細胞生物學-2細胞膜.ppt

一、細胞膜和細胞表面,細胞膜（cell membrane） 包圍在細胞外周的一層薄膜， 又稱質膜、單位膜 質膜：厚710nm 高倍電鏡下： “兩暗一明”三夾板式結構,細胞表面,結構：復合結構體系 主體結構細胞膜 細胞外被 胞質溶膠 功能：提供穩(wěn)定內環(huán)境 參與物質轉運、 信號傳遞、 細胞識別等,細胞膜的化學組成,脂類、蛋白質、糖類 脂類約50%，蛋白質4050%，糖類110% 1.膜脂 主要：磷脂、膽固醇和糖脂；磷脂最多 兼性分子：一個親水的極性頭和 一個疏水的非極性尾 水溶液中：自發(fā)形成脂雙分子層 疏水尾相對、極性頭朝外，連續(xù)的 脂雙分子層組成生物膜的基本骨架,2. 膜蛋白,膜蛋白：生物膜中的蛋白質 主要：球狀蛋白 分：外周蛋白和內在蛋白 外周（在）蛋白：占2030%；主要膜內表面； 水溶性；通過非共價鍵與膜脂或內在蛋白相連 鑲嵌（內在）蛋白：7080%；有的部分嵌入膜， 有的貫穿全膜，兩端暴露膜內外表面，跨膜蛋白 膜蛋白：細胞膜功能的主要承擔者， 功能活動旺盛膜蛋白質含量高 如：運輸、酶、受體等,3. 膜糖類,所有真核細胞表面均有糖類， 占210% 大多是低聚糖 主要分布細胞膜外表面 多與蛋白質或脂類分子結合 千變萬化擔任重要功能,細胞外被 (cell coat)/糖萼(glycocalyx),細胞表面一層糖類結構，厚1020nm, 邊界不清 用重金屬染料（如釕紅）染色，電鏡下可顯示 細胞外被具一定獨立性 去掉細胞外被，不會直接損傷質膜 質膜和細胞外被的關系像“皮”和“毛” 細胞外被由質膜糖蛋白和糖脂伸出的寡糖鏈組成 糖脂含量很少，不超過膜脂總量的5% 實質是質膜的一部分 寡糖鏈含有9種糖基 質膜許多重要生理功能和細胞外被有關,質膜模型：單位膜模型,1. 50年代末期，倫敦大學，JDRobertson 電鏡觀察：動物、植物和微生物的 細胞膜和細胞內各種膜， 所有膜都呈三層式結構： 兩側為暗線，中央夾著一條明線； 暗線厚約2nm，明線約3.5nm， 膜的總厚度約為7.5nm,質膜模型：單位膜模型,2. 根據在電鏡下觀察到的結果， 以及質膜的一些功能指標， 提出：單位膜模型(unit membrane model) Unit membrane model： 膜中央為脂雙層分子，在電鏡下顯示為明線； 膜兩側為展開的蛋白質分子層， 在電鏡下顯示為暗線， 展開的蛋白質分子層厚度恰為2nm,質膜模型：單位膜模型,3. 后來實驗證明： 人工制作的脂雙分子層：不附著蛋白質，在電鏡 下也呈現為暗明暗三層式結構 說明：細胞膜兩側在電鏡下所顯示出的暗線 是蛋白質和脂類分子親水端 經鋨酸染色后的反映 單位膜優(yōu)點： 正確說明了一層單位膜在電鏡下的三層式結構,膜的流動鑲嵌模型(fluid mosaic model),1972， S.J. Singer and G.L. Nicolson 中心思想： 構成膜的蛋白質和脂類分子具有鑲嵌關系， 膜結構處于流動變化中。 脂類分子： 雙分子層排列，膜的網架和基質，蛋白質鑲嵌其中 雙性分子：親水頭、疏水尾；頭朝水相，尾藏膜內部 雙分子層內外不對稱,膜的流動鑲嵌模型,蛋白質： 嵌插在脂雙層網架中，或黏附在脂雙層的表面 根據在膜上存在部位不同，膜蛋白分為兩類： 整合蛋白：以不同深度嵌插在脂雙層中 膜周邊蛋白：附著于膜的表層 流動鑲嵌模型能夠真實地說明膜的結構和屬性 被學術界所普遍接受 成為深入研究生物膜公認的依據,膜蛋白,整合蛋白： 均為雙性分子 非極性區(qū)插在脂雙層分子之間 極性區(qū)則朝向膜的表面， 通過很強的疏水或親水作用力同膜脂牢固結合 一般不易分離開，采用破壞膜結構或使用去垢劑 例如，質膜中的Na+K+ -ATP酶是典型的整合蛋白,膜蛋白,周邊蛋白： 與膜的結合比較疏松 不需破壞膜結構，用溫和的方法可分離 例：人的紅細胞內表面有一種蛋白血影蛋白 無論是整合蛋白還是周邊蛋白，至少有一端露出膜表面，沒有完全埋在膜內部的蛋白質分子 用冰凍蝕刻法可顯示蛋白質顆粒在脂雙層的分布狀況,膜的特征,(1)鑲嵌性：由脂雙分子層鑲嵌以蛋白質 (2)流動性：蛋白質分子和脂類分子不斷地發(fā)生變化 (3)不對稱性：膜兩側的分子性質和結構不同。 (4)蛋白質極性：整合蛋白多肽鏈極性區(qū)露出膜表面， 非極性區(qū)則埋在脂雙層的內部， 故：蛋白質分子既與水溶性分子結合， 也可與脂溶性分子親和。,膜的不對稱性,影響因素：膜成分脂肪酸、膽固醇、蛋白等 溫度、pH、離子強度等 實驗證據 細胞融合實驗 淋巴細胞的成斑和成帽反應 凝集素的凝集作用,膜的流動性,晶格鑲嵌模型和板塊鑲嵌模型,補充：膜流動性的分子基礎 比較合理地說明：生物膜既具有流動性 又具有相對完整性及穩(wěn)定性 類脂中有：晶態(tài)（有序板塊） 液態(tài)（無序板塊） 流動是局部的,二、質膜與物質運輸,活細胞：開放性結構體系 進行各種生命活動 必然要同環(huán)境發(fā)生物質交換 質膜：細胞與環(huán)境相互作用的前沿結構 是細胞的一堵“墻”，更重要的是細胞的“大門” 物質經過質膜進出細胞的運輸方式： 膜泡運輸：大分子和顆粒物質 兩種 穿膜運輸：離子和小分子,（一）、膜泡運輸,大分子和顆粒物質較大量的進出細胞 批量運輸 特點：物質進出細胞的運轉過程都由膜包圍 在細胞質內形成小膜泡 內吞作用(endocytosis)或胞吞： 質膜內陷，包圍細胞外物質， 形成小泡后，脫離質膜進入細胞內 外排作用(exocytosis)或胞吐： 細胞質中的小泡同質膜融合， 把所含的物質運送到細胞外,內吞作用：吞噬作用,內吞作用分三類：吞噬作用、胞飲作用、穿胞運輸 1吞噬作用(phagocytosis) 定義：細胞內吞較大的固體顆粒物質，如細菌等 原生動物：廣泛存在，掠取營養(yǎng)物質維持生存重要方式 后生動物：主要作用是吞噬異物，進行防衛(wèi) 異物在細胞內被消化后，有的成分可作為養(yǎng)料 哺乳動物：中性顆粒白細胞和巨噬細胞具極強吞噬能力 巨噬細胞：體內各種組織 吞噬過程：細胞伸出偽足包圍顆粒物質，將其吞入細胞內， 形成有膜包圍的吞噬體,2胞飲作用(pinocytosis) 定義：吞入液體或極小的顆粒物質 存在：白細胞、腎細胞、小腸上皮細胞、肝巨噬細胞等 觸發(fā)：細胞周圍的某些物質，如蛋白質、氨基酸、 離子等，達到一定濃度時，即引發(fā),內吞作用：胞飲作用,內吞作用：胞飲作用,胞飲過程： 外來物質作為誘導物同質膜上轉移受體結合， 或靠靜電引力同糖蛋白結合； 在細胞內微絲的作用下， 結合部位質膜向內凹陷，包圍這些物質， 形成了胞飲小泡； 胞飲小泡進入細胞內部。,內吞作用：胞飲作用,微胞飲作用(micropinocytosis)： 胞飲小泡很小 實質：與胞飲無根本性區(qū)別，只是體積很小 主要作用：攝取和轉運蛋白質 存在：毛細血管上皮細胞、肝細胞、 神經纖維上的施旺細胞、巨噬細胞、 肌細胞、網狀細胞等,內吞作用：胞飲作用,胞飲泡進入細胞后： 首先：同早期內吞體融合 (內吞體是靠近質膜形狀不定的細胞內泡， 胞內液體呈酸性) 經過三條途徑產生三種不同的歸宿： 與溶酶體融合： 質膜和配體-受體復合物被消化降解,內吞作用：胞飲作用,早期內吞體中配體與受體分離： 帶有受體的膜泡通過外排又回到原來的細胞表面， 重新補充內吞時損耗的質膜。 內吞和外排形成了一個膜的再循環(huán)過程 配體-受體復合物不分解，仍包在小泡內： 在細胞的另一側，小泡與質膜融合， 配體與受體分離被分泌到細胞外， 這種物質運轉過程稱為：物質的穿胞運輸(transcytosis),內吞作用：陷穴小泡胞飲,陷穴小泡(caveolae)胞飲： 由質膜內陷形成的胞飲泡， 屬于有被小泡類， 直徑約50-100nm 存在：各類細胞，尤以內皮、平滑肌和成纖維最豐富 形成：小泡形成時，質膜內表面附著有陷穴蛋白 小泡形成后，表面覆被有陷穴蛋白， 成為陷穴蛋白衣被小泡,內吞作用：陷穴小泡胞飲,陷穴蛋白：跨膜蛋白，大小為22kDa， 肽鏈的C和N末端均在細質溶質中 在小泡表面排列成同心圓狀線條 陷穴小泡膜：含有糖基鞘磷脂、鞘磷脂、膽固醇、 Ca2+-ATP酶和糖基磷脂、酰肌醇等 小泡的功能：尚不完全清楚， 根據現有研究資料可能有下述功能 鈣運輸 信號轉導,內吞作用：穿胞運輸,3.穿胞運輸 機體內物質運輸的一種重要方式 穿胞運輸： 內吞小泡穿過細胞質， 再由質膜其他部位將內含物外排出去， 構成吞排作用的質膜循環(huán) 動物組織：有的細胞介于兩個解剖分區(qū)的交接處，細胞具有極性，通過內吞和外排相偶聯，把一側形成的胞飲小泡穿越細胞質，在細胞的另一側使小泡中的物質釋放出去。,內吞作用：穿胞運輸,大鼠：母鼠向仔鼠提供抗體的過程 實驗：母鼠血液中抗體經穿胞運輸進入乳汁 乳汁進入仔鼠消化道 腸腔酸性環(huán)境中，乳汁中的抗體與腸上皮細胞 頂端質膜上的受體結合成復合物， 形成胞飲小泡，小泡與內體融合后， 抗體-受體復合物保持不變， 以出芽的方式離開早期內體，形成運輸小泡， 運輸小泡同細胞另一側的質膜融合， 抗體-受體復合物暴露到細胞外環(huán)境中， 細胞外液體的pH值為中性，抗體與受體解離， 進入仔鼠血液中發(fā)揮作用,內吞作用：穿胞運輸,人體： 母體的抗體以穿胞運輸的方式從血液進入乳汁 但：乳汁進入嬰兒消化道后， 抗體不再進入血液。 肝細胞： 從血竇中吸收免疫球蛋白A(IgA)， 通過穿胞運輸輸送到膽微管,內吞作用：受體介導內吞,質膜上的受體參與了細胞內吞過程。 受體：可與細胞外專一信號分子(配體)結合，并引起細胞發(fā)生反應的質膜蛋白。 受體介導內吞(receptor-mediated endocytosis)： 有受體參與的、從胞外吸收專一性的 大分子和顆粒物質的過程。,受體介導內吞：衣被小泡的形成,內吞第一步： 細胞外液體大分子同受體結合，形成配體-受體復合物 受體類型：25種以上； 有的只有同配體結合后才能向衣被小窩處集中 衣被小窩：質膜向內凹陷的部位 凹陷處的質膜內表面附著有一層成籠蛋白 有篩選受體蛋白的功能,受體介導內吞：衣被小泡的形成,受體結合配體后： 受體分子變成了適合同衣被小窩結合的構型 衣被小窩進一步內陷，掐斷后形成衣被小泡： 配體物質包在泡內 成籠蛋白在小泡的外面裝配成類似籠子的結構,受體介導內吞：成籠蛋白,分子構型：特殊，三足鼎立(三腳架)狀， 具有3條腿，故稱三腿子 三腿子：3條大肽鏈和3條小肽鏈構成的復合物 衣被小窩處：三腿子連接成網架， 網架由六角形和五角形網格組成 三腿子分子網架具有自我裝配的能力 質膜內陷：可能由成籠蛋白牽引所致 衣被小泡一旦形成，成籠蛋白衣被隨即脫去， 分子返回到質膜下方，重又參與形成新的衣被小泡,受體介導內吞：銜接蛋白的作用,衣被小泡的衣被：成籠蛋白 銜接蛋白(adaptin) 銜接蛋白：參與衣被的形成，與成籠蛋白相同 介于成籠蛋白與配體受體復合物之間，起連接作用 種類：多種，分別結合不同類型的受體 銜接蛋白識別： 跨膜受體蛋白的細胞質端一個由4個氨基酸殘基組成的序列，此序列是發(fā)生內吞作用的信號,受體介導內吞：膽固醇的吸收,膽固醇：構成膜的一種脂類成分 血液中膽固醇與蛋白質結合成低密脂蛋白： 芯部膽固醇分子被酯化成長鏈脂肪酸 周圍由一脂單層包圍 這些脂分子被一個蛋白質分子組織成LDL顆粒 蛋白質分子同時為LDL顆粒與LDL受體的結合提供結合位點 膜合成需要膽固醇時：細胞合成LDL跨膜受體蛋白， 嵌插到膜中，向衣被小窩集中 細胞對膽固醇利用具有調節(jié)能力：細胞中膽固醇積累過多時，細胞即停止合成自身膽固醇，同時關閉合成LDL受體蛋白的合成途徑，暫停吸收外來膽固醇,受體介導內吞：膽固醇的吸收,LDL顆粒與受體結合： 隨衣被小窩內陷，衣被小窩從質膜上掐下來，形成衣被小泡； 衣被小泡隨即脫掉成籠蛋白衣被，成為平滑小泡；小泡同早期內體融合，經晚期內體將LDL送人溶酶體；溶酶體中，LDL顆粒中的膽固醇酯被水解成游離的膽固醇被利用。 遺傳缺陷：LDL受體蛋白編碼基因有缺陷，血液中膽固醇含量過高，患動脈粥樣硬化癥，易患冠心病,胞吐作用 與胞吞作用相反的過程 細胞質中的小泡同質膜融合 把所含的物質運送到細胞外 真核細胞的分泌活動幾乎都以胞吐形式進行,（二）、離子和小分子的穿膜運輸,物質穿膜的特點： 物質穿膜的性能稱為通透性。 其大小與物質的性質和大小有關 影響通透性高低的因素： (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 (3)不帶電荷的分子容易穿膜 (4)親水性分子和離子穿膜依賴于專一性的跨膜蛋白 (5)細胞生理狀態(tài)和環(huán)境條件,水進出細胞,快速，與膜上有水孔蛋白通道有關 水孔蛋白通道： 廣泛，動物、植物和細菌的質膜上 高度專一性，只允許水分子 四聚體，每一單體都有獨立的水通道功能,穿膜運輸的類型,根據運輸方向：被動運輸(passive transport) 主動運輸(active transport) 被動運輸：物質順濃度梯度，即順電化學梯度 不消耗細胞本身的代謝能 電化學梯度：由物質濃度梯度和電位梯度共同決定 主動運輸：物質逆電化學梯度 消耗細胞的代謝能 專一的載體蛋白,穿膜運輸:簡單擴散(simple diffusion),不需消耗代謝能，不需載體 疏水性的非極性小分子， 如O2、N2、苯、甾類激素等,穿膜運輸: 協助擴散,非脂溶性（或親水性）物質； Na+ 、 K+ 、葡萄糖、氨基酸等 借助膜上的轉運蛋白幫助 由高濃度一側向低濃度一側擴散 轉運蛋白：通道蛋白、載體蛋白 載體蛋白：與特定分子結合，構象變化來轉運； 載體與轉運物分離后，恢復原有構象； 如：轉運葡萄糖、氨基酸,穿膜運輸: 協助擴散,通道蛋白：親水通道，允許一定的離子通過； 肽鏈多次穿膜，圍成充水小孔 選擇性開關 離子通道與一般的親水小孔的區(qū)別： 離子選擇性；可控性，一般不開放 類型： 電壓門通道；機械門通道；配體門通道 各種門開關調節(jié)：通道蛋白質磷酸化和去磷酸化,穿膜運輸: 主動運輸,離子和代謝物沿逆電化學梯度進行穿膜運輸 消耗細胞的代謝能，又稱代謝關聯運輸 跨膜載體蛋白的協助，起泵作用 初級主動運輸：水解ATP驅動運輸 次級主動運輸（協同運輸）：一種物質的逆濃度梯度運輸 依賴于另一種溶質的順濃度梯度運輸，二者協同進行， 同向運輸：兩種溶質的運輸方向相同，如細胞對葡萄糖 的吸收，是與Na+同向穿膜 反向運輸：兩者運輸的方向相反，如紅細胞清除組織中 CO2時,主動運輸與運輸泵,泵(pump)：能驅動離子或小分子以主動運輸的方式 穿過生物膜的跨膜蛋白 離子泵：驅動離子穿膜的跨膜蛋白，具ATP酶活性 Na+-K+泵：細胞內K+的濃度很高，而Na+