医学生物学2.ppt

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1、第三节 生物膜的结构与功能,电镜下，质膜呈现出“二暗一明”的三层夹板式结构叫单位膜。,细胞膜,细胞质,细胞膜又称细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，主要由膜脂和膜蛋白所组成。,质膜的基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外，在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。,生物膜(biomembrane)：细胞所有膜结构,质膜,内膜(internal membrane)胞质膜(cytoplasmic membrane),细胞内膜：除了细胞膜以外的细胞内的膜性结构。包括：细胞核膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜。

2、,一膜的化学组成,细胞膜具有各种复杂而重要的功能，其基础在于它的化学组成和结构。在各种不同类型的细胞中，细胞膜的化学组成相同，即主要由脂类、蛋白质及糖类组成。,脂 类：50%蛋白质：40%50%糖 类：1%10%,(一)膜脂,生物膜上的脂类统称膜脂，包括：磷脂、胆固醇、糖脂，其中磷脂含量最多。膜脂类都是兼性分子，都有一个亲水的极性头部和一个疏水的非极性尾部。,(1)磷 脂,磷脂的极性头部是各种磷脂酰碱基，它们通过甘油基团与非极性尾部两条烃链（脂肪酸链）相连。主要磷脂有 磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酰胆碱（卵磷脂）,极性头部基团（亲水）,非极性尾部基团（疏水）,X,甘油,磷 酸,磷脂酰碱基,14

3、24个碳原子,(2)胆固醇,羟基基团是极性头部，通过甾环与一个非极性的烃链连接。,(3)糖 脂,鞘胺醇,极性头部由一个或数个糖基组成，非极性尾部是两条烃链，是鞘胺醇的衍生物。,半乳糖脑苷脂,糖 脂 分 子,糖脂含量约占膜脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。糖脂也是两性分子。最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。,水,水,水,磷脂分子团,磷脂双分子层,脂质体,脂类分子的排列特性（双极性特点）,(二)膜蛋白,生物

4、膜中的蛋白质叫膜蛋白。,膜蛋白,外周蛋白（外在蛋白）：,镶嵌蛋白（内在蛋白）：,占膜蛋白2030，主要在膜的内表面，与膜脂或内在蛋白相连。,占膜蛋白7080，不,同程度镶嵌在脂类双分子层。为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。,膜蛋白功能：,参与细胞的物质运输、催化作用、支持与连接、细胞识别及信号转导、细胞免疫等。,运输蛋白酶连接蛋白信号转导受体,膜中含有的糖类称为膜糖类，占膜重量的210，主要分布在细胞膜外表面。,膜糖

5、类,糖类+脂类,共价键,糖 脂,糖类+蛋白质,糖蛋白,共价键,(三)膜糖类,细胞外被(糖萼),膜糖类主要分布在细胞膜的外表面，是细胞相互识别、粘着、信号接收、通讯联络、免疫应答等的分子基础，在膜与外界环境相互作用过程中担负着许多重要的功能。,二.细胞膜的分子结构,以上膜中的蛋白质、脂类、糖类是如何有机地结合在一起构成细胞膜的呢？,(一)液态镶嵌模型：是Singer和Nicolson于1972年提出的，目前已被普遍接受，该模型认为：生物膜是一种流动的、嵌有蛋白质的脂类双分子层结构。,脂类双层,膜蛋白,细胞外被,糖类,1.生物膜是由流动的脂类双分子层构成膜的基本骨架。,2.蛋白质以不同的方式镶嵌在

6、脂质双层中或联结于其上。,3.膜的两侧结构是不对称的。,脂质双分子层,极性头部,疏水尾部,外周蛋白,镶嵌蛋白,4.膜脂和膜蛋白具有流动性。,寡糖链,液态镶嵌模型的要点：,液态镶嵌模型尽管已被大家所接受，但你知道它的不足之处吗？,不足之处：没有说明流动的膜是如何在变化中保持膜的相对完整性和稳定性。1975年、1977年提出了晶格镶嵌模型、板块镶嵌模型作了补充说明。,(二)晶格镶嵌模型,该模型认为,生物膜中的类脂在可逆地进行无序(液态)和有序(晶态)的相变,膜蛋白对类脂分子的运动具有限制作用。比较合理地说明了生物膜既具有流动性,又具有相对完整性及稳定性的原因。,(三)板块镶嵌模型,该模型认为,在流

7、动的脂双层中存在许多大小不同能独立移动的类脂板块(有序),在这些板块间被流动的类脂区(无序)分开。二者处于一种连续动态平衡之中,因而生物膜是由不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。,三、细胞膜特性,1.不对称性：细胞膜内外两层的结构和功能有很大差别。,（1）脂质双分子层的不对称性,脂质双分子层中各层所含的磷脂种类有明显不同。,脂质双层,非胞质侧：,含有胆碱的磷脂分子分布在外层（磷脂酰胆碱、鞘磷脂）。,胞 质 侧：,含有氨基的磷脂分子分布在内层（磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸）。,糖脂全部分布在膜的外表面（非胞质侧）。,膜糖类分布在细胞膜的外表面,糖脂（链）,糖蛋白,整个蛋白,糖,细胞外液,细胞质,细

8、胞骨架收缩器,外周蛋白,胆固醇,跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性。,糖蛋白上的低聚糖（糖链）均位于细胞膜的外表面。,膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。,膜分子结构的不对称性决定了细胞膜功能的不对称性,（2）膜蛋白分布的不对称性,（1）膜脂的流动性,侧向运动,转动,左右摆动,翻转运动,2.细胞膜的流动性：指膜中脂类和蛋白质的运动,（2）膜蛋白的流动性,膜蛋白的流动,横向扩散旋转运动,影响膜流动性的因素,1.脂肪酸链不饱和程度增高，膜流动性增大,2.脂肪酸链的长度增加降低膜的流动性,3.胆固醇含量增加降低膜的流动性,4.卵磷脂/鞘磷脂的比例增高促进膜的流动,5.镶嵌蛋白质越多膜的流动性越小,

9、6.温度、pH、离子强度等改变都有不同影响,四.膜功能,(一)界膜和细胞区域化,细胞区域化,在细胞质中划分了许多以膜包被的特定功能的区室,即细胞区域化。,作为界膜的膜结构对于细胞生命的进化具有重要意义，不仅使生命进化到细胞的生命形式，也保证了细胞生命的正常进行，使遗传物质和其他参与生命活动的生物大分子相对集中在一个安全的环境，有利于细胞的物质和能量代谢。细胞区域化，不仅扩大了表面积，还使细胞的生命活动更加高效、有序。,(二)调节运输,某些物质可以“自由通透”某些物质出入细胞的障碍,被 动 运 输,主 动 运 输:离子泵,细胞膜对物质的通透性最显著特点是具有选择性，对允许通过的物质可以是被动的，

10、也可以是主动的，有些可以自由通过，有些则需要蛋白的辅助作用。,被动运输:,不消耗细胞的代谢能量,而将物质从高浓度一侧经细胞膜向低浓度一侧（顺浓度梯度）的运输方式。,(Passive transport),1.,高浓度,低浓度,电化学梯度,高浓度,低浓度,电化学梯度,配体闸门通道扩散,闸门通道扩散:,物质顺浓度梯度经过闸门孔道扩散到细胞膜的另一侧这样的转运过程称闸门通道扩散。,通道蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度,电压闸门通道扩散根据膜电位变化：极化状态时关闭，去极化状态时打开。,主动运输：,借助于细胞膜上专一性的载体蛋白，通过消耗代谢能量，将物质从低浓度处经细胞膜向高浓度处运输的方式。,特点：

11、逆浓度梯度运输 消耗能量 需要膜上载体蛋白参加,2.,Active transport,主动运输的机制：,钠,钾,泵,实质：泵为Na+-K+ATP 酶 具有载体和酶的双重作用。,泵,小亚基:为小的糖蛋白,其作用机制不详。,大亚基：为大的跨膜蛋白,是该酶的催化部位。,每消耗1分子ATP，可泵出3个Na+，泵入2个K+,钾离子,鸟苷,钾与鸟苷结合部位,钠离子,细胞质,钾浓度梯度30倍,钠浓度梯度13倍,K,+,泵,钠结合部位,(三)功能定位与组织化,细胞器 内质网、高尔基体:参与蛋白质合成、加工、运输 溶酶体:消化作用 线粒体:氧化磷酸化,提供能量 叶绿体:光合作用场所,（四）信号传导,细胞质膜中

12、的受体从环境中识别并结合特异的配体（化学信号、电信号）进行信号传递，引起细胞内的反应的过程，即把胞外信号转变成胞内信号的过程。,一个细胞对一个特定的信号分子作出反应的能力，取决于细胞的受体(receptor)。受体是细胞的一种生物大分子（蛋白质），能选择性地识别外来信号分子（配体），并与之结合而引起细胞的生物学效应。受体由多肽组成，许多受体是固定在细胞膜上，并暴露在细胞外层表面。,胞内受体：,膜受体：,存在于细胞膜上的受体，是一类镶嵌在细胞膜上的糖蛋白。,受体两大类,存在于细胞质和细胞核内的受体。结合脂溶性信号分子：甾醇类激素,结合水溶性信号分子：神经递质、大多数肽类激素,配体：凡能与受体结合

13、的细胞外物质统称为信号分子或配体。（激素、神经递质、抗原、药物等）,1.旁分泌信号：指信号细胞分泌的信号分子只能影响到周围邻近的细胞。,2.突触信号：指神经末梢分泌神经递质，作用于突触后靶细胞，传递的信号。,信号分子按其性质分为：,3.内分泌信号：指内分泌细胞分泌的信号分子，又称为激素。,4.自分泌信号：指细胞分泌的信号分子只作用于同种细胞或同自身的受体结合引起反应。,信号分子的共同特点：,特异性，只能与特定的受体结合；高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。,信号传导

14、异常与疾病,受体异常病1.遗传性或原发性受体病因受体基因突变，致使受体缺乏或结构异常引起的疾病。如：家族性高胆固醇血症，由于LDL受体数目减少或结构异常，降低了肝细胞对血液中LDL的摄入能力，LDL可因此持续存在于血液中，引起高胆固醇血症。,非胰岛素依赖性糖尿病,也是一种常见的遗传性受体病，因遗传因素，胰岛素受体的数量发生减少或功能出现异常，使细胞对胰岛素的敏感性降低，耐受力增强，细胞糖代谢出现障碍，最终导致糖尿病。,2.自身性免疫受体疾病,某些情况下，机体自身产生受体的抗体，抗体与受体结合后，封闭了受体的作用，使受体功能发生改变，引起自身性免疫受体病。如：重症肌无力患者体内，存在抗乙酰胆碱（

15、Ach）受体的抗体，使受体数目减少，出现相关病症。,3.继发性受体病,是一类因机体自身代谢紊乱，引起受体异常后产生的疾病。如肥胖可降低胰岛素受体的功能，引发糖尿病；心功能不全可使心肌细胞的受体数量减少。,（五）参与细胞间的相互作用,细胞识别细胞黏着细胞连接细胞间通讯,1.细胞识别：指细胞之间相互辨认和鉴别，以及对自己和异己物质分子的认识现象。细胞膜的信息传递、巨嗜细胞的吞噬、细胞之间粘着、聚集、免疫系统识别入侵的病原体、受精过程、胚胎的发育分化等，都需要细胞进行识别。,在多细胞生物体内，细胞与细胞之间通过细胞膜相互联系，形成一个密切相关，彼此协调一致的统一体，称为细胞连接。,2.细胞连接,细胞

16、连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过细胞膜相互联系、协同作用的重要组织方式，在结构上常包括质膜下、质膜及质膜外细胞间几个部分，对于维持组织的完整性非常重要，有的还具有细胞通讯作用。,细胞连接的类型,动物细胞间的连接方式有紧密连接、桥粒、粘合带以及间隙连接等。植物细胞间则通过胞间连丝连接。,（六）能量转换,叶绿体：光能 化学能线粒体：化学能 ATP,植物细胞与动物细胞的重要差别是具有质体，通常可分为白色体，有色体和叶绿体，叶绿体是植物细胞所特有的能量转换细胞器，其进行的光合作用是地球上一切生命活动的初级能源。,线粒体是真核细胞中糖类、脂类和蛋白质最终氧化放能的场所，是将有机物高效转换成为细胞生命活动直接能源ATP的细胞器，在细胞能量代谢上有独特的重要性。,