膜分子结构和特性膜物质转运

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,医学细胞生物学,王 敏,1,细胞膜的分子结构及特性,2,Contents,细胞膜的分子结构,膜的理化特征,3,第一节,细胞膜的化学组成,膜的化学组成,2%-10%,糖 类,20%-70%,蛋白质,水、无机盐、金属离子等,其 他,30%-60%,脂 质,含量,成分,5,一、膜脂,1,、磷脂,磷酸甘油酯,鞘磷脂,2,、胆固醇,3,、糖脂,：脑苷脂,、,神经节苷脂,磷脂酰胆碱（卵磷脂）,磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）,磷脂酰丝氨酸,6,鞘氨醇,磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰胆碱 鞘磷脂,7,胆固醇,与磷脂的碳氢链相互作用，增加质膜的强度，降低膜的流动性,8,糖脂,：脑苷脂,、,神经节苷脂,半乳糖脑苷脂,GM1,神经节苷脂,鞘磷脂,9,膜脂的共同特征：兼性分子,（双亲媒性分子）,非极性尾部,疏水,极性头部,亲水,10,膜脂分子的物理特性,脂质体,分子团,磷脂双层,11,二、膜蛋白,按照与膜的结合关系分类,：,1,、镶嵌蛋白质,（,mosaic protein,）,内在蛋白质,2,、周围蛋白质,（,peripheral protein,）,外在蛋白质,12,分子结构,：,膜蛋白主要是球状蛋白质，单体或多聚体。一般为,螺旋。,13,三、膜糖类,1,、结构：,一般由,1,10,个单糖或单糖衍生物（葡萄糖、葡萄糖胺、半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、岩藻糖、唾液酸等）组成寡糖链（直链、分支链）,14,2,、存在方式：糖脂、糖蛋白,15,一、膜的分子结构模型,1902,，,Overton,，细胞膜由脂类构成,1925,，,Gorter,等， 膜由双层脂类构成,1935,，,Denielli,等，片层结构模型,1972,，,S.J.Singer,等，液态镶嵌模型,1975,，,Wallach,，晶格镶嵌模型,1977,，,Jain,等，板块镶嵌模型,1959,，,Roberson,，单位膜模型,16,一、片层结构模型,( lamella structure model ),1935,年年提出：,“,球状蛋白,-,磷脂,-,球状蛋白,”,三夹板结构。,17,二、单位膜模型（,unit membrane model,）,20,世纪,50,年代提出：,“,两暗一明,”,的结构,18,三、液态镶嵌模型 （,fluid mosaic model,）,19,液态镶嵌模型,（,fluid mosaic model,）,观点：,1,、流动的脂双层构成膜的连续主体；,流动性,有序性,2,、球状蛋白质镶嵌在脂双层中；,分布不对称性,缺陷：,忽视蛋白质对脂类流动性的控制；,忽视膜各部分流动性的不均一性。,20,1,、液态与晶态、有序,与无序之间变化；,2,、强调流动的局部性。,（四）晶格镶嵌模型,1,、有序结构板块被无,序的流动板块分割；,2,、板块流动性不同。,（五）板块镶嵌模型,21,膜脂,分布的不对称性,膜蛋白,分布的不对称性,膜糖,分布的不对称性,二、膜的理化特征,（一）膜的不对称性,功能的方向性,22,膜脂分布的不对称性,外层磷脂层,占磷脂总量的百分数,胞质面磷脂层,磷脂总量,神经磷脂,磷脂酰胆碱,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰乙醇胺,23,冰冻蚀刻技术示意图,糖链,外层,内层,蛋白质,磷脂,24,膜蛋白、膜糖,分布的不对称性,蛋白颗粒在内外两层磷脂中的分布不同,跨膜蛋白两亲水端的不对称分布,25,（二）膜的流动性,1,、膜脂的流动性,1.,侧向扩散,2.,旋转运动,3.,摆动运动,4.,伸缩震荡,5.,翻转运动,6.,旋转异构,26,2,、膜蛋白的运动性,45,分钟后,人细胞,小鼠细胞,融合细胞,人,-,鼠细胞融合过程中膜蛋白的相互扩散运动,27,成帽反应,荧光素标记蛋白,激光漂白某一区域,荧光恢复,荧光漂白恢复法,28,3,、影响膜流动性的因素,（,1,）脂肪酸链的长度和不饱和程度,（,2,）胆固醇与磷脂的比例,（,3,）卵磷脂与鞘磷脂的比例,（,4,）膜蛋白的影响,（,5,）其他因素（环境温度、,pH,等）,29,脂肪酸链的长度和不饱和程度的影响,胆固醇的影响,30,晶态,液晶态,液态,温度对膜流动性的影响,31,膜蛋白的功能,转运蛋白,连接蛋白,受 体,酶,X Y,32,细胞膜与物质转运,Contents,穿膜运输,膜泡运输,34,穿膜运输,（气体、离子、小分子）,溶质跨膜运输的两种方式,膜泡运输,（大分子、颗粒物质）,35,一、穿膜运输,（,transmembrane transport,）,气体、离子、小分子的运输方式,大部分需借助于膜上的镶嵌蛋白质,耗能或不耗能,36,（一）穿膜运输的特性,水可以快速穿膜：体积小，膜上有水通道。,分子量小、脂溶性强则容易通过膜：,O,2,，,苯；,不带电荷极性分子，小分子比大分子容易穿膜：,CO,2,乙醇,尿素,甘油,葡萄糖,脂双层膜对,所有带电荷,的分子或离子,高度不通透；,37,38,苯、醇、甾类激素,O,2,，,H,2,O,，,CO,2,，,N,2,葡萄糖、氨基酸,H,Na,+,人,工,脂,双,层,葡萄糖、带电荷的离子（,H,、,Na,+,、,K,+,Ca,2+,等）怎样穿膜？,转运蛋白参与！,39,（二）某些溶质的穿膜工具：转运蛋白,通道蛋白,（,channel protein,）,水通道、离子通道,载体蛋白,(carrier protein),葡萄糖载体,40,41,（三）控制溶质转运方向的因素,顺浓度梯度,顺电化学梯度,被动运输,（,passive transport,）,“,下坡,”,逆浓度梯度,逆电化学梯度,“,上坡,”,主动运输,（,active transport,）,耗能,42,（四）,穿膜运输的方式,1,、,简单扩散,simple diffusion,2,、,离子通道,扩散,ion channel diffusion,3,、,易化扩散,facilitated diffusion,4,、,离子泵,ion pump,5,、,伴随,运输,cotransport,43,1,、,简单扩散,：,simple diffusion,举例,脂溶性物质、气体物质、水,特点,不耗能、不需膜蛋白、依靠物质浓度差。,44,2,、离子通道扩散,ion channel diffusion,分类,A,电压门通道：,靠膜电位，,Na,+,、,K,+,、,Ca,2,等离子通道；,B,配体门通道,：依靠化学物质（配体）与受体的结合，如乙酰胆碱通道。,C,机械门通道,：内耳听觉毛细胞,特点,A,“,通道蛋白”；,B,选择性；,C,门控性；,D,瞬间、大量通过；,F,不耗能,45,通道蛋白,（,channel protein,）,通道蛋白模式图,通道蛋白肽链以,螺旋,7次穿膜，中间形成亲水通道,46,离子通道的几种类型,:,电压门通道,配体门通道,机械门通道,47,电压门通道,(voltage-gated channel),48,配体门通道,49,机械门通道,(mechanical-gated channel),依靠机械压力，例如：听觉毛细胞,50,51,举例,非脂溶性物质，如,葡萄糖,、氨基酸、核苷酸进入红细胞。,3,、易化扩散（帮助扩散）,facilitated diffusion,特点,（,1,）需“载体蛋白”（镶嵌蛋白质）,（,2,）高度特异性,（,3,）饱和性,（,4,）不耗能,52,载体蛋白易位机制,53,葡萄糖（,Glucose,）从血液进入红细胞,G,结合到,载体上,载体变构,载体变构,G,释放至,细胞内,1,2,3,4,54,特点,1、需,“,载体蛋白,”,，具有两种离子的结合位点和,ATP,酶活性。,2,、分解,ATP，,造成载体与离子亲和力的变化。,4,、离子泵,ion pump,举例,Na,+,-K,+,泵，,Ca,2,泵，,H,泵等,55,Na,+,-K,+,泵的结构,56,ATP,酶去磷酸化,ATP,酶磷酸化,N,a+释放至膜外,ATP,酶构象变化（亲,K,+,构象,）,K,+,与,ATP,酶结合,K,释放至膜内,ATP,酶构象变化（亲,N,a+构象,）,Na,+,-K,+,泵作用过程,Na+与ATP,酶结合,57,Na,+,-K,+,泵,作用,过程,58,作用机理：,Ca2+,泵（,Ca2+ pump）,又称,Ca2+,ATP,酶，有约10个跨膜,螺旋，细胞内,钙调节蛋白,与之结合以,调节,Ca2+,泵的活性,，每消耗一个,ATP,分子转运出,2,个,Ca2+,。,存在位置：,Ca2+,泵主要存在于所有真核细胞的,细胞膜,和,某些细胞器,（如内质网、叶绿体）膜上，它将,Ca2+,输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离,Ca2+。Ca2+,泵在肌质网储存,Ca2+，,对调节肌细胞的收缩与舒张至关重要。,Ca,2+,泵,59,特点,1、需,“,载体蛋白,”,（同向运输载体），不直接利用,ATP，,利用,Na,+,跨膜梯度驱动。,2、,需,Na,+,泵消耗,ATP,转运,Na,+,，,造成,膜内外,Na,+,浓度差。,5,、伴随运输（,cotransport,）,举例,小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸等。,60,根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同运输又分为：,同向运输（,symport）,和反向运输（,antiport）。,（,1,）同向运输,（,symport）：,物质跨膜转运方向与离子转移的方向相同。小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收,葡萄糖或氨基酸,等有机物。,（,2,）反向运输,（,antiport）,：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相反。肾小管上皮细胞中的,Na+-K+,交换和,Na+-H+,交换 。,61,同向运输载体,利用,Na+,跨膜梯度驱动葡萄糖的转运,62,小肠上皮对葡萄糖的吸收,Na,+,-G,同向转运载体,G-,转运载体,小肠腔中的,G,小肠上皮细胞,毛细血管,或细胞间隙,63,64,Summary,simple diffusion,ion channel diffusion,facilitated diffusion,ion pump,cotransport,Passive transport,Active transport,1.穿膜运输方式,65,2.,参与穿膜运输的载体蛋白,载体蛋白,位置,能量来源,功能,葡萄糖载体蛋白,大多数动物细胞质膜,无,被动输入葡萄糖,Na,+,驱动的葡萄糖泵,肾与肠上皮细胞顶部质膜,Na,+,梯度,主动输入葡萄糖,Na,+,-H,+,交换器,动物细胞质膜,Na,+,梯度,主动输出,H+,离子，调节,pH,Na,+,- K,+,泵（,Na,+,-K,+,-ATP,酶）,大多数动物细胞质膜,水解,ATP,主动输出,Na,+,输出,K,+,Ca,2+,泵（,Ca,2+,-ATP,酶）,真核细胞质膜,水解,ATP,主动运输,Ca,2+,H,+,泵,动物细胞溶酶体膜,水解,ATP,从细胞质中主动输入,H,+,66,单运输,共运输,对运输,协同运输,3.,载体,蛋,白,参,与,物,质,运,输,形,式,Coupled transport,67,离子通道,典型位置,功能,K,+,通道,大多数动物细胞膜,维持膜静息电位,电压门控,Na,+,通道,神经细胞轴突质膜,产生动作电位,电压门控,K,+,通道,神经细胞轴突质膜,在一个动作电位之后恢复静息电位,电压门控,Ca,2+,通道,神经终末质膜,激发神经递质释放,乙酰胆碱受体通道,肌细胞（在神经肌肉接头处）质膜,兴奋性突触信号,GABA,(,-,氨基丁酸,),受体（,GABA,门控,Cl,-,通道）,多数神经元（突触）质膜,抑制性突触信号,压力激活的阴离子通道,内耳听觉毛细胞,感觉声波震动,4.,参与穿膜运输的离子通道,68,大分子（蛋白质、核酸、多糖）颗粒运输方式；,二、膜泡运输,transport by vesicle formation,伴随膜本身结构的融合、重组和移位；,耗能,69,膜泡运输的两种方式,一、胞吞作用（,endocytosis,）,二、胞吐作用（,exocytosis,）,吞噬作用,胞饮作用,受体介导的内吞作用,70,（一）胞吞作用,（,endocytosis,）,1,、吞噬作用（,phagocytosis,）,特点,（,1,）吞入较大固体颗粒或分子复合物,如细菌、无机尘粒和细胞碎片,（,2,）物质附着膜凹陷膜分离膜融合,（,3,）形成,“,吞噬体,”,或,“,吞噬泡,”,举例,（,1,）原生动物获取营养的方式,（,2,）巨噬细胞、单核细胞和中型粒白,细胞防御微生物侵入，清除衰老,和死亡的细胞,71,吞噬作用示意图,变形虫伸出伪足正在吞噬细菌,巨噬细胞正在接近并吞噬细菌,巨噬细胞正在吞噬红细胞,72,2,、胞饮作用（,pinocytosis,）,特点,（,1,）,大分子液体溶质或极微小颗粒；,（,2,）,液体吸附膜凹陷膜分离膜融,合,；,（,3,）形成“胞饮体”或“胞饮小泡”,举例,主要存在于变形虫、小肠上,皮细胞、毛细血管内皮细胞等,73,胞饮作用,电镜照片,阿米巴体内胞饮作用渠道,阿米巴体内胞饮小泡,74,3,、受体介导的内吞作用,（,receptor mediated endocytosis,）,（,3,）配体受体识别,-,质膜凹陷,-,“,有被小,窝”,-,有被小泡,-,进入细胞内,-,无,被小泡,-,与膜内体结合,-,受体泡,+,配体泡,-,受体再循环,-,配体被消化,举例,铁的吸收，胆固醇的吸收等,特点,（,1,）有受体参与，特异性很强,（,2,）选择浓缩机制，速度快,75,胆固醇复合体,-,低密度脂蛋白（,LDL,）颗粒,胆固醇,载脂蛋白,B,载脂蛋白,B,76,LDL,受体介导的内吞过程,有被小窝（泡）,脱衣被,无被小泡,与膜内体,融合,H,离子泵入，,pH下降至56，受体与LDL解离,H,H,+,LDL,转运入溶酶体,溶酶体,水解酶,游离胆固醇,受体泡,受体再循环,受体汇集,LDL,受体,LDL,颗粒,细胞膜,77,受体介导的内吞过程的电镜照片,衣被小窝和衣被小泡的形成过程模式图,78,衣被的结构和形成,衣被的结构单位,篮网状小泡衣被,衣被的电镜照片,三腿蛋白复合体,（五边形或六边形）,79,(二)胞吐作用,(外排作用 exocytosis),特点 膜融合；小泡运输；耗能。举例,蛋白质如胰岛素；小分子如组胺,。,80,胞吐途径,：组成型途径和调节型调节,1,、结构性分泌途径：,从,高尔基体,分泌的囊泡向,质膜流动,并,与质膜融合,的过程，通过这种途径,，,新合成的囊泡膜的蛋白和脂类不断地供应质膜的更新，确保细胞分裂前质膜的生长；囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，有的形成细胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。,2,、调节性分泌途径：,特化的分泌细胞,产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）储存在,分泌泡内,，当细胞受到,胞外信号刺激,时，,分泌泡与质膜融合,将内含物释放出去的过程。,81,调节分泌途径：,激素、消化酶、,神经递质,结构分泌途径：,膜蛋白、膜脂、,细胞外基质,82,物,质,进,出,细,胞,膜,穿膜,运输,膜泡,运输,被动运输,主动运输,胞吞作用,胞吐作用,简单扩散,离子通道扩散,易化扩散,离子泵,伴随运输,吞噬作用,胞饮作用,受体介导的胞吞,结构性分泌,调节性分泌,83,作业,一、名词解释：,双亲媒性分子,主动转运 简单扩散 胞吐作用 胞吞作用,二、简答题或论述题,1,、生物膜的基本特征是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？,2,、比较主动运输与被动运输的特点及其生物学意义。,3,、说明,Na+-K+,泵的工作原理及其生物学意义。,4,、比较胞饮作用和吞噬作用的异同。,5,、比较结构性分泌和调节性分泌的特点及其生物学意义。,84,