第四章细胞膜与物质的跨膜运输

第四章

细胞膜与物质的跨膜运输第一节细胞膜的化学组成和分子结构第二节小分子物质的跨膜运输第三节大分子物质的膜泡转运当前1页，总共75页。第一节

细胞膜的化学组成和分子结构序---生物膜概述一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的特性三、细胞膜的分子结构模型当前2页，总共75页。序---生物膜概述1.生物膜(1)生物膜的组成(2)细胞膜的功能2.细胞表面当前3页，总共75页。(1).生物膜组成细胞膜(cellmembrane)---质膜（plasmamembrane）细胞内膜(internalmembrane)细胞核膜(Nuclear

envolop/menbrane)线粒体膜(Mitochondrion)内膜系统(endomembranesystem)当前4页，总共75页。(2)细胞膜的功能当前5页，总共75页。细胞膜的功能1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；2.选择性的物质运输(代谢底物的输入与代谢产物的排出)；3.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；4.为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；5.介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；6.参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。当前6页，总共75页。序---生物膜概述2.细胞表面细胞外被(cellcoat)细胞膜(cellmembrane)细胞皮层（cellcortex）细胞外被---细胞膜表面寡糖链形成，或糖萼(glycocalyx)细胞皮层---细胞膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，为细胞膜提供强度和韧性，维持细胞的形态，并与细胞膜的功能有关。这部分细胞骨架又称膜骨架，或细胞皮层。当前7页，总共75页。第一节

细胞膜的化学组成和分子结构序---生物膜概述一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的特性三、细胞膜的分子结构模型当前8页，总共75页。一、细胞膜的化学组成当前9页，总共75页。细胞膜的化学组成（一）脂类排列成5nm厚的连续脂双分子层，是膜的基本骨架。（二）蛋白质通过非共价键与脂双分子层结合，执行膜的各种功能（三）糖类通过共价键与脂类和蛋白质结合，组成糖脂或糖蛋白膜的主体（四）水、无机盐和少量的金属离子蛋白质/脂类比值反应膜功能：高膜的功能复杂，低膜的功能简单当前10页，总共75页。（一）膜脂1.兼性分子2.膜脂分子的种类3.膜脂的流动性4.膜脂的不对称性生物膜上的脂类称为膜脂membranelipid,是细胞膜的主要成分，包括磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂最多。当前11页，总共75页。1.膜脂分子都是兼性分子当前12页，总共75页。1.膜脂分子都是兼性分子1.1兼性分子（amphipathicmolecule）：有一个亲水的极性末端和一个疏水的非极性末端的分子，既具亲水性又具有疏水性。在水溶液中自动聚拢，使亲水的头部暴露在外面，与水接触；疏水的尾部埋在里面，避开水相。1.2在水溶液中的存在状态*球状的胶态分子团*脂质双分子层---自我组装和自我修复

脂质体（liposome）：可用于膜功能研究，药物或DNA载体当前13页，总共75页。当前14页，总共75页。2.膜脂分子的种类2.1磷脂⑴主要特征⑵种类⑶分子运动2.2胆固醇⑴存在⑵含量⑶功能2.3糖脂

当前15页，总共75页。2.1磷脂⑴主要特征当前16页，总共75页。A.representedschematicallyB.informulaC.space-fillingmodelD.symbol

当前17页，总共75页。主要特征①兼性分子：具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）②疏水尾部---脂肪酸碳链---偶数*长度：一般在14～24C，多数为16，18或20个，长短不一*饱和性：一条链为饱和链；另一条链为不饱和链，常含有1个或几个双键

*烃链的长度和饱和状态影响膜的流动性③亲水头部---磷酸+碱基（磷脂酰碱基）

不同的磷脂分子头部的大小、形状、结构、所带电荷的不同决定溶解于其中的蛋白质的功能的发挥。2.1磷脂当前18页，总共75页。⑵种类：①甘油磷脂，②鞘磷脂2.1磷脂磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱磷脂酰肌醇①甘油磷脂结构特点：以甘油为骨架，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基团连接到脂分子上。当前19页，总共75页。甘油磷脂的种类磷脂酰胆碱（卵磷脂）phosphatidylcholine，PC磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）phosphatidylethanolamine，PE磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油（心磷脂）Diphosphatidylglycerol,DPG2.1磷脂当前20页，总共75页。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。2.1磷脂当前21页，总共75页。⑶分子运动2.1磷脂1.侧向扩散运动（lateraldiffusion）4.伸缩震荡运动2.旋转运动（rotation）5.翻转运动（flip-flop）3.摆动运动（flexion）6.旋转异构化运动当前22页，总共75页。分子运动形式：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，反式构象和歪扭式构象。2.1磷脂当前23页，总共75页。2.膜脂分子的种类2.1磷脂⑴主要特征⑵种类⑶分子运动2.2胆固醇

⑴存在⑵含量⑶功能2.3糖脂

当前24页，总共75页。2.2胆固醇(A)分子式(B)示意图(C)空间占用模型当前25页，总共75页。在脂双层中胆固醇分子的羟基靠近磷脂分子头部的极性集团其甾环和磷脂分子临近头部的烃链部分相互作用使之相互固定胆固醇的碳氢链可以弯曲2.2胆固醇当前26页，总共75页。胆固醇⑴存在：主要存在真核细胞的膜上⑵含量：约为膜脂的1/3，最多可与磷脂分子以1：1存在⑶功能:①调节脂双层流动性②降低水溶性物质的通透性③提高脂双层的力学稳定性eg.

2.2胆固醇当前27页，总共75页。2.膜脂分子的种类2.1磷脂⑴主要特征⑵种类⑶分子运动2.2胆固醇⑴存在⑵含量⑶功能2.3糖脂

当前28页，总共75页。2.3糖脂糖脂：是由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基通过糖苷键结合的双亲性分子，是含糖而不含磷酸的脂类。当前29页，总共75页。葡聚糖脑苷脂糖脂结构与鞘磷脂SM很相似，糖脂-——〉一个或多个糖残基+鞘氨醇鞘磷脂——〉磷脂酰胆碱+鞘氨醇当前30页，总共75页。糖脂⑵含糖而不含磷酸⑶糖侧链存在于非胞质侧⑷含量：2%～10%⑴糖脂是两性分子

只是由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。糖侧链存在于非胞质侧当前31页，总共75页。①半乳糖脑苷脂②神经节苷脂唾液酸（NANA）⑸两种糖脂①半乳糖脑苷脂---最简单的糖脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；②神经节苷脂---变化最多、最复杂的糖脂，是神经元质膜中具有特征性的成分，头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。当前32页，总共75页。（一）膜脂1.兼性分子2.膜脂分子的种类3.膜脂的流动性4.膜脂的不对称性生物膜上的脂类称为膜脂membranelipid,是细胞膜的主要成分，包括磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂最多。当前33页，总共75页。3.膜脂的流动性3.1膜脂双分子层是二维流体3.2膜脂分子的运动3.3影响膜脂流动性的因素当前34页，总共75页。3.1膜脂双分子层是二维流体（1）液晶态（liquid-crystalstate）作为生物膜主体的脂质双分子层，即具有固体排列的有序性，又具有液体的流动性，这种晶态和液态兼有的状态成为液晶态。（2）相变(phasetransition)

由同一种类型的磷脂合成的脂双层，可在一个凝固点上由液晶态转变成晶态（凝胶状态），这种物态转变称为相变。发生相变的温度称为相变温度。当前35页，总共75页。3.2膜脂分子的运动⑴侧向扩散运动lateraldiffusion⑵旋转运动rotation⑶摆动运动flexion⑷伸缩震荡运动⑸翻转运动flip-flop⑹旋转异构化运动当前36页，总共75页。3.3影响膜脂流动性的因素⑴胆固醇：抑制由温度的改变而引起的相变；胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。⑵脂肪酸链的链长长链脂肪酸越长、相变温度越高，膜流动性越低。⑶脂肪酸链的饱和度脂肪酸链所含双键越多、越不饱和，膜流动性越强。⑷卵磷脂/鞘磷脂比例越高、膜流动性越强，反之亦然。⑸其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。当前37页，总共75页。（一）膜脂1.兼性分子2.膜脂分子的种类3.膜脂的流动性4.膜脂的不对称性生物膜上的脂类称为膜脂membranelipid,是细胞膜的主要成分，包括磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂最多。当前38页，总共75页。4.膜脂的不对称性非胞质侧----PC卵磷脂、SM鞘磷脂、糖脂胞质侧----PE脑磷脂、PS磷脂酰丝氨酸当前39页，总共75页。当前40页，总共75页。4.膜脂的不对称性4.1膜脂的不对称性：

⑴相对不对称性：脂类分子在脂双层中分布种类、数量不同

⑵绝对不对称性：质膜外小叶具有脂筏结构。4.2膜糖脂的不对称性：绝对不对称性：糖脂只分布于细胞膜的外表面。膜脂的不对称性当前41页，总共75页。Mechanismsofraftclustering.(a)Rafts(red)aresmallattheplasmamembrane,containingonlyasubsetofproteins.(b)Raftsizeisincreasedbyclustering,leadingtoanewmixtureofmolecules.Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway.当前42页，总共75页。脂筏（lipidraft）是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（microdomain）。直径约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquid-ordered）。就像一个蛋白质停泊的平台，与细胞内吞、囊泡转运、膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜（detergent-resistantmembranes，DRMs）。当前43页，总共75页。细胞膜的化学组成（一）脂类排列成5nm厚的连续脂双分子层，是膜的基本骨架。（二）蛋白质

通过非共价键与脂双分子层结合，执行膜的各种功能（三）糖类通过共价键与脂类和蛋白质结合，组成糖脂或糖蛋白膜的主体（四）水、无机盐和少量的金属离子蛋白质/脂类比值反应膜功能：高膜的功能复杂，低膜的功能简单当前44页，总共75页。(二)膜蛋白质1.膜蛋白功能2.膜蛋白的分类2.1整合蛋白（integralprotein）2.2外周蛋白（peripheralprotein）2.3脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）3.膜蛋白的分子运动4.膜蛋白分子的不对称性当前45页，总共75页。1.膜蛋白功能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。（1）作为转运蛋白（载体或通道）转运分子进出细胞（2）作为受体感受各种环境信号传递到细胞内。（3）结合于膜上的各种酶催化新陈代谢的各步反应。（4）作为结构蛋白参与细胞间连接及连接细胞骨架成分。当前46页，总共75页。2.膜蛋白的分类①,②膜内在蛋白integralprotein；⑤,⑥外周蛋白peripheralprotein③,④脂锚定蛋白lipid-anchoredprotein当前47页，总共75页。2.1整合蛋白（integralprotein）⑴跨膜蛋白（tansmembraneproteins）和镶嵌蛋白整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的α螺旋，β折叠

⑵是两性分子⑶与膜脂以范德华力结合，非常紧密⑷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。

⑸含量：占膜蛋白的70～80%当前48页，总共75页。2.2外周蛋白（peripheralprotein）⑴位置：与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合⑵是水溶性分子⑶与膜蛋白或与膜脂的结合力非共价键，力量较弱⑷提纯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⑸含量：占膜蛋白的20～30%*有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。当前49页，总共75页。2.3脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）定义：以共价键与脂双层中的脂分子结合的蛋白（1）非胞质侧---通过非胞质侧磷脂酰肌醇(GPI)寡糖链连接的蛋白通过蛋白质的C端与寡糖链共价结合在膜上的运动性增大，有利于结合更多蛋白，有利于和其他细胞或有功能的胞外分子更快的结合和反应许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子都是这类蛋白。（2）胞质侧---直接与胞质侧脂的长碳氢链结合地蛋白当前50页，总共75页。(二)膜蛋白质1.膜蛋白功能2.膜蛋白的分类2.1整合蛋白（integralprotein）2.2外周蛋白（peripheralprotein）2.3脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）3.膜蛋白的分子运动4.膜蛋白分子的不对称性当前51页，总共75页。3.膜蛋白的分子运动3.1运动的方式：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旋转扩散3.2影响因素：其侧向运动受细胞外被糖侧链和细胞骨架的限制

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。当前52页，总共75页。Motilityofmembraneprotein.Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335)当前53页，总共75页。（四）膜蛋白分子的不对称性1.跨膜蛋白跨越脂双层有一定的方向性bacteriorhodopsinmolecule噬菌调理素分子当前54页，总共75页。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（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）非胞质侧胞质侧当前55页，总共75页。小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻断面：EF细胞外小页断面；PF原生质小页断面2.脂双层PF蛋白质颗粒多，EF蛋白质颗粒少当前56页，总共75页。Figure.Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.InthisexamplefunctionalNa+-K+ATPasemoleculesarepurifiedandincorporatedintophospholipidvesicles.TheNa+-K+ATPaseisanionpumpthatispresentintheplasmamembraneofmostanimalcells;itusestheenergyofATPhydrolysistopumpNa+outofthecellandK+in.3.同一类酶分子在膜的同一侧表面具有相同的作用点当前57页，总共75页。4.细胞骨架蛋白质分子结合于胞质侧的蛋白质5.低聚糖残基均位于膜的非胞质侧当前58页，总共75页。膜蛋白分子的不对称性1.跨膜蛋白跨越脂双层有一定的方向性2.脂双层胞质侧小叶蛋白质颗粒多，非胞质侧小叶蛋白质颗粒少3.同一类酶分子在膜的同一侧表面具有相同的作用点4.细胞骨架蛋白质分子结合于胞质侧的蛋白质5.低聚糖残基均位于膜的非胞质侧当前59页，总共75页。一、细胞膜的化学组成1.脂类排列成5nm厚的连续脂双分子层，是膜的基本骨架。2.蛋白质通过非共价键与脂双分子层结合，执行膜的各种功能3.糖类通过共价键与脂类和蛋白质结合，组成糖脂或糖蛋白膜的主体此外还含有水、无机盐和少量的金属离子不同类型的细胞膜化学成分比例的差异反应膜功能：蛋白质/脂类比值高膜的功能复杂蛋白质/脂类比值低膜的功能简单当前60页，总共75页。三.膜糖类--所有真核细胞膜1.结构特点---动物细胞以鞘氨醇为骨架、不含磷酸2.含量---占膜重量的2%～10%3.种类（动物细胞）

半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸4.存在形式与膜脂结合糖脂---1个低聚糖侧链与膜蛋白结合糖蛋白----若干低聚糖侧链蛋白聚糖---几条长的多聚糖侧链+蛋白质核心由于组成寡糖的单糖的数量、种类、排列顺序以及有无分支等不同，低聚糖或多聚糖链出现了千变万化的组合形式当前61页，总共75页。5.位置---非胞质侧在质膜上位于细胞外侧，构成细胞外被在各种细胞器的细胞内膜上，位于细胞器的腔侧面(6)作用：有助于某些跨膜蛋白在脂双层中的定位及固定参与细胞识别、信号转导等多种生物学过程细胞外被示糖侧链当前62页，总共75页。第一节

细胞膜的化学组成和分子结构序---生物膜概述一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的特性三、细胞膜的分子结构模型当前63页，总共75页。二、生物膜的特性（一）膜的流动性是膜功能活动的保证1.膜脂分子运动及其影响因素2.膜蛋白的分子运动及其影响因素3.膜流动的生理意义（二）膜的不对称性决定膜功能的方向性质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性，膜结构的不对称性保证了膜功能的。1.膜脂分子的不对称性2.膜蛋白分子的不对称性3.膜糖类分子的不对称性当前64页，总共75页。1.膜脂分子运动及其影响因素⑴膜脂分子运动侧向扩散运动：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。流动性当前65页，总共75页。⑵影响因素①胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。②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。③脂肪酸链的链长长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。④卵磷脂/鞘磷脂比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。⑤其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。流动性当前66页，总共75页。2.膜蛋白的分子运动及其影响因素1.运动的方式：主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式2.影响因素：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。流动性当前67页，总共75页。3.膜流动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，许多酶的活动和跨膜运