生物膜和细胞表面修改

生物膜和细胞表面修改第1页，共85页，2023年，2月20日，星期一总纲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胞外基质和细胞壁第2页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.0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,不存在亚区室第3页，共85页，2023年，2月20日，星期一真核细胞和原核细胞

(参见第一章)第4页，共85页，2023年，2月20日，星期一真核细胞细胞质中由膜包围的细胞器由双层膜(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。

第5页，共85页，2023年，2月20日，星期一真核细胞中主要功能发生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

第6页，共85页，2023年，2月20日，星期一细胞表面结构细胞壁细胞壁和细胞外基质第7页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.1生物膜成分和结构基本成分脂质蛋白质

糖类第8页，共85页，2023年，2月20日，星期一一些生物膜的基本成分

膜蛋白质(%)脂质(%)糖类(%)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-第9页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.1.1生物膜脂质

磷酸甘油酯鞘脂类固醇两性分子

疏水性尾部基团极性头部基团第10页，共85页，2023年，2月20日，星期一磷酸甘油酯XPC: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=丝氨酸第11页，共85页，2023年，2月20日，星期一卵磷脂第12页，共85页，2023年，2月20日，星期一鞘磷脂(SM)其它鞘脂类葡糖脑苷脂第13页，共85页，2023年，2月20日，星期一鞘脂类分类第14页，共85页，2023年，2月20日，星期一胆固醇第15页，共85页，2023年，2月20日，星期一一些生物膜的脂质成分

来源/物种组分(mol%)PCPE+PSSMCholesterol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)3446211Primaryleafletlocation外胞浆基质外胞浆外胞浆和基质第16页，共85页，2023年，2月20日，星期一磷脂组成生物膜的基本框架结构

第17页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.1.2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第18页，共85页，2023年，2月20日，星期一脂质双层膜中的蛋白第19页，共85页，2023年，2月20日，星期一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第20页，共85页，2023年，2月20日，星期一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第21页，共85页，2023年，2月20日，星期一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。第22页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.1.3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)第23页，共85页，2023年，2月20日，星期一膜糖的种类

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

第24页，共85页，2023年，2月20日，星期一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第25页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.1.4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LarryFrye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。第26页，共85页，2023年，2月20日，星期一两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。第27页，共85页，2023年，2月20日，星期一然而，利用FRAP进一步的研究表明：膜蛋白的移动是具有限制性的。荧光恢复的速率第28页，共85页，2023年，2月20日，星期一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5×10-9cm2/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。第29页，共85页，2023年，2月20日，星期一运动形式：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1～2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。第30页，共85页，2023年，2月20日，星期一膜中磷脂双层可能的运动形式第31页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.1.5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第32页，共85页，2023年，2月20日，星期一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。第33页，共85页，2023年，2月20日，星期一真核生物中，脂质的不对称是由于不断产生新脂质而造成的。第34页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.2质膜(细胞膜)

所有细胞都被质膜所包围abc第35页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.2.1.质膜概述

细胞膜的内侧和外侧胞液面外胞浆面第36页，共85页，2023年，2月20日，星期一细胞膜的蛋白质和糖蛋白第37页，共85页，2023年，2月20日，星期一植物细胞壁和质膜

第38页，共85页，2023年，2月20日，星期一细菌细胞壁和质膜第39页，共85页，2023年，2月20日，星期一质膜是半透性的磷脂双层

第40页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.2.2质膜的一般功能作为一种渗透屏障

密切参与细胞壁的组装形成细胞间特异性的结合胞外基质的锚定成分与信号分子特异结合的受体蛋白参与细胞的区域化作用能量转换第41页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.3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。第42页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.3.1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)第43页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.3.2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。第44页，共85页，2023年，2月20日，星期一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第45页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.3.3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

第46页，共85页，2023年，2月20日，星期一膜蛋白介导的转运

转运蛋白通道蛋白转运体第47页，共85页，2023年，2月20日，星期一通道蛋白水,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第48页，共85页，2023年，2月20日，星期一一些离子通道的举例

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+andCa2+

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第49页，共85页，2023年，2月20日，星期一转运蛋白(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第50页，共85页，2023年，2月20日，星期一一个典型的例子----GLUT1第51页，共85页，2023年，2月20日，星期一葡萄糖通过GLUT1转运至红血球的模型第52页，共85页，2023年，2月20日，星期一伴随能量的转换，亲水性溶质通过脂质双层膜第53页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.3.4主动运输由特异性膜蛋白介导逆浓度梯度需要能量供给LightelectrochemicalgradientLightpoweredpump第54页，共85页，2023年，2月20日，星期一(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Simplypumps第55页，共85页，2023年，2月20日，星期一列举4种ATP泵类型举例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)。第56页，共85页，2023年，2月20日，星期一(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.第57页，共85页，2023年，2月20日，星期一两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第58页，共85页，2023年，2月20日，星期一动物和植物细胞中共转运比较第59页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.3.5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

第60页，共85页，2023年，2月20日，星期一产生和维持跨细胞膜的离子梯度基质和胞外液体的离子成分离子泵存在和其功能的早期证据离子泵现在被认为主要负责建立和维持跨膜和细胞内膜的正常离子梯度第61页，共85页，2023年，2月20日，星期一典型的胞内和胞外离子浓度

离子细胞(mM)血液(mM)鱿鱼轴突(无脊椎动物)*

K＋40020Na＋50440Cl40–150560Ca2+0.000310X-**300–4005–10哺乳动物(脊椎动物)

K+1394Na+12145Cl-4116HCO3-1229X1389Mg2+0.81.5Ca2+0.00021.8第62页，共85页，2023年，2月20日，星期一Ca2+

离子从基质进入肌浆网第63页，共85页，2023年，2月20日，星期一肌肉Ca2+离子ATP酶催化性α亚单位的结构第64页，共85页，2023年，2月20日，星期一维持动物细胞中胞内Na+离子和K+离子浓度第65页，共85页，2023年，2月20日，星期一第66页，共85页，2023年，2月20日，星期一质子泵跨膜并酸化内腔ba第67页，共85页，2023年，2月20日，星期一细菌透性酶是一种ABC型蛋白转运各种营养物质第68页，共85页，2023年，2月20日，星期一哺乳动物中ABC小分子泵第69页，共85页，2023年，2月20日，星期一水的运输渗透性(渗透流量)和渗透压低渗、高渗溶液和等压介质动物细胞如何维持它们的细胞体积？第70页，共85页，2023年，2月20日，星期一第71页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.4细胞连接和粘连分子

细胞连接:紧密连接锚定连接间隙连接胞间连丝细胞粘连:钙粘素整联蛋白选择素免疫球蛋白钙粘素通常介导稳定的细胞结合第72页，共85页，2023年，2月20日，星期一细胞粘连分子家族配体识别稳定的细胞连接钙粘素同嗜性互作粘着连接和桥粒整联蛋白胞外基质粘着斑和半桥粒免疫球蛋白超家族成员否选择素碳水化合物否免疫球蛋白整联蛋白否超家族同嗜性互作否第73页，共85页，2023年，2月20日，星期一细胞粘着分子主要家族(CAM)

第74页，共85页，2023年，2月20日，星期一连接粘连和非连接粘连的机制概述第75页，共85页，2023年，2月20日，星期一3.4.1紧密连接

紧密连接的现行模型

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