细胞膜与物质的跨膜运输

,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,第四章,细胞膜与物质的跨膜运输,（cell membrane),细胞膜,是包围在细胞质外周的一层界膜，又称,质 膜,（plasma membrane).,单位膜：,指任何生物膜在电镜下都呈现“,两暗一明,”三层结构，这三层结构称为单位膜。,生物膜,细 胞 膜,细胞内膜,生物膜,(biomembrane）,细胞膜,细胞质,第一节 细胞膜的化学组成与分子结构,一、细胞膜的化学组成,脂类 50%,蛋白质 40-50%,糖类 1-10%,细胞膜,各种生物膜中蛋白质与脂类的含量比,膜的种类,蛋白质/脂类,神经髓鞘(轴突部分的细胞膜）,血小板,红细胞膜,线粒体内膜,0.23,0.7,1.5-4,3.2,一般地说：功能多而复杂的膜，蛋白质/脂类 大；,功能少而简单的膜，蛋白质/脂类 小。,膜 脂,磷 脂： 最重要的脂类,糖 脂,胆固醇,50%-主要成分,（一）膜脂构成细胞膜的基本骨架,磷脂,磷脂酰肌醇,磷脂酰胆碱（卵磷脂）,磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）,磷脂酰丝氨酸,磷酸甘油酯,神经鞘磷脂：,鞘磷脂,1、磷脂,脂,肪,酸,脂 肪 酸,脂 肪 酸,极性头部基团（亲水）,非极性尾部基团（疏水）,CH CHCH,2,O,O,PO,O,O,O,X,C,O,C,O,甘 油,磷 酸,磷酸化醇,磷脂的分子结构特点：,双亲性分子,（兼性分子）,1个亲水头部（磷脂酰碱基）,2条疏水尾（脂肪酸链）,P,O,CH,2,CH,2,N,O,O,CH,3,CH,3,CH,3,神经,酰胺,O,鞘磷脂,P,O,CH,2,HCCOOH,NH,2,O,C,O,CH CHCH,2,O,O,C,O,O,脂,肪,酸,脂,肪,酸,磷脂酰丝氨酸,O,CH CHCH,2,O,C,磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）,P,O,CH,2,CH,2,NH,2,O,O,C,O,O,O,脂,肪,酸,脂,肪,酸,O,CH,3,P,O,CH,2,CH,2,N,CH CHCH,2,O,O,C,O,O,C,O,O,脂,肪,酸,脂,肪,酸,CH,3,CH,3,磷脂酰胆碱（卵磷脂）,O,Cell membrane - Structure,P,O,CH,2,CH,2,N,O,O,CH,3,CH,3,CH,3,神经,酰胺,O,鞘磷脂,P,O,CH,2,CH,2,N,O,O,CH,3,CH,3,CH,3,神经,酰胺,O,鞘磷脂,糖,(Gal),半乳糖苷脂,P,O,CH,2,CH,2,N,O,O,CH,3,CH,3,CH,3,神经,酰胺,O,鞘磷脂,糖 脂 分 子,糖,(Gal),糖,(Gal),糖,(Gal),糖,(Gal),2、糖脂,3、胆固醇,极性头部,固 醇 环 结 构,非极性尾部,功能：双向调节膜的流动性，增强膜的稳定性,水,水,水,磷脂分子团,磷脂双分子层,磷脂脂质体,实验显示：质膜由两层磷脂分子层组成,脂双分子层的特点：,1. 自组装形成封闭性腔室,2. 对水溶性分子、离子和大多数生物分子不通透，保证细胞内环境的稳定,3.脂双层是二维流体,保证细胞膜的流动性,（二）膜蛋白执行细胞膜的多种功能,1、内在膜蛋白(整合膜蛋白）,螺旋,2、外在膜蛋白,离子键氢键,跨膜蛋白：,1.单 次 穿 膜,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,3,4,5,2.多 次 穿 膜,脂锚定蛋白：,3.质膜胞质侧的蛋白直接与脂双层的烃链形 成共价键结合。,4.非胞质面的蛋白通过一个寡糖链与磷脂酰肌醇共价结合。,5.外周蛋白：,附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白上。,膜糖+ 膜 脂,共价键,糖 脂,膜糖+ 膜蛋白,糖蛋白,共价键,细胞内,脂双层,膜蛋白,细胞外被、细胞衣cell coat（糖萼glycoalyx）：,细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起。,细胞外被,（糖萼）,分布,：,糖链分布在细胞膜外表面，即,非细胞质,面。,（三）膜糖类覆盖细胞膜表面,细胞表面（cell surface）：,是以质膜为主体，包括质膜和质膜外侧的细胞外被和质膜内侧的胞质溶胶层共同组成的一个多功能复合结构体系。,流动性和不对称性,二、细胞膜的特性,（一）不对称性,1、膜脂分布的不对称性,：种类、数量有明显不同。,磷脂酰乙醇胺,和,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰胆碱,和,鞘磷脂、,胆固醇、糖脂,2、膜蛋白分布的不对称性,：分布位置、数量、穿膜方向、活性位点内外不对称,（细胞膜内层多于外层）,糖蛋白、糖脂上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。,3、膜糖类分布的不对称性,4.细胞膜内侧面分布有微管、微丝,不对称性的生物学意义：,决定了膜内外表面功能的不对称性。,（1）侧向移动,（2）旋转运动,（3）翻转运动,膜脂分子的运动方式,（4）伸缩和振荡运动,（5）烃链的旋转异构运动,2. 膜脂的流动性,3.影响膜脂流动性的因素,1.脂肪酸链的饱和程度,2.脂肪酸链的长度,3.胆固醇的影响,4.卵磷脂/鞘磷脂的比例,6.其它因素,饱和程度高，流动性小 饱和程度低，流动性大,链长，流动性小 链短，流动性大,调节膜的流动性。,相变温度以上，限制膜的流动性，,相变温度以下，防止脂肪酸链相互凝聚。,此比例小，流动性小,此比例大，流动性大,环境温度，PH、离子强度等,5.膜蛋白的影响,越多，流动性越小,4、膜蛋白的流动性,膜蛋白分子的运动方式,（1）侧向扩散,（2）旋转运动,小鼠细胞,人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）,异核细胞,小鼠膜蛋白抗体 + 荧光素,人膜蛋白抗体 + 罗丹明,小鼠膜蛋白抗体 +小鼠膜蛋白（抗原）,人细胞,孵育（37，40分钟）,诱导融合,膜蛋白,(抗原）,三、细胞膜的分子结构模型,1.生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。,2. 膜蛋白以各种形式与脂质双分子层结合。,4.细胞膜具有流动性，膜上各成分处于动态平衡之中,液态镶嵌模型fluid mosaic model,3.细胞膜具有不对称性,镶嵌蛋白,界面脂,要点： 1.膜蛋白对脂类分子流动性的控制作用，呈,小片点状,分布。,2.脂类分子流动的不均一性,说明了生物膜既,有流动性又有相对完整性和稳定性。,晶格镶嵌模型,晶格,Jain & White (1977),要点：,流动的脂质双分子层中存在许多大小不同、刚性较大、彼此独立移动的脂质区,(,有序结构的板块,),；,有序结构的板块之间被流动的脂质区,(,无序结构的板块,),所分割；,生物膜是因不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。,板块镶嵌模型,第二节 小分子物质的跨膜运输,细胞膜的物质运输,膜内外物质的运输,小分子、离子,大分子、颗粒,被 动 运 输,主动 运 输,胞吐作用,胞吞作用,跨膜运输,膜泡运输,一、膜的选择性通透和简单扩散,1、膜的选择通透性,被动运输:,不需要消耗细胞代谢的能量,而将物质从浓度高的一侧经细胞膜转运至浓度低的一侧。,被动运输,简单扩散,易化扩散,2 简单扩散-被动运输的一种类型,高浓度,低浓度,脂质双分子层,电化学梯度,简单扩散free diffusion,简单扩散:,不需要消耗能量和不依靠专一膜蛋白分子而使物质顺浓度梯度从膜的一侧转运到另一侧的运输方式。,简单扩散的特点：,1、溶质能透过膜,2、物质的转运是从高浓度向低浓度方向,3、不需要细胞提供能量（所需能量来自高浓度本身包含的势能）,4、不需要膜转运蛋白协助,二、膜转运蛋白介导的跨膜,运输,被动运输,简单扩散,易化扩散,主动运输：必须由载体蛋白介导,由通道蛋白介导,由载体蛋白介导,易化扩散：,一些非脂溶性（或亲水性）的物质，不能以简单扩散的方式通过细胞膜，它们在载体蛋白或通道蛋白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运，称易化扩散。,高浓度,低浓度,电化学梯度,通道蛋白,（一）通道蛋白（离子通道）高效转运各种离子,为被动运输，通道蛋白在转运过程中不与溶质分子结合,对离子大小和所带电荷具有高度选择性,转运速率高,多数通道蛋白不持续开放，受“闸门”控制,离子通道扩散的特点：,配体门控通道,电压门控通道,应力激活通道,门控通道的类型,配体,高浓度,低浓度,电化学梯度,(1)配体门控通道,(2)电位门控通道,（二）载体蛋白介导的易化扩散,载体蛋白可运输一些亲水性物质，如：氨基酸、葡萄糖、核苷酸。,载体蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度,载体蛋白运输特点：,被转运物质与载体暂时、可逆结合,借助构象变化完成运输,选择性和特异性,可饱和性，存在最大转运速度,（三）载体蛋白介导的主动运输,主动运输：载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度，通过消耗代谢能量，从低浓度向高浓度进行的跨膜运输方式。,1、离子泵直接水解ATP进行主动运输,（1）,Na,+,-K,+,泵,逆电化学梯度转运Na,+,和K,+,化学本质：,Na,+,-K,+,ATP酶,兼有,载体蛋白,和,酶,的双重功能,化学组成：,Na,+,-K,+,ATP酶,大亚基：,小亚基：,跨膜蛋白，,催化部位，,内侧：,Na,+,、ATP的结合部位,外侧：,K,+,、乌本苷结合部位,膜外半嵌入的糖蛋白，,作用不详。,细 胞内,浓度梯度30倍,浓度梯度13倍,大亚基,大亚基,小亚基,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,Na,+,Na,+,Na,+,Pi,Na,+,K,+,小亚基,大亚基,大亚基,K,+,ATP,ADP+Pi,钠结合部位,K,+,Pi,大亚基,大亚基,小亚基,钾结合部位,运输过程：,Na+,K+,细胞 外,工作效率,1个,ATP,酶分子每秒钟水解,1000个,ATP,分子；,每,水解,1,分子,ATP,所释放的能量可泵出,3个,Na,+,，,同时泵入,2个,K,+,。,生理意义,A、维持细胞内外钠、钾离子的浓度梯度,维持膜电位；,B、调节细胞内外渗透压；,C、为细胞主动运输葡萄糖、氨基酸提供驱动力。,（2）,Ca,2+,泵,2、离子浓度驱动的协同运输,葡萄糖主动运输,并不直接,利用ATP，而是由钠钾泵产生的膜外,高钠离子浓度驱动,的。,主动运输特点：,为小分子物质逆浓度或电化学梯度跨膜转运,需要消耗能量,需要膜上特异性载体介导,第三节 大分子和颗粒物质的膜泡运输,膜的融合与断裂,、,耗能,囊泡运输,胞吞作用,胞吐作用,胞饮作用,吞噬作用,受体介导的内吞作用,(endocytosis),(exocytosis),胞吐作用,吞噬作用,吞饮作用,吞噬体,吞饮体,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等,细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质,一、胞吞作用,根据吞入物质的,状态,、,大小,及,特异程度,的不同，分为三种：,吞噬作用,；,吞饮作用,；,受体介导的内吞作用,。,（一）吞噬作用,是指细胞内吞较大的,固体颗粒,或,分子复合物,的过程，,如细菌、细胞碎片、无机尘粒等。,吞噬作用形成的囊泡称,吞噬体,。,分类：,细胞的吞噬作用过程,巨噬细胞,细胞核,细胞质,细胞膜,溶酶体,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,巨噬细胞吞噬扫描电镜观察,（二）吞饮作用,是指细胞内吞,液体,或,小溶质分子,的活动。,吞饮形成的囊泡称,胞饮体,。,（三）受体介导的内吞作用,特异性强，可大大提高内吞效率；,可选择、高效,通过受体-配体结合而引发的吞饮作用,包括液相内吞和吸附内吞。,被,网格蛋白:捕获膜受体，牵拉质膜内陷形成有被小泡,衔接蛋白：连接网格蛋白与受体，参与“被”的形成,低密度脂蛋白颗粒,实例：,细胞摄取LDL颗粒，获得胆固醇,LDL,颗粒（低密度脂蛋白）,LDL受体,有被小窝,有被小泡,内吞,去被,无被小泡,胞内体,融合,受体与LDL颗粒分开,含受体部分,受体再循环,含LDL颗粒部分,内体性溶酶体,融合,吞,噬,性,溶,酶,体,游离胆固醇,释出,二、胞吐作用,适用对象,激素,酶类,抗体,未消化的食物残渣,细胞内不能消化的物质和合成的分泌蛋白都是通过这种途径排出,结构性,分泌,调节性,分泌,两种形式：,以分泌蛋白为例，其胞吐作用有两种形式,第四节 细胞膜与信号转导,信号转导：,信号分子(配体)通过与细胞膜上或胞内的受体特异性结合，将信号转换后传给相应的胞内系统，使细胞对外界信号做出适当的反应，这一过程称为信号转导。,信号分子（配体）：,包括物理信号和化学信号等，最重要的是由细胞分泌的、能够调节机体功能的一大类生物活性物质，被称为第一信使。,化学信号,神经递质,局部化学介质,激素,受体：,是一类存在于胞膜或胞内的特殊蛋白质，能够特异性识别并结合胞外信号分子，进而激活胞内一系列生化反应，使细胞对外界刺激产生相应的效应。,受体,胞内受体：配体为脂溶性,膜受体：受体的大多数为此类，配体水溶性,膜受体的结构,细胞外域,胞内域：,：受体向着细胞外部分，多为糖蛋白，可识别不同的配体，狭义受体指此部位。,受体向着细胞质部分，起信号传递作用，受体与配体结合后被激活，引起一系列变化，产生相应的生物效应。,受体跨膜部分，将受体固定在细胞膜上,膜受体的结构,跨膜域：,膜受体的分类,离子通道型受体,酪氨酸蛋白激酶型受体,蛋白偶联受体,细胞内信使：第二信使,受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导的活性物质，又称为第二信使。,cAMP,信号体系,甘油二脂（DAG),三磷酸肌醇(Ip3),cGMP信号体系,Ca,2+,信号体系统,第五节 细胞膜异常与疾病,载体蛋白异常与疾病,一 胱氨酸尿症,病人肾小管上皮细胞转运胱氨酸的载体蛋白缺陷,遗传性膜转运异常疾病,二 肾性糖尿,病人肾小管上皮细胞转运葡萄糖的载体功能缺陷，葡萄糖重吸收障碍,离子通道异常与疾病,囊性纤维化：,白种人的最常见的致死性常染色体隐性遗传病,氯离子通道遗传性缺失,膜受体异常与疾病,家族性高胆固醇血症,受体缺乏：受体数目缺少,重型纯合子病人LDL受体只有正常人的3.6%,受体结构缺陷:,家族性高胆固醇血症,临床特点,：,1.高胆固醇血症。 患者血浆中胆固醇水平较正常人高出68倍。,2.黄色瘤。肘、膝足跟手背 ，下肢小关节，内眦部。,3.早发心血管疾病。,4.常染色体显性遗传。杂合子父母至少一个是该病患者。纯合子双亲必定都是患者。,黄色瘤,重症肌无力,重症肌无力,病人产生抗乙酰胆碱受体的抗体,本章节重点,掌握物质的跨膜运输和膜泡运输的方,式和特点。,掌握LDL受体介导的内吞作用、钠钾泵。,掌握细胞膜的化学成分、生物学特性,及液态镶嵌模型。,