体transporter 转运体和载体具有相似的转运机制 也会出现饱和现象 同向转运体反向转运体 交换体 三 胞吞和胞吐作用 这同样是一种主动的转运方式 一般转运的物质多是大的团块物质 它们不能通过载体 通道转运 只能以胞吞 endocytosis 和胞吐 exocytosis 的方式完成 1 胞吞是指将某些团块物质转入到细胞内部 如果被胞吞的物质是固体颗粒 则称之为吞噬 如白细胞吞噬细菌 如果被胞吞的物质是液体团块 则称之胞饮 1 胞吞 胞饮分为如下三种形式A 胞吮 potocytosisw 是一种毫无选择性的将胞外的液体和溶质可连接不断地吞入胞内的形式 B 胞膜窖胞饮 这种入胞形式需要受体的介导 只允许特异分子进入胞内 所以对转运分子具有很高的选择性 这种入胞形式往往只发生在脂膜 通过小面积的膜内陷方式将物质转运到胞内 胞膜窖的受体并不与整个蛋白相连 是通过糖脂锚接在细胞膜上 c 受体介导式胞吞 2 胞吐 又称之为出胞 是指细胞内的物质通过分泌囊泡的形式排出细胞的过程 譬如神经末梢释放神经递质的过程 胞吐过程示意图如右 第二节细胞间通讯和信号转导 人类的机体是由上万亿个细胞构成的 它们之间只有通过彼此的通讯联系才能构成有机的统一整体 细胞释放的信号分子 大多数都要通过细胞外液选择性的作用于靶细胞膜上的特异性受体 然后才能引起靶细胞生理功能的改变 信息的这种传递形式称为跨膜信号传递 细胞间通讯的机制分为电信号传递和化学信号传递两大类型 因此也就产生了如下三种通讯传递方式 1 电信号或者化学信号通过缝隙连接或胞间连接直接传递 2 通过旁分泌 自分泌或者神经调质进行局部的化学通讯 3 使用电信号和化学信号相结合进行长距离的通讯 无论使用哪种通讯方式 首先都是通过激活细胞膜表面或者胞内的受体 或者是引起膜蛋白参与的离子通道的变化 一 离子通道受体介导的跨膜信号传递 离子通道是由镶嵌在细胞膜中的特异蛋白质构成的 往往有几个不同的亚基组成 其中有的亚基本身就是受体 当与特异性物质结合后 使通道的构型发生改变 从而使离子通道开放 这种直接受化学分子控制的离子通道称之为化学门控通道 chemicallygatedchannel 有的离子通道蛋白质对电压特别敏感 一旦细胞膜两侧的电压发生改变 则使通道蛋白的构型发生改变 从而使开放或者关闭 这种直接受膜电压控制的离子通道称为电压门控通道 voltagegatedchannel 一 化学门控通道 例如 烟碱型通道 受乙酰胆碱控制 基本模式 配体 受体 离子通道开放 离子跨膜流动 信号传入细胞化学门控通道一般都是以激活它们的化学信号来命名的 如Ach Acetylcholine 通道等 如 烟碱型Ach受体 结合Ach以后 使通道开放 引起Na K 的易化扩散 使细胞的膜电位发生改变 二 电压门控通道 这种离子通道的蛋白分子结构中存在着对电位敏感的基团 一旦膜电位去极化到达某临界数值 即可使离子通道开放 实现离子的跨膜转运 虽然也有少量的离子通道总是处于开放状态 但大多数的离子通道属于门控式的 基本模式 膜去极化达临界值 离子通道开放 离子跨膜流动 完成信号传递过程目前为止已经发现的电压门控通道中 Na 通道有3种 K 通道有5种 Ca 通道有3种 电压门控Na 通道的分子结构示意图可参见教材P22图2 9 二 G蛋白偶联受体介导的信号转导 某些含氮类激素作用于靶细胞膜上的受体发挥生理作用时 是通过改变细胞内cAMP的含量实现的 因此 激素被称为第一信使 而cAMP被称为第二信使 近年来大研究发现 从第一信使将信使的作用传递给第二信使时 中间有三种蛋白质参与了这个过程 它们分别是 受体蛋白 G蛋白 鸟苷酸结合蛋白 和膜效应酶 过程如下 激素与膜受体结合 激活G蛋白使G蛋白的 亚单位分离 亚单位与腺苷酸环化酶结合 并使腺苷酸环化酶激活 膜效应酶 腺苷酸环化酶分解ATP 产生cAMP 第二信使 cAMP再激活蛋白激酶 蛋白激酶再激活离子通道 使膜的离子通透性改变 生理效应 信号进入细胞内部需要说明的是 1 在某些细胞 G蛋白还可以抑制某些酶的活性 从而使得细胞内的第二信使含量减少 2 第二信使不仅仅是cAMP 还发现如cGMP 三磷酸肌醇IP3 二酰基甘油DG Ca 等也可作为细胞的第二信使起作用 三 激酶相关受体介导的跨膜信号转导 这类受体分子不与G蛋白偶联 而是与激酶激活有关 当信号分子在细胞外与受体结合后 可直接激活受体自身的酪氨酸激酶活性 一 激酶受体1 酪氨酸激酶受体 位于细胞膜内 信号分子