第二章細胞膜動力學和跨膜信號通訊-人體及動物生理學

第二章

細胞膜動力學和跨膜信號通訊第一節(jié)細胞膜超微結(jié)構(gòu)及物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運Transportacrosscellmembraneandtransmembranesignaltransmissionfunctionsofcell.一、細胞膜的分子結(jié)構(gòu)及其組成

Themoleculestructuresofcellmembrane.

質(zhì)膜(plasmamembrane),單位膜(unitmembrane)化學組成脂質(zhì)(lipids)蛋白質(zhì)(proteins)糖(carbohydrates)液態(tài)鑲嵌模型(fluidmosaicmodel)

(Singer和Nicholson提出,1972年)根本內(nèi)容：膜的結(jié)構(gòu)特征是以液態(tài)的類脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同生理功能的各種蛋白質(zhì)分子。Amammaliancellmembraneiscomposedoftwolayersoflipidinwhichproteinmoleculesareembedded.Themolecularstructure

ofcellmembrane.(一)膜脂是構(gòu)成細胞膜的根本骨架生物膜的化學組成膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。膜脂是雙嗜性分子：具有極性頭和非極性的尾部。膽堿

磷酸

甘油脂肪酸鏈極性頭部〔親水基團〕非極性尾部〔疏水基團〕肪酸鏈不飽和脂磷脂酰膽堿的分子結(jié)構(gòu)親水基疏水基膜脂磷脂是構(gòu)成膜脂的根本成分生物膜的化學組成鞘磷脂(SM)磷脂酰膽堿〔卵磷脂PC〕磷脂酰絲氨酸(PS)磷脂酰肌醇(PI)磷脂磷脂約占整個膜脂的70％以上。甘油磷脂膜脂脂質(zhì)以雙分子層形式存在磷脂：＞70%親水性的極性基團(磷酸和堿基)疏水性的非極性基團(脂肪酸側(cè)鏈)膽固醇：＜30%鞘脂：少量脂質(zhì)的性質(zhì)：液態(tài)，脂溶性，柔軟性和一定的流動性。脂質(zhì)的作用：屏障膜蛋白是膜功能的主要表達者。占膜含量的40%-50%。膜蛋白的主要功能：轉(zhuǎn)運蛋白：轉(zhuǎn)運分子進出細胞受體蛋白：接受外界信號并傳遞到細胞內(nèi)引起相應(yīng)的反響連接蛋白：支撐連接細胞骨架成分和細胞間質(zhì)成分結(jié)合于質(zhì)膜的酶蛋白：發(fā)揮催化作用〔二〕膜蛋白整合蛋白質(zhì)外表蛋白質(zhì)細胞膜蛋白質(zhì)1、整合蛋白〔intrinsicproteins〕占膜蛋白的70%~80%，與膜結(jié)合緊密。α－螺旋或球形結(jié)構(gòu)2、外表蛋白〔extrinsicproteins〕水溶性蛋白，占膜蛋白的20%~30%，靠離子鍵或氫鍵與膜外表的蛋白質(zhì)分子或脂分子極性頭部非共價結(jié)合，易別離。細胞內(nèi)脂雙層細胞被細胞外被〔cellcoat)：膜糖類以糖蛋白或糖脂的形式均勻分布在生物膜的非胞質(zhì)面。功能：有助于蛋白質(zhì)在膜上的定位與固定，參與細胞識別及與周圍環(huán)境的相互作用?！踩衬ぬ穷惛采w細胞膜外表二、細胞的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運

Thetransportfunctionacrosscellmembrane.細胞膜是選擇性半透膜被動運輸〔passivetransport〕：物質(zhì)順濃度梯度進出細胞，不需要消耗能量。主動運輸〔activetransport〕：物質(zhì)逆濃度梯度進出細胞，而且需要載體、消耗能量。物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的主要方式：單純擴散易化擴散（協(xié)助擴散）

(一)單純擴散(simplediffusion)1.概念：指物質(zhì)順濃度梯度從高濃度一側(cè)通過細胞膜向低濃度一側(cè)移動的方式，不需消耗能量，又稱被動擴散〔passivediffusion〕。2.特點：⑴不消耗能量；⑵不需要膜蛋白協(xié)助；⑶運輸速度取決于分子的大小和脂溶性。3.運輸對象：O2、CO2、乙醇、尿素Lipid-solublemoleculesarecapableofmovingfreelyacrossthecellmembranebysimplediffusiondowntheirconcentrationgradients.簡單擴散細胞外細胞內(nèi)小分子物質(zhì)細胞膜肺泡與肺毛細血管之間的氣體交換(二)膜蛋白介導的跨膜轉(zhuǎn)運

易化擴散(facilitateddiffusion)

不溶于脂質(zhì)或難溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，在膜蛋白的幫助下從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)跨膜轉(zhuǎn)運。如葡萄糖、氨基酸、離子等。以載體(carrier)為中介的易化擴散以通道(channel)為中介的易化擴散1.由載體介導的易化擴散

(carrier-mediateddiffusion)特點：高度結(jié)構(gòu)特異性(specificity)飽和現(xiàn)象(saturation)競爭性抑制(competition)順濃度梯度，不需額外供能易化擴散細胞外細胞內(nèi)細胞膜載體蛋白2.由通道介導的易化擴散

(channel-mediateddiffusion)離子通道是一類貫穿脂質(zhì)雙層的、中央帶有親水性孔道的膜蛋白。通道的特征：①離子選擇性②門控性通道轉(zhuǎn)運的功能特點：①轉(zhuǎn)運速率比載體快②無飽和現(xiàn)象，無競爭性抑制③通道有不同的功能狀態(tài)通道蛋白狀態(tài)：靜息、激活、失活被動轉(zhuǎn)運的特點：

順濃度梯度移動，無需細胞額外供能(三)主動轉(zhuǎn)運(activetransport)概念：細胞膜通過本身的某種耗能過程，將某些物質(zhì)經(jīng)細胞膜逆濃度梯度或電位梯度轉(zhuǎn)運的過程。特點：逆濃度梯度進行，消耗能量。Insomesituations,themoleculespassthoughthemembraneagainstaconcentrationgradientandthisprocessiscalledactivetransport.

根據(jù)轉(zhuǎn)運能量是否直接來源于ATP的不同分為:原發(fā)和繼發(fā)兩種主動轉(zhuǎn)運形式。1.原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(primaryactivetransport)

鈉-鉀泵〔sodium-potassiumpump〕指細胞直接利用代謝產(chǎn)生的能量(ATP)將物質(zhì)(通常是帶電離子)逆濃度梯度或電位梯度進行的跨膜轉(zhuǎn)運過程。介導這一過程的膜蛋白稱為離子泵(ionpump)。鈉-鉀泵

sodium-potassiumpump簡稱鈉泵sodiumpump,又稱Na+-K+-ATP酶(Na+-K+-ATPase)運出3Na+轉(zhuǎn)入2K+

ATP特性：鈉-鉀泵轉(zhuǎn)運和通道轉(zhuǎn)運

sodium-potassiumpumptransportandchanneltransport鈉-鉀泵的生理意義維持細胞內(nèi)高K+是許多代謝反響進行的必需條件。維持細胞外高Na+使得Na+不易進入細胞，也阻止了與之相伴隨的水的進入，對維持正常細胞的滲透壓與形態(tài)有著重要意義。建立勢能貯備是神經(jīng)、肌肉等組織具有興奮性的根底，也是一些非離子性物質(zhì)如葡萄糖、氨基酸等進行繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運的能量來源。Ca2+泵(Ca2+-ATP酶)：主要分布于骨骼肌與心肌細胞內(nèi)部的肌質(zhì)網(wǎng)上,與肌肉收縮有關(guān)H+泵(H+-ATP酶；H+-K+-ATP酶):分布于胃粘膜壁細胞外表，與胃酸分泌有關(guān)

其它泵：2.

繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運

(secondaryactivetransport)

逆濃度梯度或逆電位梯度的轉(zhuǎn)運時，能量來自膜兩側(cè)Na+濃度差，而Na+濃度差是Na+--K+泵分解ATP釋放的能量建立的。

轉(zhuǎn)運分子單轉(zhuǎn)運共運輸對運輸協(xié)同轉(zhuǎn)運的離子協(xié)同轉(zhuǎn)運脂雙層同向轉(zhuǎn)運(symport)：小腸上皮細胞吸收葡萄糖反向轉(zhuǎn)運(antiport)：

Na+-K+交換載體、Cl--HCO3-交換器介導葡萄糖易化擴散的載體蛋白小腸上皮細胞吸收葡萄糖Na+驅(qū)動葡萄糖共轉(zhuǎn)運

腸腔微絨毛緊密連接腸上皮細胞細胞外液腸上皮細胞轉(zhuǎn)運蛋白的不對稱分布造成葡萄糖從腸腔到血液的跨細胞膜轉(zhuǎn)運

小分子物質(zhì)跨膜運輸被動運輸單純擴散主動運輸易化擴散通道蛋白介導的擴散Na＋-K＋泵Ca2+-pumpNa＋-H+交換載體小結(jié)1.胞吞作用(endocytosis)：大分子物質(zhì)和顆粒性物質(zhì)附著在細胞膜上，質(zhì)膜內(nèi)陷將這些物質(zhì)包圍形成小囊泡，最后小囊泡從細胞膜上脫離進入細胞內(nèi)部。(四)胞吞和胞吐(endocytosis,

exocytosis)兩種形式：—吞噬(phagocytosis)—吞飲(pinocytosis)〔一〕吞噬作用〔phagocytosis〕細胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)的過程稱為吞噬作用，形成的囊泡稱為吞噬體。功能：在機體防御系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用?！捕嘲嬜饔谩瞤inocytosis〕細胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)的過程稱為胞飲作用，形成的囊泡稱為吞飲體。常見于巨噬細胞、白細胞、小腸上皮細胞等。胞飲包括三種形式：1、胞吮：無選擇性2、胞膜窖胞吮：有選擇性多發(fā)生于膜脂小面積膜內(nèi)陷3、受體介導式胞吞受體介導的胞吞和胞吐二、胞吐作用(exocytosis)包含大分子物質(zhì)的小囊泡從細胞內(nèi)部移至細胞外表，與質(zhì)膜融合，將物質(zhì)排出細胞之外的過程。Ifthemoleculesarebigger,theycannotcrossthemembranethroughthechannelorcarrier,andthosesubstancesgetintooroutofthecellthroughevenmorecomplicatedmechanismscalledendocytosisandexocytosis,respectively.入胞和出胞均要消耗能量胞吐作用吞噬作用胞飲作用吞噬體吞飲體物質(zhì)的跨膜運輸小分子物質(zhì)的跨膜運輸大分子物質(zhì)的膜泡運輸被動運輸主動運輸簡單擴散易化擴散胞吞作用胞吐作用吞噬胞飲細胞的跨膜信號傳遞

transmembranesignaltransmissionofcell離子通道受體介導的跨膜信號轉(zhuǎn)導膜受體-G蛋白-第二信使跨膜信號轉(zhuǎn)導

激酶相關(guān)受體介導跨膜信號轉(zhuǎn)導跨膜信號轉(zhuǎn)導

(transmembranesignaltransduction)

第二節(jié)細胞間通訊和信號轉(zhuǎn)導一、離子通道偶聯(lián)的受體介導的信號傳遞化學門控通道：化學門控通道直接受神經(jīng)末梢釋放的神經(jīng)遞質(zhì)等化學物質(zhì)的控制。如N型乙酰膽堿受體的通道由1、2、、、五個亞單位組成梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中1、2與ACh具有較高的特異性結(jié)合能力〔圖〕Ach受體離子通道型受體煙堿

(nicotine)毒蕈堿

(muscarine)電壓門控通道：電壓門控通道受膜去極化水平的影響，當膜去極化到達一定水平時，載體分子的構(gòu)象發(fā)生變化，通道被翻開。目前發(fā)現(xiàn)的至少有3種Na+通道、5種K+通道、3種Ca2+通道。如Na+通道由質(zhì)量大的α亞單位、兩個較小的β1、β2亞單位組成，其中α亞單位包括4個結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)域，在膜中以α螺旋形式存在，包繞成一個通道樣結(jié)構(gòu)〔圖〕電壓門控鈉通道

(voltage-gatedsodiumchannel,VGSC)Shaker鉀通道電壓門控鉀通道

(voltage-gatedpotassiumchannel)鉀通道孔道俯視圖從通道外側(cè)觀察孔道中間的紅球為K+〔二〕受體-G蛋白-第二信使跨膜信號傳遞系統(tǒng)

(transmembranesignaltransmissionsystemvia

receptor-Gprotein-secondmessenger)跨膜信號傳遞的三個環(huán)節(jié)：胞外信號的識別與結(jié)合信號傳遞胞內(nèi)效應(yīng)1.G蛋白耦聯(lián)的受體2.

G蛋白(G-proteins)鳥苷酸結(jié)合蛋白(GTP-bindingproteins)存在于膜結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)。G蛋白：α、β、γ〔多種〕Onepatterninvolvesreceptorsonthecellsurfacewhicharecoupledwithguaninenucleotide-bindingproteinsorGproteinsontheinnerfaceofthemembrane.ThebasicmodeofoperationofG-proteins.3.

效應(yīng)器酶和第二信使腺苷酸環(huán)化酶：ATP→cAMP

磷脂酶C：PIP2→IP3、DGThestimulationandinhibitionofadenylylcyclasebydifferentG-proteins.以環(huán)-磷酸腺苷(cAMP)第二信使的信息傳遞系統(tǒng)

化學物質(zhì)與膜G-蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合→膜中的G-蛋白激活(Gs)→ATP轉(zhuǎn)化為cA