1细胞的结构和功能.doc

第二章 细胞的基本功能 主要介绍一些具有共性的细胞基本功能，包括细胞膜的物质转运功能，细胞的信号转导功能，细胞膜的生物电现象，以及肌细胞的收缩功能。第一节 细胞膜的基本结构和物质转运功能一、细胞膜的结构和化学组成生物膜研究发展史： 1895年Overton在研究卵细胞的通透性时, 发现脂溶性物质比其它物质容易透过细胞膜。因此, 他认为细胞膜必定存在一层类脂。 1925年Gorter and Grendel提取出RBC膜的类脂分子, 并将其铺于水、气界面, 发现其面积是原红细胞膜面积的两倍, 从而提出膜的脂质双分子层。1952年电子显微镜问世, 1959年Robertson提出了“单位膜”（unit menbrane）概念：一切膜性结构基本上都是三层, 其总厚度约7.5nm。1972年Singer and Nicholson提出“液态镶嵌模型”（fluid mosaic model）：认为生物膜是一种可塑的，流动的，嵌有蛋白质的类脂双分子层的结构。类脂的通透性低, 是很好的区域化隔膜。嵌在类脂层上的许多具有特定功能的蛋白质有转运、受体、酶等功能。这层膜在光学显微镜下是观察不到的。在电子显微镜下，可以观察到膜有三层结构，内外两层各是一层致密带，厚约2.5nm，中间是一层透明带，厚约3.5nm。此种膜结构不仅见于各种细胞的细胞膜，还见于各种细胞器的膜性结构，如内质网膜、线粒体膜、溶酶体酶、核膜等。由于其是一种细胞最基本的膜结构形式，故称为单位膜。细胞膜主要由脂质（lipid）和蛋白质（protein）组成，此外还有极少量的糖类。以重量计，蛋白质与脂质的比例在4:11:4之间，在不同类型的细胞相差很大，取决于膜的功能活动水平。功能活跃的膜，蛋白质比例较高。但蛋白质分子量比脂质大得多，因此，脂质分子的数量至少超过蛋白质分子数的100倍以上。分子生物学迄今所获得的研究成果表明，各种物质，特别是生物大分子在生物结构中的特殊有序排列，是决定其生物学特性、实现各种生命现象的基础。由于我们还没有一种能直接观察组成膜的分子排列结构形式的技术，因此从20世纪30年代以来、生物学家们提出了很多有关膜的分子排列结构的假说， 其中Singer等在1972年提出的膜的液态镶嵌模型（fluid mosaic model）得到很多实验结果的支持。这一假说的基本内容是：细胞膜以液态的脂质双分子层为基架、其中镶嵌有不同功能的蛋白质。细胞膜结构示意图：（一）脂质双分子层只要得到纯净的膜结构，用化学层析法就可以得到膜的各种脂质成分。膜的脂质主要由磷脂（70%）和胆固醇（30%）组成磷脂酰胆碱的基本结构是：一分子甘油的三个羟基中，两个羟基和两分子的长链脂肪酸结合，另一个羟基和一分子磷酸结合，后者再结合一个胆碱。根据这个碱基的种类，动物细胞膜中的磷脂主要有四种：1. 磷脂酰胆碱 2. 磷脂酰乙醇胺 3. 磷脂酰丝氨酸 4. 磷脂酰肌醇各种膜脂质分子都是双嗜性分子，每个磷脂分子中由磷酸和碱基构成的基团为亲水区，都朝向膜的内表面或外表面，而两条较长的脂肪酸烃链为疏水区，则在膜的内部两两相对。脂质分子的这种定向而整齐的排列，符合脂质分子本身的理化特性和热力学原理。因为膜脂质的磷酸和碱基都是亲水性极性基团，另一端是疏水性的非极性脂肪酸烃链，在膜内外都是水溶液的情况下，自然出现疏水基团两两相对，而亲水基团则分别朝向细胞外或细胞内。这是一种能量最低、最稳定的结构形式。膜脂质的熔点较低，在体温条件下呈液态，因而膜具有流动性，脂质分子可在膜平面内随机地侧向运动，但很难在垂直方向上作跨层运动，这种特性使细胞能进行变形运动和自我修复。膜的流动性受许多因素影响。例如乙醇、乙醚、麻醉剂能使膜流动性增高，而胆固醇含量的增高使流动性降低。膜流动性降低会对膜的功能带来影响，例如免疫细胞依赖于膜蛋白在膜上的运动才能与抗原结合，膜的流动性降低显然会降低这种功能。（二） 细胞膜蛋白细胞膜蛋白是以螺旋或球形结构分散镶嵌在膜的脂质双分子层中的。细胞膜蛋白主要以两种方式存在于膜脂质中：整合蛋白质、表面蛋白质 1.整合蛋白 整合蛋白的肽链可分为若干疏水区和亲水区，每个疏水区包括20 30个疏水性强的氨基酸残基，它们以螺旋结构穿过脂质双层，通常可根据肽链中疏水区出现的数目，推断肽链穿膜的次数。整合蛋白的肽链最少1次，多则几十次穿膜，连接各疏水区的亲水性肽段则成为胞内环或胞外环，分别突出于膜内或膜外。与物质跨膜转运有关的功能蛋白，如载体蛋白、通道蛋白、离子泵等都属于整合蛋白 。2.表面蛋白质 有些蛋白以其肽链中带电的氨基酸或基团，与膜两侧的表面的脂质极性基团相互吸引，使蛋白质分子像是附着在膜的表面。它们与膜的结合较松散，利用盐析等方法就可将它们与膜分离。膜结构中的蛋白质，具有不同的分子构象，细胞和周围环境之间的物质、能量和信息的交换，大多与细胞膜上的蛋白质分子有关。（三）细胞膜糖类 细胞膜含有糖类2%10%，主要是一些寡糖和多糖链。它们以共价键的形式和膜脂质和蛋白质形成糖脂和糖蛋白，仅存于细胞膜的外侧，这些糖脂和糖蛋白由于糖链中单糖的排列顺序不同，从而成为细胞的标志；或作为抗原决定簇；或作为受体的可识别部分。事实上，真核细胞的膜外侧表面几乎没有裸露的部分，全部结合有糖链。二、细胞膜的物质转运功能既然膜是由连续的脂质双层分子形成，它就成了一个很好的屏障，可保护细胞内容物不随便丢失。但是一个活细胞必然要进行新陈代谢，不断有各种各样的物质进出细胞。 而理论上只有溶于脂质即脂溶性的物质才有可能通过细胞膜。显然，其它物质（大多数极性分子特别是带电离子）的跨膜转运只有依赖于膜上蛋白质的帮助或膜的整装转运。（一）被动转运物质的顺浓度差、不需要额外提供能量的跨膜转运方式称为被动转运。根据这种物质的顺浓度差跨膜扩散是否需要膜蛋白质的帮助，分为单纯扩散和易化扩散。1单纯扩散（simple diffusion）：脂溶性小分子物质顺浓度差的跨膜转运称为单纯扩散。这是一种简单的物理扩散，没有生物学转运机制的参与。扩散的方向和速度取决于膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性，扩散的最终结果是该物质在膜两侧的浓度差消失。O2、N2、CO2、乙醇和尿素，都是以单纯扩散的方式进行跨膜转运的。体内一些甾体类激素也是脂溶性的，理论上也能通过这种方式进行跨膜转运。2易化扩散（fascilitasted diffuasion）： 非脂溶性物质在膜蛋白质“帮助”下顺浓度差的跨膜转运，称为易化扩散。根据膜上参与的蛋白质不同，易化扩散可分为由通道蛋白质介导和由载体蛋白质介导的两种类型。 （1）经通道蛋白质介导的易化扩散 溶液中的Na+、K+、Ca2+ 、Cl- 等带电离子，借助于通道蛋白质的介导，顺浓度差或电位差跨膜转运，称为经通道的易化扩散。中介这一过程的膜蛋白称为离子通道蛋白，简称离子通道。离子通道是一类贯穿脂质双层的、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。当孔道开放时，离子可经孔道跨膜转运而无需考虑脂质双层分子，从而极快地跨越细胞膜。据测定，经通道易化扩散的离子转运速率可达106108，远大于载体蛋白质的转运速率103105。经离子通道的物质转运有2个特点：通道的特异性： 离子通道具有相对特异性，每种通道都对一种或几种离子有较高的通透性，对其它离子则不易或不能通过。通道对离子的选择性取决于通道开放时该水相孔道的几何大小和孔道壁的带电状态，根据通道对离子的选择性，分别命名为Na+ 通道，K+ 通道，Ca2+ 通道等。1982年，乙酰胆碱受体通道成为第一个被纯化和分子克隆的通道蛋白。它由5个亚单位组成，每个亚单位包含400 500个氨基酸残基。通道蛋白的二级结构主要是对肽链进行疏水性分析确定的，乙酰胆碱受体通道蛋白每个亚单位都包括4个由20多个氨基酸残基构成的疏水性肽段，因而可推断是一个4次跨膜的肽链。通道内大多具有一个或两个闸门样结构，闸门的开放和关闭称为门控过程。门控离子通道分为三种：电压门控通道、化学门控通道和机械门控通道。 通道蛋白的空间结构需要借助X线晶体衍射技术，利用通道蛋白的X线晶体衍射电子密度图，可以解析通道蛋白的空间结构。但这项技术要求纯净的蛋白质晶体。由于真核细胞的离子通道都是糖蛋白，很难得到高品质的晶体， 通道蛋白的闸门特性首先在细菌通道蛋白上取得了突破。 1998年，美国MicKinnon实验室得到了一种细菌（KcsA）的 k+ 离子通道蛋白晶体，用上述技术解析了它的分子结构。该通道由4个亚单位组成，每个亚单位包含2个跨膜螺旋（内螺旋和外螺旋），它们在垂直于脂质双层的平面上稍倾斜，成为尖端朝向膜内的圆锥形，膜外侧连接这两条跨膜螺旋的肽段具有重要功能，例如4个亚单位的胞外肽段构成的选择性环共同构成了靠近通道外口的选择性滤器，在这里，决定通道蛋白允许k+离子选择性滤过的关键是滤器的口径以及此处肽链上的羰基氧，溶液中的k+都是水合的k+，通过滤器时必须脱去水分子（水合k+离子直径为0.396nm，脱水后直径为0.133nm），脱水过程由羰基氧脱去水分子，脱水过程需要能量。k+离子通道之所以选择性地让k+通过，就是因为选择性滤器大小刚好让k+离子在滤器中脱去水分子，Na+的直径太小，以至不能和滤器壁上的羰基氧相互作用，Ca2+的直径太大，根本进不了选择性滤器。迄今所有已被分子克隆的 k+ 通道，其选择性滤器的氨基酸序列都与MicKinnon研究的k+通道类似，MicKinnon研究的 k+ 通道虽然来自原核细胞，但它的空间结构却揭示了包括真核细胞在内的所有细胞 k+ 通道的结构。MicKinnon除研究 k+ 通道取得巨大成功外，还和美国科学家Agre完成了水通道的分子克隆和功能鉴定。目前至少己经鉴定出10种水通道蛋白（也称水孔蛋白aquaporin AQP），AQP分布在各种具有分泌和吸收功能的上皮细胞膜上，如肾小管上皮、脉络丛上皮等，血管升压素可通过调节水通道蛋白插入细胞膜的数量来调节集合管上皮对水的通透性。MicKinnon和Agre也因此获得了2003年的诺贝尔化学奖。 离子通道不仅是离子跨膜转运的主要途径，在细胞的生物电活动、信号的跨膜转导中也具有关键作用，因此从分子水平上阐明通道蛋白的结构，不仅有助于阐明离子本身跨膜转运机制，还有助于揭示许多疾病的发病机制以及药物的作用机理 。此外，还有一类非门控通道，非门控通道总是处于开放状态，外在因素对其影响不大。例如维持细胞膜静息电位的 K+ 通道，红细胞膜上允许水顺渗透压转移的水通道。（2）载体蛋白质介导的易化扩散 许多重要的营养物质，如葡萄糖、氨基酸，在进行跨膜转运时必须依赖膜蛋白质的帮助。介导这一过程的膜蛋白称为载体蛋白质或载体。载体蛋白都是贯穿脂质双层的整合蛋白，它们具有一个或数个与某种被转运的物质结合的位点。当这些结合位点和浓度较高一侧的被转运物质结合后，即发生构象改变，使被转运的物质移向膜的另一侧，然后被转运物与载体蛋白分离。 这种跨膜转运的特点是：转运的方向始终是顺浓度差的。载体的特异性高，例如葡萄糖载体只能转运右旋葡萄糖，左旋葡萄糖基本上不转运。饱和现象 由于膜载体和载体结合位点的数目都是有限的，因此在被转运物质浓度较小时，转运速度随该物质的浓度增加而增加，但当该物质浓度增加到某一限度时，转运该物质的能力不再增加，即出现饱和现象。竞争性抑制 化学结构相似的溶质经同一载体转运时会出现竞争性抑制。载体也称转运体。有的载体只是把一种物质从膜的一侧转运到另一侧，称单向转运，有的载体可同时转运两种或两种以上的物质，如果被转运的物质都向同一方向运动，称为同向转运，如果被转运物向相反方向转运，则称为反向转运。葡萄糖进入细胞的过程是典型的经载体易化扩散。中介这一过程的载体称葡萄糖转运体。根据分子克隆的研究，该载体蛋白至少有5个不同的亚型，它们各自分布于不同的组织，并具有不同的功能特性。肌肉、脂肪组织细胞膜上的葡萄糖载体数量受胰岛素的调节。在没有胰岛素的状态下，该载体以囊泡的形式储存于胞质，一旦胰岛素与其受体结合后，经一系列信号转导过程，在几分钟内即可使胞质中的葡萄糖载体嵌入细胞膜，从而提高细胞转运葡萄糖的能力。糖尿病病人常伴有此类葡萄糖载体数量或功能的下降，是临床上胰岛素抵抗发生的原因之一。（二）主动转运1.原发性主动转运原发性主动转运指细胞利用代谢产生的能量将物质逆浓度差或电位差进行跨膜转运的过程，称为原发性主动转运（Primary active transport）。人们很久以前就已知道细胞内外的离子浓度是不均匀的.细胞内的 k+ 是细胞外的30多倍，细胞外的 Na+ 是细胞内的10多倍，只要这个细胞是活的，这个浓度差就持续存在。如果细胞膜上仅有被动转运方式，这种浓度差是不能理解的，因此，细胞膜上一定存在着逆浓度差的转运方式。介导这一过程的膜蛋白称为离子泵（ion pump）。离子泵可分解细胞内的ATP成ADP，利用高能磷酸键储存的能量完成离子的跨膜转运。由于离子泵具有水解ATP的能力，所以也把它称为ATP酶（ATPase）。 (1)钠钾泵在细胞膜的主动转运中，人们最早研究的是 Na+、K+ 的跨膜主动转运。哺乳动物的细胞膜上普遍存在的离子泵就是钠-钾泵（Sodium-potassium pump），简称钠泵（sodium pump）钠泵就是膜的脂质双分子层中镶嵌着的一种整合蛋白质，它本身具有ATP酶的活性，当细胞内的 Na+浓度升高或细胞外 K+ 浓度升高时，都可激活钠泵。由于钠泵的活动，使细胞内 K+ 的浓度为细胞外液的30倍，而细胞外液中 Na+的浓度为胞浆中的12倍。 钠泵在胞浆侧有3个与 Na+ 结合的位点，当与 Na+ 结合后激活ATP酶的活性，使ATP分解释放能量，同时使自身磷酸化，钠泵磷酸化后构象发生改变，把3个 Na+排出细胞外，转而对2个 K+ 的亲和力提高，与 K+ 结合的同时自身去磷酸化，此时构象恢复到原先的形状，把2个 K+ 释放到细胞内。Na+ 泵活动时，Na+ 的泵出和 K+ 的泵入两个过程是耦联在一起进行的，一般情况下每分解一分子ATP、可泵出3个 Na +，泵入2个 K+。 细胞内、外液中的这种离子浓度差可因用蛋白酶水解膜蛋白、低温、缺氧、使用代谢抑制剂而减小。早在20世纪50年代，人们就已经在大西洋海域中的一种软体动物枪乌贼的大神经轴突细胞膜上证实了这种主动转运过程的存在，并推测了钠泵的性质。当时人们把Na+的放射性核素22 Na+通过微管注入轴浆，可测量到一个稳定的放射活性的外流，从而直接证实了Na+逆浓度梯度的跨膜转运。实验还同时证实了这一转运过程必须在细胞外 K+ 存在时才能达到最大的转运速率。表明 Na+ 的外排和 K+ 的内入相偶联，并计算出偶联的比例是：3 Na+：2 K+：1ATP。还证明了这个过程可被强心苷特异性地抑制，这是钠泵的另一个重要特征。1957年，丹麦科学家Skou在蟹的外周神经膜上分离出一种ATP酶，这种酶的特异之处是它在同时存在Na+、 K+的时候被激活，这与细胞内的酶通常被 K+激活的话就会被Na+抑制的特点不同。同时这种酶也可被强心苷所抑制。根据这些结果，Skou大胆地预测他分离的这种酶就是Na+泵，这一假设随后被大量的实验所证实。Skou因此获得了1997年的诺贝尔化学奖。用近代分子生物学方法已将钠泵蛋白质进行了克隆，包含和两个必须的亚单位，最小的功能单位二聚体，亚单位也称催化亚单位，具有钠泵活动的各种功能位点，人的亚单位由1022个氨基酸残基构成，包括10个跨膜螺旋，N端和C端都在胞质侧。第4和第5跨膜螺旋之间有一个很大的胞内环，上面有ATP的结合位点和磷酸化位点，在第5和第6跨膜螺旋以及之间的胞外环是阳离子结合部位。亚单位的作用还不太清楚。人体细胞新陈代谢释放的能量大约25%用于钠泵的转运，在某些活动状态的神经细胞，这个比例高达70%。钠泵活动有重要生理意义：钠泵活动造成的细胞内高 K+ 是许多代谢过程必需的，例如胞浆内核糖体合成蛋白质需要高 K+ 的环境。钠泵将 Na+ 排出细胞可减少水进入细胞，以维持胞浆渗透压和细胞容积的相对稳定。钠泵活动造成的膜内外Na+和K+的浓度差，是细胞生物电活动的前提。Na+在膜两侧的浓度差也是其它物质继发性主动转运的动力。(2). 钙泵另一种分布广泛的离子泵是钙泵（calcium pump）细胞膜钙泵每分解1分子ATP，可将1个Ca2+从胞质转向胞外;肌质网或内质网的钙泵每分解1分子ATP，可将2个Ca2+从胞质转运向肌质网或内质网内。钙泵的主动转运和Na+、 Ca2+交换体的活动，共同使静息状态下胞质内的Ca2+浓度保持在0.10.2mol/L的低水平，仅为细胞外液钙浓度的1/10000，这种细胞内低钙的状态对维持细胞正常的生理功能有重要的生理意义。（3）质子泵主要是H+-K+依赖式ATP酶，H+-K+泵主要分布在胃粘膜壁细胞表面，与胃酸的分泌有关。2.继发性主动转运（协同转运） 许多物质在进行逆浓度差或逆电位差的跨膜转运时，所需的能量并不直接来自ATP的分解，而是来自Na+ 在膜两侧的浓度势能差，Na+的这种势能储备是钠泵利用分解ATP的能量建立的。这种间接利用ATP能量的主动转运过程称为继发性主动转运。常见的有以下几种：（1）Na+- 葡萄糖转运体 小肠上皮细胞对葡萄糖、氨基酸的吸收和肾小管上皮细胞对葡萄糖、氨基酸的重吸收就属于由Na+-葡萄糖转运体帮助的继发性主动转运。膜上的同向转运体(Na+-葡萄糖转运体)利用Na+ 的膜内外浓度势能,将Na+和葡萄糖分子一起转运至上皮细胞内，此时葡萄糖是逆浓度梯度的，是间接利用了钠泵分解ATP释放的能量。进入上皮细胞的葡萄糖分子可经基底膜、侧膜上的葡萄糖载体扩散至组织液，完成葡萄糖在肠腔或小管液的主动吸收过程.(用药物抑制钠泵活动一段时间后，葡萄糖转运也就减弱或消失。)（2）Na+-H+ 交换体细胞膜上的 Na+-H+交换是由膜上的Na+-H+ 交换体介导的。 Na+-H+交换体的主要功能是防止细胞的酸化。当细胞内的pH接近中性时， Na+-H+交换体的活性很低，当细胞内的pH降低时， Na+-H+交换体被激活，和H+的亲和力增加，促进Na+的进入和H+的排出，以保持细胞内pH的相对恒定。这一过程也是以钠泵形成的Na+的跨膜浓度差为交换动力的。在肾小管上皮细胞，这种方式帮助机体排酸保碱，维持体内酸碱平衡。 （3）Na+- Ca2+交换体 Na+- Ca2+交换体的主要功能是利用Na+的膜内外浓度差，将Ca2+逆浓度差和电位差排出细胞外，交换比例是3个Na+换1个Ca2+，是心肌细胞内Ca2+外出的一条重要途径。（4）Na+-K+-2Cl-同向转运体 Na+-K+-2Cl-同向转运体主要存在于肾小管上皮细胞，转运比例是1Na+-1K+-2Cl-，利用Na+的跨膜浓度差实现这3种离子的同向转运。这种转运对形成肾外髓部的高渗状态是极其重要的。三、胞纳与胞吐 膜蛋白可以介导水溶性小分子物质通过细胞膜，对于大分子物质或物质团块，则是通过膜的更为复杂的结构和功能变化而进行跨膜转运的，此转运过程需要耗能，也是一种主动转运