醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)-第三章細胞膜

1、醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué) Medical cell biology第三章 細胞膜 1）作為屏障，使細胞具有相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。 2）高度選擇性的半透膜，能進行主動運輸。 3）接受外界信號的傳感器，使細胞能對環(huán)境變化產(chǎn)生適當?shù)姆磻?yīng)。 是細胞膜外表面覆蓋的一層多糖物質(zhì)，由構(gòu)成細胞膜的糖蛋白、糖脂等的糖鏈向外伸展交織而成，又稱糖萼(glycocalyx)，屬于質(zhì)膜的一部分。膜下溶膠層膜下溶膠層： 位于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)，富含微絲、微管等細胞骨架，這些細胞骨架直接或間接與細胞膜上的蛋白質(zhì)相連。細胞表面（cell surface）： 由細胞外被、細胞膜和胞質(zhì)溶膠層三者構(gòu)成，是包圍在細胞質(zhì)外層的一個復(fù)合結(jié)構(gòu)體系和多功能體系，是

2、細胞與細胞、細胞與外環(huán)境相互作用并具有各種復(fù)雜功能的部位。廣義的細胞表面還包含細胞連接和細胞表面的特化結(jié)構(gòu)(如鞭毛、纖毛、微絨毛)等。第一節(jié) 細胞膜的化學(xué)組成 一、細胞膜的化學(xué)組成膜脂膜蛋白膜糖其它（一） 膜 脂 磷脂1）脂類約占細胞膜總量50%，膜脂主要包括 膽固醇 糖脂1. 磷脂(Phospholipid)： 磷酸甘油酯 （Glycerol phospholipids）： 一個甘油骨架、兩條脂肪酸鏈和一個磷酸化醇分子。 Phosphatidylethanolamine，Phosphatidylcholine，Phosphatidylserine，Phosphatidylinositol，鞘

3、磷脂（Sphingomyelin，SM）： 神經(jīng)酰氨骨架、一個磷脂酰膽堿。 2. 膽固醇(Cholesterol)： 四個聯(lián)合在一起的剛性甾環(huán)結(jié)構(gòu)，膽固醇分子包括三部分: 極性的頭部：羥基非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)一個非極性的碳氫尾部。 占膜脂的50%*存在于真核動物細胞存在于真核動物細胞* 3. 糖脂（Glycolipid）： 含有一個（如半乳糖腦苷脂）或多個糖基的脂類（神經(jīng)節(jié)苷脂） 。2）膜脂都是兼性分子，含有親水性（hydrophilic）頭部和疏水性（hydrophobic）尾部兩部分。例如：磷脂分子的親水端是磷酸基團，稱為頭部；磷脂分子的疏水端是兩條長短不一的烴鏈, 稱為尾部,一般含有14

4、24個偶數(shù)碳原子；其中一烴鏈常含有一個或數(shù)個雙鍵,雙鍵的存在造成這條不飽和鏈有一定角度的扭轉(zhuǎn)。 親水頭部朝向膜的兩表面，疏水尾部彼此相對并朝向膜的中央，在水溶液中會自動形成雙分子層結(jié)構(gòu)，避免疏水的尾部與水接觸，疏水基團間的相互作用是形成脂類分子雙層（lipid bilayer）的主要力量。 (二) 膜蛋白(Membrane protein) 細胞接受外界信號“配體(Ligand) ”的特殊裝置，也稱細胞表面受體（Cell surface receptor）或膜受體。 分類： 膜內(nèi)在蛋白（Integral protein） 膜周邊蛋白（Peripheral protein） 一、膜內(nèi)在蛋白（in

5、tegral protein） 跨膜蛋白： 疏水部分穿越脂雙層的疏水區(qū)，而親水的極性部分位于膜的內(nèi)外兩側(cè)。 2） 膜外在蛋白（Peripheral protein） 又稱膜周邊蛋白，附著在膜的內(nèi)外表面，與膜蛋白、膜脂非共價地結(jié)合，一般約占膜蛋白的20%30%。結(jié)合松散，多數(shù)溶解于水，分離提取比較容易。 （三）膜糖類 糖類約占膜總重量的2%10%。由各種己糖聚合成低聚糖糖鏈與膜蛋白或膜脂結(jié)合。復(fù)雜的糖基的結(jié)合方式，是細胞之間相互識別的分子基礎(chǔ)。第二節(jié) 細胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型及特性 一、片層結(jié)構(gòu)模型 二、單位膜模型 三、流動鑲嵌模型 四、脂筏模型流動鑲嵌模型 (fluid mosaic model)

6、： 脂雙分子層構(gòu)成生物膜的連續(xù)主體，既具有固體分子排列的有序性，又具有液體的流動性，呈液晶態(tài)；球形蛋白質(zhì)分子以各種形式與脂雙分子層相結(jié)合。 脂筏模型(lipid rafts model) 即在生物膜上膽固醇富集而形成有序脂相,如同脂筏一樣載著各種蛋白.脂筏是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。大小約70nm 左右，是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，31第三節(jié) 細胞膜的功能 保護屏障、物質(zhì)和信號交換的門保護屏障、物質(zhì)和信號交換的門戶戶 物質(zhì)轉(zhuǎn)運物質(zhì)轉(zhuǎn)運、信息傳遞信息傳遞、能量轉(zhuǎn)換、能量轉(zhuǎn)換、 細胞識別、細胞免疫、細胞分裂、細胞識別、細胞免疫、細胞分裂、 細胞分化、細胞凋亡細胞分化、細胞凋亡32（1）物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能

7、不同物質(zhì)（小分子、大分子）不同物質(zhì)（小分子、大分子） 以不同方式轉(zhuǎn)運。以不同方式轉(zhuǎn)運。 1.跨膜轉(zhuǎn)運跨膜轉(zhuǎn)運 被動運輸被動運輸 主動運輸主動運輸(小分小分子子) 2.膜泡運輸膜泡運輸 胞吞作用胞吞作用 胞吐作用胞吐作用(大分大分子子)33物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運概況341、跨膜轉(zhuǎn)運 （1）被動運輸：）被動運輸：不需耗能，順濃度梯度。不需耗能，順濃度梯度。 （2）主動運輸）主動運輸：需耗能、膜蛋白，逆濃度梯：需耗能、膜蛋白，逆濃度梯度。度。35（1）被動運輸 簡單擴散（自由擴散）簡單擴散（自由擴散）-僅要濃度梯度僅要濃度梯度 易化擴散（幫助擴散）易化擴散（幫助擴散）-還要載體蛋白還要載體蛋白通道擴散通道擴

8、散 -還要通道蛋白還要通道蛋白36小分子穿膜轉(zhuǎn)運圖解37自由擴散（Free diffusion） 又稱簡單擴散又稱簡單擴散（simple diffusion）。它不要膜蛋白的幫助它不要膜蛋白的幫助, ,也不消耗也不消耗ATP,ATP, 僅靠膜的兩側(cè)僅靠膜的兩側(cè)被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)保持一定的保持一定的濃度差。濃度差。38易化擴散（幫助擴散）圖解39載體蛋白（carrier proteins）* * 特點特點: : 1.1.具有特異性；具有特異性； 2 2.參與被動運輸；參與被動運輸； 3.3.參與主動運輸。參與主動運輸。40載體蛋白的工作原理41通道擴散通道蛋白介導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運 典型的膜通道：

9、典型的膜通道： 水通道蛋白（水通道蛋白（aquaporin） 離子通道蛋白（離子通道蛋白（ion channel） eg：神經(jīng)細胞、肌肉細胞的離子通道：神經(jīng)細胞、肌肉細胞的離子通道。 離子通道轉(zhuǎn)運的特點：離子通道轉(zhuǎn)運的特點： 1、速度快（百萬每秒，比載體快千倍）；、速度快（百萬每秒，比載體快千倍）； 2、選擇性：、選擇性：Na+ K+ Ca2+ Cl-通道不同；通道不同； 3、多數(shù)非持續(xù)開放（閘門控制）；、多數(shù)非持續(xù)開放（閘門控制）； 4、被動轉(zhuǎn)運，無需、被動轉(zhuǎn)運，無需ATP。 42通道蛋白（Channel proteins） 已發(fā)現(xiàn)通道蛋白已發(fā)現(xiàn)通道蛋白5050多種，主要是多種，主要是離子通

10、道離子通道(ion channel)(ion channel)。 通道蛋白通道蛋白持續(xù)開放的、非持續(xù)開放（持續(xù)開放的、非持續(xù)開放（閘閘門門） 閘門通道閘門通道( (gated channelgated channel) )：間斷開放通道。：間斷開放通道。43閘門通道(gated channel) 電壓閘門通道電壓閘門通道-電位差變化時開放電位差變化時開放 。 （要電壓刺激）（要電壓刺激） 配體閘門通道配體閘門通道-配體受體結(jié)合時開放配體受體結(jié)合時開放 （要配體刺激）（要配體刺激） 離子閘門通道離子閘門通道-離子濃度變化時開放離子濃度變化時開放 （要離子刺激（要離子刺激）44電壓閘門通道示意（動

11、畫）45水通道蛋白（aquaporin，AQP） 水的分子通道 在哺乳動物已發(fā)現(xiàn)有在哺乳動物已發(fā)現(xiàn)有13種水通道蛋白，構(gòu)成種水通道蛋白，構(gòu)成水通道蛋白家族水通道蛋白家族 。第一個水通道蛋白。第一個水通道蛋白 AQP1于于 1988年發(fā)現(xiàn)，是人紅細胞膜的一年發(fā)現(xiàn)，是人紅細胞膜的一 種主要蛋白。它種主要蛋白。它可使紅細胞快速膨脹和收縮以適應(yīng)細胞間滲透性可使紅細胞快速膨脹和收縮以適應(yīng)細胞間滲透性的變化。的變化。AQP1蛋白也存在于其他組織的細胞中。蛋白也存在于其他組織的細胞中。AQP1能讓水自由通過，不許離子或其他小分子能讓水自由通過，不許離子或其他小分子通過。通過。 美國霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院彼得美國

12、霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院彼得.阿格雷（阿格雷（Peter Agre） 教授因發(fā)現(xiàn)水通道蛋白獲教授因發(fā)現(xiàn)水通道蛋白獲2003年諾貝爾化學(xué)獎。年諾貝爾化學(xué)獎。 “水通道蛋白與肺水腫水通道蛋白與肺水腫” “水通道蛋白與腦水水通道蛋白與腦水腫腫”，“腹瀉大鼠結(jié)腸水通道蛋白腹瀉大鼠結(jié)腸水通道蛋白4的表達與分的表達與分布研究布研究” 46（2）主動運輸（active transport） 特點特點： 消耗消耗ATP、需要載體蛋白、逆濃度梯度、需要載體蛋白、逆濃度梯度 類型：類型：1.ATP1.ATP直接供能的直接供能的 （離子泵離子泵） 2.ATP2.ATP間接供能的（間接供能的（協(xié)同運輸協(xié)同運輸） 3.3.光

13、能驅(qū)動的光能驅(qū)動的 （光驅(qū)動泵光驅(qū)動泵）47主動運輸?shù)娜N基本類型協(xié)同運輸ATP驅(qū)動泵光驅(qū)動泵方向！481.ATP直接供能的主動運輸 鈉鉀泵鈉鉀泵（Na+-K+ 泵）泵）-轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運 Na+、K+ 鈣泵鈣泵（ Ca2+ 泵）泵）- 轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運 Ca2+ 氫泵氫泵（ H+ 泵）泵）- 轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運 H+ 泵的本質(zhì)泵的本質(zhì)：有有ATPATP酶活性的蛋白。酶活性的蛋白。49鈉鉀泵（Na+-K+ pump） 又稱又稱Na+-K+ ATPase 或或 NaNa+ +/K/K+ +交換泵。交換泵。 存在于一切動物細胞的質(zhì)膜上。存在于一切動物細胞的質(zhì)膜上。 由兩個亞基（由兩個亞基（ 、 ）構(gòu)成。）構(gòu)成。 亞基亞基多

14、次跨膜蛋白。多次跨膜蛋白。具具ATP酶酶 活性，有活性，有NaNa+ +和和K K+ +的的結(jié)合位點。結(jié)合位點。 亞基亞基具組織特異性，糖蛋白。具組織特異性，糖蛋白。50鈉鉀泵的結(jié)構(gòu)特點51鈉鉀泵的工作機理 在細胞內(nèi)側(cè)在細胞內(nèi)側(cè)亞基與亞基與NaNa+ +結(jié)合促進結(jié)合促進ATPATP水解，水解， 上的一個天冬氨酸磷酸化引起亞基的上的一個天冬氨酸磷酸化引起亞基的構(gòu)象變化，將構(gòu)象變化，將NaNa+ +泵出胞外。泵出胞外。 同時，胞外的同時，胞外的K K+ +與與亞基的另一位點結(jié)亞基的另一位點結(jié)合，使其去磷酸化，合，使其去磷酸化，亞基構(gòu)象變回原亞基構(gòu)象變回原狀，將狀，將K K+ +泵進細胞，完成一個循

15、環(huán)。泵進細胞，完成一個循環(huán)。52 鈉鉀泵的工作原理 （每秒運轉(zhuǎn)1000次） 53鈉鉀泵工作原理示意54 2.ATP間接供能的主動運輸 協(xié)同運輸 利用離子泵所產(chǎn)生的離子濃度差利用離子泵所產(chǎn)生的離子濃度差（勢能）（勢能） 同向伴隨運輸同向伴隨運輸 （cotransport symportcotransport symport） 反向伴隨運輸反向伴隨運輸 （cotransport antiportcotransport antiport）55協(xié)同運輸示意圖 單向運輸 同向伴隨運輸 反向伴隨運輸56葡萄糖與鈉離子的同向伴隨運輸 572、膜泡運輸 （1）特點）特點： 膜的變形與斷裂膜的變形與斷裂 消耗能

16、量消耗能量 轉(zhuǎn)運大分子轉(zhuǎn)運大分子 主動運輸主動運輸58 胞吞作用：胞吞作用： 吞飲作用吞飲作用- - 對液體對液體oror小顆小顆粒粒 吞噬作用吞噬作用- - 對較大顆粒對較大顆粒 受體介導(dǎo)入胞作用受體介導(dǎo)入胞作用- 特異吞噬特異吞噬oror吞飲吞飲, ,需膜受需膜受體。體。 胞吐作用：胞吐作用： 細胞分泌細胞分泌 、 廢渣的排除。廢渣的排除。（2）分類5960胞吐作用61受體介導(dǎo)的胞吞過程62（2）細胞膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能 1、細胞表面受體與細胞識別、細胞表面受體與細胞識別 2、細胞通訊的機制、細胞通訊的機制63 細胞通訊與信號傳遞示意圖641、細胞表面受體 與 細胞識別 （1 1）細胞表面受體

17、（）細胞表面受體（cell surface cell surface receptor)= receptor)= 膜受膜受體。體。 細胞表面能結(jié)合配體產(chǎn)生生物效應(yīng)細胞表面能結(jié)合配體產(chǎn)生生物效應(yīng)的膜蛋白分子。多為糖蛋白，種類多的膜蛋白分子。多為糖蛋白，種類多 ，結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。復(fù)雜。 （2 2）細胞識別（）細胞識別（cell recognitioncell recognition） 通過膜受體對其他細胞及各種化學(xué)通過膜受體對其他細胞及各種化學(xué)信號分子的認識和鑒別。信號分子的認識和鑒別。 65細胞表面受體舉例66 細胞表面受體分三類 離子通道偶聯(lián)受體（離子通道偶聯(lián)受體（ion-channel-li

18、nked ion-channel-linked receptorreceptor） G G蛋白偶聯(lián)受體（蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-linked G-protein-linked receptorreceptor）；）； 酶偶聯(lián)受體（酶偶聯(lián)受體（enzyme-linked receptorenzyme-linked receptor） 第一類主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮細胞；第一類主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮細胞； 后兩種存在于幾乎所有類型的細胞。后兩種存在于幾乎所有類型的細胞。672、跨膜信息傳遞的機理 （1）環(huán)腺苷酸信號通路）環(huán)腺苷酸信號通路cAMP信號體系信號體系 受體受體-激活型激素受體（激活型激素受體（Rs）或抑制型激）或抑制型激素受體（素受體（Ri）；）； 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)蛋白蛋白-G蛋白蛋白-活化型調(diào)節(jié)蛋白（活化型調(diào)節(jié)蛋白（Gs）或抑制型調(diào)節(jié)蛋白（或抑制型調(diào)節(jié)蛋白（Gi）；）； 腺苷酸環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶（AC）-使使ATP 成成 cAMP68cAMP信號通路示意圖69 cAMP信號通路示意圖腺苷酸環(huán)化酶環(huán)腺苷酸70環(huán)腺苷酸信號傳遞的機理 配體（第一信使）結(jié)合受體；配體（第一信使）結(jié)合受體； 受體釋放信號給受體釋放信號給G蛋白蛋白 ； G 蛋白結(jié)合蛋白結(jié)合GTP被激活被激活 ； G蛋