细胞膜结构和物质转运功能

第一章细胞的基本功能第一节细胞膜结构与功能第二节细胞的生物电现象第三节肌细胞的收缩功能1、外环境(externalenvironment)生命体的周围环境：生物体存在的外在条件2、内环境(internalenvironment)细胞活动的环境：细胞存在的外在条件细胞外液(extracellularfluid)：组织液（包括淋巴液和脑脊液）血浆（血液中除细胞以外的成份）3、稳态（homeostasis）机体内环境（细胞外液）各种理化因素（渗透压、温度、酸碱度、水、电解质和营养成份）维持相对恒定的特性。概述：细胞存在的条件与细胞构成一、细胞存在的条件外环境内环境外环境细胞内液细胞外液内环境二、细胞构成要实现细胞功能首先必须跨过细胞膜外侧：暗带，2.5nm中间：明带，2.5nm内侧：暗带，2.5nm第一节细胞膜的结构与功能一、细胞膜的化学组成和结构模型电镜下结构光镜下呈透明膜结构细胞膜（cellmembrane）又叫质膜（plasmamembrane）磷脂60%胆固醇30%糖脂鞘脂10%脂质（45%）1、磷脂酰胆碱（卵磷脂）2、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）3、磷脂酰丝氨酸4、磷脂酰肌醇（PI3，GD)（一）细胞膜组成脂质双嗜性(amphilic)：嗜水性（极性分子，磷酸和碱基）嗜脂性（非极性分子，脂肪酸烃链）1、三种结构形式2、张力性和流动性3、蛋白质糖类的结合性与嵌合性双嗜性所致的脂质结构特性：胆固醇则具有低融点的特性：维持膜结构成液态寡糖，多糖链共价键形式与脂质和蛋白质结合，抗原性和特异性表面（peripheral）蛋白球形结构镶嵌或结合（integral）蛋白α螺旋结构非极性氨基酸或基团极性氨基酸或基团糖类蛋白质（55%）2、细胞膜的液态镶嵌模型外侧：脂质亲水部分，蛋白和糖类中间：脂质疏水部分，镶嵌蛋白内侧：脂质亲水部分，蛋白和糖类单位膜：细胞内各种膜性结构最基本的结构形式屏障功能转运功能兴奋功能受体功能识别功能（二）细胞膜的功能脂溶性膜包被体大分子物小分子物水脂溶性有机物无机离子水分子配体单纯扩散载体扩散继发转运渗透信号转导通道扩散原发转运信号传递高浓度低浓度出胞入胞膜蛋白质跨膜物质运动生物电二、细胞膜的跨膜物质转运功能（一）被动转运(passivetransport)概念：物质顺电位或化学梯度的转运过程。①单纯扩散（diffusion）和渗透（osmosis）②易化扩散（facilitateddiffusion）分类：①不耗能（依赖电-化学梯度的势能）②依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”③顺电-化学梯度进行特点：1.单纯扩散(simplediffusion)(1)概念:一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。[CO2]i＞[CO2]o[O2]o＞[O2]i(2)特点:①扩散速率高②无饱和性③不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”④不需另外消耗能量⑤扩散量与浓度梯度、温度和膜通透性呈正相关扩散通量（molormol数/min.cm2)表示。(3)转运的物质：O2、CO2、NH3、N2、尿素、乙醚、乙醇、类固醇类激素等少数几种脂溶性物质。膜对H2O具高度通透性，H2O除单纯扩散外，还可通过水通道（水孔蛋白aquaporin,AQP）跨膜转运。渗透（Osmosis）2.易化扩散(facilitateddiffusion)(1)概念:一些非脂溶性或脂溶解度甚小的物质,需特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。(2)分类:①经通道的易化扩散②经载体的易化扩散（1）经通道的易化扩散转运的物质:各种带电离子[K+]i＞[K+]o[Na+]o＞[Na+]i通道扩散(Channeldiffusion)特点：选择性高速度快动力电化学梯度受多因素调控1、电压门控性通道(电压传感器）2、化学门控性通道（配体门控性通道）3、机械门控性通道通道的结构受遗传决定如：电压门控性Na+通道由三个亚单位组成N2型ACH受体通道五个亚单位组成（2）经载体的易化扩散转运的物质：葡萄糖(GL)、氨基酸(AA)等小分子亲水物质(3)特点:①需依靠特殊膜蛋白质②不需另外消耗能量③选择性④饱和性⑤竟争性⑥浓度和电压依从性(二)主动转运(activetransport)1.概念：物质逆浓度或电位梯度的转运过程2.特点：①逆电-化学梯度进行②依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”③消耗能量,能量由分解ATP来提供3.分类：①原发性(primary)主动转运如:Na+-K+泵(sodium-potassiunpump)、H+-K+泵等②继发性(secondary)主动转运1.泵转运——Na+-K+泵（Na+-K+-ATPase）通道转运与钠-钾泵转运模式图当[Na+]i↑/[K+]o↑时激活钠泵钠-钾泵的这种活动还为其它一些物质转运的提供了动力（如葡萄糖、氨基酸的吸收：Na+-载体-葡萄糖、Na+-载体-氨基酸的复合体形式进行的联合转运）。维持[Na+]o高、[K+]i高原先的不均匀分布状态2K+泵至细胞内;3Na+泵至细胞外分解ATP产生能量当[Na+]i↑/[K+]o↑激活钠-钾泵:2.继发性主动转运概念：逆浓度梯度或逆电位梯度转运的能量来自膜两侧[Na+]差，即Na+-K+泵分解ATP释放的能量同向转运反向转运转运体（三）入胞和出胞式转运出胞(exocytosis):细胞把成块的内容物由细胞内排出的过程入胞(endocytosis):细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过程，包括吞噬(phagocytosis)和吞饮(pinocytosis)分泌物排出融合处出现裂口囊泡向质膜内侧移动高尔基复合体粗面内质网合成蛋白性分泌物出胞：囊泡膜成为细胞膜的部分囊泡膜与质膜接触并融合膜性结构包被=分泌囊泡受体对物质的“辨认”受体底物特异性结合=复合物“有被小窝”处的膜凹陷凹陷膜与细胞膜断离=吞食泡入胞:复合物向“有被小窝”移动吞食泡与胞内体的膜性结构相融合三、跨细胞膜的信号转导生物信号环境变化信息遗传信息机体外信号机体内信号物理的化学的生物的电信号化学信号神经递质和调质内分泌激素细胞和生长因子特殊物质（NO）（一）信号转导概述细胞膜或单位膜上的信号传导（物理电信号的传导）1、生物信号跨膜传递的分类1）跨膜（化学）信号传导——细胞的信号转导间直接物质转导部分水（脂）溶性物质细胞间直接联接直接物质传递2）直接式物理性传导配体受体启动的1）、受体的概念与分类受体是位于质膜或细胞内能与细胞外信号物质结合并引起特定生物效应的大分子物质。G蛋白耦联受体具有酶活性的受体离子通道型受体核受体2）配体及受体与配体结合的主要特征配体是指能与受体结合的特异性物质，通常是体内的各种化学信号特异性——信息传递的准确性高亲合力——信号传递的可靠性饱合性——信息传递的范围性（保护性）2、受体及其特征1）膜的信号转换：形成第二信使2）胞内信号传递：第二信使促发的级联反应3）生物学效应：膜电位改变或膜兴奋性改变效应蛋白功能改变基因转录和表达改变3、信号转导的基本过程1、G蛋白耦联受体介导的信号转导1）G蛋白耦联受体信号通路中的信号分子（1）G蛋白耦联受体（2）G蛋白（3）G蛋白效应器：腺（鸟）苷酸环化酶磷脂酶C、磷脂酶A2，磷酸二酯酶（4）第二信使：cAMP，cGMP，IP3，DG，Ca2+（5）蛋白激酶：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶酪氨酸蛋白激酶（6）靶蛋白：受体，收缩蛋白，离子通道酶，转录调节因子（二）跨膜信号转导的途径细胞膜上细胞膜内2）G蛋白耦联受体信号转导途径ATPcAMPPKAPKA-PCREBCREB-P受体——Gs，Gi——AC•受体-G蛋白-AC•受体-G蛋白-PLC•受体-G蛋白-离子通道PLC——Gi，Gq——受体PKCPKC-PCREBCREB-PPIP2IP3DGcAMPPKA靶蛋白磷酸化靶基因转录腺苷酸环化酶＋受体α2受体M受体GsGi－Adenylylcyclasesignaltransductionpathway靶蛋白磷酸化靶基因转录α1受体AngII受体PIP2PKCCa2＋GqIP3DAGPLCβPhospholipaseCsignaltransductionpathway•配体主要是各类生长因子•一个α-螺旋的单肽链•Ras-MAPK（丝裂原激活的蛋白激酶，mitogen-activatedproteinkinase）•活化的MAPK进核内作为转录因子——基因表达（2）酪氨酸激酶耦联受体•配体主要是各类细胞因子•激活的酪氨酸激酶靶蛋白（转录因子）-基因表达特点：配体为生长因子和细胞因子，简单快捷，效应蛋白多为转录因子2、具有酶活性的受体介导的信号转导（1）酪氨酸激酶受体：1）酪氨酸蛋白激酶受体靶蛋白磷酸化受体TPKPGDPGTPMEKERKRaf靶基因转录(extracellularsignalregulatedkinase，ERK)生长因子Grb2SosRasTyrosineproteinkinase-mediatedsignaltransductionpathway3、丝氨酸/苏氨酸激酶受体4、酪氨酸磷酸脂酶受体2）鸟苷酸环化酶受体外内C，GCNGTPcGMPPKGPKG-P底物蛋白底物蛋白-P烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）谷氨酸的离子型受体谷氨酸的离子型受体γ-氨基丁酸的离子型受体•配体通常是神经递质——离子跨膜运动——改变膜电位•没有细胞内信号分子的参与快反应途径慢反应途径（有细胞内信号分子参与）3、通道耦联的受体介导的信号转导配体门控的通道或通道耦联的受体•类固醇激素受体•肾上腺皮质激素、性激素受体家族•甲状腺素受体家族•维生素D受体家族•维甲酸受体家族未被激活时多位于胞浆发挥作用在核内启动基因转录4、核受体Nuclearreceptor-mediatedsignaltransductionpathwayGeneCortisolHSPRRHSPRRRHSPHSPR