《醫(yī)學細胞生物學》本科教學課件

《醫(yī)學細胞生物學》本科教學課件,醫(yī)學細胞生物學,醫(yī)學,細胞生物學,本科,教學,課件 第四章第四章 細胞膜與物質的穿膜運輸細胞膜與物質的穿膜運輸醫(yī)學細胞生物學醫(yī)學細胞生物學目 錄第四章第四章 細胞膜與物質穿膜運輸細胞膜與物質穿膜運輸1 第一節(jié)第一節(jié) 細胞膜的化學組成與生物學特性細胞膜的化學組成與生物學特性2一、細胞膜的化學組成一、細胞膜的化學組成3二、細胞膜的生物學特性二、細胞膜的生物學特性4三、細胞膜的分子結構模型三、細胞膜的分子結構模型5（一）膜脂構成細胞膜的結構骨架一、細胞膜的化學組成一、細胞膜的化學組成 細胞膜上的脂類稱為膜脂（membrane lipid)是細胞膜的基本組成成分并形成膜的基本骨架 膜脂主要有三種類型：磷脂（phospholipid）膽固醇（cholesterol）糖脂 (glycolipid)1.1.磷脂是膜脂的主要成分磷脂是膜脂的主要成分v膜分子中含有磷酸基團的膜脂稱為磷脂，包括甘油磷脂和鞘磷脂v甘油磷脂以甘油為骨架，鞘磷脂以鞘氨醇為骨架v磷脂為雙親性分子v磷脂分子排列構成細胞膜的骨架結構2.2.膽固醇能夠穩(wěn)定細胞膜和調節(jié)膜的流動性膽固醇能夠穩(wěn)定細胞膜和調節(jié)膜的流動性 v化學結構由固醇環(huán)、烴鏈、羥基構成v分布于膜中的磷脂分子之間。極性羥基緊靠磷脂的極性頭部，固醇環(huán)固定在磷脂分子鄰近頭部的烴鏈上，疏水的烴鏈尾部埋在脂雙層的中央v具有調節(jié)膜的流動性，增強膜的穩(wěn)定性作用3.3.糖脂主要位于質膜的非胞質面糖脂主要位于質膜的非胞質面 v糖脂由脂類和寡糖構成v糖脂普遍存在于原核和真核細胞膜表面 v動物細胞膜的糖脂幾乎都是鞘氨醇的衍生物，結構似鞘磷脂，稱為鞘糖脂 v膜脂都是兩親性分子v膜脂在水環(huán)境中可能的兩種存在形式：脂雙層或磷脂分子團（二）膜蛋白以多種方式與脂雙分子層結合根據(jù)膜蛋白與脂雙層結合的方式不同，膜蛋白可分為三種基本類型:內在蛋白(intrinsic protein)或整合蛋白(integrator protein)或跨膜蛋白 (transmembrane protein)外在蛋白(extrinsic protein)或周邊蛋白 (peripheral protein)脂錨定蛋白(lipid anchored protein)或脂連接蛋白(lipid-linked protein)1.1.膜內在蛋白膜內在蛋白v又稱穿膜蛋白（transmembrane protein）占膜蛋白總量的7080，也是兩親性分子v分為單次穿膜、多次穿膜蛋白v 穿膜蛋白與膜結合 緊密，需用去垢劑處 理才能分離2.2.膜外在蛋白膜外在蛋白 v又稱周邊蛋白，占膜蛋白總量的20%30%。v分布在質膜的胞質側或胞外側 v周邊蛋白為水溶性蛋白，與膜結合較弱，易于從脂膜上分離3.3.脂錨定蛋白脂錨定蛋白 v又稱脂連接蛋白（lipid-linked protein）v以二種方式與膜結合：位于質膜胞質一側，直接與脂雙層中的某些脂肪酸鏈形成共價鍵位于質膜外表面，通過與磷脂酰肌醇分子相連的寡糖鏈共價鍵結合而錨定到質膜上，稱為糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白（GPI）（三）膜糖類覆蓋細胞膜表面v細胞膜中含有的糖類稱為膜糖類，約占細胞膜重量的210v以糖脂或糖蛋白的形式存在v在大多數(shù)真核細胞表面有富含糖類的周緣區(qū)，稱為細胞外被(cell coat)v或糖萼(glycocalyx)二、細胞膜的生物學特性二、細胞膜的生物學特性（一）膜的不對稱性決定膜功能的方向性1.膜脂的不對稱性 v磷脂和膽固醇分布為相對不對稱，僅為數(shù)量上的差異。v糖脂的分布為絕對不對稱，糖脂僅分布于脂雙層的非胞質面。v不同膜性細胞器中脂類組成成分不同2.膜蛋白的不對稱性v膜蛋白分布是絕對不對稱的，各種膜蛋白在質膜中都有一定的位置。3.膜糖的不對稱性 v膜糖類均分布在細胞膜或內膜系統(tǒng)的 非胞質面（二）膜的流動性是膜功能活動的保證（二）膜的流動性是膜功能活動的保證1.脂雙層為液晶態(tài)二維流體 v脂雙層它的組分既有固體分子排列的有序性，又有液體的流動性，居于晶態(tài)和液態(tài)之間的狀態(tài)，即液晶態(tài)(liquid-crystal state)，是細胞膜極為重要的特性。v溫度的改變使膜可以在液晶態(tài)和晶態(tài)之間轉換，這種膜脂狀態(tài)的改變稱為相變。發(fā)生相變的臨界溫度稱為膜的相變溫度。2.膜脂分子的運動方式（1）側向擴散 (lateral diffusion)（2）翻轉運動 (flip-flop)（3）旋轉運動 (rotation)（4）彎曲運動 (flexion)3.影響膜脂流動性的因素（1）脂肪酸鏈的飽和程度v脂雙層中不飽和脂肪酸越多，膜脂流動性越大（2）脂肪酸鏈的長短v脂肪酸鏈越短，膜脂流動性越大（3）膽固醇的雙重調節(jié)作用 v相變溫度以上，限制膜的流動性，穩(wěn)定質膜；v相變溫度以下，防止脂肪酸鏈相互凝聚，干擾晶態(tài)形成（4）卵磷脂與鞘磷脂的比值 v鞘磷脂含量高則流動性降低（5）膜蛋白的影響 v脂雙層中嵌入的蛋白質越多，膜脂流動性越?。?）其他因素v膜脂的極性基團、環(huán)境溫度、pH值、離子強度等 4.膜蛋白的運動性（1）側向擴散（lateral diffusion）（2）旋轉運動（rotational diffusion）三、細胞膜的分子結構模型三、細胞膜的分子結構模型細胞膜研究簡史：v1890年，E.Overton 初步明確細胞膜是由脂類組成v1925年，E.Gorter和F.Grendel 提出紅細胞膜是由雙層磷脂雙分 子組成v1935年，J.Danielli 和 H.Davson提出“片層結構模型”v1959年，J.D.Robertson提出“單位膜模型”v1972年，S.J.Singer和G.Nicolson提出“流動鑲嵌模型”v1975年，Wallach提出“晶格鑲嵌模型”v1977年，Jain和White 提出“板塊鑲嵌模型”v近年提出“脂筏模型”（一）片層結構模型具有三層夾板式結構特點（一）片層結構模型具有三層夾板式結構特點蛋白質-磷脂-蛋白質三層夾板式結構（二）單位膜模型體現(xiàn)膜形態(tài)結構的共同特點（二）單位膜模型體現(xiàn)膜形態(tài)結構的共同特點細胞膜在電鏡下呈現(xiàn)“兩暗夾明”的單位膜結構（三）流動鑲嵌模型是被普遍接受的模型（三）流動鑲嵌模型是被普遍接受的模型 脂雙層構成膜的連貫主體，它具有晶體分子排列的有序性，又具有液體的流動性。膜中蛋白質分子以不同形式與脂雙分子層結合。強調了膜的流動性和膜蛋白的不對稱性。（四）脂筏模型深化了對膜結構和功能的認識（四）脂筏模型深化了對膜結構和功能的認識v膜質雙層內含由特殊脂質和蛋白質組成的微區(qū) （microdomain），膜比其它部分厚，更有秩序且較少流動，被稱為脂筏（lipid rafts）。v微區(qū)中富含膽固醇和鞘脂，其中聚集一些特定種類的膜蛋白。目 錄第四章 細胞膜與物質穿膜運輸1 第二節(jié) 小分子物質的穿膜運輸2一、膜的選擇性通透和簡單擴散3二、膜轉運蛋白介導的穿膜運輸4一、膜的選擇性通透和簡單擴散一、膜的選擇性通透和簡單擴散1.膜的選擇性通透 易于通過膜的物質：脂溶性物質 不帶電荷小分子物質不易通過膜的物質：帶電荷物質 大分子物質 2.簡單擴散溶質分子通過質膜進行自由擴散，不需要膜轉運蛋白協(xié)助，也稱被動擴散(passive diffusion)由高濃度向低濃度方向進行，所需要的能量來自高濃度本身所包含的勢能，不需要細胞提供能量需滿足兩個條件：溶質在膜兩側保持一定的濃度差 溶質必須能透過膜二、膜轉運蛋白介導的穿膜運輸二、膜轉運蛋白介導的穿膜運輸 膜轉運蛋白細胞膜中有特定的膜蛋白負責進行物質運輸，這類蛋白質稱為膜運輸?shù)鞍祝╩embrane transport protein）。膜運輸?shù)鞍字饕袃深悾狠d體蛋白（carrier protein）：與特定溶質分子結合，通過構象改變進行物質轉運。通道蛋白（channel protein）：在膜上形成親水孔道，貫穿脂雙層，介導特定離子轉運。（一）易化擴散是載體蛋白介導的被動運輸（一）易化擴散是載體蛋白介導的被動運輸 一些非脂溶性（或親水性）的物質，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及細胞代謝產物等，不能以簡單擴散的方式通過細胞膜，但它們可在載體蛋白的介導下，不消耗細胞的代謝能量，順物質濃度梯度或電化學梯度進行轉運，這種方式稱為易化擴散（facilitated diffusion）。易化擴散特點n具有選擇性、特異性n轉運速率遠高于簡單擴散n具有飽和性，存在最大轉運速度葡萄糖載體蛋白(GlUT1)通過易化擴散轉運葡萄糖（二）主動運輸是載體蛋白逆濃度梯度的耗能運輸（二）主動運輸是載體蛋白逆濃度梯度的耗能運輸主動運輸是載體蛋白介導的物質逆電化學梯度、由低濃度一側向高濃度一側進行的穿膜轉運方式。根據(jù)主動運輸過程中利用能量的方式不同，可分為ATP驅動泵（由ATP直接提供能量）和協(xié)同運輸（ATP間接提供能量）兩種主要類型。1.ATP驅動泵 vATP驅動泵都是穿膜蛋白，它們在膜的胞質側具有一個或多個ATP結合位點，能夠水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所釋放的能量將被轉運分子或離子從低濃度向高濃度轉運，所以常稱之為“泵”v根據(jù)泵蛋白的結構和功能特性，可分為4類：P-型離子泵，V-型質子泵，F(xiàn)-型質子泵和ABC轉運體。前3種只轉運離子，后一種主要轉運小分子 A.P-型離子泵型離子泵 B.V-型質子泵型質子泵 C.F-型質子泵型質子泵 D.ABC轉運體轉運體（1）P-型離子泵（P-class ion pump）vP型離子泵都有2個獨立的大亞基（亞基），具有ATP結合位點，絕大多數(shù)還具有2個小的亞基v在泵工作過程中，形成磷酸化中間體，“P”代表磷酸化，故名P-型離子泵v所有有機體都是依靠P型離子泵穿膜轉運陽離子 v動物細胞的Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳類胃腺壁細胞（parietal cells）上的H-K泵等都屬于此種類型 Na+-K+泵：由2個亞基（大亞基）和2個亞基（小亞基）組成水解一個ATP分子，可向細胞外輸出3個Na+，轉入2個K+具有維持滲透壓平衡、保持細胞容積恒定、產生和維持膜電位等功能2.協(xié)同運輸 v是一類由Na+-K+泵（或H+泵）與載體蛋白協(xié)同作用，間接消耗ATP所完成的主動運輸方式v根據(jù)溶質分子運輸方向與順電化學梯度轉移的離子（Na+或H+）方向的關系，可分為共運輸（symport）與對向運輸（antiport）小腸上皮細胞頂端質膜中的小腸上皮細胞頂端質膜中的NaNa+/葡萄糖協(xié)同運輸?shù)鞍祝\輸葡萄糖協(xié)同運輸?shù)鞍?，運輸2 Na2 Na+的同時轉的同時轉運運1 1個葡萄糖分子，個葡萄糖分子，使胞質內產生高葡萄糖濃度；質膜基底面和側面的葡萄糖使胞質內產生高葡萄糖濃度；質膜基底面和側面的葡萄糖易化擴散運輸?shù)鞍?，轉運葡萄糖離開細胞，形成葡萄糖的定向轉運。易化擴散運輸?shù)鞍祝D運葡萄糖離開細胞，形成葡萄糖的定向轉運。NaNa+-K-K+泵泵將回流到細胞質中的將回流到細胞質中的NaNa+轉運出細胞，維持轉運出細胞，維持NaNa+穿膜濃度梯度穿膜濃度梯度 壁細胞分泌鹽酸時其質膜上多種轉運蛋白的協(xié)同作用（三）離子通道高效轉運各種離子（三）離子通道高效轉運各種離子離子通道的特點：v介導被動運輸v對離子有高度選擇性v轉運速率高v多數(shù)離子通道不持續(xù)開放，受“閘門”控制離子通道的類型：v配體門控通道 v電壓門控通道 v應力激活通道 （1）配體門控通道 離子通道型受體，與細胞外的特定配體結合后，發(fā)生構象改變，將“門”打開，允許某種離子快速穿膜擴散乙酰膽堿受體模式圖 神經-肌接頭處的離子通道協(xié)同活動示意圖（2）電壓門控通道 v通道蛋白分子結構中存在著一些對膜電位改變敏感的基團或亞單位，可誘發(fā)通道蛋白構象的改變，從而將“門”打開，使一些離子順濃度梯度自由擴散通過細胞膜 v電壓門控通道主要存在于可興奮細胞，如神經元、肌細胞及腺上皮細胞等（3）應力激活通道 v通道蛋白感受應力而改變構象，開啟通道使“門”打開，離子通過親水通道進入細胞，引起膜電位變化，產生電信號。v 如內耳毛細胞具有感受聲波震動的應力激活通道（四）水通道介導水的快速轉運1.水通道蛋白的分類v細胞膜上由水孔蛋白（aquaporin，AQP）形成的專一性轉運水分子的通道。v目前發(fā)現(xiàn)哺乳動物水通道蛋白家族已有11個成員（AQP0AQP10）。AQP1、2、4、5、6、0：專一性通透水分子AQP3、7、9、10：通透水及甘油尿素等中小分子AQP8：功能尚不明確 2.水通道蛋白的結構 水通道在質膜上是由四個對稱排列的圓筒狀亞基包繞而成的四聚體，每個亞基的中心存在一個只允許水分子通過的中央孔，孔的直徑約0.28nm，稍大于水分子直徑。3.水通道對水分子的篩選機制vAQP1中央孔通道的直徑（0.28nm）限制了比水分子大的分子通過 vAQP1中央孔通道內溶質結合位點的控制v水通道的特點持續(xù)開放的膜通道蛋白轉運速度快，水分子移動方向完全由膜兩側的滲透壓差決定目 錄第四章 細胞膜與物質穿膜運輸1 第三節(jié) 大分子和顆粒物質的穿膜運輸2一、胞吞作用3二、胞吐作用4v大分子和顆粒物質被運輸時并不直接穿過細胞膜，都是由膜包圍形成囊泡，通過一系列膜囊泡的形成和融合來完成轉運過程，故稱為小泡運輸 （vesicular transport）v細胞攝入大分子或顆粒物質的過程稱為胞吞作用 （endocytosis）v細胞排出大分子或顆粒物質的過程稱為胞吐作用 （exocytosis）一、胞吞作用（一）吞噬作用 吞噬細胞攝入顆粒性物質的過程。由幾種特殊細胞 完成，如中性粒細胞、單核細胞及巨噬細胞等（二）胞飲作用 細胞吞入細胞外液和可溶性物質的過程，多見于巨 噬細胞、毛細血管內皮細胞、腎小管上皮細胞、小腸 上皮細胞等。（三）受體介導的胞吞 是細胞通過受體的介導選擇性高效攝取細胞外特定大 分子物質的過程。受體介導的胞吞1.有被小窩和有被小泡的形成2.無被小泡形成與內體融合繼而與溶酶體融合 二、胞吐作用二、胞吐作用（一）連續(xù)性分泌：不受調節(jié)持續(xù)不斷的細胞分泌 又稱固有分泌，是指分泌蛋白在粗面內質網合成之后，轉 運至高爾基復合體，經修飾、濃縮、分選，形成分泌泡，隨即被運送至細胞膜，與質膜融合將分泌物排出細胞外的 過程。（二）受調分泌：細胞外信號調控的選擇性分泌（regulated secretion）指分泌性蛋白合成后先儲存于分泌囊泡中，只有當細胞 接受到細胞外信號（如激素）的刺激，引起細胞內 Ca2+濃度瞬時升高，才能啟動胞吐過程，使分泌囊泡 與細胞膜融合，將分泌物釋放到細胞外 目 錄第四章 細胞膜與物質穿膜運輸1 第四節(jié) 細胞表面及特化結構23二、纖毛和鞭毛 4一、微絨毛 三、褶皺 5一、微絨毛一、微絨毛 微絨毛（microvillus）是細胞膜和細胞質共 同突向腔面的細小指 狀突起 二、纖毛和鞭毛二、纖毛和鞭毛 纖毛（cillia）和鞭毛（flagella）是細胞表面 向外伸出的細長突起 三、褶皺三、褶皺褶皺（ruffle）或片狀偽足（lamellipodium）是細胞表面的臨時性扁狀突起。