第二章细胞质膜及其相关细胞毒性机制

第二章：细胞质膜及其相关毒性作用细胞质膜结构模型(Model)双分子片层模型（Danielli-davson模型）单位膜模型（unitmembrancemodel）流动镶嵌模型（fluidmosaicmodel）脂筏模型（sphyingomyelinrafts）3.1972年S.J.Singer&G.Nicolson根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，出了“流动镶嵌模型”。流动镶嵌模型细胞融合实验（L.D.Frye,H.Edidin）成斑反应和成帽反应具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相形成脂双分子层，每层磷脂分子成为一层小叶（leaflet）。脂分子是组成生物膜的基本结构成分。蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或者结合在其表面，蛋白质的类型，蛋白质分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。生物膜可以看作是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。但是膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间以及膜蛋白与膜两侧其他生物大分子之间复杂的相互作用在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性，同时也形成了赖以完成多种膜功能的脂筏、纤毛和微绒毛等结构。在细胞生长分裂等整个生命活动中，生物膜在三维空间上可以出现弯曲、折叠、延伸等改变，处于不断的动态变化之中。只有这样才能够保证诸如细胞运动、细胞增殖等各种代谢活动的进行。比如病毒的出芽。生物膜结构要点细胞质膜化学组成(component)膜脂（Lipid）膜蛋白（Protein）质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。膜的化学组成膜脂主要包括:甘油磷脂（glycerophosphatide）鞘脂(sphingolipid)胆固醇(sterol)三种类型，这三种分子均为兼性分子，在生物膜上的含量以及生物学功能各不相同，此外还有少量糖脂(glycolipid)。膜的化学组成膜蛋白主要包括三种类型：外在膜蛋白、内在膜蛋白、脂锚定膜蛋白。膜的化学组成细胞质膜的基本特征(character)膜的流动性膜的不对称性膜脂分子的不对称性1.质膜的流动性（fluidity）膜流动性的分子机制膜脂的流动性膜蛋白的运动性（mobility）1.膜脂分子的相变温度2.膜脂分子的组成：脂肪酸链长短及饱和程度3.影响膜脂分子运动的因素：胆固醇1.周围膜脂的性质和相态2.质膜相关结构的作用3.细胞骨架的作用1.膜脂的流动性随温度的不同而有所变化，或者处于液相，或者处于固相，如卵磷脂人工膜当温度低于25度时，则处于固态，凝胶化，当缓慢提高温度，脂双层可转变为流动性较大的液态，发生相态转变的温度即相变温度。2.在相变温度以上，膜脂分子具有四种运动方式：磷脂分子左右摆动、磷脂分子轴旋转运动、侧向运动和倒翻运动（flip-flop）。3.影响膜脂分子运动的影响因素：脂肪酸链的饱和程度、脂肪酸链的长度、胆固醇/磷脂比值、卵磷脂/鞘磷脂比值、膜蛋白的影响。此外还包括环境温度、离子强度等等。膜脂分子的流动性ES:细胞外表面（外小叶）、PS：原生质面（内小叶）EF:细胞外小叶断裂面、PF：原生质小叶断裂面膜结构命名细胞质膜的基本功能为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;具有房室化的作用，细胞内分化出以膜为基础的功能专一的细胞器；选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的排除,其中伴随着能量的传递，是细胞的选择性通透屏障;提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递;为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行;线粒体和叶绿体的内膜具有能量转化功能；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。1.膜转运蛋白2.小分子物质的跨膜运输3.ATP驱动泵与主动运输4.胞吞作用和胞吐作用物质的跨膜运输被动运输主动运输胞吞和胞吐膜转运蛋白载体蛋白通道蛋白离子通道孔蛋白（porin）•水孔蛋白（AQP）载体蛋白几乎存在于所有类型的生物膜上，多次跨膜蛋白。与载体蛋白以两种构象状态存在：状态A，溶质结合位点在质膜外侧暴露；状态B，同样的溶质结合位点在质膜内侧暴露。两种构象状态的转变随机发生而不依赖于是否有溶质结合和是否完全可逆。如膜外侧溶质浓度高，则与状态A载体蛋白结合的溶质就比与状态B载体蛋白结合的多，净效果表现为溶质顺浓度梯度进入细胞。载体蛋白1.不同部位的生物膜往往含有各自功能相关的不同的载体蛋白。2.载体蛋白具有与底物（溶质）特异性结合的位点，所以每种载体蛋白对底物具有高度的选择性。3.转运过程具有类似于酶的特征，又被称为通透酶。4.对转运的溶质分子不作任何共价修饰。1、葡萄糖转运蛋白(glucosetransporter,GLUT)通过构象改变完成葡萄糖的协助扩散。转运方向取决于葡萄糖的浓度。通道蛋白通道蛋白包括三种基本类型：离子通道、孔蛋白和水孔蛋白。1.通道蛋白具有选择性和门控性跨膜通道。2.通道蛋白只能执行被动运输。孔蛋白又称通道形成蛋白，β折叠片相互作用形成非特异性的跨膜通道，选择性较低，一般允许分子量10000D的分子自由通过。孔蛋白存在于革兰氏阴性菌质膜的外膜和线粒体以及叶绿体的外膜上。孔蛋白又称通道形成蛋白，β折叠片相互作用形成非特异性的跨膜通道，选择性较低，一般允许分子量10000D的分子自由通过。孔蛋白存在于革兰氏阴性菌质膜的外膜和线粒体以及叶绿体的外膜上。1.离子通道具有极高的转运效率。每个通道每秒钟可以通过107-108个离子。驱动离子跨膜转运的动力来自溶质的浓度梯度和跨膜电位差两种力的合力，即跨膜的电化学梯度，运输的方向是顺电化学梯度进行。2.离子通道没有饱和值。3.离子通道并非连续性开放而是门控的。根据激活信号的不同，离子通道可以分为电压门通道、配体门通道和应力激活通道。离子通道的特征A：电压门通道；B、C：配体门通道；D：应力激活通道1.简单扩散和被动运输都是溶质顺着电化学梯度进行跨膜转运，并且都不需要细胞提供能量。不同的是，简单扩散不需要膜转运蛋白的协助，而被动运输需要膜转运蛋白的协助。2.主动运输需要细胞提供能量，溶质逆着电化学梯度进行跨膜转运。3.载体蛋白技能执行被动运输，又能执行主动运输，而通道蛋白只能执行被动运输。小分子物质以热自由运动的方式顺着电化学梯度或浓度直接通过脂双层进出细胞，不需要细胞提供能量，也无需膜转运蛋白的协助，称为简单扩散（simplediffusion）。简单扩散被动运输（passivetransport）是指溶质顺着电化学梯度或浓度梯度，在膜转运蛋白协助下的跨膜转运方式，又叫协助扩散（facilitateddiffusion）.主动运输的三种类型根据能量来源的不同，可以将主动运输分为：ATP驱动泵（ATP直接提供能量）、协同转运或者偶联转运蛋白（ATP间接提供能量）以及光驱动泵三种。264种类型的ATP驱动泵ATP驱动泵通过将ATP水解生成ADP和无机磷，并利用释放的能量将小分子物质或离子进行跨膜转运，因此，ATP驱动泵通常又被称为转运ATPase。P型泵、V型质子泵和ABC超家族利用ATP水解释放的能量进行物质的跨膜运输，而F型质子泵通常情况下是利用质子动力势合成ATP。Na+-K+泵的结构（A）与工作模式（B）示意图Na+依赖性的磷酸化和K+依赖性的去磷酸化乌本苷(ouabain)的抑制作用Na+-K+泵的转运机制Na+-K+泵主要生理功能1.维持细胞膜电位2.维持动物细胞渗透平衡3.吸收营养小肠上皮细胞吸收葡萄糖的示意图协同转运：动物细胞对葡萄糖或者氨基酸等有机物吸收的能量由蕴藏在Na+电化学梯度中的势能提供。Na+-K+泵工作形成的Na+电化学梯度驱动葡萄糖协同转运载体以同向协同转运的方式将葡萄糖等有机物转运进入小肠上皮细胞，再以协助扩散的方式转运进入血液，完成对葡萄糖的吸收。Ca2+泵1.细胞质基质中的低浓度Ca2+的维持主要是因为质膜或细胞器膜上的钙泵将钙离子泵到了细胞外或细胞器内。Ca2+泵分布在所有真核细胞质膜和某些细胞器如内质网、叶绿体和液泡膜上。2.每消耗一个ATP分子,从细胞质基质泵出两个Ca2+。3.细胞质膜上的Ca2+泵其羧基端是钙调蛋白的结合位点,当细胞内Ca2+浓度升高时,Ca2+与钙调蛋白结合形成激活复合物并与Ca2+泵结合,进而调节Ca2+泵活性,内质网型的Ca2+泵没有钙调蛋白的结合。ABC转运蛋白1.ABC转运蛋白也是由ATP驱动的，对底物或底物的基团有特异性。2.正常生理条件下，ABC转运蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白，是哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运蛋白。3.ABC蛋白在肝、小肠和肾等器官分布丰富，它们能将天然毒物和代谢废物排出体外。4.ABC转运蛋白功能异常：囊性纤维化5.ABC转运蛋白与抗药性：MDR（多药抗性转运蛋白）胞吞作用和胞吐作用是完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称膜泡运输或批量运输(bulktransport)，属于主动运输。胞吞作用和胞吐作用同时进行，保证细胞膜面积和细胞体积的恒定。胞吞作用与胞吐作用一、胞吞作用的类型二、胞吐作用是原生生物摄取食物的一种方式。在高等生物体内，吞噬作用发生于巨噬细胞和中性粒细胞，主要是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞。吞噬作用需要被吞噬物与吞噬细胞表面结合并激活细胞表面受体，将信号传递到细胞内并引起细胞应答反应，是一个信号触发的过程。该过程需要微丝及其结合蛋白的参与。Lipofuscin，细胞衰老吞噬作用一种小分子GTP结合蛋白—发动蛋白(dynamin)在深陷包被小窝的颈部组装成环，引起颈部缢缩，形成包被膜泡。网格蛋白本身并不起捕获特异转运分子的作用，有特异性选择作用的是衔接蛋白(adaptin)。胞吐作用是细胞内合成的生物大分子（蛋白质和脂质等）和代谢物以分泌泡的形式与质膜融合而将内含物分泌到细胞表面或细胞外的过程。组成型胞吐途径(constitutiveexocytosispathway)：所有真核细胞都有从高尔基体反面管网区(TGN)分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的稳定连续分泌过程。用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）。调节型胞吐途径(regulatedexocytosispathway)：特化的分泌细胞产生的分泌物（如激素、黏液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。胞吐作用