第三章: 生物膜 细胞表面 和 总纲 3.0 介绍 3.1 生物膜成分和结构 3.2 质膜 3.3 跨膜运输 3.4 细胞连接和粘连分子 3.5 胞外基质和细胞壁 3.0 介绍 所有细胞都由一层膜所包围。 在真核细胞中, 膜将细胞区室化成一些小 亚区室从而形成细胞器。 在原核细胞中, 不存在亚区室 真核细胞和原核细胞 (参见第一章) 真核细细胞细细胞质质中由膜包围围的细细胞器 由 双层膜(一层内膜和一层外膜)包裹的细胞器; 在细胞呼吸中起到重要作用; 合成ATP作为 各种生命活动的能量原料。 线粒体 由 双层膜(一层内膜和一层外膜)包裹的细胞器; 叶绿体吸收太阳光，通过光合作用合成糖类 。 叶绿体 由膜囊包围，在真核细胞中具有多种功能，贮存物质等。液泡 由 单层膜 包裹，包含真核细胞中消化食物和废物的酶。溶酶体 膜囊堆叠，包含特异性酶修饰、贮存产物和将产物从内质网运输到细胞膜或真核细胞的其它 部位。 高尔基体 相互连接的膜小管形成网状结构，包含特异性酶；光面内质网表面没有核糖体，是合成脂质 的重要场所；糙面内质网与核糖体共同合成蛋白质。 内质网 最大、最重要的细胞器，由双层膜包围，包括染色质、核仁、核纤层、核基质和一些RNA。核 由细胞膜包围的半液体基质，所有细胞器漂浮在其中。细胞质* 描 述细胞器 * 细胞质不作为独立的细胞器，不仅仅在真核细胞中，其它细胞亦然。 真核细细胞中主要功能发发生场场所 主要功能细胞学区域 定位和组织质膜和细胞器 组分运输调 控质膜 信号检测 和传输质膜和核膜 DNA 复制和转录 *核膜 细胞内互作质膜 能量转换线粒体和叶绿体 蛋白质合成和运输糙面内质网和高尔基体 脂质合成和运输光面内质网 碳水化合物合成和运输细胞质和线粒体等 耐受和沉积作用植物液泡 * 真核细胞细胞膜上DNA复制和转录发 生的地方 细胞表面结构 细胞壁细胞壁和细胞外基质 3.1 生物膜成分和结构 基本成分 v 脂质 v 蛋白质 v 糖类 一些生物膜的基本成分 膜蛋白质质 (%)脂质质 (%)糖类类 (%) 质膜 红细 胞49438 髓鞘膜18793 肝脏细 胞543610 核膜66322 高尔基体642610 内质网622710 线粒体 外膜5545trace 内膜7822- 叶绿体7030- 3.1.1 生物膜脂质 v磷酸甘油酯 v鞘脂 v类固醇 两性分子 疏水性尾部基团极性头部基团 磷酸甘油酯 X PC: 卵磷脂 X=胆碱 PE: 磷脂酰乙醇胺 X=乙醇胺 PS: 磷脂酰丝氨酸 X=丝氨酸 卵磷脂 鞘磷脂 (SM) 其它鞘脂 类 葡糖脑苷脂 鞘脂类分 类 胆固醇 一些生物膜的脂质成分 来源/物种 组分 (mol %) PCPE+PSSMCholestero l 质膜 (人红血球)21292126 鞘脂膜(人神经元)16371334 质膜 (大肠杆菌)08500 内质网膜 (小鼠)542657 高尔基体膜 (小鼠)45201313 线粒体内膜 (小鼠)454527 线粒体外膜 (小鼠)3446211 Primary leaflet location外胞浆基质外胞浆 外胞浆和基 质 磷脂组组成生物膜的 基本框架结结构 3.1.2 生物膜中的蛋白质 三种形式的膜蛋白 整合蛋白 (跨膜蛋白) 脂质锚定膜蛋白 外周膜蛋白 结构蛋白酶 脂质双层膜中的蛋白 整合蛋白 基质区外胞浆区跨膜区 亲水表层镶嵌在膜上 与水溶液互作与磷酸脂质双层疏水性尾部互作 与其它分子或离子结合 锚定细胞骨架蛋白 激发细胞内信号同路 形成通道和孔 蛋白质糖基化 定位在胞浆区域 脂质锚定膜蛋白 共价结合于磷酸脂质双层中的脂质分子 多肽链不进入磷酸脂质双层 外周膜蛋白 通过于整合蛋白互作间接结合在膜上或通过与脂质 亲水性头部组分互作直接结合在膜上 定位在基质或质膜外胞浆表面 细胞膜上的蛋白质可分为 : 通道蛋白: 小分子物质和离子通过孔道自由跨膜运 输； 转运蛋白: 促进小分子物质和离子的协助扩散和主 动运输； 细胞识别蛋白: 识别特殊细胞; 受体蛋白: 特异性结合荷尔蒙、细胞因子等； 酶蛋白: 催化特异性化学反应。 3.1.3 膜上的糖 根据细胞类型不同膜上的含量约为2% 10% 与膜蛋白共价结合形成糖蛋白 所有膜糖类都分布在质膜外侧面(E面) 膜糖的种类 D-葡萄糖 D-半乳糖 D-甘露糖 L-果糖 N-乙酰-D-半乳糖胺 N-乙酰-葡糖胺 矽酸 膜糖的功能 增强膜结构稳定性 增强蛋白酶的稳定性 帮助膜蛋白形成正确的三维膜构像 细胞信号识别, 细胞黏附和细胞接合 新生成蛋白转运的正确定位 凝集素, 保护细胞何种子 血型决定 3.1.4 膜流体性 膜功能的本质是膜流体性: 允许分子快速扩散； 细胞运动、生长、分配、和分泌等 Larry Frye和Michael于1970年首次论证 限制性的膜蛋白移动 SPT 脂质提供整合蛋白与之结合的部位，因此脂质的物 理状态对于决定整合蛋白的机动性是非常重要的。 两种不同类型的细胞可以被 融合成具有普通胞质和单一 、连续质膜的一个细胞。这 一事实看来似乎表明膜整合 蛋白能够自由地移动。 然而，利用FRAP进一步的研究表明 ：膜蛋白的移动是具有限制性的。 荧光恢复的速率 SPT: 个别的膜蛋白分子被标记 这样被标记的膜蛋白分子的运动就能被检测 实验结果表明： 大部分膜蛋白分子随机运动速率类似于自由 扩散(扩散系数大约为510-9 cm2/sec)； 运动距离在零点几微米以内； 进行长距离扩散时运动速度较慢； 在某些情况下, 特定的蛋白以高速(非随机性 )直接向细胞某一部分或另一部分运动； 有些膜蛋白几乎不运动被视为固定不动的蛋 白。 运动形式： 扩散和旋转比“翻转运动”频繁； 单个脂质分子沿着轴心快速自旋 (30,000rpm) ； 磷酸脂质在12秒内从一端扩散到另一端； 磷酸脂质从一单层运动到另一单层要花几小 时甚至几天； “翻转运动” (一种脂质分子从一单层的一 半运动到同一单层的另一半) 是十分受限制的。 膜中磷脂 双层可能 的运动形 式 3.1.5 膜不对称性 脂质双层的两边经常包括不同类型的磷脂 或糖脂 脂质双层的内在蛋白具有特定的方向性 膜的不对称性 是利用脂质消 化酶发现的。 因为脂质消化 酶不能渗透质 膜却可以消化 脂质双层中的 外层。 真核生物中，脂 质的不对称是由于 不断产生新脂质而 造成的。 3.2 质膜(细胞膜) 所有细胞都被质膜所包围 abc 3.2.1. 质膜概述 细胞膜的内侧和外侧 胞液面 外胞浆面 细胞膜的蛋白质和糖蛋白 植物细胞壁和质膜 细菌细胞壁和质膜 质膜是半透性的 磷脂双层 3.2.2 质膜的一般功能 v作为一种渗透屏障 v密切参与细胞壁的组装 v形成细胞间特异性的结合 v胞外基质的锚定成分 v与信号分子特异结合的受体蛋白 v参与细胞的区域化作用 v能量转换 3.3 跨膜运输 质膜: 在所有细胞中质膜是最重要的跨膜 运输结构 质膜的选择性渗透性使细胞得以维持一个 稳定的内在环境 (出、入细胞或留在细胞中 ) 不同种类细胞的质膜拥有一系列特异性的 转运蛋白运输特异性的分子和离子 大部分分子和所有离子的运动是通过磷脂双层中有选 择性的跨膜运输蛋白实现的。 3.3.1 跨膜运输的概述 特性被动扩 散协助扩散主动运输协同运输* 特异性运输蛋白不需要需要需要需要 溶质逆浓度梯度 转运 否否是是 与 ATP 水解偶联否否是否 依靠离子浓度梯 度降低产生驱动 力 否是否是 举例O2, CO2, 类 固醇荷尔蒙 ，有些药物 葡萄糖和氨 基酸(单一载 体); 离子和 水 (通道) 离子, 小亲水性 分子, 脂质 (ATP- 驱动泵 ) 葡萄糖和氨基酸( 协同运输); 各种 离子和蔗糖 (反向 运输) 3.3.2 被动扩 散 (简单扩 散) 提示这类分子可以不需要转运蛋白而扩 散通过细胞膜 O2, CO2 尿素和乙醇 类固醇荷尔蒙，药物 能够扩散通过人工膜 在整个过程中，不消耗能量，不需要特异性转运蛋 白，分子沿着浓度下降的方向扩散。 被动扩散依靠热力学运动驱动 决定扩散速率的因素: 跨膜浓度梯度 疏水性 大小 跨膜电位 3.3.3 协同扩散 协同扩散概述 极性分子, 离子和水, 在协同作用下实现 跨膜运输 与被动扩散的区别: 扩散速率比被动扩散快 与分配系数K不相关 通过有限个数的单一载体分子实现转运 特异性转运 膜蛋白介导的转运 转运蛋白 通道蛋白 转运体 通道蛋白 水, 离子和亲水小分子 顺浓度梯度或电化学梯度 帮助扩散 形成跨膜亲水通道 非门控通道: 多数时间是开放的 门控通道: 仅在响应特异性化学或电信 号时开放 一些离子通道的举例 通道场所功能 K+ 渗漏通道大多数动物细胞的质膜 维持静息膜电位 电压门 Na+ 通道神经细 胞轴突的质膜介导产 生动作电位 电压门 K+ 通道神经细 胞轴突的质膜起始动作电位后使膜恢复静 息电位 电压门 Ca2+通道神经终 末的质膜刺激神经递质释 放 乙酰胆碱受体 (乙酰胆碱门Na+ and Ca2+ 通道) 肌肉细胞的质膜(神经- 肌肉接头处 ) 兴奋 性突触信号传递 (在靶细 胞将化学信号转换为电 信号) GABA受体 (GABA- 门 Cl- 通道) 许多神经元的质膜(突触 处) 抑制性突触信号传递 压力激活的阳离子通道内耳听觉毛细胞检测 声音震动 转运蛋白 (载体) 分子或离子通过转运体得以运输，每种类型 的转运体转运特异性的溶质分子； 改变自身构造 三种类型 : 单一转运体, 反向转运体和协同转运体 一个典型的例子- GLUT1 葡萄糖通过GLUT1转运至 红血球的模型 伴随能量的转换，亲 水性溶质通过脂质双 层膜 3.3.4 主动运输 由特异性膜蛋白介导 逆浓度梯度 需要能量供给 Light electrochemical gradient Light powered pump (1) ATP-驱动 的泵 分4种类型: P-型, V-型, F-型 和 ABC-型 能量供给与ATP水解偶联 Simply pumps 列举4种ATP泵 类类型举举例 P-型植物、真菌和细菌的质膜(H+泵), 高等真核生物质膜(Na+/K+泵), 哺 乳动物胃部质膜顶部(H+/K+泵), 所有真核细胞质膜 (Ca2+泵), 肌肉 细胞中的肌浆网状膜(Ca2+泵)。 V-型植物、酵母、其它真菌的液泡膜，动物细胞的胞内体和溶酶体膜, 破骨细胞质膜，和一些肾小管细胞。 F-型细菌质膜, 线粒体内膜, 叶绿体类囊体膜。 ABC-型细菌质膜(氨基酸, 糖, 和肽透性酶), 哺乳动物质膜 (磷酸脂质转 运 体, 小亲水性药物, 胆固醇, 其它小分子物质)。 (2) 协同运输 两种类型: 共运输和反向运输 与提供能量的反应偶联 利用电化学梯度形成的能量 维持这种电化学梯度 次级活化运输. 两种类型的转运体使消化道上皮细胞将葡萄糖 和氨基酸转运通过消化道被覆 动物和植物细胞中共转运 比较 3.3.5 离子泵 产生和维持跨细胞膜的离子梯度 Ca2+ 离子从基质进 入肌浆网 维持动物细胞中胞内Na+离子和K+离子 浓度 质子泵跨膜并酸化内腔 细菌透性酶是一种ABC型蛋白转运各种 营养物质 哺乳动物中ABC小分子泵 水的运输 产生和