细胞质膜与物质的跨膜运输.ppt

第三章 细胞质膜与 物质的跨膜运输,细胞质膜(Plasma membrane) 也称细胞膜（Cell membrane) 围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。 生物膜（Biomembrane）：细胞内的膜（internal membrane）系统与细胞质膜的统称。,本章内容： 第一节 细胞质膜的结构模型 第二节 生物膜基本特征与功能 第三节 膜骨架 第四节 物质的跨膜运输,第一节 细胞质膜的结构模型,一、生物膜的结构模型 双层脂分子中嵌有蛋白质的二维溶液,Simons K（ 1997）：Lipid raft model,质膜的结构模型,二、膜的化学组成 细胞膜主要由脂类和蛋白质（包括酶）组成： 膜脂 50% (30% 80%) 膜蛋白 40% (20 70% ) 膜糖类 2 10%,第一节 细胞质膜的结构模型,1、膜脂（ Membrane Lipids）: The Fluid Part of the Model 双亲性分子（amphipathic ）（next） 主要有三类： 磷脂（Phospholipids）: 糖脂（Glycolipids） 胆固醇（Cholesterols，is only found in animals) 脂质体,膜的化学组成,Phosphatidyl choline（磷脂酰胆碱） - a typical membrane component phospholipid. These molecules are based on glycerol, in which two of the three OH groups are esterified to fatty acids and the third OH is linked to phosphate and some other hydrophilic group such as ethanolamine, serine, sugars such as galactose, or sugar alcohols such as inositol.,2、 膜蛋白 是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为： 整合蛋白（integral protein） 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein） 外周蛋白（peripheral protein）,膜的化学组成,3、 膜糖： 2 10 其中90为糖蛋白（glycoprotein），其余为10糖脂（glycopipid） 血型抗原为糖脂,膜的化学组成,GalNAc:N-acetylgalactosamine（ N-乙酰氨基半乳糖） GlcNAc:N-acetylglucosamine Fuc:fucose(墨角藻糖),ABO血型抗原,Here we report two bacterial glycosidase gene families that provide enzymes capable of efficient removal of A and B antigens at neutral pH with low consumption of recombinant enzymes. The enzymatic conversion processes we describe hold promise for achieving the goal of producing universal RBCs, which would improve the blood supply while enhancing the safety of clinical transfusions. 2500种真菌和细菌进行筛选，发现了两种真菌可以产生去除血红细胞中A和B抗原的酶,alfa -N-acetylgalactosaminidase dimer,?,第二节 生物膜基本特征与功能,膜的流动性 膜的不对称性 细胞质膜的基本功能,第二节 生物膜基本特征与功能,一、膜的流动性 膜的流动性实际是指在膜内部的分子运动性，主要是指膜脂脂肪酸链部分的运动与膜蛋白的运动。,膜的流动性,膜脂分子的流动性 侧向运动：产生分子间的换位，交换频率为106次/s，是膜脂分子的基本运动方式。 旋转运动：脂分子围绕自己的轴心自旋运动。 摆动运动：靠近极性头部摆动小，尾部摆动大。 翻转运动：是指膜脂分子以脂双层的一层翻转至另一层 的运动。发生频率低。不到侧向运动的10-10,膜的流动性,膜蛋白的运动性 侧向扩散 旋转运动,旋转,侧向运动,膜的流动性,膜流动性的生物学意义 膜适宜的流动性是表现生物膜正常工作的必要条件。例如，通过膜的物质运输、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等都与膜的流动性密切相关。,二、膜的不对称性（Membrane Asymmetry） 细胞质膜各部分的名称 细胞外表面（extrocytoplasmic surface, ES) 原生质表面（protoplasmic surface，PS） 细胞外小页断裂面（extrocytoplasmic face，EF） 原生质小页断裂面（protoplasmic face，PF）,第二节 生物膜基本特征与功能,膜脂的不对称性： 同一种膜脂分子在膜脂双层中呈不均匀分布。,膜的不对称性,膜蛋白质的不对称性： 每种膜蛋白质分子在细胞膜上都具有明确的方向性。如细胞表面的受体、膜上载体蛋白质等都是按一定的方向传递信号和转运物质。与细胞膜相关的酶促反应也都发生在膜的某一侧面，特别是糖蛋白质。,膜的不对称性,膜的不对称性,膜糖的分布表现出完全不对称性，其糖侧链都在质膜ES面上。,第二节 生物膜基本特征与功能,三、细胞膜的功能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。 进行选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排除，其中伴随着能量的传递。 提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息跨膜传递。 介导细胞与细胞、细胞与基质的连接 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构 膜蛋白可作为疾病治疗的药物靶标。,第三节 膜骨架,膜骨架(membrane skeleton） ： 细胞膜下与膜蛋白质相连的由纤维蛋白质组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。,人红细胞膜骨架,红细胞,血影（blood ghost）,第四节 物质的跨膜运输,物质的跨膜运输 被动运输 主动运输 胞吞作用与胞吐作用,被动运输 (passive transport) 顺浓度梯度 动力来自物质的浓度梯度，不消耗ATP 根据需不需要膜蛋白的帮助，被动运输又可分为: 简单扩散 协助扩散,一、 被动运输,简单扩散 (simple diffusion) 也叫自由扩散（free diffusion） 特点： 没有膜蛋白的协助。 通透性取决于分子大小和分子的极性：疏水的小分子和小的不带电荷的极性分子易于简单扩散。,一、 被动运输,通透性主要取决于分子大小和分子的极性，小分子较大分子易，非极性较极性易。,协助扩散（facilitated diffusion) 各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺其浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运，不需能量，特异的膜转运蛋白协助物质转运。,一、 被动运输,协助扩散,膜转运蛋白（Transport proteins）: 据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的1530%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3 细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即 载体蛋白（carrier protein） 通道蛋白（channel protein）,载体蛋白（carrier proteins) 存在于所有类型的生物膜，每种蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运。 特点： 特异性。有特异结合位点，可同特异性底物结合 多次跨膜； 也被称通透酶（permease） 载体蛋白既参与被动的物质运输，也参与主动的物质运输,协助扩散,通道蛋白(channel proteins)： 是跨膜的亲水性通道。运输过程中本身不与溶质分子结合。 目前发现的通道蛋白已有100多种，主要是离子通道(ion channels)。 离子通道 驱动带电荷的溶质跨膜转运的净驱动力为溶质的浓度梯度和跨膜电位差。二者共同构成溶质跨膜的电化学梯度（electrochemical gradient），这种梯度决定溶质跨膜的被动运输的方向。,协助扩散,K+ channel,4th subunit not shown,二、主动运输,主动运输 (active transport) 逆浓度梯度（逆化学梯度）； 都有载体蛋白协助； 需要能量,主动运输的三种基本类型,协同运输 离子梯度动力,ATP驱动泵,光驱动泵,方向！,二、主动运输,ATP驱动泵 泵：能驱动离子或小分子以主动运输方式穿过生物膜的跨膜蛋白 Na+-K+ pump（ Na+-K+ ATPase） Ca2+ pump（ Ca2+ ATPase） 质子泵,二、主动运输,钠钾泵(Na+-K+ ATPase）,钠-钾泵的结构 Na+-K+ ATPase是由两个大亚基(亚基)和两个小亚基(亚基)组成； 亚基是跨膜蛋白，在细胞质面有ATP结合位点，细胞外侧有乌本苷(ouabain)结合位点，它可抑制该泵活性; 在亚基上有Na+和K+结合位点,工作原理 磷酸化和去磷酸化 自磷酸化过程: ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化 构象的变化（每秒可发生1000次） 与Na+、K+的亲和力发生变化 每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+,钠钾泵(Na+-K+ ATPase）,工作原理,Na+-K+泵的作用： 维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； 维持低Na+高K+的细胞内环境；该浓度梯度为葡萄糖协同运输提供驱动力； 维持细胞的静息电位。,钠钾泵(Na+-K+ ATPase）,组成：1000个氨基酸残基的多肽所构成的跨膜蛋白质。 存在于细胞膜和内质网膜上。 与ATP水解相偶联，每消耗一个ATP，从膜内转运出2个Ca2+到膜外或内质网中，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+,钙泵（Ca2+-ATP酶）,工作原理 Ca2+结合酶活化磷酸化构象改变脱Ca2+去磷酸化构象恢复,钙泵（Ca2+-ATP酶）,10-3mol/L,Ca2+通道（IP3）,细胞质溶质中低浓度的游离Ca2+是进行许多生理活动的必要状态,植物细胞、真菌、细菌质膜上没Na-K泵，而是质子泵。 将H+ 泵出细胞，或泵入其它细胞器,质子泵（H+ -ATPase),H+ ATPase,协同运输(cotransport) 定义： 一类由Na+K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。 物质跨膜运动所需的直接动力来自膜两侧离子电化学浓度梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过Na+-K+泵（动物细胞）或质子泵（植物细胞和细菌）消耗ATP来实现的。,二、主动运输,协同运输类型 同向协同（symport）：物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。 反向协同（antiport）：物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+，以调节细胞内的pH值。还有一种机制是Na+驱动的Cl-HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。,协同运输,作用： 完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，以维持正常的代谢活动。又称膜泡运输或批量运输（bulk transport）。属于主动运输。 概念： 胞吞作用（endocytosis）：通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），将外界物质裹进并输入细胞的过程。 胞吐作用（exocytosis）：将细胞内含待分泌物的被膜小泡，通过细胞质膜运出细胞的过程。,三、胞吞作用与胞吐作用,Endocytosis,胞吐作用,思考题 1、名词解释：脂质体 2、质膜的基本结构特征 3、生物膜的不对称性？ 4、生物膜的膜脂主要包括哪些成分？ 5、何为主动运输和被动运输？各有哪些运输方式，分别有什么特点？,磷脂 占膜脂的50%以上。 分 甘油磷脂（phosphoglycerides） 鞘磷脂（sphingomyelin）,甘油磷脂：以甘油为骨架的磷脂类。主要类型有： 磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂 磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS 磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂 磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI 双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol, DPG，旧称心磷脂,鞘磷脂,鞘磷脂（sphingomyelin，SM）： 在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。,糖脂： 是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。,鞘氨醇,酰基鞘氨醇,鞘磷脂,脑苷脂,糖脂也是两性分子，其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。,儿童所患的一种致死性遗传病Tay-Sachs病，就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖酯酶，不能将神经节苷脂 GM2加工成为 GM3；结果大量的神经节苷脂GM2 累积在神经和脑细胞中，导致中枢神经系统退化，以至死亡。,Tay-Sachs病,胆固醇,胆固醇 存在于真核细胞膜上 含量：不超过膜脂的1/3。 作用： 调节膜的流动性 增加膜的稳定性 降低水溶性物质的通透性,脂质体是根据磷脂分子可在水下中形成稳定的脂双层膜而制备的人工膜。 脂质体最初是由英国学者Bangham和Standish将磷脂分散在水中进行电镜观察时发现的。,脂质体