细胞生物学：4 细胞膜与物质的跨膜运输

第二篇细胞的结构与功能第二篇细胞的结构与功能第四章：第四章：细胞膜与物质的跨膜运输细胞膜与物质的跨膜运输第五章：第五章：细胞的内膜系统与囊泡转运细胞的内膜系统与囊泡转运第六章：第六章：线粒体与细胞的能量交换线粒体与细胞的能量交换第七章：第七章：细胞骨架与细胞的运动细胞骨架与细胞的运动第八章：第八章：细胞核细胞核第九章：第九章：基因信息的传递与蛋白质的合成基因信息的传递与蛋白质的合成第四章第四章 细胞膜与细胞膜与物质的穿膜运输物质的穿膜运输PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES前言前言细胞膜细胞膜(cell membrane)是细胞质与外界环境相隔开的一层是细胞质与外界环境相隔开的一层界膜，又称界膜，又称质膜质膜(plasma membrane)。质膜上具有高度选。质膜上具有高度选择性的蛋白质分子构成的转运载体和通道，输入或排出一择性的蛋白质分子构成的转运载体和通道，输入或排出一些特殊的物质以保证细胞的正常活动。些特殊的物质以保证细胞的正常活动。信息传递作用：信息传递作用：细胞膜的受体蛋白能感受外界信号，转导细胞膜的受体蛋白能感受外界信号，转导为细胞内信号，从而使细胞对环境变化产生适当的反应。为细胞内信号，从而使细胞对环境变化产生适当的反应。围绕各种细胞器的膜，称为围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜系统细胞内膜系统(endo-(endo-membrane system)membrane system)，将细胞器与胞质溶胶分隔开。，将细胞器与胞质溶胶分隔开。质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为故总称为生物膜生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。命活动的重要物质基础。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University3Most organelles are enclosed by a single membrane2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University4在透射电镜下生物膜呈现为在透射电镜下生物膜呈现为“两暗夹一明两暗夹一明”的三层结的三层结构，即内外电子密度高的构，即内外电子密度高的“暗暗”层，中间夹着电子密层，中间夹着电子密度低的度低的“明明”层，称为层，称为单位膜单位膜(unit membrane)，厚度，厚度约约7nm，是质膜与内膜的共同结构。，是质膜与内膜的共同结构。生物膜生物膜：由脂类、蛋白质和糖类组成的超分子体系，：由脂类、蛋白质和糖类组成的超分子体系，脂类双层排列，构成膜的骨架，蛋白质分布在脂双层脂类双层排列，构成膜的骨架，蛋白质分布在脂双层内，是膜功能内，是膜功能 的体现者。的体现者。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University5第一节第一节 细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成和分子结构和分子结构 一、一、细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成 脂类脂类细胞膜细胞膜 蛋白质蛋白质 糖类糖类膜脂膜脂是膜的基本骨架，是膜的基本骨架，膜蛋白膜蛋白是膜功能的主要体现者。是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有动物细胞膜通常含有等量等量的脂类和蛋白质。的脂类和蛋白质。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University62022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University7(一一)、形成生物膜基本骨架的膜脂、形成生物膜基本骨架的膜脂 膜脂膜脂(membrane lipid)：细胞膜上的脂类，形细胞膜上的脂类，形成膜的基本骨架。主要包括三种类型：成膜的基本骨架。主要包括三种类型：磷脂磷脂 膜脂膜脂 胆固醇胆固醇 糖脂糖脂2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University8 脂质分子是两亲分子，在水溶液中能自动形成双分子层。脂质分子是两亲分子，在水溶液中能自动形成双分子层。被水包围时，疏水的尾部藏在里面，亲水的头部露在外被水包围时，疏水的尾部藏在里面，亲水的头部露在外面，与水接触，两种形式：面，与水接触，两种形式：形成形成球状双分子球状双分子团，把尾部包在团，把尾部包在 里面；里面；形成脂质形成脂质双分子层双分子层，把疏水的，把疏水的 尾部夹在头部中间，游离端往尾部夹在头部中间，游离端往 往自动闭合，形成封闭的脂质体往自动闭合，形成封闭的脂质体 膜脂的存在形式：在水溶液中自动形成双层膜脂的存在形式：在水溶液中自动形成双层2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University92022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University10脂质双分子层对膜的功能至关重要脂质双分子层对膜的功能至关重要构成分隔两个水溶液环境的屏障，不允许水溶性分子、构成分隔两个水溶液环境的屏障，不允许水溶性分子、离子和大多数生物分子通过，保障了细胞内物质的稳定离子和大多数生物分子通过，保障了细胞内物质的稳定 ；脂质双层是粘滞流体，而非固体脂质双层是粘滞流体，而非固体磷脂的脂肪酸有一个或两个双键，长的脂肪酸烃链在膜磷脂的脂肪酸有一个或两个双键，长的脂肪酸烃链在膜内能自由运动，故膜本身是柔韧的；内能自由运动，故膜本身是柔韧的；磷脂和蛋白质可在膜内侧向扩散，与膜的许多功能有关磷脂和蛋白质可在膜内侧向扩散，与膜的许多功能有关2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University11(二二)、膜蛋白行使细胞膜的多种重要功能、膜蛋白行使细胞膜的多种重要功能1.膜蛋白膜蛋白是膜功能的是膜功能的主要体现者主要体现者。载体蛋白载体蛋白胞内外的物质运输胞内外的物质运输连接蛋白连接蛋白细胞间相互作用细胞间相互作用受体蛋白受体蛋白细胞信号转导细胞信号转导各种酶类各种酶类相关的代谢活动相关的代谢活动2.膜蛋白的含量膜蛋白的含量膜蛋白约占膜含量的膜蛋白约占膜含量的4050%。不同细胞中膜蛋白的种。不同细胞中膜蛋白的种类和含量有很大差异，类和含量有很大差异，25%75%不等不等核基因组编码的蛋白质中核基因组编码的蛋白质中30%左右为膜蛋白。左右为膜蛋白。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University123.膜蛋白的基本类型：据估计根据膜蛋白与脂分膜蛋白的基本类型：据估计根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：子的结合方式，可分为：整合蛋白整合蛋白(integral protein)：70-80%，以疏水键和共价键镶嵌在，以疏水键和共价键镶嵌在脂双层内脂双层内，结合紧密。又称，结合紧密。又称内在膜蛋白，跨膜蛋白内在膜蛋白，跨膜蛋白。单次跨膜，。单次跨膜，多次跨膜，多亚基跨膜蛋白。多次跨膜，多亚基跨膜蛋白。外周蛋白外周蛋白(peripheral protein)：20-30%，以离子键、氢键、静电作，以离子键、氢键、静电作用结合在用结合在膜内、外表面膜内、外表面，结合疏松。又称，结合疏松。又称外在膜蛋白外在膜蛋白。脂锚定蛋白脂锚定蛋白(Lipid anchored protein)：位于膜两侧，与外在膜蛋白：位于膜两侧，与外在膜蛋白不同的是以不同的是以共价键共价键与脂双层内的脂分子结合。与脂双层内的脂分子结合。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University13（1 1）膜内在蛋白）膜内在蛋白整合蛋白的整合蛋白的跨膜结构域跨膜结构域可以是可以是1 1至多个疏水的至多个疏水的螺旋，形成亲水通道螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式：两种组成形式：一是由多个两性一是由多个两性螺螺旋组成亲水通道；旋组成亲水通道；二是由两性二是由两性折叠组折叠组成亲水通道。成亲水通道。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University14质膜中的跨膜蛋白质膜中的跨膜蛋白2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University15整合蛋白为整合蛋白为跨膜蛋白跨膜蛋白（tansmembrane proteins），），是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子，非离子型去垢剂型去垢剂Triton-X100。H3C(CH2)11OSO3Na+H3CCCH3CH2CH3CCH3CH3(OCH2CH2)10OHSDSTriton-X1002022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University16（2 2）膜外在蛋白）膜外在蛋白外周蛋白靠外周蛋白靠离子键离子键或其它或其它较弱的键较弱的键与膜表面的蛋白质分子与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。合在膜的外部。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University17,整合蛋白整合蛋白integral protein,外周蛋白外周蛋白peripheral protein,脂锚定蛋白脂锚定蛋白 lipid-anchored protein2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University18(三三)、膜糖、膜糖(糖脂和糖蛋白糖脂和糖蛋白)含量：含量：占细胞重量的占细胞重量的210%210%，存在于，存在于质膜外表面质膜外表面低聚糖低聚糖（110110个单糖或单糖衍生物）个单糖或单糖衍生物）形成方式：形成方式：与膜脂、膜蛋白以与膜脂、膜蛋白以共价键共价键相连，分别形成相连，分别形成糖脂糖脂、糖蛋白糖蛋白功能：功能：有助于蛋白质在膜上的定位与固定，参与细胞识别、有助于蛋白质在膜上的定位与固定，参与细胞识别、物质交换、接触抑制等与周围环境的相互作用。物质交换、接触抑制等与周围环境的相互作用。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University19糖脂糖脂Glycolipids 糖蛋白糖蛋白Glycoprotein2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University202022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University21细胞外被细胞外被动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被细胞外被或或糖萼糖萼。用重金属染料。用重金属染料,如钌红染色后，在电镜下可显示如钌红染色后，在电镜下可显示厚约厚约1020nm1020nm的结构，边界不甚明确。的结构，边界不甚明确。作用：作用：保护，细胞通信，并与细胞表面的抗原性有关。保护，细胞通信，并与细胞表面的抗原性有关。红细胞质膜上的糖鞘脂是红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0AB0血型血型系统的血型抗原，糖系统的血型抗原，糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A A型型血的糖链末端为血的糖链末端为N-N-乙酰半乳糖；乙酰半乳糖；B B型血为半乳糖；型血为半乳糖；OO型型血则缺少这两种糖基。血则缺少这两种糖基。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University22细胞外被（糖萼）的结构组成寡糖链寡糖链含亲水基团，吸引离子含亲水基团，吸引离子富含唾液酸，排斥伸展富含唾液酸，排斥伸展2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University232022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University24Simplified diagram of the cell coat(glycocalyx)2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University25炎症反应中，细菌感染早期阶段，噬中性粒细胞表面的糖类被感染部炎症反应中，细菌感染早期阶段，噬中性粒细胞表面的糖类被感染部位的血管上皮细胞上的凝集素识别，使之黏附在血管上，通过血流迁位的血管上皮细胞上的凝集素识别，使之黏附在血管上，通过血流迁移到感染组织内，清除细菌。移到感染组织内，清除细菌。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University26二、生物膜的特性二、生物膜的特性具有两个显著特性：具有两个显著特性：膜的不对称性（膜的不对称性（asymmetryasymmetry）膜的流动性（膜的流动性（fluidityfluidity）2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University27(一一)、细胞膜的不对称性、细胞膜的不对称性质膜内外两层的组分和功能的差异，称为质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不膜的不对称性。对称性。膜中各种成分在脂双分子层中分布的不均一、不膜中各种成分在脂双分子层中分布的不均一、不对称性，导致膜功能的不对称性和方向性，与细对称性，导致膜功能的不对称性和方向性，与细胞膜的功能有密切关系。胞膜的功能有密切关系。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University281.1.膜脂分布的不对称膜脂分布的不对称相对不对称：相对不对称：磷脂和胆固醇磷脂和胆固醇数量差异数量差异外层：卵磷脂，磷脂酰胆碱外层：卵磷脂，磷脂酰胆碱(PC)(PC)，鞘磷脂，鞘磷脂(SM)(SM)，胆固醇多；，胆固醇多；内层：磷脂酰乙醇胺内层：磷脂酰乙醇胺(PE)(PE)，磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸(PS)(PS)多多绝对不对称：绝对不对称：糖脂糖脂非胞质非胞质 面面不同膜性细胞器中脂类组成不同膜性细胞器中脂类组成 成分不同成分不同2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University292.2.膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性绝对不对称绝对不对称。每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定。每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的的方向性方向性和分布的和分布的区域性区域性，其定位也是不对称的。，其定位也是不对称的。各种激素的受体具有极性，各种激素的受体具有极性，ATPATP酶、酶、5-5-核苷酸酶分布于膜的外表面核苷酸酶分布于膜的外表面腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶(cAMP)(cAMP)则分布于膜的内表面则分布于膜的内表面不对称分布对完成其生物学功能很重要。不对称分布对完成其生物学功能很重要。3.3.膜糖的不对称性膜糖的不对称性糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面质膜外表面内膜系统中，寡糖侧链分别于内膜系统中，寡糖侧链分别于膜腔的内侧面膜腔的内侧面2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University30(二二)、膜的流动性、膜的流动性有膜脂和蛋白质的分子运动，由两个方面组成：有膜脂和蛋白质的分子运动，由两个方面组成：1.1.膜脂的膜脂的流动性流动性：脂双层脂双层是一种二维流体是一种二维流体2.2.膜蛋白的膜蛋白的运动性运动性：膜蛋白膜蛋白分子在质膜中的运动分子在质膜中的运动2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University311.1.膜脂双层膜脂双层是一种二维流体是一种二维流体在生理条件下，膜脂既有固体分子排列的有序性，又具有在生理条件下，膜脂既有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性，是居于晶态和液态之间的液体的流动性，是居于晶态和液态之间的液晶态液晶态温度的改变使膜可以在晶态和液态之间转换，这种膜脂状温度的改变使膜可以在晶态和液态之间转换，这种膜脂状态的改变称为态的改变称为“相变相变”，发生相变的临界温度称为膜的，发生相变的临界温度称为膜的“相变温度相变温度”。液晶态的膜处于流动状态，与运动状态的膜蛋白协同完成液晶态的膜处于流动状态，与运动状态的膜蛋白协同完成膜的各项功能活动膜的各项功能活动2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University322 2、膜脂分子的运动方式、膜脂分子的运动方式1.1.侧向扩散：侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置同一平面上相邻的脂分子交换位置2.2.旋转运动：旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。3.3.摆动运动：摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。4.4.伸缩震荡：伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。5.5.翻转运动：翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（翻转酶（flippaseflippase）的催化下完成。）的催化下完成。6.6.烃链旋转异构：烃链旋转异构：脂肪酸链围绕脂肪酸链围绕C-CC-C键旋转，导致异构化运动。键旋转，导致异构化运动。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University333.3.脂双层的流动性依赖于其组成成分脂双层的流动性依赖于其组成成分胆固醇胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。脂肪酸链的饱和度和链长脂肪酸链的饱和度和链长：脂肪酸链所含双键越多，越不：脂肪酸链所含双键越多，越不饱和，使膜流动性增加。长链脂肪酸相变温度高，膜流动饱和，使膜流动性增加。长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。性降低。卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂鞘磷脂：该比例高则：该比例高则 膜流动性增加，因为鞘磷脂膜流动性增加，因为鞘磷脂 粘度高于卵磷脂。粘度高于卵磷脂。膜蛋白膜蛋白的影响：膜蛋白和膜脂的影响：膜蛋白和膜脂 的结合方式、温度、酸碱度、的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。离子强度等。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University344.4.膜蛋白在脂膜中的运动膜蛋白在脂膜中的运动主要有主要有侧向扩散侧向扩散和和旋转扩散旋转扩散两种运动方式。两种运动方式。侧向扩散：侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面上扩膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面上扩散散旋转扩散：旋转扩散：指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动 膜蛋白的侧向运动受膜蛋白的侧向运动受细胞骨架细胞骨架的限制，破坏微丝的药物的限制，破坏微丝的药物如如细胞松弛素细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。能促进膜蛋白的侧向运动。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University352022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University36膜流动性的生理意义膜流动性的生理意义质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。(跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用细胞分化以及激素的作用)当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止；运输将停止；反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University37三、三、细胞膜的分子结构模型细胞膜的分子结构模型细胞膜研究简史：细胞膜研究简史：18901890年，初步明确细胞膜是由脂类组成年，初步明确细胞膜是由脂类组成19251925年，提出红细胞膜是由双层磷脂分子组成年，提出红细胞膜是由双层磷脂分子组成19351935年，提出年，提出“片层结构模型片层结构模型”19591959年，提出年，提出“单位膜模型单位膜模型”19721972年，提出年，提出“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”19751975年，提出年，提出“晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型”19771977年，提出年，提出“板块镶嵌模型板块镶嵌模型”近年提出近年提出“脂筏模型脂筏模型”2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University38 (一一)、片层结构模型，、片层结构模型，1935193519351935年年James DanielliJames Danielli和和Hugh DavsonHugh Davson所提出，又称三明治所提出，又称三明治式模型。式模型。脂双层的内外两侧都是由一层蛋白质包被，即脂双层的内外两侧都是由一层蛋白质包被，即蛋白质蛋白质-脂脂-蛋蛋白质白质的三层的三层夹板结构夹板结构。这一模型是第一次用分子术语描述的结构这一模型是第一次用分子术语描述的结构,并将膜结构同所并将膜结构同所观察到的生物学理化性质联系起来观察到的生物学理化性质联系起来,对后来的研究有很大的对后来的研究有很大的启发。启发。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University39(二二)、单位膜模型，、单位膜模型，19591959J.D.Robertson 1959 J.D.Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，电镜下显示膜照片，电镜下显示暗暗-明明-暗暗三层结构，三层结构，各种生物膜在结构上的各种生物膜在结构上的共同特点共同特点：它由厚约：它由厚约3.5nm3.5nm的双的双层脂分子和内外表面各厚约层脂分子和内外表面各厚约2nm2nm的蛋白质构成，总厚约的蛋白质构成，总厚约7.5nm7.5nm。磷脂双分子层磷脂双分子层构成膜的主体，极性头部向外，与附着的构成膜的主体，极性头部向外，与附着的蛋白质构成暗带蛋白质构成暗带，脂分子脂分子的疏水尾向的疏水尾向 内构成内构成明带明带2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University40单位膜模型单位膜模型最重要的修改是膜脂双分子层内外两侧最重要的修改是膜脂双分子层内外两侧蛋白质的存在方式蛋白质的存在方式不同。单位膜模型强调的是蛋白质为单层伸展的不同。单位膜模型强调的是蛋白质为单层伸展的折叠片折叠片状，而不是球形蛋白。状，而不是球形蛋白。该模型认为膜的外侧表面的膜蛋白是糖蛋白，而且膜蛋白该模型认为膜的外侧表面的膜蛋白是糖蛋白，而且膜蛋白在两侧的分布是在两侧的分布是不对称不对称的。这一模型能够解释细胞质膜的的。这一模型能够解释细胞质膜的一些基本特性，例如：一些基本特性，例如：质膜有很高的电阻，膜脂的非极性端的碳氢化合物是不良导体；质膜有很高的电阻，膜脂的非极性端的碳氢化合物是不良导体；膜脂对脂溶性强的非极性分子有较高的通透性，而脂溶性弱的小分膜脂对脂溶性强的非极性分子有较高的通透性，而脂溶性弱的小分子则不易透过膜。子则不易透过膜。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University41单位膜不足之处：单位膜不足之处：1.1.该模型把膜看成是静止的，无法说明膜如何适应细胞生该模型把膜看成是静止的，无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化；命活动的变化；2.2.不同的膜其厚度不都是不同的膜其厚度不都是7.5 nm,7.5 nm,一般在一般在5 510 nm10 nm之间；之间；3.3.如果蛋白质是伸展的如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构型的关系。则不能解释酶的活性同构型的关系。4.4.该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。些则很难。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University42(三三)、流动镶嵌模型，、流动镶嵌模型，1972由由S.J.Singer&G.Nicolson(1972)S.J.Singer&G.Nicolson(1972)根据免疫荧光技术、冰根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果提出。冻蚀刻技术的研究结果提出。该模型较好地解释了生物膜的概念特点，为普遍接受的膜该模型较好地解释了生物膜的概念特点，为普遍接受的膜结构模型。结构模型。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University43 根据根据Fluid-mosaic model：1.1.细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。2.2.磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；膜骨架；3.3.蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。脂层，表现出分布的不对称性。晶格镶嵌模型晶格镶嵌模型：可逆地进行无序：可逆地进行无序(液态液态)和有序和有序(晶态晶态)的相变的相变 板快镶嵌模型板快镶嵌模型：不同流动性的板块镶嵌成的动态结构，有序：不同流动性的板块镶嵌成的动态结构，有序结构的结构的“板块板块”和无序结构的和无序结构的“板块板块”对上述模型的补充说明对上述模型的补充说明2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University442022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University45细胞膜流动镶嵌模型细胞膜流动镶嵌模型2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University462022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University47(四四)、脂筏模型、脂筏模型脂筏脂筏(lipid rafts)：脂双分子层不是一个均匀二维流体，内脂双分子层不是一个均匀二维流体，内部存在富含部存在富含胆固醇和鞘磷脂以及特定种类膜蛋白组成的胆固醇和鞘磷脂以及特定种类膜蛋白组成的微微结构域结构域(microdomain)约约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。介于无序液体与液晶之间，称为介于无序液体与液晶之间，称为有序液体有序液体（Liquid-ordered）。）。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜（垢剂膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。）。就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。选均有密切的关系。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University48Lipid rafts are an example of a membrane microdomain2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University49Antibodies to placental alkaline phosphatase(PLAP)Antibodies to transferrin receptor(TfR)2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University50脂筏中的胆固醇就像胶水一样，它对具有饱和脂脂筏中的胆固醇就像胶水一样，它对具有饱和脂肪酸链的鞘磷脂亲和力很高，而对不饱和脂肪酸肪酸链的鞘磷脂亲和力很高，而对不饱和脂肪酸链的亲和力低；链的亲和力低；膜中的鞘磷脂主要位于外小页，而且大部分都参膜中的鞘磷脂主要位于外小页，而且大部分都参与形成脂筏。与形成脂筏。估计脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。估计脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。脂筏的大小是可以调节的，小的独立脂筏可能在保持信脂筏的大小是可以调节的，小的独立脂筏可能在保持信号蛋白呈关闭状态方面具有重要作用，号蛋白呈关闭状态方面具有重要作用，当必要时，这些小的脂筏聚集成大一个大的平台，在那当必要时，这些小的脂筏聚集成大一个大的平台，在那里信号分子（如受体）将和它们的配体相遇，启动信号里信号分子（如受体）将和它们的配体相遇，启动信号传递途径。传递途径。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University51(五五)、细胞膜的功能、细胞膜的功能细胞质膜的细胞质膜的主要功能主要功能概括如下：概括如下：1.1.为细胞的生命活动提供相对为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境稳定的内环境；2.2.选择性的选择性的物质运输物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；排出；3.3.提供细胞提供细胞识别位点识别位点，并完成细胞内外信息的，并完成细胞内外信息的跨膜传递跨膜传递；4.4.为多种为多种酶酶提供提供结合位点结合位点，使酶促反应高效而有序地进行，使酶促反应高效而有序地进行5.5.介导细胞与细胞、细胞与基质之间的介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接连接；6.6.参与形成具有不同功能的细胞参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构表面特化结构。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University52趣味思考题：趣味思考题：5 5位同学总是坐在同一排，可能是因为：位同学总是坐在同一排，可能是因为：1 1）他们真的是彼此喜欢；）他们真的是彼此喜欢；2 2）没有其他人想坐在他们旁边。）没有其他人想坐在他们旁边。哪种解释更符合脂双层的装配机理？，假定是另一种方哪种解释更符合脂双层的装配机理？，假定是另一种方式，则脂双层的性质将会如何改变？式，则脂双层的性质将会如何改变？2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University53第二节第二节 小分子物质的跨膜运输小分子物质的跨膜运输一、质膜物质运输概述一、质膜物质运输概述质膜的最基本特点：质膜的最基本特点：能够维持不同的物质浓度能够维持不同的物质浓度完成不同的生命活动完成不同的生命活动这些物质中有生物大分子，有离子这些物质中有生物大分子，有离子维持物质的不同浓度有双重作用：维持物质的不同浓度有双重作用：保持细胞代谢的稳定保持细胞代谢的稳定进行必要的物质交换，包括代谢物的排除和分泌及营养物质的吸进行必要的物质交换，包括代谢物的排除和分泌及营养物质的吸收收2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University54(一一)、物质运输范畴、物质运输范畴细胞进行的物质运输，有细胞进行的物质运输，有3 3种不同的范畴：种不同的范畴：细胞运输细胞运输(cellular transport)(cellular transport)：这种运输主要是这种运输主要是细胞与细胞与环境间环境间的物质交换；的物质交换；胞内运输胞内运输(intracellular transport)(intracellular transport)：是真核生物细胞内是真核生物细胞内膜膜结合细胞器结合细胞器与与细胞内环境细胞内环境进行的物质交换；进行的物质交换；转细胞运输转细胞运输(transcellular transport)(transcellular transport)：这种运输是物质这种运输是物质穿越细胞穿越细胞的运输。在多细胞生物中，整个细胞层作为半的运输。在多细胞生物中，整个细胞层作为半透性的障碍，如植物根部细胞吸收水和矿物质，再运输透性的障碍，如植物根部细胞吸收水和矿物质，再运输到其他组织中去。到其他组织中去。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University55(二二)、膜运输机制：、膜运输机制：被动运输与主动运输被动运输与主动运输 被动运输与主动运输的被动运输与主动运输的差异：差异：起始条件不同起始条件不同运输方式不同运输方式不同产生的结果不同产生的结果不同被动运输被动运输倾向于细胞内外倾向于细胞内外物质浓度的平衡，不消耗物质浓度的平衡，不消耗化学能化学能主动运输主动运输打破细胞内外物打破细胞内外物质浓度的平衡，使用化学质浓度的平衡，使用化学能建立浓度梯度能建立浓度梯度2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University56物质输入细胞的四种方式物质输入细胞的四种方式溶质分子可通过四种不同的方式跨膜运输到细胞内溶质分子可通过四种不同的方式跨膜运输到细胞内物质跨膜运输的四种基本机物质跨膜运输的四种基本机制。图中用较大号字母表示制。图中用较大号字母表示溶液的高浓度。溶液的高浓度。(a)(a)通过脂双层的简单扩散；通过脂双层的简单扩散；(b)(b)通过膜整合蛋白形成的通过膜整合蛋白形成的水性通道进行的被动运输水性通道进行的被动运输;(c)(c)通过同膜蛋白的结合进通过同膜蛋白的结合进行的协助扩散，也同行的协助扩散，也同(a)(a)和和(b)(b)一样，只能从高浓度向低浓一样，只能从高浓度向低浓度运输度运输;(d)(d)通过载体介导的主动运通过载体介导的主动运输，这种载体主要是酶，能输，这种载体主要是酶，能够催化物质从低浓度向高浓够催化物质从低浓度向高浓度运输。度运输。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University57(三三)、膜运输蛋白、膜运输蛋白（membrane transport proteinmembrane transport protein）被动运输被动运输中：跨膜蛋白，根据作用方式：中：跨膜蛋白，根据作用方式：通道蛋白：通道蛋白：提供一个提供一个亲水通道亲水通道，不与物质结合，不与物质结合载体蛋白：载体蛋白：与运输的物质与运输的物质结合结合不需要不需要ATPATP，顺浓度梯度，顺浓度梯度主动运输主动运输：由特殊的由特殊的膜蛋白膜蛋白帮助帮助泵泵(pump)(pump)酶蛋白，水解酶蛋白，水解ATPATP，利用，利用ATPATP水解的能量水解的能量逆浓度逆浓度梯度运输梯度运输2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University58二、被动运输二、被动运输 简单扩散简单扩散被动运输被动运输 通道蛋白通道蛋白 促进扩散促进扩散 载体蛋白载体蛋白2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University59(一一)、扩散与渗透、扩散与渗透通过通过扩散扩散跨膜进入细胞必须具备跨膜进入细胞必须具备两个两个条件：条件：第一，该物质在细胞外的浓度很高；第一，该物质在细胞外的浓度很高；第二，细胞膜必须对这种物质具有通透性，对此必须满第二，细胞膜必须对这种物质具有通透性，对此必须满足下列条件之一：足下列条件之一：自身能直接穿过脂双层自身能直接穿过脂双层质膜中有可允许其通过的跨膜孔道质膜中有可允许其通过的跨膜孔道2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University60细胞质膜有两个基本特性：细胞质膜有两个基本特性：允许允许小分子小分子物质通过物质通过扩散扩散(diffusion)(diffusion)穿过细胞膜穿过细胞膜也可以让也可以让水水通过通过渗透渗透(osmosis)(osmosis)通过细胞质膜通过细胞质膜扩散扩散(diffusion)(diffusion)和渗透和渗透(osmosis)(osmosis)是两个不同的概念是两个不同的概念：扩散：扩散：是指是指溶质溶质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向 低浓度一侧移动的过程，称为简单扩散。单个分子的随机低浓度一侧移动的过程，称为简单扩散。单个分子的随机运动，结果是两侧浓度达到平衡。不需要消耗化学能。运动，结果是两侧浓度达到平衡。不需要消耗化学能。渗透：渗透：则是指则是指水分子以及溶剂水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。水的通过半透性膜的扩散。水的扩散同样是从自由能高的部位向自由能低的部位移动，水扩散同样是从自由能高的部位向自由能低的部位移动，水是从溶质浓度低的地方向溶质浓度高的地方流动。是从溶质浓度低的地方向溶质浓度高的地方流动。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University61在简单在简单扩散扩散中，膜允许中，膜允许溶质透过；溶质从浓度溶质透过；溶质从浓度高的一侧移向浓度低的高的一侧移向浓度低的一侧，当达到平衡时，一侧，当达到平衡时，两侧的浓度相等。两侧的浓度相等。在在渗透渗透中，膜不允许溶中，膜不允许溶质透过，但是，水能够质透过，但是，水能够从溶质浓度低的一侧向从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧扩散。溶质浓度高的一侧扩散。当达到平衡时，两侧溶当达到平衡时，两侧溶质的浓度是相等的，但质的浓度是相等的，但含有过多水分的一侧具含有过多水分的一侧具有较高水压。有较高水压。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University62由于细胞的渗透现象，使得细胞在不同浓度的溶液中，会由于细胞的渗透现象，使得细胞在不同浓度的溶液中，会发生膨胀发生膨胀(swell)(swell)或收缩或收缩(shrink)(shrink)。这种现象取决于溶液中的溶质和细胞中该物质的浓度。这种现象取决于溶液中的溶质和细胞中该物质的浓度。动物细胞动物细胞置于高渗溶液中，水从细胞中渗出，细胞收缩；置于高渗溶液中，水从细胞中渗出，细胞收缩；在低渗溶液中则吸水在低渗溶液中则吸水 膨胀和破裂。膨胀和破裂。植物细胞植物细胞于高渗溶液于高渗溶液 中发生质壁分离；而中发生质壁分离；而 在低渗溶液中，细胞在低渗溶液中，细胞 壁破裂，由于水的进壁破裂，由于水的进 入，细胞内的压力升入，细胞内的压力升 高，使细胞变得坚硬高，使细胞变得坚硬 动物细胞和植物细胞在不同浓度的蔗糖溶液中的行为动物细胞和植物细胞在不同浓度的蔗糖溶液中的行为 2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University63(二二)、被动运输：、被动运输：简单扩散及限制因素简单扩散及限制因素简单扩散：自由扩散（简单扩散：自由扩散（free diffusingfree diffusing），特点：），特点：沿沿浓度梯度浓度梯度（或电化学梯度）扩散；（或电化学梯度）扩散；不需要不需要提供能量；提供能量；没有膜蛋白没有膜蛋白的协助。的协助。并非适合于任何物质，有一定的限制：并非适合于任何物质，有一定的限制：物质的脂溶性物质的脂溶性分子大小分子大小带电性带电性2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University642022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University651.1.脂溶性越高通透性越大脂溶性越高通透性越大脂溶性脂溶性(在油在油/水中的分配系数水中的分配系数)越高，越容易通过越高，越容易通过质膜质膜2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University662.2.相对分子质量相对分子质量相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。根据实相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。根据实验结果，推测质膜的通透性孔径不会大于验结果，推测质膜的通透性孔径不会大于0.50.51.0nm1.0nm，能，能够扩散的最小分子是水分子。够扩散的最小分子是水分子。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University673.3.物质的带电性物质的带电性所有带电荷的分子所有带电荷的分子(离子离子)，不管它多小，不管它多小，都不能自都不能自由扩散由扩散一般说来，气体分子一般说来，气体分子(如如OO2 2、COCO2 2、NN2 2)、小的不、小的不带电的极性分子带电的极性分子(如尿素、如尿素、乙醇乙醇)、脂溶性的分子等、脂溶性的分子等易通过质膜，易通过质膜，大的不带电的极性分子大的不带电的极性分子(如葡萄糖如葡萄糖)和各种带电的和各种带电的极性分子都难以通过质极性分子都难以通过质膜膜2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University684.4.人工膜人工膜:不含蛋白质的脂双层不含蛋白质的脂双层脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H H2 2OO、OO2 2等可以透过人工脂双层，但速度较慢；等可以透过人工脂双层，但速度较慢；小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；糖则很难透过；对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University69人工膜的通透性2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University70促进扩散促进扩散(facilitated diffusion)facilitated diffusion)：是指非脂溶性物质或亲水性是指非脂溶性物质或亲水性物质，物质，如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞膜上的如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞膜上的膜蛋膜蛋白白的帮助的帮助顺浓度顺浓度梯度或梯度或顺电化学顺电化学浓度梯度，浓度梯度，不消耗不消耗ATPATP进进入膜内的一种运输方式。入膜内的一种运输方式。促进扩散同样不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓促进扩散同样不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓度进行度进行 。(三三)、被动运输：促进扩散及特点、被动运输：促进扩散及特点 2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University71促进扩散促进扩散同简单扩散相比，具有以下一些同简单扩散相比，具有以下一些特点特点促进扩散的速度要促进扩散的速度要快快几个数量级。几个数量级。具有具有饱和性饱和性：当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，促进扩散的速度不再提高促进扩散的速度不再提高(图图)。具有高度的具有高度的选择性选择性：如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖运输，但不帮助与葡萄糖 结构类似的糖类运输。结构类似的糖类运输。膜运输蛋白的运输作用膜运输蛋白的运输作用 也会受到类似于酶的也会受到类似于酶的竞竞 争性抑制争性抑制，以及蛋白质，以及蛋白质 变性剂的抑制作用。变性剂的抑制作用。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University72(四四)、通道蛋白与促进扩散、通道蛋白与促进扩散 通道蛋白通道蛋白(channel protein)(channel protein)：是一类横跨质膜，它们都是是一类横跨质膜，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道水性通道，允许适允许适宜的分子通过。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有宜的分子通过。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输被动运输，并且是从高浓度向低浓度运输，所以并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗不消耗能量。能量。门控通道（门控通道（gated channelgated channel）现已鉴定过的离子通道蛋白在现已鉴定过的离子通道蛋白在膜中都有开和关两种构型相当于门，所以将通道蛋白形成膜中都有开和关两种构型相当于门，所以将通道蛋白形成的通道称为门控通道的通道称为门控通道极性（带电性）通道的形成极性（带电性）通道的形成(a)(a)由单亚基膜蛋白形成的通由单亚基膜蛋白形成的通 道；道；(b)(b)由多亚基蛋白形成的通道。由多亚基蛋白形成的通道。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University73门控通道的类型门控通道的类型1.1.电压门控通道电压门控通道2.2.配体门控通道：细胞外，细胞内配体配体门控通道：细胞外，细胞内配体3.3.应力激活通道应力激活通道几种不同的门控离子通道几种不同的门控离子通道2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University741.1.电压电压-门控通道门控通道(voltage-gated channels)(voltage-gated channels)跨膜电位的改变跨膜电位的改变诱发通道蛋白构象变化，使通道开放，诱发通道蛋白构象变化，使通道开放，离子顺浓度梯度自由扩散通过细胞膜。离子顺浓度梯度自由扩散通过细胞膜。通道开放时间仅有通道开放时间仅有几毫秒几毫秒，随即迅速自发关闭。，随即迅速自发关闭。主要存在于可主要存在于可兴奋细胞兴奋细胞，如神经元、肌细胞及腺上皮，如神经元、肌细胞及腺上皮细胞等。细胞等。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University75例：含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲例：含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲 2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University76Ion-channel linked receptors in neurotransmission神经肌肉接点由神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门中的电位门Na+通道和通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网 Ca2+通道打开，通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。进入细胞质，引发肌肉收缩。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University77K K+电位电位-门控通道门控通道K K+电位门通道由四电位门通道由四个个亚单位亚单位(I-IV)(I-IV)构构成，每个亚单位均成，每个亚单位均有有6 6个个(S1-S6)(S1-S6)跨膜跨膜螺旋节段，螺旋节段，NN和和C C端均位于胞质面。端均位于胞质面。连接连接S5-S6S5-S6段的发夹段的发夹样样折叠折叠 (P(P区或区或H5H5区区)，构成通道，构成通道的内衬，大小可允的内衬，大小可允许许K K+通过。通过。目前认为目前认为S4段是段是电压感受器电压感受器 2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University782.2.配体配体-门控通道门控通道(ligand gated channel)(ligand gated channel)离子通道型受体离子通道型受体这类通道在其细胞内外的这类通道在其细胞内外的特定配体特定配体(ligand)(ligand)与其表面受体与其表面受体结合时发生反应。结合时发生反应。2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University79分为分为:阳离子通道：阳离子通道：如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体阴离子通道：阴离子通道：如甘氨酸和如甘氨酸和氨基丁酸的受体。氨基丁酸的受体。例：乙酰胆碱受体例：乙酰胆碱受体 乙酰乙酰胆碱受体胆碱受体 2022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University802022-11-15Wanghs Sun Yat-sen University813.3.应力激活通道应力激活通道(stress-activated channel)通道蛋白通道蛋白受应力作用受应力作用，引起构象改变而开启闸门，离子通，引起构象改变而开启闸门，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号。过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号。内耳毛细胞内耳毛细胞的离子通道的离子通道:声音的振动推开应力激活通道，声音的振动推开应力激活通道，允许离子进入听觉毛细胞，建立电信号，从毛细胞传递到允许离子进入听觉毛细胞，建立电信号，从毛细胞传递到听觉神经，再到脑。听觉神经，再到脑。听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理 a.a.听觉系统的组织结构听觉系统的组织结构 b.b.听觉信号的传递听觉信号的传递2022-11-15Wanghs Sun Y