医学细胞生物学-02-.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,质膜,（plasma membrane）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。,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。,（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,（integral protein）,膜周边蛋白,（peripheral protein）,膜内在蛋白为跨膜蛋白（transmembrane proteins），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。,离子型去垢剂SDS,非离子型去垢剂Triton-X100,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。,integral protein；,peripheral protein,膜糖：,大多与蛋白质或脂质分子相结合低聚糖，,主要分布在细胞膜的外表面。,常见有：葡萄糖、半乳糖、甘露糖等等。,E.Overton 1902,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,膜分子结构的研究历史,3、J.Danielli&H.Davson 1935 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，提出,三明治模型,（蛋白质-脂类-蛋白质）（,片层结构模型,）。,4、JD.Robertson 1957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。,5、S.J.Singer&G.Nicolson 1972根据免疫荧光、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“,液体镶嵌模型,”。,Fluid-mosaic model,细胞膜的液体镶嵌模型,细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成；,磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；,蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。,强调了膜的流动性和膜的不对称性。,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。,1975年D.F.H.Wallach提出了,晶格镶嵌模型,：,生物膜中流动的脂质是在可逆的进行无序（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。,1977年M.K.Jain and H.B.White提出了,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。,二、膜的理化特性,膜内外两层组分和功能的差异，称膜的不对称性。,样品经冰冻断裂处理后，各断面命名为：,ES，细胞外表面,；,PS，原生质表面,；,PF，原生质小页断面,。,（一）膜的不对称性,1膜蛋白分布的不对称性：,不对称是绝对的，各种膜蛋白在膜中特殊方向造成的。,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，如：卵磷脂和鞘磷脂主要分布在外小叶，脑磷脂和磷脂酰丝氨酸分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的卵磷脂降解，脑磷脂和磷脂酰丝氨酸分别只有20%和10%的被降解。,3复合糖的不对称性：,糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。,（二）膜的流动性,膜脂和蛋白质的分子运动组成。,1、膜脂分子的运动,侧向扩散运动：磷脂分子在脂平面内的平移运动,旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直轴进行旋转,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,翻转运动：膜脂分子在双分子层之间，由一层倒翻至,另一层,旋转异构化运动：即烃链绕某一个-键旋转,膜蛋白的运动性：,侧向扩散：指膜蛋白在生物膜脂质双层二维平面中,可以自由扩散。,旋转扩散：指膜蛋白围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转,运动，旋转扩散的速度比侧向扩散更为缓慢。,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,影响膜流动性的因素,1、脂肪酸链的长短,不饱和脂肪酸越多相变温度越低；,碳少链短的呈液态，而碳多链长的则逐渐变为固态。,2、脂肪酸链的不饱和程度,不饱和程度膜流动性,3、胆固醇与磷脂的影响：双向调节,相变温度增高时，胆固醇含量多减少流动性；,相变温度降低时，胆固醇含量多增加流动性。,4、膜蛋白的影响：膜蛋白含量膜流动性,5、卵磷脂和鞘磷脂的比值：,卵磷脂和鞘磷脂的比值膜流动性,6、其他因素环境温度：,温度膜流动性；PH；离子强度；金属离子等。,相变：温度升高，晶态可熔融为液晶态，这种变化,称为相变；引起相变的温度为相变温度,。,第三节、细胞膜与物质的跨膜转运,细胞膜运输物质方式：,穿膜运输：小分子和离子,膜泡运输：大分子和颗粒物质,一、穿膜运输,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；,理论上给予足够的时间，任何分子都可以从高浓度向,低浓度方向通过脂双层膜；,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,载体蛋白（carrier proteins）：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（channel proteins）：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。,被动转运,(passive transport):运输方向浓度高向低、跨膜,动力浓度梯度的势能无能量消耗、有膜转运蛋白。,主动运输,(active transport)运输方向浓度低向高、需消耗,能量、有膜转运蛋白,（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,也叫自由扩散（free diffusion）：,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,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；,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,(voltage gated channel),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,+,、Ca,2+,电压门通道结构相似，,由同一个远祖基因演化而来。,配体门通道(ligand gated channel),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。,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,+,、Ca,2+,，以Ca,2+,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。,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。,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,；,需要,载体,蛋白。,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,Na+-K+ATP酶，具有载体和酶的活性,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。,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。,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；Mg,2+,和少量膜脂有助提高于其活性。,5.伴随运输,特点：某物质（如葡萄糖和氨基酸）逆浓度梯度进入细胞,所需的动力不是直接来自水解ATP而是借助另一物质浓梯度或,电化学梯度为动力进行的。,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,。,协同运输（coupled transport）,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,。,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。,膜泡运输,胞吞作用,胞吐作用,吞噬作用,胞饮作用,受体介导的胞吞作用,陷穴蛋白介导的胞饮作用,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。,吞噬作用,细胞吞入大分子溶液或极小的颗粒物质。,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,（constitutive pathway of secretion）,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,（regulated pathway,of secretion,）,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：,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。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（cell recognition）,：是细胞间相互辨认和鉴别，从而识别自己或异己的现象。,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。,不同的配体作用于不同的受体产生的生物学效应；,不同的受体具有不同的配体结合能力；,同一类型受体在不同的功能区域其结合配体的能力也不完全相同,（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。,（胰岛素、类胰岛素生长因子、表皮生长因子、血小板生长因子）,酪氨酸激酶受体,2.配体闸门通道（ligand-gated ion channel）,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，所以称这类受体为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。（如肾上激素）,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。,（三）膜受体的数量与分布,一种细胞膜上可以含有几种不同的受体，它们的数目,各不相同。同一受体在不同细胞膜上的数目也不同。,受体的数目在正常生理条件下是相对恒定的，但随生,理状态不同和外界环境变化的影响，受体的数目也会,发生一定的改变。,在正常生理情况下，受体数目受微环境影响增加或减,少。（胰岛素对糖尿病患者的治疗）,受体在细胞膜上的分布是不均匀的。,（四）受体的激动剂和阻断剂,某一配体分子与受体结合后能使受体被激活，,说明该配体分子具有“,内在活性,”。,激动剂：,有些物质与受体的亲和力大，内在,活性也大，这类物质就是激动剂,阻断剂,：有些物质与受体的亲和力虽大，但,不产生内在活性，这类物质就是阻断剂,二、受体与细胞识别,（一）细胞识别的现象,低等动物海绵的识别；,血液凝固、炎症反应、血栓形成、癌细胞,转移和受精过程。,（二）细胞识别的分子基础,各种细胞识别功能的分子机制不同；已知各,类细胞的识别大部分与细胞膜总的糖蛋白分,子有关；其中唾液酸对细胞识别具有重要意义,分子基础,是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,相同受体相互作用,：两种不同细胞具有相同,作用的受体，其中一个细胞受体转动,180,与,另一细胞受体结合；,受体与细胞表面大分子间相互作用,：一个细胞,表面的受体蛋白与另一细胞表面的大分子发生作用；,相同受体与游离大分子间的相互作用,：所有细胞具,有相同的受体分子,，它们共同识别一个异种大分子，,这个大分子如同两个细胞受体间的连接装置。,（三）细胞识别所引起的反应类型,细胞效应：配体进入细胞、细胞的黏着和细胞内功能活动的改变,配体进入细胞,哺乳动物肝细胞对血清糖蛋白的识别和胞吞作用的过程中，,就有配体进入细胞的情况。,细胞的黏着,可分为细胞与细胞间的黏着和细胞外基质间的黏着。,细胞与细胞间的黏着：生殖细胞的结合、胚胎发育分化、病原体入侵,细胞与细胞外基质间的黏着：是一个以表面受体为媒介，有胞外基质,中的配体分子和细胞内骨架系统参与的跨膜过程,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，将其所带信息转,变成细胞内信号，再引起多种生理变化和一系列生物化学反应。,