细胞生物学-2细胞膜.ppt

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1、一、细胞膜和细胞表面,细胞膜（cell membrane） 包围在细胞外周的一层薄膜， 又称质膜、单位膜 质膜：厚710nm 高倍电镜下： “两暗一明”三夹板式结构,细胞表面,结构：复合结构体系 主体结构细胞膜 细胞外被 胞质溶胶 功能：提供稳定内环境 参与物质转运、 信号传递、 细胞识别等,细胞膜的化学组成,脂类、蛋白质、糖类 脂类约50%，蛋白质4050%，糖类110% 1.膜脂 主要：磷脂、胆固醇和糖脂；磷脂最多 兼性分子：一个亲水的极性头和 一个疏水的非极性尾 水溶液中：自发形成脂双分子层 疏水尾相对、极性头朝外，连续的 脂双分子层组成生物膜的基本骨架,2. 膜蛋白,膜蛋白：生物膜中的

2、蛋白质 主要：球状蛋白 分：外周蛋白和内在蛋白 外周（在）蛋白：占2030%；主要膜内表面； 水溶性；通过非共价键与膜脂或内在蛋白相连 镶嵌（内在）蛋白：7080%；有的部分嵌入膜， 有的贯穿全膜，两端暴露膜内外表面，跨膜蛋白 膜蛋白：细胞膜功能的主要承担者， 功能活动旺盛膜蛋白质含量高 如：运输、酶、受体等,3. 膜糖类,所有真核细胞表面均有糖类， 占210% 大多是低聚糖 主要分布细胞膜外表面 多与蛋白质或脂类分子结合 千变万化担任重要功能,细胞外被 (cell coat)/糖萼(glycocalyx),细胞表面一层糖类结构，厚1020nm, 边界不清 用重金属染料（如钌红）染色，电镜下可

3、显示 细胞外被具一定独立性 去掉细胞外被，不会直接损伤质膜 质膜和细胞外被的关系像“皮”和“毛” 细胞外被由质膜糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成 糖脂含量很少，不超过膜脂总量的5% 实质是质膜的一部分 寡糖链含有9种糖基 质膜许多重要生理功能和细胞外被有关,质膜模型：单位膜模型,1. 50年代末期，伦敦大学，JDRobertson 电镜观察：动物、植物和微生物的 细胞膜和细胞内各种膜， 所有膜都呈三层式结构： 两侧为暗线，中央夹着一条明线； 暗线厚约2nm，明线约3.5nm， 膜的总厚度约为7.5nm,质膜模型：单位膜模型,2. 根据在电镜下观察到的结果， 以及质膜的一些功能指标， 提出：单位膜模

4、型(unit membrane model) Unit membrane model： 膜中央为脂双层分子，在电镜下显示为明线； 膜两侧为展开的蛋白质分子层， 在电镜下显示为暗线， 展开的蛋白质分子层厚度恰为2nm,质膜模型：单位膜模型,3. 后来实验证明： 人工制作的脂双分子层：不附着蛋白质，在电镜 下也呈现为暗明暗三层式结构 说明：细胞膜两侧在电镜下所显示出的暗线 是蛋白质和脂类分子亲水端 经锇酸染色后的反映 单位膜优点： 正确说明了一层单位膜在电镜下的三层式结构,膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model),1972， S.J. Singer and G.L. Nicolso

5、n 中心思想： 构成膜的蛋白质和脂类分子具有镶嵌关系， 膜结构处于流动变化中。 脂类分子： 双分子层排列，膜的网架和基质，蛋白质镶嵌其中 双性分子：亲水头、疏水尾；头朝水相，尾藏膜内部 双分子层内外不对称,膜的流动镶嵌模型,蛋白质： 嵌插在脂双层网架中，或黏附在脂双层的表面 根据在膜上存在部位不同，膜蛋白分为两类： 整合蛋白：以不同深度嵌插在脂双层中 膜周边蛋白：附着于膜的表层 流动镶嵌模型能够真实地说明膜的结构和属性 被学术界所普遍接受 成为深入研究生物膜公认的依据,膜蛋白,整合蛋白： 均为双性分子 非极性区插在脂双层分子之间 极性区则朝向膜的表面， 通过很强的疏水或亲水作用力同膜脂牢固结合

6、 一般不易分离开，采用破坏膜结构或使用去垢剂 例如，质膜中的Na+K+ -ATP酶是典型的整合蛋白,膜蛋白,周边蛋白： 与膜的结合比较疏松 不需破坏膜结构，用温和的方法可分离 例：人的红细胞内表面有一种蛋白血影蛋白 无论是整合蛋白还是周边蛋白，至少有一端露出膜表面，没有完全埋在膜内部的蛋白质分子 用冰冻蚀刻法可显示蛋白质颗粒在脂双层的分布状况,膜的特征,(1)镶嵌性：由脂双分子层镶嵌以蛋白质 (2)流动性：蛋白质分子和脂类分子不断地发生变化 (3)不对称性：膜两侧的分子性质和结构不同。 (4)蛋白质极性：整合蛋白多肽链极性区露出膜表面， 非极性区则埋在脂双层的内部， 故：蛋白质分子既与水溶性分

7、子结合， 也可与脂溶性分子亲和。,膜的不对称性,影响因素：膜成分脂肪酸、胆固醇、蛋白等 温度、pH、离子强度等 实验证据 细胞融合实验 淋巴细胞的成斑和成帽反应 凝集素的凝集作用,膜的流动性,晶格镶嵌模型和板块镶嵌模型,补充：膜流动性的分子基础 比较合理地说明：生物膜既具有流动性 又具有相对完整性及稳定性 类脂中有：晶态（有序板块） 液态（无序板块） 流动是局部的,二、质膜与物质运输,活细胞：开放性结构体系 进行各种生命活动 必然要同环境发生物质交换 质膜：细胞与环境相互作用的前沿结构 是细胞的一堵“墙”，更重要的是细胞的“大门” 物质经过质膜进出细胞的运输方式： 膜泡运输：大分子和颗粒物质

8、两种 穿膜运输：离子和小分子,（一）、膜泡运输,大分子和颗粒物质较大量的进出细胞 批量运输 特点：物质进出细胞的运转过程都由膜包围 在细胞质内形成小膜泡 内吞作用(endocytosis)或胞吞： 质膜内陷，包围细胞外物质， 形成小泡后，脱离质膜进入细胞内 外排作用(exocytosis)或胞吐： 细胞质中的小泡同质膜融合， 把所含的物质运送到细胞外,内吞作用：吞噬作用,内吞作用分三类：吞噬作用、胞饮作用、穿胞运输 1吞噬作用(phagocytosis) 定义：细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌等 原生动物：广泛存在，掠取营养物质维持生存重要方式 后生动物：主要作用是吞噬异物，进行防卫 异物在

9、细胞内被消化后，有的成分可作为养料 哺乳动物：中性颗粒白细胞和巨噬细胞具极强吞噬能力 巨噬细胞：体内各种组织 吞噬过程：细胞伸出伪足包围颗粒物质，将其吞入细胞内， 形成有膜包围的吞噬体,2胞饮作用(pinocytosis) 定义：吞入液体或极小的颗粒物质 存在：白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞等 触发：细胞周围的某些物质，如蛋白质、氨基酸、 离子等，达到一定浓度时，即引发,内吞作用：胞饮作用,内吞作用：胞饮作用,胞饮过程： 外来物质作为诱导物同质膜上转移受体结合， 或靠静电引力同糖蛋白结合； 在细胞内微丝的作用下， 结合部位质膜向内凹陷，包围这些物质， 形成了胞饮小泡； 胞饮小泡进入细

10、胞内部。,内吞作用：胞饮作用,微胞饮作用(micropinocytosis)： 胞饮小泡很小 实质：与胞饮无根本性区别，只是体积很小 主要作用：摄取和转运蛋白质 存在：毛细血管上皮细胞、肝细胞、 神经纤维上的施旺细胞、巨噬细胞、 肌细胞、网状细胞等,内吞作用：胞饮作用,胞饮泡进入细胞后： 首先：同早期内吞体融合 (内吞体是靠近质膜形状不定的细胞内泡， 胞内液体呈酸性) 经过三条途径产生三种不同的归宿： 与溶酶体融合： 质膜和配体-受体复合物被消化降解,内吞作用：胞饮作用,早期内吞体中配体与受体分离： 带有受体的膜泡通过外排又回到原来的细胞表面， 重新补充内吞时损耗的质膜。 内吞和外排形成了一个

11、膜的再循环过程 配体-受体复合物不分解，仍包在小泡内： 在细胞的另一侧，小泡与质膜融合， 配体与受体分离被分泌到细胞外， 这种物质运转过程称为：物质的穿胞运输(transcytosis),内吞作用：陷穴小泡胞饮,陷穴小泡(caveolae)胞饮： 由质膜内陷形成的胞饮泡， 属于有被小泡类， 直径约50-100nm 存在：各类细胞，尤以内皮、平滑肌和成纤维最丰富 形成：小泡形成时，质膜内表面附着有陷穴蛋白 小泡形成后，表面覆被有陷穴蛋白， 成为陷穴蛋白衣被小泡,内吞作用：陷穴小泡胞饮,陷穴蛋白：跨膜蛋白，大小为22kDa， 肽链的C和N末端均在细质溶质中 在小泡表面排列成同心圆状线条 陷穴小泡膜

12、：含有糖基鞘磷脂、鞘磷脂、胆固醇、 Ca2+-ATP酶和糖基磷脂、酰肌醇等 小泡的功能：尚不完全清楚， 根据现有研究资料可能有下述功能 钙运输 信号转导,内吞作用：穿胞运输,3.穿胞运输 机体内物质运输的一种重要方式 穿胞运输： 内吞小泡穿过细胞质， 再由质膜其他部位将内含物外排出去， 构成吞排作用的质膜循环 动物组织：有的细胞介于两个解剖分区的交接处，细胞具有极性，通过内吞和外排相偶联，把一侧形成的胞饮小泡穿越细胞质，在细胞的另一侧使小泡中的物质释放出去。,内吞作用：穿胞运输,大鼠：母鼠向仔鼠提供抗体的过程 实验：母鼠血液中抗体经穿胞运输进入乳汁 乳汁进入仔鼠消化道 肠腔酸性环境中，乳汁中的

13、抗体与肠上皮细胞 顶端质膜上的受体结合成复合物， 形成胞饮小泡，小泡与内体融合后， 抗体-受体复合物保持不变， 以出芽的方式离开早期内体，形成运输小泡， 运输小泡同细胞另一侧的质膜融合， 抗体-受体复合物暴露到细胞外环境中， 细胞外液体的pH值为中性，抗体与受体解离， 进入仔鼠血液中发挥作用,内吞作用：穿胞运输,人体： 母体的抗体以穿胞运输的方式从血液进入乳汁 但：乳汁进入婴儿消化道后， 抗体不再进入血液。 肝细胞： 从血窦中吸收免疫球蛋白A(IgA)， 通过穿胞运输输送到胆微管,内吞作用：受体介导内吞,质膜上的受体参与了细胞内吞过程。 受体：可与细胞外专一信号分子(配体)结合，并引起细胞发生

14、反应的质膜蛋白。 受体介导内吞(receptor-mediated endocytosis)： 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。,受体介导内吞：衣被小泡的形成,内吞第一步： 细胞外液体大分子同受体结合，形成配体-受体复合物 受体类型：25种以上； 有的只有同配体结合后才能向衣被小窝处集中 衣被小窝：质膜向内凹陷的部位 凹陷处的质膜内表面附着有一层成笼蛋白 有筛选受体蛋白的功能,受体介导内吞：衣被小泡的形成,受体结合配体后： 受体分子变成了适合同衣被小窝结合的构型 衣被小窝进一步内陷，掐断后形成衣被小泡： 配体物质包在泡内 成笼蛋白在小泡的外面装配成类似笼子的结构,受体

15、介导内吞：成笼蛋白,分子构型：特殊，三足鼎立(三脚架)状， 具有3条腿，故称三腿子 三腿子：3条大肽链和3条小肽链构成的复合物 衣被小窝处：三腿子连接成网架， 网架由六角形和五角形网格组成 三腿子分子网架具有自我装配的能力 质膜内陷：可能由成笼蛋白牵引所致 衣被小泡一旦形成，成笼蛋白衣被随即脱去， 分子返回到质膜下方，重又参与形成新的衣被小泡,受体介导内吞：衔接蛋白的作用,衣被小泡的衣被：成笼蛋白 衔接蛋白(adaptin) 衔接蛋白：参与衣被的形成，与成笼蛋白相同 介于成笼蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用 种类：多种，分别结合不同类型的受体 衔接蛋白识别： 跨膜受体蛋白的细胞质端一个由4

16、个氨基酸残基组成的序列，此序列是发生内吞作用的信号,受体介导内吞：胆固醇的吸收,胆固醇：构成膜的一种脂类成分 血液中胆固醇与蛋白质结合成低密脂蛋白： 芯部胆固醇分子被酯化成长链脂肪酸 周围由一脂单层包围 这些脂分子被一个蛋白质分子组织成LDL颗粒 蛋白质分子同时为LDL颗粒与LDL受体的结合提供结合位点 膜合成需要胆固醇时：细胞合成LDL跨膜受体蛋白， 嵌插到膜中，向衣被小窝集中 细胞对胆固醇利用具有调节能力：细胞中胆固醇积累过多时，细胞即停止合成自身胆固醇，同时关闭合成LDL受体蛋白的合成途径，暂停吸收外来胆固醇,受体介导内吞：胆固醇的吸收,LDL颗粒与受体结合： 随衣被小窝内陷，衣被小窝从

17、质膜上掐下来，形成衣被小泡； 衣被小泡随即脱掉成笼蛋白衣被，成为平滑小泡；小泡同早期内体融合，经晚期内体将LDL送人溶酶体；溶酶体中，LDL颗粒中的胆固醇酯被水解成游离的胆固醇被利用。 遗传缺陷：LDL受体蛋白编码基因有缺陷，血液中胆固醇含量过高，患动脉粥样硬化症，易患冠心病,胞吐作用 与胞吞作用相反的过程 细胞质中的小泡同质膜融合 把所含的物质运送到细胞外 真核细胞的分泌活动几乎都以胞吐形式进行,（二）、离子和小分子的穿膜运输,物质穿膜的特点： 物质穿膜的性能称为通透性。 其大小与物质的性质和大小有关 影响通透性高低的因素： (1)脂溶性越大的分子越容易穿膜 (2)小分子比大分子容易穿膜 (

18、3)不带电荷的分子容易穿膜 (4)亲水性分子和离子穿膜依赖于专一性的跨膜蛋白 (5)细胞生理状态和环境条件,水进出细胞,快速，与膜上有水孔蛋白通道有关 水孔蛋白通道： 广泛，动物、植物和细菌的质膜上 高度专一性，只允许水分子 四聚体，每一单体都有独立的水通道功能,穿膜运输的类型,根据运输方向：被动运输(passive transport) 主动运输(active transport) 被动运输：物质顺浓度梯度，即顺电化学梯度 不消耗细胞本身的代谢能 电化学梯度：由物质浓度梯度和电位梯度共同决定 主动运输：物质逆电化学梯度 消耗细胞的代谢能 专一的载体蛋白,穿膜运输:简单扩散(simple di

19、ffusion),不需消耗代谢能，不需载体 疏水性的非极性小分子， 如O2、N2、苯、甾类激素等,穿膜运输: 协助扩散,非脂溶性（或亲水性）物质； Na+ 、 K+ 、葡萄糖、氨基酸等 借助膜上的转运蛋白帮助 由高浓度一侧向低浓度一侧扩散 转运蛋白：通道蛋白、载体蛋白 载体蛋白：与特定分子结合，构象变化来转运； 载体与转运物分离后，恢复原有构象； 如：转运葡萄糖、氨基酸,穿膜运输: 协助扩散,通道蛋白：亲水通道，允许一定的离子通过； 肽链多次穿膜，围成充水小孔 选择性开关 离子通道与一般的亲水小孔的区别： 离子选择性；可控性，一般不开放 类型： 电压门通道；机械门通道；配体门通道 各种门开关调

20、节：通道蛋白质磷酸化和去磷酸化,穿膜运输: 主动运输,离子和代谢物沿逆电化学梯度进行穿膜运输 消耗细胞的代谢能，又称代谢关联运输 跨膜载体蛋白的协助，起泵作用 初级主动运输：水解ATP驱动运输 次级主动运输（协同运输）：一种物质的逆浓度梯度运输 依赖于另一种溶质的顺浓度梯度运输，二者协同进行， 同向运输：两种溶质的运输方向相同，如细胞对葡萄糖 的吸收，是与Na+同向穿膜 反向运输：两者运输的方向相反，如红细胞清除组织中 CO2时,主动运输与运输泵,泵(pump)：能驱动离子或小分子以主动运输的方式 穿过生物膜的跨膜蛋白 离子泵：驱动离子穿膜的跨膜蛋白，具ATP酶活性 Na+-K+泵：细胞内K+

21、的浓度很高，而Na+浓度很低； 质膜外相反。 Na+和K+的运输偶联， Na+的排出和K+的进入协同进行 实质： Na+ - K+ ATP酶 跨膜蛋白质， 由,两个亚基构成,Na+-K+泵,亚基： 大亚基，具有ATP酶活性， 细胞质端有Na+和ATP结合部位， 外端有K+和乌本苷结合部位， 磷酸化和去磷酸化引起分子构象变化。 亚基： 糖蛋白亚基，作用不清楚， 可能与维持酶活性有关 当亚基与亚基分开时，亚基的酶活性丧失,Na+-K+泵,质膜内外可分别为Na+与K+激活，催化ATP水解 Na+存在下： ATP分子末端的磷酸基转交给ATP酶， ATP酶磷酸化引起酶分子构象变化，把Na+运出 K+存在

22、下： ATP酶脱磷酸化， 酶分子恢复到原来的构象，把K+运进膜内 各种细胞，每水解1个ATP分子 运输Na+、K+比例不同，由11到31,Na+-K+泵,Na+、K+不对等运输： 造成膜内外的电化学梯度 神经和肌肉细胞中特别活跃，对强心苷类敏感 细胞内约有13的ATP用于维持这种离子浓度梯度 生理意义：(1)调节渗透压 (2)物质吸收 (3)细胞正常代谢的必要条件 (4)保持膜电位,钙泵,真核：胞质中游离Ca2+浓度低；细胞外Ca2+浓度高 细胞局部Ca2+浓度提高可激活某些Ca2+反应蛋白质， 如钙调蛋白、肌钙蛋白等。 Ca2+ ：参与肌肉收缩活动；细胞内信使 胞质中低浓度Ca2+维持：进行生理活动的戒备状态 Ca2+泵（Ca2+-ATP酶）：维持胞质中低浓度Ca2+ 结构和功能上与Na+-K+泵类似， 通过磷酸化与去磷酸化进行泵吸活动循环,