细胞膜与物质穿膜运输.pptx

(Cell Membrane and Transmembrane Transport)细胞生物学系：郑贤红细胞生物学系：郑贤红第四章第四章细胞膜与物质穿膜运输细胞膜与物质穿膜运输概述概述 第一节第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性细胞膜的化学组成与生物学特性第二节第二节 小分子物质和离子的穿膜运输小分子物质和离子的穿膜运输第三节第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输大分子和颗粒物质的穿膜运输第四节第四节 细胞表面特化结构细胞表面特化结构第五节第五节 细胞膜异常与疾病细胞膜异常与疾病内容内容概概 述述一、基本概念一、基本概念 细胞膜细胞膜(cell membrane):包围在细胞质表面的一包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（层薄膜，又称质膜（plasma membrane）。）。二、细胞膜的最基本功能二、细胞膜的最基本功能1.为细胞的生命活动提供了稳定的内环境为细胞的生命活动提供了稳定的内环境2.物质转运物质转运3.信号传递、细胞识别等信号传递、细胞识别等第一节第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜构成一、细胞膜构成（一）膜脂（一）膜脂:细胞膜的结构骨架细胞膜的结构骨架-每个动物细胞每个动物细胞质膜上约有质膜上约有109个脂分子个脂分子（二）膜蛋白（二）膜蛋白:决定细胞膜的功能决定细胞膜的功能（三）糖类（三）糖类（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架膜脂（膜脂（membrane lipid）主要有三种类型：主要有三种类型：磷脂（磷脂（phospholipid）胆固醇（胆固醇（cholesterol）糖脂糖脂(glycolipid)磷脂磷脂甘油磷脂甘油磷脂鞘磷脂鞘磷脂 磷脂酰胆碱（磷脂酰胆碱（PC)磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺（PE）磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸 (PS)磷脂酰肌醇（磷脂酰肌醇（PI）1.磷脂磷脂 膜脂分子中都含有磷酸基团，被称为磷脂，约膜脂分子中都含有磷酸基团，被称为磷脂，约 占膜脂的占膜脂的50%以上。以上。甘油磷脂的化学结构甘油磷脂的化学结构甘油磷脂以甘甘油磷脂以甘油为骨架，甘油为骨架，甘油分子的油分子的1、2位羟基分别与位羟基分别与脂肪酸形成酯脂肪酸形成酯键，键，3位羟基位羟基与磷酸形成酯与磷酸形成酯键。键。两亲性分子或兼性分子两亲性分子或兼性分子头部基团（头部基团（head group）或亲水头）或亲水头:甘油磷脂的磷酸基团可分别与亲水的小基团胆碱、甘油磷脂的磷酸基团可分别与亲水的小基团胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合。与带负电的磷酸基团一乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合。与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强。起形成高度水溶性的结构域，极性很强。疏水尾疏水尾 脂肪酸链是疏水的，无极性。含脂肪酸链是疏水的，无极性。含14-24个碳原子。个碳原子。脂肪酸链是疏水的，含脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子个碳原子碳原子数碳原子数双键数目双键数目名称名称12120 0月桂酸月桂酸14140 0豆蔻酸豆蔻酸16160 0棕榈酸棕榈酸16161 1棕榈油酸棕榈油酸18180 0硬脂酸硬脂酸18181 1油酸油酸18182 2亚油酸亚油酸18183 3亚麻酸亚麻酸20200 0花生酸花生酸20204 4花生四烯酸花生四烯酸22220 0正正廿廿二烷酸二烷酸24240 0正正廿廿四烷酸四烷酸鞘磷脂（鞘磷脂（SM)SM)极性头部基团（亲水）极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）非极性尾部基团（疏水）鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。质膜中的主要磷脂分子质膜中的主要磷脂分子2.胆固醇胆固醇 分布：胆固醇散布在磷脂分子之间分布：胆固醇散布在磷脂分子之间 动物细胞含量高：胆固醇动物细胞含量高：胆固醇/磷脂磷脂=1/1=1/1 植物细胞含量少：植物细胞含量少：2%2%结构：结构：极性头为羟基团，极性头为羟基团，紧靠磷脂的极性头紧靠磷脂的极性头部；非极性疏水结部；非极性疏水结构为固醇环和烃链，构为固醇环和烃链，固醇环固定在磷脂固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的尾部埋在脂双层的中央。中央。胆固醇调节膜流动性、加强膜稳定性 例：中国仓鼠卵巢细胞突变株（M19）：不能合成胆固醇，体外培养需加入胆固醇，否则会解体。Table 10-1 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)3.糖脂糖脂 糖糖脂脂由由脂脂类类和和寡寡糖糖构构成成 动动物物细细胞胞膜膜的的糖糖脂脂几几乎乎都都是是鞘鞘氨氨醇醇的的衍衍生生物物，结结构构似似鞘鞘磷磷脂脂，称称为为鞘鞘糖糖脂脂。最简单糖脂：脑苷脂，头部仅一个半乳糖或葡萄糖残基，髓鞘中的主要糖脂。复杂糖脂：神经节甘脂，头部含有半乳糖 和葡萄糖外，还有数目不等的唾液酸，神经元质膜中最为丰富，占5-10%。Figure 10-18 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)膜脂可能的存在形式：膜脂可能的存在形式：形成球状分子团（形成球状分子团（micelle）形成双分子层（形成双分子层（bilayer）人工合成膜结构：人工合成膜结构：脂质体脂质体25nm-1um用途：用途：运载体运载体（二）膜蛋白（二）膜蛋白 决定细胞膜的不同特性和功能决定细胞膜的不同特性和功能 在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，大差异，膜的功能越复杂膜的功能越复杂,其中的蛋白质其中的蛋白质含量越多。含量越多。线粒体内膜：线粒体内膜：75%75%髓鞘：髓鞘：25%25%根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基本类型：可分为三种基本类型：内在蛋白（内在蛋白（intrinsic protein）或整合蛋白）或整合蛋白 外在蛋白（外在蛋白（extrinsic protein）脂锚定蛋白（脂锚定蛋白（lipid anchored protein）1.膜内在蛋白膜内在蛋白 又称穿膜蛋白（又称穿膜蛋白（transmembrane protein）占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的7080，是两亲性分子，是两亲性分子 大多数穿膜蛋白穿膜域都是大多数穿膜蛋白穿膜域都是-螺旋构象，也有的螺旋构象，也有的 穿膜蛋白以穿膜蛋白以-折叠片层（折叠片层（-pleated sheet）构象穿膜）构象穿膜 分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型-螺旋构象穿膜蛋白螺旋构象穿膜蛋白-折叠构象穿膜蛋白折叠构象穿膜蛋白2.膜外在蛋白膜外在蛋白又称周边蛋白（又称周边蛋白（peripheral protein）占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的20%30%非共价键非共价键动态关系：动态关系：根据功能的需要募集到膜上或根据功能的需要募集到膜上或者从膜上释放出去。者从膜上释放出去。膜外在蛋白膜外在蛋白3.脂锚定蛋白脂锚定蛋白 又称脂连接蛋白（又称脂连接蛋白（lipid-linked protein）脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合 脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合胞质侧的蛋白 糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI）与磷脂酰肌醇相连的寡糖与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合链结合共价键共价键质膜外表面的蛋白质膜外表面的蛋白与脂双层中的碳氢链结合与脂双层中的碳氢链结合 共价键共价键胞质侧的蛋白 膜蛋白在膜中的几种结合方式膜蛋白在膜中的几种结合方式分离蛋白-去垢剂离子型去垢剂-十二烷基磺酸钠（SDS）可使蛋白变性非离子型去垢剂-TritonX-100 较温和Figure 10-30 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)Figure 10-31 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)Figure 10-41a Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)Figure 10-41b Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)Figure 10-42 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)Figure 10-42a Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)（三）膜糖（三）膜糖约占质膜重量的约占质膜重量的210。红细胞膜：红细胞膜：8%糖蛋白糖蛋白:93%:93%糖脂糖脂:7%:7%共价键共价键共价键共价键糖类糖类+膜蛋白膜蛋白膜糖类膜糖类糖类糖类+膜脂膜脂形式：糖蛋白、糖脂动物细胞种类：(七种)半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸唾液酸常见于糖链的末端，形成真核细胞表面净负电荷，捕集纳、钙离子吸引大量水分子位置：生物膜的非胞质面，即在质膜上位于细胞外侧，各种细胞器的细胞内膜上，位于腔面细胞表面富糖区称细胞外衣或称糖萼：保护和细胞间识别和粘附Figure 10-28a Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)糖基化部位：N-连接/O-连接二、细胞膜的生物学特性：二、细胞膜的生物学特性：不对称性和流动性不对称性和流动性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性 各种成分的分布各种成分的分布是不均匀是不均匀 包括包括种类和数量种类和数量上都有很大差异上都有很大差异 与细胞膜的功能有密切关系。与细胞膜的功能有密切关系。样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES：细胞外表面 EF：细胞质膜外叶层的内面 PS：细胞内表面(胞质面)PF：细胞质膜内叶层的外面生物膜内外两层的组分和功能有很大差异生物膜内外两层的组分和功能有很大差异人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布1.1.膜脂的相对不对称性膜脂的相对不对称性 Figure 10-16 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)2.2.膜蛋白的膜蛋白的绝对不对称性绝对不对称性 各种膜蛋白在质膜各种膜蛋白在质膜 中都有一定的位置。中都有一定的位置。穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。膜蛋白的绝对不对称性膜蛋白的绝对不对称性3.3.膜糖的显著不对称性膜糖的显著不对称性 质膜外表面质膜外表面 内膜系统膜腔内膜系统膜腔（二）膜的流动性是膜功能活动的保证（二）膜的流动性是膜功能活动的保证1.脂双层为液晶态二维流体脂双层为液晶态二维流体 由于温度的变化导致膜状态的改变称为由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变相变”（phase transition）。在相变温度以上，膜处）。在相变温度以上，膜处于流动的液晶态。于流动的液晶态。膜的流动性是膜功能活动的保证。膜的流动性是膜功能活动的保证。2.膜脂分子的运动方式膜脂分子的运动方式 （1）侧向扩散（）侧向扩散（lateral diffusion）（2）翻转运动（）翻转运动（flip-flop）（3）旋转运动（）旋转运动（rotation）（4）弯曲运动（）弯曲运动（flexion）4.4.膜蛋白的运动性膜蛋白的运动性 分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性发生分子运动的特性 主要运动方式主要运动方式:侧向扩散侧向扩散 旋转运动旋转运动小鼠人细小鼠人细胞融合过程胞融合过程中膜蛋白的中膜蛋白的侧向扩散示侧向扩散示意图意图 流动性增加流动性增加流动性减小流动性减小短的脂肪酸链不饱和脂肪酸链胆固醇含量降低卵磷脂/鞘磷脂比值上升结合膜蛋白少温度升高长的脂肪酸链饱和脂肪酸链胆固醇含量升高卵磷脂/鞘磷脂比值下降结合膜蛋白多温度降低影响脂双层流动性的因素Figure 10-12 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)不饱和脂肪酸链对膜流动性的影响不饱和脂肪酸链对膜流动性的影响胆固醇对膜流动性的影响胆固醇对膜流动性的影响温度对膜流动性的影响温度对膜流动性的影响三、细胞膜存在多种分子结构模型三、细胞膜存在多种分子结构模型（一）片层结构模型具有三层夹板式（一）片层结构模型具有三层夹板式结构特点结构特点-1935年，球形蛋白年，球形蛋白（二）单位膜模型体现膜形态结构的共（二）单位膜模型体现膜形态结构的共 同特点同特点-蛋白质以单条肽链蛋白质以单条肽链片层形式片层形式单位膜模型单位膜模型-蛋白质以单条肽链蛋白质以单条肽链片层形式，通过静片层形式，通过静电作用与磷脂极性头部结合电作用与磷脂极性头部结合（三）流动镶嵌模型（三）流动镶嵌模型 “流动镶嵌模型流动镶嵌模型”（fluid mosaic model）认为）认为膜中脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子膜中脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合，有的嵌在质分子以不同形式与脂双分子层结合，有的嵌在脂双层分子中，有的则附着在脂双层的表面。脂双层分子中，有的则附着在脂双层的表面。流动镶嵌模型流动镶嵌模型 膜蛋白主要以膜蛋白主要以螺旋的球形结构螺旋的球形结构液态镶嵌模型（四）脂筏模型（四）脂筏模型微区（微区（microdomain）：）：微区中富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的微区中富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜蛋白。膜蛋白。脂筏脂筏（lipid rafts）：由于鞘脂的脂肪酸尾比较长，因此这一区域比膜的其由于鞘脂的脂肪酸尾比较长，因此这一区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动。他部分厚，更有秩序且较少流动。脂筏结构模式图脂筏结构模式图 Figure 10-14a Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008)第三节第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输大分子和颗粒物质的穿膜运输 大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜，都是由膜包围形成囊泡，通过一系列膜囊泡膜，都是由膜包围形成囊泡，通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程，故称为小泡运输的形成和融合来完成转运过程，故称为小泡运输（vesicular transport）。）。一、胞吞一、胞吞 胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包围胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程。转运过程。胞吞作用分为三种类型：胞吞作用分为三种类型：吞噬作用吞噬作用 胞饮作用胞饮作用 受体介导的胞吞受体介导的胞吞（一）吞噬作用：吞噬细胞摄入颗粒物（一）吞噬作用：吞噬细胞摄入颗粒物 质质（二）胞饮作用：细胞吞入液体和可溶性（二）胞饮作用：细胞吞入液体和可溶性 物质物质吞噬作用吞噬作用胞饮作用胞饮作用（三）受体介导的胞吞：提高效率（三）受体介导的胞吞：提高效率 LDL受体介导的受体介导的LDL胞吞过程胞吞过程有被小窝与有被小泡有被小窝：受体集中的质膜区域，10-20倍，占质膜2%有被小泡 1.网格蛋白 二聚体：1条重链和1条轻链 3个二聚体：三腿蛋白复合物（网格蛋白）36个三腿蛋白复合物：六角形或五角形，篮网状结构 2.衔接蛋白：多种 3.发动蛋白：GTP结合蛋白有被小窝与有被小泡的形成有被小窝与有被小泡的形成 笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型 引自Molecular Biology of the Cell.4th ed.2002 笼形蛋白衣被小泡的形态 家族性高胆固醇血症常染色体显性遗传病LDL受体基因突变LDL受体异常：受体缺乏和受体结构异常重型纯合子：20岁前后出现动脉硬化轻型杂合子：40岁前后发生动脉硬化，冠心病LDL：肝脏合成。直径22nmLDL的结构-1500个酯化胆固醇、800个磷脂分子、500个游离胆固醇分子Apo-B100-细胞膜上LDL配体 LDL受体-839个氨基酸组成的单次穿膜糖蛋白受体介导的胞吞受体介导的胞吞有有50种以上不同蛋白质种以上不同蛋白质生长因子生长因子淋巴因子淋巴因子铁铁维生素维生素B12病原性微生物：流感病毒，艾滋病毒病原性微生物：流感病毒，艾滋病毒二、胞吐二、胞吐 胞吐作用又称外排作用或出胞作用，指细胞内胞吐作用又称外排作用或出胞作用，指细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程，与胞吞作用过程相反。将物质排出细胞外的过程，与胞吞作用过程相反。胞吐作用胞吐作用 连续性分泌连续性分泌 受调分泌受调分泌连续性分泌和受调分泌连续性分泌和受调分泌 第四节第四节 细胞表面特化结构细胞表面特化结构细胞外被和胞质溶胶一、微绒毛（一、微绒毛（microvillus)直径：直径：0.1um长：长：0.2-1.0um小肠上皮吸收细胞：小肠上皮吸收细胞：1000-3000根根微绒毛二、纤毛（二、纤毛（cilia)和鞭毛和鞭毛(flagella)顶端主杆部基体呼吸道上皮细胞的纤毛电镜照片呼吸道上皮细胞的纤毛电镜照片纤毛纤毛：长：长：5-10um，数目很多，数目很多呼吸道和雌性生殖管道上皮细胞游离面、脑呼吸道和雌性生殖管道上皮细胞游离面、脑室室管膜细胞室室管膜细胞鞭毛鞭毛：长：长：150um，1至数根至数根原生生物或精子原生生物或精子三、褶皱三、褶皱厚度：厚度：0.1um高：几微米高：几微米第五节第五节 细胞膜异常与疾病细胞膜异常与疾病一、胱氨酸尿症是载体蛋白异常性疾病一、胱氨酸尿症是载体蛋白异常性疾病二、肾性糖尿是葡萄糖载体蛋白异常性疾病二、肾性糖尿是葡萄糖载体蛋白异常性疾病三、囊性纤维化是通道蛋白异常性疾病三、囊性纤维化是通道蛋白异常性疾病四、家族性高胆固醇血症是受体异常性疾病四、家族性高胆固醇血症是受体异常性疾病细胞膜上细胞膜上LDL受体缺陷示意图受体缺陷示意图 思考题思考题 1.真核细胞质膜有哪些磷脂分子。真核细胞质膜有哪些磷脂分子。2.细胞膜的化学组成与膜功能的关系。细胞膜的化学组成与膜功能的关系。3.膜内在蛋白、膜外在蛋白、脂锚定蛋白概念。膜内在蛋白、膜外在蛋白、脂锚定蛋白概念。4.常用的去垢剂有哪些？常用的去垢剂有哪些？5.膜生物学特性有哪些？膜的不对称性特点。膜生物学特性有哪些？膜的不对称性特点。6.影响膜流动性的因素。影响膜流动性的因素。7.细胞膜结构模型有哪些？简述各自的特点。细胞膜结构模型有哪些？简述各自的特点。8.脂伐概念。脂伐概念。9.受体介导的胞吞过程。受体介导的胞吞过程。10.受体介导的受体介导的LDL胞吞作用。胞吞作用。11.细胞膜表面特化结构有哪些？结构特点。细胞膜表面特化结构有哪些？结构特点。