《细胞生物学》细胞膜2017-PPT文档.ppt

包围在细胞质表面的一层界膜，使得细胞质与外界环境相隔开,由脂双层构成基本结构.,细胞膜（ cell membrane ）,几个膜的基本概念,内膜系统（endo-membrane system）,真核细胞内 在结构、功能和发生上相互关联的膜结构总称。如核膜，内质网，高尔基复合体，溶酶体等,几个膜的基本概念,细胞膜和细胞内的膜结构在化学组成、结构和功能等方面具有相似性，总称为生物膜。,生物膜（biomembrane）,几个膜的基本概念,生物膜有共同结构特征，在透射电镜下表现为“二暗夹一明”的三层结构，又称单位膜（unit membrane）,糖类,水、无机盐、金属离子,一、细胞膜的化学组成,膜蛋白 Membrane proteins,膜脂 Membrane lipid,一、细胞膜的化学组成,以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部为磷酸化胆碱。 结构特征：双亲性分子。,鞘磷脂,胆碱,磷酸,脂肪酸链,H,H,两类磷脂的特性：,具有亲水头部和疏水的尾部，在水中会自发排列。,极性头部,平面甾环结构,非极性尾部,胆固醇(cholesterol),胆固醇(cholesterol),分布于磷脂分子之间，其极性头部紧靠 磷脂极性头部。,作用： 提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。,由脂类和寡糖组成，是含一个或几个糖基的类脂。结构与鞘磷脂相似，属于鞘胺醇的衍生物。,糖脂（glycolipid）,例如：糖脑苷脂、 神经节苷脂。,葡萄糖脑苷脂,鞘磷脂,半乳糖脑苷脂， GM1神经节苷脂,糖脂作用：存在于膜的非胞质面单层，糖基暴露于细胞表面，可作为受体参与细胞识别及信号转导的过程。,膜脂种类及其特点：,甘油磷脂,鞘磷脂,糖脂,胆固醇,具有亲水头部和疏水的尾部,是膜功能的主要体现者；,膜蛋白 Membrane proteins,膜脂 Membrane lipid,分为: 内在蛋白 外周蛋白 脂锚定蛋白,一、细胞膜的化学组成,嵌入脂双层的内部，与膜结合非常紧密。,内在蛋白（intrinsic protein）,水溶性，通过静电、离子键、氢键等与膜作用分布在细胞膜的表面。,外周蛋白（extrinsic protein）,通过与之共价相连的脂分子（脂肪酸或糖脂）插入膜的脂双分子层中，从而锚定在膜上。,脂锚定蛋白（lipid anchored protein）,膜蛋白结合方式：,膜蛋白的主要功能：,物质转运,细胞连接,信号转导,酶,真核细胞的表面均含有糖类，以各种形式连接于膜蛋白和膜脂分子上。这些糖类均位于细胞的非胞质面一侧，从而在细胞表面形成细胞外被。,膜糖,Membrane carbohydrates,膜蛋白 Membrane proteins,膜脂 Membrane lipid,一、细胞膜的化学组成,构成寡糖链 主要的7种单糖,葡萄糖,半乳糖,甘露糖,岩藻糖,膜糖存在的形式：,共价结合于膜蛋白分子上形成糖蛋白。,共价结合于膜脂分子上形成糖脂。,保护细胞表面, 参与细胞识别和黏着、信息传递。,膜糖,Membrane carbohydrates,膜蛋白 Membrane proteins,膜脂 Membrane lipid,一、细胞膜的化学组成,1、片层结构模型Lamella structure model,2、单位膜模型Unit membrane model,3、液态镶嵌模型Fluid mosaic model,二、细胞膜的分子结构模型,1935年Danielli &Davson： “蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。1959年提出了修正模型:贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。,二、细胞膜的分子结构模型,1.片层结构模型:,电镜下显示暗-明-暗三层结构，称为“单位膜”。,二、细胞膜的分子结构模型,2.单位膜模型:,所有的生物膜都有相似的结构。,二、细胞膜的分子结构模型,2.单位膜模型:,S. J. Singer & G. Nicolson 1972年根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在“单位膜”模型的基础上提出“流动镶嵌模型”。,二、细胞膜的分子结构模型,3.液态镶嵌膜模型:,流动的脂质双分子层构成膜的骨架；,膜蛋白镶嵌或附在脂质双分子层中；,糖分子分布于膜外表面。,二、细胞膜的分子结构模型,3.液态镶嵌膜模型:,晶格镶嵌模型：脂蛋白和其周围的脂类分子构成膜的晶态部分（晶格），具有流动性的脂类呈小片的点状分布。,板块镶嵌模型：生物膜是由同时存在的不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。即处于有序结构的“板块”无序结构的“板块” 连续的动态平衡之中。,3.液态镶嵌膜模型:,对膜流动性分子基础进行了补充,二、细胞膜的分子结构模型,1. 膜的不对称性（asymmetry） 2. 膜的流动性（fluidity）,三、细胞膜的特性,细胞膜的外叶,细胞膜的内叶,1. 不对称性 （asymmetry）,三、细胞膜的特性,脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。同一种脂分子在脂双层中也呈不均匀分布。,磷脂酰胆碱,1. 不对称性 （asymmetry）,三、细胞膜的特性,总磷脂,鞘磷脂,磷脂酰胆碱,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰丝氨酸,人红细胞膜,1. 不对称性 （asymmetry）,三、细胞膜的特性,膜蛋白在脂双层各层中分布不均匀, 具有特定的方向性和分布的区域性。,1. 不对称性 （asymmetry）,三、细胞膜的特性,糖脂和糖蛋白中的糖链均分布在细胞膜的表面。,1. 不对称性 （asymmetry）,三、细胞膜的特性,膜蛋白的分离,去垢剂 是一端亲水一端疏水的双亲媒性分子， 它们具有极性端和非极性的碳氢链。当它们与膜蛋白作用时，可以用非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中， 形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物， 从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀,十二烷基磺酸钠(SDS)是常用的离子型去垢剂，它不仅可使细胞膜崩溃，并与膜蛋白的疏水部分结合使其分离，而且还破坏膜蛋白内部的非共价键，使蛋白变性，所以不宜用于分离有功能的膜蛋白。 Triton X-100是温和性去垢剂，它可以使膜脂溶解，又不使蛋白变性，可分离到有生物功能的膜蛋白。,去垢剂可分为离子型和非离子型两种。,1 膜脂的运动, 沿膜平面的侧向运动 脂分子围绕轴心的自旋运动； 脂分子尾部的摆动； 双层脂分子之间的翻转运动,四、质膜的流动性,影响膜流动的因素,胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。 脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。,主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。 可用荧光标记技术和光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。,2膜蛋白的流动,Experiment demonstrating the mixing of plasma membrane proteins on mouse-human hybrid cells. The mouse and human proteins are initially confined to their own halves of the newly formed heterocaryon plasma membrane, but they intermix with time. The two antibodies used to visualize the proteins can be distinguished in a fluorescence microscope because fluorescein is green whereas rhodamine is red. (Based on observations of L.D. Frye and M. Edidin, J. Cell Sci. 7:319-335),细胞融合技术:人、鼠细胞融合实验观察蛋白质运动,光脱色恢复技术（FRAP）,翻转运动,侧向扩散运动,膜脂运动,膜脂处于液晶态,液晶态晶态,相变、相变温度,2. 流动性性 （ fluidity ）,三、细胞膜的特性,旋转运动,伸缩震荡运动,膜脂运动,旋转异构,2. 流动性性 （ fluidity ）,三、细胞膜的特性,1.侧向扩散,2.旋转扩散,膜蛋白的运动性,被动扩散：受到膜脂的作用,代谢驱使的运动：受细胞骨架的作用,2. 流动性性 （ fluidity ）,三、细胞膜的特性,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,2. 流动性性 （ fluidity ）,三、细胞膜的特性,光脱色荧光恢复技术检测膜流动性,荧光标记膜表面蛋白,2. 流动性性 （ fluidity ）,三、细胞膜的特性,1.脂肪酸链长度和不饱和度,3. 影响膜流动性的因素,三、细胞膜的特性,1.脂肪酸链长度和不饱和度,2.胆固醇,3.卵磷脂与鞘磷脂比例,卵磷脂的脂肪酸不饱和度高 鞘磷脂不饱和度低,3. 影响膜流动性的因素,三、细胞膜的特性,4.膜蛋白的影响,5.温度的影响,3. 影响膜流动性的因素,三、细胞膜的特性,细胞膜(II),医学细胞生物学,细胞膜上负责转运物质的特定的膜蛋白。主要有两类：载体蛋白和通道蛋白。,载体蛋白即可介导被动运输，也可介导主 动运输。 通道蛋白只能介导被动运输。,膜转运蛋白（membrane transport protein）,载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器。,载体蛋白（carrier protein）: 与特定的溶质结合，改变蛋白本身构象，使溶质穿越细胞膜的膜转运蛋白。,膜转运蛋白（membrane transport protein）,通道蛋白(channel protein)： 跨膜蛋白，多次跨膜形成亲水性通道，贯穿脂双层，当孔开放时特定的溶质可以经过通道穿透细胞膜。,膜转运蛋白（membrane transport protein）,膜转运蛋白（membrane transport protein）,概念：是通过简单扩散或易化（协助）扩散实现 物质由高浓度向低浓度方向的跨膜运转。 特点：无代谢能量消耗 运输方向: 由高浓度向低浓度 类型：简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（facilitated diffusion） 离子通道扩散,被 动 运 输 passive transport,简单扩散（simple diffusion）,特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助。,被 动 运 输 passive transport,也称促进扩散，是极性分子和无机离子在膜转运蛋白协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。,易化扩散（facilitatied diffusion）,被 动 运 输 passive transport,载体蛋白介导的易化扩散,通道蛋白介导的易化扩散,亲水物质：糖，氨基酸，核苷酸，等,专一的载体蛋白,利用浓度差，无需消耗代谢能,转运速率高,特点：,易化扩散（facilitatied diffusion）,被 动 运 输 passive transport,载体蛋白介导,红细胞膜上的葡萄糖转运蛋白，溶质：葡萄糖,易化扩散（facilitatied diffusion）,被 动 运 输 passive transport,载体蛋白介导,有些通道蛋白长期开放，有些通道蛋白仅 在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。,作用特点：,转运速度迅速；,具有高度的选择性；,不需要代谢能，顺电化学梯度的转运；,被 动 运 输 passive transport,通道蛋白介导,易化扩散（facilitatied diffusion）,电位门通道、 配体门通道、 机械门通道、,可分为：,被 动 运 输 passive transport,通道蛋白介导,易化扩散（facilitatied diffusion）,被 动 运 输 passive transport,通道蛋白介导,易化扩散（facilitatied diffusion）,含羞草展开与收缩受电位-门控通道的控制,听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理,概念 指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或 化 学梯度）由浓度低的一侧向浓度高的一 侧的跨膜运输方式。,特点 逆浓度梯度（逆电化学梯度）运输； 需要消耗代谢能量； 需要载体蛋白。,主 动 运 输 active transport,所需的能量来源： 水解ATP获得能量； 协同运输中的离子梯度动力；,主 动 运 输 active transport,概念 指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或 化 学梯度）由浓度低的一侧向浓度高的一 侧的跨膜运输方式。,特点 逆浓度梯度（逆电化学梯度）运输； 需要消耗代谢能量； 都有专一的载体蛋白。,种类 离子泵 协同运输,主 动 运 输 active transport,离子泵,能够水解ATP，并利用ATP水解释放出的能量驱动物质进行逆浓度梯度跨膜运输的载体蛋白称为泵。 其转运对象多为离子，所以称作离子泵。,如：Na+-K+ATP酶/钠泵,Ca2+-ATP酶/钙 泵,主 动 运 输 active transport,Na+-K+ATP酶/钠泵,具有载体和酶的双重作用。,由两个大亚基、两个小亚基组成的四聚体。,膜外,膜内,维持胞外的高钠离子和胞内的高钾离子,离子泵:,主 动 运 输 active transport,膜外,膜内,钙 泵（Ca2+-ATP酶）,维持细胞质中极低水平的Ca2+浓度。,离子泵:,主 动 运 输 active transport,是一类间接利用ATP完成的主动运输方式。 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的 电化学浓度梯度，而维持这种电化学势能的是 钠钾泵或质子泵。,协同运输（cotransport）,主 动 运 输 active transport,一种物质以被动运输形式转运，同时带着另外一种物质逆浓度方向运输。,可分为： 同向运输（symport）与对向运输（antiport）,协同运输（cotransport）,主 动 运 输 active transport,同向运输（symport）,协同运输（cotransport）,主 动 运 输 active transport,对向运输（antiport）,如：动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来 转运H+，以调节细胞内的PH值。,协同运输（cotransport）,主 动 运 输 active transport,Na+,H+,主动运输被动运输比较,真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。其转运过程，通过一系列的膜泡的形成和融合来完成，因此又称膜泡运输。,膜 泡 运 输,胞饮作用（pinocytosis）,膜 泡 运 输,胞吞作用endocytosis,膜表面吸附 膜内陷 内吞囊泡 送至溶酶体,吞噬作用（phagocytosis）,受体介导的胞吞作用,细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质，形成小囊泡。,胞饮作用（pinocytosis）,膜 泡 运 输,胞吞作用endocytosis,膜泡形成需要网格蛋白,细胞内吞较大的颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，形成大囊泡。,吞噬作用（phagocytosis）,膜 泡 运 输,胞吞作用endocytosis,膜泡形成需要微丝参与,胞饮作用,膜 泡 运 输,胞吞作用endocytosis,吞噬作用,胞吞对向,细胞类型,胞吞泡大小,胞吞泡形成机制,液体和小颗粒,大颗粒,小,大,所有真核细胞,特定的吞噬细胞,网格蛋白,微丝,受体介导的胞吞作用,大分子与细胞表面的受体结合，通过有被小窝进入细胞，此过程称为受体介导的胞吞作用。,膜 泡 运 输,胞吞作用endocytosis,笼形衣被小泡的形成,膜 泡 运 输,LDL,低密度脂蛋白,膜 泡 运 输,LDL的受体介导内吞,膜 泡 运 输,某些大分子物质通过囊泡从细胞内部移至细胞膜，与质膜融合，将物质排出细胞之外。,胞吐作用（exocytosis）,膜 泡 运 输,组成型外排途径：真核细胞分泌蛋白经粗面内质网合成后运至高尔基复合体形成分泌囊泡向质膜运输并与质膜融合排除胞外的过程。,调节型外排途径：分泌细胞产生的分泌物储存在特定的分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。,膜 泡 运 输,胞吐作用（exocytosis）,膜 泡 运 输,胞吐作用（exocytosis）,小 结,膜转运蛋白: 载体蛋白和通道蛋白,被动运输,主动运输,膜泡运输: 胞吞作用、胞吐作用,自由扩散,协助扩散,通道蛋白介导扩散,离子泵,协同运输,载体蛋白介导扩散,细胞膜（III）,医学细胞生物学,细胞表面受体与信号传导,受 体,配体和受体的概念及其分子结构,受体的类型,受体的特性,受体的分布,受体的功能,配体是能与受体特异性结合的生物活性分子。包括各种信号分子，如：激素、药物、神经递质、毒素等，也包括一些蛋白和肽。,配体(ligand),*脂溶性配体：为疏水小分子，可通过细胞膜与核膜，进而与胞质内及核内受体结合形成配体受体复合物，直接调节基因的转录活性。 *水溶性配体：不能穿过靶细胞的细胞膜或核膜，必须与细胞膜上的特异受体结合，由受体将信号转换为细胞可识别的胞内信号。,三种类型的信号分子,配体(ligand),受体是细胞膜或细胞内的功能性糖蛋白，可特异地识别配体并与之结合，引起相应的生物效应。至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。,膜受体：细胞膜上特异性的蛋白质或脂类分子。,受体: 膜受体 胞内受体,受体(receptor),受体与配体的空间结构必须互补，空间互补结构是产生受体配体效应的必要条件之一。,受体(receptor),离子通道偶联受体(ion-channel linked receptor) /配体闸门通道,G-蛋白偶联受体(G-protein linked receptor),酶联受体(enzyme-linked receptor),膜受体类型,离子通道偶联受体,具有离子通道作用的细胞质膜受体称为离子通道受体， 这种受体见于可兴奋细胞间的突触信号传导，产生一种电效应,乙酰胆碱受体的三种构象,乙酰胆碱受体结构模型,离子通道偶联受体,G-蛋白偶联受体,三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧.,一条多肽链 7个螺旋的跨膜区 胞外部分 胞内部分,酶联受体,共同点：通常为单次跨膜蛋白； 接受配体后发生二聚化而激活.,膜受体的特性,组织特异性,特异性,高亲和性,可饱和性,可逆性,信号跨膜传递 细胞识别,膜受体的功能,膜受体的分布,同一个细胞上有不同的受体 不同的细胞上有相同和不同的受体,信号分子与受体相互作用的复杂性,一种信号只能同一种受体作用，但能作用于不同 的靶细胞引起不同效应。,一个细胞表面有几十甚至上千种不同的受体同时 与细胞外基质中的不同信号分子起作用，这些信 号分子共同作用的影响比任何单个信号所起的作 用都强得多。,不同信号产生相同的效应。,细胞应答,信号转导概述,几个概念,信号转导途径,胞内信号级联放大,第二信使,是细胞通讯的基本概念, 强调信号的产生、分泌与传送,即信号分子从合成的细胞中释放出来,然后进行传递。,信号传导(cell signalling),指外界信号分子作用于细胞表面受体，引起胞内信使的浓度变化，进而导致细胞应答反应的一系列过程即信号的识别、转移与转换。,信号转导（signal transduction）,信号转导途径,两种信号转导途径:,通过G蛋白偶联方式，即信号分子同表面受体结 合后激活G蛋白，再由G蛋白激活效应物，效应 物产生细胞内信号,产生细胞效应; 结合的配体激活受体的酶活性，然后由激活的酶 去激活产生细胞内信号的效应物，产生细胞效应。,信号转导途径,两种信号转导途径:,第二信使(second messengers),由细胞表面受体接受信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使。,cAMP、cGMP、1,2-二酰甘油、1,4,5-三磷酸肌醇、Ca+,信号级联放大(signaling cascade),从细胞表面受体接收外部信号到最后作出综合性应答,不仅是一个信号转导过程,更重要的是将信号进行逐步放大的过程。,信号级联放大(signaling cascade),细胞应答,细胞对外部信号的应答通常是综合性反应: 基因表达的变化、 酶活性的变化、 细胞骨架构型的变化、 通透性的变化、 DNA合成的变化等,信号转导途径,由G蛋白偶联受体介导的信号转导,之一,离子通道,腺苷环化酶：,磷脂酶C：,磷脂酶A2,磷酸二酯酶,鸟苷环化酶：,G蛋白,G蛋白偶联受体,效应蛋白,效 应,磷脂酰信号通路,cAMP信号通路,CGMP信号通路,胞外信号分子,受体必须与G蛋白结合才能产生信号传导效应。 G蛋白偶联的受体多为一些激素类受体。,G-protein linked receptor,G蛋白偶联受体,属于一类经过7次跨膜形成的超家族蛋白。,受体中含有7段疏水性跨膜序列,G蛋白,由三个亚单位组成，和亚基属于脂锚定蛋白；,位于细胞膜受体与效应器之间的转导蛋白；,具有结合GDP或GTP的能 力，有GTP酶活性；,可激活效应蛋白，实现信 息转导功能。,而与GTP结合时则为有活性状态,G蛋白循环,亚基结合GDP时是无活性状态，,GTP的水解又使其返回无活性状态,G蛋白,G蛋白的类型,受体：激活型受体（Rs）或抑制型受体（Ri） G蛋白：活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi） 同一个信号分子作用到不同的G蛋白偶联受体，可能产生截然相反的效果。,效应物,离子通道,腺苷环化酶：,磷脂酶C：,磷脂酶A2,磷酸二酯酶,鸟苷环化酶：,G蛋白,G蛋白偶联受体,效应蛋白,效 应,磷脂酰信号通路,cAMP信号通路,CGMP信号通路,胞外信号分子,cAMP信号通路,腺苷环化酶,AC,cAMP,G蛋白,G蛋白偶联受体,效应蛋白,蛋白激酶A, PKA,配体,Adenylate cyclase,腺苷酸环化酶：,G活化后可催化细胞内侧的腺苷酸环化酶，使其活化,催化ATP生成cAMP,cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）,由两个催化亚基和两个调节亚基组成。,降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。,环腺苷酸磷酸二酯酶cAMP， phosphodiesterase,cAMP信号通路对基因转录的激活,在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。 在某些分泌细胞，需要几个小时， 激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。,不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同：,