医学细胞生物学--第五章-1节-3节-4节

CELLMEMBRANEANDITSSURFACE,第五章细胞膜及其表面,本章内容提要,第一节细胞膜的分子结构和特性一、膜的化学组成二、膜的分子结构三、膜的理化特性第三节细胞膜与物质的跨膜转运一、穿膜运动二、膜泡运动第四节细胞膜与细胞识别一、细胞膜受体的概念二、膜受体与细胞识别第五节膜受体与细胞的信号转导各种信号分子、受体及信号通路,质膜（plasmamembrane）：又称细胞膜。内膜：形成各种细胞器的膜。生物膜（biomembrane）：质膜和内膜的总称。细胞外被：也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。膜骨架：质膜下起支撑作用的网络结构。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。,第一节细胞膜的分子结构和特性,一、膜的化学组成,主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含等量的脂类和蛋白质。,膜脂：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三类。（一）磷脂约占膜脂的50以上，分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂。主要特征：一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）；脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子；常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。,以甘油为骨架，1、2位羟基与脂肪酸，3位与磷酸形成酯键。主要有：磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）,1、甘油磷脂,2、鞘磷脂,鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。鞘胺醇代替磷酸甘油酯中的甘油，只有一条脂肪酸链,（二）糖脂,约占5以下，神经细胞膜含量高，约占5-10。两性分子，含糖而不含磷酸，结构与SM相似，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元膜中的特征性成分。,Glycolipids,（三）胆固醇,存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，动物细胞膜中含量较高。功能是提高膜的稳定性，调节流动性，降低水溶性物质的通透性。,在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。,膜蛋白,占核基因组编码蛋白质的20-25%；膜功能的差异：所含蛋白质不同；膜蛋白：球状蛋白质，单体，多聚体；根据与脂分子的结合方式分为：膜内在蛋白（integralprotein）膜周边蛋白（peripheralprotein）,膜蛋白的两种存在形式：镶嵌蛋白和周边蛋白,膜蛋白的存在形式,整合蛋白分子均为双性分子：非极性区（疏水区）插在脂双层分子之间，极性区（亲水区）则朝向膜的表面。,膜内在蛋白为跨膜蛋白（transmembraneproteins），水不溶性蛋白。跨膜结构域为1至多个疏水的螺旋。与膜的结合紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。,周边蛋白有的通过寡糖链与脂双层表面共价结合：,有的则附着在其它膜蛋白上：,膜周边蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来。膜蛋白的功能：机械支持、载体蛋白、受体、物质运输、信号传导和免疫反应。,(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,运输蛋白,连接蛋白,受体蛋白,蛋白酶,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和糖蛋白。,膜糖:,细胞外被的分子结构图解,膜糖主要为中性糖(D-半乳糖，D-甘露糖，L-岩藻糖)和氨基糖(D-半乳糖胺，D-葡萄糖苷，唾液酸或氨基糖酸)。,1.Definetheboundariesofthecellanditsorganelles.2.Svidemechanismsforcell-to-cellcontact,communicationandadhesion,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,质膜分子结构的研究历史,3、J.Danielli(2)分子量:小分子比大分子容易穿膜;(3)带电性：不带电荷的分子容易穿膜;(4)亲水性：亲水性分子和离子的穿膜要依赖于专一性的跨膜蛋白。,影响物质穿过脂双层膜的通透性高低的因素有如下几个：,水分子能快速进出细胞与膜上的水孔蛋白(aquaporin)通道有关。该通道广泛存在于动物、植物和细菌的质膜以及植物液泡膜上，它具有高度专一性(只允许水分子通过，而不允许其他分子或离子通过)。,物质的通透性,物质本身的属性,膜的结构性质,(麻醉剂、热、辐射、pH值、盐不平衡等),环境刺激也能使肌细胞和神经细胞的膜透性提高。,(肌)细胞处于活动状态时，营养物质更容易透过质膜,物质通透性的影响及其决定因素,膜对物质的通透性是由物质本身性质和膜的结构属性共同决定的；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，都是高度不透。,（一）小分子和离子的穿膜机制,“运输工具”：参与物质穿膜运输的蛋白质称为膜运输蛋白(membranetransportproteins)载体蛋白（carrierproteins）：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。通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输。通道蛋白（channelproteins）：它在膜上形成极小的亲水孔，溶质能扩散通过该孔。具有离子选择性，转运速率高；只介导被动运输。,可形成运输通道；通过通道的“开”与“关”运输物质,对被运输物质具有高度特异性；通过构象变化来结合或释放物质进行跨膜运输,转运方向：被动转运(passivetransport):运输方向浓度高向低、跨膜动力为浓度梯度的势能，无生物能量消耗、需要膜转运蛋白。主动转运(activetransport)：运输方向浓度低向高、需消耗能量、需要膜转运蛋白,不需要专一性运输蛋白;(运输速率与浓度差成正比),依赖于专一性运输蛋白,被动运输又可因是否有运输蛋白的协助，而分为简单扩散(simplediffusion)和协助扩散(facilitateddiffusion)两类。,主动运输,脂双层,电化学梯度,载体蛋白,简单扩散,通道介导的扩散,载体介导的扩散,简单扩散、协助扩散与主动运输的对比图解,被运输分子,穿膜运输,主动运输,被动运输,伴随运输,（二）小分子和离子的穿膜运输方式,1.简单扩散2.离子通道扩散3.易化扩散4.离子泵5.伴随运输,1、简单扩散（simplediffusion）,也叫自由扩散（freediffusion）沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白协助。扩散速率依赖于浓度梯度大小外，与物质的性质和分子大小也有关。,2、离子通道扩散,2、离子通道扩散,一些极性很强的离子如Na+、K+、Ca2+难以直接通过细胞膜的脂质双层，它们可以通过离子通道高效率完成转运。通道蛋白是由螺旋蛋白构成；其肽链经多次穿膜，围成了充水小孔离子通道(ionchannels)，顺浓度梯度转运；离子通道的开放与关闭是由阀门控制的。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,电压门通道(voltagegatedchannel),特点：膜电位变化可引起构象变化。结构：四聚体，每个单体跨膜6次。Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。,对跨膜电压的变化发生反应，例如神经纤维的电兴奋传导。,配体门通道(ligandgatedchannel),特点：通道的开闭受化学物质（统称为配体）调节。当某一配体与通道蛋白的相应部位结合，引起通道蛋白构象改变，导致阀门反应性开放。,在神经肌肉接点处，肌膜上即具有递质门离子通道。当神经末梢释放出乙酰胆碱（神经递质）时，递质与通道蛋白相互作用，通道打开，Na+、K+、Ca2+涌入细胞内，肌膜去极化，引起肌肉收缩。,神经肌肉接点处的电位门通道,机械门通道,感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。目前比较明确的有两类机械门通道，一类对牵拉敏感，为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜。另一类对剪切力敏感，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。,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,Mostofthechannelproteinsareionchannels,includingthreetypes,withionchannelsthattheycanbeopenedandclosed,3.易化扩散,特点：一些非脂溶性的物质如糖、氨基酸、核苷酸等，不能以简单扩散的方式进出细胞；需载体蛋白；方向是顺浓度梯度；消耗的是浓度差势能而不是代谢能。与简单扩散的区别：需载体蛋白。,Carrierproteinsbindoneormoresolutemoleculesononesideofthemembraneandthenundergoaconformationalchangethattransferthesolutetotheothersideofthemembrane.,Thecarrierprotein,theGlucosetransporter(GluT1)intheerythrocytePM,alterconformationtofacilitatethetransportofglucose.,Facilitatediffusion:Protein-mediatedmovement,movementdownthegradient,4.离子泵,它是一种主动运输，特点：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要消耗代谢能；故又称代谢关联运输需要载体蛋白。这些载体蛋白起泵的作用，有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。主要有：1):钠泵2):钙泵,钠泵,结构特征：由和两个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，通过磷酸化和去磷酸化进行活动。Na+-K+ATP酶必须在Na+、K+、Mg2+存在时才能激活，催化ATP水解提供能量驱动Na+、K+对向运输。,细胞内：K+很高，Na+很低质膜外：Na+很高，K+很低,Na+-K+ATP酶，具有载体和酶的活性,工作原理,第一步：在细胞膜内侧，有Na+、Mg2+存在下，ATP酶被Na+激活，将ATP分解为ADP和高能磷酸根。磷酸根与ATP酶共价结合形成磷酸-ATP酶中间体引起酶蛋白分子发生构象变化，与Na+亲和力降低，Na+被释放到膜外；第二步：改变构象的ATP酶在膜外K+存在时，与K+亲和力大并与之结合使其发生去磷酸作用，同时酶又恢复到原来构象，将K+移至膜内。,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、钾离子过程示意图,结合K+,1,000次/秒,每水解1分子ATP即可将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。,Na+-K+泵对离子的运输属于逆浓度梯度的主动运输，需要消耗细胞的能量，能量的直接来源是ATP。细胞内约有1/3的ATP是用来维持这种离子浓度梯度的。此状况的维持有着重要生理意义。其主要作用如下：,(1)调节渗透压(2)物质吸收(为次级主动运输供能)(3)细胞正常代谢的必要条件(4)保持膜电位,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。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。,5.伴随运输,葡萄糖和氨基酸的主动运输不直接利用ATP，而是靠钠泵维持Na+的跨膜梯度的驱动进行伴随运输，是一种间接的主动运输。,伴随运输(cotransport)是指一种物质的逆浓度梯度穿膜运输依赖于另一种溶质的顺浓度梯度的穿膜运输，二者伴随进行。膜内外Na+、H+浓度差造成的电化学梯度势能为协同运输供能，属于次级主动运输(secondaryactivetransport)。,细胞对葡萄糖的吸收是与Na+的同向穿膜运输(左)及其模式图解(下),协同运输（coupledtransport）,一些共运输载体如Na+-K+-ATP酶、葡萄糖-Na+、Na+-H+等载体可以同时转运两种物质，称为协同运输。共运输(symport)：同方向转运两种物质对向运输(antiport)：反方向转运两种物质,。,Thedifferencebetweenanimalandplantcellstoabsorbnutrients,二、膜泡运输,胞吞作用(endocytosis)：是细胞表面发生内陷，由细胞膜把环境中的大分子和颗粒物质包围成小泡，脱离细胞膜进入细胞内的转运过程。胞吐作用(exocytosis)：细胞内的某些由膜包围成小泡从细胞内部逐步移到质膜下方，小泡膜与质膜融合，把物质排到细胞外。,细胞内吞较大的固体颗粒物或分子复合物，如细菌、细胞碎片等;包含吸附和吞进两个。吞噬体或吞噬泡,吞噬作用,细胞吞入大分子溶液物质或极小的颗粒物质的活动。胞饮体或胞饮小泡胞饮渠道微胞饮作用穿胞吞吐作用,胞饮作用,受体介导的胞吞作用：是特异性很强的胞吞作用。大分子先与细胞膜上特异性受体相识别并结合后，然后通过膜泡系统完成物质的传送。陷穴蛋白介导的胞饮作用：是质膜内陷形成的胞饮泡，属于有被小泡一类。小泡形成时在质膜内表面附有陷穴蛋白，为一种跨膜蛋白,胞吐作用,exocytosis,包含内容物的囊泡移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出细胞之外。,结构性分泌（constitutivepathwayofsecretion）分泌蛋白合成后立即被包装入高尔基体的分泌囊中，随即很快被运送到质膜处，分泌到细胞外。这个过程普遍存在于所有细胞内。调节性分泌（regulatedpathwayofsecretion）细胞分泌蛋白合成后被储存在分泌囊中，只有当细胞接受细胞外信号的刺激，引起细胞内Ca+浓度瞬时升高，才能启动胞吐过程。,穿胞吞吐作用,胞吞作用和胞吐作用相偶联的过程，在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。广泛存在与多细胞动物体内,在上皮细胞、破骨细胞和神经元等细胞中发现，这些细胞往往位于两个解剖分区之间。主要功能是可以在不改变两个分区内部环境的情况下转运大分子。如：母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。,第四节细胞膜与细胞识别,细胞识别（cellrecognition）：是细胞间相互辨认和鉴别，从而识别自己或异己的现象。细胞识别是细胞间以及细胞与环境中分子的识别。,一、细胞膜受体的概念,受体（receptor）：存在于细胞膜上或存在细胞内、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）膜受体的结构和类型,膜受体的分子结构膜受体化学成分：糖蛋白、糖脂和糖脂蛋白糖蛋白：跨膜蛋白,糖蛋白,细胞外域（亲水部分）,一个或多个跨膜域（疏水部分）,细胞内域（亲水部分）,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：它是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：它是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）：是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,膜受体的类型,1.受体酪氨酸激酶,配体结合区：朝向细胞外，可与相应的配体结合跨膜区：由疏水氨基酸组成激酶活性区：朝向细胞质一侧，具有酪氨酸激酶活性功能：当配体与配体结合区结合后，通过蛋白质构象的变化，可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，形成一个或数个SH2结合位点的空间结构，可以与具有SH2结构域的蛋白质结合，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。,酪氨酸激酶受体,2.配体闸门通道（ligand-gatedionchannel）一类自身为离子通道受体，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。这类受体由几个亚基单位组成，每个亚基带有4个疏水的跨膜区域，其氨基和羧基末端均朝向细胞外基质。神经递质通过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，改变质膜的离子通透性，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蛋白偶联受体这类受体与相应的配体结合后，触发受体蛋白的构象改变，后者再进一步调节G蛋白的活性而将配体的信号传递到细胞内，所以称这类受体位G蛋白偶联受体。,G蛋白偶联受体结构特征：由一条多肽链组成，其中带有7个跨膜螺旋区域；其氨基末端朝向细胞外，有4个胞外区，而羧基末端则朝向细胞内基质，有4个胞内区；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在蛋白激酶催化下发生磷酸化的位点，这些位点与受体活性调控有关。,膜受体的特性,特异性及非决定性化学信号与受体之间的结合具有一定的专一性，它们是分子与分子之间的立体构象互补，即分子的立体特异性使信号与受体分子之间存在高度亲和力，使两者契合在一起。某些化学信号可以与一种以上的受体结合，从而使细胞产生不同的效应。即同一化学信号由于所激活的受体不同，对细胞发生的调节作用也不同。（如肾上腺素）,2.可饱和性受体的饱和性即有限的结合能力。一个细胞或一定量组织内受体数目是有限的，各种细胞中各类受体的浓度相对恒定。高亲和性受体与配体的结合能力，称为受体亲和力。受体对其配体的亲和力很强，作用迅速敏感。亲和力越大，受体就越容易被占据。亲和力的大小用配体-受体复合物的解离常数表示。高亲和度的作用浓度常小于10mol/L。,4.可逆性由于受体与配体分子是以非共价键结合，键的强度比共价键弱得多，这决定了分子间识别反应往往是可逆的。5.特定的组织定位受体在体内分布，在种类和数量上均呈特定的模式，即受体只存在于靶细胞。某种细胞之所以成为某种化学信号特定的靶细胞，这是由于这种细胞上具有接受某种化学信号的受体。,