4细胞膜与物质跨膜运输

（cellmembrane)①使细胞具有相对独立和稳定的内环境；②是细胞内外物质、信息、能量交换的“门户”。细胞膜概念：是包围在细胞质外周的一层界膜，又称质膜（plasmamembrane).功能：除细胞膜外，真核细胞内许多膜性细胞器的膜，如线粒体膜、内质网膜、高尔基复合体膜、溶酶体膜、核膜等，称为细胞内膜。除线粒体膜以外的内膜结构共同构成真核细胞的内膜系统。细胞内膜系统(endomembrane)★概念：任何生物膜在电镜下都呈现“暗—明—暗”三层结构，故将这三层结构称为单位膜。生物膜细胞膜细胞内膜:……生物膜(biomembrane)细胞膜细胞质细胞膜和细胞内膜的总称。生物膜生物膜脂类、蛋白质、糖类水、无机盐、金属离子——主要成分—少量成分蛋白质/脂类:在不同种类生物膜中有所不同。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Hela细胞红细胞膜线粒体内膜0.230.71.51.5-43.2一般地说：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。红细胞血影(细胞膜最佳研究材料)成熟的红细胞没有细胞器；质膜是红细胞唯一的膜结构；红细胞质膜易于提纯和分离。一、细胞膜的化学组成是将分离的红细胞放入低渗溶液中，水渗入到红细胞内部，红细胞膨胀、破裂，从而释放出血红蛋白，当红细胞的内容物渗漏之后、质膜可以重新封闭起来称为红细胞血影。(一)膜脂(membranelipid)生物膜上的脂类统称膜脂。膜脂磷脂糖脂胆固醇均为双亲性分子(amphipathicmolecule)既有亲水性一端，又有疏水性一端的分子。1磷脂：膜脂的主要成分，含有磷酸基团鞘磷脂X极性头部（亲水性）非极性尾部（疏水性）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（少，内侧）鞘胺醇甘油磷脂双链一条饱和，一条不饱和，双键处形成30度角弯曲甘油磷脂•以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键。•磷酸基团可分别与胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合，形成亲水的头部。两条长短不一的脂肪酸链构成疏水的尾部，通常为14～24个碳原子组成，一条烃链不含双键（饱和链），另一烃链含有一个或几个顺式排列的双键（不饱和链），形成一个约30°角的弯曲。2、胆固醇极性头部固醇环结构非极性尾部双性分子。只存在于真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。2、糖脂鞘胺醇糖脂分子半乳糖苷脂常见糖脂：半乳糖脑苷脂(最简单)神经节苷脂(最复杂)（Tay-sachsdisease）糖脂也是两性分子，结构与磷脂相似，动物细胞糖脂多由一个或多个糖残基代替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。分子团脂双层两亲性分子在水溶液中可形成两种排列方式:脂质体(liposome)：脂质游离端自动闭合形成的封闭结构:分隔屏障,二维流体水水phospholipidmoleculesassemblespontaneouslytoformthewallsoffluid-filledsphericalvesicles,calledliposomes.可用于细胞膜的研究模型；生物大分子和药物的运载体；转基因；疾病的诊断及治疗等。Functionsofmembraneproteins二膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合膜蛋白是膜功能的主要体现者。人类核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。一般细胞膜中蛋白质含量约在50%左右。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为:膜内在蛋白/整合膜蛋白（intrinsicprotein）脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）膜外在蛋白（extrinsicprotein）蛋白在膜中的结合方式①、②内在蛋白；③、④脂锚定蛋白；⑤、⑥外在蛋白占膜蛋白总量70-80%,又称穿膜蛋白，分单次穿膜、多次穿膜、多亚基穿膜。双亲分子。与膜结合非常紧密，须用去垢剂(detergent)才能从膜上去除，常用SDS和Triton-X100。1.内在蛋白(intrinsicproteins)内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式:由多个α螺旋组成亲水通道(多数)；由β折叠组成亲水通道(如孔蛋白)。又称周边蛋白(peripheralprotein),占膜蛋白总量的20%～30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。水溶性分布于膜内外表面，靠非共价键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，结合较弱，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。2.外在蛋白(peripheralprotein)3.脂锚定蛋白(lipid-anchoredprotein)又称脂连接蛋白(lipid-linkedproteins),同脂的结合有两种方式：●胞质侧蛋白质直接与脂双层中的脂结合。●质膜外表面蛋白是通过磷脂酰肌醇相连的寡糖链与脂双层结合【糖磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI)】，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理能释放出结合的蛋白。如细胞表面受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC。Lipid-anchoredproteins单糖或多聚糖+膜脂共价键糖脂单糖或多聚糖+膜蛋白糖蛋白共价键细胞内（三）存在于质膜表面的糖脂和糖蛋白脂双层膜蛋白细胞外衣◆自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种,而在动物细胞膜上的主要是7种：膜糖的种类●D-葡萄糖（D-Glucose)●D-半乳糖(D-Galactose)●D-甘露糖(D-Mannose)●L-岩藻糖(L-Fucose)●N-乙酰半乳糖胺(N-Acetyl-D-Galactosamine)●N-乙酰葡萄糖胺(N-Acetyl-Glucosamine)●唾液酸(N-乙酰基神经氨酸)(sialicacid)。细胞外被（糖萼）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，形成一层外被，称细胞外衣或糖萼。作用：保护细胞表面免受机械损伤和化学损伤，参与细胞间的识别和黏附、抗感染等——流动性和不对称性一膜的不对称性(asymmetry)决定膜功能的方向性1、膜脂的不对称性(3)糖脂全部分布在膜的非胞质面。(1)磷脂例：红细胞中磷脂酰胆碱和鞘磷脂多分布在细胞膜的外层（非胞质面）；磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸多分布在细胞膜内层（胞质面）PS：磷脂酰丝氨酸带有负电荷，细胞膜内层负电荷多于外层。(2)胆固醇因其与磷脂酰胆碱和鞘磷脂的亲和力较大，故主要分布在细胞膜的外层。※分布的不对称性决定了膜内外表面功能的不对称性。二膜的流动性(fluidity)是膜功能活动的保证1.脂双层为液晶态二维流体生理条件下，膜脂分子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晶态。温度的改变使膜可以在液晶态和晶态之间转换，这种膜脂状态的改变称为相变。发生相变的临界温度称为膜的相变温度。液晶态的膜处于流动状态，与运动状态的膜蛋白协同完成膜的各项功能活动。1.侧向扩散运动(lateraldiffusion)2.旋转运动(rotation)3.弯曲运动(flexion)4.伸缩震荡运动5.翻转运动(flip-flop)/（少见，内质网上可见）6.旋转异构化运动（脂肪酸链绕C-C键旋转）2、膜脂分子的运动方式◆脂肪酸链的影响膜脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程度和链的长短：■饱和脂肪酸链呈直线形，链间排列紧密，相互作用大。膜的流动性小。而不饱和脂肪酸链呈弯曲形，使磷脂分子中两条脂肪碳链尾部难以相互靠拢，彼此排列疏松，膜的流动性大。因此，脂肪酸链不饱和程度越大，流动性也越大。①饱和程度高，流动性小;饱和程度低，流动性大②链长，流动性小;链短，流动性大3.影响膜脂流动性的因素Factorsofinfluencebilayerfluidity③胆固醇的影响■胆固醇中扁平刚性的固醇环可以与磷脂分子尾部相互作用■在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。■在相变温度以下,可隔开磷脂分子，干扰晶态形成,这样可以增强膜的流动性。④卵磷脂/鞘磷脂比值的影响■哺乳动物膜中,卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的50%;■卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高,链较短,相变温度低,因此卵磷脂含量高,流动性大;■而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高，因此,鞘磷脂的含量高,流动性低。细胞衰老过程中，该比值下降，细胞膜流动性随之降低。⑤嵌入膜蛋白含量含量越多,流动性越小⑥其它因素极性基团,环境温度,pH,离子强度等4、膜蛋白的运动性膜蛋白分子的运动方式（1）侧向移动（2）旋转运动膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。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）膜蛋白(抗原）光致漂白荧光恢复法（FRAP）Fluorescencerecoveryafterphotobleaching质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、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等等都与膜的流动性密切相关。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，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。膜蛋白流动性的意义（一）片层结构模型(lamellastructuremodel)1935年,Danielli和Davson,发现细胞膜的表面张力显著低于油-水界面表面张力,因此认为,细胞膜中除含有脂类外，还含蛋白质,故提出了该模型。蛋白质脂双分子层[夹层学说]（球状）（球状）（双分子层）“蛋白质---脂类---蛋白质”三夹板结构（二）单位膜模型(unitmembranemodel)蛋白质：单层肽链——折叠结构脂双层细胞膜细胞质1959年,Robertson利用电镜观察，发现所有生物膜都呈“暗-明-暗”三层结构，故称为单位膜模型。暗明暗此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈ß-折叠的薄片状蛋白质，而非球状蛋白质。2.0nm3.5nm2.0nm★★（三）流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)1.流动的脂双分子层构成生物膜的连续主体。2.膜蛋白以各种形式镶嵌在脂双分子层中或附着在膜内外表面。脂双分子层极性头部疏水尾部内在膜蛋白外在膜蛋白1972年，Singer和Nicolson提出:评价：液态镶嵌模型可以解释膜中发生的很多现象，为人们普遍接受，但也有不足之处：如忽视了膜的各部分流动性的不均匀性，忽视了蛋白质分子对脂分子流动性的限制作用。3.强调了膜的流动性和不对称性。[液态镶嵌模型]（四）脂筏模型(lipidraftsmodel)1977年,美Simon提出。存在于绝大多数哺乳动物质膜和部分内膜系统。特征：脂筏又称去污剂不溶的富含糖脂区（detergent-resistantfraction）.主要含有鞘脂和胆固醇而呈现介于液晶相和凝胶相之间的液态有序相（liquid-orderedphase）或Lo相。以Lo相为特征的脂质微区四周被流动的、液态无序相的脂质分子包围，犹如很多小筏漂浮在流动的脂质海洋中。主要功能：信号转导、受体介导的内吞、胆固醇运送、维持胞内Ca2+稳态平衡、蛋白分选等。一膜的选择性通透和简单扩散——允许一定物质穿越1.特点：具有高度选择性，分子量小，脂溶性强，不带电荷的小分子易穿过O2,CO2,N2尿素,H2O葡萄糖,蔗糖H+,Na+,Ca2+★★膜对物质分子的通透性取决于膜的结构属性及分子特性：①脂溶性越强的分子越容易穿膜；非极性物质脂溶性强，易穿膜，如O2,CO2,N2；但H2O例外。②分子量越小越容易穿膜；③不带电荷的分子容易穿膜