细胞生物学教学课件第五章细胞膜及其表面

第五章细胞膜及其表面（CELLMEMBRANEANDITSSURFACE）,细胞膜（cellmembrane）：又称质膜（plasmamembrane）。,内膜：形成各种细胞器的膜。,生物膜（biomembrane）：质膜和内膜的总称。,第一节细胞膜的分子结构和特性,主要由膜脂和膜蛋白组成，还有少量糖、水、无机盐及金属离子。糖以糖脂和糖蛋白形式存在。不同生物膜上脂质和蛋白质的比例有所不同，多数细胞膜脂类和蛋白质含量大致相等。,一、膜的化学组成,（一）膜脂,膜脂主要包括磷脂和胆固醇，有的膜还有糖脂。,磷脂（phospholipid）最主要的脂质，分为磷酸甘油脂和鞘磷脂。,磷酸甘油脂,最简单形式：磷脂酸-以甘油为骨架，1、2位羟基与脂肪酸、3位与磷酸形成酯键。以磷脂酸为前体合成其它磷酸甘油酯，主要有：磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸等。,磷脂酰胆碱,鞘磷脂,鞘磷脂以鞘胺醇代替磷酸甘油酯中的甘油，只有一条脂肪酸链。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。,磷脂的主要特征：极性头（亲水）、非极性尾（脂肪酸链，疏水）；脂肪酸链碳为偶数，碳原子数=12-24，以16与18居多；常含一条不饱和脂肪酸（含双键），另一条则饱和。,2.胆固醇（cholesterol）,动物细胞膜中含量较高。加强质膜，调节膜流动性，阻止磷脂凝集成晶体结构。,约占5，神经细胞膜含量高。由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合形成。,3.糖脂（glycolipid）,神经节苷脂,脑苷脂,脂质体,（二）膜蛋白,占核基因组编码蛋白质的20-25%；膜功能差异主要在于所含蛋白质不同；膜蛋白主要为球状蛋白质，可为单体或多聚体；根据与脂分子的结合方式分为：跨膜蛋白（integralprotein）膜周边蛋白（peripheralprotein）脂锚定蛋白,又称镶嵌蛋白（mosaicprotein），通过蛋白质上的疏水区域结合膜脂疏水区，穿过膜1次或多次，亦称跨膜蛋白（transmembraneprotein）。,膜内在蛋白质（integralprotein）,与膜结合紧密，非水溶性，只有用去垢剂类剧烈条件才能从膜上溶解下来。,不直接与脂双层疏水区相连。分布于膜内外表面（内表面居多），水溶性，容易从膜上分离下来。,2.膜周边蛋白质（peripheralprotein）,附着在其它膜蛋白上间接与膜结合：,有的通过寡糖链与脂双层表面结合：,(1)运输蛋白(2)受体蛋白(3)酶(4)连接蛋白,膜蛋白的功能,有的膜蛋白兼具两种功能,（三）膜糖,主要为寡糖，以寡糖链的形式与脂类和蛋白质共价形成糖脂（glycolipid）和糖蛋白（glycoprotein）。,膜糖与质膜的结构关系图解,E.Overton1895推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter等1925推测细胞膜由双层脂分子组成。,二、膜的分子结构,片层结构模型,J.Danielli&H.Davson发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，于1935年提出三明治模型（片层结构模型）：蛋白质-脂类-蛋白质。,单位膜模型,JD.Robertson1957根据电镜观察提出单位膜模型。厚约7.5nm，特征“两暗一明”。内外为电子密度高的暗线，中间为电子密度低的明线。,各种细胞的细胞膜以及各种细胞内膜在电镜下都呈“暗-明-暗”的三层式结构，称单位膜：,单位膜现指在EM下呈现“暗-明-暗”三层式结构、由脂蛋白构成的任何一层膜。,液态镶嵌模型,S.J.Singer&G.Nicolson根据免疫荧光、冰冻蚀刻等技术的研究结果，提出了“液态镶嵌模型”（Fluid-mosaicmodel），获1972年诺贝尔奖。,细胞膜的液态镶嵌模型,细胞膜由流动的脂双分子层和嵌在其中的蛋白质组成；磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向两面组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在脂双层表面、或嵌在其内部、或横跨脂双层，表现出分布的不对称性。,The“centraldogma”ofmembranebiology,强调了膜的流动性、不对称性和脂质与蛋白质的镶嵌关系。忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用和膜各部分流动的不均一性。,生物膜中流动的脂质能够可逆地进行无序（液态）和有序（晶态）的相变，膜蛋白对脂质分子的运动具有控制作用。,晶格镶嵌模型,板块镶嵌模型,在流动的脂质双分子层中存在许多大小不同、刚性较大的彼此独立移动的脂质区（有序结构的板块），这些有序结构的板块之间被流动的脂质区（无序结构的板块）分割。,三、膜的理化特性,（一）膜的不对称性（asymmetry）,膜内外两层结构和功能上有很大差异。,1膜蛋白分布的不对称性：各种膜蛋白在膜中有特定排布方向，其不对称性是绝对的。2膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布。胆固醇和磷脂等的不对称性分布是相对的，糖脂（及糖蛋白）只分布于细胞膜的外表面，其不对称分布是绝对的。,Theasymmetricaldistributionofphospholipidsandglycolipidsinthelipidbilayerofhumanredbloodcells.,（二）膜的流动性,包括膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。,1、膜脂的流动性（fluidity）旋转异构化运动：即烃链绕某一个-键旋转。脂肪酸链的伸缩和震荡运动：脂肪酸链沿着与平面垂直的长轴进行伸缩。旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直轴进行旋转。侧向扩散运动：磷脂分子在脂平面内的平移运动。翻转运动：膜脂分子在双分子层之间，由一层倒翻至另一层。,侧向扩散运动；旋转运动；摆动运动伸缩震荡运动；翻转运动；旋转异构化运动。,ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).,光脱色恢复技术,2、膜蛋白的运动性（mobility）侧向扩散：膜蛋白在脂质双层二维平面中可以自由扩散。旋转扩散：膜蛋白围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动。,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,3、影响膜流动性的因素,脂肪酸链的长短及不饱和程度碳少链短的呈液态，而碳多链长的则逐渐变为固态。不饱和程度膜流动性胆固醇与磷脂的比值：双向调节在相变温度以上时，胆固醇含量多减少流动性；在相变温度以下时，胆固醇含量多增加流动性。卵磷脂和鞘磷脂的比值：卵磷脂和鞘磷脂的比值膜流动性膜蛋白的影响：膜蛋白含量膜流动性下降其他因素：温度膜流动性；PH；离子强度；金属离子等。,相变：膜在晶态与液晶态间的变化称为相变；引起相变的温度为相变温度。,细胞膜运输物质方式：穿膜运输（transmembranetransport）：小分子和离子膜泡运输（transportbyvesicleformation）：大分子和颗粒物质,第五节细胞膜与物质的跨膜转运,穿膜运输,一、穿膜运输,物质穿膜的性能称为通透性(permeability)，物质通透性的大小与物质的性质和大小有关。,（一）小分子和离子的穿膜机制,少数物质可通过细胞膜脂双层，由高浓度低浓度。扩散速率主要取决于分子大小和它在脂质中的相对溶解度:相对分子质量越小，脂溶性越强，通过脂双层越快。脂质双层对所有带电荷的分子（离子），不管它多么小，都高度不通透。,载体蛋白（carrierprotein）：它的一侧与溶质结合，经过载体构象的变化把溶质转运到膜的另一端。通道蛋白（channelprotein）：它在膜上形成极小的亲水孔，作为运输通道，溶质能扩散通过该孔，通过通道的“开”与“关”运输物质。,多数溶质不能直接通过膜脂双层，需借助运输工具-膜转运蛋白：,与转运方向有关：,被动转运(passivetransport)：运输方向-物质顺浓度梯度或电化学梯度运输，跨膜动力为梯度中的势能，不消耗细胞本身代谢能。主动转运(activetransport)：物质逆着浓度梯度或电化学梯度，需消耗细胞代谢能，依赖特定转运蛋白。,（二）小分子和离子的穿膜运输方式,离子泵,主动运输,通道扩散(通道蛋白),易化扩散(载体蛋白),简单扩散,协助扩散,被动运输,伴随运输,穿膜运输,1、简单扩散（simplediffusion）,不需消耗细胞代谢能，也不需要专一的载体分子，只要膜两侧物质保持一定浓度差即可。扩散速率除依赖于浓度梯度大小以外，还同物质的油/水分配系数和分子大小有关。,一些带电荷的极性离子难以直接通过脂双层，可通过离子通道高效率转运，如Na+、K+、Ca2+等。通道蛋白由螺旋蛋白构成，其肽链多次穿膜，围成亲水通道，允许适当离子顺浓度梯度通过。,2、离子通道扩散,离子通道的开放与关闭由“阀门”控制。根据阀门的性质，离子通道可分为：电压门控通道配体门控通道机械门控通道,电压门控通道(voltage-gatedchannel),闸门开闭受膜电压控制，膜电位变化可引起构象变化。如Na+、K+、Ca2+通道等。,配体门控通道(ligand-gatedchannel),闸门开闭受化学物质（统称为配体）调节。当适当配体与通道蛋白相应部位结合，引起通道蛋白构象改变，导致阀门开放。如乙酰胆碱通道等。,机械门控通道（mechanical-gatedchannel）,感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等机械力而发生反应的通道。,内耳听觉毛细胞上的机械门控通道：,机械门通道,电位门通道,配体门通道,胞外配体,胞内配体,三类离子通道的模式图解,一些非脂溶性物质如糖、氨基酸、核苷酸等，不能以简单扩散的方式进出细胞，需借助载体蛋白；顺浓度梯度运输，消耗浓度差势能而不是代谢能。与简单扩散的区别：需载体蛋白。,3、易化扩散,4.离子泵,特点：逆浓度梯度（电化学梯度）运输；需要消耗代谢能；故又称代谢关联运输；需要载体蛋白。载体蛋白起泵的作用，选择性地运输专一溶质。本质：离子泵是膜上的一种ATP酶，利用水解ATP的能量进行离子的穿膜运输。,钠泵（钠钾泵）,细胞内：K+很高，Na+很低质膜外：K+很低，Na+很高,靠Na+-K+泵来维持,钠泵实质为Na+-K+ATP酶，具有载体和酶的活性。必须在Na+、K+、Mg2+存在时才能激活，催化ATP水解提供能量驱动Na+、K+逆浓度对向运输。,钠泵结构特征：由和两种亚基组成的跨膜蛋白。亚单位细胞质端有与Na+和ATP结合的部位；外端有与K+和乌本苷的结合部位；,磷酸化和去磷酸化可引起分子发生构象交替变化，发挥泵的作用。,1,2,3,4,5,6,构象变化激活ATPase,ATP分解,磷酸化,构象变化,释放Na+,构象回复,释放K+,结合Na+,钠钾泵偶联运输钠离子与钾离子过程示意图,结合K+,1,000次/秒,每水解1分子ATP可将3个Na+抽出细胞，将2个K+抽进细胞,在胞内Na+存在时，ATP水解引起ATP酶磷酸化，引起分子构象的变化，从而把Na+从胞内运至膜外,随之，在胞外K+存在下，ATP酶又脱磷酸化，酶分子恢复到原来的构象，与此同时把K+运进膜内,Na+-K+ATP酶在质膜内外可分别为Na+与K+所激活，水解ATP，为Na+运出膜外和K+运进膜内提供能量。,钠钾泵的作用：维持细胞的渗透性，保持细胞体积；维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。帮助物质吸收（为次级主动运输供能）。地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。,钙泵,实质为Ca2+ATP酶，位于质膜或细胞器膜。将Ca2+泵出细胞质或泵入某些细胞器，维持其中胞质中处于低水平。,物质跨膜运动所需的能量来自膜两侧离子的电化学梯度势能，维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。间接消耗ATP，亦称协同运输(coupledtransport)，属次级主动运输(secondaryactivetransport)。同向运输(symport)：同方向转运两种物质。对向运输(antiport)：反方向转运两种物质。,5.伴随运输(cotransport),细胞对葡萄糖的吸收是与Na+的同向穿膜运输。,二、膜泡运输,大分子和颗粒物质进出细胞或在内膜细胞器间运输的方式。物质运输过程中始终由膜包围，形成小膜泡；据运输方向分为:胞吞作用(endocytosis)胞吐作用(exocytosis),（一）胞吞作用(endocytosis),1.吞噬作用(phagocytosis),细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用,属非特异内吞。,是原生动物摄取营养的重要方式。高等动物只有少数特化细胞有此功能（如中性颗粒白细胞和巨噬细胞），作用在于清除异物，帮助机体防御。,微胞饮作用(micropinocytosis)：胞饮小泡很小(65nm)的胞饮过程，主要作用是摄取转运蛋白质。,细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，这种内吞作用称为胞饮作用。,2.胞饮作用(pinocytosis),存在于有高度可活动性膜的细胞，如白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、巨噬细胞等。,吞噬作用,胞饮作用,可与细胞外专一信号分子（配体）结合，并引起细胞发生反应的质膜蛋白,3.受体介导的胞吞作用(receptormediatedendocytosis),有受体参与的从胞外吸收专一性的大分子和颗粒物质的过程，属特异性胞吞。,有被小泡,网格蛋白：有被小泡表面的一种蛋白质，它和另外一种小肽形成三足鼎立状结构，具有3条腿，故称三腿蛋白复合体。,在有被小窝表面，三腿蛋白复合体分子组装连接成网架(六角形和五角形网格)，牵拉质膜内陷。,网格蛋白分子在有被小泡形成过程中被循环利用的模式图解,网格蛋白,有被区,质膜,胞外区,胞质,有被小泡,光滑小泡,网格蛋白,有被小窝形成,有被小泡形成,衣被组装,参加不同类型受体介导内吞的受体有25种以上，有些受体只有同配体结合以后才能向有被小窝处集中。,形成配体-受体复合物,可能是成笼蛋白牵引和胞内微丝作用所致,血液中胆固醇与磷脂及载脂蛋白结合成颗粒低密度脂蛋白(low-densitylipoproteins,LDL)。,胆固醇的吸收,LDL颗粒的芯部含有约1500个酯化胆固醇分子，外由一脂单层（由800个磷脂分子和500个未酯化胆固醇分子组成）包围。,质膜,有被小泡,无被小泡,晚期内吞体,运输小泡,酸性环境：LDL与LDL受体分离,LDL颗粒的蛋白质分子可为LDL颗粒与LDL受体的结合提供结合位点,（二）胞吐作用(Exocytosis),与胞吞作用方向相反的膜泡运输过程,如蛋白的分泌、代谢废物的外排等。,胞吐作用(Exocytosis),穿胞吞吐作用(transcytosis)：在细胞一端发生内吞、而在另一端发生外排的穿越细胞的运输过程。,细胞底部,母体大鼠向仔鼠提供抗体的过程,Ab,Ab,结构性分泌（constitutivepathwayofsecretion）分泌蛋白合成后连续被分泌，存在于所有真核细胞，通常用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）。调节性分泌（regulatedpathwayofsecretion）分泌蛋白合成后先储存于分泌囊中，遇特定刺激释放，存在于特化的分泌细胞，如分泌激素、粘液或消化酶等。,第六、八节细胞膜受体与细胞识别,细胞识别（cellrecognition）：细胞间相互辨认和鉴别，从而识别自己或异己的现象。包括细胞与细胞之间或细胞与周围分子之间的认识和鉴别。,受体（receptor）：存在于细胞膜上细胞内、能接受外界的信号，并将这一信号转化为细胞内的一系列生物化学反应，从而对细胞的结构或功能产生影响的蛋白质分子。配体（ligand）：受体所接受的外界信号，包括神经递质、激素、生长因子、光子、某些化学物质及其他细胞外信号。,一、细胞膜受体的概念,（一）膜受体的结构和类型,膜受体的分子结构化学成分：糖蛋白、糖脂和糖脂蛋白,单体型受体：由一条多肽链组成的受体复合型受体：由两条以上多肽链组成,膜受体的基本结构,识别部（discriminator）或调节亚单位：受体蛋白向着细胞外的部分，多是糖蛋白带有糖链的部分。效应部（effector）或催化亚单位：受体向着细胞质的部分，一般具有酶的活性。转换部（transducer）或转导部（inducer）：受体与效应部之间的偶联成份。它将识别部所接受的信息经过转换传给效应部。,2.膜受体的类型,（1）生长因子类受体：酪氨酸蛋白激酶（TrK）,含胞外配体结合区、跨膜区、胞内侧激酶活性区（具有酪氨酸激酶活性）。功能：配体与配体结合区结合后，蛋白质构象变化，使位于细胞质的激酶活性区的酪氨酸残基发生自体磷酸化，形成特定空间结构，与胞内相应蛋白质结合，激活后的蛋白质进一步催化细胞内的生化反应，从而把细胞外的信号转导到细胞内。,酪氨酸蛋白激酶受体,（2）配体门控性离子通道（ligand-gatedionchannel）一类自身为离子通道的受体，主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子（即配体）为神经递质。神经递质与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。,（3）G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptor）受体与相应的配体结合后，触发受体蛋白的构象改变，进一步调节G蛋白的活性而将配体的信号传递到细胞内。如肾上腺素受体。,由一条多肽链组成，带有7个跨膜螺旋区域；其氨基末端朝向细胞外，有4个胞外区；羧基末端朝向细胞内基质，有4个胞内区；,G蛋白偶联受体的结构特征,在氨基末端带有一些糖基化的位点，而在细胞内羧基末端的第三个襻和羧基末端各有一个磷酸化位点，与受体活性调控有关。,特异性及非决定性：配体受体通过构象互补特异结合，但不绝对专一，有些配体可与不同受体结合产生不同效应。可饱和性：受体数目有限，不能无限制结合。高亲和性：配体在低浓度下亦可高效与受体结合。可逆性：非共价键结合，可逆。特定的组织定位：特定受体只存在于特定靶细胞。,（二）膜受体的特性,二、膜受体与细胞识别,细胞识别的现象：白细胞吞噬细菌等异物精卵结合而不与其他细胞结合巨噬细胞吞噬衰老红细胞细胞与大分子如LDL识别，介导内吞与细胞膜上分子识别，介导粘附，等等。,细胞识别的分子基础各种细胞识别功能的分子机制不同，大部分与细胞膜的糖蛋白分子有关。分子基础：细胞表面受体间或受体与大分子间互补形式的相互作用。,细胞识别的作用方式,细胞识别所引起的反应类型,配体进入细胞如哺乳动物肝细胞对血清糖蛋白的识别和胞吞作用。细胞的黏着如生殖细胞的结合、胚胎发育分化、病原体入侵、细胞与基质间的黏着等。3.细胞内功能活动的改变信息分子被受体识别后，激活细胞膜内的某些成分，将信息转变成胞内信号，再引起多种生理变化。,第七节膜受体与细胞的信号转导,细胞间信号转导包括三个方面：1.信号分子；2.受体及跨膜转导系统；3.胞内信号转导途径。,Eachcellisprogrammedtorespondtospecificcombinationsofexreaceluularsignalmolecules,一、细胞的化学信号分子、受体及G蛋白,（一）化学信号分子及其受体化学信号分子功能：与靶细胞的受体结合，通过信号转换机构把细胞外信号（第一信使）转变为细胞能感知的信号（第二信使），从而诱发细胞对外界信号作出相应的反应。此过程称为信号转导（signaltransduction）。,亲脂性小分子：穿过膜直接跟细胞质或细胞核中受体结合。亲水性信号分子：与质膜上受体结合，通过信号跨膜传递结构产生第二信使。,两种化学信号分子,膜表面受体的类型,离子通道耦联受体,G蛋白耦联受体,酶联受体,G蛋白耦联型受体,7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在胞内产生第二信使。类型：多种神经递质、肽类激素和趋化因子受体，味觉、视觉和嗅觉感受器。相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。,（二）G蛋白（Gprotein）G蛋白：鸟苷酸结合蛋白。可与鸟苷酸结合的蛋白质的总称。,特点：由、三个不同的亚单位构成的异三聚体；能结合GTP或GDP，具GTP酶活性；其本身的构象改变可进一步激活效应蛋白。,哺乳动物:20余种,G蛋白的结构模型,和属脂锚定蛋白,G蛋白家族分类：依据组成G蛋白的亚单位的结构和活性。,Gs家族：亚单位（s）对效应蛋白起激活作用。Gi家族：亚单位（i）对效应蛋白起抑制作用。Gq家族,G蛋白的作用机制,静态时G蛋白通过亚单位结合GDP，与受体分离。当配体与受体结合时受体蛋白构象发生变化与亚单位接触亚单位与GDP分离，结合GTP亚单位构象改变亚单位与、亚单位分离；同时亚单位与受体分离游离的亚单位（G蛋白的功能状态）调节细胞内的效应蛋白的生物学活性。配体结合信号解除后亚单位具备了GTP酶活性分解GTP，生成GDP亚单位构象改变与效应蛋白分离，与、亚单位结合。,GTP-bindingregulatoryprotein,G蛋白在信号转导中的活性变化过程,受体,激活,激活的G蛋白,激活,失活的G蛋白,失活,二、cAMP信号通路,通过调节胞内cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号。cAMP为典型第二信使。,主要组分：受体：Rs、RiG蛋白：Gs、Gi腺苷酸环化酶（adenylatecyclase,AC）：跨膜12次，催化ATP分解生成cAMP。,cAMP依赖性蛋白激酶A（cAMP-dependentproteinkinaseA，PKA）：受cAMP激活后，磷酸化特定的底物蛋白。,环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)：降解cAMP生成5-AMP，终止信号。,DegredationofcAMP,激活腺苷酸环化酶,cAMP信号通路,cAMP浓度的提高可引起不同的作用:,引起糖原降解，应付细胞对能量的急需,激活特定基因的转录，合成所需的新蛋白,在嗅觉上皮细胞调控离子通道的通透性,cAMP浓度提高后激活特定基因转录的途径,(cAPK),RichardAxel,LindaB.Buck,三、磷脂酰肌醇（PI）信号通路,信号分子与G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（phospholipaseC,PLC），使4,5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）。PIP2由PI经2个位点的磷酸化生成。,PIP2水解