第二章细胞膜动力学和跨膜信号通讯-人体及动物生理学

第二章

细胞膜动力学和跨膜信号通讯第一节细胞膜超微结构及物质跨膜转运Transportacrosscellmembraneandtransmembranesignaltransmissionfunctionsofcell.一、细胞膜的分子结构及其组成

Themoleculestructuresofcellmembrane.

质膜(plasmamembrane),单位膜(unitmembrane)化学组成脂质(lipids)蛋白质(proteins)糖(carbohydrates)液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)

(Singer和Nicholson提出,1972年)根本内容：膜的结构特征是以液态的类脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具有不同生理功能的各种蛋白质分子。Amammaliancellmembraneiscomposedoftwolayersoflipidinwhichproteinmoleculesareembedded.Themolecularstructure

ofcellmembrane.(一)膜脂是构成细胞膜的根本骨架生物膜的化学组成膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。膜脂是双嗜性分子：具有极性头和非极性的尾部。胆碱

磷酸

甘油脂肪酸链极性头部〔亲水基团〕非极性尾部〔疏水基团〕肪酸链不饱和脂磷脂酰胆碱的分子结构亲水基疏水基膜脂磷脂是构成膜脂的根本成分生物膜的化学组成鞘磷脂(SM)磷脂酰胆碱〔卵磷脂PC〕磷脂酰丝氨酸(PS)磷脂酰肌醇(PI)磷脂磷脂约占整个膜脂的70％以上。甘油磷脂膜脂脂质以双分子层形式存在磷脂：＞70%亲水性的极性基团(磷酸和碱基)疏水性的非极性基团(脂肪酸侧链)胆固醇：＜30%鞘脂：少量脂质的性质：液态，脂溶性，柔软性和一定的流动性。脂质的作用：屏障膜蛋白是膜功能的主要表达者。占膜含量的40%-50%。膜蛋白的主要功能：转运蛋白：转运分子进出细胞受体蛋白：接受外界信号并传递到细胞内引起相应的反响连接蛋白：支撑连接细胞骨架成分和细胞间质成分结合于质膜的酶蛋白：发挥催化作用〔二〕膜蛋白整合蛋白质外表蛋白质细胞膜蛋白质1、整合蛋白〔intrinsicproteins〕占膜蛋白的70%~80%，与膜结合紧密。α－螺旋或球形结构2、外表蛋白〔extrinsicproteins〕水溶性蛋白，占膜蛋白的20%~30%，靠离子键或氢键与膜外表的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易别离。细胞内脂双层细胞被细胞外被〔cellcoat)：膜糖类以糖蛋白或糖脂的形式均匀分布在生物膜的非胞质面。功能：有助于蛋白质在膜上的定位与固定，参与细胞识别及与周围环境的相互作用。〔三〕膜糖类覆盖细胞膜外表二、细胞的跨膜物质转运

Thetransportfunctionacrosscellmembrane.细胞膜是选择性半透膜被动运输〔passivetransport〕：物质顺浓度梯度进出细胞，不需要消耗能量。主动运输〔activetransport〕：物质逆浓度梯度进出细胞，而且需要载体、消耗能量。物质跨膜转运的主要方式：单纯扩散易化扩散（协助扩散）

(一)单纯扩散(simplediffusion)1.概念：指物质顺浓度梯度从高浓度一侧通过细胞膜向低浓度一侧移动的方式，不需消耗能量，又称被动扩散〔passivediffusion〕。2.特点：⑴不消耗能量；⑵不需要膜蛋白协助；⑶运输速度取决于分子的大小和脂溶性。3.运输对象：O2、CO2、乙醇、尿素Lipid-solublemoleculesarecapableofmovingfreelyacrossthecellmembranebysimplediffusiondowntheirconcentrationgradients.简单扩散细胞外细胞内小分子物质细胞膜肺泡与肺毛细血管之间的气体交换(二)膜蛋白介导的跨膜转运

易化扩散(facilitateddiffusion)

不溶于脂质或难溶于脂质的物质，在膜蛋白的帮助下从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运。如葡萄糖、氨基酸、离子等。以载体(carrier)为中介的易化扩散以通道(channel)为中介的易化扩散1.由载体介导的易化扩散

(carrier-mediateddiffusion)特点：高度结构特异性(specificity)饱和现象(saturation)竞争性抑制(competition)顺浓度梯度，不需额外供能易化扩散细胞外细胞内细胞膜载体蛋白2.由通道介导的易化扩散

(channel-mediateddiffusion)离子通道是一类贯穿脂质双层的、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。通道的特征：①离子选择性②门控性通道转运的功能特点：①转运速率比载体快②无饱和现象，无竞争性抑制③通道有不同的功能状态通道蛋白状态：静息、激活、失活被动转运的特点：

顺浓度梯度移动，无需细胞额外供能(三)主动转运(activetransport)概念：细胞膜通过本身的某种耗能过程，将某些物质经细胞膜逆浓度梯度或电位梯度转运的过程。特点：逆浓度梯度进行，消耗能量。Insomesituations,themoleculespassthoughthemembraneagainstaconcentrationgradientandthisprocessiscalledactivetransport.

根据转运能量是否直接来源于ATP的不同分为:原发和继发两种主动转运形式。1.原发性主动转运(primaryactivetransport)

钠-钾泵〔sodium-potassiumpump〕指细胞直接利用代谢产生的能量(ATP)将物质(通常是带电离子)逆浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运过程。介导这一过程的膜蛋白称为离子泵(ionpump)。钠-钾泵

sodium-potassiumpump简称钠泵sodiumpump,又称Na+-K+-ATP酶(Na+-K+-ATPase)运出3Na+转入2K+

ATP特性：钠-钾泵转运和通道转运

sodium-potassiumpumptransportandchanneltransport钠-钾泵的生理意义维持细胞内高K+是许多代谢反响进行的必需条件。维持细胞外高Na+使得Na+不易进入细胞，也阻止了与之相伴随的水的进入，对维持正常细胞的渗透压与形态有着重要意义。建立势能贮备是神经、肌肉等组织具有兴奋性的根底，也是一些非离子性物质如葡萄糖、氨基酸等进行继发性主动转运的能量来源。Ca2+泵(Ca2+-ATP酶)：主要分布于骨骼肌与心肌细胞内部的肌质网上,与肌肉收缩有关H+泵(H+-ATP酶；H+-K+-ATP酶):分布于胃粘膜壁细胞外表，与胃酸分泌有关

其它泵：2.

继发性主动转运

(secondaryactivetransport)

逆浓度梯度或逆电位梯度的转运时，能量来自膜两侧Na+浓度差，而Na+浓度差是Na+--K+泵分解ATP释放的能量建立的。

转运分子单转运共运输对运输协同转运的离子协同转运脂双层同向转运(symport)：小肠上皮细胞吸收葡萄糖反向转运(antiport)：

Na+-K+交换载体、Cl--HCO3-交换器介导葡萄糖易化扩散的载体蛋白小肠上皮细胞吸收葡萄糖Na+驱动葡萄糖共转运

肠腔微绒毛紧密连接肠上皮细胞细胞外液肠上皮细胞转运蛋白的不对称分布造成葡萄糖从肠腔到血液的跨细胞膜转运

小分子物质跨膜运输被动运输单纯扩散主动运输易化扩散通道蛋白介导的扩散Na＋-K＋泵Ca2+-pumpNa＋-H+交换载体小结1.胞吞作用(endocytosis)：大分子物质和颗粒性物质附着在细胞膜上，质膜内陷将这些物质包围形成小囊泡，最后小囊泡从细胞膜上脱离进入细胞内部。(四)胞吞和胞吐(endocytosis,

exocytosis)两种形式：—吞噬(phagocytosis)—吞饮(pinocytosis)〔一〕吞噬作用〔phagocytosis〕细胞内吞较大的固体颗粒物质的过程称为吞噬作用，形成的囊泡称为吞噬体。功能：在机体防御系统中发挥重要作用。〔二〕胞饮作用〔pinocytosis〕细胞吞入液体或极小的颗粒物质的过程称为胞饮作用，形成的囊泡称为吞饮体。常见于巨噬细胞、白细胞、小肠上皮细胞等。胞饮包括三种形式：1、胞吮：无选择性2、胞膜窖胞吮：有选择性多发生于膜脂小面积膜内陷3、受体介导式胞吞受体介导的胞吞和胞吐二、胞吐作用(exocytosis)包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞外表，与质膜融合，将物质排出细胞之外的过程。Ifthemoleculesarebigger,theycannotcrossthemembranethroughthechannelorcarrier,andthosesubstancesgetintooroutofthecellthroughevenmorecomplicatedmechanismscalledendocytosisandexocytosis,respectively.入胞和出胞均要消耗能量胞吐作用吞噬作用胞饮作用吞噬体吞饮体物质的跨膜运输小分子物质的跨膜运输大分子物质的膜泡运输被动运输主动运输简单扩散易化扩散胞吞作用胞吐作用吞噬胞饮细胞的跨膜信号传递

transmembranesignaltransmissionofcell离子通道受体介导的跨膜信号转导膜受体-G蛋白-第二信使跨膜信号转导

激酶相关受体介导跨膜信号转导跨膜信号转导

(transmembranesignaltransduction)

第二节细胞间通讯和信号转导一、离子通道偶联的受体介导的信号传递化学门控通道：化学门控通道直接受神经末梢释放的神经递质等化学物质的控制。如N型乙酰胆碱受体的通道由1、2、、、五个亚单位组成梅花状通道样结构，其中1、2与ACh具有较高的特异性结合能力〔图〕Ach受体离子通道型受体烟碱

(nicotine)毒蕈碱

(muscarine)电压门控通道：电压门控通道受膜去极化水平的影响，当膜去极化到达一定水平时，载体分子的构象发生变化，通道被翻开。目前发现的至少有3种Na+通道、5种K+通道、3种Ca2+通道。如Na+通道由质量大的α亚单位、两个较小的β1、β2亚单位组成，其中α亚单位包括4个结构类似的结构域，在膜中以α螺旋形式存在，包绕成一个通道样结构〔图〕电压门控钠通道

(voltage-gatedsodiumchannel,VGSC)Shaker钾通道电压门控钾通道

(voltage-gatedpotassiumchannel)钾通道孔道俯视图从通道外侧观察孔道中间的红球为K+〔二〕受体-G蛋白-第二信使跨膜信号传递系统

(transmembranesignaltransmissionsystemvia

receptor-Gprotein-secondmessenger)跨膜信号传递的三个环节：胞外信号的识别与结合信号传递胞内效应1.G蛋白耦联的受体2.

G蛋白(G-proteins)鸟苷酸结合蛋白(GTP-bindingproteins)存在于膜结构中的蛋白质。G蛋白：α、β、γ〔多种〕Onepatterninvolvesreceptorsonthecellsurfacewhicharecoupledwithguaninenucleotide-bindingproteinsorGproteinsontheinnerfaceofthemembrane.ThebasicmodeofoperationofG-proteins.3.

效应器酶和第二信使腺苷酸环化酶：ATP→cAMP

磷脂酶C：PIP2→IP3、DGThestimulationandinhibitionofadenylylcyclasebydifferentG-proteins.以环-磷酸腺苷(cAMP)第二信使的信息传递系统

化学物质与膜G-蛋白偶联受体结合→膜中的G-蛋白激活(Gs)→ATP转化为cA