细胞膜-医学细胞生物学.ppt

第三章细胞膜 CELLMEMBRANE 第三章细胞膜 第一节细胞膜的化学组成第二节细胞膜的分子结构第三节细胞膜的特性第四节细胞膜的功能第五节细胞膜表面 第一节细胞膜的化学组成 细胞膜 cellmembrane 包围在细胞外周的一层薄膜 又称质膜 plasmamembrane 脂类30 80 蛋白质20 70 细胞膜成分糖类2 10 水少量无机盐少量 第一节细胞膜的化学组成 膜脂磷脂胆固醇糖脂 第一节细胞膜的化学组成 磷脂磷脂酰胆碱 卵磷脂 磷酸甘油酯磷脂酰乙醇胺 脑磷脂 磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇神经鞘磷脂 鞘氨醇的衍生物 以鞘氨醇代替了磷酸甘油酯中的甘油亲水头结构特点疏水尾 极性头部 疏水尾部 磷脂酰胆碱 兼性分子 几种磷酸甘油脂 鞘磷脂 鞘磷脂 sphingomyelin SM 是唯一一个不以甘油为骨架的磷脂分子 与磷酸甘油酯不同的是 鞘磷脂是以鞘胺醇 sphingoine 代替了甘油 亲水头部也含胆碱与磷酸结合 在脑和神经细胞膜中特别丰富 原核细胞 植物中没有鞘磷脂 第一节细胞膜的化学组成 胆固醇 只存在于真核细胞中 由四个联合在一起的碳环构成 具有刚性 胆固醇主要存在真核细胞膜上 含量一般不超过膜脂的1 3 植物细胞膜中含量较少 功能 1 提高脂双层的力学稳定性2 调节脂双层流动性3 降低水溶性物质的通透性 胆固醇散布于磷脂分子之间 其极性头部紧靠磷脂分子的极性头部 3 糖脂 鞘氨醇的衍生物糖脂也是两性分子 其结构与鞘磷脂很相似 只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合 半乳糖脑苷脂 最简单的糖脂 在髓鞘的多层膜中含量丰富 神经节苷脂 变化最多 最复杂的糖脂 其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基 神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分 兼性分子 分子结构中含亲水的极性头部和疏水尾部两部分 也称双亲媒性分子 Glycolipids 膜脂都是两性物质 都具有亲水的极性头和疏水的非极性的尾 大多数磷脂和糖脂在水溶液中能够自动形成双分子层结构 当这些兼性分子被水环境包围时 它们就聚集起来 将疏水的尾部埋在里面 亲水的头部露在外面与水接触 可能有两种形式 形成球状的分子团 micelles 把尾部包在里面 或者形成双分子层 bilayers 把疏水的尾部夹在头部的中间 或形成脂质体 liposome 不同数量的脂质在水中的存在情况 第一节细胞膜的化学组成 膜蛋白 membraneprotein 生物膜所含的蛋白质 根据其与膜脂结合方式的不同分为内在蛋白和外在蛋白两类 内在蛋白 intrinsicprotein 贯穿膜脂双层或插入膜脂双层的内外两侧面 以非极性氨基酸与脂质双层分子的非极性疏水区相互作用 结合在质膜上 不溶于水 也称镶嵌蛋白 膜整合蛋白 跨膜蛋白 第一节细胞膜的化学组成 外在蛋白 extrinsicprotein 分布在质膜脂双层的内外两侧 与膜脂极性头部结合 或通过与内在蛋白相互作用 间接与膜结合 溶于水 也称外周蛋白 peripheralprotein 暴露在膜外侧的膜蛋白常与寡糖链以共价键结合 形成糖蛋白 内在蛋白 脂锚定蛋白 外在蛋白 膜蛋白具有以上四种主要功能 其中连接功能中包含了教材中所列举的细胞运动功能 膜内在蛋白 第一节细胞膜的化学组成 膜糖类 膜碳水化合物 不单独存在 以糖脂或糖蛋白的形式存在 这些糖主要是多分枝的寡糖 一个糖蛋白可有许多低聚糖侧链 而一个糖脂只带一个低聚糖链 与细胞识别 细胞黏附 信号接收 免疫应答等方面都有关系 糖脂和糖蛋白 质膜结构的研究历史 1 E Overton1895发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜 而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜 因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成 2 E Gorter F Grendel1925用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分 将其铺展在水面 测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积 因而推测细胞膜由双层脂分子组成 3 H Davson J Danielli1935发现质膜的表面张力比油 水界面的张力低得多 推测膜中含有蛋白质 1959年在上述基础上提出了修正模型 认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道 供亲水物质通过 4 J D Robertson1959用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片 显示暗 明 暗三层结构 它由厚约3 5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成 总厚约7 5nm 5 S J Singer G Nicolson1972根据免疫荧光技术 冰冻蚀刻技术的研究结果 提出了 流动镶嵌模型 第二节细胞膜的分子结构 一 单位膜模型 unitmembranemodel 单位膜 生物膜在电镜下均可呈现出三层夹板式结构 上下两层为电子密度较高的暗层 厚度为2nm 而中间为电子密度较低的明层 厚度 nm 这种具有暗 明 暗三层结构 总厚度 nm 的膜即为单位膜 单位膜模型 单位膜模型 第二节细胞膜的分子结构 单位膜模型的意义 指出了生物膜在形态结构上的一个共性 暗 明 暗三层结构 单位膜模型的缺点 把各种膜视为一种单一的静态结构 不能圆满解释膜的动态变化和各种重要功能 膜的厚度不都是7 5nm 而是5 10nm 不能解释有些蛋白质难以从膜分离出来 而另一些蛋白质容易分离 第二节细胞膜的分子结构 二 液态镶嵌模型 fluidmosaicmodel 1972年 Singer等人提出主要论点 细胞膜是一个可塑的 流动的并嵌有蛋白质分子的类脂双分子层结构 脂质分子在膜中紧密排列成栅栏状 其间嵌有蛋白质 所有脂类分子亲水端 甘油端 向着膜的表面 疏水端 脂肪酸链端 朝向膜的中央 流动的脂质分子构成了细胞膜的连续主体 具有很低的通透性 所以是很好的隔膜 第二节细胞膜的分子结构 蛋白质分子像岛屿一样镶嵌在脂质分子中 有的贯穿于脂质分子全层 双层 还有的嵌于膜中 这种蛋白质称为内在性蛋白或镶嵌蛋白质 有些蛋白质分子附着在膜的内外两个表面 这类分子称为外在性蛋白或附着蛋白 表现出蛋白质分布的不对称性 糖类附着于膜的外表面 与蛋白质和脂类的亲水端相结合 构成糖蛋白和糖脂 脂质双分子层 极性头部 疏水尾部 镶嵌蛋白 外周蛋白 糖蛋白 糖脂 第二节细胞膜的分子结构 液态镶嵌模型 第二节细胞膜的分子结构 液态镶嵌模型的优点 保留了单位膜的脂双层的正确概念 蛋白质分布具有不对称性 膜脂兼具有序性和流动性液态镶嵌模型的缺点 忽视了蛋白质分子对脂质分子的控制作用 不能说明具有流动性的细胞膜在变化中如何维持其相对完整和稳定性 第三节细胞膜的特性 一 流动性 膜蛋白和膜脂处于不断的运动状态 液态液晶态晶态相变温度膜脂的流动性流动性膜蛋白的流动性 第三节细胞膜的特性 膜脂的流动性 运动方式 侧向扩散 旋转 摆动 伸缩震荡运动 翻转 旋转异构运动 围绕C C键旋转 膜脂的分子运动 1侧向扩2旋转运动3摆动运动4伸缩震荡5翻转运动6 旋转异构散运动运动运动 第三节细胞膜的特性 影响因素 脂肪酸链的长度 脂肪酸链的饱和度 胆固醇 卵磷脂和鞘磷脂的比值 其它 PH 金属离子 胆固醇 在相变温度以上时 限制膜的流动性在相变温度以下时 增强膜的流动性增强细胞膜稳定性的作用 第三节细胞膜的特性 膜蛋白的流动性 运动方式 侧向扩散 旋转 膜蛋白的流动性 运动方式 侧向扩散 旋转 第三节细胞膜的特性 影响因素 内在蛋白聚集成群集状态 内在蛋白与外在蛋白形成桥形网络结构 膜流动性的生理意义 保证其正常功能的必要条件 跨膜物质运输 细胞信息传递 细胞识别 细胞免疫 细胞分化以及激素的作用等都与膜的流动性密切相关 第三节细胞膜的特性 膜的不对称性是指细胞膜脂双层中各种成分不是均匀分布的 包括种类和数量的不均匀 膜脂 膜蛋白和复合糖在膜上均呈不对称分布 导致膜功能的不对称性和方向性 使物质传递有一定方向 信号的接收和传递也有一定方向等 二 不对称性 细胞表面一侧的脂质层称为外小页 细胞质面一侧的脂质层称为内小页 第三节细胞膜的特性 第三节细胞膜的特性 膜蛋白的不对称性分布的不对称性是绝对的 并由此引起功能的不对称性 1 跨膜蛋白 血型糖蛋白 N端在外侧2 酶蛋白内侧 腺苷酸环化酶外侧 磷酸二酯酶 ATP酶3 糖蛋白 外侧4 细胞骨架蛋白 内侧 第三节细胞膜的特性 膜脂的不对称性 分布的不对称性 磷脂外侧 磷脂酰胆碱 鞘磷脂内侧 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸 胆固醇主要在外侧 糖脂外侧膜分子结构的不对称性决定了膜内外表面功能的不对称性 并具方向性 表现在无论在任何情况下 糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面 三 复合糖的不对称性 膜结构不对称性的意义 保证了膜的方向性功能提供了膜两侧功能上不同的结构条件对于细胞间的联系 同类细胞间的相互粘着以及细胞识别等有一定的作用 例如 调节细胞内外Na K 浓度的Na K ATP酶 该酶的ATP结合位点位于内表面 许多接收细胞外信号的激素受体 则位于细胞膜的外侧 第四节细胞膜的功能 细胞膜与物质运输膜受体膜抗原 第四节细胞膜的功能 一 细胞膜与物质运输通透性 permeability 细胞膜允许一定物质穿过的性能 选择性 selectivity 细胞膜只允许特定分子以特定方式通过 第四节细胞膜的功能 运输方式简单扩散被动运输小分子物质穿膜运输易化扩散主动运输胞饮内吞大分子物质膜泡运输吞噬胞吐受体介导的内吞作用 第四节细胞膜的功能 1 被动运输 passivetransport 物质顺浓度梯度 即由浓度高的一侧通过膜运输到浓度低的一侧的穿膜扩散 不需要消耗代谢能量 简单扩散 simplediffusion 不需能量 不需专一的膜蛋白分子 顺浓度梯度的穿膜扩散 也称单纯扩散或自由扩散 如H2O CO2 乙醇 尿素等 一 小分子物质穿膜运输 生命的基本单位 细胞 穿膜运输 被动运输 顺浓度梯度 简单扩散 疏水分子 小的不带电荷的极性分子 大的不带电荷的极性分子 离子 人工脂双层对不同种类分子的相对通透性 第四节细胞膜的功能 易化扩散 facilitateddiffusion 不需能量 但需借助细胞膜上的一类特异蛋白的帮助 运输蛋白 包括通道蛋白和载体蛋白 顺浓度梯度的穿膜扩散 也称协助扩散 如氨基酸 葡萄糖 核苷酸 金属离子等 生命的基本单位 细胞 穿膜运输 被动运输 顺浓度梯度 简单扩散 易化扩散 载体具有特异性 载体蛋白 通道蛋白 channelprotein 通道蛋白 channelprotein 是横跨质膜的亲水性通道 允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过 又称为离子通道 特征 一是离子通道具有选择性 二是离子通道是门控的 Na K Ca 等 需膜上蛋白质 转运物质 跨膜蛋白质水通道和闸门通道 水通道 镶嵌在膜中的跨膜蛋白 在膜上形成的小孔 通道蛋白的亲水基团镶在小孔的表面 小孔持续开放 通道蛋白无特异性 载体蛋白有特异性 生命的基本单位 细胞 通道蛋白 离子通道 配体闸门通道 ligand gatedchannel 生命的基本单位 细胞 通道蛋白 离子通道 电位闸门通道 voltage gatedchannel 配体闸门通道 ligand gatedchannel 通道蛋白 离子通道 第四节细胞膜的功能 2 主动运输 activetransport 通过消耗能量 将物质逆浓度梯度 低 高 运输 如葡萄糖 金属离子等 例 Na K 泵镶嵌于细胞膜脂质双分子层中的一种运输蛋白 它是一种内在蛋白 其实质是Na K ATP酶 它能通过自身构象的改变 将Na 和K 逆浓度梯度运输 它兼具酶和载体的双重功能 它在把Na 泵出细胞外的同时 将K 摄入细胞内 钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程 ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上 导致构象变化 Na K 泵的作用 维持细胞的渗透性 保持细胞的体积 维持低Na 高K 的细胞内环境 维持细胞的静息电位 协同运输 是一类Na K 泵 H 与载体蛋白协同作用 靠间接消耗ATP提供能量完成的主动运输方式 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度 而维持这种电化学势能的是钠钾泵或质子泵 动物细胞中常常利用膜两侧Na 浓度梯度来驱动 植物细胞和细菌常利用H 浓度梯度来驱动 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向 协同运输又可分为 同向协同 symport 与反向协同 antiport 3 协同运输cotransport 1 同向协同 symport 物质运输方向与离子转移方向相同 如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na 的进入 在某些细菌中 乳糖的吸收伴随着H 的进入 2 反向协同 antiport 物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反 如动物细胞常通过Na H 反向协同运输的方式来转运H 以调节细胞内的PH值 化合物的主动运输又称偶联运输 它不直接消耗ATP 但要依赖离子泵建立的电化学梯度 所以又将离子泵称为初级主动运输 primaryactivetransport 将偶联运输称为次级主动运输 secondaryactivetransport 动物细胞中 质膜上的钠泵和载体协作完成葡萄糖 氨基酸等的逆浓度梯度的协同运输 Glucoseisabsorbedbysymport 第四节细胞膜的功能 二 膜泡运输以膜泡形式转移运输物质 1 内吞 endocytosis 通过质膜运动将所要摄取的物质运输入胞的过程 质膜运动 质膜凹陷将所要摄取的液体或颗粒物质包围于小的膜区内 逐渐成泡 然后脂双层融合并箍断 形成胞内的独立小泡 生命的基本单位 细胞 穿膜运输 胞吞作用 第四节细胞膜的功能 胞饮 pinocytosis 小溶质分子或液体物质与质膜形成较小的内吞小泡 这种入胞作用叫胞饮 所形成的囊泡叫胞饮体 吞噬 phagocytosis 细胞摄入较大的固体颗粒和分子组合物的过程 这种内吞方式为各种变形的 具有吞噬能力的细胞所特有 所形成的囊泡叫吞噬体 胞饮 细胞吞入液体或极小的颗粒物质 吞噬 第四节细胞膜的功能 胞吐 exocytosis 细胞内的分泌物质 未消耗的残渣 病毒等包裹在脂双层小泡中 小泡膜与质膜接近后融合 将胞内物质释放出胞 第四节细胞膜的功能 受体介导的内吞作用 receptormediatedendocytosis 有些大分子物质 如LDL 要进入细胞必须先与细胞膜上的特异性受体识别并结合 然后通过膜的内陷形成囊泡 囊泡脱离膜而进入细胞内 这种特别的内吞方式就是受体介导的内吞作用 LDLParticle LDL 低密度脂蛋白 它是一种大的圆形颗粒 直径22nm 每个颗粒的核心是由1500个胆固醇分子与长链脂肪酸形成的酯 有被小窝 一些特定的大分子首先同细胞膜上的受体结合 形成有被小窝 有被小窝凹陷 从膜上脱落下来 形成有被小泡 形成后几秒钟内即失去外衣 并与细胞内其他囊泡融合 最后将内容物转运到溶酶体内 第四节细胞膜的功能 二 膜受体 membranereceptor 细胞膜上的一类镶嵌蛋白质 它们能够识别周围环境中的活性物质 配体 并与之结合 进而产生一系列生物学效应 这些镶嵌蛋白质分子就是膜受体 配体 ligand 能与受体结合的细胞外的活性物质 也称化学信号或第一信使 如激素 神经递质 药物等 糖蛋白 脂蛋白 糖脂蛋白 生命的基本单位 细胞 受体的结构 识别部 转换部效应部 第四节细胞膜的功能 结构 分类及特点 第四节细胞膜的功能 分类按结构单体型 一个镶嵌蛋白复合型 多个镶嵌蛋白聚合在一起受体被激活后激活腺苷酸环化酶 cAMP 按功能 细胞分化 受体被激活后激活鸟苷酸环化酶 cGMP 细胞分裂 第四节细胞膜的功能 特点 特异性 高亲和性 可饱和性 可逆性 强大的生物效应 第四节细胞膜的功能 膜受体与信息传递高等动物是多细胞生物 细胞间的相互作用要通过细胞间的信息传递来完成 信息传递 外界化学信号作为第一信使与受体结合 经信息转换机构 在细胞内产生第二信使 第二信使很快改变靶细胞中已存在的酶的活性 引起细胞对外界信号的反应 从而产生一系列生物学效应 此过程即为信息传递 也称信号传递 肾上腺素 受体 有活性的腺苷酸环化酶ATPcAMP 第二信使 无活性蛋白质激酶有活性蛋白质激酶无活性磷酸化激酶有活性