1、第三章 細(xì)胞膜,cell memberane,細(xì)胞膜（cell memberane),細(xì)胞膜,細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)：,除了細(xì)胞膜以外的細(xì)胞內(nèi)所有膜性結(jié)構(gòu)。,是細(xì)胞質(zhì)與外界相隔開的一層薄膜，又稱質(zhì)膜（plasma membrane）。,生物膜,第一節(jié) 細(xì)胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu),一、生物膜的化學(xué)成分：脂類、蛋白質(zhì)、糖類（以糖脂和糖蛋白的形式存在）。,膜脂是膜的基本骨架。 膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。,1、膜脂是構(gòu)成細(xì)胞膜的基本骨架,膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。,磷脂,膜脂是兩親性分子：具有極性頭和非極性的尾部。,1). 磷脂：是構(gòu)成膜脂的基本成分,鞘磷脂(SM),磷脂酰膽堿（卵磷脂PC）,磷

2、脂酰乙醇胺（腦磷脂PE）,磷脂酰絲氨酸(PS),磷脂酰肌醇(PI),磷脂,磷脂約占整個膜脂的50以上。,甘油磷脂,磷脂的分子結(jié)構(gòu),甘油磷脂：以甘油為骨架，甘油分子的1、2位羥基分別與脂肪酸形成酯鍵， 3位羥基與磷酸形成酯鍵。磷酸基團(tuán)分別與膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇結(jié)合，即形成甘油磷脂分子的頭部。,鞘磷脂（SM）：以鞘氨醇代替甘油。鞘磷脂及其 代謝產(chǎn)物神經(jīng)酰胺等參與各種細(xì)胞活動，如細(xì)胞 分化、凋亡和增殖。,膜脂,2). 膽固醇：,主要存在真核細(xì)胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3。 雙親性分子 功能：增加膜的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)膜流動性。,組成： 是含一個或幾個糖基的脂類，由寡糖+脂類構(gòu)成。含量約占脂總量

3、的5以下。 糖脂也是兩性分子. 定位：存在于所有動物細(xì)胞膜的表面，糖脂均位于膜的非胞質(zhì)面，并將糖基暴露于細(xì)胞表面。 結(jié)構(gòu)：雙親性分子，極性頭部由一個或幾個糖基構(gòu)成，疏水尾部為脂肪酸鏈。 功能：作為某些分子的受體，與細(xì)胞識別及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。,3). 糖脂：,膜脂在水溶液中自動形成雙層,球狀 分子團(tuán),脂質(zhì)體,膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。占膜含量的40%-50% 膜蛋白的主要功能： 轉(zhuǎn)運蛋白：轉(zhuǎn)運分子進(jìn)出細(xì)胞 受體蛋白：接受外界信號并傳遞到細(xì)胞內(nèi)引起相應(yīng)的反應(yīng) 連接蛋白：支撐連接細(xì)胞骨架成分和細(xì)胞間質(zhì)成分 結(jié)合于質(zhì)膜的酶蛋白：發(fā)揮催化作用,2 膜蛋白,整合蛋 白 質(zhì),表面蛋白質(zhì),細(xì) 胞 膜 蛋 白

4、質(zhì),（1）、膜內(nèi)在蛋白（intrinsic proteins）,占膜蛋白的70%80%.與膜結(jié)合緊密，需用去垢劑如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。 使膜崩解后才可分離.,不同程度鑲嵌或貫穿在脂質(zhì)層的蛋白；主體部分多以螺旋構(gòu)象穿過膜脂雙層，單次或多次跨膜。,（2）、膜外在蛋白（extrinsic proteins）,水溶性蛋白，占膜蛋白的20%30%， 靠離子鍵或氫鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子 極性頭部非共價結(jié)合，易分離。,多附在膜的內(nèi)外表面的蛋白。,（3）、脂錨定蛋白,位于膜的兩側(cè)，通過共價鍵與脂雙層內(nèi)的分子結(jié)合，又稱脂雙層蛋白。 以兩種方式與脂類分子結(jié)合。 胞質(zhì)側(cè)

5、的蛋白 與脂雙層中的碳?xì)滏溄Y(jié)合 質(zhì)膜外表面的蛋白 與磷脂酰肌醇相連的寡糖鏈結(jié)合,共價鍵,共價鍵,細(xì)胞外被（cell coat)：膜糖類以糖蛋白或糖脂的形式均勻分布在生物膜的非胞質(zhì)面。 功能：有助于蛋白質(zhì)在膜上的定位與固定，參與細(xì)胞識別及與周圍環(huán)境的相互作用。,3 膜糖類,（一）細(xì)胞膜的不對稱性(asymmetry),1. 膜脂分布的不對稱,磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰絲氨酸和 磷脂酰肌醇， 多分布在膜的內(nèi)層,卵磷脂和鞘磷脂多分布在膜外層,二、細(xì)胞膜的特性,磷脂和膽固醇分布為相對不對稱，僅為數(shù)量上的差異。,糖脂的分布為絕對不對稱,2.膜蛋白分布的不對稱性,跨膜蛋白跨越脂雙層有一定的方向性，親水端長度、

6、氨基酸種類順序不同。 冷凍斷裂： 內(nèi)層胞質(zhì)側(cè)：蛋白顆粒多 外層非胞質(zhì)側(cè)：蛋白顆粒少 外在蛋白分布不對稱,3. 膜糖類分布的不對稱,膜蛋白與膜脂中糖基全部分布在脂雙層的非胞質(zhì)側(cè)。,膜結(jié)構(gòu)的不對稱性決定了膜功能的方向性,（二）細(xì)胞膜的流動性（fluidity):,相變：生物膜在生理常溫下多呈液晶態(tài)，當(dāng)溫 度下降至某一點時，液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，若溫 度上升，則晶態(tài)又可溶解為液晶態(tài)。這種狀態(tài) 的相互轉(zhuǎn)變稱相變。引起相變的溫度稱相變溫 度。,1、膜脂雙分子層是一種二維流體,1. 膜脂分子的運動形式, 側(cè)向擴(kuò)散運動,（2） 旋轉(zhuǎn)運動,（4）伸縮震蕩運動, 翻轉(zhuǎn)運動,（3）擺動作用,2. 影響膜脂流動性的因素

7、,（1）脂肪酸鏈的飽和程度： 不飽和程度膜流動性,（2）脂肪酸鏈的長度： 長鏈脂肪酸相變溫度高， 膜流動性降低。,（3）膽固醇的影響：雙向調(diào)節(jié) 相變溫度以上，限制膜的流動性，穩(wěn)定質(zhì)膜。 相變溫度以下，防止脂肪酸鏈相互凝聚，干擾晶態(tài)的形成。,（4）卵磷脂/鞘磷脂比值： 卵磷脂和鞘磷脂的比值膜流動性 （5）脂雙層中嵌入的蛋白質(zhì)越多，膜脂流動 性越小。,（6）其它因素：膜蛋白、溫度、離子強度,3、膜蛋白分子在質(zhì)膜中的運動,1. 側(cè)向擴(kuò)散,2. 旋轉(zhuǎn)運動,4、膜流動性的生理意義 質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當(dāng)膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會

8、造成膜的溶解。,生物膜的特性,膜的流動性,膜的不對稱性,膜脂的流動性,膜蛋白的運動性,側(cè)向擴(kuò)散 翻轉(zhuǎn)運動 旋轉(zhuǎn)運動 彎曲運動 伸縮振蕩,側(cè)向擴(kuò)散 旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散,膜脂不對稱 糖脂及糖蛋白不對稱 膜蛋白不對稱,E. Overton 1890 發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過植物的細(xì)胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細(xì)胞膜，因此推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。 E. Gorter & F. Grendel 1925 用有機(jī)溶劑提取了人的紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。,三 細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型,（一）片層結(jié)構(gòu)學(xué)說（夾層學(xué)說）,193

9、5年 Danielli和 Davson提出。認(rèn)為細(xì)胞膜是三層夾板式結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì) 磷脂 蛋白質(zhì)組成。,（二）單位膜模型,單位膜模型(unit structure model)：20世紀(jì)50年代末 Robertson用電鏡觀察發(fā)現(xiàn)生物膜均呈二暗夾一明的 三層結(jié)構(gòu)，稱為單位膜。說明了生物膜在形態(tài)上的共性。,J. D. Robertson 1959 用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約7.5nm。,（三）液態(tài)鑲嵌模型(fluid mosaic model)：1972年，Singer和Nicolson提出

10、。認(rèn)為脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體，它即具有固體分子排列的有序性，又具有液體的流動性。蛋白分子以不同程度鑲嵌于脂雙分子層中。膜脂和膜蛋白具有流動性和不對稱性.,四、脂筏結(jié)構(gòu)模型,脂筏模型（lipid rafts）：脂質(zhì)雙分子層不是一個完全均勻的二維流體，膜中富含膽固醇和鞘磷脂的微區(qū)，其中聚集一些特定的蛋白質(zhì)區(qū)。 特點：這些區(qū)域比膜的其他部分厚，更有秩序且較 少流動性。其周圍是流動性較高的液態(tài)區(qū)。脂筏提供一個有利于蛋白質(zhì)形成有效構(gòu)象的變構(gòu)環(huán)境。,功能：參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及膽固醇 代謝運輸?shù)?。脂笩功能的紊亂涉及多種疾病的發(fā)生。,第二節(jié) 小分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運,一、小分子 離子：陰離子 CL

11、- 陽離子 Na+, K+, Mg+, Ca2+, H+ 非極性小分子：O2 極性小分子：CO2, 乙醇， 尿素，類固醇激素 其他：甘油， 葡萄糖，氨基酸,細(xì)胞膜是選擇性半透膜，對離子選擇性通透，產(chǎn)生了細(xì)胞內(nèi)外的電位差，用以傳導(dǎo)電信號。 小分子物質(zhì)通過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運主要有三種方式 簡單擴(kuò)散（simple diffusion） 易化擴(kuò)散（facilitated diffusion） 主動運輸（active transport）, 簡單擴(kuò)散（simple diffusion）,影響因素： 分子量越小 脂溶性越強 非極性比極性分子 過脂雙層膜速率越快 特點： 沿濃度梯度擴(kuò)散 高-低 不需要提供能量 不

12、需要膜蛋白協(xié)助,二、易化擴(kuò)散,也稱促進(jìn)擴(kuò)散（facilitated diffusion）。 特點： 轉(zhuǎn)運速率高； 運輸速率同物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系； 特異性；飽和性。 載體：離子載體、通道蛋白。,載體蛋白（carrier protein）,載體蛋白（carrier protein）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子?？梢院吞囟ǖ娜苜|(zhì)分子結(jié)合，通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)的主動和被動跨膜運輸。,紅細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運,1.載體蛋白介導(dǎo)的被動轉(zhuǎn)運(易化擴(kuò)散) 特點類似于酶-底物反應(yīng) 結(jié)合溶質(zhì)分子具有特異性 結(jié)合溶質(zhì)分子具有飽和性 達(dá)到飽和狀態(tài)時轉(zhuǎn)運速率最大(Vmax) 每種載體對各自溶質(zhì)均有一結(jié)合常數(shù)(

13、Km) 即V12Vmax時溶質(zhì)的濃度 結(jié)合可被競爭性或非競爭性抑制劑阻斷 不同點:載體蛋白對被轉(zhuǎn)運溶質(zhì)無共價修飾 可改變過程的平衡點；,不同的運輸形式 單向運輸（uniport） 協(xié)同運輸（coupled transport） 同向運輸（symport） 對向運輸（antiport）,2、通道蛋白（channel protein）,通道蛋白（channel protein）是橫跨質(zhì)膜的親水性通道，允許適當(dāng)大小的分子和帶電荷的離子順梯度通過，又稱為離子通道。 特征：一是離子通道具有選擇性；二是離子通道是門控的。,機(jī)制 在膜上特異性刺激控制下，閘門短暫地開放，隨即關(guān)閉。 配體閘門通道：信號分子 電

14、壓閘門通道：跨膜電位變化,載體蛋白既可介導(dǎo)易化擴(kuò)散， 也可介導(dǎo)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度的主動運輸。 通道蛋白只能介導(dǎo)順濃度梯度或電化學(xué)梯度的被動運輸。,三.載體蛋白介導(dǎo)的主動運輸,主動運輸（active transport）是指由載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度（或化學(xué)梯度）的由濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)的跨膜運輸方式。 主動運輸?shù)奶攸c是：逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸；需要能量（由ATP直接供能）或與釋放能量的過程偶聯(lián)（協(xié)同運輸）；都有載體蛋白。,能量來源 ATP驅(qū)動的泵通過水解ATP獲得能量 協(xié)同運輸中的離子梯度動力,Na+-k+泵 ATP直接供能,對向運輸 將Na+逆電化學(xué)梯度運出細(xì)胞 將k+逆

15、電化學(xué)梯度運入細(xì)胞 其動力是自身ATP水解供能Na+-k+-ATP酶,由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體。Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。鈉鉀泵的一個特性是他對離子的轉(zhuǎn)運循環(huán)依賴自磷酸化過程 。 總的結(jié)果是每一循環(huán)消耗一個ATP；轉(zhuǎn)運出三個Na+，轉(zhuǎn)進(jìn)兩個K+。 Na+-K+泵作用是：維持細(xì)胞的滲透性，保持細(xì)胞的體積；維持低Na+高K+的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，維持細(xì)胞的靜息電位。,鈉鉀泵機(jī)制,（2）鈣泵（Ca2+-ATP酶）ATP直接供能,通常細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度（10-7M）顯著低于細(xì)胞外鈣離子濃度（10-3M），這種濃度差由鈣泵維持。 位

16、置：質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上 每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。 例：肌質(zhì)網(wǎng)（sarcoplasmic reticulum）上的鈣離子泵 ，肌細(xì)胞膜去極化后引起肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子通道打開，大量鈣離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，引起肌肉收縮之后由鈣離子泵將鈣離子泵回肌質(zhì)網(wǎng)。,（3）質(zhì)子泵（H泵） ATP直接供能,存在位置：溶酶體膜上 作用方式：從胞質(zhì)中主動將H輸入溶酶體,第三節(jié) 大分子物質(zhì)的囊泡轉(zhuǎn)運胞吞和胞吐,囊泡以出芽方式從細(xì)胞的一種內(nèi)膜細(xì)胞器脫離后又與另一內(nèi)膜細(xì)胞器發(fā)生融合，這一轉(zhuǎn)運過程稱為 囊泡轉(zhuǎn)運。 根據(jù)物質(zhì)的運輸方向：胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用（exocytosis） 共同特點：雙向、特

17、異、有序、化學(xué)修飾, 細(xì)胞胞吞作用的兩種形式： 胞吞作用消耗能量,屬于細(xì)胞膜的主動運輸 吞噬（phagocytosis） 由專門的吞噬細(xì)胞完成,大的顆粒,直徑250nm，最終到達(dá)溶酶體被降解。 吞飲（pinocytosis） 攝入液體和小溶質(zhì)分子進(jìn)行消化，直徑150nm。,吞噬過程,吞飲過程,受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用 受體-配體結(jié)合而引發(fā)的吞飲作用 特點 所攝入的大分子在質(zhì)膜上有特異受體 內(nèi)吞由大分子配體與其受體的識別、結(jié)合而激發(fā) 受體配體復(fù)合物聚集于質(zhì)膜的有被小窩內(nèi)， 由有被小泡送至內(nèi)體。,胞吞泡 的形成：配體和受體結(jié)合,網(wǎng)格蛋白聚集,有被小窩,去被的囊泡和胞內(nèi)體融合,有被小泡,胞內(nèi)體是動物細(xì)胞內(nèi)

18、由膜包圍的細(xì)胞器，其作用是傳輸由胞吞作用攝入的物質(zhì)到溶酶體中被降解。,受體介導(dǎo)的胞吞作用,溶酶體,受體介導(dǎo)的胞吞作用,網(wǎng)格蛋白衣被小泡是最早發(fā)現(xiàn)的衣被小泡，介導(dǎo)高爾基體到內(nèi)體、 溶酶體、以及質(zhì)膜到內(nèi)膜區(qū)隔的膜泡運輸。,大分子物質(zhì)運輸中的三種有被小泡 網(wǎng)格蛋白（clathrin） 冷凍蝕刻技術(shù)發(fā)現(xiàn)，有被小凹和小泡上的外被呈網(wǎng)格樣結(jié)構(gòu)，這種物質(zhì)由幾種蛋白組成，其中一種就是網(wǎng)格蛋白。 網(wǎng)格蛋白在進(jìn)化上高度保守，分子由3條大肽鏈和3條小肽鏈形成三足結(jié)構(gòu)，許多三足結(jié)構(gòu)再組裝成六邊形或五邊形的網(wǎng)格樣結(jié)構(gòu)。 網(wǎng)格蛋白位于轉(zhuǎn)運小泡的表面，大大提高了小泡的表面張力。,（2） COP I衣被小泡負(fù)責(zé)回收、轉(zhuǎn)運內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。起初發(fā)現(xiàn)于高爾基體碎片，在含有ATP的溶液中溫育時，能形成非籠形蛋白包被的小泡。 （3） COP II主要介導(dǎo)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸。最早發(fā)現(xiàn)于酵母ER在ATP存在的細(xì)胞質(zhì)液中溫育時，ER膜上能形成類似于COP I的衣被小泡，酵母COP II衣被蛋白的變異體，會在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累蛋白質(zhì)。,不同類型受體的胞內(nèi)體的分選途徑： （1）返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域，重新發(fā)揮受體的作用； （2）進(jìn)入溶酶體中被消化掉，稱為受體下行調(diào)節(jié)； （3）被運至質(zhì)膜的不同結(jié)構(gòu)域，稱為跨細(xì)胞的