细胞生物学-细胞-4章

医学细胞生物学第四章细胞膜与物质的跨膜运输高级讲师王波[e-mail]中山大学中山医学院生物教研室细胞膜的化学组成与分子结构•细胞膜的成分：脂类、蛋白质、糖类•脂类与蛋白质所占比例：1:4~4:1；功能复杂的膜，蛋白质比例高•细胞膜的化学组成•膜脂构成细胞膜的基本骨架•细胞膜的脂类——膜脂，细胞膜的脂类——膜脂，约占50%，主要分为三个类型：磷脂(phospholipid)、胆固醇(cholesterol)、糖脂(glycolipid)•1.磷脂构成膜脂的基本成分•磷脂占整个膜脂50%以上，分为两类：甘油磷脂和鞘磷脂•甘油磷脂：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)•甘油磷脂的共同特征：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，磷酸基团结合胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇•脂肪酸链长短不一，通常14~24个碳原子，一条脂肪酸链不含双键，另一条含有一个或几个双键，形成30°弯曲细胞膜的化学组成与分子结构磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱鞘磷脂磷脂酰肌醇细胞膜的化学组成与分子结构磷脂酰胆碱•鞘磷脂(sphingomyelin,SM)是细胞膜上唯一不以甘油为骨架的磷脂，在膜中含量较少，在神经元细胞膜中含量较多•鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，鞘氨醇的氨基结合不饱和脂肪酸链•鞘磷脂的代谢产物神经酰胺、鞘氨醇、1-磷酸鞘氨醇参与细胞活动；神经酰胺是第二信使、1-磷酸鞘氨醇在细胞外通过G蛋白偶联受体起作用，在细胞内与靶蛋白作用•2.胆固醇能够稳定膜和调节膜流动性•胆固醇分子较小，散布在磷脂分子之间；动物细胞胆固醇含量高，在有的膜内胆固醇与磷脂之比达1:1；植物细胞膜中含胆固醇极少•胆固醇极性头部为羟基团，紧靠磷脂极性头部；非极性疏水结构为甾环和烃链，对磷脂的脂肪酸尾部的运动有干扰作用•胆固醇分子调节膜的流动性和加强膜的稳定性，没有胆固醇，细胞膜会解体细胞膜的化学组成与分子结构细胞膜的化学组成与分子结构•3.糖脂主要位于质膜的非胞质面•糖脂含量占膜脂总量5%以下，遍布原核、真核细胞表面•细菌和植物的糖脂均是甘油磷脂衍生物，一般是磷脂酰胆碱衍生来•动物糖脂都是鞘氨醇衍生物，称为鞘糖脂，糖基取代磷脂酰胆碱，成为极性头部•已发现40多种糖脂，区别在于极性头部不同，由1至几个糖残基构成细胞膜的化学组成与分子结构•最简单的糖脂是脑苷脂，极性头部只是一个半乳糖/葡萄糖残基•最复杂的糖脂是神经节苷脂，极性头部有七个糖残基；在神经细胞膜中最丰富，占总膜脂5%~10%细胞膜的化学组成与分子结构•膜蛋白执行细胞膜的多种重要功能•膜蛋白：转运蛋白、酶、连接蛋白、受体蛋白•膜蛋白含量：轴突髓鞘﹤25%、线粒体内膜≈75%、大多膜50%(蛋白质分子数：脂类分子数=1:50)•根据膜蛋白与脂双层结合方式，分为三类：内在膜蛋白、外在膜蛋白、脂锚定蛋白细胞膜的化学组成与分子结构3.β-sheetbarrel5.共价连接脂肪酸链6.连接寡糖链锚定细胞外表面7.8.非共价连接其他膜蛋白•1.内在膜蛋白•又称跨膜蛋白，占膜蛋白总量70%~80%；分单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜三种类型•跨膜区域20~30个疏水氨基酸残基，通常N端在细胞外侧•内在膜蛋白跨膜结构域与膜脂结合区域，作用方式：①疏水氨基酸形成α-螺旋，跨膜并与脂双层脂肪酸链通过范德华力相互作用②某些α-螺旋外侧非极性，内侧是极性链，形成特异性畸形分子的跨膜通道•多数跨膜区域是α-螺旋，也有以β-折叠片多次穿膜形成筒状结构，称β-筒，如孔蛋白(porin)•2.外在膜蛋白•又称外周蛋白，占膜蛋白总量20%~30%；完全在脂双层之外，胞质侧或胞外侧，通过非共价键附着膜脂或膜蛋白细胞膜的化学组成与分子结构•胞质侧的外周蛋白形成纤维网络，为膜提供机械支持，也连接整合蛋白，如红细胞的血影蛋白和锚蛋白•外周蛋白为水溶性蛋白，与膜结合较弱，改变溶液离子浓度或pH，可分离它们而不破坏膜结构•3.脂锚定蛋白•又称脂连接蛋白，位于膜的两侧，以共价键结合于脂类分子；此种锚定方式与细胞恶变有关•还有糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI)，通过蛋白质C端与磷脂酰肌醇连接的寡糖链共价结合•脂锚定蛋白在膜上运动性增大，有利于结合更多蛋白，有利于更快地与胞外蛋白结合、反应•GPI-锚定蛋白分布极广，100种以上，如多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、膜受体等细胞膜的化学组成与分子结构•研究膜蛋白功能，可用去垢剂将膜蛋白分离出来；如离子型去垢剂：十二烷基磺酸钠(SDS)(引起蛋白质变性)；非离子去垢剂：TritonX-100(对蛋白质比较温和)细胞膜的化学组成与分子结构•膜糖类覆盖细胞膜表面•细胞膜的糖类，占质膜重量2%~10%；大多以低聚糖或多聚糖共价结合膜蛋白，形成糖蛋白；或以低聚糖共价结合膜脂，形成糖脂•所有糖链朝向细胞外表面•形成低聚糖的单糖类型：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺、唾液酸等•唾液酸残基在糖链末端，形成细胞外表面净负电荷•糖蛋白和糖脂中低聚糖侧链功能：可能帮助蛋白质膜上定位、固定，防止翻转；参与细胞与外环境的作用细胞膜的化学组成与分子结构ABO血型抗原细胞膜的化学组成与分子结构•细胞膜的特性•脂双层与蛋白质围成屏障，还执行物质运输、信号转导、细胞识别、能量转化等功能•膜的不对称性决定膜功能的方向性•1.膜脂的不对称性•脂双层的膜脂分布不对称，在含量、比例上有差异细胞膜的化学组成与分子结构SM：鞘磷脂；PC：磷脂酰胆碱；PS：磷脂酰丝氨酸；PE：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇；CL：二磷脂酰甘油•不同膜性细胞器的脂质组成不同：•质膜：鞘磷脂、磷脂酰胆碱、胆固醇等•核膜、内质网膜、线粒体外膜：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇•线粒体内膜：心磷脂•2.膜蛋白的不对称性•各种膜蛋白在质膜中有特定位置，分布绝对不对称•酶和受体多分布于质膜的外侧面，而腺苷酸环化酶定位内侧面•3.膜糖的不对称性•糖脂、糖蛋白的寡糖链只分布于质膜外表面(远离细胞质)；而内膜系统的寡糖链只分布于膜腔内表面(远离细胞质)细胞膜的化学组成与分子结构•不同脂双层区域，膜组分分布不均一；比如功能微区“脂筏”，富含鞘磷脂和胆固醇，和特定种类膜蛋白，参与细胞内吞、囊泡运输、信号转导等，脂筏周围磷脂富含不饱和脂肪酸，流动性高•膜组分分布不对称的意义：各组分分布不对称跟膜功能不对称、膜的方向性有关•膜的流动性是膜功能活动的保证•膜的流动性主要是膜脂流动性、膜蛋白的运动性•1.膜脂双分子层是二维流体•细胞内外的水环境使膜脂分子不能从脂双层逸出，只能在二维平面交互位置•脂双分子层既有有序的固定性，又有液体的流动性——液晶态•正常体温下，膜呈液晶态；当温度下降到临界温度(膜的相变温度)，膜脂转为晶态细胞膜的化学组成与分子结构•2.膜脂分子能进行多种运动•在相变温度以上，膜脂分子可进行如下5种运动：•①侧向扩散运动：脂质分子间交换位置；107次/秒；主要运动方式•②翻转运动：从脂双层一层翻转到另一层，需要翻转酶，在内质网发生•③旋转运动：膜脂分子自旋运动•④伸缩振荡运动：脂肪酸链伸缩最快，甘油骨架次之，亲水头部最慢，显示膜的流动梯度细胞膜的化学组成与分子结构•⑤烃链的旋转异构运动：烃链沿C-C自由旋转，产生旋转异构体；低温时，烃链呈反式构象；温度升高，歪扭构象增多，烃链流动性高•烃链中各-CH2-之间的构象转换，是膜流动性的基础•3.多种因素影响膜脂的流动性•①脂肪酸链的饱和程度：饱和脂肪酸链排列紧密，流动性小，相变温度高；不饱和脂肪酸则反之•温度下降时，细胞的饱和酶催化单键去饱和为双键，产生含两个不饱和脂肪酸链的磷脂分子，增强膜的流动性•②脂肪酸链的长短：脂肪酸链短，相互作用弱，流动性大，相变温度低；脂肪酸链长则反之•③胆固醇的双重调节作用：相变温度以上时，胆固醇的固醇环结合部分烃链，限制膜的流动性；相变温度以下时，胆固醇隔开磷脂分子，干扰晶态形成，防止低温时膜流动性的突然降低•④卵磷脂与鞘磷脂的比值：哺乳类，卵磷脂+鞘磷脂占膜脂50%；卵磷脂不饱和程度高，流动性大；而鞘磷脂相反•随着衰老，细胞膜中卵磷脂与鞘磷脂的比值下降，流动性也随之下降细胞膜的化学组成与分子结构相变温度以上相变温度以下细胞膜的化学组成与分子结构•⑤膜蛋白的影响：膜蛋白插入脂双层，使周围膜脂分子不能活动，嵌入蛋白越多，膜脂流动性越差•此外，膜脂的极性基团、环境温度、pH、离子强度、金属离子等可影响膜脂的流动性•4.膜蛋白的运动性细胞膜的化学组成与分子结构•①侧向扩散：人鼠杂交细胞表面抗原分布变化可证明•②旋转运动：速度比侧向扩散慢；不同膜蛋白速度不同，有些膜蛋白无法运动；膜蛋白周围脂质的流动性影响膜蛋白的流动性•膜蛋白的运动不需要消耗能量•膜流动性的意义：生物膜的各种功能都是在膜的流动状态下进行的，膜的流动过低，代谢终止•细胞膜的分子结构模型•1890年，ErnestOverton发现溶于脂肪的物质容易穿过膜，而非脂溶性难；1925年，从血影中抽提出磷脂，在水面上铺成单分子层，面积与血影面积之比约为2:1•片层结构模型•1935年，JamesDanielli和HughDavson发现细胞膜的表面张力显著低于油-水界面表面张力，推测质膜中有蛋白质；提出“片层结构模型”(蛋白-磷脂----蛋白三层夹板式结构)细胞膜的化学组成与分子结构•单位膜模型•1959年，J.D.Robertson电镜观察细胞膜“两暗夹一明”———单位膜•单位膜模型：膜蛋白是单层肽链以β折叠通过静电作用与磷脂极性端结合细胞膜的化学组成与分子结构•流动镶嵌模型•1972年提出，磷脂双层构成膜的连续主体；强调球形蛋白质镶嵌在脂双分子层内；膜是一种动态的、不对称的具有流动性特点的结构•1975年，“晶格镶嵌模型”膜脂可逆地进行“有序(液态)”和“无序(晶态)”相变，流动性是局部的•1977年，“板块镶嵌模型”流动的脂双层中存在能独立移动脂类板块细胞膜的化学组成与分子结构•脂筏模型•脂双层中由特殊脂质和蛋白质组成的微区，富含胆固醇和鞘脂类，聚集特定种类膜蛋白；此膜区较厚，称“脂筏”，其周围富含不饱和磷脂，流动性较高•脂筏的两个特点：许多蛋白聚集在脂筏内，便于相互作用；脂筏提供有利于蛋白质变构的环境，形成有效构象•脂筏功能：参与信号转导、受体介导内吞作用、胆固醇代谢运输等细胞膜的化学组成与分子结构•细胞在生命活动中，与细胞外环境频繁物质交换，有几条不同途径•膜的选择性通透和简单扩散•小分子透过脂双层的速度，取决于分子的大小和它在脂质中的相对溶解度；分子量越小，脂溶性越强，通过脂双层的速率越快•简单扩散(simplediffusion):小分子的热运动使分子自由地由膜一侧扩散到另一侧，前提：溶质在膜两侧有一定浓度差，溶质必须能透过膜•脂溶性物质如醇、苯、甾类激素、O2、CO2、NO、H2O通过简单扩散跨膜•简单扩散不需要运输蛋白协助，顺浓度梯度由高浓度向低浓度方向扩散，不消耗能量；也称“被动扩散”passivediffusion小分子物质的跨膜运输•膜转运蛋白介导的跨膜运输•除了水和非极性小分子，绝大多数溶质如各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸等都不能简单扩散穿膜转运•膜中特定膜蛋白——膜转运蛋白(跨膜蛋白，每种只转运一种特定类型溶质)•膜转运蛋白分两类：载体蛋白、通道蛋白•载体蛋白：与特定溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜•通道蛋白：形成水溶性通道，贯穿脂双层，通道开放时，特定溶质可穿越脂双层•所有通道蛋白和许多载体蛋白，转运溶质分子不消耗能量，消耗顺电化学浓度梯度的势能•逆电化学浓度梯度转运溶质，需要载体蛋白参与，还需要消耗能量；这种利用代谢产生的能量进行逆浓度梯度的转运，称“主动运输”小分子物质的跨膜运输小分子物质的跨膜运输•离子通道高效转运各种离子•各种带电离子和亲水分子，难以直接穿膜转运，而其高效率的穿膜速率是借助膜上的通道蛋白完成；已发现100余种通道蛋白，跨膜转运各种离子，也称“离子通道”•离子通道在膜上形成亲水跨膜孔道