细胞膜与物质穿膜运输.ppt

(Cell Membrane and Transmembrane Transport) 细胞生物学系：郑贤红,第四章 细胞膜与物质穿膜运输,概述 第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性 第二节 小分子物质和离子的穿膜运输 第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输 第四节 细胞表面特化结构 第五节 细胞膜异常与疾病,内容,概 述,一、基本概念 细胞膜 (cell membrane) :包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasma membrane）。 二、细胞膜的最基本功能 1.为细胞的生命活动提供了稳定的内环境 2.物质转运 3.信号传递、细胞识别等,第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性,一、细胞膜构成 （一）膜脂:细胞膜的结构骨架-每个动物细胞质膜上约有109个脂分子 （二）膜蛋白:决定细胞膜的功能 （三）糖类,（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架,膜脂（membrane lipid） 主要有三种类型： 磷脂（phospholipid） 胆固醇（cholesterol） 糖脂(glycolipid),磷脂,甘油磷脂,鞘磷脂,磷脂酰胆碱（PC),磷脂酰乙醇胺（PE）,磷脂酰丝氨酸 (PS),磷脂酰肌醇（PI）,1.磷脂 膜脂分子中都含有磷酸基团，被称为磷脂，约 占膜脂的50%以上。,甘油磷脂的化学结构,甘油磷脂以甘油为骨架，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。,两亲性分子或兼性分子 头部基团（head group）或亲水头: 甘油磷脂的磷酸基团可分别与亲水的小基团胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合。与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强。 疏水尾 脂肪酸链是疏水的，无极性。含14-24个碳原子。,脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子,鞘磷脂（SM),极性头部基团（亲水）,非极性尾部基团（疏水）,鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上； 分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。,质膜中的主要磷脂分子,2. 胆固醇,分布：胆固醇散布在磷脂分子之间 动物细胞含量高：胆固醇/磷脂=1/1 植物细胞含量少：2%,结构： 极性头为羟基团，紧靠磷脂的极性头部；非极性疏水结构为固醇环和烃链，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。,胆固醇调节膜流动性、加强膜稳定性,例： 中国仓鼠卵巢细胞突变株（M19）：不能合成胆固醇，体外培养需加入胆固醇，否则会解体。,Table 10-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),3. 糖脂 糖脂由脂类和寡糖构成 动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，称为鞘糖脂 。,最简单糖脂： 脑苷脂，头部仅一个半乳糖或葡萄糖残基，髓鞘中的主要糖脂。 复杂糖脂： 神经节甘脂，头部含有半乳糖 和葡萄糖外，还有数目不等的唾液酸，神经元质膜中最为丰富，占5-10%。,Figure 10-18 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),膜脂可能的存在形式： 形成球状分子团（micelle） 形成双分子层（bilayer）,人工合成膜结构： 脂质体 25nm-1um 用途： 运载体,（二）膜蛋白,决定细胞膜的不同特性和功能 在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，膜的功能越复杂, 其中的蛋白质含量越多。 线粒体内膜：75% 髓鞘：25%,根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基本类型： 内在蛋白（intrinsic protein）或整合蛋白 外在蛋白（extrinsic protein） 脂锚定蛋白（lipid anchored protein）,1.膜内在蛋白 又称穿膜蛋白（transmembrane protein） 占膜蛋白总量的7080，是两亲性分子 大多数穿膜蛋白穿膜域都是-螺旋构象，也有的 穿膜蛋白以-折叠片层（-pleated sheet）构象穿膜 分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型,-螺旋构象穿膜蛋白,-折叠构象穿膜蛋白,2.膜外在蛋白 又称周边蛋白（peripheral protein） 占膜蛋白总量的20%30% 非共价键 动态关系：根据功能的需要募集到膜上或者从膜上释放出去。,膜外在蛋白,3.脂锚定蛋白 又称脂连接蛋白（lipid-linked protein） 脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合 脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合,胞质侧的蛋白,糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI ）,与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合,共价键,质膜外表面的蛋白,与脂双层中的碳氢链结合,共价键,胞质侧的蛋白,膜蛋白在膜中的几种结合方式,分离蛋白-去垢剂,离子型去垢剂-十二烷基磺酸钠（SDS） 可使蛋白变性 非离子型去垢剂-TritonX-100 较温和,Figure 10-30 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-31 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-41a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-41b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-42 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-42a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),（三）膜糖,约占质膜重量的210。 红细胞膜：8%,糖蛋白:93%,糖脂:7%,共价键,共价键,糖类+膜蛋白,膜糖类,糖类+膜脂,形式：糖蛋白、糖脂 动物细胞种类：(七种)半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸 唾液酸常见于糖链的末端，形成真核细胞表面净负电荷，捕集纳、钙离子吸引大量水分子 位置：生物膜的非胞质面，即在质膜上位于细胞外侧，各种细胞器的细胞内膜上，位于腔面 细胞表面富糖区称细胞外衣或称糖萼：保护和细胞间识别和粘附,Figure 10-28a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),糖基化部位：N-连接/O-连接,二、细胞膜的生物学特性：不对称性和流动性,（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性 膜的不对称性（membrane asymmetry）是指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的，包括种类和数量上都有很大差异，这与细胞膜的功能有密切关系。,样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为： ES：细胞外表面 EF：细胞质膜外叶层的内面 PS：细胞内表面(胞质面) PF：细胞质膜内叶层的外面,生物膜内外两层的组分和功能有很大差异,人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布,1. 膜脂的相对不对称性,Figure 10-16 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),2. 膜蛋白的绝对不对称性 各种膜蛋白在质膜 中都有一定的位置。 穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。 3. 膜糖的显著不对称性 质膜外表面 内膜系统膜腔,（二）膜的流动性是膜功能活动的保证,脂双层为液晶态二维流体 由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变”（phase transition）。在相变温度以上，膜处于流动的液晶态。 膜的流动性是膜功能活动的保证。,2. 膜脂分子的运动方式 （1）侧向扩散（lateral diffusion） （2）翻转运动（flip-flop） （3）旋转运动（rotation） （4）弯曲运动（flexion）,4. 膜蛋白的运动性 分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性，其主要运动方式是侧向扩散和旋转运动。,小鼠人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图,影响脂双层流动性的因素,Figure 10-12 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),不饱和脂肪酸链对膜流动性的影响,胆固醇对膜流动性的影响,温度对膜流动性的影响,三、细胞膜存在多种分子结构模型,（一）片层结构模型具有三层夹板式结构特点-1935年，球形蛋白,（二）单位膜模型体现膜形态结构的共 同特点-蛋白质以单条肽链片层形式,单位膜模型-蛋白质以单条肽链片层形式，通过静电作用与磷脂极性头部结合,（三）流动镶嵌模型,“流动镶嵌模型”（fluid mosaic model）认为膜中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，有的嵌在脂双层分子中，有的则附着在脂双层的表面。,流动镶嵌模型 膜蛋白主要以螺旋的球形结构,液态镶嵌模型,（四）脂筏模型,微区（microdomain）： 微区中富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜蛋白。 脂筏 （lipid rafts）： 由于鞘脂的脂肪酸尾比较长，因此这一区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动。,脂筏结构模式图,Figure 10-14a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),第二节 小分子物质和离子的穿膜运输,一、物质简单扩散依赖于膜的通透选择性,人工脂双层对不同溶质的相对通透性,简单扩散（simple diffusion）是小分子物质 穿膜运输的最简单的方式。 须满足两个条件：一是溶质在膜两侧保持一定的浓度差；二是溶质必须能透过膜。 脂溶性物质如醇、苯、甾体类激素以及O2、CO2、NO和H2O等就是通过简单扩散方式 。,细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类蛋白质称为膜运输蛋白（membrane transport protein）。 膜运输蛋白主要有两类： 载体蛋白（carrier protein） 通道蛋白（channel protein）,二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输,（一）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输,一些非脂溶性（或亲水性）的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，不能以简单扩散的方式通过细胞膜，但它们可在载体蛋白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运，这种方式称为易化扩散（facilitated diffusion）或帮助扩散 。,载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图,（二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输,主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。 主动运输可分为ATP驱动泵（由ATP直接提供能量）和协同运输（ATP间接提供能量）两种类型。,1. ATP驱动泵,ATP驱动泵都是穿膜蛋白，它们在膜的胞质侧具有一个或多个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”。,4种类型ATP驱动泵模式图,（1）P-型离子泵（P-class ion pump） Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳类胃腺分泌细胞上的H-K泵等都属于此种类型。,Na+-K+泵,（2）V -型质子泵（V-class proton pump） 主要指存在于真核细胞的膜性酸性区室。 V-型质子泵也是由多个穿膜和胞质侧亚基组成， 其作用是利用ATP水解供能，将H+从胞质基质中 逆H+电化学梯度转运。,（3）F-型质子泵（F-class proton pump）： 主要存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体膜中，它使H顺浓度梯度运动 。 （4）ABC转运体（ABC transports）： ABC转运体是一类以ATP供能的运输蛋白，ABC超家族是哺乳类细胞膜上磷脂、胆固醇、肽、亲脂性药物和其他小分子的运输蛋白。,ABC蛋白的转运翻转酶模型,2. 协同运输 协同运输（co-transport）是一类由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。 根据溶质分子运输方向与顺电化学梯度转移的离子（Na+或H+）方向的关系，又可分为共运输（symport）与对向运输（antiport）。,（1）共运输是两种溶质分子以同一方向的穿膜运输。,小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图,（2）对向运输： 是由同一种膜蛋白将两种不同的离子或分子分别向膜的相反方向的穿膜运输过程。,（三）离子通道高效转运各种离子,离子通道的特点 通道蛋白介导的是被动运输，通道是双向的。 离子通道对被转运离子的大小和所带电荷都有高度的选择性。 转运速率高 。 多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受“闸门”控制 。,2. 离子通道的类型,（2）电压门控通道,（3）应力激活通道,（1）配体门控通道,配体门控通道（ligand-gated channel）与细胞外的特定配体（ligand）结合后，发生构象改变，结果将“门”打开，允许某种离子快速穿膜扩散。 乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor，nAChR）是典型的配体门控通道。,（1）配体门控通道,乙酰胆碱受体模式图,（2）电压门控通道： 膜电位的改变是控制电压门控通道（voltage-gated channel）开放与关闭的直接因素。 电压门控通道主要存在于神经元、肌细胞及腺上皮细胞等可兴奋细胞，包括钾通道、钙通道、钠通道和氯通道。,（3）应力激活通道： 应力激活通道（stress-activated channel）是通道蛋白感受应力而改变构象，开启通道使“门”打开，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号。 如内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应力激活通道。,（四）水通道介导水的快速转运,水通道的分类 目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员（AQP0AQP10）,2. 水通道蛋白的结构 人们对水通道蛋白家族中AQP1的结构研究得比较清楚。,水通道模式图,3. 水通道对水分子的筛选机制,AQP1中央孔通道的直径（0.28nm）限制了比水分子大的小分子通过。 AQP1中央孔通道内溶质结合位点的控制。,第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输,大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜，都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，故称为小泡运输（vesicular transport）。,一、胞吞,胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，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。 胞吞作用分为三种类型： 吞噬作用 胞饮作用 受体介导的胞吞,（一）吞噬作用：吞噬细胞摄入颗粒物 质,（二）胞饮作用：细胞吞入液体和可溶性 物质,吞噬作用,胞饮作用,（三）受体介导的胞吞：提高效率,LDL受体介导的LDL胞吞过程,有被小窝与有被小泡的形成,笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型 引自Molecular Biology of the Cell. 4th ed. 2002,笼形蛋白衣被小泡的形态,家族性高胆固醇血症,常染色体显性遗传病 LDL受体基因突变 LDL受体异常：受体缺乏和受体结构异常 重型纯合子：20岁前后出现动脉硬化 轻型杂合子：40岁前后发生动脉硬化，冠心病 LDL：肝脏合成。直径22nm,LDL的结构-1500个酯化胆固