细胞膜的结构与功能.ppt

1、第四章细胞膜的结构与功能,内容提要,概念第一节细胞膜的化学组成第二节细胞膜的结构模型第三节细胞膜的特性第四节细胞膜与物质运输第五节细胞外被的识别功能,细胞膜：又称质膜（plasmamembrane），位于细胞的最外层，为一层具有特殊结构和功能的较薄的膜,是细胞的主要组分之一，也是细胞生命体区别于非细胞生命体的只要特征之一。细胞内膜：围绕各种细胞器的膜性结构，称为细胞内膜。与内膜对应，细胞膜称为外周膜。生物膜：质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。,样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断

2、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）。,EF,PF,小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻,细胞膜的功能,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出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；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；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。参与细胞的免疫功能,

3、第一节细胞膜的化学组成,质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。,一、膜脂,膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。脂质体,（一）磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。磷脂分子的主要特征是：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性尾部。脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。,Phospholipids,1.甘油磷脂,以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸

4、基团连接到脂分子上。主要类型有：磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC，旧称卵磷脂磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，旧称脑磷脂磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG，旧称心磷脂,Phospholipidsinplasmamembranes,Diphosphatidylglycerol,2.鞘磷脂,鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条

5、脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。,（二）糖脂,是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。糖脂也是两性分子，其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。糖脂主要与细胞识别、免疫功能有关。,Glycolipids,Glycolipids,（三）胆固醇,主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植

6、物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，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。,（四）脂质体（liposome）,是一种人工膜。在水中，搅动后磷脂分子聚集，极性头部与水接触，而非极性疏水尾部向内，形成的球形分子团称为脂质体，直径251000nm不等。人工脂质体可用于：转基因制备的药物研究生物膜的特性,二、膜蛋白,是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。（一）膜蛋白的分类（二）膜蛋白与膜脂的结合方式（三）红细胞质膜的膜蛋白,（一）膜蛋白的分类,根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：外周

7、蛋白（peripheralprotein）整合蛋白（integralprotein）,外周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，这类蛋白质一般占膜蛋白的2030。,整合蛋白为跨膜蛋白（tansmembraneproteins），是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。,SDS,Triton-X100,（二）膜蛋白与膜脂的结合方式,主要有单次跨膜、多次跨膜、筒跨膜、形成跨膜复合物、共价结合、非共价结合等几种形式,integ

8、ralprotein；,peripheralprotein；,膜骨架是细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。,（三）红细胞质膜的膜蛋白,经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有：血影蛋白：由结构相似的链、链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl，使

9、HCO3进入红细胞。为二聚体，每个单体含929个氨基酸，跨膜12次。血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，约有131个氨基酸，N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。,红细胞膜骨架的构成：血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约1315单体）相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方：通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结；通过锚蛋白与带3蛋白相连。这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。,三、膜糖类,细胞膜及内膜系统中的糖类物质，占质膜总量的210。与脂质结合的称为糖

10、脂，与蛋白质结合的称为糖蛋白，他们的糖基部分均位于质膜的外表面。,第二节质膜的结构,一、质膜结构的研究历史二、质膜的流动镶嵌模型,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&F.Grendel1925用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。,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，推测膜中含有蛋白质。提出一般的细胞膜是由双层分子及外表面附着的蛋

11、白质构成的，该模型称为片层结构模型。,4、J.D.Robertson1959用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。提出单位膜模型。,5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。,二、质膜的流动镶嵌模型,Fluid-mosaicmodel的主要特点：强调膜具有流动性。膜蛋白分布的不对称性。,目前对膜分子结构所达成的共识：（1）磷脂-基本结构框架。（2）蛋白质-功能（3）相互作用（4）流动性,不对称性,第三节细胞膜的

12、特性,膜的不对称性膜的流动性,1.膜脂的不对称性2.复合糖的不对称性3.膜蛋白的不对称性,指同一种脂质分子在脂双层中呈不均匀分布，如：PC和SM主要分布在外小叶，PE和PS分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE和PS分别只有20%和10%的被降解。膜脂的不对称性是完成各种生理功能的结构基础。,糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。与识别功能有关。,每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜M侧。是完成复杂的在时间和空间上有序的各种生理功能的保证。,二、膜的流动性,由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。（

13、一）膜脂分子的流动性（二）影响膜脂流动性的因素（三）膜蛋白的流动性（四）膜流动性的生物学意义,侧向扩散运动：同一平面上相邻的脂分子交换位置。旋转运动：围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡运动：脂肪酸链进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。旋转异构化运动：脂肪酸链围绕C-C键旋转。,膜脂分子的运动,（二）影响膜脂流动性的因素,胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，

14、是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。,膜蛋白的流动性,主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。1.侧向扩散可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩散。2.旋转扩散,光脱色恢复技术：指用荧光素标记膜蛋白或者膜脂，然后用激光束照射细胞表面的某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭变暗区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。,细胞融合技术：用绿色荧光染料标记小鼠的抗体，红色荧光染料标记人的抗体，标记后分别与小鼠和人细胞抗原结合，然后将这两种细胞融合。开始时，细胞膜一半呈绿色，一半呈红色，在37下培养40min后，两种颜色的荧光点呈均匀分布。说明

15、抗原蛋白在膜平面内经侧向扩散而重新分布。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。,利用细胞融合技术观察蛋白质运动,膜蛋白像膜脂一样，也能围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动，但不进行翻转运动。影响膜蛋白运动的因素有：膜蛋白周围的脂质，外周蛋白，整合蛋白，细胞骨架等。,（四）膜流动性的生理意义质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动、跨膜运输、信息传递等将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。,第四节细胞膜与物质运输,物质通过细胞膜主要通过三种途径：一、被动运输二、主动运输三、胞吞与胞吐作用。,一、被动运

16、输,被动运输（passivetransport）是指物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散，无需消耗细胞代谢能量的跨膜转运方式，包括自由扩散和协助扩散。转运的动力来自物质的电化学浓度梯度。参与被动运输的膜蛋白主要有两大类：通道蛋白和载体蛋白。此外离子载体也参与被动运输。,（一）自由扩散（freediffusion）,也叫简单扩散（simplediffusion），特点：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。,人工膜对各类物质的通透率：脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小；非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢

17、；小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过；人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。,semipermeable,Therelativepermeabilityofasyntheticlipidbilayertodifferentclassesofmolecules.,二、协助扩散,也称促进扩散（facilitateddiffusion）,指各种极性分子和无机离子，如糖、胺基酸、核苷酸以及细胞代谢产物顺其浓度或电话学梯度减小的方向跨膜转运。该过程不需要细胞提供能量，但必须借助膜上特异蛋白的协助，因此称为协助扩散。特点：比自由扩散转运速率高；运输速率同物质浓度成非线

18、性关系；特异性；饱和性。转运蛋白：包括通道蛋白和载体蛋白两种类型。,1.通道蛋白（channelprotein）及其功能,是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道；有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gatedchannel）。主要有3类：配体门通道、电压门通道和压力激活通道。,IonChannels,-or-,(1)配体门通道(ligand-gatedchannel),特点：受体与细胞外的配体结合，引起门通道蛋白发生构象变化，“门”打开。又称离子通道型受体。可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟

19、色胺受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸受体。Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一个结构为2的梅花状通道样结构，其中的两个亚单位是同两分子Ach相结合的部位。,Nicotinicacetylcholinereceptor,Threeconformationoftheacetylcholinereceptor,2、电压门通道(voltagegatedchannel),特点：细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时，致使其构象变化，“门”打开。K+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠(P区或H5区)，构

20、成通道的内衬，大小可允许K+通过。K+通道具有三种状态：开启、关闭和失活。目前认为S4段是电压感受器。Na+、K+、Ca2+三种电压门通道结构相似，在进化上是由同一个远祖基因演化而来。,VoltagegatedK+channel,K+channel,4thsubunitnotshown,Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission,神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时，可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活，出现动作电位；引起肌质网Ca2+通道打开，Ca2+进入细胞质，引发肌肉收缩。,4、压力激活通道,是膜上通道蛋白周围的压

21、力改变致使离子通道门开放。如内耳听毛细胞质膜上的压力激活通道。,2.载体蛋白及其功能,载体蛋白是存在于生物膜上一类运输蛋白。他能与特定的分子如糖、氨基酸或金属离子等结合，通过一系列改变导致物质顺浓度梯度的跨膜转运。特点：具有特异性和饱和性,二、主动运输,主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆电化学梯度）运输；需要能量；都有载体蛋白。主动运输所需的能量来源主要有：ATP驱动泵通过水解ATP获得能量；协同运输中的离子梯度动力；光驱动泵利用光能运输物质，见于细菌。,（一）ATP-驱动泵,是一大类通过水解ATP释放能量来驱动离子转运的主动运输，根据运输溶质不同可分为以下几种：1.钠钾泵2.钙离子泵3.质子泵

22、,1.钠钾泵,构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。工作原理：Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。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，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放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，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个A

23、TP；转运出三个Na+，转进两个K+。,Na+-K+ATPPUMP,Na+-K+ATPpumpcancatalyzetheformationofATPunderlaboratorycondition,钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做P-type。Na+-K+泵的作用：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；维持低Na+高K+的细胞内环境；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。,2.钙离子泵,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，

24、细胞外10-3M）。位置：质膜和内质网膜。类型：P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。钠钙交换器（Na+-Ca2+exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。,Ca2+ATPase,MaintainslowcytosolicCa2+PresentInPlasmaandERmembranes,ModelformodeofactionforCa+ATPaseConformationchange,1、P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细

25、胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。2、V-type：存在于各类小泡(vacuole)膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。3、F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。,3.质子泵,（二）协同运输（co-transport）,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

26、向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向运输（symport）与逆向运输（antiport）。,1、同向运输（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、逆向运输（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,co

27、transport,antiport,Thecomparisonofpassivetransportandactivetransport,high,Low,Uncharged,smallmolecules,（三）光驱动泵,指一些光合成细菌膜上的H+泵，由光激活其活性，产生H+电化学梯度，驱动溶质进入细胞。,三、胞吞作用与胞吐作用,真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。他们均属于主动运输过程，需要细胞提供能量。,根据胞吞物的不同，胞吞作用可分为两种类型：胞饮作用：胞吞物若为液体物质或者溶质，并且形成的囊泡较小，则称为胞饮

28、作用。,（一）胞饮和吞噬作用,吞噬作用：若胞吞物为固体物，形成的囊泡较大，则称为吞噬作用。,胞饮作用与吞噬作用主要区别：（1）胞吞泡的大小不同。（2）作用方式不同。前者是个连续发生的过程，后者是一个信号触发过程。（3）胞吞泡形成机制不同。胞饮泡需要网格蛋白的帮助，吞噬泡的形成需要有微丝及其结合蛋白的参与。,（二）受体介导的胞吞作用,根据胞吞的物质是否具有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用和非特异性的胞吞作用。受体介导的胞吞作用指被转运的大分子物质首先与细胞表面的受体结合，形成受体-大分子复合物，再扳动内化作用。受体介导的胞吞作用是一种选择性浓缩机制，与非特异性的胞吞作用相比，内化效率可

29、增加1000多倍。,(三）胞吐作用,组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway）所有真核细胞连续分泌过程用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）defaultpathway：除某些有特殊标志的驻留蛋白和调节型分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面调节型外排途径（regulatedexocytosispathway）特化的分泌细胞储存刺激释放产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的囊泡

30、与靶膜的识别与融合,第五节细胞外被的识别功能,一、概念二、细胞识别与黏着三、细胞表面抗原与免疫识别四、细胞表面接触抑制,细胞外被的概念,动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。用重金属染料,如钌红染色后，在电镜下可显示厚约1020nm的结构，边界不甚明确。作用：（1）连接、支持和保护功能（2）识别功能（3）细胞外被中的糖蛋白构成了膜抗原（4）细胞外被中的糖蛋白构成了某些特异性受体,细胞识别与黏着,细胞识别（cellrecognition）：是细胞与细胞之间相互辨认与鉴别。细胞黏着（celladhesion）：细胞在识别的基础上，互相黏合或建立稳定的有一定形态结构的连接称为细胞

31、黏着。细胞的识别和黏着通过细胞黏着分子来介导。细胞识别与黏着的重要性：1.对单细胞生物2.对高等生物,细胞黏着分子（celladhesionmolecule，CAM）,同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘连分子所介导的。粘连分子的特征与类型粘连分子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连；多数要依赖Ca2+或Mg2+才起作用。粘连分子类型及细胞间粘着方式类型粘着方式,细胞黏着分子的类型,钙粘素（Cadherins）选择素（Selectin）免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamily，IgSF)整联蛋白（Integrins）质膜整合蛋白