4细胞膜与物质跨膜运输.ppt

第四章细胞膜与物质跨膜运输,（cellmembrane),使细胞具有相对独立和稳定的内环境；是细胞内外物质、信息、能量交换的“门户”。,细胞膜,概念：,是包围在细胞质外周的一层界膜，又称质膜（plasmamembrane).,功能：,除细胞膜外，真核细胞内许多膜性细胞器的膜，如线粒体膜、内质网膜、高尔基复合体膜、溶酶体膜、核膜等，称为细胞内膜。除线粒体膜以外的内膜结构共同构成真核细胞的内膜系统。,细胞内膜系统,(endomembrane),概念：,任何生物膜在电镜下都呈现“暗明暗”三层结构，故将这三层结构称为单位膜。,生物膜,细胞膜,细胞内膜:,生物膜(biomembrane),细胞膜,细胞质,细胞膜和细胞内膜的总称。,生物膜,细胞的生物膜体系,生物膜,脂类、蛋白质、糖类,水、无机盐、金属离子,主要成分,少量成分,第一节细胞膜的化学组成和分子结构,蛋白质/脂类:在不同种类生物膜中有所不同。,各种生物膜中蛋白质与脂类的含量比,一般地说：功能多而复杂的膜，蛋白质/脂类大；功能少而简单的膜，蛋白质/脂类小。,红细胞血影(细胞膜最佳研究材料),成熟的红细胞没有细胞器；质膜是红细胞唯一的膜结构；红细胞质膜易于提纯和分离。,一、细胞膜的化学组成,是将分离的红细胞放入低渗溶液中，水渗入到红细胞内部，红细胞膨胀、破裂，从而释放出血红蛋白，当红细胞的内容物渗漏之后、质膜可以重新封闭起来称为红细胞血影。,(一)膜脂(membranelipid),生物膜上的脂类统称膜脂。,膜脂,磷脂,糖脂,胆固醇,均为双亲性分子(amphipathicmolecule),既有亲水性一端，又有疏水性一端的分子。,1、磷脂构成膜脂基本成分,鞘磷脂,X,极性头部（亲水性）,非极性尾部（疏水性）,磷脂酰胆碱（卵磷脂）,磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）,磷脂酰丝氨酸/磷脂酰肌醇,鞘胺醇,磷脂,2、胆固醇,极性头部,固醇环结构,非极性尾部,双性分子。只存在于真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。,在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。,2、糖脂,鞘胺醇,糖脂分子,半乳糖苷脂,常见糖脂：半乳糖脑苷脂(最简单)神经节苷脂(最复杂)（Tay-sachsdisease）,糖脂也是两性分子，结构与磷脂相似，动物细胞糖脂多由一个或多个糖残基代替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。,脂分子团,脂双分子层,两亲性分子在水溶液中可形成两种排列方式:,脂质体(liposome)：脂质游离端自动闭合形成的封闭结构:分隔屏障,二维流体,水,水,phospholipidmoleculesassemblespontaneouslytoformthewallsoffluid-filledsphericalvesicles,calledliposomes.可用于细胞膜的研究模型；生物大分子和药物的运载体；转基因；疾病的诊断及治疗等。,Functionsofmembraneproteins,膜蛋白是膜功能的主要体现者。核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。,根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为:,内在膜蛋白（intrinsicprotein）,脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）,外在膜蛋白（extrinsicprotein）,蛋白与膜的结合方式、内在膜蛋白；、脂锚定蛋白；、外在膜蛋白,占膜蛋白总量70-80%,又称整合膜蛋白(integralprotein)，以不同程度嵌入脂双层，有的贯穿全膜,称跨膜蛋白(tansmembraneproteins)。双亲分子。它与膜结合非常紧密，须用去垢剂(detergent)才能从膜上去除，常用SDS和Triton-X100。,1.内在膜蛋白(intrinsicproteins),内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道有两种形式:由多个螺旋组成亲水通道(多数)；由折叠组成亲水通道(如孔蛋白)。,又称外周蛋白(peripheralprotein),为水溶性的，分布在细胞膜的内外表面，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。,2.外在膜蛋白(peripheralprotein),Proteinsarelocatedentirelyoutsideofthelipidbilayer,onthecytoplasmicorextracellularside,yetareassociatedwiththesurfaceofthemembranebynoncovalentbonds.,占膜蛋白总量的20%30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。,3.脂锚定蛋白(lipid-anchoredprotein),Proteinsthatarelocatedoutsidethelipidbilayer,oneithertheextracellularorcytoplasmicsurface,butarecovalentlylinkedtoalipidmoleculethatissituatedwithinthebilayer.,又称脂连接蛋白(lipid-linkedproteins),同脂的结合有两种方式：胞质侧蛋白质直接与脂双层中的脂结合。质膜外表面蛋白是通过磷脂酰肌醇相连的寡糖链与脂双层结合【糖磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI)】，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理能释放出结合的蛋白。如细胞表面受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC。,Lipid-anchoredproteins,单糖或多聚糖+膜脂,共价键,糖脂,单糖或多聚糖+膜蛋白,糖蛋白,共价键,细胞内,（三）存在于质膜表面的糖脂和糖蛋白,脂双层,膜蛋白,细胞外衣,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：,膜糖的种类,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-乙酰葡萄糖胺(N-Acetyl-Glucosamine)唾液酸(N-乙酰基神经氨酸)(sialicacid)。,流动性和不对称性,二细胞膜的特性,一膜的不对称性决定膜的方向性(asymmetry),1、膜脂分布的不对称性,(3)糖脂全部分布在膜的非胞质面。,(1)磷脂磷脂酰胆碱和鞘磷脂多分布在细胞膜的外层（非胞质面）磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸多分布在细胞膜内层（胞质面）磷脂酰丝氨酸带有负电荷，细胞膜内层负电荷多于外层。,(2)胆固醇因其与磷脂酰胆碱和鞘磷脂的亲和力较大，故主要分布在细胞膜的外层。,分布的不对称性决定了膜内外表面功能的不对称性。,冰冻蚀刻技术揭示的细胞膜各断面的名称,ES(extrocytoplasmicsurface):细胞外表面,EF(extrocytoplasmicface):细胞外小叶断面,PF(extrocytoplasmicface):原生质小叶断面,PS(protoplasmicsurface):原生质表面,二膜的流动性(fluidity)是膜功能活动的保证,2、膜脂分子能进行多种运动,1.侧向扩散运动(lateraldiffusion)2.翻转运动(flip-flop)/少见3.旋转运动(rotation)4.弯曲运动(flexion)5.伸缩震荡运动6.旋转异构化运动（脂肪酸链绕C-C键旋转）,膜脂分子的运动方式,影响膜脂流动性的因素,1.脂肪酸链的饱和程度,2.脂肪酸链的长度,3.胆固醇的影响,4.卵磷脂/鞘磷脂的比例,5.嵌入膜蛋白含量,饱和程度高，流动性小饱和程度低，流动性大,链长，流动性小链短，流动性大,调节膜的流动性,此比例小，流动性小此比例大，流动性大,含量越多,流动性越小,6.其它因素,极性基团,环境温度,pH,离子强度等,Factorsofinfluencebilayerfluidity脂肪酸链的影响膜脂肪酸链对流动性的影响主要是不饱和程度和链的长短：饱和脂肪酸链呈直线形，链间排列紧密，相互作用大。膜的流动性小。而不饱和脂肪酸链呈弯曲形，使磷脂分子中两条脂肪碳链尾部难以相互靠拢，彼此排列疏松，膜的流动性大。因此，脂肪酰碳链不饱和程度越大，流动性也越大。,胆固醇的影响cholesterolmoleculesareorientedwiththeirsmallhydrophilichydroxylgrouptowardthemembranesurfaceandtheremainderofthemoleculeembeddedinthelipidbilayer.Thehydrophobicringsofacholesterolmoleculeareflatandrigid,andtheyinterferewiththemovementsofthefattyacidtailsofthephospholipids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。,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。,4、膜蛋白的运动性,膜蛋白分子的运动方式,（1）侧向移动,（2）旋转运动,膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。,小鼠细胞,人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）,异核细胞,小鼠膜蛋白抗体+荧光素,人膜蛋白抗体+罗丹明,小鼠膜蛋白抗体+小鼠膜蛋白（抗原）,人细胞,孵育（37，40分钟）,荧光漂白恢复技术（FRAP）,Fluorescencerecoveryafterphotobleaching,质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。,膜蛋白流动性的意义,细胞膜的功能,（一）片层结构模型(lamellastructuremodel),1935年,Danielli和Davson,发现细胞膜的表面张力显著低于油-水界面表面张力,因此认为,细胞膜中除含有脂类外，还含蛋白质,故提出了该模型。,蛋白质,脂双分子层,夹层学说,（球状）,（球状）,（双分子层）,“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板结构,（二）单位膜模型(unitmembranemodel),蛋白质：单层肽链折叠结构,脂双层,细胞膜,细胞质,1959年,Robertson利用电镜观察，发现所有生物膜都呈“暗-明-暗”三层结构，故称为单位膜模型。,暗,明,暗,此模型认为覆盖在脂双分子层内外表面的是呈-折叠的薄片状蛋白质，而非球状蛋白质。,2.0nm,3.5nm,2.0nm,（三）流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel),1.流动的脂双分子层构成生物膜的连续主体。,2.膜蛋白以各种形式镶嵌在脂双分子层中或附着在膜内外表面。,脂双分子层,极性头部,疏水尾部,内在膜蛋白,外在膜蛋白,1972年，Singer和Nicolson提出:,评价：液态镶嵌模型可以解释膜中发生的很多现象，为人们普遍接受，但也有不足之处：如忽视了膜的各部分流动性的不均匀性，忽视了蛋白质分子对脂分子流动性的限制作用。,3.强调了膜的流动性和不对称性。,液态镶嵌模型,（四）脂筏模型(lipidraftsmodel),1977年,美Simon提出。,存在于绝大多数哺乳动物质膜和部分内膜系统。,特征：脂筏与质膜微囊（caveolae），又称去污剂不溶的富含糖脂区（detergent-resistantfraction）.主要含有鞘脂和胆固醇而呈现介于液晶相和凝胶相之间的液态有序相（liquid-orderedphase）或Lo相。以Lo相为特征的脂质微区四周被流动的、液态无序相的脂质分子包围，犹如很多小筏漂浮在流动的脂质海洋中。,主要功能：信号转导、膜的运送（内吞、外排），胆固醇运送、维持胞内Ca2+稳态平衡、蛋白分选等。,Mechanismsofraftclustering.(a)Rafts(red)aresmallattheplasmamembrane,containingonlyasubsetofproteins.(b)Raftsizeisincreasedbyclustering,leadingtoanewmixtureofmolecules.Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway.,一细胞膜的选择性通透和简单扩散允许一定物质穿越,1.膜选择性通透特点：具有高度选择性，分子量小，脂溶性强，不带电荷的小分子易穿过,第二节小分子物质的跨膜转运,O2,CO2,N2尿素,H2O葡萄糖,蔗糖H+,Na+,Ca2+,膜对物质分子的通透性取决于膜的结构属性及分子特性：,脂溶性越强的分子越容易穿膜；,非极性物质脂溶性强，易穿膜，如O2,CO2,N2；但H2O例外。,分子量越小越容易穿膜；,不带电荷的分子容易穿膜，带电荷的离子不能或很难穿膜。,离子脂溶性弱，且带有水化膜，增大了它的有效体积。,高浓度,低浓度,脂双分子层,电化学梯度,它不要膜蛋白的帮助,也不消耗ATP,仅靠膜两侧保持一定的浓度差而进行的物质胯膜运输。如CO2、O2、乙醇、尿素和H2O等。,Simplediffusion（简单扩散/被动扩散）,2.膜转运蛋白类型,根据运输机制不同，将膜运输蛋白分为两类：,载体蛋白(carrierprotein)：通过蛋白质可逆的构象变化进行物质运输；可介导被动及主动运输,通道蛋白(channelprotein)：在蛋白质中心形成一个亲水性的通道，使特定溶质穿越。只介导被动运输,跨膜运输方式分类,被动运输：（不耗能，顺浓度或电化学梯度）简单扩散/被动扩散（不需蛋白协助）易化扩散/协助扩散（需蛋白协助，根据蛋白不同可分载体蛋白和通道蛋白两类）主动运输：（耗能，逆浓度或电化学梯度）需载体蛋白协助,在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。,载体蛋白（carrierprotein）,高浓度,低浓度,电化学梯度,脂双分子层,载体蛋白,易化扩散:,凡借助于载体蛋白的帮助，不消耗代谢能，顺浓度梯度转运物质的方式称。如葡萄糖、氨基酸等。,载体蛋白介导的被动运输,易化扩散的速率在一定限度内与物质的浓度差成正比，当所有载体蛋白的结合部位全部被占据时，速率达最大并维持在此水平上。,二载体蛋白介导的易化扩散（Facilicateddiffusion）,转运速度高：要比自由扩散快几个数量级；存在最大转运速率/饱和性：自由扩散的速率与溶质的浓度成正比，而膜蛋白促进的运输可以达到最大值；具有特异性：有膜转运蛋白参与;运输作用受抑制剂的抑制。,facilitativetransporteraconformationalchange与主动运输的差别,是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或电化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。,主动运输所需能量的来源主要有：1.ATP直接提供能量2.ATP间接提供能量3.光能驱动,三、载体蛋白介导的主动运输(activetransport),概念,特征,运输方向；膜转运蛋白；消耗能量。,（1）钠钾泵(Na+-K+pump),逆电化学梯度转运Na+和K+,化学本质：,Na+-K+ATP酶,兼有载体蛋白和酶的双重功能,化学组成：,Na+-K+ATP酶,大亚基：,小亚基：,跨膜蛋白，,催化部位，,内侧：,Na+、ATP的结合部位,外侧：,K+、乌本箭毒苷的结合部位,膜外半嵌入的糖蛋白，,作用不详。有组织特异性,细胞内,浓度梯度30倍,浓度梯度13倍,Na+,K+,Na+,Na+,Na+,Pi,Na+,K+,K+,钠结合部位,K+,Pi,钾结合部位,运输过程：,Na+,K+,细胞外,工作效率,1个ATP酶分子每秒钟水解100个ATP分子；,每水解1分子ATP所释放的能量可泵出3个Na+，同时泵入2个K+。,生理意义,A、维持细胞内外钠、钾离子的浓度梯度；,B、维持膜电位；,C、调节细胞内外渗透压；,D、为细胞主动运输葡萄糖、氨基酸提供驱动力。,TheCa2+-ATPasepresentinboththeplasmamembraneandthemembranesoftheendoplasmicreticulum.,Ca2+pump,Ca2+ATPase,Ca2+泵的工作原理:(类似于Na+-K+泵)在细胞质面有同Ca2+结合的位点，一次可以结合两个Ca2+，Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随着ATP的水解酶被磷酸化，Ca2+泵构型发生改变，结合Ca2+的转到细胞外侧被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。,Ca2+-ATP酶激活机制,Ca2+/钙调蛋白复合物的作用当细胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+同钙调蛋白结合，形成活性复合物，该复合物同抑制区结合，释放激活位点，泵开始工作。蛋白激酶C的作用蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而解除抑制作用；由上可以看出，在Ca2+-ATP酶的羧基端有三个功能位点(区域)同激活位点结合区、同CaM结合区、磷酸化位点。,StructureofCa2+ATPase,Ca2+-ATP酶作用机理,？,2离子浓度驱动的协同运输cotransport,是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）与反向协同（antiport）。,1、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。2、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。,Glucoseisabsorbedbysymport,钠离子浓度梯度驱动的葡萄糖主动运输,钠离子浓度梯度驱动的葡萄糖主动运输并不直接利用ATP，而是由钠钾泵产生的膜外高钠离子浓度驱动的。,此运输过程由两种载体蛋白协同完成：,葡萄糖特异性载体蛋白,钠钾泵,将Na+泵出细胞，造成胞内外