第四章细胞膜与物质穿膜运输课件

(CellMembraneandTransmembraneTransport)细胞生物学系：郑贤红第四章

细胞膜与物质穿膜运输(CellMembraneand第四章

细胞膜与物质穿第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第四章细胞膜与物质穿膜运输课件概述

第一节细胞膜的化学组成与生物学特性

第二节小分子物质和离子的穿膜运输

第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输第四节细胞表面特化结构第五节细胞膜异常与疾病内容概述概述一、基本概念细胞膜(cellmembrane):包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasmamembrane）。

二、细胞膜的最基本功能1.为细胞的生命活动提供了稳定的内环境2.物质转运3.信号传递、细胞识别等概述一、基本概念第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第一节细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜构成（一）膜脂:细胞膜的结构骨架-每个动物细胞质膜上约有10^9个脂分子

（二）膜蛋白:决定细胞膜的功能（三）糖类第一节细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜构成第四章细胞膜与物质穿膜运输课件（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架膜脂（membranelipid）主要有三种类型：磷脂（phospholipid）胆固醇（cholesterol）糖脂(glycolipid)

（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架膜脂（membranelip磷脂甘油磷脂鞘磷脂

磷脂酰胆碱（PC)磷脂酰乙醇胺（PE）磷脂酰丝氨酸(PS)磷脂酰肌醇（PI）1.磷脂膜脂分子中都含有磷酸基团，被称为磷脂，约占膜脂的50%以上。磷脂甘油磷脂鞘磷脂磷脂酰胆碱（PC)磷脂酰乙醇胺（PE）磷甘油磷脂的化学结构甘油磷脂以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键。甘油磷脂的化学结构甘油磷脂以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第四章细胞膜与物质穿膜运输课件两亲性分子或兼性分子头部基团（headgroup）或亲水头:甘油磷脂的磷酸基团可分别与亲水的小基团胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合。与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强。疏水尾脂肪酸链是疏水的，无极性。含14-24个碳原子。两亲性分子或兼性分子脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子

碳原子数双键数目名称120月桂酸140豆蔻酸160棕榈酸161棕榈油酸180硬脂酸181油酸182亚油酸183亚麻酸200花生酸204花生四烯酸220正廿二烷酸240正廿四烷酸脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子

碳原子数双键数目名称鞘磷脂（SM)极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。鞘磷脂（SM)极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）质膜中的主要磷脂分子质膜中的主要磷脂分子2.胆固醇

分布：胆固醇散布在磷脂分子之间动物细胞含量高：胆固醇/磷脂=1/1植物细胞含量少：2%

2.胆固醇分布：胆固醇散布在磷脂分子之间第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第四章细胞膜与物质穿膜运输课件结构：极性头为羟基团，紧靠磷脂的极性头部；非极性疏水结构为固醇环和烃链，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。结构：胆固醇调节膜流动性、加强膜稳定性例：中国仓鼠卵巢细胞突变株（M19）：不能合成胆固醇，体外培养需加入胆固醇，否则会解体。胆固醇调节膜流动性、加强膜稳定性例：Table10-1MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Table10-1MolecularBiology3.糖脂糖脂由脂类和寡糖构成动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，称为鞘糖脂。3.糖脂最简单糖脂：脑苷脂，头部仅一个半乳糖或葡萄糖残基，髓鞘中的主要糖脂。复杂糖脂：

神经节甘脂，头部含有半乳糖和葡萄糖外，还有数目不等的唾液酸，神经元质膜中最为丰富，占5-10%。最简单糖脂：Figure10-18MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-18MolecularBiolog膜脂可能的存在形式：形成球状分子团（micelle）形成双分子层（bilayer）膜脂可能的存在形式：第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第四章细胞膜与物质穿膜运输课件人工合成膜结构：脂质体25nm-1um用途：运载体人工合成膜结构：（二）膜蛋白决定细胞膜的不同特性和功能在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，膜的功能越复杂,其中的蛋白质含量越多。线粒体内膜：75%髓鞘：25%（二）膜蛋白决定细胞膜的不同特性和功能

根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基本类型：

内在蛋白（intrinsicprotein）或整合蛋白外在蛋白（extrinsicprotein）脂锚定蛋白（lipidanchoredprotein）

根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基1.膜内在蛋白

又称穿膜蛋白（transmembraneprotein）占膜蛋白总量的70％～80％，是两亲性分子大多数穿膜蛋白穿膜域都是α-螺旋构象，也有的穿膜蛋白以β-折叠片层（β-pleatedsheet）构象穿膜分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型1.膜内在蛋白α-螺旋构象穿膜蛋白α-螺旋构象穿膜蛋白β-折叠构象穿膜蛋白β-折叠构象穿膜蛋白2.膜外在蛋白又称周边蛋白（peripheralprotein）占膜蛋白总量的20%～30%非共价键动态关系：根据功能的需要募集到膜上或者从膜上释放出去。2.膜外在蛋白膜外在蛋白膜外在蛋白3.脂锚定蛋白又称脂连接蛋白（lipid-linkedprotein）脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合胞质侧的蛋白糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI）与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合共价键质膜外表面的蛋白与脂双层中的碳氢链结合

共价键胞质侧的蛋白3.脂锚定蛋白胞质侧的蛋白糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI膜蛋白在膜中的几种结合方式

膜蛋白在膜中的几种结合方式

分离蛋白-去垢剂离子型去垢剂-十二烷基磺酸钠（SDS）可使蛋白变性非离子型去垢剂-TritonX-100

较温和分离蛋白-去垢剂离子型去垢剂-十二烷基磺酸钠（SDS）Figure10-30MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-30MolecularBiologFigure10-31MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-31MolecularBiologFigure10-40MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-40MolecularBiologFigure10-41aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-41aMolecularBiolo第四章细胞膜与物质穿膜运输课件Figure10-41bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-41bMolecularBioloFigure10-42MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-42MolecularBiologFigure10-42aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-42aMolecularBiolo（三）膜糖约占质膜重量的2％～10％。红细胞膜：8%糖蛋白:93%糖脂:7%共价键共价键糖类+膜蛋白膜糖类糖类+膜脂（三）膜糖约占质膜重量的2％～10％。糖蛋白:93%糖脂:7形式：糖蛋白、糖脂动物细胞种类：(七种)半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸唾液酸常见于糖链的末端，形成真核细胞表面净负电荷，捕集纳、钙离子吸引大量水分子位置：生物膜的非胞质面，即在质膜上位于细胞外侧，各种细胞器的细胞内膜上，位于腔面细胞表面富糖区称细胞外衣或称糖萼：保护和细胞间识别和粘附形式：糖蛋白、糖脂Figure10-28aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-28aMolecularBiolo糖基化部位：N-连接/O-连接糖基化部位：N-连接/O-连接二、细胞膜的生物学特性：不对称性和流动性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性

膜的不对称性（membraneasymmetry）是指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的，包括种类和数量上都有很大差异，这与细胞膜的功能有密切关系。二、细胞膜的生物学特性：不对称性和流动性（一）膜的不对称性决样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：

ES：细胞外表面

EF：细胞质膜外叶层的内面

PS：细胞内表面(胞质面)

PF：细胞质膜内叶层的外面生物膜内外两层的组分和功能有很大差异样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布1.膜脂的相对不对称性

人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布1.膜脂的相对不对称性第四章细胞膜与物质穿膜运输课件Figure10-16MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-16MolecularBiolog2.膜蛋白的绝对不对称性各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。3.膜糖的显著不对称性质膜外表面内膜系统膜腔

2.膜蛋白的绝对不对称性（二）膜的流动性是膜功能活动的保证脂双层为液晶态二维流体由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变”（phasetransition）。在相变温度以上，膜处于流动的液晶态。膜的流动性是膜功能活动的保证。

（二）膜的流动性是膜功能活动的保证脂双层为液晶态二维流体2.膜脂分子的运动方式（1）侧向扩散（lateraldiffusion）（2）翻转运动（flip-flop）（3）旋转运动（rotation）（4）弯曲运动（flexion）2.膜脂分子的运动方式4.膜蛋白的运动性分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性，其主要运动方式是侧向扩散和旋转运动。4.膜蛋白的运动性小鼠－人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图小鼠－人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图流动性增加流动性减小短的脂肪酸链不饱和脂肪酸链胆固醇含量降低卵磷脂/鞘磷脂比值上升结合膜蛋白少温度升高长的脂肪酸链饱和脂肪酸链胆固醇含量升高卵磷脂/鞘磷脂比值下降结合膜蛋白多温度降低影响脂双层流动性的因素流动性增加流动性减小短的脂肪酸链长的脂肪酸链影响脂双层流动性Figure10-12MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)不饱和脂肪酸链对膜流动性的影响Figure10-12MolecularBiolog胆固醇对膜流动性的影响胆固醇对膜流动性的影响温度对膜流动性的影响温度对膜流动性的影响三、细胞膜存在多种分子结构模型（一）片层结构模型具有三层夹板式结构特点-1935年，球形蛋白三、细胞膜存在多种分子结构模型（一）片层结构模型具有三层夹板（二）单位膜模型体现膜形态结构的共

同特点-蛋白质以单条肽链β片层形式单位膜模型-蛋白质以单条肽链β片层形式，通过静电作用与磷脂极性头部结合

（二）单位膜模型体现膜形态结构的共

同（三）流动镶嵌模型

“流动镶嵌模型”（fluidmosaicmodel）认为膜中脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合，有的嵌在脂双层分子中，有的则附着在脂双层的表面。（三）流动镶嵌模型“流动镶嵌模型”（fluid流动镶嵌模型–膜蛋白主要以α螺旋的球形结构流动镶嵌模型–膜蛋白主要以α螺旋的球形结构液态镶嵌模型液态镶嵌模型（四）脂筏模型微区（microdomain）：微区中富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜蛋白。脂筏（lipidrafts）：由于鞘脂的脂肪酸尾比较长，因此这一区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动。（四）脂筏模型微区（microdomain）：脂筏结构模式图脂筏结构模式图Figure10-14aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-14aMolecularBiolo第二节小分子物质和离子的穿膜运输一、物质简单扩散依赖于膜的通透选择性人工脂双层对不同溶质的相对通透性第二节小分子物质和离子的穿膜运输一、物质简单扩散依赖于膜简单扩散（simplediffusion）是小分子物质穿膜运输的最简单的方式。须满足两个条件：一是溶质在膜两侧保持一定的浓度差；二是溶质必须能透过膜。脂溶性物质如醇、苯、甾体类激素以及O2、CO2、NO和H2O等就是通过简单扩散方式。简单扩散（simplediffusion）是小分子物质细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类蛋白质称为膜运输蛋白（membranetransportprotein）。膜运输蛋白主要有两类：载体蛋白（carrierprotein）通道蛋白（channelprotein）

二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输

细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类蛋白质称为膜运输（一）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输

一些非脂溶性（或亲水性）的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，不能以简单扩散的方式通过细胞膜，但它们可在载体蛋白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运，这种方式称为易化扩散（facilitateddiffusion）或帮助扩散。（一）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输一些非脂载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图（二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输

主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。主动运输可分为ATP驱动泵（由ATP直接提供能量）和协同运输（ATP间接提供能量）两种类型。（二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输主动运1.ATP驱动泵

ATP驱动泵都是穿膜蛋白，它们在膜的胞质侧具有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常称之为“泵”。1.ATP驱动泵ATP驱动泵都是穿膜蛋白4种类型ATP驱动泵模式图4种类型ATP驱动泵模式图（1）P-型离子泵（P-classionpump）

Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳类胃腺分泌细胞上的H＋-K＋泵等都属于此种类型。Na+-K+泵

（1）P-型离子泵（P-classionpump）Na+（2）V-型质子泵（V-classprotonpump）主要指存在于真核细胞的膜性酸性区室。

V-型质子泵也是由多个穿膜和胞质侧亚基组成，其作用是利用ATP水解供能，将H+从胞质基质中逆H+电化学梯度转运。（2）V-型质子泵（V-classprotonpump（3）F-型质子泵（F-classprotonpump）：主要存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体膜中，它使H＋顺浓度梯度运动。（4）ABC转运体（ABCtransports）：

ABC转运体是一类以ATP供能的运输蛋白，ABC超家族是哺乳类细胞膜上磷脂、胆固醇、肽、亲脂性药物和其他小分子的运输蛋白。

（3）F-型质子泵（F-classprotonpump）ABC蛋白的转运翻转酶模型ABC蛋白的转运翻转酶模型2.协同运输协同运输（co-transport）是一类由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式。

根据溶质分子运输方向与顺电化学梯度转移的离子（Na+或H+）方向的关系，又可分为共运输（symport）与对向运输（antiport）。2.协同运输（1）共运输是两种溶质分子以同一方向的穿膜运输。

小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图（1）共运输是两种溶质分子以同一方向的穿膜运输。小肠上皮细（2）对向运输：是由同一种膜蛋白将两种不同的离子或分子分别向膜的相反方向的穿膜运输过程。第四章细胞膜与物质穿膜运输课件（三）离子通道高效转运各种离子离子通道的特点①通道蛋白介导的是被动运输，通道是双向的。②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。③转运速率高。④多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受“闸门”控制。（三）离子通道高效转运各种离子离子通道的特点2.离子通道的类型（2）电压门控通道（3）应力激活通道（1）配体门控通道2.离子通道的类型（2）电压门控通道（3）应力激活通道（配体门控通道（ligand-gatedchannel）与细胞外的特定配体（ligand）结合后，发生构象改变，结果将“门”打开，允许某种离子快速穿膜扩散。乙酰胆碱受体（acetylcholinereceptor，nAChR）是典型的配体门控通道。（1）配体门控通道配体门控通道（ligand-gatedch乙酰胆碱受体模式图

乙酰胆碱受体模式图（2）电压门控通道：膜电位的改变是控制电压门控通道（voltage-gatedchannel）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。（2）电压门控通道：（3）应力激活通道：应力激活通道（stress-activatedchannel）是通道蛋白感受应力而改变构象，开启通道使“门”打开，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号。如内耳听觉毛细胞顶部的听毛即具有应力激活通道。（3）应力激活通道：（四）水通道介导水的快速转运水通道的分类

目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员（AQP0～AQP10）2.水通道蛋白的结构人们对水通道蛋白家族中AQP1的结构研究得比较清楚。（四）水通道介导水的快速转运水通道的分类2.水通道蛋白的水通道模式图

水通道模式图3.水通道对水分子的筛选机制①AQP1中央孔通道的直径（0.28nm）限制了比水分子大的小分子通过。②AQP1中央孔通道内溶质结合位点的控制。3.水通道对水分子的筛选机制①AQP1中央孔通道的直径（第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输

大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜，都是由膜包围形成囊泡，通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程，故称为小泡运输（vesiculartransport）。第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输大分子和颗粒物质一、胞吞

胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程。

胞吞作用分为三种类型：吞噬作用胞饮作用受体介导的胞吞一、胞吞胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，（一）吞噬作用：吞噬细胞摄入颗粒物

质（二）胞饮作用：细胞吞入液体和可溶性物质吞噬作用胞饮作用（一）吞噬作用：吞噬细胞摄入颗粒物

质（二）胞（三）受体介导的胞吞：提高效率

LDL受体介导的LDL胞吞过程（三）受体介导的胞吞：提高效率LDL受体介导的LDL胞吞过有被小窝与有被小泡的形成有被小窝与有被小泡的形成第四章细胞膜与物质穿膜运输课件笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型引自MolecularBiologyoftheCell.4thed.2002

笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型引自Mo笼形蛋白衣被小泡的形态笼形蛋白衣被小泡的形态家族性高胆固醇血症常染色体显性遗传病LDL受体基因突变LDL受体异常：受体缺乏和受体结构异常重型纯合子：20岁前后出现动脉硬化轻型杂合子：40岁前后发生动脉硬化，冠心病LDL：肝脏合成。直径22nm家族性高胆固醇血症常染色体显性遗传病LDL的结构-1500个酯化胆固醇、800个磷脂分子、500个游离胆固醇分子

Apo-B100-细胞膜上LDL配体

LDL受体-839个氨基酸组成的单次穿膜糖蛋白LDL的结构-1500个酯化胆固醇、800个磷脂分子、500受体介导的胞吞有50种以上不同蛋白质生长因子淋巴因子铁维生素B12病原性微生物：流感病毒，艾滋病毒受体介导的胞吞有50种以上不同蛋白质二、胞吐胞吐作用又称外排作用或出胞作用，指细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程，与胞吞作用过程相反。胞吐作用连续性分泌受调分泌二、胞吐胞吐作用又称外排作用或出胞作用，指细胞内合连续性分泌和受调分泌

连续性分泌和受调分泌第四节细胞表面特化结构细胞外被和胞质溶胶第四节细胞表面特化结构细胞外被和胞质溶胶一、微绒毛（microvillus)直径：0.1um长：0.2-1.0um小肠上皮吸收细胞：1000-3000根一、微绒毛（microvillus)微绒毛微绒毛二、纤毛（cilia)和鞭毛(flagella)顶端主杆部基体呼吸道上皮细胞的纤毛电镜照片二、纤毛（cilia)和鞭毛(flagella)顶端主杆部基纤毛：长：5-10um，数目很多呼吸道和雌性生殖管道上皮细胞游离面、脑室室管膜细胞鞭毛：长：150um，1至数根原生生物或精子纤毛：三、褶皱厚度：0.1um高：几微米三、褶皱厚度：0.1um第五节细胞膜异常与疾病一、胱氨酸尿症是载体蛋白异常性疾病二、肾性糖尿是葡萄糖载体蛋白异常性疾病三、囊性纤维化是通道蛋白异常性疾病四、家族性高胆固醇血症是受体异常性疾病第五节细胞膜异常与疾病一、胱氨酸尿症是载体蛋白异常性疾病细胞膜上LDL受体缺陷示意图

细胞膜上LDL受体缺陷示意图思考题

1.真核细胞质膜有哪些磷脂分子。2.细胞膜的化学组成与膜功能的关系。3.膜内在蛋白、膜外在蛋白、脂锚定蛋白概念。4.常用的去垢剂有哪些？5.膜生物学特性有哪些？膜的不对称性特点。6.影响膜流动性的因素。7.细胞膜结构模型有哪些？简述各自的特点。8.脂伐概念。思考题9.受体介导的胞吞过程。10.受体介导的LDL胞吞作用。11.细胞膜表面特化结构有哪些？结构特点。9.受体介导的胞吞过程。(CellMembraneandTransmembraneTransport)细胞生物学系：郑贤红第四章

细胞膜与物质穿膜运输(CellMembraneand第四章

细胞膜与物质穿第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第四章细胞膜与物质穿膜运输课件概述

第一节细胞膜的化学组成与生物学特性

第二节小分子物质和离子的穿膜运输

第三节大分子和颗粒物质的穿膜运输第四节细胞表面特化结构第五节细胞膜异常与疾病内容概述概述一、基本概念细胞膜(cellmembrane):包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasmamembrane）。

二、细胞膜的最基本功能1.为细胞的生命活动提供了稳定的内环境2.物质转运3.信号传递、细胞识别等概述一、基本概念第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第一节细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜构成（一）膜脂:细胞膜的结构骨架-每个动物细胞质膜上约有10^9个脂分子

（二）膜蛋白:决定细胞膜的功能（三）糖类第一节细胞膜的化学组成与生物学特性一、细胞膜构成第四章细胞膜与物质穿膜运输课件（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架膜脂（membranelipid）主要有三种类型：磷脂（phospholipid）胆固醇（cholesterol）糖脂(glycolipid)

（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架膜脂（membranelip磷脂甘油磷脂鞘磷脂

磷脂酰胆碱（PC)磷脂酰乙醇胺（PE）磷脂酰丝氨酸(PS)磷脂酰肌醇（PI）1.磷脂膜脂分子中都含有磷酸基团，被称为磷脂，约占膜脂的50%以上。磷脂甘油磷脂鞘磷脂磷脂酰胆碱（PC)磷脂酰乙醇胺（PE）磷甘油磷脂的化学结构甘油磷脂以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键。甘油磷脂的化学结构甘油磷脂以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第四章细胞膜与物质穿膜运输课件两亲性分子或兼性分子头部基团（headgroup）或亲水头:甘油磷脂的磷酸基团可分别与亲水的小基团胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合。与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强。疏水尾脂肪酸链是疏水的，无极性。含14-24个碳原子。两亲性分子或兼性分子脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子

碳原子数双键数目名称120月桂酸140豆蔻酸160棕榈酸161棕榈油酸180硬脂酸181油酸182亚油酸183亚麻酸200花生酸204花生四烯酸220正廿二烷酸240正廿四烷酸脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子

碳原子数双键数目名称鞘磷脂（SM)极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。鞘磷脂（SM)极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）质膜中的主要磷脂分子质膜中的主要磷脂分子2.胆固醇

分布：胆固醇散布在磷脂分子之间动物细胞含量高：胆固醇/磷脂=1/1植物细胞含量少：2%

2.胆固醇分布：胆固醇散布在磷脂分子之间第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第四章细胞膜与物质穿膜运输课件结构：极性头为羟基团，紧靠磷脂的极性头部；非极性疏水结构为固醇环和烃链，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。结构：胆固醇调节膜流动性、加强膜稳定性例：中国仓鼠卵巢细胞突变株（M19）：不能合成胆固醇，体外培养需加入胆固醇，否则会解体。胆固醇调节膜流动性、加强膜稳定性例：Table10-1MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Table10-1MolecularBiology3.糖脂糖脂由脂类和寡糖构成动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，称为鞘糖脂。3.糖脂最简单糖脂：脑苷脂，头部仅一个半乳糖或葡萄糖残基，髓鞘中的主要糖脂。复杂糖脂：

神经节甘脂，头部含有半乳糖和葡萄糖外，还有数目不等的唾液酸，神经元质膜中最为丰富，占5-10%。最简单糖脂：Figure10-18MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-18MolecularBiolog膜脂可能的存在形式：形成球状分子团（micelle）形成双分子层（bilayer）膜脂可能的存在形式：第四章细胞膜与物质穿膜运输课件第四章细胞膜与物质穿膜运输课件人工合成膜结构：脂质体25nm-1um用途：运载体人工合成膜结构：（二）膜蛋白决定细胞膜的不同特性和功能在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，膜的功能越复杂,其中的蛋白质含量越多。线粒体内膜：75%髓鞘：25%（二）膜蛋白决定细胞膜的不同特性和功能

根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基本类型：

内在蛋白（intrinsicprotein）或整合蛋白外在蛋白（extrinsicprotein）脂锚定蛋白（lipidanchoredprotein）

根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基1.膜内在蛋白

又称穿膜蛋白（transmembraneprotein）占膜蛋白总量的70％～80％，是两亲性分子大多数穿膜蛋白穿膜域都是α-螺旋构象，也有的穿膜蛋白以β-折叠片层（β-pleatedsheet）构象穿膜分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型1.膜内在蛋白α-螺旋构象穿膜蛋白α-螺旋构象穿膜蛋白β-折叠构象穿膜蛋白β-折叠构象穿膜蛋白2.膜外在蛋白又称周边蛋白（peripheralprotein）占膜蛋白总量的20%～30%非共价键动态关系：根据功能的需要募集到膜上或者从膜上释放出去。2.膜外在蛋白膜外在蛋白膜外在蛋白3.脂锚定蛋白又称脂连接蛋白（lipid-linkedprotein）脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合胞质侧的蛋白糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI）与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合共价键质膜外表面的蛋白与脂双层中的碳氢链结合

共价键胞质侧的蛋白3.脂锚定蛋白胞质侧的蛋白糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI膜蛋白在膜中的几种结合方式

膜蛋白在膜中的几种结合方式

分离蛋白-去垢剂离子型去垢剂-十二烷基磺酸钠（SDS）可使蛋白变性非离子型去垢剂-TritonX-100

较温和分离蛋白-去垢剂离子型去垢剂-十二烷基磺酸钠（SDS）Figure10-30MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-30MolecularBiologFigure10-31MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-31MolecularBiologFigure10-40MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-40MolecularBiologFigure10-41aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-41aMolecularBiolo第四章细胞膜与物质穿膜运输课件Figure10-41bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-41bMolecularBioloFigure10-42MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-42MolecularBiologFigure10-42aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-42aMolecularBiolo（三）膜糖约占质膜重量的2％～10％。红细胞膜：8%糖蛋白:93%糖脂:7%共价键共价键糖类+膜蛋白膜糖类糖类+膜脂（三）膜糖约占质膜重量的2％～10％。糖蛋白:93%糖脂:7形式：糖蛋白、糖脂动物细胞种类：(七种)半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸唾液酸常见于糖链的末端，形成真核细胞表面净负电荷，捕集纳、钙离子吸引大量水分子位置：生物膜的非胞质面，即在质膜上位于细胞外侧，各种细胞器的细胞内膜上，位于腔面细胞表面富糖区称细胞外衣或称糖萼：保护和细胞间识别和粘附形式：糖蛋白、糖脂Figure10-28aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-28aMolecularBiolo糖基化部位：N-连接/O-连接糖基化部位：N-连接/O-连接二、细胞膜的生物学特性：不对称性和流动性（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性

膜的不对称性（membraneasymmetry）是指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的，包括种类和数量上都有很大差异，这与细胞膜的功能有密切关系。二、细胞膜的生物学特性：不对称性和流动性（一）膜的不对称性决样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：

ES：细胞外表面

EF：细胞质膜外叶层的内面

PS：细胞内表面(胞质面)

PF：细胞质膜内叶层的外面生物膜内外两层的组分和功能有很大差异样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布1.膜脂的相对不对称性

人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布1.膜脂的相对不对称性第四章细胞膜与物质穿膜运输课件Figure10-16MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-16MolecularBiolog2.膜蛋白的绝对不对称性各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。3.膜糖的显著不对称性质膜外表面内膜系统膜腔

2.膜蛋白的绝对不对称性（二）膜的流动性是膜功能活动的保证脂双层为液晶态二维流体由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变”（phasetransition）。在相变温度以上，膜处于流动的液晶态。膜的流动性是膜功能活动的保证。

（二）膜的流动性是膜功能活动的保证脂双层为液晶态二维流体2.膜脂分子的运动方式（1）侧向扩散（lateraldiffusion）（2）翻转运动（flip-flop）（3）旋转运动（rotation）（4）弯曲运动（flexion）2.膜脂分子的运动方式4.膜蛋白的运动性分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性，其主要运动方式是侧向扩散和旋转运动。4.膜蛋白的运动性小鼠－人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图小鼠－人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图流动性增加流动性减小短的脂肪酸链不饱和脂肪酸链胆固醇含量降低卵磷脂/鞘磷脂比值上升结合膜蛋白少温度升高长的脂肪酸链饱和脂肪酸链胆固醇含量升高卵磷脂/鞘磷脂比值下降结合膜蛋白多温度降低影响脂双层流动性的因素流动性增加流动性减小短的脂肪酸链长的脂肪酸链影响脂双层流动性Figure10-12MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)不饱和脂肪酸链对膜流动性的影响Figure10-12MolecularBiolog胆固醇对膜流动性的影响胆固醇对膜流动性的影响温度对膜流动性的影响温度对膜流动性的影响三、细胞膜存在多种分子结构模型（一）片层结构模型具有三层夹板式结构特点-1935年，球形蛋白三、细胞膜存在多种分子结构模型（一）片层结构模型具有三层夹板（二）单位膜模型体现膜形态结构的共

同特点-蛋白质以单条肽链β片层形式单位膜模型-蛋白质以单条肽链β片层形式，通过静电作用与磷脂极性头部结合

（二）单位膜模型体现膜形态结构的共

同（三）流动镶嵌模型

“流动镶嵌模型”（fluidmosaicmodel）认为膜中脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合，有的嵌在脂双层分子中，有的则附着在脂双层的表面。（三）流动镶嵌模型“流动镶嵌模型”（fluid流动镶嵌模型–膜蛋白主要以α螺旋的球形结构流动镶嵌模型–膜蛋白主要以α螺旋的球形结构液态镶嵌模型液态镶嵌模型（四）脂筏模型微区（microdomain）：微区中富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜蛋白。脂筏（lipidrafts）：由于鞘脂的脂肪酸尾比较长，因此这一区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动。（四）脂筏模型微区（microdomain）：脂筏结构模式图脂筏结构模式图Figure10-14aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure10-14aMolecularBiolo第二节小分子物质和离子的穿膜运输一、物质简单扩散依赖于膜的通透选择性人工脂双层对不同溶质的相对通透性第二节小分子物质和离子的穿膜运输一、物质简单扩散依赖于膜简单扩散（simplediffusion）是小分子物质穿膜运输的最简单的方式。须满足两个条件：一是溶质在膜两侧保持一定的浓度差；二是溶质必须能透过膜。脂溶性物质如醇、苯、甾体类激素以及O2、CO2、NO和H2O等就是通过简单扩散方式。简单扩散（simplediffusion）是小分子物质细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类蛋白质称为膜运输蛋白（membranetransportprotein）。膜运输蛋白主要有两类：载体蛋白（carrierprotein）通道蛋白（channelprotein）

二、膜运输蛋白介导物质穿膜运输

细胞膜中有特定的膜蛋白负责转运这些物质，这类蛋白质称为膜运输（一）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输

一些非脂溶性（或亲水性）的物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等，不能以简单扩散的方式通过细胞膜，但它们可在载体蛋白的介导下，不消耗细胞的代谢能量，顺物质浓度梯度或电化学梯度进行转运，这种方式称为易化扩散（facilitateddiffusion）或帮助扩散。（一）易化扩散是载体蛋白介导的被动运输一些非脂载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图载体蛋白构象变化介导的易化扩散示意图（二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输

主动运输是载体蛋白介导的物质逆电化学梯度，由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。主动运输可分为ATP驱动泵（由ATP直接提供能量）和协同运输（ATP间接提供能量）两种类型。（二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输主动运1.ATP驱动泵

ATP驱动泵都是穿膜蛋白，它们在膜的胞质侧具有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常称之为“泵”。1.ATP驱动泵ATP驱动泵都是穿膜蛋白4种类型ATP驱动泵模式图4种类型ATP驱动泵模式图（1）P-型离子泵（P-classionpump）

Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳类胃腺分泌细胞上的H＋-K＋泵等都属于此种类型。Na+-K+泵

（1）P-型离子泵（P-classionpump）Na+（2）V-型质子泵（V-classprotonpump）主要指存在于真核细胞的膜性酸性区室。

V-型质子泵也是由多个穿膜和胞质侧亚基组成，其作用是利用ATP水解供能，将H+从胞质基质中逆H+电化学梯度转运。（2）V-型质子泵（V-classprotonpump（3）F-型质子泵（F-classprotonpump）：主要存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体膜中，它使H＋顺浓度梯度运动。（4）ABC转运体（ABCtransports）：

ABC转运体是一类以ATP供能的运输蛋白，ABC超家族是哺乳类细胞膜上磷脂、胆固醇、肽、亲脂性药物和其他小分子的运输蛋白。

（3）F-型质子泵（F-classprotonpump）ABC蛋白的转运翻转酶模型ABC蛋白的转运翻转酶模型2.协同运输协同运输（co-transport）是一类由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗ATP所完成的主动运输方式。

根据溶质分子运输方向与顺电化学梯度转移的离子（Na+或H+）方向的关系，又可分为共运输（symport）与对向运输（antiport）。2.协同运输（1）共运输是两种溶质分子以同一方向的穿膜运输。

小肠上皮细胞转运葡萄糖入血示意图（1）共运输是两种溶质分子以同一方向的穿膜运输。小肠上皮细（2）对向运输：是由同一种膜蛋白将两种不同的离子或分子分别向膜的相反方向的穿膜运输过程。第四章细胞膜与物质穿膜运输课件（三）离子通道高效转运各种离子离子通道的特点①通道蛋白介导的是被动运输，通道是双向的。②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。③转运速率高。④多数离子通道不是持续开放，离子通道开放受“闸门”控制。（三）离子通道高效转运各种离子离子通道的特点2.离子通道的类型（2）电压门控通道（3）应力激活通道（1）配体门控通道2.离子通道的类型（2）电压门控通道（3）应力激活通道（配体门控通道（ligand-gatedchannel）与细胞外的特定配体（ligand）结合后，发生构象改变，结果将“门”打开，允许某种离子快速穿膜扩散。乙酰胆碱受体（acetylcholinereceptor，nAChR）是典型的配体门控通道。（1）配体门控通道配体门控通道（ligand-gatedch乙酰胆碱受体模式图

乙酰胆碱受体模式图（2）电压门控通道：膜电位的改变是控制电压门控通道（voltage-gatedchannel）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。（2）电压门控通道：（3）应力激活通道：应力激活通道（