细胞膜与物质跨膜运输ppt课件

1、(endomembrane)细胞膜和细胞内膜的总称。细胞膜和细胞内膜的总称。 细细 胞胞 的的 生生 物物 膜膜 体体 系系红细胞血影红细胞血影(细胞膜最正确研讨资料细胞膜最正确研讨资料)成熟的红细胞没有细胞器；成熟的红细胞没有细胞器；质膜是红细胞独一的膜构造；质膜是红细胞独一的膜构造；红细胞质膜易于提纯和分别。红细胞质膜易于提纯和分别。是将分别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、质膜可以重新封锁起来称为红细胞血影。 膜 脂鞘磷脂鞘磷脂X 极性头部亲水性极性头部亲水性非极性尾部疏水性非极性尾部疏水性磷脂酰胆碱卵磷脂磷脂酰胆

2、碱卵磷脂磷脂酰乙醇胺脑磷脂磷脂酰乙醇胺脑磷脂磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸/磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇鞘鞘胺胺醇醇极性头部极性头部固固 醇醇 环环 结结 构构非极性尾部非极性尾部双性分子。只存在于真核细胞双性分子。只存在于真核细胞膜上，含量普通不超越膜脂的膜上，含量普通不超越膜脂的1/31/3，植物细胞膜中含量较少。，植物细胞膜中含量较少。功能是提高脂双层的力学稳定功能是提高脂双层的力学稳定性，调理脂双层流动性，降低性，调理脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。水溶性物质的通透性。在短少胆固醇培育基中，不能合在短少胆固醇培育基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。自溶。

3、鞘鞘胺胺醇醇糖脂分子糖脂分子半乳糖苷脂半乳糖苷脂糖脂也是两性分子，构造与磷糖脂也是两性分子，构造与磷脂类似，动物细胞糖脂多由一脂类似，动物细胞糖脂多由一个或多个糖残基替代磷脂酰胆个或多个糖残基替代磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。碱而与鞘氨醇的羟基结合。脂分子团脂分子团脂双分子层脂双分子层 脂质体脂质体(liposome)：脂质游离端自动闭合构成的封锁构：脂质游离端自动闭合构成的封锁构造造:分隔屏障分隔屏障,二维流体二维流体水水phospholipid molecules assemble spontaneously to form the walls of fluid-filled spher

4、ical vesicles, called liposomes.可用于细胞膜的研讨模可用于细胞膜的研讨模型；生物大分子和药物型；生物大分子和药物的运载体；转基因；疾的运载体；转基因；疾病的诊断及治疗等。病的诊断及治疗等。Functions of membrane proteins膜蛋白是膜功能的主要表达者。核基因组编码的蛋白质膜蛋白是膜功能的主要表达者。核基因组编码的蛋白质中中30%30%左右的为膜蛋白。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，膜蛋白分为为: :内在膜蛋白内在膜蛋白intrinsic intrinsic p

5、roteinprotein 脂锚定蛋白脂锚定蛋白lipid-anchored proteinlipid-anchored protein外在膜蛋白外在膜蛋白extrinsic proteinextrinsic protein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占膜蛋白总量70-80%,又称整合膜蛋白又称整合膜蛋白(integral protein)，以不同，以不同程度嵌入脂双层，有的贯穿全膜程度嵌入脂双层，有的贯穿全膜,称跨膜蛋白称跨膜蛋白(tansmembrane proteins)。双亲分子。它与膜结合非常严密，须用去垢剂。双亲分子。它与膜结合非常严密，须

6、用去垢剂(detergent)才干从膜上去除，常用才干从膜上去除，常用SDS和和Triton-X100。 1.1.内在膜蛋白内在膜蛋白(intrinsic (intrinsic proteins)proteins)内在蛋白的跨膜构造域构成亲水通道有两种方式内在蛋白的跨膜构造域构成亲水通道有两种方式:由多个由多个螺旋组成亲水通道螺旋组成亲水通道(多数多数)；由；由折叠组成亲水通道折叠组成亲水通道(如孔蛋如孔蛋白白)。又称外周蛋白又称外周蛋白(peripheral protein),(peripheral protein),为水溶性的，分布在细为水溶性的，分布在细胞膜的内外外表，靠离子键或其它较弱

7、的键与膜外表的蛋白质胞膜的内外外表，靠离子键或其它较弱的键与膜外表的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只需改动溶液的离子强度分子或脂分子的亲水部分结合，因此只需改动溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分别下来。甚至提高温度就可以从膜上分别下来。2. 外在膜蛋白外在膜蛋白(peripheral protein)Proteins are located entirely outside of the lipid bilayer, on the cytoplasmic or extracellular side, yet are associated with the surface of t

8、he membrane by noncovalent bonds.占膜蛋白总量的占膜蛋白总量的20%20%30%,30%,在红细胞中占在红细胞中占50%,50%,如红细胞的血影蛋如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。白和锚定蛋白都是外周蛋白。3. 脂锚定蛋白脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)Proteins that are located outside the lipid bilayer, on either the extracellular or cytoplasmic surface, but are covalently linked to a lipi

9、d molecule that is situated within the bilayer.又称脂衔接蛋白又称脂衔接蛋白(lipid-linked proteins), (lipid-linked proteins), 同脂的结合有两种同脂的结合有两种方式：方式：胞质侧蛋白质直接与脂双层中的脂结合。胞质侧蛋白质直接与脂双层中的脂结合。质膜外外表蛋白是经过磷脂酰肌醇相连的寡糖链与脂双层结合质膜外外表蛋白是经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【糖磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI) (GPI) 】，】，GPIGPI位于细胞膜的外小叶，位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶用磷脂酶C C处置

10、能释放出结合的蛋白。如细胞外表受体、酶、细处置能释放出结合的蛋白。如细胞外表受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPCPrPC。Lipid-anchored proteins细胞内细胞内脂双层脂双层膜蛋白膜蛋白细胞外衣细胞外衣自然界存在的单糖及其衍生物有自然界存在的单糖及其衍生物有200多种多种,但存在于膜的糖类只需其中的但存在于膜的糖类只需其中的9种种, 而在而在动物细胞膜上的主要是动物细胞膜上的主要是7种：种：膜糖的种类膜糖的种类 D- D-葡萄糖葡萄糖D-Glucose)D-Glucose) D- D-半乳糖半乳糖 (D-Galactose) (D-Gala

11、ctose) D- D-甘露糖甘露糖 (D-Mannose) (D-Mannose) L- L-岩藻糖岩藻糖 (L-Fucose) (L-Fucose) N- N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺 (N-Acetyl-D-Galactosamine) (N-Acetyl-D-Galactosamine) N- N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺 (N-Acetyl-Glucosamine) (N-Acetyl-Glucosamine) 唾液酸唾液酸(N-(N-乙酰基神经氨酸乙酰基神经氨酸) (sialic acid) (sialic acid)。1 1、膜脂分布的不对称性、膜脂分布的不对称性冰冻蚀刻技术提示

12、的细胞膜各断面的称号冰冻蚀刻技术提示的细胞膜各断面的称号ES(extrocytoplasmic surface): 细胞外外表细胞外外表EF(extrocytoplasmic face): 细胞外小叶断面细胞外小叶断面PF(extrocytoplasmic face): 原生质小叶断面原生质小叶断面PS(protoplasmic surface): 原生质外表原生质外表2 2、膜脂分子能进展多种运动、膜脂分子能进展多种运动1.侧向分散运动侧向分散运动 (lateral diffusion)2.翻转运动翻转运动 (flip-flop)/少见少见3.旋转运动旋转运动 (rotation)4.弯曲运

13、动弯曲运动 (flexion)5.伸缩震荡运动伸缩震荡运动6.旋转异构化运动脂肪酸链绕旋转异构化运动脂肪酸链绕C-C键旋转键旋转膜脂分子的运动方式膜脂分子的运动方式3.3.胆固醇的影响胆固醇的影响4.4.卵磷脂卵磷脂/ /鞘磷脂的比例鞘磷脂的比例5.5.嵌入膜蛋白含量嵌入膜蛋白含量6.6.其它要素其它要素 Factors of influence bilayer fluidity 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，链间陈列严密，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，彼此陈列疏松，膜

14、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。 胆固醇的影响胆固醇的影响cholesterol molecules are oriented cholesterol molecules are oriented with their small hydrophilic with their small hydrophilic hydroxyl group toward the membrane hydroxyl group toward the membrane surface and the remainder of the surface and the remainder o

15、f the molecule embedded in the lipid molecule embedded in the lipid bilayer. bilayer. T h e h y d r o p h o b i c r i n g s o f a T h e h y d r o p h o b i c r i n g s o f a cholesterol molecule are flat and cholesterol molecule are flat and rigid, and they interfere with the rigid, and they interfe

16、re with the movements of the fatty acid tails of movements of the fatty acid tails of the phospholipidsthe phospholipids在相变温度以上在相变温度以上, ,它可使磷脂分子的脂酰链它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小末端的运动减小, ,即限制膜的流动性。即限制膜的流动性。在相变温度以下在相变温度以下, ,可添加脂类分子脂酰链的可添加脂类分子脂酰链的运动运动, ,这样可以加强膜的流动性。这样可以加强膜的流动性。卵磷脂卵磷脂/ /鞘磷脂比值的影响鞘磷脂比值的影响 哺 乳 动 物 膜

17、中哺 乳 动 物 膜 中 , , 卵 磷 脂卵 磷 脂(phosphatidycholine)(phosphatidycholine)和鞘磷脂和鞘磷脂(sphingomyelin)(sphingomyelin)的含量约占整个膜的含量约占整个膜脂的脂的50%;50%;卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高高, ,链较短链较短, ,相变温度低相变温度低, ,因此卵磷脂因此卵磷脂含量高含量高, ,流动性大流动性大; ;而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高, ,相相变温度也高变温度也高, ,因此因此, ,鞘磷脂的含量高鞘磷脂的含量高, ,流动性低。流

18、动性低。4 4、膜蛋白的运动性、膜蛋白的运动性膜蛋白的侧向运动受细胞骨架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的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素胞松弛素B能促进膜蛋白的侧能促进膜蛋白的侧向运动。向运动。小鼠细胞小鼠细胞人膜蛋白抗体人膜蛋白抗体+人膜人膜蛋白抗原蛋白抗原异核细胞异核细胞小鼠膜蛋白抗体小鼠膜蛋白抗体 + 荧光素荧光素人膜蛋白抗体人膜蛋白抗体 + 罗丹明罗丹明小鼠膜蛋白抗体小鼠膜蛋白抗体 +小小鼠膜蛋白抗原鼠膜蛋白抗原人细胞人细胞孵育孵育37，40分钟分钟诱导交融诱导交融膜蛋白膜蛋白(抗原抗原荧光漂白恢复技术荧光漂白恢复技术FRAPFRAPFluorescence re

19、covery after photobleaching质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例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、细胞信息传送、细胞识别、细如跨膜物质运输、细胞信息传送、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胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性亲密相关。当膜的流动性低于一定的阈值流动性亲密相关。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顿，反之假设时，许多酶的活动和跨膜运输将停顿，反之假设流动性过高，又会呵斥膜的溶解。流动性过高，又会呵斥膜的溶解。膜蛋白流动性的意义膜蛋白流动性的意义 细细 胞胞 膜膜 的的 功功

20、 能能 蛋白质蛋白质 脂双分子层脂双分子层球状球状球状球状双分子层双分子层“蛋白质蛋白质-脂类脂类-蛋白质三夹板构造蛋白质三夹板构造蛋白质：单层肽链蛋白质：单层肽链 折叠构造折叠构造脂双层脂双层细胞膜细胞膜细胞质细胞质暗暗明明暗暗2.0nm 3.5nm2.0nm 脂双分子层脂双分子层极性头部极性头部疏水尾部疏水尾部内在膜蛋白内在膜蛋白外在膜蛋白外在膜蛋白子对脂分子流动性的限子对脂分子流动性的限制造用。制造用。1977年年,美美Simon提出。提出。存在于绝大多数哺乳动物质膜和部分内膜系统。存在于绝大多数哺乳动物质膜和部分内膜系统。特征：脂筏与质膜微囊特征：脂筏与质膜微囊caveolae，又称去

21、污剂，又称去污剂不溶的富含糖脂区不溶的富含糖脂区detergent-resistant fraction.主要含有鞘脂和胆固醇而呈现介于液晶相和凝胶相之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间的液态有序相liquid-ordered phase或或Lo相。相。以以Lo相为特征的脂质微区周围被流动的、液态无序相为特征的脂质微区周围被流动的、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。海洋中。主要功能：信号转导、膜的运送内吞、外排，胆主要功能：信号转导、膜的运送内吞、外排，胆固醇运送、维持胞内固醇运送、维持胞内C

22、a2+稳态平衡、蛋白分选等。稳态平衡、蛋白分选等。Mechanisms of raft clustering. (a) Rafts (red) are small at the plasma membrane, containing only a subset of proteins. (b) Raft size is increased by clustering, leading to a new mixture of molecules. This clustering can be triggered in different way.一一 细胞膜的选择性通透和简单分散细胞膜的选择性通

23、透和简单分散 允许一定物质穿越允许一定物质穿越O2 , CO2 , N2尿素尿素,H2O葡萄糖葡萄糖,蔗糖蔗糖H+,Na+ , Ca2+高浓度高浓度低浓度低浓度它不要膜蛋白的协助它不要膜蛋白的协助, ,也不耗费也不耗费ATP,ATP,仅靠膜两侧坚持一定的浓度仅靠膜两侧坚持一定的浓度差而进展的物质胯膜运输。如差而进展的物质胯膜运输。如CO2CO2、O2O2、乙醇、尿素和、乙醇、尿素和H2OH2O等。等。跨膜运输方式分类跨膜运输方式分类n被动运输：不耗能，顺浓度或电化学梯度被动运输：不耗能，顺浓度或电化学梯度n 简单分散简单分散/被动分散不需蛋白协助被动分散不需蛋白协助n 易化分散易化分散/协助分

24、散需蛋白协助，根协助分散需蛋白协助，根n 据蛋白不同可分载体蛋白和通道蛋白据蛋白不同可分载体蛋白和通道蛋白n 两类两类n自动运输：耗能，逆浓度或电化学梯度自动运输：耗能，逆浓度或电化学梯度n 需载体蛋白协助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，经过构象改动介导溶质的自动和被动跨膜运输。分子结合，经过构象改动介导溶质的自动和被动跨膜运输。载体蛋白载体蛋白carrier protein高浓度低浓度载体蛋白载体蛋白二二 载体蛋白介导的易化分散载体蛋白介导的易化分散Facilicated diffusion转

25、运速度高：要比自在分散快几个数量级；转运速度高：要比自在分散快几个数量级；存在最大转运速率存在最大转运速率/ /饱和性：饱和性： 自在分散的速率与溶质的浓度成正比，而膜自在分散的速率与溶质的浓度成正比，而膜蛋白促进的运输可以到达最大值；蛋白促进的运输可以到达最大值；具有特异性：有膜转运蛋白参与具有特异性：有膜转运蛋白参与; ;运输作用受抑制剂的抑制。运输作用受抑制剂的抑制。facilitative transportera conformational change 与自动运输的差别与自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

26、浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。自动运输所需能量的来源主要有：自动运输所需能量的来源主要有： 1. ATP1. ATP直接提供能量直接提供能量2. ATP2. ATP间接提供能量间接提供能量3. 3. 光能驱动光能驱动概念概念特征特征运输方向；运输方向； 膜转运蛋白；膜转运蛋白； 耗费能量。耗费能量。大亚基大亚基小亚基Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+Na+Na+Na+Pi

27、Na+K+小亚基大亚基大亚基K+ATPADP+PiK+Pi大亚基大亚基大亚基小亚基小亚基Na+Na+K+K+u1 1个个ATPATP酶分子每秒钟水解酶分子每秒钟水解100100个个ATPATP分子；分子；u每水解每水解1 1分子分子ATPATP所释放的能量可泵出所释放的能量可泵出3 3个个Na+Na+，同时泵入，同时泵入2 2个个K+K+。 The Ca2+ -ATPase present in both the plasma membrane and the membranes of the endoplasmic reticulum. Ca2+ pump, Ca2+ ATPase Ca2+

28、泵的任务原理泵的任务原理:(类似于类似于Na+ -K+ 泵泵) 在细胞质面有同在细胞质面有同 Ca2+结合的位点，一次可以结合两个结合的位点，一次可以结合两个Ca2+，Ca2+结合后结合后使酶激活，并结合上一分子使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随着，伴随着ATP的水解酶被磷酸化，的水解酶被磷酸化，Ca2+泵构型发泵构型发生改动，结合生改动，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形状。始的静息形状。Ca2+-ATP酶激活机制Ca2+/Ca2+/钙调蛋白复合物的作用钙调蛋白复合物的作用 当细胞内当细胞内Ca

29、2+Ca2+浓度升高时，浓度升高时，Ca2+Ca2+同钙调蛋白同钙调蛋白 结合，构成活性复合物，该复合物同抑制结合，构成活性复合物，该复合物同抑制 区结合，释放激活位点，泵开场任务。区结合，释放激活位点，泵开场任务。蛋白激酶蛋白激酶C C的作用的作用 蛋白激酶蛋白激酶C C使抑制区磷酸化，从而解除抑制使抑制区磷酸化，从而解除抑制 作用；作用；由上可以看出，在由上可以看出，在Ca2+-ATPCa2+-ATP酶的羧基端有三酶的羧基端有三 个功能位点个功能位点( (区域区域)同激活位点结合区、同同激活位点结合区、同 CaM CaM结合区、磷酸化位点。结合区、磷酸化位点。 Structure of C

30、a2+ ATPaseCa2+-ATPCa2+-ATP酶作用机酶作用机理理？2 离子浓度驱动的协同运输离子浓度驱动的协同运输cotransportv是一类靠间接提供能量完成的自动运输方式。是一类靠间接提供能量完成的自动运输方式。v物质跨膜运动所需求的能量来自膜两侧离子的电化学浓度物质跨膜运动所需求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。梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。v动物细胞中经常利用膜两侧动物细胞中经常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。浓度梯度来驱动。v植物细胞和细菌常利用植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。浓度梯度来驱动。v根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运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：同向协同输又可分为：同向协同symport与反向协同与反向协同antiport。1、同向协同、同向协同symport物质运输方向与离子转移方向一样。如小肠细胞对葡萄糖的物质运输方向与离子转移方向一样。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着着H+的进入。的进入。2、反向协同、反向协同antiport物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细