医学细胞生物学第三章 细胞膜

医学细胞生物学 Medical cell biology,湖北中医药大学基础医学院 医学生物学教研室朱璧然,第三章 细胞膜,1）作为屏障，使细胞具有相对稳定的内环境。2）高度选择性的半透膜，能进行主动运输。3）接受外界信号的传感器，使细胞能对环境变化产生适当的反应。,细胞膜 ： 是包围在细胞质外面的一层生物膜，又称质膜(plasma membrane) 。,是细胞膜外表面覆盖的一层多糖物质，由构成细胞膜的糖蛋白、糖脂等的糖链向外伸展交织而成，又称糖萼(glycocalyx)，属于质膜的一部分。,细胞外被 (cell coat)：,膜下溶胶层： 位于质膜内侧，富含微丝、微管等细胞骨架，这些细胞骨架直接或间接与细胞膜上的蛋白质相连。,细胞表面（cell surface）：,由细胞外被、细胞膜和胞质溶胶层三者构成，是包围在细胞质外层的一个复合结构体系和多功能体系，是细胞与细胞、细胞与外环境相互作用并具有各种复杂功能的部位。广义的细胞表面还包含细胞连接和细胞表面的特化结构(如鞭毛、纤毛、微绒毛)等。,功能： 细胞的支持保护及细胞各种生命活动。,第一节 细胞膜的化学组成,一、细胞膜的化学组成,膜脂,膜蛋白,膜糖,其它,细胞膜的主要化学成分是脂类、蛋白质及糖类，各类型膜的组成成分比例各不相同。,（一） 膜 脂,磷脂1）脂类约占细胞膜总量50%，膜脂主要包括 胆固醇 糖脂,脂分子结构,1. 磷脂(Phospholipid)： 磷酸甘油酯 （Glycerol phospholipids）： 一个甘油骨架、两条脂肪酸链和一个磷酸化醇分子。,磷脂酰胆碱（卵磷脂）（Phosphatidylethanolamine，PC）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）（Phosphatidylcholine，PE）磷脂酰丝氨酸（Phosphatidylserine，PS）磷脂酰肌醇（Phosphatidylinositol，PI）,鞘磷脂（Sphingomyelin，SM）： 神经酰氨骨架、一个磷脂酰胆碱。,2. 胆固醇(Cholesterol)： 四个联合在一起的刚性甾环结构，胆固醇分子包括三部分: 极性的头部：羟基非极性的类固醇环结构一个非极性的碳氢尾部。 占膜脂的50%*存在于真核动物细胞*,胆固醇功能：极性头部紧靠磷脂分子的极性头部对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰作用，所以胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定性有重要作用。影响膜稳定性。,3. 糖脂（Glycolipid）： 含有一个（如半乳糖脑苷脂）或多个糖基的脂类（神经节苷脂） 。,2）膜脂都是兼性分子，含有亲水性（hydrophilic）头部和疏水性（hydrophobic）尾部两部分。,例如：磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部；磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链, 称为尾部,一般含有1424个偶数碳原子；其中一烃链常含有一个或数个双键,双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。,亲水头部朝向膜的两表面，疏水尾部彼此相对并朝向膜的中央，在水溶液中会自动形成双分子层结构，避免疏水的尾部与水接触，疏水基团间的相互作用是形成脂类分子双层（lipid bilayer）的主要力量。,。脂质体 人工制备的连续脂双层的球形脂质小囊；作为生物膜的研究模型；作为生物大分子(如DNA分子)和药物的载体 因此脂质体不仅是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料，同时在基因转移药物治疗方面有着诱人的应用前景。,(二) 膜蛋白(Membrane protein),构建生物膜的蛋白质，它约占细胞总蛋白量的25%。行使膜的各种功能。,运输蛋白膜蛋白酶连接蛋白受体蛋白,细胞接受外界信号“配体(Ligand) ”的特殊装置，也称细胞表面受体（Cell surface receptor）或膜受体。,（1）含量少，多为糖脂、糖蛋白复合物。（2）受体配体结合具有专一性、高亲和性、可饱和性等。,细胞膜受体(Membrane receptor)：,分类： 膜内在蛋白（Integral protein） 膜周边蛋白（Peripheral protein）,一、膜内在蛋白（integral protein）,也称整合蛋白，多为跨膜蛋白，有的共价结合于脂分子，占膜蛋白70%80%，多是兼性分子。,跨膜蛋白： 疏水部分穿越脂双层的疏水区，而亲水的极性部分位于膜的内外两侧。,镶嵌蛋白： 疏水部分插入细胞膜内，直接与脂双层的疏水区域相互作用，亲水部分露于膜的外面或内面。,2） 膜外在蛋白（Peripheral protein） 又称膜周边蛋白，附着在膜的内外表面，与膜蛋白、膜脂非共价地结合，一般约占膜蛋白的20%30%。结合松散，多数溶解于水，分离提取比较容易。,（三）膜糖类 糖类约占膜总重量的2%10%。由各种己糖聚合成低聚糖糖链与膜蛋白或膜脂结合。复杂的糖基的结合方式，是细胞之间相互识别的分子基础。,膜糖类,膜糖的位置：细胞质膜上所有膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。膜糖的种类：动物细胞质膜上主要有7种D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-岩藻糖、N-乙酰-D-半乳糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、唾液酸膜糖的存在方式：通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。真核生物细胞膜上的蛋白质几乎都是糖蛋白。糖蛋白主要存在于细胞质膜上，内膜中糖蛋白极少。主要是两种连接方式：O连接、N连接,糖蛋白(Glycoproteins)： 结合糖链的膜蛋白，一个糖蛋白分子可有许多低聚糖侧链。,糖脂(Glycolipids)： 结合糖残基或糖链的脂类，每个膜糖脂分子只带一个糖基或低聚糖侧链。,膜糖的功能提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折叠维持正确的三维构型；参与细胞的信号识别、细胞的粘着；糖蛋白中的糖基还帮助新合成蛋白质进行正确的运输和定位；,第二节 细胞膜的分子结构模型及特性,一、片层结构模型 二、单位膜模型三、流动镶嵌模型四、脂筏模型,流动镶嵌模型 (fluid mosaic model)： 脂双分子层构成生物膜的连续主体，既具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性，呈液晶态；球形蛋白质分子以各种形式与脂双分子层相结合。,脂筏模型(lipid rafts model) 即在生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相,如同脂筏一样载着各种蛋白.脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。大小约70nm 左右，是一种动态结构，,31,第三节 细胞膜的功能,保护屏障、物质和信号交换的门户 物质转运、信息传递、能量转换、 细胞识别、细胞免疫、细胞分裂、 细胞分化、细胞凋亡,32,（1）物质转运功能,不同物质（小分子、大分子） 以不同方式转运。1.跨膜转运 被动运输 主动运输(小分子)2.膜泡运输 胞吞作用 胞吐作用(大分子),33,物质的跨膜转运概况,34,1、跨膜转运,（1）被动运输：不需耗能，顺浓度梯度。（2）主动运输：需耗能、膜蛋白，逆浓度梯度。,35,（1）被动运输,简单扩散（自由扩散）-仅要浓度梯度易化扩散（帮助扩散）-还要载体蛋白通道扩散 -还要通道蛋白,36,小分子穿膜转运图解,37,自由扩散（Free diffusion）,又称简单扩散（simple diffusion）。它不要膜蛋白的帮助,也不消耗ATP, 仅靠膜的两侧被转运的物质保持一定的浓度差。,38,易化扩散（帮助扩散）图解,39,载体蛋白（carrier proteins）,* 特点: 1.具有特异性； 2.参与被动运输； 3.参与主动运输。,40,载体蛋白的工作原理,41,通道扩散通道蛋白介导的跨膜转运, 典型的膜通道： 水通道蛋白（aquaporin） 离子通道蛋白（ion channel） eg：神经细胞、肌肉细胞的离子通道。 离子通道转运的特点： 1、速度快（百万每秒，比载体快千倍）； 2、选择性：Na+ K+ Ca2+ Cl-通道不同； 3、多数非持续开放（闸门控制）； 4、被动转运，无需ATP。,42,通道蛋白（Channel proteins）,已发现通道蛋白50多种，主要是离子通道(ion channel)。通道蛋白持续开放的、非持续开放（闸门）闸门通道(gated channel)：间断开放通道。,43,闸门通道(gated channel),电压闸门通道-电位差变化时开放 。 （要电压刺激）配体闸门通道-配体受体结合时开放 （要配体刺激）离子闸门通道-离子浓度变化时开放 （要离子刺激）,44,电压闸门通道示意（动画）,45,水通道蛋白（aquaporin，AQP） 水的分子通道,在哺乳动物已发现有13种水通道蛋白，构成水通道蛋白家族 。第一个水通道蛋白 AQP1于 1988年发现，是人红细胞膜的一 种主要蛋白。它可使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。AQP1蛋白也存在于其他组织的细胞中。AQP1能让水自由通过，不许离子或其他小分子通过。 美国霍普金斯大学医学院彼得.阿格雷（Peter Agre） 教授因发现水通道蛋白获2003年诺贝尔化学奖。 “水通道蛋白与肺水肿” “水通道蛋白与脑水肿”，“腹泻大鼠结肠水通道蛋白4的表达与分布研究”,46,（2）主动运输（active transport）,特点： 消耗ATP、需要载体蛋白、逆浓度梯度类型：1.ATP直接供能的 （离子泵） 2.ATP间接供能的（协同运输） 3.光能驱动的 （光驱动泵）,47,主动运输的三种基本类型,协同运输,ATP驱动泵,光驱动泵,方向！,48,1.ATP直接供能的主动运输,钠钾泵（Na+-K+ 泵）-转运 Na+、K+ 钙泵（ Ca2+ 泵）- 转运 Ca2+ 氢泵（ H+ 泵）- 转运 H+泵的本质：有ATP酶活性的蛋白。,49,钠钾泵（Na+-K+ pump）,又称Na+-K+ ATPase 或 Na+/K+交换泵。存在于一切动物细胞的质膜上。由两个亚基（ 、 ）构成。亚基多次跨膜蛋白。具ATP酶 活性，有Na+和K+的结合位点。亚基具组织特异性，糖蛋白。,50,钠钾泵的结构特点,51,钠钾泵的工作机理,在细胞内侧亚基与Na+结合促进ATP水解， 上的一个天冬氨酸磷酸化引起亚基的构象变化，将Na+泵出胞外。同时，胞外的K+与亚基的另一位点结合，使其去磷酸化，亚基构象变回原状，将K+泵进细胞，完成一个循环。,52,钠钾泵的工作原理 （每秒运转1000次）,53,钠钾泵工作原理示意,54,2.ATP间接供能的主动运输 协同运输,利用离子泵所产生的离子浓度差（势能） 同向伴随运输 （cotransport symport） 反向伴随运输 （cotransport antiport）,55,协同运输示意图,单向运输 同向伴随运输 反向伴随运输,56,葡萄糖与钠离子的同向伴随运输,57,2、膜泡运输,（1）特点： 膜的变形与断裂 消耗能量 转运大分子 主动运输,58,胞吞作用： 吞饮作用- 对液体or小颗粒 吞噬作用- 对较大颗粒 受体介导入胞作用- 特异吞噬or吞饮,需膜受体。胞吐作用： 细胞分泌 、 废渣的排除。,（2）分类,59,60,胞吐作用,61,受体介导的胞吞过程,62,（2）细胞膜的信号转导功能,1、细胞表面受体与细胞识别 2、细胞通讯的机制,63,细胞通讯与信号传递示意图,64,1、细胞表面受体 与 细胞识别,（1）细胞表面受体（cell surface receptor)= 膜受体。 细胞表面能结合配体产生生物效应的膜蛋白分子。多为糖蛋白，种类多 ，结构复杂。（2）细胞识别（cell recognition） 通过膜受体对其他细胞及各种化学信号分子的认识和鉴别。,65,细胞表面受体举例,66,细胞表面受体分三类, 离子通道偶联受体（ion-channel-linked receptor） G蛋白偶联受体（G-protein-linked receptor）； 酶偶联受体（enzyme-linked receptor） 第一类主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞； 后两种存在于几乎所有类型的细胞。,67,2、跨膜信息传递的机理,（1）环腺苷酸信号通路cAMP信号体系受体-激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）； 调节蛋白-G蛋白-活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；腺苷酸环化酶（AC）-使ATP 成