细胞膜与物质的运输改.pptx

第四章 细胞膜与物质的运输主要内容 细胞膜的化学组成与分子结构 小分子物质的跨膜运输 大分子和颗粒物质的跨膜运输 细胞表面及其特化结构 细胞膜异常与疾病细胞膜（cell membrane）细胞的界膜，又称质膜（plasma membrane）选择性运输物质感受外界信号，传递信息细胞膜与细胞内膜结构相同，统称生物膜（biological membrane）单位膜，透射电镜下呈“两暗夹一明”的三层结构，厚约8nm第一节 细胞膜的化学组成和分子结构细胞膜结构一、细胞膜的化学组成脂类（lipid）50蛋白质（protein）4050糖类（glucide）110其它：水、无机盐、金属离子 少量（一）膜脂（membrane lipid）1.磷脂分子磷脂构成细胞膜的基本成分，占膜的50多常见磷脂分子：磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂、磷脂酰肌醇共同结构特征：磷脂酰碱基 甘油 脂肪酸 头部：磷脂酰碱基部分，有极性，亲水 尾部：脂肪酸链，1424个C，无极性，疏水 膜脂是两亲性分子，膜上内外两侧是亲水的磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱鞘磷脂磷脂分子 2.胆固醇（cholesterol）散布在磷脂分子之间的中性脂质极性头部为羟基团，紧靠磷脂极性头部非极性疏水结构为甾环和烃链稳定膜，调节膜的流动性 甾环结构使与之相邻的磷脂疏水尾部的一部分不易活动 3.糖脂（glycolipid）占膜脂分子的5，由脂类和寡糖构成糖基暴露在细胞外侧细菌和植物细胞的糖脂由甘油酯类衍生来的，一般为磷脂酰胆碱动物细胞的糖脂是由鞘氨醇衍生来的，称为鞘磷脂不同类型的糖脂主要区别在于极性头部不同最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,存在髓鞘中最复杂的糖脂是神经节苷脂（ganglioside）,含1个以上唾液酸残基，存在神经细胞膜上脑苷脂脑苷脂 神经节苷脂神经节苷脂唾液酸残基膜脂在水中自动形成双层亲水头部露在外面疏水尾部藏在里面形成脂双分子层或 磷脂分子团(脂质体)（二）膜蛋白（membrane protein）约占50，线粒体内膜高达75，神经髓鞘低于25膜蛋白的功能：转运分子、传递信息、支撑连接、酶活性三类膜蛋白：内在膜蛋白、外在膜蛋白和脂锚定蛋白 1.内在膜蛋白（intrinsic proteins）又称跨膜蛋白（transmembrane protein），占膜蛋白7080，全部或部分插入细胞膜内大部分跨膜蛋白以螺旋单次或多次穿膜，带蛋白少数跨膜蛋白以-折叠多次穿膜形成筒状结构，如孔蛋白（porin）。2.外在膜蛋白（extrinsic proteins）也称外周蛋白（peripheral protein），占2030，位于膜的内外表面，内面较多主要是水溶性蛋白质连接较松散，温和处理就与膜分离 周边蛋白通过离子键、氢键或静电作用与膜脂分子相互作用 高盐溶液可破坏离子键，不需用去垢剂 如：血影蛋白、锚蛋白。细胞色素C等3.脂锚定蛋白又称脂连接蛋白（lipid-linked protein）两种方式以共价键与质膜的脂类分子结合一种是直接与质膜的脂质分子碳氢链结合在胞质侧，如Src和Ras，这种锚定与细胞恶性转化有关（胞质侧碳氢链+Src/Ras）另一种是质膜外表面的蛋白质与外层磷脂酰肌醇分子相连的寡糖链共价结合（糖链+蛋白质），称糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白，如多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、膜受体和G蛋白等100多种。（三）膜糖类占质膜重量的210%糖蛋白和糖脂的糖链位于质膜外侧7种单糖：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺和唾液酸单糖的数量、种类、排列顺序及其分支不同组成千差万别的组合形式唾液酸残基常见于糖链的末端，形成真核细胞表面的负电荷Cell coat（又称糖萼，glycocalyx）ABO血型Glu：葡萄糖Gal：半乳糖GalNAc：N-乙酰半乳糖胺Fuc：海藻糖二、细胞膜的特性（一）膜不对称性（membrane asymmetry）1.膜脂分布的不对称内外两层的脂类分子不对称 膜外层：磷脂酰胆碱和鞘磷脂 膜内层：磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇糖脂 只分布膜外侧和内膜系统的非胞质侧 不同膜性细胞器脂类组成不同质膜 鞘磷脂、磷脂酰胆碱、胆固醇核膜、内质网膜、线粒体外膜 磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇高尔基复合体膜 脂类组成介于内质网与质膜之间线粒体内膜 富含心磷脂2.膜蛋白分布的不对称跨膜蛋白的方向性 血型糖蛋白N端在膜的非胞质侧（外）带蛋白的N端在膜的胞质侧（内）酶蛋白的分布不同 膜外表面：Mg2+-ATP酶、5核苷酸酶、磷酸二酯酶 膜内表面：腺苷酸环化酶（AC）红细胞膜的冰冻断裂技术显示内层膜蛋白颗粒比外层多1倍（外层为1400个/m2）3.膜糖的不对称性寡糖链连接在质膜的外表面内膜系统的寡糖链连接在膜腔的内侧面糖脂分布在极性上皮细胞的游离面，磷脂酰胆碱主要是分布在基底面上膜糖、脂类和蛋白质的不对称，保证了膜两侧的功能不同和方向性（二）膜的流动性 1.膜脂的流动 脂双层是一种二维流体，因细胞内外的水环境阻止膜脂分子自双层中逸出，只能在双层内运动和交换位置1）膜脂分子的运动形式烃链的旋转异构运动（流动性的主要因素）C一C 自由旋转产生旋转异构体 反式构象 歪扭构象侧向扩散（lateral diffusion）同一单分子层内脂类分子交换位置，107次/秒。扩散距离为12 m/秒翻转运动（flip-flop）膜脂分子从一层翻转到另一层，慢而少，但在内质网膜上频繁，造成膜的不对称性旋转运动（rotation）膜脂分子垂直于膜平面围绕其纵轴快速转动伸缩振荡运动 膜脂的脂肪酸链沿着与膜平面垂直的长轴进行伸缩、振荡运动。2）影响膜脂的流动性脂肪酸链的饱和程度 不饱和脂肪酸（双键）流动性脂肪酸链的长短 链短 相变温度 流动性胆固醇的双重调节作用 相变温度之上：胆固醇 流动性 稳定 相变温度之下：胆固醇 干扰烃链相互凝集 防止膜流动性突然降低烃链长短和饱和程度 链短、含双键 流动性大相变温度 相变：溶胶（液态）凝胶（晶态）链短、含双键 相变温度低相分离（phase separation）以不同饱和程度磷脂组成的人工膜有多个相变点，在某相变点时同时存在溶胶和凝胶状态。卵磷脂与鞘磷脂的比值 哺乳动物细胞中，卵磷脂与鞘磷脂各为50%，卵磷脂：不饱和脂肪酸多，相变温度低 鞘磷脂：饱和脂肪酸多，相变温度高，流动性 比值大 流动性，比值小 流动性膜蛋白的影响 膜蛋白嵌入膜脂类分子结合形成界面脂，降低膜的流动性膜蛋白多 膜微粘度增加 流动性低2.膜蛋白的流动（1）膜蛋白运动形式侧向扩散 膜蛋白在同一层漂浮扩散，没有翻转运动 细胞融合实验 用培养的人和小鼠成纤维细胞进行融合，形成人-小鼠杂交细胞 人荧光（红）标记膜蛋白抗体 人膜蛋白 小鼠荧光（绿）标记膜蛋白抗体 小鼠膜蛋白旋转运动 围绕垂直于膜平面的轴旋转 自发的热运动，不需能量变构运动 通道蛋白构形改变，执行相关功能 载体蛋白膜的流动性与膜功能的完成有着密切的关系三、细胞膜的分子结构模型1、片层结构模型(lamella structure model)1935年Danielli和Davson提出第一个膜的分子结构模型双层磷脂分子的疏水脂肪酸链在膜的内侧相对，亲水端朝向膜的内外表面球形蛋白质附着在脂双层的两侧表面，形成蛋白质-磷脂-蛋白质三层甲板式结构2、单位膜模型(unit membrane model)1959年Robertson提出电镜下生物膜呈两暗夹一明的三层结构，称单位膜磷脂双分子层构成膜的主体，极性头部向外与附着的蛋白质构成暗带，疏水尾部向内构成明带膜蛋白是单层肽链以折叠通过静电作用与磷脂极性端结合单位膜模式图电镜下细胞膜1972年Singer和Nicolson提出磷脂双层构成膜的连续主体强调球形蛋白质镶嵌在脂双分子层内膜是一种动态的、不对称的具有流动性特点的结构3、流动镶嵌模型(fluid mosaic model)1975年Wallach提出晶格镶嵌模型 镶嵌蛋白及周围形成晶态，流动性的脂类呈小片点状分布（液态），说明了流动性、稳定性和完整性。1977年Jouin和White提出板块镶嵌模型脂双层中刚性较大的脂类板块独立移动板块之间是流动的脂类区晶格镶嵌模型及板块镶嵌模型和液态镶嵌模型实际上没有本质的差异，不过是膜流动性的分子基础进行了补充说明4、脂筏模型（lipid rafts model）近年发现含胆固醇和鞘磷脂的微区，聚集了特定的蛋白质这种含特殊脂质和蛋白质的微区较膜其它部位厚，更有序，较少流动，称脂筏脂筏直径约70100nm，其上数百个蛋白质形成小窝（caveolae），它可转运生物活性分子入细胞，参与信号转导脂筏的特点 一是聚集蛋白质，便于相互作用 二是提供蛋白质变构环境，形成有效的变构脂筏功能的紊乱已涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬化、老年痴呆、疯牛病等第二节 小分子物质的跨膜转运一、膜的选择通透性和简单扩散1.1.细胞膜是选择性半透膜膜的通透性（permeability）质膜选择性的允许或阻止一些物质通过的特性。离子浓度差 细胞膜的选择通透性造成细胞内外的离子浓度差人工脂双层对各种分子的相对通透性2.简单扩散（simple diffusion）物质顺电化学梯度自由穿膜运输方式不需要膜蛋白协助不需要细胞提供能量两类物质可简单扩散 一类是疏水的小分子：氧气、氮气、苯等 另一类是不带电的极性小分子：水、二氧化碳、乙醇、尿素、甘油等扩散速度取决于分子大小脂溶性程度电化学梯度二、膜转运蛋白介导的跨膜运输两类膜转运蛋白：一类为载体蛋白（carrier protein），结合特定溶质，改变构象，跨膜运输 一类为通道蛋白（channel protein），形成（开放）通道，让特定溶质穿膜运动被动运输与主动运输被动运输：通道蛋白及许多载体蛋白介导，顺浓度梯度，不消耗代谢能主动运输：特定的载体蛋白介导，逆浓度梯度，消耗代谢能量（一）离子通道转运各种离子属被动运输 顺梯度，运输时不与溶质结合转运速率高 106108个/秒高度选择性 特异性的通道离子通道的开关受闸门控制1.配体门控通道(ligand-gated channel)受配体（激素、药物）控制的通道乙酰胆碱受体是典型的配体门控通道N冲动传至神经末梢，电压闸门Ca2+通道瞬时开放Ca2+内流使突触小泡释放AchAch结合突触后膜受体，使Na+通道开放肌细胞膜Na+内流使电压闸门Na+通道短暂开放肌细胞膜去极化，肌浆网上Ca2+通道开放Ca2+内流，引起肌原纤维收缩神经肌肉接头处离子通道乙酰胆碱是五聚体跨膜蛋白（2 2）2.电压门控通道 (voltage-gated channel)受跨膜电压变化调节的通道3.应力激活通道（stress-activated channel）感应力使构象改变，通道打开，膜电位变化内耳毛细胞传递声波信号给听觉神经元（二）载体蛋白介导的易化扩散（facilitated diffusion）概念 亲水性物质在载体蛋白的帮助下，顺浓度梯度或电化学梯度通过膜的运输方式，不消耗能量运输对象 葡萄糖、氨基酸、核苷酸或金属离子等扩散速率 受膜两侧被转运物质浓度、载体蛋白数量及结合位点影响 有人将载体蛋白称通透酶(permease),它有特异性、Vmax和结合常数（Km），抑制剂可阻断它红细胞膜上的葡萄糖载体蛋白特性 葡萄糖转运载体蛋白分子量55kD，为12次跨膜螺旋，占膜总蛋白的5数量 5万个/红细胞（占膜总蛋白的5%），最大转运速度：180个葡萄糖/秒转运机制 葡萄糖载体蛋白构象改变，结合位点由朝向细胞外转向细胞内载体蛋白作用机理载体蛋白作用机理载体蛋白作用机理载体蛋白作用机理（三）载体蛋白介导的主动运输根据耗能方式分为：离子泵和离子梯度驱动的协同运输1.离子泵 离子泵是一种称为ATP酶的膜蛋白（1）Na+-K+泵(Na+-K+ATPase)概念 一种能对Na+和K+逆电化学梯度对向运输的ATPase（1957年丹麦生理学家Skou提出）结构 2 2个个大亚基 多次跨膜整合蛋白，催化单位。2个小亚基 帮助亚基折叠，其余作用不详NaNa+-K-K+泵示意图泵示意图Na+-K+泵的工作原理过程 Na+催化亚基磷酸化释放Na+，结合K+催化亚基去磷酸化释放K+，重新与Na+结合（消耗细胞能量的70，1000次/秒构象变化）动力与方向 ATP酶驱动的泵构型改变，水解1分子ATP，泵出3个Na+，泵入2个K+Na+内 外、K+外 内Na+-K+泵的工作过程Na+-K+泵的作用直接作用 产生细胞内外Na+、k+浓度差，维持胞内Na+、K+的离子梯度间接作用 控制细胞容积 驱动主动运输 调节渗透压 维持膜电位洋地黄（digitalis）一种从洋地黄植物中获得的类固醇，能抑制钠泵而加强心脏收缩（升高心肌细胞内Ca2+），它被用来治疗充血性心脏病已有200多年（2）Ca2+泵（Ca2+-pump）细胞膜及某些细胞器膜上的Ca2+-ATP酶含10次跨膜螺旋，4个与Ca2+结合形成Ca2+通道泵构型改变由ATP酶驱动转运方向 Ca2+泵入肌浆网或泵出胞外作用 调节细胞内Ca2+浓度，降低细胞内Ca2+，使肌肉舒张 细胞外信号引起少量Ca2+进入细胞内，就可改变细胞许多活动。2.离子梯度驱动的主动运输由离子电化学梯度贮存的能量驱动另一物质的主动运输，不是直接水解ATP提供驱动力通常是Na+的电化学梯度提供驱动主动转运另一种分子的能量小肠细胞和肾细胞同向运输Na+和葡萄糖就是Na+提供的动力（1）Na+-葡萄糖协同转运（同向协同）转运方向 Na+外内；葡萄糖或氨基酸：外内Na+浓度葡萄糖转运速率Na+的电化学梯度由Na+-K+泵维持。作用小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸肠上皮细胞对葡萄糖的运输协同运输（coupled transport）单向运输（uniport）载体蛋白将一种溶质分子从膜一侧转运到另一侧，如葡萄糖的转运协同运输（coupled transport）载体蛋白转运一种溶质分子时同时或随后伴随转运另一种溶质分子同向运输（symport）协同运输时两种溶质转运方向相同对向运输（antiport）协同运输时两种溶质转运方向相反2.Na+-H+交换载体（Na+-H+exchange carrier）Na+驱动的对向运输系统转运方向 Na+胞外胞内；H+胞内胞外作用 清除细胞代谢产生的过量H+，维持胞质酸碱度（pH一般在7.17.2）交换载体的活动受细胞pH调节，交换载体激活和引起pH升高促进细胞增殖，Ph7.4时活性最强，Ph7.7以上即停止活动3.Cl-HCO3-交换器(Cl-HCO3-exchanger)相似于红细胞膜的带蛋白的Cl-HCO3-交换器交换方向与Na+-H+交换载体相反pH 交换器活性HCO3-内外；Cl-外内。结果胞质pH主动运输的特点主动运输的特点小分子逆浓度梯度或电化学梯度转运直接消耗ATP或由离子梯度提供能量载体蛋白介导及其构型改变转运物质第三节 大分子和颗粒物质的跨膜运输一、胞吞作用 通过质膜内陷，包围细胞外大分子和颗粒物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程。（一）吞噬作用（phagocytosis）摄取固体颗粒物质（入侵的微生物、损伤和死亡的细胞等）形成吞噬体（phagosome）或吞噬泡（phagoctic），再与溶酶体结合具有吞噬功能的细胞：中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞（二）胞饮作用细胞非特异地摄取细胞外液滴的过程。质膜上特殊区域内陷形成小窝，包围液体形成胞饮体（pinosome）或胞饮泡（pinocytic vesicle）液相内吞 吞入可溶性物质 吸附内吞 大分子或小颗粒物质先吸附于 细胞表面胞饮时形成伪足的细胞：巨噬细胞、白细胞、毛细血管内皮细胞、小肠上皮细胞等胞饮作用（三）受体介导的内吞作用大分子低浓度的物质膜上特异性受体识别与结合膜内陷形成囊泡1.有被小窝和有被小泡有被小窝质膜上受体集中的特定区域受体浓度是其他部位1020倍电镜下小窝处质膜内陷，直径50100 nm内表面的毛刺状电子致密物包含网格蛋白（clathrin）和衔接蛋白（adaptor）网格蛋白又称笼蛋白，是一种蛋白复合物由3条重链和3条轻链组成重链和轻链组成二聚体3个二聚体形成包被小泡的结构三腿蛋白复合物有被小泡的形成细胞外溶质 小窝处的受体 网格蛋白小窝内陷脱离质膜 有被小泡（表面笼状篮网结构）网格蛋白包被有被小窝的作用：捕获膜受体，使之聚集于有被小窝牵拉质膜向内凹陷，形成有被小泡衔接蛋白的作用：参与小泡的包被形成起连接作用使细胞捕获不同类型的配体（产生特异性）发动蛋白的作用：一种小分子GTP结合蛋白，可结合GTP其构象改变切下质膜上的有被小泡2.受体介导的LDL内吞作用低密度脂蛋白（low density lipoprotein,LDL）分子量3106，22nm，颗粒中心含1500个酯化的胆固醇，外面包围着800个磷脂分子和500个游离的胆固醇分子LDL受体 839个氨基酸残基组成的单次跨膜蛋白,C端50个aa在膜内形成结构域受体介导LDL内吞过程 LDL LDL受体（有被小窝）无被小泡 （-）游离胆固醇 细胞利用 二、胞吐作用指细胞内合成的物质通过囊泡转运至细胞膜、与质膜融合后将物质排出细胞外的过程。（一）结构性分泌途径粗面内质网合成分泌蛋白高尔基复合体修饰、浓缩、分选，入分泌囊泡与细胞膜融合，排出细胞外少量不断的分泌（二）调节性分泌分泌蛋白储存于分泌泡内细胞外信号刺激细胞细胞内Ca2+升高囊泡与质膜融合释放分泌物第四节 细胞表面及其特化结构1.微绒毛（microvillus）细胞膜与细胞质共同突向腔面的细小指状突起长0.21.0m，0.1m表面是质膜和糖被内部是纵行排列的微丝直达顶端吸收面积扩大2030倍游走细胞运动工具2.纤毛和鞭毛细胞表面向外伸出的细长突起长510m，数目很多的为纤毛长150m左右，数目只1根的为鞭毛内部是纵向排列的微管它们是细胞表面特化的运动结构（呼吸道，输卵管）3.褶皱细胞表面宽而扁的临时性扁状突起厚度约0.1m，高几微米褶皱是细胞的吞饮装置第五节 细胞膜异常与疾病一、载体蛋白异常与疾病1.胱氨酸尿症一种遗传性膜转运异常疾病转运蛋白缺陷（肾小管上皮细胞转运胱氨酸、赖氨酸、精氨酸和鸟氨酸）尿中胱氨酸水平增高，达0.51.0g形成结晶，损害肾脏2.肾性糖尿肾小管上皮细胞吸收葡萄糖障碍正常近端肾小管重吸收葡萄糖最大吸收量是250335mg/min转运葡萄糖的载体蛋白缺陷二、离子通道异常与疾病囊性纤维化是白种人最常见的致死性常染色体隐性遗传病，定位于7q31,DNA缺失编码508位苯丙氨酸的3个碱基对主要临床表现：肺部感染，慢性咳嗽、大量黏液，长期慢性腹泻，生长发育迟缓。三、膜受体异常与疾病1.家族性高胆固醇血症常染色体显性遗传病LDL基因突变导致LDL受体异常受体蛋白结构域中807位正常的酪氨酸被半胱氨酸替代高胆固醇血症诱发动脉粥样硬化和冠心病2.重症肌无力自身免疫性疾病产生抗N-Ach抗体 机理：占据受体位置，封闭了配体的作用抗体结合受体诱导细胞内吞受体，使受体数目减少抗体结合受体激活补体、破坏运动终板，受体脱落