填写内容 第三章 细胞膜及其表面结构 细胞膜:围在细胞质表面的一层薄膜,又称质膜或原生质膜。 关于“膜”的几个概念: 生物膜:细胞中所有的膜结构统称生物膜。 生物膜 细胞膜 胞内膜细:胞内所有的膜结构。 膜相结构:细胞内具有膜包裹的所有结构。 内膜系统:在结构、功能及发生上为连续统一体的细胞内膜相结构。 单位膜:生物膜的结构单位。 电镜下观察生物膜,可见为“两暗一明”的三层结构通常将这三层结构型式作为一个单位,称为单位膜。 细胞膜出现的意义及作用: ? 原始生命进化的关键,细胞形成的前提;限定细胞范围,保持细胞内外的区别;物质运输(进行细胞内外物质的运输);可识别、接受外界信号,进行信息传递。即:保持细胞有相对独立和稳定的内环境,它是细胞膜内外物质流、信息流、能量流的出入门户。 细胞表面:是以质膜为主体,包括质膜和质膜外,表面的细胞被(糖被)以及质膜内侧的膜下溶胶层,它们共同组成了一个多功能复合体系。细胞表面对于维持细胞内环境的稳定和与细胞外环境不断进行物质交换、能量转换、信息传递以及细胞间相互识别都起着重要的作用,是细胞进行生命活动的重要结构基础。 第一节 细胞膜化学组成和结构模型 细胞膜的化学组成 ? 膜脂 50% ? 膜蛋白 40% ? 膜糖类 10%左右 ? 水 ? 金属离子 表:各种生物膜组成近似值 膜 蛋白质(%) 脂类(%) 糖类(%) 蛋白质/脂类 髓鞘 18 79 3 0.23 质膜 血小板 33-42 50-51 7.5 人红细胞 49 43 8 1.1 变形虫 54 42 4 1.3 小鼠肝细胞 46 54 2-4 淋巴细胞 60 40 5-10 1.5 Hela细胞 60 40 2.4 1.5 牛视网膜杆状细胞 51 49 4 1.0 革兰氏阳性菌75 25 3.0 类菌质体 58 37 1.5 1.6 (一)膜脂 ? 磷脂(主要)占50%以上 ? 糖脂 ? 胆固醇 膜脂的分子结构特点: 膜脂分子都是兼性分子(双亲媒性分子) 有一个极性的“头部”(含磷酸等极性基团,有亲水性), 两条非极性的“尾部”(脂肪酸链、有疏水性)。 脂分子的排列特性 膜脂分子在水溶液中可能有两种形式: 球状的分子团 双分子层(bilayer) 实验证明:膜脂分子在水溶液中能自动形成双分子层结构,为了更进一步减少双分子层两端疏水部与水接触的机会,脂质分子在水中排成双分子层后往往易于形成一种自我封闭的结构-脂质体 1.磷脂: 磷酸甘油酯:以甘油为骨架,甘油分子1、2位羟基与形成酯键,3位羟基与磷酸形成酯键。 脂肪酸链的长短(14~24 碳)和不饱和程度不同。 胆碱→磷脂酰胆碱(卵磷脂) 如:磷脂酸+ 乙醇胺→磷脂酰乙醇胺(脑磷脂) L丝氨酸→磷脂酰丝氨酸 鞘磷脂:结构和构象与磷脂酰胆碱相似,但它以鞘氨醇代替甘油,其氨基与脂肪酸形成酰胺键结构称N 酰基鞘氨醇,醇基与磷酸胆碱借酯键连接后形成鞘磷脂,只有一条脂肪酸链。 真核细胞的细胞膜内含有大量的胆固醇。胆固醇亲水的羟基头部紧靠磷脂极性头部,将固醇环部分固定在近磷脂头部的碳氢链上,其余部分游离。细胞膜中的胆固醇与磷脂的碳氢链相互作用阻止磷脂凝集成晶体结构。 3.糖脂 糖脂是含有一个或几个糖基的脂类,约占细胞膜外层脂类分子的5%。 动物细胞膜中的糖脂主要为鞘氨醇的衍生物,结构似鞘磷脂,只是糖基取代了磷脂酰胆碱,与鞘氨醇的羟基结合。 例如:脑苷脂与鞘磷脂不同的是以半乳糖或葡萄糖取代了磷脂酰胆碱。 (二)膜蛋白 膜蛋白是细胞膜功能的主要承担者,膜蛋白的 含量和种类与细胞膜的功能密切相关。 膜蛋白的类型: 1.外在蛋白(extrinsic protein),占20-30% 分布在膜的内外表面,主要在内表面,为水溶性,它们与膜脂的极性头部结合,或与内在蛋白相互作用,间接与膜结合。 2.内在蛋白(intrinsic protein ),占70---80% 以不同的程度嵌入类脂双分子层,故称为镶嵌蛋白。有的贯穿类脂双分子层,两端暴露于膜的内外表面,故称为跨膜蛋白。与膜结合牢固。 膜蛋白与脂双层分子的结合方式图 膜蛋白的功能 膜内在蛋白的功能: 受体(识别,传递信息) 载体蛋白(物质运输) 酶(催化、供能如ATP酶) 通道蛋白 抗原(镶嵌在膜中的糖蛋白或糖脂 如血型抗原) G蛋白(介导信号转导) ? 膜周边蛋白的功能: 运动蛋白(有肌动蛋白、肌球蛋白的性质) 参入细胞胞吞作用 参入细胞变形运动 参入细胞质分裂时胞膜的分隘作用 调节镶嵌蛋白的位置 支持蛋白(桥粒蛋白) (三)膜糖类 分布: 细胞膜表面(外侧) 内膜系统的非质侧 种类:半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺、唾液酶,共七种。(自然界中有100多种) 存在形式:与膜蛋白或膜脂共价结合形成糖蛋白和糖脂,即以糖蛋白和糖脂的形式存在于细胞膜表面形成细胞被。 二、细胞膜的特性 ? 不对称性 ? 流动性 生物膜结构上的不对称性,保证了膜功能的方向性。例如信号的接受与传递。 (一)细胞膜的不对称性: ? 膜脂分子分布不对称 ? 膜蛋白分子分布不对称 ? 膜糖类分子分布不对称 1.膜脂的不对称性: 内外两层的脂类分子不同。 如红细胞膜: ? 鞘磷脂和大多数磷脂酰胆碱位于外层磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺位于内层 ? 糖脂位于细胞膜脂双层的外侧(糖脂位于内膜系统的非细胞质侧) 2.膜蛋白的不对称性 ? 跨膜蛋白的方向性 ? 酶结合点的不对称性 ? 骨架蛋白结合的不对称性 ? 糖蛋白的不对称性 (二)细胞膜的流动性 生物膜是一种动态的结构具有膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。膜的流动性是指膜的脂类和蛋白质两类分子的运动性。 生物膜具有液晶态结构(介于液态与晶态之间的过渡状态),在生理常温下呈液晶态,当温度下降到某一点时,液晶态转变为晶态,温度上升时又转变为液晶态,这一引起相变的温度称为相变温度。液晶态的膜有流动性。 1.膜脂分子的运动 膜脂分子的运动形式: (1)横向扩散运动 (2)旋转运动 (3)摆动运动 (4)伸缩振荡运动 (5)旋转异构运动 (6)翻转运动 2.膜蛋白的分子运动 (1)横向扩散运动 (2)旋转扩散运动 3.膜流动性的影响因素 (1)膜脂脂肪酸链的长短与不饱和度: 脂肪酸链长,流动性小; 不饱和度高,流动性大。 (2)胆固醇含量: 在相变温度上,限制膜的流动性。 在相变温度下,增强膜的流动性。 (3)卵磷脂/鞘磷脂的比值:成正比。 (4)膜蛋白的影响:成反比。 三、细胞膜的分子结构 ? 关于细胞膜的分子结构,提出的模型很多,但目前比较公认的是液态镶嵌模型,所以在此主要介绍这一模型。 (一)单位膜模型 Robertson(50年代)在电镜下观察而提出,指出各种生物膜在形态学上的共性,具有一定的理论意义。 主要论点: 1、连续的脂质双分子构成膜的主体(骨架),它具有液晶态特性,不仅有固体分子排列的有序,且有液体分子的流动性。 2、球形蛋白质分子嵌入,贯穿或附着于脂双分子层中。 3、糖类附着在膜的外表面,与表层的脂类和蛋白质结合形成糖蛋白和糖脂。 故名液态镶嵌模型 此模型是现在公认的膜结构模型 ? 优点: 1、能解释许多膜功能现象,如物质运输、信号识别、能量转换等。 2、说明了膜的动态性(流动性)。 3、说明了膜功能的不对称性。 ? 缺点: 1、未说明膜蛋白分子对脂类分子流动性的控制作用。 实际上特定的膜蛋白酶周围需要有特定的磷脂才 有活 性,如钠、钾-ATP酶需要有磷脂酰丝氨酸、钙-ATP酶 需要有磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺。 2、未说明膜各部分流动性的不均匀性。 所以又提出“晶格镶嵌模型”和“板块模型”作为补充。 (三)晶格镶嵌模型 Wallach(1975)用液晶相变的理论来解释膜具有流动性的原因,认为生物膜中流动的脂类是在可逆地进行无序(液态)和有序(晶态)的相变,膜蛋白对脂类分子的运动具有控制作用,提出“界面脂”(晶格)可控制脂类分子的运动。 第二节 细胞膜与细胞内外物质转运 ? 膜的通透性:是指细胞膜允许一定物质穿过的性能。 特点是: ? 具有选择性地允许或阻止一些物质通过细胞膜,对物质进出细胞起着调节和控制作用; ? 维持膜内外离子浓度及膜电位,保持膜内外渗透压平衡,从而保证了机体的细胞进行正常的生命活动。 与细胞膜有关的物质运输形式有: 小分子和离子的穿膜运输:被动运输和主动运输 大分子和颗粒状物质的膜泡运输:内吞作用和胞吐作用 一、被动运输(passive transport) 被动运输(易化扩散):是指物质顺浓度梯度,由浓度高的一侧通过膜运输到浓度低的一侧的穿膜扩散,不消耗代谢能的运输方式。 简单扩散(simple diffusion) 离子通道扩散(channel-mediated diffusion) 载体扩散(carrier- mediated diffusion) (一)简单扩散 不需消耗细胞本身的代谢能,也不需要专一的膜蛋白分子,只要物质在膜两侧保持一定的浓度差,即可发生这种运输。(利用浓度梯度的势能) 人工脂质特征: 1.脂溶性物质 2.不带电荷的极性分子 3.葡萄糖透不过 4.带电荷分子离子透不过 ? (二)通道扩散 细胞膜不仅能透过水和非极性分子,而且也能让各种极性分子快速通过。这是由于细胞膜中有一类特异的蛋白质负责转运这类溶质分子,这类蛋白质称为转运蛋白,是跨膜蛋白分子 的复合物。有以下存在形式: 1.通道蛋白(channel protein) 脂质双分子层中膜蛋白带电荷的亲水区形成水通道,能使适当的分子和带电荷的溶质通过单纯扩散运动从膜的一侧到另一侧。 2.闸门通道( gated channel ) 这类转运蛋白所形成的孔道具有闸门的作用。闸门不是连续开放,而是瞬时开放,在对特定的刺激发生反应的瞬时打开,其它时间是关闭的。 (1)配体闸门通道:当闸门通道蛋白接受胞外配体刺激时构想发生变化,使闸门打开。 (2)电压闸门通道:该闸门通道是对细胞内外特异性离子浓度变化发生反应。例如胞内游离Ca2+浓度升高时,启动K+闸门通道开放。 闸门通道的开放和关闭常常是连续相继进行的过程。当物质通过一个闸门通道时,引起另一个闸门通道的开放。第一个闸门通道的快速关闭,又调整了第二个闸门通道系统的活动。 (三)载体扩散(carrire-mediated diffusion) ? 载体扩散:是指借助于载体蛋白顺浓度梯度的物质运输方式。一些非脂溶性或亲水性的物质,如糖、氨基酸、核苷酸和金属离子等,它们借助细胞膜上某些载体蛋白的帮助,以载体扩散的方式通过细胞膜。 ? 载体蛋白具有高度的特异性,载体上有结合部位,能特异性地与某一物质进行暂时性的可逆结合。一个特定的载体蛋白只能运输一个类型的化合物甚至仅一种分子或离子。 ? 载体分为分子载体和离子载体 ? 分子载体:转运葡萄糖分子的载体蛋白。180个/秒 ? 离子载体:如缬氨霉素是一种活动的离子载体,能增加膜对K+的通透性。 ? 载体扩散的速率在一定限度内与物质的浓度差成正比,当扩散率达到一定水平,就不再受溶质浓度的影响。因为载体蛋白的结合部位被占据,载体处于饱和状态。 二、主动运输(active transport) ? 主动运输:指细胞膜利用代谢能来驱动逆浓度梯度方向的运输。 ? 特点是:逆浓度梯度、需载体的参与、消耗代谢能 (一)离子泵: 离子泵就是膜上的一种ATP酶,在质膜上作为泵的ATP酶有很多种,都具专一性,不同的ATP酶运输不同的离子。如Na+-K+泵、Ca泵 ? Na+-K+泵必需要有Na+、K+、Mg2+存在时才能被 激活,催化ATP酶水解,为Na+运出膜外侧和K+运入膜内侧提供能量。 ? 细胞膜外:Na+ 145m K+ 5m ? 细胞膜内:Na+ 25m K+ 150m ? 5.8 :1 1 :30 ? 水解1个ATP分子可输出3个Na+,转入2个K+ ,1000ATP/1个ATP酶/秒 ? 当ATP酶抑制剂鸟本苷占据K+位点后Na+-K+ ATP酶被抑制。 ? 2. Ca2+泵: ? Ca2+ATP酶是胞膜上使Ca2+逆浓度梯度转运系统。该泵 mw 10KD,由100个氨基酸组成。 ? 真核细胞的胞质中Ca2+浓度极低≤10-7mol/L ? 胞外Ca2+浓度极高约10-3mol/L ? 当细胞对外界刺激发生反应时, Ca2+就顺着它的浓度梯度流入细胞,借助Ca2+的这种流动,把细胞外的信号传入细胞内。细胞内Ca2+增加了, Ca2+泵就可以把Ca2+主动地泵出胞外,以维持胞内的Ca2+浓度。(一个ATP分子可转运2个进入肌质网) (二)离子梯度驱动的主动运输 ? 有些物质主动运输的动力是由其他物质的浓度梯度 为动力进行的,而不是直接由ATP水解来驱动。 例如小肠上皮细胞能不断吸收葡萄糖或各种氨基酸等,这种运输过程中都伴随有Na+进入细胞。Na+一方面与葡萄糖或氨基酸相伴进入细胞,另一方面又由Na+泵不断送出细胞。为间接主动运输 伴随运输假说:需同向转运载体(具葡萄糖和Na+结合位点) 钠泵 三、膜泡运输 ? 大分子和颗粒物质在细胞内的转运过程是由膜包围形成小泡进行运输,所以称为膜泡运输。 特点是:1.伴随着膜的运动,膜本身结构的融合重组和转移 2.与主动运输一样,也需要消耗代谢能 (一)胞吞作用(endocytosis ) 细胞膜表面发生内陷,由细胞膜把环境中的大分子和颗粒物质包围成小泡,脱离细胞膜进入细胞内的转运过程。根据吞入物质的状态、大小及特异程度不同分为:吞噬、吞饮(胞饮)和受体介导的入胞作用 1.吞噬作用(phagocytosis), 吞噬体(phegosome)是细胞摄取较大的固体颗粒或分子复合体,如:细菌和细胞碎片等物质。 吞噬作用 形成的囊泡为吞噬体,它与初级溶酶体结合形成次级溶酶体,内含物被降解,未被降解的物质保留在次级溶酶体内,形成残质体。 2.胞饮作用 (pinocytosis) 是细胞摄取液体和溶质的过程,形成的囊泡较小。当细胞周围环境中某些液体物质达到一定浓度时,引起细胞产生胞饮作用,形成胞饮小泡。胞饮作用是依赖微丝的收缩作用而完成的。 3.受体介导的胞吞作用receptor mediated endocytosis) 是特异性很强的内吞作用,这是一种选择性的浓缩机制,能使细胞摄入大量的特定配体,而不是摄入大量的细胞外液。 大分子先与膜上的特异性受体相识别并结合,然后经过有被小窝进入细胞,其速率比溶于细胞外液中的物质通过液相内吞作用进入细胞要快。 3.低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL) LDL颗粒 :髓心约含1500个胆固醇分子,外围包绕一层磷脂,以及一种特异性的膜蛋白分子——载脂蛋白Apo-B100嵌插在脂质单层中。 (二)胞吐作用(exocytosis ) 胞吐作用:也叫出胞作用、外排作用,是一种与内吞作用相反的过程。 细胞分泌产生的激素、酶类以及未消化的残渣等物质都是以该种方式运输的。 第三节 膜受体与膜抗原 一、膜抗原的种类和功能 ? 高等动物的细胞表面有各种各样表示其属性的标记 ——膜抗原(细胞表面抗原) 表示 属于哪一个种族——种族抗原 哪一个个体——组织相容性抗原 哪一种组织器官——组织分化抗原 处于哪一发育阶段——胚胎抗原 ABO血型系统不仅存在于红细胞上,也见于其它细胞,甚至存在由细胞分泌的各种体液中。 近年来发现某些疾病似乎与血型有关,如 A血型——易患胃癌,血浆中胆固醇浓度高于O血型 O血型——类风湿关节炎患者较多 B血型——风湿性心脏病患者较多 2.MN血型 MN血型抗原也是红细胞膜上的糖蛋白,其抗原性与糖链和蛋白质均有关系。氨基酸排列的区别是:第一位和第五位氨基酸 M血型是丝氨酸、甘氨酸 N血型是亮氨酸、谷氨酸 (二)组织相容性抗原 能引起个体间组织器官移植排斥反应的抗原,其化学成分为糖蛋白。如:小鼠的H-2及人的HLA HLA存在于人类各种有核细胞和血小板的质膜上,现在已知道的主要组织相容性抗原有120种。 二、膜受体的种类及功能 膜受体:细胞膜上能与胞外某些物质特异性结合的蛋白质分子称为膜受体。 配体:与膜受体结合的物质,如神经介质、激素等 细胞膜受体与细胞识别、免疫应答、细胞间信号传递以及代谢调节密切相关。 (一)膜受体的分子结构和特点 膜受体的化学组成一般为糖蛋白、脂蛋白和糖脂蛋白 单体型受体:由一个镶嵌蛋白分子构成的受体。 复合型受体:由分别嵌入在膜内外侧的两个或多个蛋白质分子聚合在一起构成的受体。 1.膜受体的分子结构 (1)调节单位:胞外的部分,多为糖蛋白带有糖链的部分,是配体结合的部分。 (2)催化单位:向着胞质的部位,一般具有酶的活性 需受体与化学信号结合激活后才具活性。 (3)传导部分:是受体与效应物之间的偶联成分。将受体所接受的信号转换为蛋白质的构象变化,传给效应部。 2.细胞膜受体的特性 (1)受体的特异性: 化学信号与受体之间的结合具有一定的专一性,它们之间依靠分子与分子间的立体空间构象互补,即分子的立体特异性使信号与受体分子之间存在高度的亲和力,把两者契合在一起。 有些信号可以与一种以上的受体结合,从而使细胞产生不同的效应。 (2)可饱和性: 细胞中各类受体的浓度相对恒定,因此受体与配体的结合有一个饱和度。 (3)具有高度的亲和力: 受体与配体的结合力称为亲和力。 当溶液中只有极低浓度的配体时,就能使靶细胞膜受体结合达到饱和。 (4)可逆性: 受体与配体是以非共价结合,键的强度弱。当结合引起生物效应后,受体与配体复合物解离。 (5)特定的组织定位: 受体只存在靶细胞,一定的细胞表面有一定的受体。 (二)膜受体的分类 1.离子通道受体 2.G蛋白相偶联受体 3.生长因子受体 (三)受体的功能 1.膜受体和细胞识别 细胞识别:是指细胞对同种和异种细胞的认识,对自己和异己的认识。 (1)细胞识别是细胞膜的一种功能 吞噬异物 受精过程 (2)细胞识别的分子基础: 各类细胞的识别大多与细胞膜中的糖蛋白分子有关,而且多数是以糖链为决定簇。各种细胞的寡糖链的单糖有一定的排列顺序。特定的单糖顺序象指纹一样,具有各种细胞的特征。 细胞识别的分子基础是细胞表面受体之间或受体与大分子之间互补形式的相互作用。可能方式有: 相同受体间相互作用 受体与细胞表面大分子间相互作用 相同受体与游离大分子间相互作用 2.膜受体与信息传递 细胞通讯:多细胞生物的细胞之间存在的相互作用和影响。 由于有了细胞通讯,才能使所有的细胞协调、合作,从而保证整体生命活动。 细胞之间的通讯要通过细胞之间的信号传递来完成 即由细胞释放的一些化学物质(信息分子)经细胞外液去影响和作用其他细胞。 信息分子有:局部化学介质、激素和神经递质等作为第一信使,作用于靶细胞膜相应的受体,信息转换成胞内的调节信号(第二信使),诱发、改变或调节细胞的活动。 肾上腺β-受体、胰高血糖素受体激活腺苷酸环化酶,使细胞内cATP浓度升高。 乙酰胆碱M受体,激活鸟苷酸环化酶,使cGMP浓度升高。 思考题: 1、生物膜主要由哪些分子组成?它们在膜结构中各起什么 作用? 2、膜蛋白有哪些类型?各有何功能? 3、什么是细胞膜的液态镶嵌模型?请您给予评价。 4、举例说明膜的不对称性和流动性。 5、为什么说细胞表面是一个复合的结构体系和多功能体系? 6、解释并区别: 单位膜 / 生物膜 内膜系统/胞内膜 细胞表面 /细胞被 主动运输/被动运输 胞吞作用/胞吐作用 膜抗原/膜受体 细胞识别 |