分子生物学4细胞膜与跨膜运输.ppt

第三章细胞质膜与跨膜运输,PLASMAMEMBRANEANDITSSURFACESTRUCTURES,重点与难点,细胞膜、膜骨架的结构与功能生物膜上蛋白质的构筑状况及运动的测量掌握物质跨膜运输的各种方式及其原理,学习要求,掌握细胞膜的结构与功能以及相关研究技术的知识主动运输、胞吞作用和胞吐作用的过程和机制,概述红细胞膜结构膜的化学组成膜的分子结构及特点物质的跨膜运输,第一节概述,细胞质膜(plasmamembrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，基本作用是保持细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外，细胞质膜在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。,胞质膜(cytoplasmicmembrane)存在于细胞质中各膜结合细胞器中的膜，包括核膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜、线粒体膜、叶绿体膜、过氧化物酶体膜等。,细胞内主要的胞质膜,由于细菌没有内膜，所以细菌的细胞质膜代行胞质膜的作用。,生物膜(biomembrane，orbiologicalmembrane)是细胞内膜和质膜的总称。生物膜是细胞的基本结构，它不仅具有界膜的功能，还参与全部的生命活动。,细胞膜的结构模型膜脂生物膜的基本组成成分膜糖膜蛋白膜的流动性膜的不对称性确定膜蛋白方向的实验程序确定膜脂方向的实验程序分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用细胞质膜的功能骨架与细胞表面的特化结构,一、细胞质膜的结构模型,研究简史结构模型生物膜结构的特征,E.Overton1895发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能;膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境,一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应);膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。,膜脂的功能,膜脂的不对称性,细胞质膜各部分的名称膜脂与糖脂的不对称性糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础非对称性形成原因:磷脂:ER胞质半膜合成,Flippase选择性转运糖脂:催化糖基化反应的酶位于Golgi非胞质半膜,转运不变,存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞糖脂含量较高；细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。,膜糖,自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种,而在动物细胞膜上的主要是7种：D-葡萄糖（D-Glucose)D-半乳糖(D-galactose)D-甘露糖(D-mannose)L-岩藻糖(L-fucose)N-乙酰半乳糖胺(N-acetyl-D-galactosamine)N-乙酰基葡萄糖胺(N-acetyl-glucosamine)唾液酸(sialicacid,膜糖的存在方式,通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。,O-连接:是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连，O-连接糖链较短，约含4个糖基。N-连接:是糖链与肽链中天冬酰胺残基相连，N-连接的糖链一般有10个以上的糖基。另外，N连接的方式较O连接普遍。,糖同氨基酸的连接主要有两种形式，即O-连接和N-连接,膜糖的功能,细胞与环境的相互作用（保持各种组织的相对独立）接触抑制蛋白质分选信号转导保护作用等,糖脂决定血型,血型是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)，O型则没有这两种糖基，而AB型的人则在末端同时具有这两种糖。,三、膜蛋白,基本类型膜蛋白的分离提取去垢剂(detergent)膜蛋白功能及研究方法,外周蛋白(peripheralprotein)又称附着蛋白。这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧,主要是通过非共价健附着在脂的极性头部,或整合蛋白亲水区的一侧,间接与膜结合。水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，易分离。,基本类型,整合蛋白(integralprotein)又称内在蛋白、跨膜蛋白，部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用而结合在质膜上。实际上,整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白,亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面;疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。,脂锚定蛋白通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是蛋白并不直接同脂结合，而是通过一个糖分子间接同脂结合。,去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（TritonX-100）,非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中，形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物，从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀,去垢剂在膜蛋白分离中的作用,膜蛋白的功能,运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白,转运特殊的分子和离子进出细胞;酶：有些是酶，催化相关的代谢反应;连接蛋白：有些是连接蛋白,起连接作用；受体：起信号接收和传递作用。,功能蛋白示例作用方式运输蛋白Na泵主动将Na+泵出细胞，K+泵入细胞连接蛋白整合素将细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白相连受体蛋白血小板生长因子同细胞外的PDGF结合、在细胞质内产生信号，引起细胞的生长与分裂酶腺苷酸环化酶在细胞外信号作用下，导致细胞内cAMP产生,膜蛋白的研究方法,用去垢剂分离小的跨膜蛋白,是膜蛋白研究的重要手段：当去除去垢剂并加入磷脂后,可使膜蛋白复性并恢复功能。有人用这种方法研究了膜中Na+-K+-ATP酶的功能。,钠钾ATP酶的功能研究,四、膜的流动性(membranefluidity),膜脂的运动方式脂的流动是造成膜流动性的主要因素，概括起来，膜脂的运动方式主要有四种。侧向扩散(lateraldiffusion)；旋转运动(rotation)；伸缩运动（flex）；翻转扩散(transversediffusion)，又称为翻转,膜蛋白的运动由于膜蛋白的相对分子质量较大，同时受到细胞骨架的影响，它不可能象膜脂那样运动。主要有以下几种运动形式：随机移动有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。定向移动有些蛋白比较特别，在膜中作定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的头部移向尾部。局部扩散有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内扩散。,膜的流动性的生理意义,细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。膜流动性与信息传递有着极大的关系。如果没有流动性，能量转换是不可能的。膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。,人鼠细胞融合试验：1970年，LarryFrye和MichaelEdidin进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明膜的流动性。,膜流动性研究方法,淋巴细胞的成帽效应通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。,根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度,光脱色荧光恢复技术,膜流动性的研究方法,膜的流动性受多种因素影响,影响膜流动性的因素主要来自膜本身的组成成分、遗传因子及环境的理化因素(如温度、pH、离子强度、药物等)。,温度,温度是影响膜流动性的最主要的因素。膜的骨架成份是脂，如同其他的物质一样，既可以晶态，又可以液态存在，主要是根据温度的变化而定。相变温度（transitiontemperature）在生理条件下,膜脂多呈拟液态（liquid-likestate）。温度下降至某点,则变为晶态（frozencrystallinegel）。一定温度下,晶态又可熔解再变成液晶态，这种临界温度称为相变温度。,温度对膜运动性影响,胆固醇,在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性,膜脂的组成对流动性的影响,脂的组成对膜流动性的影响主要在三个方面:脂肪酸链的长度、脂肪酸链的饱和程度、脂中卵磷脂和鞘磷脂的比例。,加强膜脂双层的稳定性，增加膜脂有序性并降低其流动性，调节膜的机械性能,卵磷脂/鞘磷脂比值的影响,哺乳动物膜中,卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的50%;卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高,链较短,相变温度低,因此卵磷脂含量高,流动性大;而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流动性低。,影响膜蛋白运动的因素,膜骨架对膜蛋白流动性的影响,细胞外基质对整合蛋白移动的影响,膜蛋白与另一细胞的膜蛋白作用限制了自身的移动;膜中其他不动蛋白限制了膜蛋白的移动。,五、膜的不对称性,质膜不对称性是指细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。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（extrocytoplasmicsurface）；EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmicface）；PS，原生质表面（protoplasmicsurface）；PF，原生质小页断面（protoplasmicface）。,冰冻蚀刻技术揭示的膜结构,膜脂的不对称性膜脂的不对称性表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同，各种细胞的膜脂不对称性差异很大,膜脂的不对称分布,膜蛋白的不对称每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称,红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如：,膜糖的不对称膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，无论是糖蛋白还是糖脂的糖基都是位于膜的外表面,磷脂与糖脂分布的不对称性,膜糖分布的不对称性,膜的不对称性的意义,膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性,保证了生命活动的高度有序性。膜不仅内外两侧的功能不同,不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。,五、确定膜蛋白方向的实验程序,胰酶消化法同位素标记法,用乳过氧化物酶进行膜蛋白标记。过氧化物酶的分子较大而不能透过细胞膜，这样可以用于标记膜外表面的蛋白，标记后，分离膜蛋白，电泳分离和放射自显影进行鉴定。,放射性标记法测定膜蛋白分布的不对称性,确定膜脂方向的实验程序,脂酶处理法,由于红细胞具有血影现象，只要将红细胞置于低离子浓度的溶液中，红细胞就会发生渗漏释放出内含物，得到只有红细胞膜的空壳。然后调整溶液中的Mg2+离子浓度，改变红细胞小泡的状态。若是从溶液中除去Mg2+，则形成外翻的小泡，若是加入Mg2+则是正常方向的小泡，然后用脂酶分别处理这两种红细胞膜。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，这种酶也是因为相对分子质量大而不通过细胞膜，所以磷脂酶只能附着在膜泡的外表面，能够被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根据它原来的状态，确定在红细胞膜脂中的定向。,七、细胞质膜的功能,为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境;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;为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行;介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接;质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。,细胞膜的功能,界膜和区室化调节运输功能区室化信号的检测与传递参与细胞间的相互作用能量转换,骨架与细胞表面的特化结构,质膜常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系,协同作用,并形成细胞表面的某些特化结构完成特定的功能。膜骨架膜骨架的概念指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。红细胞的生物学特性膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。红细胞质膜蛋白及膜骨架,红细胞质膜蛋白及膜骨架,红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE红细胞膜骨架的结构,红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步：首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用第三是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用,物质的跨膜运输,被动运输（passivetransport）主动运输（activetransport）胞吞作用endocytosis与胞吐作用exocytosis,物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。,细胞通讯与信号传递,细胞通讯与细胞识别细胞的信号分子与受体通过细胞内受体介导的信号传递通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递由细胞表面整合蛋白介导的信号传递细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息,顺浓度梯度不消耗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。,被动运输,扩散与渗透,扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散,渗透(osmosis)的含义则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。,它们都是从自由能高的部位向自由能低的部位移动。,简单扩散和渗透的比较,渗透(Osmosis)水的渗透同样是从自由能高的地方向自由能低的地方移动，如果考虑到溶质的浓度，水是从溶质浓度低的地方向溶质浓度高的地方流动。细胞的膨胀(Swell)或收缩(Shrink)质壁分离（plasmolysis),细胞膨胀与质壁分离,红细胞膨胀与收缩,类型：简单扩散（simplediffusion）、协助扩散（facilitateddiffusion）膜转运蛋白：载体蛋白（carrierproteins）通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输通道蛋白（channelproteins）具有离子选择性，转运速率高；离子通道是门控的；只介导被动运输类型：电压门控通道（voltage-gatedchannel）配体门控通道（ligand-gatedchannel）胁迫门控通道（stress-activatedchannel）水的被动运输,主动运输的特点：逆浓度梯度消耗ATP需要运输蛋白的帮助,主动运输,几种常见的主动运输泵,Na+-驱动的葡萄糖泵肾和肠细胞的表面质膜Na+-H+交换泵动物细胞的质膜Na+-K+泵大多数动物细胞的质膜Ca2+泵(Ca2+ATPase)真核细胞的质膜H+泵(H+ATPase)植物、真菌和某些细菌的质膜H+泵(H+ATPase)动物细胞的溶酶体膜、植物细胞的液泡膜细菌视紫菌素某些细菌的质膜,类型：三种基本类型ATPasePumps钠钾泵（结构与机制、功能）钙泵（Ca2+-ATP酶）质子泵：F-型质子泵、V-型质子泵协同运输（cotransport）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细菌的主动运输被动与主动运输的比较,胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）,作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称膜泡运输或批量运输（bulktransport）。属于主动运输。,细胞的分泌与内吞作用,胞吞作用,吞噬作用(phagocytosis)巨噬细胞(macrophage)中性细胞(neutrophils)胞吞作用(endocytosis)吞饮作用(pinocytosis)液相内吞(fluid-phaseendocytosis)吸附内吞(absorptionendocytosis),巨噬细胞的吞噬作用,中性细胞的吞噬作用,胞吞作用,受体配体(Ligand).营养物、.有害物质.免疫物质、.信号物质内吞过程小窝内吞泡的形成初级内体次级内体溶酶体。,受体介导的胞吞作用,受体介导内吞的基本特点,配体与受体的结合是特异的,具有选择性;要形成特殊包被的内吞泡。将成纤维细胞培养在加有转铁蛋白-铁标记的低密度脂蛋白(LDL)的培养基中,可清楚地观察到这一过程,基本过程,大致分为四个基本过程配体与膜受体结合形成一个小窝(pit);小窝逐渐向内凹陷，然后同质膜脱离形成一个被膜小泡;被膜小泡的外被很快解聚,形成无被小泡,即初级内体;初级内体与溶酶体融合,吞噬的物质被溶酶体的酶水解,受体介导的内吞过程,内吞过程中受体与配体的命运在受体介导的内吞中,配体基本被降解,少数可被利用。大多数受体能够再利用,少数受体被降解。,受体与配体的命运,受体介导的内吞作用所涉及的途径,低密度脂蛋白（LDL）的结构,LDL是一种球形颗粒的脂蛋白，外面由800个磷脂和500个未酯化的胆固醇分子包裹