医学细胞生物学 02 ppt

CELLMEMBRANEANDITSSURFACE第五章细胞膜及其表面本章内容提要第一节细胞膜的分子结构和特性一、膜的化学组成二、膜的分子结构三、膜的理化特性质膜（plasmamembrane）又称细胞膜。内膜：形成各种细胞器的膜。生物膜（biomembrane）：质膜和内膜的总称。细胞外被：也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。膜骨架：质膜下起支撑作用的网络结构。细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。第一节细胞膜的分子结构和特性一、膜的化学组成主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含等量的脂类和蛋白质。膜脂：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三类。（一）磷脂约占膜脂的50％以上，分为二类:磷酸甘油脂和鞘磷脂。主要特征：一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）；脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子；常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。以甘油为骨架，1、2位羟基与脂肪酸，3位与磷酸形成酯键。主要有：磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）1、甘油磷脂2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。鞘胺醇代替磷酸甘油酯中的甘油，只有一条脂肪酸链（二）糖脂约占5％以下，神经细胞膜含量高，约占5-10％。两性分子，含糖而不含磷酸，结构与SM相似，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元膜中的特征性成分。（三）胆固醇存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，动物细胞膜中含量较高。功能是提高膜的稳定性，调节流动性，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。膜蛋白◆占核基因组编码蛋白质的20-25%；◆膜功能的差异：所含蛋白质不同；◆膜蛋白：球状蛋白质，单体，多聚体；◆根据与脂分子的结合方式分为：

膜内在蛋白（integralprotein）

膜周边蛋白（peripheralprotein）膜内在蛋白为跨膜蛋白（transmembraneproteins），水不溶性蛋白。跨膜结构域为1至多个疏水的α螺旋。与膜的结合紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。离子型去垢剂SDS非离子型去垢剂Triton-X100膜周边蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来。膜蛋白的功能：机械支持、载体蛋白、受体、物质运输、信号传导和免疫反应。①,②integralprotein；③,④,⑤,⑥peripheralprotein膜糖：大多与蛋白质或脂质分子相结合低聚糖，主要分布在细胞膜的外表面。常见有：葡萄糖、半乳糖、甘露糖等等。E.Overton1902推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter

等1925推测细胞膜由双层脂分子组成。二、膜的分子结构膜分子结构的研究历史3、J.Danielli&H.Davson1935发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，提出三明治模型（蛋白质-脂类-蛋白质）（片层结构模型）。4、JD.Robertson1957根据电镜观察提出单位膜模型。厚约7.5nm，特征“两暗一明”。内外为电子密度高的暗线，中间为电子密度低的明线。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根据免疫荧光、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“液体镶嵌模型”。Fluid-mosaicmodel细胞膜的液体镶嵌模型细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成；磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。★强调了膜的流动性和膜的不对称性。

§忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用和膜各部分流动的不均一性。1975年D.F.H.Wallach提出了晶格镶嵌模型：生物膜中流动的脂质是在可逆的进行无序（液态）和有序（晶态）的相变，膜蛋白对脂质分子的运动具有控制作用。1977年M.K.JainandH.B.White提出了板块镶嵌模型：在流动的脂质双分子层中存在许多大小不同、刚性较大的彼此独立移动的脂质区（有序结构的板块），这些有序结构的板块之间被流动的脂质区（无序结构的板块）分割。二、膜的理化特性膜内外两层组分和功能的差异，称膜的不对称性。样品经冰冻断裂处理后，各断面命名为：ES，细胞外表面；PS，原生质表面；PF，原生质小页断面。（一）膜的不对称性1．膜蛋白分布的不对称性：不对称是绝对的，各种膜蛋白在膜中特殊方向造成的。2．膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：卵磷脂和鞘磷脂主要分布在外小叶，脑磷脂和磷脂酰丝氨酸分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的卵磷脂降解，脑磷脂和磷脂酰丝氨酸分别只有20%和10%的被降解。3．复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。（二）膜的流动性膜脂和蛋白质的分子运动组成。1、膜脂分子的运动①侧向扩散运动：磷脂分子在脂平面内的平移运动②旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直轴进行旋转③脂肪酸链的伸缩和震荡运动：脂肪酸链沿着与平面垂直的长轴进行伸缩④翻转运动：膜脂分子在双分子层之间，由一层倒翻至另一层⑤旋转异构化运动：即烃链绕某一个Ｃ-Ｃ键旋转膜蛋白的运动性：侧向扩散：指膜蛋白在生物膜脂质双层二维平面中可以自由扩散。旋转扩散：指膜蛋白围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动，旋转扩散的速度比侧向扩散更为缓慢。利用细胞融合技术观察蛋白质运动影响膜流动性的因素1、脂肪酸链的长短①不饱和脂肪酸越多相变温度越低；②碳少链短的呈液态，而碳多链长的则逐渐变为固态。2、脂肪酸链的不饱和程度不饱和程度↑膜流动性↑3、胆固醇与磷脂的影响：双向调节相变温度增高时，胆固醇含量多减少流动性；相变温度降低时，胆固醇含量多增加流动性。4、膜蛋白的影响：膜蛋白含量↑膜流动性5、卵磷脂和鞘磷脂的比值：卵磷脂和鞘磷脂的比值↑膜流动性↑6、其他因素环境温度：温度↑膜流动性↑；PH；离子强度；金属离子等。相变：温度升高，晶态可熔融为液晶态，这种变化称为相变；引起相变的温度为相变温度。第三节、细胞膜与物质的跨膜转运细胞膜运输物质方式：穿膜运输：小分子和离子膜泡运输：大分子和颗粒物质一、穿膜运输▲膜对物质的通透性是由物质本身性质和膜的结构属性共同决定的；▲理论上给予足够的时间，任何分子都可以从高浓度向低浓度方向通过脂双层膜；▲扩散速率主要取决于分子大小和它在脂质中的相对溶解度:相对分子质量越小，脂溶性越强，通过脂双层越快；▲脂质双层对所有带电荷的分子（离子），不管它多么小，都是高度不透。（一）小分子和离子的穿膜机制

载体蛋白（carrierproteins）：它的一侧与溶质结合，经过载体构象的变化把溶质转运到膜的另一端。通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输。

通道蛋白（channelproteins）：它在膜上形成极小的亲水孔，溶质能扩散通过该孔。具有离子选择性，转运速率高；只介导被动运输。

被动转运(passivetransport):运输方向浓度高向低、跨膜动力浓度梯度的势能无能量消耗、有膜转运蛋白。

主动运输(activetransport)运输方向浓度低向高、需消耗能量、有膜转运蛋白（二）小分子和离子的穿膜运输方式1.简单扩散2.离子通道扩散3.易化扩散4.离子泵5.伴随运输1、简单扩散也叫自由扩散（freediffusion）：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③没有膜蛋白协助。扩散速率依赖于浓度梯度大小外，与物质的性质和分子大小也有关2、离子通道扩散一些极性很强的离子如Na+、K+、Ca2+难以直接通过细胞膜的脂质双层，它们可以通过离子通道高效率完成转运。通道蛋白是由α螺旋蛋白构成；顺浓度梯度转运；离子通道的开放与关闭是由阀门控制的。根据阀门的性质，离子通道可分为：

电压门控通道

配体门控通道

机械门控通道电压门通道(voltagegatedchannel)特点：膜电位变化可引起构象变化。结构：四聚体，每个单体跨膜6次。Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。配体门通道(ligandgatedchannel)

特点：通道的开闭受化学物质（统称为配体）调节。当某一配体与通道蛋白的相应部位结合，引起通道蛋白构象改变，导致阀门反应性开放。机械门通道感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。目前比较明确的有两类机械门通道，一类对牵拉敏感，为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜。另一类对剪切力敏感，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。3.易化扩散特点：一些非脂溶性的物质如糖、氨基酸、核苷酸等，不能以简单扩散的方式进出细胞；需载体蛋白；方向是顺浓度梯度；消耗的是浓度差势能而不是代谢能。与简单扩散的区别：需载体蛋白。4.离子泵它是一种主动运输，特点：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要消耗代谢能；③需要载体蛋白。本质：离子泵是膜上的一种ATP酶，利用水解ATP的能量进行离子的穿膜运输。主要有：1):钠泵2):钙泵钠泵Na+-K+ATP酶，具有载体和酶的活性结构特征：由α和β两个亚基组成的跨膜蛋白。Α亚单位细胞质端有与Na+和ATP结合的部位；外端有与K+和乌本苷的结合部位，通过磷酸化和去磷酸化进行活动。Na+-K+ATP酶必须在Na+、K+、Mg2+存在时才能激活，催化ATP水解提供能量驱动Na+、K+对向运输。工作原理第一步：在细胞膜内侧，有Na+、Mg2+存在下，ATP酶被Na+激活，将ATP分解为ADP和高能磷酸根。磷酸根与ATP酶共价结合形成磷酸-ATP酶中间体引起酶蛋白分子发生构象变化，与Na+亲和力降低，Na+被释放到膜外；第二步：改变构象的ATP酶在膜外K+存在时，与K+亲和力大并与之结合使其发生去磷酸作用，同时酶又恢复到原来构象，将K+移至膜内。钠钾泵的作用：①维持细胞的渗透性，保持细胞体积；②维持低Na+高K+的细胞内环境；③维持细胞的静息电位。地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助提高于其活性。5.伴随运输特点：某物质（如葡萄糖和氨基酸）逆浓度梯度进入细胞所需的动力不是直接来自水解ATP而是借助另一物质浓梯度或电化学梯度为动力进行的。葡萄糖和氨基酸的主动运输不直接利用ATP，而是靠钠泵维持Na+的跨膜梯度的驱动进行伴随运输，是一种间接的主动运输。协同运输（coupledtransport）一些共运输载体如Na+-K+-ATP酶、葡萄糖-Na+、Na+-H+等载体可以同时转运两种物质，称为协同运输。共运输(symport)：同方向转运两种物质对向运输(antiport)：反方向转运两种物质。二、膜泡运输胞吞作用(endocytosis)：是细胞表面发生内陷，由细胞膜把环境中的大分子和颗粒物质包围成小泡，脱离细胞膜进入细胞内的转运过程。胞吐作用(exocytosis)：细胞内的某些由膜包围成小泡从细胞内部逐步