南开大学细胞生物学ppt课件1

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1、作业：细胞连接的方式和特点 连接类型 功能 特征 膜间间隙nm 相关结构 紧密连接 封闭细胞空间 沿着嵴进行膜连接 无 跨膜连接蛋白 锚定连接 粘着带 细胞与 细胞 形成连续的粘着带 2025 与肌动蛋白纤维连接 粘着斑 细胞与EMC 形成局部的粘着点 2025与肌动蛋白纤维连接 桥粒 细胞与细胞 形成局部的粘着点 205 与中间纤维相连 半桥粒 细胞与基膜 形成局部的粘着点 205 与中间纤维相连 通讯连接 间隙连接 动物细胞间 连接子 两个细胞通过各自的连 离子和分子的交换 接子对接形成孔道 胞间连丝植物细胞间的 两细胞间形成直径为 无间隙 内质网穿过两 物质交换 3060nm通道 细胞壁

2、,细胞膜的功能 1.界膜与区室化 最重要的作用就是勾画了细胞的边界，并且在细胞质中划分了许多以膜包被的区室。作为界膜的膜结构对于细胞生命的进化具有重要意义，这种界膜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，它使遗传物质和其他参与生命活动的大分子相对集中在一个安全的微环境中，有利于细胞的物质和能量代谢。细胞内空间的区室化，不仅扩大了表面积，还使细胞的生命活动更加高效和有序。,2.调节运输 膜为两侧的分子交换提供了一个屏障，一方面可以让某些物质自由通透，另一方面又作为某些物质出入细胞的障碍。膜对物质的运输具有选择性，有些物质在细胞内浓度很高，有些物质只能沿浓度梯度进入细胞，还需要

3、通过特殊的运输机制来调节。 3.功能定位与组织化 通过形成膜结合细胞器，使细胞的功能定位在一定的细胞结构并组成相互协作的系统。如细胞质中的内质网、高尔基体等膜结合细胞器的基本功能是。参与蛋白质的合成、加工和运输；而溶酶体的功能是起消化作用，酸性水解酶主要集中在溶酶体,4.信号检测与传递 细胞通常用质膜中受体蛋白从环境中接收化学信号和电信号。细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异配体，进行细胞信号传递，引起细胞内反应。如细胞通过质膜受体接收的信号决定对糖原的合成或分解。膜受体接受的某些信号则与细胞分裂有关。 5.参与细胞间的相互作用 在多细胞的生物中，细胞通过质膜进行细胞间的多种相互作

4、用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。如动物细胞可通过间隙连接，植物细胞可通过胞间连丝进行相连细胞的通讯。,6.能量转换 重要功能就是参与细胞的能量转换，如叶绿体利用类囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换，最后将光能转换成化学能储存在糖类中。同样，膜也能够将化学能转换成可直接利用的高能化合物ATP，这是线粒体的主要功能。 细胞膜的这些基本功能也是生命活动的基本特征，膜的功能是通过其特殊化学组成和结构实现的。,6.能量的转换,第五章 物质的跨膜运输 与 信号传递,第一节 物质的跨膜运输 细胞膜在细胞生活中具有重要的作用，因为细胞和环境发生的一切联系和反应，都必须通过膜。如细胞外的物质进入细胞

5、或细胞内的物质排出细胞，以及激素、药物对细胞的作用，信号转换、细胞识别与免疫等，都是关系到膜的功能问题。膜允许一定物质穿过的性能称为膜的通透性。表示物质通透性的量度称为通透系数（单位为cm/s）。,细胞膜对物质的通透性最显著的特点是它的选择性，即有选择性地允许或阻止一些物质通过细胞膜。选择性通透对物质进出细胞起着调节作用。维持了膜内外离子浓度差和膜电位，保证了膜内外渗透压平衡。这对于保持细胞内环境的相对稳定及各种生命活动的正常进行，有极其重要作用。细胞膜的物质运输活动可分为两大类型，一种是小分子和离子的穿膜运输，另一种是大分子和颗粒物质的膜泡运输。,小分子和离子的跨膜运输又分为： 被动运输：简

6、单扩散 通道蛋白介导和载体蛋白介导 主动运输：ATP驱动泵：Na+-K+泵，Ca2+泵 协同运输 ：同向转移和异向转移,一、被动运输 被动运输：是指通过自由扩散或协助扩散,实现物质顺浓度梯度由高浓度向低浓度方向的跨膜转运, 运动的动力来自物质的浓度梯度,不需要由细胞提供代谢能量。参与被动运输的膜运输蛋白主要有两大类：通道蛋白和载体蛋白，它们统称为转运蛋白。,载体蛋白（carrier protein）又称做载体（carrier）通透酶（permease）或转运器（transporter），能够与特定溶质结合，通过自身构象的变化，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧。载体蛋白有的需要能量驱动，如：各类

7、ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，以自由扩散的方式运输物质。 通道蛋白（channel protein）与所转运物质的结合较弱，并能形成亲水的通道，当通道打开时能允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散（被动运输）的方式运输溶质。,顺化学梯度的被动运输和逆电化学梯度进行的主动运输,需要代谢能的输入，不带电荷的小分子能直接通过 脂双层，但是带电荷的分子只能通过通道蛋白或载体蛋白才能表现明显的运送速率。,被动运输 通过单纯扩散，又可通过协助扩散而自发产生,主动运输,简单扩散,由通道介导,由载体介导,被转运的分子,浓度梯度,载体蛋白,通道蛋白,脂双层,(一)简单扩散 是指物质从高浓度向低浓度

8、的穿膜运动，不需要消耗细胞本身的代谢能，也不需要专一的膜蛋白分子协助。简单扩散是一种最简单的运输方式，只要物质在膜两侧保持一定的浓度差，即可发生这种运输。,简单扩散也叫自由扩散（free diffusing），特点是： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助。 某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算： P=KD/t，t为膜的厚度。,疏水分子,小的不带电荷的极性分子,大的不带电荷的极性分子,离子,人工脂双层对不同种类分子的相对通透性,氨基酸 核苷酸 葡萄糖 蔗糖,水、尿素 乙醇、甘油,合成的脂双层,脂溶性物质如苯、醇、

9、甾类激素、以及O2、CO2、2等就是借助于浓度梯度，从高浓度一侧直接穿过脂质双层向低浓度一侧进行扩散。在进行扩散时，所需要的能量来自高浓度物质本身所包含的势能，符合物理学上单纯扩散规律。,尿素甘油,色氨酸 葡萄糖,各种分子通过人工脂双层的通透系数,高通透性,低通透性,尿素、甘油,因此，离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则主要是通过主动运输。,不同物质透过人工脂双层的能力,为什么水分子能通过?,水分子不溶于脂, 并具有极性,理应不能自由通过质膜, 但实际却很容易通过膜。 原因是膜上有许多孔径为0.35-0.8nm的小孔，称为水通道蛋白（ a

10、quaporins）， 膜蛋白的亲水基团嵌在小孔表面，因此水可以通过质膜自由进出细胞。,(二)协助扩散 是借助于载体蛋白进出细胞的运输方式。有些物质尽管在膜两侧存在浓度差，但还必须借助细胞膜上的运输蛋白的帮助才能通过细胞膜。凡是借助于跨膜蛋白并顺浓度梯度进行物质运输而不消耗代谢能的方式称为协助扩散。大多数代谢所需的物质，尤其是不溶于脂类的物质。如糖、氨基酸、金属离子等都以这种方式进行运输。,协助扩散也称促进扩散（faciliatied diffusion），其运输特点是： 比自由扩散转运速率高； 存在最大转运速率； 在一定限度内，运输速率同物质浓度成正比。如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再

11、增加。这是因为膜上载体蛋白的结合位点已达饱和； 有特异性，即与特定溶质结合。 根据运输蛋白性质不同又可分为通道蛋白协助扩散和载体蛋白协助扩散。,(一)载体蛋白 载体蛋白是膜上与特定物质运输有关的跨膜蛋白或镶嵌蛋白。当它与被运输的物质结合时，构象发生变化，把被装运物质从膜的一侧移至膜的另一侧，载体与溶质分离后，又恢复到原有的构象。,载体蛋白以两种构象存在，A：溶质的结合点露在脂的外侧；B：相同的结合点露在膜的另一侧，这两种构象的变化是随机的、可逆的。如果在膜外侧的溶质浓度高，则A结合溶质转为B构象，携带溶质进入细胞；反之，如果膜内的浓度高，则B结合溶质转向A，将溶质输出细胞。,载体蛋白为内在蛋白

12、，当一端与溶质特异性结合后，形成结合复合体，而引起载体蛋白的构象变化。 载体和被运输物质的复合物发生180度的旋转，从而把物质运输到膜的另一侧，这种运输要求载体分子的直径要与膜的厚度大致相符。 被运输的物质一旦在膜的一侧与一个小的载体分子结合上，则载体分子可横移至的膜另一侧，在将被运输物质时放出去成为穿梭式运输。,载体运输的三种方式,移动,旋转,构型变化,如人红细胞有葡萄糖的载体蛋白，由内外四个亚基组成复合体。当葡萄糖分子与外侧两个亚基结合时，引起它的构象变化，就将葡萄糖甩入膜的中部，而后与内侧的两个亚基结合，通过构象变化，再将葡萄糖甩入细胞内。红细胞膜上约有5万个葡萄糖载体，其最大传送速度每

13、秒180个葡萄糖分子。 协助扩散的速率仅在一定范围内同物质的浓度成正比。细胞膜上特定载体蛋白的数量是相对恒定，当所有载体蛋白的结合部位都被占据，载体处于饱和状态时，运输速率达到最大值。,（二）通道蛋白 通道蛋白（channel protein）是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有两种： 1.处于开放状态的通道 如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流。 2.闸门通道（gated channel） 仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时（几毫秒的时间）的开放和关闭，。,Na+、K+、Ca2+等是极性很强的水化离子，很难直接穿过细胞膜的脂双层，但离子的穿膜转运速率很高，可

14、以在数毫秒内完成，靠膜上其它转运系统运转，则不能如此快速，因此就推测膜上存在着运送离子的特异通路“门”通道。,门通道对离子通过有高度选择性，其选择性由通道大小和离子半径决定。 例如：1nm K+ 1nm, Na+ 0.7nm, Ca2+ 2nm, 只有K+通过。,门通道由5个跨膜蛋白亚单位构成。亚单位结合形成一水孔横过脂双层。孔由5个跨膜的螺旋为衬里，由每个亚单位提供一个带负电荷的氨基酸侧链在孔的一端，这样只有带正电荷的离子(Na+、K+)能通过。当通道处于关闭构象时，其孔由门的疏水氨基酸侧链关闭；当乙酰胆碱结合时，通道蛋白构象变化，此时，这些侧链移动分开，门开放，允许Na+、K+离子通过膜。

15、,“门” 开关的转换是由于通道蛋白的构象变化。控制、影响门的开关各有其特定的条件。这首先取决于离子直经的大小，其次取决于离子本身所携带的能量能否挤过这个通道。一旦允许通过，它最大转运速度可达到106个离子/秒。根据控制门开关条件的不同，大体分为以下几种类型。,（1）配体闸门离子通道 由于细胞内外特定的物质（配体）与特异的通道蛋白（受体）结合，引起门通道蛋白的一种成分发生构象变化，结果门被打开，这类通道称为配体门通道。即闸门的开、关是受化学物质调节，例如谷氨酸与相应的门通道结合使Na+、Ca2+离子通过；而氨基丁酸与相应的门通道结合则使Cl-离子通过膜。再如，神经递质-乙酰胆碱作用于配体门离子通

16、道，激活了通道的离子选择性，构象变化，门打开，Na+、Ca2+离子通过膜；由于这种门控的配体为神经递质，因此也称为递质门通道。,图5-5 乙酰胆碱受体 ACH受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，总分子量约为290kd；亚单位通过氢键等非共价键，形成一个结构为2的梅花状通道样结构，而其中的两个-亚单位正是同两分子ACH相结合的部位，这种结合可引起通道结构的开放。,（2）电压(位)门通道(膜电位控制门的开关) 概念：细胞内或细胞外特异离子浓度发生变化或其它刺激，引起膜电位变化，使通道蛋白的构象变化门打开，称电压门通道。在神经细胞传送电信号中有其重要作用，也存在于许多其它细胞，如肌细胞、卵细胞、原生动物甚至植物细胞。当细胞内、外特异离子浓度发生变化或由其它的刺激引起膜电位变化时，致使通道蛋白构象发生改变，而导致闸门反应性开放。,电压(位)门通道