细胞膜物质运输

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,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,细胞膜(cell membrane)又称质膜(plasma membrane)，是包围在细胞质表面的一层薄膜。,细胞内还有丰富的膜结构，形成了细胞内各种膜性细胞器，称为细胞的内膜系统 。,细胞膜,细胞质,通常将质膜和细胞内膜系统总称为生物膜 (biomembrane)。,电镜下,生物膜呈现“两暗一明”,又被称为单位膜,(unit membrane),第一节 细胞膜的化学组成与分子结构,主要由脂类、蛋白质和糖类组成。膜中还含有少量水、无机盐和金属离子等。,一、细胞膜的化学组成,（一）膜脂构成细胞膜的基本骨架,细胞膜上的脂类称为膜脂(membrane lipid)，它是细胞膜的基本组成成分，约占膜成分的50。,主要有三种：磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂含量为最多。,膜脂：,生物膜上的脂类统称膜脂（50%）。,脂 类,油脂：,类脂：,油（液），脂肪（固 ）,磷 脂,糖 脂,甾 类,(类脂),膜 脂,磷脂,phospholipid,糖脂,glycolipid,胆固醇,cholesterol,CH OH,CH,2,OH,CH,2,OH,+,甘油,R,1,COOH,R,2,COOH,R,3,COOH,脂肪酸,R,1,C,C,CH,2,O,R,2,C,C,CH,O,R,3,C,C,CH,2,O,油脂,1、磷脂构成膜脂的基本成分,可分为两类：,甘油磷脂：,磷脂酰胆碱(卵磷脂) 、磷脂酰乙,醇胺(脑磷脂) 、磷脂酰丝氨酸 、,磷脂酰肌醇,鞘磷脂,R,C,C,CH,2,O,R,C,C,CH,O,R,C,C,CH,2,O,油脂,磷脂酸,R,C,C,CH,2,O,R,C,C,CH,O,R,C,O,CH,2,O,磷酸甘油酯,甘油磷脂（甘油，两条脂肪酸链，磷酸与含氮有机物结合）。,2,H,P,OH,O,O,-,O,N,脂,肪,酸,脂 肪 酸,脂 肪 酸,磷酸甘油酯,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,N,C,O,C,O,甘油,磷 酸,磷酸化醇,双亲性分子,（兼性分子）,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,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,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,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 。,在神经元细胞膜中含量较多。,（一个鞘氨醇骨架，一条脂肪酸链，一个磷酰胆碱，无甘油）,CH,3,（CH,2,）,12,CH,CH,CH,CH,CH,2,OH,OH,NH,2,鞘氨醇（2-氨基-4-十八碳烯-1，3-二醇）,CH,3,（CH,2,）,12,CH,CH,CH,CH,CH,2,O,OH,NH,C,O,R,P,胆碱,神经鞘磷脂,P,O,CH,2,CH,2,N,O,O,CH,3,CH,3,CH,3,神经,酰胺,O,鞘磷脂,鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、鞘氨醇等，参与细胞增殖、分化和凋亡等各种细胞活动。,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,极性头部,平面甾环结构,非极性尾部,2、胆固醇能稳定膜和调节膜的流动性,3、糖脂主要位于质膜的非胞质面,细菌和植物细胞-糖脂均是甘油磷脂的衍生物。,动物细胞质膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物称为鞘糖脂：,鞘胺醇,糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。,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),最简单的糖脂是脑苷脂，其极性头部仅有一个半乳糖或葡萄糖残基。较复杂的糖脂是神经节苷脂，其极性头部可含多达7个糖残基。,所有细胞中，糖脂均位于质膜非胞质面，糖基暴露于细胞表面。,当这些两亲性分子被水环境包围时，这样可能存在两种形式：,形成球状的分子团(micelk)，把尾部包藏在里面；,形成双分子层 ，其游离端往往能自动闭合，形成自我封闭的脂质体 。,水,水,水,磷脂分子团,磷脂双层,磷脂脂质体,脂质体可用于膜功能的研究；脂质体也可以作为体内药物或DNA的运输载体。,（二）膜蛋白执行细胞膜的多种重要功能,细胞膜的许多重要功能主要是由膜中存在的蛋白质完成（转运蛋白 、酶、连接蛋白 、受体蛋白） 。,根据膜蛋白与脂双层结合的不同方式，膜蛋白可分为三种基本类型：,内在膜蛋白,(intrinsic membrane protein),或整,合膜蛋白,(integral membrane protein),外在膜蛋白,(extrinsic membrane protein),脂锚定蛋白,(1ipid anchored protein),1、内在膜蛋白（整合膜蛋白）,又称跨膜蛋白(transmembrane protein),占膜蛋白总量的70%80。也是两亲性分子。,分为单次跨膜、多次跨膜和多亚基跨膜蛋白三种类型。,1.单次跨膜：,单条a-螺旋贯穿脂质双层。,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,2.多次跨膜：,数条a-螺旋几次折返穿越脂质双层。,3.,多亚基跨膜蛋白,：,内在膜蛋白跨膜结构域是与膜脂结合的主要部位具体作用方式如下：,(1),-,螺旋 外部通过范德华力与脂双层分子脂肪酸链相互作用 ，这样就把蛋白质封闭在膜的脂“壁”中。,(2)某些,-螺旋内侧形成了特异性极性分子的跨膜通道。,2、外在蛋白 又称外周蛋白,(peripheral protein),占膜蛋白总量的2030，完全位于脂双层之外，分布在胞质侧或胞外侧。,一般通过非共价键(如弱的静电作用)附着在脂类分子头部极性区或跨膜蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合 。,1.单次穿膜：,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,2.多次穿膜：,外周蛋白：,附在膜的内外表面，非共价地结合在内在膜（镶嵌）蛋白上。,跨膜蛋白,例如，红细胞的双凹外形即为外周蛋白（血影蛋白和锚蛋白）维持。,外周蛋白一般用一些温和的方法，如改变溶液的离子强度或pH，即可将它们从膜上分离下来，而不需破坏膜的基本结构。,3、脂锚定蛋白 又称脂连接蛋白,(1ipid-linked protein),这类膜蛋白位于膜的两侧，很像外周蛋白，但与其不同的是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通过共价键结合于脂类分子 :,一种位于质膜胞质一侧，直接通过与脂双层中的碳氢链形成共价键而被锚定在脂双层上。,另一种方式是位于质膜外表面的蛋白质，通过与脂双层外层中磷脂酰肌醇分子相连的寡糖链共价结合而锚定到质膜,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,脂锚定蛋白1,：,不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。,脂锚定蛋白2,：,与脂双层外层中磷脂酰肌醇分,子相连的寡糖链共价结合而锚,定到质膜,(GPI),第二种又称为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI) 。 这种锚定形式与跨膜蛋白相比，在理论上有许多优点。,运动性增大，有利于结合更多的蛋白质，有利于和其他细胞或有生理功能的胞外分子更快地结合和反应。,要分离内在膜蛋白必须使用能破坏疏水作用并能瓦解脂双层的试剂，一般常使用去垢剂。,十二烷基磺酸钠(SDS)为常用的离子型去垢剂，可把跨膜蛋白与磷脂分开。,Triton X一100是非离子去垢剂，也可使细胞膜崩解，也用于去除细胞内膜系统，以便对细胞骨架和其他蛋白质进行研究。,细胞内,膜糖类,糖类+膜脂,共价键,糖 脂,糖类+膜蛋白,糖蛋白,共价键,脂双层,膜蛋白,细胞衣,糖类约占质膜重量的210。,（三）膜糖类覆盖细胞膜表面,二、细胞膜的特性,（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性,膜的不对称性,-是指细胞膜中各种成分种类和数量的分布是不均匀的，这与细胞膜的功能有密切关系。,第一：脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。,细胞膜,非胞质侧：,磷脂酰胆碱.鞘磷脂。,胞质侧：,磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸,1、膜脂的不对称性,第二：糖脂全部分布在非胞质侧的单层脂质分子中。,带负电荷的磷脂酰丝氨酸主要在胞质侧，细胞膜内侧负电荷大于外侧。,膜脂不对称性还表现在不同膜性细胞器中脂类成分组成不同：,第一.膜蛋白分布是绝对不对称的各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。 。,第二.糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。,第三.膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。,2、膜蛋白的不对称性,膜分子结构的不对称性决定了膜内表面功能的不对称性,冰冻蚀刻技术:,3、膜糖的不对称性,细胞膜糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面(非胞质面)；,而在内膜系统，寡糖侧链都分布于膜腔的内侧面(非胞质面)。,膜组分分布不对称性具有重要的生物学意义：,膜结构上的不对称性保证了膜功能的方向性，使膜两侧具有不同的功能，保证了生命活动的高度有序性。,（二）膜流动性是膜功能活动的保证,流动性主要是指膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。,1、膜脂双分子层是二维流体,即具有液晶态结构。它的组分既有固体所具有的分子排列的有序性，又具有液体的流动性。,相变温度 ：当温度下降到某一点时，它可以从流动的液晶态转变为晶态；温度上升时又可以熔融为液晶态。,（1）侧向扩散运动: 相邻分子互换位置速率达10,7,次/秒, 一个脂质分子移动距离达10,4,nm/20秒。,（2）,翻转,（3）,旋转,（4）,伸缩和振荡运动,2、膜脂分子能进行多种运动,(5)烃链的旋转异构运动 ：,细胞膜脂类的脂肪酸烃链可以绕CC自由旋转而产生旋转异构体。,在低温条件下，烃链呈全反式构象（伸展） ，相对流动性较低；随着温度升高，歪扭构象逐渐增多，烃链流动性增高。,(1)脂肪酸链的饱和程度,(2)脂肪酸链的长度,3、多种因素影响膜脂的流动性,(3)胆固醇的,的双重调节作用：,当温度在相变温度以上时，由于胆固醇分子的固醇环与磷脂分子的烃链部分相结合限制了膜的流动性，起到稳定质膜的作用。,当温度在相变温度以下时。由于胆固醇位于磷脂分子之间隔开磷脂分子，可有效地防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态形成。,4.卵磷脂/鞘磷脂的比例,卵磷脂的脂肪酸链不饱和程度高，相变温度较低；鞘磷脂则相反，,5.,膜蛋白的影响,嵌入的蛋白越多，界面脂就越多，膜脂的流动性越小。,（2）旋转运动,1970年，Edidin等人运用细胞融合技术和荧光免疫技术，证实了膜蛋白的流动性。,4、膜蛋白的运动性,（1）侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散。,小鼠细胞,标记人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）,异核细胞,抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素B,抗人膜蛋白抗体+荧光素A,标记小鼠膜蛋白抗体+小鼠膜蛋白（抗原）,人细胞,孵育（37,0,C,40分钟）,诱导融合,膜蛋白(抗原）,膜的流动性具有十分重要的生理意义：,如物质运输、细胞识别、信息转导等功能都与膜的流动性有密切关系。,三、细胞膜的分子结构模型,1890年，苏黎世大学的Ernest 0verton ,推测细胞的表面有类脂层；,1925年EGorter和FGrendel研究血影，第一次提出了脂双分子层是细胞膜基本结构的概念。,（一）片层结构模型,1935年，James Danielli和Hugh Davson提出“片层结构模型” ：,细胞膜是由两层磷脂分子构成，内外侧表面还覆盖着一层球形蛋白质分子，形成蛋白质-磷脂一蛋白质三层夹板式结构 。,脂双层,蛋白质,认为质膜上有穿过脂双层的孔，小孔由蛋白质分子围成，其内表面具有亲水基团，允许水分子通过。,蛋白质：单层肽链 折叠结构,（二）单位膜模型,“两暗一明”,细胞膜,细胞质,脂双层,20世纪60年代以后，一些新技术的发明和应用，如应用冰冻蚀刻技术显示膜中有蛋白质颗粒存在；,应用红外光谱、旋光色散等技术证明膜蛋白主要不是,片层结构，而是,螺旋的球形结构。,S. Jonathan Singer 和Garth Nicolson在1972年提出,流动镶嵌模型。,（三）流动镶嵌模型,1.,膜中脂双层构成膜的连贯主体，它既具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性,。,脂质双分子层,极性头部,疏水尾部,偏振光条件下的液晶,2.,膜中蛋白质分子以不同形式与脂双层分子结合,。,外周蛋白,镶嵌蛋白,流动镶嵌模型强调了膜的流动性和不对称性，较好地解释了生物膜的功能特点，它是目前被普遍接受的膜结构模型,3.糖类分布在膜的外表面（糖蛋白、糖脂）。,不足：质膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性，忽视了膜的各部分流动性的不均匀性等。,1975年D.F.Wallach提出了一种“晶格镶嵌模型” 。,1977年，M.K.Jain和H.B.White又提出了“板块镶嵌模型” 。,（四）脂筏模型,近来发现膜质双层内含有由特殊脂质和蛋白质组成的微区：,富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜蛋白。较少流动，被称为“脂筏”。,脂筏周围则是富含不饱和磷脂的流动性较高的液态区。,外层的微区主要含有鞘脂、胆固醇及GPI一锚定蛋白。,脂筏中的脂类与相关的蛋白质在膜平面可进行侧向扩散。,两个特点：,1.许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作用；,2.脂筏提供一个有利于蛋白质变构的环境，形成有效的构象。,脂筏的功能：,是参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等。,当前的研究来看，脂筏功能的紊乱已涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬化、Alzheimer病、疯牛病及肌营养不良等疾病 。,第二节 小分子跨膜运输,小分子运输：,简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和主动运输。,大分子和颗粒物质的运输:,通过胞吞和胞吐作用进行。,一、膜的选择性通透和简单扩散,（一）膜的选择性通透,分子量越小、脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快。,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。,必须满足两个条件：一是溶质在膜两侧保持一定的浓度差二是溶质必须能透过膜。,高浓度,低浓度,脂质双分子层,电化学梯度,脂溶性物质(非极性物质):苯.乙醇.氧.氮.SD.,不带电荷小分子物质: 水.尿素.二氧化碳,适合自由扩散的物质:,不适合自由扩散的物质:,带电荷物质；,较大的分子如甘油通过较慢，葡萄糖则几乎不能通过。,人类肺部内表面。图中的洞穴是肺气泡，这里是血液交换气体的地方。,疏水分子,小，不带电的极性分子,大，不带电的极性分子,离子,O,2,，CO,2,N,2,，苯,H,2,O 尿素，甘油,葡萄糖,蔗糖,H,+,，HCO,3,-,Na,+,，K,+, Cl,-, Mg,2+,人工脂双层的相对通透性,二、膜转运蛋白介导的跨膜运输,细胞膜中有特定的膜蛋白称为膜转运蛋白(membrane transport protein)。,运输各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸及许多细胞代谢产物。,所有膜转运蛋白都是跨膜蛋白，它们的肽链穿越脂双层，能使被转运的物质通过细胞膜。,通常每种膜转运蛋白只转运一种特定类型的溶质。,通道蛋白：通道蛋白形成一种水溶性通道，当通道开放时特定的溶质(一般是无机离子)可经过通道穿越细胞膜。,载体蛋白：载体蛋白与特定的溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜。,被动运输(passive transport),膜转运蛋白主要有两类：,细胞也需要逆电化学梯度转运一些溶质，这时不但需要转运蛋白的参与，还需要消耗能量(多数是指ATP)，,我们把细胞膜的这种利用代谢产生的能量来驱动物质的逆浓度梯度的转运称为主动运输(active transport) 。,（一）离子通道高效转运各种离子,各种离子的穿膜速率很高，可在数毫秒内完成，这种高效率的转运是借助膜上的通道蛋白完成的。,目前已发现的通道蛋白有100余种， 通道蛋白的中心有一个对离子高度亲和的亲水性通道，又称离子通道(ion channel) 。,特点 ：,通道蛋白介导的是被动运输，通道蛋白在转运过程中不与溶质分子结合。,离子通道有高度的选择性。,转运速率高，比载体蛋白所介导的最快转运速率高约1 000倍。,多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受“闸门”控制。,高浓度,低浓度,电化学梯度,通道蛋白,通道蛋白(非门控性),通常根据通道门控机制的模式不同和所通透离子的种类将门控通道大致分为三大类：,(1)配体门控通道：,实际上是离子通道型受体，它们与细胞外的特定配体(1igand)结合后，发生构象改变，结果将“门”打开。,物质顺浓度梯度经过通道蛋白扩散到细胞膜的另一侧。,通道蛋白,配体,高浓度,低浓度,电化学梯度,乙酰胆碱受体(nAChR)是典型的配体门控通道(图4一18) 。是五聚体跨膜蛋白(,2, ,),M2亚基上的亮氨酸残基伸向孔内形成一个纽扣结构。,(2)电压门控通道：,膜两侧跨膜电位的改变是控制电压门控通道开放与关闭的直接因素。,电压门控通道主要存在于神经元、肌细胞及腺上皮细胞等可兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、钠通道和氯通道。,(3)应力激活通道：,是通道蛋白感应力而改变构象，开启通道使“门”打开离子通过亲水通道进人细胞，产生电信号。,如内耳毛细胞顶部的听毛细胞。,（二）载体蛋白介导的易化扩散,一些非脂溶性(或亲水性)的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，需在载体蛋白的介导下 运输。,在载体蛋白的介导下，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，这种方式称为,易化扩散,(facilitated diffusion)或,帮助扩散。,与简单扩散相同，二者都被称为被动运输。,可运输一些亲水性物质和无机离子等。,载体蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度,高浓度,低浓度,电化学梯度,一种载体蛋白可特异性的连接和传送一种特定的分子跨膜，这种运输方式比单纯扩散速率大大增加。,易化扩散的速率在一定限度内同溶质的浓度差成正比，当扩散率达一定水平，就不再受溶质浓度的影响。,与之相比，简单扩散的速率总是与溶质浓度差呈正比 。,Km 转运分子浓度,载体介导的易化扩散,简单扩散,转运速率,Vmax,1/2Vmax,当所有的结合部位均被溶质分子占据。这时的转运速率达到最大值(Vmax)。,（三）载体蛋白介导的主动运输,主动运输是载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的跨膜转运方式。,主动运输需要能选择性结合特定溶质分子的载体蛋白，还要消耗代谢能。,动物细胞根据主动运输过程中利用能量的方式不同，主动运输可分为：,ATP直接提供能量(ATP驱动泵)，,ATP间接提供能量两种主要类型。,1、离子泵直接水解ATP进行主动运输,1957年后，J. C. Skou发现 Na,+,-K,+,-ATP酶 ，实际上就是膜上的一种ATP酶(ATPase)。,它可以利用水解ATP提供的能量，实现离子或小分子逆浓度或电化学梯度的跨膜运动。,（1）Na,+,-K,+,泵,： 为,Na,+,-K,+,ATP,酶，具有载体和酶的双重作用。,小亚基,:为细胞膜外侧半嵌合糖蛋白,其作用机制不详。,大亚基,：为贯穿膜全层的脂蛋白,是该酶的催化部位。,膜外表面有2个高亲和K,+,结合位点，也是乌本苷高亲和结合位点。,-,亚基的胞质面有3个高亲和Na,+,结合位点，可以结合3个Na,+,。,细胞质,Na,+,Na,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,小,亚,基,大亚基,大亚基,ATP,ADP+Pi,钾浓度梯度30倍,钠浓度梯度13倍,小,亚,基,大亚基,大亚基,小,亚,基,大亚基,大亚基,Pi,钠结合部位,钾结合部位,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,K,+,Na,+,+,Mg+,Pi,Pi,K,+,K,+,K,+,大亚基,小,亚,基,大亚基,大亚基,小,亚,基,大亚基,大亚基,细胞质,Na,+,Na,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,K,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,小,亚,基,大亚基,大亚基,ATP,ADP+Pi,钾浓度梯度30倍,钠浓度梯度13倍,小,亚,基,大亚基,大亚基,小,亚,基,大亚基,大亚基,Pi,钠结合部位,钾结合部位,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,K,+,Mg+,Pi,Pi,K,+,K,+,K,+,大亚基,小,亚,基,大亚基,大亚基,小,亚,基,大亚基,大亚基,水解一个ATP分子，可输出3个Na,+,，转入2个K,+,。每秒钟可发生约1 000次构象变化。,当N,+,-K,+,泵抑制剂乌本苷在膜外侧占据K+的结合位点后，Na,+,-K,+,-ATP酶活性可被抑制；当抑制生物氧化作用的氰化物使ATP供应中断时，Na,+,-K,+,泵失去能量来源而停止。,（2）Ca,2+,泵 ：,真核细胞细胞质中含有极低浓度的Ca,2+,（10,-7,molL），而细胞外Ca,2+,浓度却高得多（约10,-3,molL）。,Ca,2+,泵也是ATP酶，每水解一个ATP分子，能逆浓度梯度转运2个Ca,2+,进入肌浆网或泵出细胞。,2、离子浓度驱动的协同运输,细胞所建立的各种浓度梯度，如Na,+,、K,+,和H,+,浓度梯度，是储存自由能的一种方式。,协同运输(cotransport)：,是一类由Na,+,- K,+,泵(或H,+,泵)与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式。,根据溶质运输方向与Na,+,顺电化学梯度转移方向的关系，又可分为同向运输(symport)与对向运输(antiport)。,物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过Na,+,- K,+,泵(或H,+,泵)消耗ATP所实现的。,参与葡萄糖同向运输的载体蛋白称为Na,+,葡萄糖协同转运蛋白 ：,它在质膜外表面结合2个Na,+,和1分子葡萄糖，当Na,+,顺浓度梯度进入细胞时，葡萄糖就利用Na,+,电化学浓度差的势能，与Na,+,相伴随逆浓度梯度进入细胞 。,进入细胞的Na,+,被Na,+,- K,+,- ATP酶泵出细胞外，以保持Na,+,的跨膜浓度梯度。,这种运输所消耗的能量，实际上是由ATP水解间接提供的。,小肠上皮细胞就是利用这种机制来吸收葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、氨基酸等。葡萄糖一旦进入细胞内，再以易化扩散方式通过基膜进入血流。,低,低,葡萄糖,Na,+,葡萄糖,Na,+,葡萄糖,Na,+,Na,+,K,+,泵,K,+,葡萄糖-Na,+,同向转运,被动的葡萄糖单向转运,肠腔,细胞外液,高葡萄糖浓度,离子浓度梯度也可用来驱动对向运输。,如Na,+,- H,+,交换载体，这种载体蛋白使Na,+,顺浓度梯度流进与H+泵出，从而清除细胞代谢过程中产生的过多的H,+,。,上述各种“主动运输”方式的特点是：,逆浓度或电化学梯度跨膜转运；,需要消耗量，可直接利用水解ATP或来自离子电化学梯度提供能量；,需要膜上特异性载体介导，这些载体有特异的结合位点，又有结构上的可变性。,第三节 大分子颗粒物质的跨膜运输,大分子和颗粒物质被运输时通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程，故称为膜泡运输(vesicular transport)。,在这种形式的转运过程中涉及膜泡的融合与断裂，需要消耗能量，也属于主动转运。,这种运输方式常转运较大量的大分子或颗粒物质，又称为批量运输(bulk transport)。,膜泡运输不仅发生在质膜的跨膜运输中，胞内各种膜性细胞器之间的物质运输也是以这种方式进行的。,膜泡运输,胞吞作用,胞吐作用,胞饮作用,pinocytosis,吞噬作用,phagocytosis,受体介导的胞吞作用,receptor mediated endocytosis,胞吐作用,吞噬作用,吞噬体phagosome,胞饮作用,吞饮体pinosome,胞吐作用,吞噬作用,胞饮作用,一、胞吞作用,（一）吞噬作用,动物细胞中，只有中性粒细胞、单核细胞及巨噬细胞等 ，摄取较大的固体颗粒或分子复合物(直径250nm)。,吞噬形成的膜泡称为吞噬体(phagosome)或吞噬泡(phagocytic)。,在机体防御系统中发挥重要作用。,5,m,吞噬性白血细胞,酵母细胞,（二）胞饮作用,是细胞非特异地摄取细胞外液滴的过程。,包围液体物质，形成胞饮体(pinosome)或胞饮泡(pinocytic vesicle)，直径小于150nm。,分为两种类型：,一种是液相内吞 ：是一种非特异的固有内吞作用。,另一种是吸附内吞 ：细胞外大分子和(或)小颗粒物质首先以某种方式吸附在细胞表面，因此具有一定的特异性。,（三）受体介导的内吞作用,是细胞通过受体的介导摄取细胞外专一性蛋白质或其他化合物的过程。,能使细胞特异地摄取细胞外含量很低的成分，而不需要摄人大量的细胞外液。,与非特异的胞吞作用相比。可使特殊大分子的内化效率增加1 000多倍。,1、有被小窝和有被小泡的形成,受体集中在质膜的特定区域，称为有被小窝(coated pits)。,直径约50100nm，凹陷处的质膜内表面覆盖着一层毛刺状电子致密物，其中包括网格蛋白(clathrin)和衔接蛋白(adaptor protein)。,网格蛋白也称作笼蛋白，是一种蛋白复合物,三腿蛋白复合物,36个三腿蛋白复合物聚合,六角形或五角形的篮网状结构，覆盖于有被小窝细胞质侧表面。,网格蛋白包被有被小窝有两个作用：,1）捕获膜上的受体使其聚集于有被小窝内。,2）牵拉质膜向内凹陷，形成有被小泡。,在包被成分中。还有一种衔接蛋白，介于网格蛋白与配体 - 受体复合物之间，参与包被的形成并起连接作用。,在受体介导的内吞作用中，网格蛋白没有特异性，其特异性受衔接蛋白的调节。,衔接蛋白,成纤维细胞质面的网格蛋白被膜小窝的电子显微镜照片,有被小窝开始内陷,有被小泡，还需要 “发动蛋白(dynamin)”的参与。,该蛋白是一个螺旋状的领圈结构，环绕在内陷的有被小窝的颈部 ,水解GTP，构象改变 ,将有被小泡从质膜上切离下来 形成网格蛋白有被小泡。,有被小泡的掐断过程,有被小泡脱离 脱去包被成无被小泡，继而与早期内体融合。,早期内体的低pH改变了受体和配体分子的亲和状态，从而释放出与其结合的配体分子。,受体与配体分离后，受体将返回质膜。开始下一轮的内吞作用 。,2、受体介导的LDL内吞作用,胆固醇在肝脏中合成并包装成低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)在血液中运输。,LDL为球形颗粒=由载脂蛋白（LDL受体的配体 ）+酯化胆固醇 +磷脂+游离胆固醇。,细胞质,LDL,颗粒,LDL受体,有被小窝,有被小泡,无被小泡,胞内体,受体与大分子颗粒分开,胞内体部分,胞内体部分,初级溶酶体,吞,噬,溶,酶,体,受体再循环,细胞质,二、胞吐作用,又称外排作用或出胞作用。,是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。,根据外排方式的不同，将胞吐作用分为结构性分泌途径和调节性分泌途径两种形式。,（一）结构性分泌途径,分泌蛋白,ER合成,高尔基体,细胞膜,普遍存在所有动物细胞中。,（二）调节性分泌途径,这种分泌途径只存在于特化的分泌激素、酶、神经递质的细胞。,分泌蛋白,ER合成,储存于G.C分泌囊泡,胞内Ca,2+,升高,启动胞吐过程,信号刺激,结构性分泌,调节性分泌,综上所述，细胞膜对物质运输有多种机制，概括起来主要有：,小分子和离子的跨膜运输，又分为被动运输和主动运输两种形式 。,另一种是大分子和颗粒物质的膜泡运输，又分为胞吞作用和胞吐作用。,第四节 细胞表面及其特化结构,细胞表面(cell surface):,是指包围在细胞质外层的一个结构复合体系和多功能体系。,是以质膜为主体，包括质膜外的细胞外被(cell coat)和质膜内侧的胞质溶胶(cytosol)。,广义的细胞表面还包括细胞连接和一些特化结构。,胞质溶胶,吸附糖蛋白,蛋白聚糖,一、细胞外被和胞质溶胶,在大多数真核细胞表面有富含糖类的周缘区，被称为细胞外被(cell coat)或糖萼(glycocalyx)。厚约1020nm。,细胞外被中的糖类包括,糖蛋白和糖脂相连的低聚糖侧链， 分泌出来吸附于细胞表面的糖蛋白与蛋白聚糖的多糖侧链。,现在细胞外被一般用来指与质膜相连接的糖类物质（糖蛋白和糖脂向外延伸的寡糖链部分），而不把细胞外覆盖物称为细胞外物质或胞外结构。,因此细胞外被实质上是质膜一部分。,细胞外被的基本功能：保护作用。,有助于润滑、防止机械损伤；,同时又可保护黏膜上皮不受消化酶的作用；,细胞的识别；,参与细胞的物质运输、接触抑制、形态形成与分化等过程；,并且与免疫识别、癌变都有十分密切的关系。,胞质溶胶,是质膜下0.1-0.2微米的液体物质，含高浓度蛋白质，分布较多微管微丝。,二、细胞表面的特化结构,1、微绒毛,是细胞膜和细胞质共同突向腔面的指状突起，直径0.1,m,。,微绒毛表面是质膜和糖被，内部是细胞质的延伸部分，其中心有许多纵形排列的微丝直达微绒毛的顶端。,微绒毛的存在，扩大了上皮细胞吸收表面积约2030倍，有利于对营养物质的吸收。,游走细胞(单核、中性粒细胞、淋巴及巨噬细胞等)的微绒毛是细胞运动工具。,人的小肠绒毛,2、纤毛和鞭毛,纤毛(cillia)和鞭毛(flagella)是细胞表面向外伸出的细长突起。比微绒毛粗而且长，能摆动，光镜下能看见。,表面围以细胞膜，内为细胞质，含有沿整个纤毛纵向排列的微管。,气管上皮纤毛,细菌鞭毛,3、褶皱,褶皱(ruffle)或片状伪足(1amellipodium)是细胞表面的临时性扁状突起。,它不同于微绒毛，宽而扁。,褶皱是细胞的吞饮装置。,巨噬细胞表面的皱褶,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,是一种遗传性膜转运异常疾病。,是肾小管上皮细胞转运胱氨酸及二氨基氨基酸(赖氨酸、精氨酸及鸟氨酸)的载体蛋白缺陷引起的疾病。,病人肾小管上皮细胞对四种氨基酸重吸收发生障碍，氨基酸排出过量形成尿路结石，引起肾损伤。,2、肾性糖尿,是肾小管上皮细胞葡萄糖重吸收障碍，在血糖正常情况下尿中出现葡萄糖。,二、离子通道异常与疾病,囊性纤维化 (cystic fibrosis，CF）是白种人中最常见的致死性常染色体隐性遗传病。,由于大量黏液阻塞全身外分泌腺所致慢性阻塞性肺疾病和胰腺功能不全。,临床表现：咳嗽、黏痰及肺部感染、长期慢性腹泻、吸收不良综合征、生长发育迟缓等。,患者的质膜上缺失囊性纤维跨膜转导调节子 （CFTR） Cl,-,离子通道，,Cl,-,和水不能进入呼吸道分泌的黏液中去，造成纤毛摆动困难，不能向外排除分泌物而易于引发细菌感染。,三、膜受体异常与疾病,1、家族性高胆固醇血症,是一种常染色体显性遗传病， LDL受体缺乏或受体结构异常，重型纯合子病人常在20岁前后出现动脉硬化，死于冠心病。,2、重症肌无力,是一种自身免疫性疾病，也是一种受体异常的疾病。,患者产生了抗N-Ach的抗体。此抗体与神经一肌接头处突触后膜上的受体结合，使乙酰胆碱不能与受体结合，从而封闭了乙酰胆碱的作用，引起重症肌无力症。,胞吐作用,