第二章細(xì)胞膜動力學(xué)和跨膜信號通訊-人體及動物生理學(xué)

第二章

細(xì)胞膜動力學(xué)和跨膜信號通訊第一節(jié)細(xì)胞膜超微結(jié)構(gòu)及物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)Transportacrosscellmembraneandtransmembranesignaltransmissionfunctionsofcell.一、細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)及其組成

Themoleculestructuresofcellmembrane.

質(zhì)膜(plasmamembrane),單位膜(unitmembrane)化學(xué)組成脂質(zhì)(lipids)蛋白質(zhì)(proteins)糖(carbohydrates)液態(tài)鑲嵌模型(fluidmosaicmodel)

(Singer和Nicholson提出,1972年)根本內(nèi)容：膜的結(jié)構(gòu)特征是以液態(tài)的類脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同生理功能的各種蛋白質(zhì)分子。Amammaliancellmembraneiscomposedoftwolayersoflipidinwhichproteinmoleculesareembedded.Themolecularstructure

ofcellmembrane.(一)膜脂是構(gòu)成細(xì)胞膜的根本骨架生物膜的化學(xué)組成膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。膜脂是雙嗜性分子：具有極性頭和非極性的尾部。膽堿

磷酸

甘油脂肪酸鏈極性頭部〔親水基團(tuán)〕非極性尾部〔疏水基團(tuán)〕肪酸鏈不飽和脂磷脂酰膽堿的分子結(jié)構(gòu)親水基疏水基膜脂磷脂是構(gòu)成膜脂的根本成分生物膜的化學(xué)組成鞘磷脂(SM)磷脂酰膽堿〔卵磷脂PC〕磷脂酰絲氨酸(PS)磷脂酰肌醇(PI)磷脂磷脂約占整個(gè)膜脂的70％以上。甘油磷脂膜脂脂質(zhì)以雙分子層形式存在磷脂：＞70%親水性的極性基團(tuán)(磷酸和堿基)疏水性的非極性基團(tuán)(脂肪酸側(cè)鏈)膽固醇：＜30%鞘脂：少量脂質(zhì)的性質(zhì)：液態(tài)，脂溶性，柔軟性和一定的流動性。脂質(zhì)的作用：屏障膜蛋白是膜功能的主要表達(dá)者。占膜含量的40%-50%。膜蛋白的主要功能：轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：轉(zhuǎn)運(yùn)分子進(jìn)出細(xì)胞受體蛋白：接受外界信號并傳遞到細(xì)胞內(nèi)引起相應(yīng)的反響連接蛋白：支撐連接細(xì)胞骨架成分和細(xì)胞間質(zhì)成分結(jié)合于質(zhì)膜的酶蛋白：發(fā)揮催化作用〔二〕膜蛋白整合蛋白質(zhì)外表蛋白質(zhì)細(xì)胞膜蛋白質(zhì)1、整合蛋白〔intrinsicproteins〕占膜蛋白的70%~80%，與膜結(jié)合緊密。α－螺旋或球形結(jié)構(gòu)2、外表蛋白〔extrinsicproteins〕水溶性蛋白，占膜蛋白的20%~30%，靠離子鍵或氫鍵與膜外表的蛋白質(zhì)分子或脂分子極性頭部非共價(jià)結(jié)合，易別離。細(xì)胞內(nèi)脂雙層細(xì)胞被細(xì)胞外被〔cellcoat)：膜糖類以糖蛋白或糖脂的形式均勻分布在生物膜的非胞質(zhì)面。功能：有助于蛋白質(zhì)在膜上的定位與固定，參與細(xì)胞識別及與周圍環(huán)境的相互作用?！踩衬ぬ穷惛采w細(xì)胞膜外表二、細(xì)胞的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

Thetransportfunctionacrosscellmembrane.細(xì)胞膜是選擇性半透膜被動運(yùn)輸〔passivetransport〕：物質(zhì)順濃度梯度進(jìn)出細(xì)胞，不需要消耗能量。主動運(yùn)輸〔activetransport〕：物質(zhì)逆濃度梯度進(jìn)出細(xì)胞，而且需要載體、消耗能量。物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的主要方式：單純擴(kuò)散易化擴(kuò)散（協(xié)助擴(kuò)散）

(一)單純擴(kuò)散(simplediffusion)1.概念：指物質(zhì)順濃度梯度從高濃度一側(cè)通過細(xì)胞膜向低濃度一側(cè)移動的方式，不需消耗能量，又稱被動擴(kuò)散〔passivediffusion〕。2.特點(diǎn)：⑴不消耗能量；⑵不需要膜蛋白協(xié)助；⑶運(yùn)輸速度取決于分子的大小和脂溶性。3.運(yùn)輸對象：O2、CO2、乙醇、尿素Lipid-solublemoleculesarecapableofmovingfreelyacrossthecellmembranebysimplediffusiondowntheirconcentrationgradients.簡單擴(kuò)散細(xì)胞外細(xì)胞內(nèi)小分子物質(zhì)細(xì)胞膜肺泡與肺毛細(xì)血管之間的氣體交換(二)膜蛋白介導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

易化擴(kuò)散(facilitateddiffusion)

不溶于脂質(zhì)或難溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，在膜蛋白的幫助下從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。如葡萄糖、氨基酸、離子等。以載體(carrier)為中介的易化擴(kuò)散以通道(channel)為中介的易化擴(kuò)散1.由載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散

(carrier-mediateddiffusion)特點(diǎn)：高度結(jié)構(gòu)特異性(specificity)飽和現(xiàn)象(saturation)競爭性抑制(competition)順濃度梯度，不需額外供能易化擴(kuò)散細(xì)胞外細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞膜載體蛋白2.由通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散

(channel-mediateddiffusion)離子通道是一類貫穿脂質(zhì)雙層的、中央帶有親水性孔道的膜蛋白。通道的特征：①離子選擇性②門控性通道轉(zhuǎn)運(yùn)的功能特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)運(yùn)速率比載體快②無飽和現(xiàn)象，無競爭性抑制③通道有不同的功能狀態(tài)通道蛋白狀態(tài)：靜息、激活、失活被動轉(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn)：

順濃度梯度移動，無需細(xì)胞額外供能(三)主動轉(zhuǎn)運(yùn)(activetransport)概念：細(xì)胞膜通過本身的某種耗能過程，將某些物質(zhì)經(jīng)細(xì)胞膜逆濃度梯度或電位梯度轉(zhuǎn)運(yùn)的過程。特點(diǎn)：逆濃度梯度進(jìn)行，消耗能量。Insomesituations,themoleculespassthoughthemembraneagainstaconcentrationgradientandthisprocessiscalledactivetransport.

根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)能量是否直接來源于ATP的不同分為:原發(fā)和繼發(fā)兩種主動轉(zhuǎn)運(yùn)形式。1.原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)(primaryactivetransport)

鈉-鉀泵〔sodium-potassiumpump〕指細(xì)胞直接利用代謝產(chǎn)生的能量(ATP)將物質(zhì)(通常是帶電離子)逆濃度梯度或電位梯度進(jìn)行的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程。介導(dǎo)這一過程的膜蛋白稱為離子泵(ionpump)。鈉-鉀泵

sodium-potassiumpump簡稱鈉泵sodiumpump,又稱Na+-K+-ATP酶(Na+-K+-ATPase)運(yùn)出3Na+轉(zhuǎn)入2K+

ATP特性：鈉-鉀泵轉(zhuǎn)運(yùn)和通道轉(zhuǎn)運(yùn)

sodium-potassiumpumptransportandchanneltransport鈉-鉀泵的生理意義維持細(xì)胞內(nèi)高K+是許多代謝反響進(jìn)行的必需條件。維持細(xì)胞外高Na+使得Na+不易進(jìn)入細(xì)胞，也阻止了與之相伴隨的水的進(jìn)入，對維持正常細(xì)胞的滲透壓與形態(tài)有著重要意義。建立勢能貯備是神經(jīng)、肌肉等組織具有興奮性的根底，也是一些非離子性物質(zhì)如葡萄糖、氨基酸等進(jìn)行繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)的能量來源。Ca2+泵(Ca2+-ATP酶)：主要分布于骨骼肌與心肌細(xì)胞內(nèi)部的肌質(zhì)網(wǎng)上,與肌肉收縮有關(guān)H+泵(H+-ATP酶；H+-K+-ATP酶):分布于胃粘膜壁細(xì)胞外表，與胃酸分泌有關(guān)

其它泵：2.

繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)

(secondaryactivetransport)

逆濃度梯度或逆電位梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，能量來自膜兩側(cè)Na+濃度差，而Na+濃度差是Na+--K+泵分解ATP釋放的能量建立的。

轉(zhuǎn)運(yùn)分子單轉(zhuǎn)運(yùn)共運(yùn)輸對運(yùn)輸協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)的離子協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)脂雙層同向轉(zhuǎn)運(yùn)(symport)：小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖反向轉(zhuǎn)運(yùn)(antiport)：

Na+-K+交換載體、Cl--HCO3-交換器介導(dǎo)葡萄糖易化擴(kuò)散的載體蛋白小腸上皮細(xì)胞吸收葡萄糖Na+驅(qū)動葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)

腸腔微絨毛緊密連接腸上皮細(xì)胞細(xì)胞外液腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的不對稱分布造成葡萄糖從腸腔到血液的跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)

小分子物質(zhì)跨膜運(yùn)輸被動運(yùn)輸單純擴(kuò)散主動運(yùn)輸易化擴(kuò)散通道蛋白介導(dǎo)的擴(kuò)散Na＋-K＋泵Ca2+-pumpNa＋-H+交換載體小結(jié)1.胞吞作用(endocytosis)：大分子物質(zhì)和顆粒性物質(zhì)附著在細(xì)胞膜上，質(zhì)膜內(nèi)陷將這些物質(zhì)包圍形成小囊泡，最后小囊泡從細(xì)胞膜上脫離進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。(四)胞吞和胞吐(endocytosis,

exocytosis)兩種形式：—吞噬(phagocytosis)—吞飲(pinocytosis)〔一〕吞噬作用〔phagocytosis〕細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)的過程稱為吞噬作用，形成的囊泡稱為吞噬體。功能：在機(jī)體防御系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。〔二〕胞飲作用〔pinocytosis〕細(xì)胞吞入液體或極小的顆粒物質(zhì)的過程稱為胞飲作用，形成的囊泡稱為吞飲體。常見于巨噬細(xì)胞、白細(xì)胞、小腸上皮細(xì)胞等。胞飲包括三種形式：1、胞吮：無選擇性2、胞膜窖胞吮：有選擇性多發(fā)生于膜脂小面積膜內(nèi)陷3、受體介導(dǎo)式胞吞受體介導(dǎo)的胞吞和胞吐二、胞吐作用(exocytosis)包含大分子物質(zhì)的小囊泡從細(xì)胞內(nèi)部移至細(xì)胞外表，與質(zhì)膜融合，將物質(zhì)排出細(xì)胞之外的過程。Ifthemoleculesarebigger,theycannotcrossthemembranethroughthechannelorcarrier,andthosesubstancesgetintooroutofthecellthroughevenmorecomplicatedmechanismscalledendocytosisandexocytosis,respectively.入胞和出胞均要消耗能量胞吐作用吞噬作用胞飲作用吞噬體吞飲體物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸小分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸大分子物質(zhì)的膜泡運(yùn)輸被動運(yùn)輸主動運(yùn)輸簡單擴(kuò)散易化擴(kuò)散胞吞作用胞吐作用吞噬胞飲細(xì)胞的跨膜信號傳遞

transmembranesignaltransmissionofcell離子通道受體介導(dǎo)的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)膜受體-G蛋白-第二信使跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

激酶相關(guān)受體介導(dǎo)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

(transmembranesignaltransduction)

第二節(jié)細(xì)胞間通訊和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)一、離子通道偶聯(lián)的受體介導(dǎo)的信號傳遞化學(xué)門控通道：化學(xué)門控通道直接受神經(jīng)末梢釋放的神經(jīng)遞質(zhì)等化學(xué)物質(zhì)的控制。如N型乙酰膽堿受體的通道由1、2、、、五個(gè)亞單位組成梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中1、2與ACh具有較高的特異性結(jié)合能力〔圖〕Ach受體離子通道型受體煙堿

(nicotine)毒蕈堿

(muscarine)電壓門控通道：電壓門控通道受膜去極化水平的影響，當(dāng)膜去極化到達(dá)一定水平時(shí)，載體分子的構(gòu)象發(fā)生變化，通道被翻開。目前發(fā)現(xiàn)的至少有3種Na+通道、5種K+通道、3種Ca2+通道。如Na+通道由質(zhì)量大的α亞單位、兩個(gè)較小的β1、β2亞單位組成，其中α亞單位包括4個(gè)結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)域，在膜中以α螺旋形式存在，包繞成一個(gè)通道樣結(jié)構(gòu)〔圖〕電壓門控鈉通道

(voltage-gatedsodiumchannel,VGSC)Shaker鉀通道電壓門控鉀通道

(voltage-gatedpotassiumchannel)鉀通道孔道俯視圖從通道外側(cè)觀察孔道中間的紅球?yàn)镵+〔二〕受體-G蛋白-第二信使跨膜信號傳遞系統(tǒng)

(transmembranesignaltransmissionsystemvia

receptor-Gprotein-secondmessenger)跨膜信號傳遞的三個(gè)環(huán)節(jié)：胞外信號的識別與結(jié)合信號傳遞胞內(nèi)效應(yīng)1.G蛋白耦聯(lián)的受體2.

G蛋白(G-proteins)鳥苷酸結(jié)合蛋白(GTP-bindingproteins)存在于膜結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)。G蛋白：α、β、γ〔多種〕Onepatterninvolvesreceptorsonthecellsurfacewhicharecoupledwithguaninenucleotide-bindingproteinsorGproteinsontheinnerfaceofthemembrane.ThebasicmodeofoperationofG-proteins.3.

效應(yīng)器酶和第二信使腺苷酸環(huán)化酶：ATP→cAMP

磷脂酶C：PIP2→IP3、DGThestimulationandinhibitionofadenylylcyclasebydifferentG-proteins.以環(huán)-磷酸腺苷(cAMP)第二信使的信息傳遞系統(tǒng)

化學(xué)物質(zhì)與膜G-蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合→膜中的G-蛋白激活(Gs)→ATP轉(zhuǎn)化為cA