细胞生物学细胞膜

第四章细胞膜与物质的跨膜运输第一节细胞膜的化学组成和分子结构第二节小分子物质的跨膜运输第三节大分子和颗粒物质的跨膜运输第四节细胞连接第五节细胞膜与疾病主要内容第一节细胞膜的化学组成和分子结构细胞膜（cellmemberane)又称质膜（plasmamembrane）细胞内膜(endomembrane)统称生物膜(biologymembrane)一、生物膜的化学成分•膜脂:膜的基本骨架。•膜蛋白:膜功能的主要体现者。•膜糖类:糖脂、糖蛋白。细胞膜的化学组成和分子结构细胞膜的化学组成和分子结构（一）膜脂生物膜上的脂类统称膜脂。生物膜的化学组成膜脂主要包括磷脂、糖脂、胆固醇。膜脂是双亲性分子：具有极性头部和非极性的尾部。1.磷脂：膜的基本成分，约占膜脂的50％以上。生物膜的化学组成鞘磷脂(SM)磷脂酰胆碱（卵磷脂PC）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂PE）磷脂酰丝氨酸(PS)磷脂酰肌醇(PI)磷脂甘油磷脂胆碱磷酸甘油脂肪酸链极性头部（亲水基团）非极性尾部（疏水基团）肪酸链不饱和脂磷脂酰胆碱的分子结构亲水基疏水基质膜中的主要磷脂分子2.胆固醇：特点：双亲性分子。含量一般不超过膜脂的1/3。功能：增加膜稳定性，调节膜的流动性。生物膜的化学组成胆固醇主要存在于真核细胞膜的磷脂分子之间，头部紧靠磷脂极性头部，其余部分游离。生物膜的化学组成•组成：寡糖+脂类。约占脂总量的5％以下。•定位：动物细胞膜的表面，位于膜的非胞质面。•结构：双亲性分子，亲水的极性头部由糖基构成，疏水的非极性尾部为脂肪酸链。•功能：作为分子受体，与细胞识别及信号转导有关。3.糖脂：生物膜的化学组成Glycolipids生物膜的化学组成半乳糖脑苷脂神经节苷脂唾液酸•膜脂在水溶液中自动形成双层球状分子团脂质体（二）膜蛋白1.膜蛋白的主要功能：-转运蛋白：转运分子进出细胞-受体：接受外界信号并传至细胞内-连接体：支撑连接细胞骨架成分和间质成分-酶蛋白：催化作用生物膜的化学组成（二）膜蛋白2.膜蛋白的类型外在膜蛋白（extrinsicproteins）（周围蛋白）内在膜蛋白（intrinsicproteins）（整合蛋白）生物膜的化学组成脂锚定蛋白（lipid-linkedprotein）（脂连接蛋白）膜蛋白类型生物膜的化学组成生物膜的化学组成1）膜外在蛋白（extrinsicproteins）•水溶性蛋白，占膜蛋白的20%~30%，•靠离子键或氢键与膜表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。2）膜内在蛋白（intrinsicproteins）•占膜蛋白的70%~80%•与膜结合紧密，不易分离•跨膜结构域为1-n个疏水α螺旋•位于膜两侧，通过共价键与脂双层内的分子结合。•胞质侧蛋白与脂双层中的碳氢链结合•外表面蛋白与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合共价键共价键3）脂锚定蛋白（脂双层蛋白）（三）膜糖类•糖类占膜重的1%~10%，多为低聚糖•常见糖类：葡萄糖、半乳糖、N-乙酰氨基葡萄糖、N-乙酰氨基半乳糖、甘露糖、岩藻糖膜糖类+膜脂共价键共价键糖脂（glycolipid）膜糖类+膜蛋白糖蛋白（glycoprotein）生物膜的化学组成糖类生物膜的化学组成生物膜的化学组成细胞外被（cellcoat)位于生物膜非胞质面，由糖蛋白或糖脂组成的周缘区称为细胞外衣或称糖萼。细胞内细胞被脂质双层生物膜的化学组成细胞表面（Cellsurface）指细胞外被、细胞膜、细胞膜内缘下富含微管、微丝等成份的胞质溶胶层及细胞特化结构鞭毛、纤毛、微绒毛等所组成的结构。细胞表面的功能保护、物质交换、环境稳定、信息传递、细胞识别、细胞连接、细胞代谢、细胞增殖、细胞分化、细胞病变、细胞衰老、细胞癌变等。二、生物膜的特性1.流动性（fluidity）2.不对称性(asymmetry)指膜脂与膜蛋白处于不断的运动状态。相变：生物膜在生理常温下呈液晶态，温度下降至某一点时，液晶态转变为晶态，温度上升，晶态又可溶解为液晶态，晶态和液晶态之间的相互转变称相变。相变温度:引起细胞膜液晶态和晶态转变的临界温度。生物膜的特性1.生物膜的流动性（fluidity)（1）膜脂的分子运动3）旋转运动1）侧向移动2）翻转运动4）左右摆动(弯曲运动）5）伸缩震荡运动生物膜的特性伸缩震荡运动5弯曲运动4旋转运动3翻转运动2侧向移动膜脂的分子运动生物膜的特性1）脂肪酸链的饱和程度：不饱和程度↑膜流动性↑3）胆固醇的影响：双向调节（2）影响膜脂流动性的因素生物膜的特性2）脂肪酸链的长度：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。4）卵磷脂/鞘磷脂比值：卵磷脂和鞘磷脂的比值↑膜流动性↑5）其它因素：温度、离子强度1）侧向运动（3）膜蛋白分子的运动2）旋转运动生物膜的特性（4）膜流动性的生理意义是保证正常功能的必要条件。膜流动性低于一定阈值时，酶活动和跨膜运输停止。膜流动性过高，造成膜溶解。卵磷脂和鞘磷脂多分布在膜外层，磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇多分布在膜的内层2.生物膜的不对称性(asymmetry)（1）膜质分布的不对称：（2）膜蛋白分布的不对称1）外在蛋白：多在膜的内表面。2）镶嵌蛋白：内层多于外层。3）跨膜蛋白：有方向性。亲水端长度不同氨基酸种类顺序不同。意义：膜结构的不对称性决定了膜功能的方向性.（3）膜糖类分布不对称膜蛋白与膜脂中糖基全部分布在脂双层的非胞质侧。生物膜的分子结构模型三、生物膜的分子结构模型一、片层结构模型(1935年Danielli-Davson提出)1959年Robertson用超薄切片技术获得细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，总厚约7.5nm。二、单位膜模型（1959年Robertson提出）生物膜的分子结构模型1.流动的脂双分子层构成膜的连续主体。即具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。2.蛋白分子以以各种形式镶嵌于脂双分子层中。3.膜脂和膜蛋白具有流动性和不对称性.对液态镶嵌模型的评价强调了膜的流动性和不对称性、忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用和膜各部分流动的不均一性。三、液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel)生物膜的分子结构模型（1972年S.J.Singer-G.L.Nicolson提出）三、液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel)生物膜的分子结构模型生物膜的分子结构模型四、脂筏结构模型•脂筏模型（lipidrafts）：脂质双分子层不是一个完全均匀的二维流体，膜中富含胆固醇和鞘磷脂的微区中聚集一些特定的蛋白质区。•特点：比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动性。周围流动性较高。脂筏提供有利于蛋白质形成有效构象的变构环境。•功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用及胆固醇代谢运输等。脂筏（lipidrafts）模型本章节重点1、掌握细胞膜的化学组成。2、掌握细胞膜的特性。3、掌握细胞膜的分子结构模型。第四章细胞膜与物质的跨膜运输齐齐哈尔医学院生物遗传教研室张淑玲第二节小分子物质的跨膜转运一、主要方式：1、被动运输（passivetransport）：物质顺浓度梯度进出细胞，不消耗能量2、主动运输（activetransport）：物质逆浓度梯度进出细胞，需要载体、消耗能量。二、简单扩散（simplediffusion）3.运输对象：疏水分子-—CO2、O2、苯等。小的不带电的极性分子—醇、尿素、甘油等。2.特点：⑴不消耗能量；⑵不需要膜蛋白协助；⑶运输速度取决于分子的大小和脂溶性。1.概念：指物质顺浓度梯度从高浓度一侧通过细胞膜向低浓度一侧移动的方式，不需消耗能量，又称被动扩散（passivediffusion）。小分子物质的自由扩散简单扩散细胞外细胞内小分子物质细胞膜肺泡与肺毛细血管之间的气体交换三、膜转运蛋白介导的跨膜运输膜转运蛋白分类：载体蛋白（carrierprotein)通道蛋白(channelprotein)与特定物质结合改变构象使物质穿越细胞膜。形成贯穿脂双层之间的通道。小分子物质的跨膜转运既介导被动运输，也介导主动运输。只介导被动运输。•1.通道蛋白转运离子的特性：•⑴物质的运输速度快。•⑵离子通道具有高度选择性。•⑶大多数离子通道不持续开放，受“闸门”控制。•⑷为被动运输。（一）通道蛋白介导的跨膜运输小分子物质的跨膜转运2.离子通道的类型•⑴电压闸门通道(voltage-gatedchannels)•⑵配体闸门通道(ligand-gatedchannels）•(3)应力激活通道（一）通道蛋白介导的跨膜运输（二）载体蛋白介导的被动运输—易化扩散2.运输对象：葡萄糖、氨基酸及细胞代谢物。小分子物质的跨膜转运1.易化扩散（facilitateddiffusion）：各种极性分子和无机离子通过膜转运蛋白顺浓度梯度的跨膜转运过程。易化扩散细胞外细胞内细胞膜载体蛋白（二）载体蛋白介导的被动运输—易化扩散3.特点：①不消耗代谢能②需要载体蛋白的协助③具有特异性④具有饱和性⑤可被竞争性阻断剂阻断4.运输方式单向运输：常见于小肠上皮细胞协同运输：常见于Na+-Ca+，Na+-H+交换载体小分子物质的跨膜转运单向运输协同运输小分子物质的跨膜转运（二）载体蛋白介导的主动运输1.概念：由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或化学梯度进行跨膜转运的方式，消耗能量。主动运输载体蛋白能量注意载体构象的变化细胞外细胞内细胞膜小分子物质的跨膜转运※Na＋-K＋泵——Na＋-K＋-ATP酶（三）载体蛋白介导的主动运输•1.功能：泵入K+泵出Na+，形成并保持膜内高钾膜外高钠的分布。•2.特性：运出3Na+转入2K+ATPNa+ATPADPNa+PPNa+PNa+-K+泵：膜电位产生，维持渗透压平衡，保持细胞容积恒定。细胞外间隙细胞质水解1个ATP，排出3个Na+，摄入2个K+。Na＋-K＋泵——Na＋-K＋-ATP酶构成：2个大亚基、2个小亚基组成4聚体，分布于动物细胞质膜。Na＋-K＋泵——Na＋-K＋-ATP酶①细胞内低钠高钾是许多代谢反应的必要条件②维持细胞的渗透性，保持细胞的体积.③维持细胞的静息电位.•钠泵的意义：※Na＋-K＋泵——Na＋-K＋-ATP酶小分子物质的跨膜转运Ca2＋泵——Ca2＋-ATP酶•作用：维持细胞内较低的钙离子浓度。（细胞内Ca2+浓度10-7M，细胞外10-3M）•特性：泵出2个Ca2+/每ATP。•位置：肌浆网小分子物质的跨膜转运Na＋-H+交换载体——调节细胞内PHNa+H+小分子物质的跨膜转运•①小分子物质逆浓度梯度转运•②需要消耗能量•③需要膜上的特异性载体介导小分子物质的跨膜转运（四）主动运输的特点小分子物质跨膜运输被动运输简单扩散主动运输易化扩散通道蛋白介导的扩散Na＋-K＋泵Ca2+-pumpNa＋-H+交换载体小结•膜泡运输：细胞与环境中的大分子和颗粒物质不能直接进行跨膜运输，必须由膜包围形成小泡进行运输。第三节大分子和颗粒物质的跨膜运输•膜泡运输是主动运输的形式之一，它的活动需要消耗能量。胞吞作用(endocytosis)胞吐作用(exocytosis)胞饮作用吞噬作用受体介导的胞吞作用膜泡运输的方式：大分子物质和颗粒性物质附着在细胞膜上，质膜内陷包围物质形成小囊泡，小囊泡脱离细胞膜进入细胞。一、胞吞作用(endocytosis)1.吞噬作用（phagocytosis）•细胞内吞较大的固体颗粒物质的过程称为吞噬作用，形成的囊泡称为吞噬体。如细菌、细胞碎片等。2.胞饮作用（pinocytosis）•细胞吞入液体或极小的颗粒物质的过程称为胞饮作用，形成的囊泡称为吞饮体。•大分子物质如低密度脂蛋白（LDL）进入细胞须与膜上的特异性受体（镶嵌蛋白质）识别并结合，然后通过膜内陷形成囊泡而入胞。3.受体介导的内吞作用•是特异的、高效的摄取细胞外大分子的方式。LDL颗粒LDL受体有被小窝有被小泡去被无被小泡胞内体融合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融合吞噬溶酶体笼蛋白的结构笼蛋白的结构——三腿蛋白复合物重链轻链二、胞吐作用(exocytosis)•包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出