医学细胞生物学4-5章细胞膜与物质的穿模运输-2016护理班.ppt

医学细胞生物学,主讲人：魏朝亮 教授 蓝荣峰 讲师 许兴智 教授 朱艳霞 讲师 2017.03.21,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,Cell Membrane and Membrane Transport,学习目的和要求,掌握细胞膜的化学组成分子、生物学特性及细胞膜的分子结构模型。 掌握小分子物质穿膜运输方式及特点，大分子和颗粒物质运输的胞吞与胞吐作用，受体介导的胞吞作用。 了解细胞表面的特化结构，细胞膜异常时与某些疾病发生的关系。,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,Cell Membrane and Membrane Transport,细胞膜（cell membrane）是包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasma membrane），维持细胞特有的内环境。 细胞内膜系统：除质膜外，细胞内还有各种膜性细胞器。 生物膜（biomembrane）：质膜和细胞内膜系统总称为生物膜，呈“两暗夹一明”的形态结构，又称为单位膜（unit membrane）。,细胞膜的结构,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性,一、细胞膜的化学组成 二、细胞膜的生物学特性,脂类 蛋白质 糖类 膜的不对称性 膜的流动性,三、细胞膜的分子结构模型,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成 (一) 膜脂构成细胞膜的结构骨架 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，形成膜的基本骨架。 主要有三种类型：,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,磷脂,甘油磷脂,鞘磷脂,(一) 膜脂构成细胞膜的结构骨架 1.磷脂,一、细胞膜的化学组成,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输, 甘油磷脂的化学结构,甘油磷脂以甘油为骨架。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,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(一) 膜脂构成细胞膜的结构骨架 1.磷脂,一、细胞膜的化学组成,质膜中的主要磷脂分子结构,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输, 鞘磷脂的化学结构,鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油。鞘磷脂参与各种细胞活动，如细胞分化、凋亡和增殖等。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成,(一) 膜脂构成细胞膜的结构骨架 1.磷脂,极性头部基团（亲水）,非极性尾部基团（疏水）,结构：双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为 固醇环和烃链。 定位：分布在膜中的磷脂分子之间。 功能：调节膜的流动性，增强膜的稳定性。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成,(一) 膜脂构成细胞膜的结构骨架 2.胆固醇,质膜中胆固醇与磷脂分子的关系示意图,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,定位：均位于质膜非胞质面单层，糖基暴露于细胞表面。 组成：由脂类和寡糖构成。 结构：双亲性分子。 功能：作为某些分子的受体，与细胞识别及信号转导相关。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成,(一) 膜脂构成细胞膜的结构骨架 3.糖脂, 半乳糖脑苷脂 是一种最简单的糖脂，头部极性基团仅有一个 半乳糖，是髓鞘中的主要糖脂。, 神经节苷脂 极性头部除含有半乳糖和葡萄糖外，还含有一 个或几个唾液酸残基，神经细胞膜中含量丰富。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成,(一) 膜脂构成细胞膜的结构骨架 3.糖脂,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成,(一) 膜脂构成细胞膜的结构骨架 3.糖脂,膜脂可能的存在形式：,球状分子团,双分子层,(二) 膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合,1. 生物膜的特定功能主要由蛋白质完成 载体蛋白胞内外的物质运输 连接蛋白细胞间的相互作用 受体蛋白信号转导 各种酶类相关的代谢反应,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成,(二) 膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合,2. 膜蛋白含量 膜蛋白约占膜含量的40%50%。在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异，有的含量不到25%，有的达到75%。 膜的功能越复杂, 其中的蛋白质含量越多。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成,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：,3. 膜蛋白的基本类型,膜内在蛋白（intrinsic protein）,膜外在蛋白（extrinsic protein）,脂锚定蛋白（lipid anchored protein）,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(二) 膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合,一、细胞膜的化学组成,A、B、C. 穿膜蛋白，以一次或多次穿膜的螺旋和筒形式； D. 位于胞质侧，通过暴露于蛋白质表面的螺旋的疏水面与胞质面脂单层相互作用 而与膜结合； E. 位于胞质侧的脂锚定蛋白，以共价键直接与胞质面脂单层中的脂肪酸链结合。 F. 位于质膜外表面的脂锚定蛋白GPI； G、H. 膜外在蛋白，与内在蛋白亲水区以非共价键相互作用间接与膜结合,膜蛋白在膜中的几种结合方式,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(三) 膜糖类覆盖细胞膜表面,含量：细胞膜中含有的糖类称为膜糖类，约占细胞膜重量的210。 功能：有助于蛋白质在膜上的定位与固定，参与细胞识别及与周围环境的相互作用。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、细胞膜的化学组成,细胞外被中的糖类 大多数真核细胞膜外表面富含糖类的周缘区，也称糖萼。,细胞表面结构,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(三) 膜糖类覆盖细胞膜表面,一、细胞膜的化学组成,二、细胞膜的生物学特性,(一) 膜的不对称性 膜中各种成分在脂双分子层中的分布不均一，分布的不对称 性导致膜功能的不对称性和方向性，与细胞膜的功能有密切 关系。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、细胞膜的生物学特性,(一) 膜的不对称性 1.膜脂的不对称性 磷脂和胆固醇分布为相对不对称，仅为数量上的差异。 糖脂的分布为绝对不对称，糖脂仅分布于脂双层的非胞质面。 不同膜性细胞器中脂类组成成分不同。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(一) 膜的不对称性 2.膜蛋白的不对称性,膜蛋白分布是绝对不对称，各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。 膜蛋白在脂双层内、外两层中分布的数量不同。 穿膜蛋白穿越脂双层有一定的方向性，两个亲水端的长度、氨基酸的种类和排列顺序不同。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、细胞膜的生物学特性,(一) 膜的不对称性 3.膜糖的不对称性,糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面。 内膜系统中，寡糖侧链分布于膜腔的内侧面。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、细胞膜的生物学特性,是指膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。膜是动态的结构，细胞膜的各种重要功能活动都与其流动性密切相关。,(二) 膜的流动性,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、细胞膜的生物学特性,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。,(二) 膜的流动性,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、细胞膜的生物学特性,2.膜脂分子的运动方式, 侧向扩散 翻转运动 旋转运动 弯曲运动 伸缩和振荡运动,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(二) 膜的流动性,二、细胞膜的生物学特性,3.影响膜脂流动性的因素,脂双层中不饱和脂肪酸越多，膜脂流动性越大。 脂肪酸链越短，膜脂流动性越大。 胆固醇分子： 相变温度以上，限制膜的流动性，稳定质膜； 相变温度以下，防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态形成。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(二) 膜的流动性,二、细胞膜的生物学特性,3.影响膜脂流动性的因素,卵磷酸/鞘磷脂：比值越大，膜脂流动性越大。 脂双层中嵌入的蛋白质越多，膜脂流动性越小。 膜脂的极性基团、环境温度、pH值、离子强度及金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定的影响。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(二) 膜的流动性,二、细胞膜的生物学特性,4.膜蛋白的运动性 侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在 膜表面扩散。 旋转运动：膜蛋白能围绕与膜平面相垂直的轴 进行旋转运动。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(二) 膜的流动性,二、细胞膜的生物学特性,4.膜蛋白的运动性,小鼠-人细胞融合过程示膜蛋白的运动性（侧向扩散）,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(二) 膜的流动性,二、细胞膜的生物学特性,三、细胞膜的分子结构模型,细胞膜研究简史 1890年， E. Overton 初步明确细胞膜是由脂类组成。 1925年， E.Gorter和F.Grendel 提出红细胞膜是由双层磷脂 分子组成。 1935年，J. Danielli 和 H. Davson提出“片层结构模型”。 1959年，J. D. Robertson提出“单位膜模型”。 1972年，S.J. Singer和G. Nicolson提出“流动镶嵌模型”。 1975年，Wallach提出“晶格镶嵌模型”。 1977年，Jain和White 提出“板块镶嵌模型”。 近年提出“脂筏模型”。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(三) 流动镶嵌模型（fluid mosaic model）,1972年由Singer和Nilson提出，较好地解释了生物膜的功能特点，为普遍接受的膜结构模型。 脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合。强调了膜的流动性和膜蛋白的不对称性。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,三、细胞膜的分子结构模型,(三) 流动镶嵌模型（fluid mosaic model）,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,三、细胞膜的分子结构模型,（四）脂筏结构模型,定义：脂质双分子层不是一个完全均匀的二维流体， 内部存在富含胆固醇和鞘脂以及特定种类膜 蛋白组成的微区称为脂筏。 特点：脂筏区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较 少流动。其周围是流动性较高的液态区。脂 筏提供一个有利于蛋白质形成有效构象的变 构环境。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,三、细胞膜的分子结构模型,脂筏结构模型,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,第二节 小分子物质和离子的穿膜运输,一、简单扩散 二、膜运输蛋白介导的穿膜运输,易化扩散 主动运输 离子通道 水通道,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、物质简单扩散依赖于膜的通透选择性,易于通过膜的物质： 脂溶性物质 不带电荷小分子物质 不易通过膜的物质： 带电荷物质 大分子物质,1.膜的选择通透性,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,2.简单扩散（simple diffusion） 特点 溶质分子通过质膜进行自由扩散，不需要膜转运蛋白协助，也称被动扩散(passive diffusion) 。 转运是由高浓度向低浓度方向进行，所需要的能量来自高浓度本身所包含的势能，不需要细胞提供能量。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、物质简单扩散依赖于膜的通透选择性,被动运输和主动运输,被动运输（passive transport）：通过简单扩散或易化扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要消耗细胞的代谢能。 主动运输（active transport）：载体蛋白介导、利用代谢产生的能量驱动物质的逆电化学梯度的转运。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,被动运输与主动运输,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,(二) 主动运输,1. ATP驱动泵 特点： 属穿膜蛋白，在膜的胞质侧有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常称之为“泵”。 具有专一性,如钠钾泵、氢泵、钙泵等。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,A. P-型离子泵 B. V-型质子泵 C. F-型质子泵 D. ABC转运体,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,（1）Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）,结构组成 由2个亚基（大亚基）和2个亚基（小亚基）组成。亚基是一个多次穿膜的膜整合蛋白，具有ATP酶活性，亚基具有组织特异性，功能不清楚。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(二) 主动运输 1. ATP驱动泵,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,功能 水解一个ATP分子，可向细胞外输出3个Na+，转入2个K+ 。 维持渗透压平衡、保持细胞容积恒定、产生和维持膜电位、为某些物质的吸收提供驱动力。 为蛋白质合成及代谢活动提供必要的离子浓度。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,（1）Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）,(二) 主动运输 1. ATP驱动泵,（2）Ca2+泵,存在部位：主要存在于肌浆网上。 原理：工作过程与Na+-K+泵相似，通过磷酸化和去磷酸化 过程使构象改变，结合与释放Ca2+。 功能：使钙离子浓度在胞质中保持低水平；参与控制细胞 的许多重要活动，如细胞分泌、神经递质释放、跨 膜信息转 导等。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,(二) 主动运输 1. ATP驱动泵,2.协同运输, 特点 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。 物质穿膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度。 通过Na+-K+泵（或H+泵）维持这种离子电化学浓度。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,(二) 主动运输,小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图,小肠上皮细胞顶端质膜中的Na+/葡萄糖协同运输蛋白，运输2个Na+的同时转运1个葡萄糖分子，使胞质内产生高葡萄糖浓度；质膜基底面和侧面的葡萄糖易化扩散运输蛋白，转运葡萄糖离开细胞，形成葡萄糖的定向转运。Na+-K+泵将回流到细胞质中的Na+转运出细胞，维持Na+穿膜浓度梯度。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,(三) 离子通道高效转运各种离子,1.离子通道的特点 介导被动运输； 对离子有高度选择性； 转运速率高； 不持续开放，受“闸门”控制。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,(三) 离子通道高效转运各种离子,2.门控通道的类型 配体门控通道（ligand-gated channel） 电压门控通道（voltage-gated channel） 应力激活通道 （stress-activated channel）,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,（四）水通道介导水的快速转运,1.定义： 细胞膜上由水孔蛋白（aquaporin，AQP）形成的专一性转运水分子的通道。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,（四）水通道介导水的快速转运,2.分类： 目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员（AQP0AQP10）。 AQP1、2、4、5、6、0：专一性通透水分子 AQP3、7、9、10：通透水及甘油尿素等中小分子 AQP8：功能尚不明确,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,3.水通道蛋白的结构,水通道在质膜上是由四个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体，每个亚基(即一个AQP1分子)的中心存在一个只允许水分子通过的中央孔，孔的直径约0.28nm，稍大于水分子直径。,水通道模式图,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,（四）水通道介导水的快速转运,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,5.水通道的特点 （1）持续开放的膜通道蛋白。 （2）转运速度快：一个AQP1通道蛋白每秒钟可允 许3109个 水分子通过。 （3）水分子移动方向完全由膜两侧的渗透压差决 定。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,（四）水通道介导水的快速转运,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输,一、胞吞作用（endocytosis） (一) 吞噬作用 （phagocytosis） (二) 胞饮作用 （pinocytosis） (三) 受体介导的胞吞作用 二、胞吐作用（exocytosis）,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,小泡运输 (vesicular transport): 定义：大分子和颗粒物质被运输时并不穿过细胞膜， 物质进出是由膜包围，形成囊泡，通过一系 列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程。 发生位点：质膜及胞内各种膜性细胞器之间的物质 运输。 作用：促进细胞内外物质交换、信息交流等。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,一、胞吞作用,定义：指质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡， 脱离质膜进入细胞内的转运过程 ，又称入 胞作用或内吞作用。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,一、胞吞作用,类型： 根据胞吞物质的大小、状态及特异程度不同： 吞噬作用； 胞饮作用； 受体介导的胞吞作用。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,定义：细胞膜凹陷或形成伪足，摄入直径大 于250nm的颗 粒物质（如细菌、细胞 碎片等）的过程，形成的小囊泡称吞 噬体或吞噬泡。,(一) 吞噬作用,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、胞吞作用,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,定义：细胞质膜内陷，非特异性摄入溶质或液体 的过程，形成的小囊泡称胞饮体或胞饮泡。,(二) 胞饮作用,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、胞吞作用,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,定义：细胞通过受体的介导摄取细胞外特异性 蛋白质或其他化合物的过程。为细胞提 供了高效、选择性地摄取细胞外大分子 物质的方式。 特点：具有选择性和高效性。,(三) 受体介导的胞吞作用,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、胞吞作用,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,无被小泡形成并与内体融合,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,一、胞吞作用,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,二、胞吐作用,细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程称为胞吐作用，也称为外排作用或出胞作用。,胞吐作用分为两种类型： 连续性分泌（constitutive secretion） 受调分泌（regulated secretion）,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,(一) 连续性分泌,定义：连续性分泌途径指分泌蛋白在粗面内质网合 成后，转运至高尔基复合体修饰、浓缩、分 选、装入分泌膜泡，随即被运送到细胞膜， 与质膜融合，将分泌物排出的过程。 分布：普遍存在于所有的动物细胞中,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、胞吐作用,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,(二) 受调分泌,定义：调节性分泌途径是指细胞分泌蛋白合成 后被储存于分泌囊泡内，只有当细胞接 受到细胞外信号的刺激，才能启动胞吐 过程，将分泌物释放到细胞外。 分布：存在于分泌激素、酶、神经递质的特化 细胞中。,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,二、胞吐作用,第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输,连续性分泌和受调分泌,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,第四节 细胞膜异常与疾病（自学）,一、载体蛋白异常与疾病 二、离子通道蛋白异常与疾病 三、膜受体异常与疾病,Cell Membrane and Membrane Transport,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,第五章 内膜系统,Endomembrane System,学习目的与要求 掌握内膜系统的概念及结构组成。 掌握糙面内质网、光面内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体的主要化学组成、结构特征与生理功能。 了解内膜系统之间在结构、功能及来源发生上的相互关系。 了解囊泡的主要类型及其在胞内物质转运中的重要作用。,Endomembrane System,第五章 内膜系统,第一节 内质网,一、内质网的形态结构与类型 二、内质网的化学组成 三、内质网的功能,Endomembrane System,第五章 内膜系统,内膜系统概述 内膜系统是细胞中在结构、功能乃至发生上密切相关的膜性结构细胞器的总称。 内膜系统是真核细胞特有的结构，主要包括内质网、高尔基复合体、溶酶体、各种转运小泡以及核膜和过氧化物酶体等功能结构。 内膜系统的出现是真核细胞与原核细胞相互区别的重要标志之一，是细胞进化过程中，内部结构不断完善，各种生理功能逐渐提高的结果。,Endomembrane System,第五章 内膜系统,内膜系统在细胞内分布示意图,Endomembrane System,第五章 内膜系统,内质网概述 内质网（endoplasmic reticulum，ER）是一类由大小、形态各异的膜性囊泡所构成的细胞器。 分布： 内质网分布于内质区，并扩展、延伸至靠近细胞膜的 外质区。 除哺乳类成熟的红细胞之外，内质网普遍存在于各类 细胞之中。,Endomembrane System,第五章 内膜系统,内质网是由大小不同、形态各异的膜性小管、小泡和扁囊彼此连通所构成的三维网管结构体系。,一、内质网的形态结构与类型,（一）内质网是细胞质内由单位膜围成的三维网状膜 系统,Endomembrane System,第五章 内膜系统,A. 鼠肝细胞内质网形态结构模式图； B. 睾丸间质细胞中内质网形态透射电镜图； C. 动植物细胞中内质网形态结构图（荧光标记内质网）； D. 横纹肌细胞中肌质网立体结构形态模式图,内质网的形态结构,Endomembrane System,第五章 内膜系统,（二）内质网的类型 1. 糙面内质网（rough endoplasmic reticulum,RER） 形态特征：排列整齐的扁平囊状结构，网膜胞质面 有核糖体颗粒附着。 功能：主要和外输性蛋白质及多种膜蛋白的合成、 加工及转运有关。 分布：蛋白分泌功能旺盛的细胞中，粗面内质网高 度发达；肿瘤细胞和未分化细胞中相对较少。,Endomembrane System,一、内质网的形态结构与类型,第五章 内膜系统,（二）内质网的类型 1. 糙面内质网（rough endoplasmic reticulum,RER）,糙面内质网的形态结构 A糙面内质网透射电镜图；B. 糙面内质网立体结构模式图,Endomembrane System,一、内质网的形态结构与类型,第五章 内膜系统,2. 光面内质网（smooth endoplasmic reticulum,SER） 形态特征：表面光滑的管、泡样网状结构，无核糖体 附着，并常常可见与粗面内质网相互连通。 功能：是一种多功能的细胞器，在不同细胞或同一细 胞的不同生理时期，常表现出完全不同的功能 特性。,Endomembrane System,一、内质网的形态结构与类型,（二）内质网的类型,第五章 内膜系统,2. 光面内质网（smooth endoplasmic reticulum,SER）,光面内质网的形态结构 A. 光面内质网透射电镜图；B. 光面内质网与糙面内质网结构关系示意图,Endomembrane System,一、内质网的形态结构与类型,（二）内质网的类型,第五章 内膜系统,微粒体的形态及类型 A. 从细胞匀浆中分离出的微粒体电镜观察形态图； B. 运用蔗糖浓度梯度离心分离技术可获得颗粒型和光滑型两种不同的微粒体。,目前，对内质网的化学特征与生理功能的了解和认识，大多是通过对微粒体的生化、生理分析而获得的。,二、内质网的化学组成,Endomembrane System,第五章 内膜系统,1.脂类 内质网膜的类脂双分子层组成包括磷脂、中性脂、缩醛脂和神经节苷脂等，其中以磷酯含量最多。 2.蛋白质 内质网膜含有的蛋白质是非常复杂、多样的。 相对分子质量大小从15kD150kD不等。,（一）脂类和蛋白质是内质网的主要化学组成成分,Endomembrane System,二、内质网的化学组成,第五章 内膜系统,（二）内质网含有以葡萄糖-6-磷酸酶为主要标志性酶的诸多酶系 根据功能特性，可分为几种主要类型： 与解毒功能相关的氧化反应电子传递酶类； 与脂类物质代谢功能反应相关的酶类； 与碳水化合物代谢功能反应相关的酶类； 参与蛋白质加工转运的多种酶类。 内质网膜的标志酶葡萄糖-6-磷酸酶。,Endomembrane System,二、内质网的化学组成,第五章 内膜系统,（三）网质蛋白,网质蛋白（reticulo-plasmin）是普遍地存在于内质网网腔中的一类蛋白质。 特点：在多肽链的羧基端（C端）均含有KDEL（Lys-Asp-Glu-Leu）或HDEL（His-Asp-Glu-Leu）的4氨基酸序列驻留信号，驻留信号可通过与内质网膜上相应受体的识别结合而驻留于内质网腔不被转运。,Endomembrane System,二、内质网的化学组成,第五章 内膜系统,三、内质网的功能 (一)糙面内质网的功能 糙面内质网的主要功能是进行蛋白质的合成、加工修饰、分选及转运 。 由糙面内质网上附着型核糖体合成的蛋白质有： 外输性或分泌性蛋白 膜整合蛋白 细胞器中的驻留蛋白,Endomembrane System,第五章 内膜系统,1. 信号肽指导的分泌性蛋白质在糙面内质网的合成 细胞中所有蛋白质的合成，皆起始于细胞质基 质中游离的核糖体上。 分泌性蛋白多肽链在其合成起始后不久，随核糖体 一起附着于糙面内质网上，不断延伸的多肽链穿过 内质网膜直至肽链合成完成。,Endomembrane System,三、内质网的功能,(一)糙面内质网的功能,第五章 内膜系统,（1）信号肽是指导蛋白多肽链在糙面内质网上合 成与穿膜转移的决定因素,信号肽和信号肽假说,信号肽(signal peptide)：一段由不同数目、不同种类的氨基酸组成的疏水氨基酸序列，普遍地存在于所有分泌蛋白肽链的氨基端，是指导蛋白多肽链在糙面内质网上进行合成的决定因素 。,Endomembrane System,三、内质网的功能,(一)糙面内质网的功能 1. 信号肽指导的分泌性蛋白质在糙面内质网的合成,第五章 内膜系统,（1）信号肽是指导蛋白多肽链在糙面内质网上合 成与穿膜转移的决定因素,信号肽和信号肽假说,根据信号肽假说，核糖体与内质网的结合以及肽链穿越内质网膜的转移还依赖于： 信号识别颗粒（signal recognition particle, SRP） 信号识别颗粒受体（SRP-receptor, SRP-R） 转运体（translocon）：位于内质网膜，是新生分泌蛋白质多肽链合成时进入内质网腔的通道。,Endomembrane System,三、内质网的功能,(一)糙面内质网的功能,第五章 内膜系统,信号肽介导核糖体附着于内质网与新生肽链穿膜转移过程示意图 ASRP结构示意图；B. 核糖体的附着与肽链的合成延伸；C. 转运体与肽链的穿膜转移,Endomembrane System,第五章 内膜系统,（2）新生多肽链的折叠与装配 由附着型核糖体合成的新生多肽链需要在内质网腔中进行进一步的折叠与装配，这一过程由分子伴侣协助完成。 分子伴侣（molecular chaperone）：能够帮助多肽链转运、折叠和组装的结合蛋白，本身不参与最终产物的形成。,Endomembrane System,三、内质网的功能,(一)糙面内质网的功能 1. 信号肽指导的分泌性蛋白质在糙面内质网的合成,第五章 内膜系统,常见的内质网分子伴侣 蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase,PDI） 重链结合蛋白（heavy-chain binding protein, BiP） 钙网素（calreticulin） 葡萄糖调节蛋白94（glucose regulated protein94，GRP94）标志性分子伴侣,Endomembrane System,三、内质网的功能,(一)糙面内质网的功能,第五章 内膜系统,（3）蛋白质的糖基化,糖基化(glycosylation)：单糖或者寡糖与蛋白质之间通过共价键结合形成糖蛋白的过程。 由附着型核糖体合成并经由内质网转运的蛋白质，其中大多数都要被糖基化。 发生在糙面内质网中的糖基化主要是寡糖与蛋白质天冬酰胺残基侧链上氨基基团的结合，称为N-连接糖基化（N-linked glycosylation），其识别序列为：Asn-X-Ser或Asn-X-Thr（X代表除Pro之外的任何氨基酸）。,Endomembrane System,三、内质网的功能,(一)糙面内质网的功能,第五章 内膜系统,（4）蛋白质的胞内运输,Endomembrane System,三、内质网的功能,(一)糙面内质网的功能,第五章 内膜系统,3. 糙面内质网是蛋白质分选的起始部位,无内质网信号肽的蛋白质，在游离核糖体上完成蛋 白合成。,Endomembrane System,三、内质网的功能,(一)糙面内质网的功能,第五章 内膜系统,有内质网信号肽的蛋白质，进入内质网完成蛋白合成,并起始分选过程。,1.参与脂类的合成和转运,脂类合成是光面内质网最为重要的功能之一。除线粒体特有的两种磷脂外，细胞所需要的全部膜脂几乎都是由内质网合成的。,(二)光面内质网的功能,Endomembrane System,三、内质网的功能,第五章 内膜系统,3.作为细胞解毒的主要场所。 肝脏的解毒作用主要由肝细胞中的光面内质网来完成。 肝细胞光面内质网上含有的氧化及电子传递酶系可催化多种化合物的氧化或羟化，破坏毒物、药物的毒性，增加化合物的极性，使之便于排泄。,Endomembrane System,2.参与糖原的代谢。,(二)光面内质网的功能,三、内质网的功能,第五章 内膜系统,4.作为肌细胞Ca2+的储存场所 。 在肌细胞中，光面内质网特化为一种特殊的结构肌质网。肌质网网膜上的Ca2+-ATP酶可进行Ca2+的储存和释放。,5.与胃酸、胆汁的合成与分泌密切相关。,Endomembrane System,(二)光面内质网的功能,三、内质网的功能,第五章 内膜系统,第二节 高尔基复合体,一、高尔基复合体的形态结构 二、高尔基复合体的化学组成 三、高尔基复合体的主要功能,Endomembrane System,第五章 内膜系统,一、高尔基复合体的形态结构 (一)高尔基复合体是由三种不同类型的膜性囊泡组成 的细胞器 电镜观察表明，高尔基复合体（Golgi complex）是一种膜性的囊、泡结构复合体，一般划分为三个组成部分。,Endomembrane System,第五章 内膜系统,一、高尔基复合体的形态结构 (一)高尔基复合体是由三种不同类型的膜性囊泡组成的细胞器,1.扁平囊泡（cisternae） 高尔基复合体的主体结构，一般由3-8个扁平囊泡平行排列成高尔基体堆。 凸面朝向细胞核，称之为顺面或形成面。 凹面侧向细胞膜，称作反面或成熟面。,Endomembrane System,第五章 内膜系统,2.小囊泡（vesicles） 聚集分布于高尔基复合体形成面 ，由糙面内质网芽生、分化而来，负责将内质网中的蛋白质转运到高尔基复合体中。,3.大囊泡（vacuoles） 分布于高尔基复合体成熟面。,Endomembrane System,一、高尔基复合体的形态结构 (一)高尔基复合体是由三种不同类型的膜性囊泡组成的细胞器,第五章 内膜系统,高尔基复合体电镜图,高尔基复合体形态结构模式图,Endomembrane System,一、高尔基复合体的形态结构 (一)高尔基复合体是由三种不同类型的膜性囊泡组成的细胞器,第五章 内膜系统,构成高尔基复合体主体的膜（扁平）囊，从形成面到成熟面可呈现不同的结构形态，各膜囊所执行的功能亦不尽相同，因此，高尔基体又被称为极性细胞器。,一、高尔基复合体的形态结构 （二）高尔基复合体是一种极性细胞器,Endomembrane System,第五章 内膜系统,近年有学者将高尔基复合体膜囊层划分为三个组成部分： 顺面高尔基网（cis Golgi network） 高尔基中间膜囊（medial Golgi stack) 反面高尔基网（trans Golgi network）,一、高尔基复合体的形态结构 （二）高尔基复合体是一种极性细胞器,Endomembrane System,第五章 内膜系统,高尔基复合体极性网状构,Endomembrane System,一、高尔基复合体的形态结构 （二）高尔基复合体是一种极性细胞器,第五章 内膜系统,1.顺面高尔基网 靠近内质网的一侧，呈连续分支的管网状结构，可 被标志性的化学反应嗜锇反应显示。 功能： 分选来自内质网的蛋白质和脂类； 进行蛋白质糖基化和酰基化修饰。,Endomembrane System,一、高尔基复合体的形态结构 （二）高尔基复合体是一种极性细胞器,第五章 内膜系统,2.高尔基中间膜囊 位于顺面高尔基网状结构和反面高尔基网状结构之间的多层间隔囊、管结构复合体系，可被标志性的化学反应NADP酶反应显示。 功能：进行糖基化修饰和多糖及糖脂的合成。,Endomembrane System,一、高尔基复合体的形态结构 （二）高尔基复合体是一种极性细胞器,第五章 内膜系统,3.反面高尔基网 朝向细胞膜一侧，在其形态结构和化学特性上具有细胞的差异性和多样性。 功能：蛋白质分选和修饰。,Endomembrane System,一、高尔基复合体的形态结构 （二）高尔基复合体是一种极性细胞器,第五章 内膜系统,(一)脂类是高尔基复合体膜的基本成分 高尔基复合体脂类成分含量介于质膜与内质网之间，总含量约45%左右。,二、高尔基复合体的化学组成,Endomembrane System,第五章 内膜系统,(二)高尔基复合体中含有多种酶蛋白体系 糖基转移酶高尔基体最具特征性的酶 氧化还原酶 磷酸酶 磷脂酶类 脂酰转移酶 酪蛋白磷酸激酶 -甘露糖苷酶,二、高尔基复合体的化学组成,Endomembrane System,第五章 内膜系统,三、高尔基复合体的功能,(一)细胞内蛋白质分泌运输的中转站,外输性分泌蛋白，胞内溶酶体中的酸性水解酶蛋白、多种细胞膜蛋白以及胶原纤维等细胞外基质成分都是经由高尔基复合体进行定向转送和运输的。,Endomembrane System,第五章 内膜系统,(二)细胞内物质加工合成的重要场所,1糖蛋白的加工合成,内质网合成并经由高尔基复合体转送运输的蛋白质，绝大多数都需经过糖基化的修饰和加工，形成糖蛋白。 由内质网转运而来的糖蛋白，在进入高尔基复合体后，其寡糖链末端区的寡糖基往往要被切去，同时再添加上新的糖基，形成新的糖蛋白。,Endomembrane System,三、高尔基复合体的功能,第五章 内膜系统,糖蛋白的类型 N-连接糖蛋白寡糖链结合在蛋白质多肽链中天冬酰胺的氨基侧链上；糖链合成与糖基化修饰始于内质网，完成于高尔基复合体； O-连接糖蛋白寡糖链结合在蛋白质多肽链中丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸的羧基侧链上；主要或完全是在高尔基复合体中进行和完成的。,Endomembrane System,(二)细胞内物质加工合成的重要场所,三、高尔基复合体的功能,第五章 内膜系统,蛋白质糖基化的意义： 对蛋白质具有保护作用，使它们免遭水解酶的降解； 具有运输信号的作用，引导蛋白质包装形成运输小泡，以便进行蛋白质的靶向运输； 糖基化形成细胞膜表面的糖被，在细胞膜的保护、识别以及通讯联络等生命活动中发挥重要作用。,Endomembrane System,(二)细胞内物质加工合成的重要场所,三、高尔基复合体的功能,第五章 内膜系统,2.蛋白质的水解和加工,某些蛋白质或酶通过水解成为成熟形式或活性形式； 溶酶体酸性水解酶的磷酸化修饰； 蛋白聚糖类的硫酸化修饰。,Endomembrane System,(二)细胞内物质加工合成的重要场所,三、高尔基复合体的功能,第五章 内膜系统,(三)细胞内的蛋白质分选和膜泡定向运输,通过加工修饰，不同的蛋白质带上可被反面高尔基网专一受体识别的分选信号，进而按照下列可能的途径被分类输出：,溶酶体酶经高尔基复合体分选和包装，以有被小泡的形式被转运到溶酶体； 分泌蛋白以有被小泡的形式直接运向细胞膜或分泌释放到细胞外； 分泌蛋白以分泌小泡的形式暂时性储存于细胞质中，在有需要的情况下，被分泌释放到细胞外。,Endomembrane System,三、高尔基复合体的功能,第五章 内膜系统,经高尔基复合体分拣形成的蛋白质运输小泡三种可能的转运途径与去向,Endomembrane System,第五章 内膜系统,第三节 溶酶体,一、溶酶体的形态结构和化学组成 二、溶酶体的类型 三、溶酶