最新:第04章细胞膜与物质的跨膜运输文档资料.ppt
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1、2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,1,教学基本要求,1.熟悉磷脂的结构性质与功能2.掌握细胞膜膜的化学组成、分子结构及生物学特性,生物膜的分子结构模型3.掌握小分子物质跨膜运输方式和特点,大分子和颗粒物质运输的胞吞和胞吐,受体介导的胞吞作用4.熟悉细胞表面的特化结构,细胞膜异常时与某些疾病发生的关系,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,2,主要教学内容,一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的分子结构三、细胞膜的特性四、细胞膜的主要功能,物质运输信号转导,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,3,第一节 细胞膜的化学组成和分子结构,一、细胞膜的化学组成二、细胞
2、膜的分子结构三、细胞膜的特性,片层结构模型单位膜模型液态镶嵌模型脂阀模型,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,4,一、细胞膜的化学组成,膜脂与膜蛋白的比例随生物膜的种类和功能而异,含量变化从1:4到4:1。膜糖脂分布在细胞表面和胞内膜的非胞质面。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,5,(一)膜脂1.磷脂类别结构:极性头部+非极性尾部,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,6,(1)甘油磷脂结构:2分子脂肪酸1分子甘油 1分子磷酸1个极性小分子(含氨碱或醇类)。头部极性小分子的不同决定着甘油磷脂的种类。功能:构成生物膜的基本骨架成分。类别:以头部磷脂酰碱
3、基的不同,有磷脂酰胆碱,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰肌醇等。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,7,(2)鞘磷脂结构:以鞘胺醇取代甘油,连接头部和尾部。功能:鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、鞘胺醇、1-磷酸鞘胺醇参与细胞分化、凋亡、增殖等多种活动。,鞘胺醇为约18碳的长链氨基2醇,脂肪酸以酰胺键结合于鞘胺醇。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,8,2.胆固醇结构:极性头部为羟基团,非极性尾部包括固醇环和烃链。定位:散布在磷脂分子间,极性与非极性部位与磷脂的对应。功能:调节膜的流动性,增强膜的稳定性。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,9,3.糖
4、脂分布:动物细胞质膜外表面,约占质膜外层脂类的5%;具有很大的种属差异性和组织差异性。结构:由寡糖(极性头部)与脂类(非极性尾部)构成。功能:细胞表面受体,参与细胞识别与信号转导。,Turn to Page 14,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,10,膜脂与水混合后的状态及脂质膜的特性 与水混合可形成三种结构:胶粒、双层膜囊和双分子层。形成的膜具有自动封闭性在水中自动封闭成中空的稳定结构脂质体(liposome)。小的脂质体可融合成大的脂质体,大的脂质体破裂后可形成小的脂质体,自然状态下是粘滞的二维流体。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,11,(二)膜蛋白膜
5、蛋白的功能细胞内外物质运输(转运蛋白)细胞信号传导(受体蛋白)细胞之间、细胞与细胞间质之间的相互作用(连接蛋白)催化相关代谢反应(酶)膜蛋白的含量不同细胞差异很大,多在4050%。可低至25%,高至75%,膜功能越复杂蛋白含量越高。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,12,1.内在蛋白螺旋疏水区跨膜1次至多次,亲水部分位于膜内外两侧;以共价键与胞质面脂层连接(图4-8,A-C);为不溶性蛋白2.外在蛋白:膜内外侧均有分布;以离子键、氢键附着于膜脂极性头部或内在蛋白表面(图4-8,G,H);为可溶性蛋白,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,13,3.脂锚定蛋白(原属
6、外在蛋白)膜两侧均有分布,不贯穿脂双层;以共价键直接与膜脂分子结合或通过寡糖链间接与膜脂分子链接(图4-8,D-F);属可溶性蛋白,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,14,(三)膜糖类1.膜糖的种类:主要有半乳糖,半乳糖氨,葡萄糖,葡萄糖氨,甘露糖,岩藻糖,唾液酸(N-乙酰神经氨酸)。占膜物质的210%。2.膜糖存在形式:均以寡糖链与蛋白质或脂类结合;分布于动物细胞表面,构成 cell coat或称glycocalyx。3.膜糖功能:吸附水分,形成粘性表面,使细胞免受机械损伤或化学损伤;直接参与细胞识别、配体受体识别、细胞免疫和粘附作用。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研
7、室陈贤均制,15,二、细胞膜的分子结构模型,(一)片层结构模型1.细胞膜是蛋白质-磷脂-蛋白质的三夹板样结构2.由J Danielli&H Davson于1935年根据膜的物理性质推理出。(二)单位膜模型1.细胞膜呈暗-明-暗的三夹板样结构,暗层各2 nm,明层3.5 nm,总厚度7 nm2.由D.H.Robertson于1959年根据电镜观察结果提出,表明了生物膜在形态结构上的共同点,什么是生物膜的分子结构模型?,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,16,(三)液态镶嵌模型1.脂质分子排成双层构成膜的连续主体,既具有晶体分子排列的有序性,又具有液体的流动性;蛋白子分子以多种形式
8、与脂分子结合;强调膜的流动性和蛋白分布的不对称性2.由Singer&Nilson于1972年提出,较好地解释了生物膜的功能特性,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,17,(四)脂筏模型1.定义:膜中富含胆固醇、鞘磷脂和一些特定蛋白质的区域称为脂筏。2.特点:厚度较大,流动性较低。3.功能:参与信号转导、受体介导的胞吞作用,胆固醇代谢、运输,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,18,三、细胞膜的特性,(一)细胞膜的不对称性1.膜脂的不对称性:如卵磷脂和鞘磷脂多分布在膜的外层;脑磷脂、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇多分布在膜的内层。2.膜蛋白的不对称性:膜两面蛋白的数量、种类
9、和基团种类与性质不同。3.膜糖的不对称性:糖链均分布在非胞质面。,膜两侧成分的不同决定了膜两侧功能的差异。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,19,(二)细胞膜的流动性1.膜脂双分子层是二维流体膜的流动性是指膜脂和膜蛋白处于不断的运动状态生理状态下,细胞膜处于液晶态,分子既有排列的有序性,又有流动性,处于运动状态温度的改变使膜可以在液晶态和晶态之间转变,这种膜脂状态的改变称为相变,发生相变的临界温度称为膜的相变温度,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,20,2.膜脂分子的运动,侧向运动 尾部摆动 伸缩震荡,翻转运动 旋转运动 烃链旋转异构运动,2009-08,细胞
10、生物学与遗传学教研室陈贤均制,21,3.影响膜脂流动性的因素,(1)脂肪酸链的饱和程度:饱和程度低流动性强;(2)脂肪酸链的长度:脂肪酸链短流动性强;(3)胆固醇的含量:含量低流动性强;(4)卵磷脂与鞘磷脂的比值:前者比值高流动性强;(5)内在蛋白含量:含量低流动性强;(6)环境温度、pH值、离子强度、金属离子对膜的流动性均有一定影响,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,22,4.膜蛋白分子的运动侧向运动旋转运动生物膜的流动性是保证其正常功能的重要条件。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,23,第二节 小分子物质的跨膜运输,小分子物质跨膜运输的几条基本途径:简单扩
11、散通道蛋白介导的易化扩散载体蛋白介导的易化扩散载体蛋白介导的主动运输,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,24,一、膜的选择通透性和简单扩散,(一)膜的选择通透性1.定义:生物膜选择性地让某些物质透过的功能特性称为半透性或选择通透性。2.影响物质扩散跨膜的因素(1)分子大小(2)脂溶性(3)是否带电荷,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,25,3.选择通透性的意义(1)细胞能选择性地摄取和排出物质(2)维持细胞质膜内外、细胞器膜内外的差异(3)维持细胞内环境的稳定,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,26,(二)简单扩散(Simple diffusio
12、n)1.特点(1)从高浓度侧向低浓度侧的物理扩散(2)不消耗代谢能,消耗浓度差自身的势能(3)不需特殊蛋白协助(4)扩散速度取决于分子大小、带电荷情况、极性和脂溶性强弱2.条件:膜两侧存在浓度差,物质能透过膜。O2、N2、H2O、CO2、乙醇、尿素、甘油、苯可通过简单扩散跨膜,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,27,二、膜转运蛋白介导的跨膜运输,膜转运蛋白(transport membrane protein)是膜上具有物质转运功能的跨膜蛋白,转运极性分子和离子等不能经简单扩散跨膜的物质。膜转运蛋白包括通道蛋白和载体蛋白。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,28
13、,(一)离子通道介导的易化扩散通道蛋白的功能:介导易化扩散易化扩散:在转运蛋白介导下,极性分子和离子顺电化学梯度跨膜转运称易化扩散。通道蛋白介导易化扩散的特点:由45个以上的亚单位构成的亲水通道,水溶性物质可通过;对物质转运具有高度选择性;转运速度快,每秒钟内可通过106108个离子,比载体蛋白转运的最快速率快1000倍;依赖不同区域物质的浓度差实现物质运输;离子通道都是门控通道,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,29,1.配体门控通道配体门控通道都是受体偶联离子通道,或称离子通道偶联受体。与胞外特定配体结合后构象改变,“闸门”打开,允许某种离子快速跨膜转运。乙酰胆碱受体是典型
14、的配体门控通道。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,30,2.电压门控通道跨膜电位的改变诱发通道蛋白构象改变,通道开放,离子顺浓度梯度扩散通过通道。通道开放时间只有几毫秒,随即迅速自发关闭。电压门控通道主要存在于可兴奋细胞。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,31,3.应力激活通道通道受应力作用,构象改变,“闸门”开启,离子顺浓度梯度进入细胞,引起膜电位变化,产生电信号。如内耳毛细胞感受声波振动,含羞草,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,32,离子通道活动举例(神经肌肉接头处离子通道的作用),1.神经冲动传至神经末梢,突触前膜去极化,电压闸门Ca
15、2+通道开放,Ca2+进入细胞,乙酰胆碱释放至突触间隙。,2.乙酰胆碱结合于突触后膜乙酰胆碱受体,偶联的阳离子通道开放,Na+流入肌细胞,质膜局部去极化。,3.电压闸门Na+通道瞬时开放,整个细胞膜去极化,形成动作电位。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,33,4.肌浆网上Ca2+通道开放,Ca2+流入细胞质,引起细胞内肌原纤维收缩。,神经-肌肉接头处的几种闸门通道,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,34,表4-1 离子通道的主要类型与功能,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,35,乙酰胆碱受体通道和GABA(-氨基丁酸)受体通道都是受体偶联离子通
16、道,或称离子通道偶联受体。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,36,(二)载体蛋白介导的易化扩散1.载体蛋白的功能:介导易化扩散和主动运输。2.载体蛋白的功能特点:(1)通过载体蛋白构型改变实现物质转运;(2)具有选择性、特异性、饱和性,存在最大转运速度;(3)转运功能可被竞争性抑制(4)可进行单一物质的单向运输和两种物质的协同运输(同向运输和对向运输)3.载体蛋白介导易化扩散的特点:(1)不消耗代谢能,需有浓度梯度,属被动运输;(2)运输速度比简单扩散和主动运输快但比通道运输慢。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,37,(三)载体蛋白介导的主动运输在载体蛋白介
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