医学细胞生物学-细胞膜与细胞表面

第4章细胞膜与细胞表面,2,本章内容,4.1细胞膜的化学组成4.2细胞膜的分子结构模型及特性4.3细胞表面及其功能4.4细胞表面的特化结构,3,质膜与细胞内膜,4,细胞的生物膜体系,5,细胞膜的结构模式图,6,与细胞膜相关的概念,细胞被（cellcoat）-糖蛋白、糖脂的糖链向膜外伸展、交织而成的毯状构造。也称糖被（glycocalyx）。细胞表面（cellsurface）-由细胞被、细胞膜和胞质溶胶构成的复合结构。广义上，还包括鞭毛、纤毛、微绒毛等表面特化结构&细胞连接。,7,细胞表面的范畴,8,4.1细胞膜的化学组成,膜脂-构成膜的主体蛋白质-参与构成膜主体糖类-3%10%(糖脂、糖蛋白)水-膜的内外表面，80自由水无机盐-少量，为膜蛋白组分不同细胞的膜，三种主要物质比例相差大,9,膜中各成分的比例,10,膜结构研究的好材料,11,红细胞,RedBloodCell是结构最简单的细胞:成熟的红细胞没有细胞器；质膜是红细胞惟一的膜结构；红细胞质膜易于提纯和分离；人们对膜结构的认识，大多来自于对红细胞膜结构的研究。,12,红细胞膜超微结构,13,4.1.1膜脂（磷脂、糖脂、胆固醇）,1、磷脂磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）神经鞘磷脂（鞘磷脂）磷脂酰肌醇磷脂酰丝氨酸,14,卵磷脂的结构,l头部:胆碱+磷酸+甘油极性、亲水l尾部:脂肪酸非极性、疏水,15,磷脂分子的性质,16,脂质体(Liposome),除作为生物膜的研究模型，更重要的用途是作为临床上各种药物的载体；遗传性疾病基因疗法中靶基因的运载体，可将靶基因高效率地导入待治疗的细胞。,17,脂质体的形成,18,2、胆固醇,存在于真核细胞膜中，兼性分子极性头部非极性尾部功能：增加膜稳定性，调节膜流动性。,19,胆固醇与磷脂的关系,20,3、糖脂的结构与功能,糖脂磷脂衍生物糖基取代磷脂头部的磷酸胆碱。糖脂功能：膜受体。,21,4.1.2膜蛋白种类、分布和功能,膜蛋白约占细胞总蛋白25膜各种功能的执行者1.按位置分:外周蛋白膜内外表面镶嵌蛋白嵌在脂质双分子层中or跨膜存在（跨膜蛋白）,22,膜蛋白的种类和位置,23,24,2.按膜蛋白与膜脂的相互关系分：,以单一的螺旋形式伸展越过脂质双层的跨膜蛋白以多个螺旋形式多次越过质膜的球形蛋白位于质膜内表面的膜外在蛋白位于质膜外表面的膜外在蛋白位于膜脂双分子层内表面的膜外周蛋白位于膜脂双分子层外表面的膜外周蛋白,25,3.按功能分：,运输蛋白连接蛋白受体蛋白催化蛋白,26,本章内容,4.1细胞膜的化学组成4.2细胞膜的分子结构模型与特性4.3细胞表面及其功能4.4细胞表面的特化结构,27,4.2细胞膜的分子结构模型及特性,4.2.1膜的分子结构模型eg：单位膜模型、流动镶嵌模型,28,流动镶嵌模型,29,流动镶嵌模型要点：,强调了膜结构的流动性。强调了膜结构的不对称性和不均匀性。膜的功能是由蛋白与蛋白、蛋白与脂质、脂质与脂质之间复杂的相互作用实现的。,30,4.2.2细胞膜的特性,1、膜的不对称性（膜脂、膜蛋白不对称）,31,2、细胞膜的流动性,膜的动态结构，由膜分子的运动决定。磷脂双分子层具流动性。生理温度下，处于液态与晶态间的过渡状态-液晶态（由磷脂的各种运动引起）。温度下降，液晶态晶态，温度上升，晶态液晶态，这种膜状态的改变称为相变。引起相变的临界温度称为相变温度。,32,膜脂的运动,温度高于相变温度液晶态的膜脂流动，即膜脂分子的运动。其运动方式有以下四种：翻转运动测向扩散钟摆运动旋转运动,33,膜脂的流动性示意,34,膜蛋白的运动,细胞膜脂的运动使膜蛋白产生了运动。膜蛋白的运动方式：转动侧向扩散（在磷脂海洋中漂浮的冰山）证明膜蛋白流动性的实验：人鼠细胞融合实验.,35,人鼠细胞杂交实验,36,3.细胞膜的选择透性,选择透性（半透性）：让部分物质通过。细胞膜对不同性质物质的通透性差异大一般地：脂溶性、分子小、不带电物质易透过。eg：水分子、磺胺药，易透过膜,37,本章内容,4.1细胞膜的化学组成4.2细胞膜的分子结构模型与特性4.3细胞表面及其功能4.4细胞表面的特化结构,38,4.3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,39,4.3.1细胞膜的概念,功能：支撑保护、物质交换、信息传导、细胞识别、细胞通信、细胞连接、,40,4.3.2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),41,物质的跨膜转运概况,42,1、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。,43,（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,44,小分子穿膜转运图解,45,自由扩散（Freediffusion）,又称简单扩散（simplediffusion）。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。,46,易化扩散（帮助扩散）图解,47,载体蛋白（carrierproteins）,*特点:1.具有特异性；2.参与被动运输；3.参与主动运输。,48,载体蛋白的工作原理,49,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（ionchannel）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。,50,通道蛋白（Channelproteins）,已发现通道蛋白50多种，主要是离子通道(ionchannel)。通道蛋白持续开放的、非持续开放（闸门）闸门通道(gatedchannel)：间断开放通道。,51,闸门通道(gatedchannel),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）,52,配体闸门通道图解,53,电压闸门通道示意（动画）,54,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（PeterAgre）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”,55,（2）主动运输（activetransport）,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）,56,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！,57,1.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。,58,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。,59,钠钾泵的结构特点,60,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。,61,钠钾泵的工作原理（每秒运转1000次）,62,钠钾泵工作原理示意,63,2.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（cotransportsymport）反向伴随运输（cotransportantiport）,64,协同运输示意图,单向运输同向伴随运输反向伴随运输,65,葡萄糖与钠离子的同向伴随运输,66,伴随运输（共运输）动画,67,小肠上皮细胞吸收肠腔中葡萄糖的过程,68,2、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,69,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,70,71,胞吐作用,72,受体介导的胞吞过程,73,LDL（胆固醇）颗粒的结构,74,胆固醇入胞示意图,75,4.3.3细胞表面受体与细胞通讯,1、细胞表面受体与细胞识别2、细胞通讯的机制,76,细胞通讯与信号传递示意图,77,1、细胞表面受体与细胞识别,（1）细胞表面受体（cellsurfacereceptor)=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（cellrecognition）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。,78,细胞表面受体举例,79,细胞表面受体分三类,离子通道偶联受体（ion-channel-linkedreceptor）G蛋白偶联受体（G-protein-linkedreceptor）；酶偶联受体（enzyme-linkedreceptor）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。,80,81,2、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cAMP,82,刺激型与抑制型G蛋白的作用,83,cAMP信号通路示意图,84,cAMP信号通路示意图,85,环腺苷酸信号传递的机理,配体（第一信使）结合受体；受体释放信号给G蛋白；G蛋白结合GTP被激活；G蛋白激活腺苷酸环化酶（AC）；AC使ATP变成cAMP(第二信使）cAMP在细胞内产生生物学效应eg：激活蛋白激酶A,86,cAMP信号通路的主要效应,87,cAMP信号通路的主要效应,激素G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录。,88,细胞内的信号转导,89,（2）磷脂酰肌醇信号通路,特点：以三磷酸肌醇（IP3）和甘油二脂（DG）作第二信使；作用更广泛；