细胞生物学-第三章细胞膜 小分子运输

第三章 细胞膜与细胞表面,王国辉细胞生物学教研室（21203）,细胞膜的分子组成与分子结构,一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的特性三、细胞膜的结构模型,细胞膜的化学组成,组成,膜脂膜蛋白膜糖类,磷脂（phospholipid） 胆固醇（cholesterol）构成膜主体糖脂（glycolipid）,生物膜上的脂类统称膜脂。 主要类型 分子结构特点 分子排列特点,膜脂(membrane lipid),膜脂,分子结构共同特点：双亲性分子（水脂兼性分子）,分子排列特点：,1. 磷脂,(1)磷脂的种类: 根据碱基的不同，分为5种：,逐个相依地整齐排列脂双分子层，构成膜主体结构 。,2. 胆固醇,分子结构: 极性头部：羟基团 非极性尾部：脂肪酸链 固醇环连接头部与尾部,可调节膜的流动性，加强膜的稳定性,3. 糖脂,分子结构：极性头部： 由1数个糖 基构成 非极性尾部： 两条脂肪酸链糖基取代磷酸胆碱,糖脂的作用：某些大分子的受体，与细胞识别、信号传导有关,内在膜蛋白: 它与膜结合非常紧密外在膜蛋白: 靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。,膜蛋白,FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS,膜糖类,糖类+膜脂,共价键,糖 脂,糖类+膜蛋白,糖蛋白,共价键,脂双层,膜蛋白,细胞衣,膜糖类,动物细胞表面普遍存在一层富含糖类物质的细胞外被。在电镜下可显示厚约1020nm的结构，边界不甚明确。作用：保护，细胞通信，并与细胞表面的抗原性有关。红细胞质膜上的糖鞘脂是ABO血型系统的血型抗原，糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；O型血则缺少这两种糖基。,多糖,微绒毛,膜的不对称性(asymmetry)膜的流动性(fluidity),生物膜的特性,膜脂分布的不对称,(1)脂双层所含磷脂种类不对称(2)糖脂的不对称性:糖链全部在细胞膜的外层(3)胆固醇集中在细胞膜的外层,膜分子结构的不对称性决定了膜内表面功能的不对称性,冰冻蚀刻技术:,膜蛋白分布的不对称性,思考：膜的不对称性有何生物学意义？,膜的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性，膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。1. 如糖脂是位于脂双层的外侧，其作用可能作为细胞外配体(ligand) 的受体或与细胞的抗原性有关；2. 磷脂酰丝氨基主要集中在脂双层的内叶，在生理pH下带负电荷，这种带电性使得它能够同带正电的物质结合；3. 磷脂酰胆碱出现在衰老的淋巴细胞外表面，作为让吞噬细胞吞噬的信号。磷脂酰胆碱也出现在血小板的外表面，此时作为血凝固的信号。4.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是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。,脂双层的液晶态： 细胞膜既不是固态，也不是液态，而是液晶态细胞膜: “液态液晶态晶态”,流动性,1.横向扩散运动；2. 旋转运动；3. 摆动运动；4.翻转运动；5.伸缩振荡运动；6. 旋转异构运动,膜蛋白的流动性：随机、定向、局部移动,人鼠细胞融合实验,成斑成帽现象,影响膜流动的因素,1、磷脂分子结构:烃链长短烃链的不饱和程度2、胆固醇含量:调节膜的流动性3、温度4、卵磷脂/鞘磷脂的比值5、蛋白质的影响：膜蛋白多-膜微粘度增加-流动性低,膜流动性的意义：有利于酶的侧向扩散和旋转运动，酶活性提高；是物质运输的基础；与信号转导有极大关系；与细胞周期关系密切：在M期, 膜的流动性最大, 而在G1期和S期, 膜流动性最低；与能量转换有关；与发育和衰老都有关系。,片层结构模型 (lamella structure model),细胞膜是蛋白质-磷脂-蛋白质三层夹板式结构 。,细胞膜的结构模型,单位膜模型（unit membrane model）,细胞膜都呈现清晰的两暗夹一明的三层结构。,流动镶嵌模型（fluid mosaic mode）,流动的脂类双分子层构成了细胞膜的连续主体，蛋白质分子无规则地分散在脂类的海洋中。强调了膜的流动性及不对称性，较好解释了生物膜的功能特点。,晶格镶嵌模型、板块相嵌模型是对流动镶嵌模型的补充,脂筏模型（lipid raft model）,生物膜上胆固醇和鞘磷脂富集而形成有序脂相，如同脂筏一样载着各种蛋白，是一种动态结构。,不对称性,第二节 细胞膜与细胞内外物质转运,本节重点1. 物质跨膜运输的各个相关概念 2. 掌握物质跨膜运输的类型，特点,选择通透,膜内外物质的运输,膜内外物质的运输,小分子运输,大分子运输,被 动 运 输,主动 运 输,胞吐作用,胞吞作用,穿膜运输,膜泡运输,小分子物质的跨膜运输,（一）被动运输（passive transport） 是指物质顺浓度梯度，由浓度高的一侧通过膜运输到浓度低的一侧的穿膜扩散，不消耗代谢能的运输方式。,被动运输,单纯扩散,通道扩散,载体扩散,转运蛋白,1.单纯扩散（simple diffusion）,最简单的一种物质跨膜运输形式,简单扩散,1、单纯扩散、简单扩散Simple Diffusion,被动运输,简单扩散,被动运输,单纯扩散（simple diffusion）,一些物质不需要膜蛋白的帮助，能顺浓度梯度自由扩散，通过膜的脂双层，如苯、醇、类固醇类激素以及O2、N2等就是通过这种方式。,O2，N2，苯,H2O 尿素，甘油 ，CO2,葡萄糖蔗糖,H+，HCO3-Na+，K+, Cl-, Mg2+,双层膜对不同分子的相对透性,决定物质对膜通透性的因素,脂溶性：正相关于膜通透性；(乙醇与丙醇)极性：非极性物质易透过；（CO2）分子大小：小分子比大分子易透过；导电性：不带电的物质易透过。（O2）,被动运输,高浓度,低浓度,脂质双分子层,电化学梯度,单纯扩散,单纯扩散的特点不需要膜蛋白的帮助不消耗ATP细胞膜两侧有一定的浓度差,被动运输,被动运输,转运蛋白（transport protein）：是指细胞膜上负责转运不能通过单纯扩散穿膜的物质的蛋白质。如负责转运各种离子、葡萄糖、氨基酸及各种代谢产物的载体蛋白和通道蛋白。 通道蛋白（channel protein）：在膜形成亲水孔道，贯穿脂双层，介导特定离子转运。 载体蛋白（carrier protein）：与特定溶质分子结合，通过构象改变进行物质转运。,（一）被动运输（passive transport）,被动运输,单纯扩散,通道扩散,载体扩散,被动运输,通道扩散（channel diffusion）,被动运输,通道扩散,K+、Na+、Ca2+、Cl-等离子借助于通道蛋白的介导，顺浓度梯度或电位梯度通过细胞膜的过程。,被动运输,高浓度,低浓度,电化学梯度,通道蛋白,通道蛋白,通道蛋白模式图,通道蛋白肽链以螺旋多次穿膜，中间形成亲水通道,被动运输,水通道(water channel)闸门通道(gated channel)电压闸门通道（voltage-gated channel）配体闸门通道（ligand-gated channel）机械闸门通道(Mechanical-gated Channel),channel,被动运输,普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难以简单扩散来解释,水通道,将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀,水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀,水通道(water channels),1991年Peter Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28,他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5 分钟内破裂，细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制目前在人类细胞中已发现的此类蛋白有10多种，被命名为水通道蛋白(Aquaporin，AQP)。,被动运输,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,Peter Agre,Roderick MacKinnon,目前有10多个水通道蛋白发现存在于血液、肾脏、大脑等,许多涉及体液流动的生理过程，例如出汗、排尿、发炎红肿以及流泪等等。水通道蛋白的功能使我们在炎热的夏天浓缩尿液而不致发生脱水对维持颅内渗透压及水电解质平衡，脑脊液的分泌、重吸收及平衡发挥着重要作用，同时也参与脑水肿病理学过程,水通道技术已经开始使用于化妆品领域和纺织品技术领域。通过水通道技术，将人类需要的矿物金属元素通过化妆品和衣物面料和人体皮肤接触的机会渗透进人体组织之内,水的跨膜运输1. 穿越膜质双分子 层简单扩散 2. 水通道介导转运,水通道(water channel)闸门通道(gated channel)电压闸门通道（voltage-gated channel）配体闸门通道（ligand-gated channel）机械闸门通道(Mechanical-gated Channel),channel,被动运输,闸门通道(gated channel):绝大多数跨膜通道蛋白具有闸门作用，仅在特定刺激发生反应的瞬间打开称闸门通道。电压闸门通道（voltage-gated channel）:膜电位发生变化可刺激闸门开放的闸门通道。配体闸门通道（ligand-gated channel）:细胞内外的配体与细胞表面的受体结合，引起通道蛋白构象改变使闸门开放称为配体闸门通道。,膜两侧跨膜电位的改变是控制电压门控通道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。,电压闸门通道：,通道蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度,配体闸门通道,乙酰胆碱受体(nAChR)是典型的配体门控通道。是五聚体跨膜蛋白( 2 ),当受体的两个亚单位结合Ach时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流。 Ach释放后，瞬间即被乙酰胆碱酯酶水解，通道在约1毫秒内关闭。,配体门控通道(Ligand-gated Channel) 依靠化学物质(配体)与受体的结合 如乙酰胆碱通道。,配体闸门通道,细胞外,细胞内,被动运输,神经-肌肉兴奋，不到秒钟的时间内完成，这一过程包括四次通道顺次开放：,A、刺激神经冲动神经末梢，膜去极化，电压闸门通道钙离子通道开放，钙离子进入神经末梢，刺激乙酰胆碱（ACH）分泌到突触间隙中；B、ACH与突触后肌细胞膜上的受体结合，配体闸门钠离子通道开放，钠离子进入肌细胞，肌细胞膜去极化；C、肌细胞膜上电压闸门钠离子通道开放，更多的钠离子进入肌细胞，肌细胞膜进一步去极化，产生动作电位，扩散到肌细胞膜；D、肌浆网上的钙离子通道开放，钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩。,神经肌肉连接处的闸门通道,被动运输,闸门开放时间极短，有利于一些顺序性活动，即一个通道离子的流入可以引起另一个通道的开放。,含羞草的闭叶反应,含羞草展开与收缩受电位-门控通道的控制,听觉毛状细胞的机械闸门通道作用原理,通道蛋白转运的主要特性：通道蛋白介导的是不耗能的被动运输， 顺浓度梯度，通道蛋白在转运过程中不与溶质分子结合。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，比载体蛋白所介导的最快转运速率高约1 000倍。 多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受“闸门”控制。,单纯扩散不需要膜蛋白的帮助不消耗ATP靠膜两侧保持一定的浓度差运输物质。,（三）载体扩散,载体扩散借助于细胞膜上载体蛋白的构象变化而顺浓度梯度的物质运输方式。载体蛋白(carrier protein)：一类跨膜蛋白，与特定物质结合，可通过自身构象的改变使物质穿越细胞膜。,载体蛋白协助扩散Carrier Protein Facilitated Diffusion,载体蛋白易位机制,水溶性小分子，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等进入细胞借膜上载体蛋白的帮助，顺浓度梯度以不耗能的方式向细胞内转运.,被动运输,载体蛋白介导的被动运输,载体蛋白在胞外结合葡萄糖分子,构象变化,结合位点转至胞内侧,释放葡萄糖分子,构象恢复,载体蛋白介导运输的特点,（1）载体蛋白具有高度的特异性。（2）通过载体易位机制转运,不耗能。,Km 转运分子浓度,载体介导的易化扩散,简单扩散,转运速率,Vmax1/2Vmax,（3）载体蛋白的饱和性。,单纯扩散不需要膜蛋白的帮助不消耗ATP靠膜两侧保持一定的浓度差运输物质。,小分子物质的跨膜运输,主动运输（active transport）,在载体蛋白的帮助下，细胞膜利用能量来驱动物质的逆浓度梯度方向的运输方式,离子泵（ion pump）：直接利用分解ATP产生的能量，将物质逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程伴随运输（co-transport）：驱动力并不直接来自ATP的分解，而是来自离子泵所形成的离子浓度梯度,进行的物质逆浓度梯度和(或)电位梯度的跨膜转运方式。,离子泵 具有载体和酶的双重作用，具有专一性，如钠钾泵、钙泵、质子泵等。 能量来源：ATP,离子泵,主动运输,主动运输,结构:由大、小两个亚基组成大亚基为一多次穿膜跨膜蛋白大亚基的胞质胞质侧有一个ATP结合位点和三个Na+结合位点在膜的外侧面大亚基上有2个K+结合位点和1个ouabain(乌本苷，能抑制ATP酶)结合位点；小亚基为一糖蛋白，其作用仍不甚清楚,主动运输,ATP酶去磷酸化,Na+与ATP酶结合,ATP酶磷酸化,Na+释放至膜外ATP酶构象变化（亲K+构象）,K+ 与ATP酶结合,K释放至膜内ATP酶构象变化（亲Na+构象）,Na+-K+泵作用过程,Pi,钠结合部位,钾结合部位,Na+,Na+,Na+,Na+,K+,K,+,泵,Mg+,Pi,Pi,K+,K+,K+,Pi,钠结合部位,钾结合部位,Na+,Na+,Na+,Na+,K+,Mg+,Pi,Pi,K+,K+,K+,泵在膜内侧Na+与酶结合,激活ATP 酶活性，使ATP 分解，酶被磷酸化，构象发生变化,与Na+结合的部位转向膜外侧,在膜外侧释放Na+、而与K+结合,K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状,使K+在膜内被释放，而又与Na+结合,每消耗1分子ATP，泵出3个Na+，泵入2个K+ 一般动物细胞要消耗1/3总ATP来维持细胞内低Na+，高K+的离子环境，以维持细胞正常的生命活动,NaK泵运输Na、K的意义:,直接效应维持胞内低钠高钾的离子梯度。间接效应调节细胞容积，维持胞内外渗透压平衡。用乌本苷处理细胞，细胞很快涨破。产生的Na浓度差是某些物质如葡萄糖和一些氨基酸运输的电化学势能保障。胞内高浓度K为蛋白质合成及糖酵解所需的重要酶活动提供了重要条件。参与形成膜电位。,主动运输,肌浆网Ca 2+ 细胞质Ca 2+ （肌细胞收缩） Ca 2+ 从细胞质泵入肌浆网（肌细胞舒张）,激活Ca 2+-ATP酶,顺浓度差释放到肌细胞质,结构：分子量为10万的跨膜蛋白工作过程：水解一分子ATP运转两个Ca 2+ 意义：1、维持细胞内低Ca状态2、调节肌细胞的收缩与舒张,位置：细胞膜和细胞器的膜（溶酶体）意义：1、参与ADP合成ATP（线粒体，叶绿体）2、维持高酸性环境（溶酶体、胃内及植物液泡）3、维持细胞质内恒定的PH7.0值,H+-ATP酶（质子泵）,主动运输,2.离子梯度驱动的主动运输 伴随运输,主动运输（active transport）,1. 离子泵,主动运输,载体蛋白介导的伴随运输,伴随运输：一种物质的运输依赖于第二种物质的同时运输。分类：伴随运输根据物质运输的方向又分为： 同向伴随运输：两种伴物质运输方向相同。 逆向伴随运输：两种伴随物质运输方向相反。单运输：与伴随运输相对，单一运输一种物质。,主动运输,单运输,同向伴随运输,逆向伴随运输,伴随运输是与离子梯度相偶联的主动运输过程，具体地讲，这种过程是由膜上的Na+-K+泵和特异性的载体蛋白共同协作完成的。 分类：同向运输、逆向运输。,伴随运输