细胞膜的分子生物学优秀公开课件

第三章细胞膜cellmemberane

细胞膜（cellmemberane)细胞膜

细胞内膜系统：除了细胞膜以外的细胞内所有膜性结构。细胞质是细胞质与外界相隔开的一层薄膜，又称质膜（plasmamembrane）。生物膜细胞膜(厚7nm)第一节细胞膜的化学组成和分子结构

一、生物膜的化学成分：脂类、蛋白质、糖类（以糖脂和糖蛋白的形式存在）。1、膜脂是构成细胞膜的基本骨架

膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。磷脂

膜脂是两亲性分子：具有极性头和非极性的尾部。1).磷脂：是构成膜脂的基本成分鞘磷脂(SM)磷脂酰胆碱（卵磷脂PC）磷脂酰乙醇胺（脑磷脂PE）磷脂酰丝氨酸(PS)磷脂酰肌醇(PI)

磷脂磷脂约占整个膜脂的50％以上。甘油磷脂磷脂的分子结构甘油磷脂：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。磷酸基团分别与胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合，即形成甘油磷脂分子的头部。

鞘磷脂（SM）：以鞘氨醇代替甘油。鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺等参与各种细胞活动，如细胞分化、凋亡和增殖。2).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。双亲性分子功能：增加膜的稳定性，调节膜流动性。组成：是含一个或几个糖基的脂类，由寡糖+脂类构成。含量约占脂总量的5％以下。糖脂也是两性分子.定位：存在于所有动物细胞膜的表面，糖脂均位于膜的非胞质面，并将糖基暴露于细胞表面。结构：双亲性分子，极性头部由一个或几个糖基构成，疏水尾部为脂肪酸链。功能：作为某些分子的受体，与细胞识别及信号转导有关。3).糖脂：膜脂在水溶液中自动形成双层球状分子团脂质体整合蛋白质表面蛋白质细胞膜蛋白质（1）、膜内在蛋白（intrinsicproteins）

占膜蛋白的70%~80%.与膜结合紧密，需用去垢剂如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。使膜崩解后才可分离.不同程度镶嵌或贯穿在脂质层的蛋白；主体部分多以α螺旋构象穿过膜脂双层，单次或多次跨膜。（2）、膜外在蛋白（extrinsicproteins）

水溶性蛋白，占膜蛋白的20%~30%，靠离子键或氢键与膜表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。多附在膜的内外表面的蛋白。细胞内脂双层细胞被细胞外被（cellcoat)：膜糖类以糖蛋白或糖脂的形式均匀分布在生物膜的非胞质面。功能：有助于蛋白质在膜上的定位与固定，参与细胞识别及与周围环境的相互作用。3膜糖类（一）细胞膜的不对称性(asymmetry)1.膜脂分布的不对称

磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇，多分布在膜的内层

卵磷脂和鞘磷脂多分布在膜外层二、细胞膜的特性磷脂和胆固醇分布为相对不对称，仅为数量上的差异。糖脂的分布为绝对不对称2.膜蛋白分布的不对称性跨膜蛋白跨越脂双层有一定的方向性，亲水端长度、氨基酸种类顺序不同。冷冻断裂：内层胞质侧：蛋白颗粒多外层非胞质侧：蛋白颗粒少外在蛋白分布不对称（二）细胞膜的流动性（fluidity):

相变：生物膜在生理常温下多呈液晶态，当温度下降至某一点时，液晶态转变为晶态，若温度上升，则晶态又可溶解为液晶态。这种状态的相互转变称相变。引起相变的温度称相变温度。1、膜脂双分子层是一种二维流体1.膜脂分子的运动形式

⑴侧向扩散运动

（2）

旋转运动

（4）伸缩震荡运动

⑸翻转运动（3）摆动作用2.影响膜脂流动性的因素（1）脂肪酸链的饱和程度：不饱和程度↑膜流动性↑（2）脂肪酸链的长度：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。3、膜蛋白分子在质膜中的运动1.侧向扩散2.旋转运动4、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，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。生物膜的特性膜的流动性膜的不对称性膜脂的流动性膜蛋白的运动性侧向扩散翻转运动旋转运动弯曲运动伸缩振荡侧向扩散旋转扩散膜脂不对称糖脂及糖蛋白不对称膜蛋白不对称

（二）单位膜模型单位膜模型(unitstructuremodel)：20世纪50年代末Robertson用电镜观察发现生物膜均呈二暗夹一明的三层结构，称为单位膜。说明了生物膜在形态上的共性。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。（三）液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)：1972年，Singer和Nicolson提出。认为脂双层构成膜的连续主体，它即具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。蛋白分子以不同程度镶嵌于脂双分子层中。膜脂和膜蛋白具有流动性和不对称性.四、脂筏结构模型

脂筏模型（lipidrafts）：脂质双分子层不是一个完全均匀的二维流体，膜中富含胆固醇和鞘磷脂的微区，其中聚集一些特定的蛋白质区。特点：这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动性。其周围是流动性较高的液态区。脂筏提供一个有利于蛋白质形成有效构象的变构环境。功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等。脂笩功能的紊乱涉及多种疾病的发生。第二节小分子物质的跨膜转运一、小分子

离子：阴离子CL-阳离子Na+,K+,Mg+,Ca2+,H+非极性小分子：O2极性小分子：CO2,乙醇，尿素，类固醇激素其他：甘油，葡萄糖，氨基酸细胞膜是选择性半透膜，对离子选择性通透，产生了细胞内外的电位差，用以传导电信号。小分子物质通过细胞膜的转运主要有三种方式简单扩散（simplediffusion）易化扩散（facilitateddiffusion）主动运输（activetransport）㈠简单扩散（simplediffusion）影响因素：分子量越小脂溶性越强非极性比极性分子过脂双层膜速率越快特点：①沿浓度梯度扩散高-低②不需要提供能量③不需要膜蛋白协助二、易化扩散也称促进扩散（facilitateddiffusion）。特点：①转运速率高；②运输速率同物质浓度成非线性关系；③特异性；④饱和性。载体：离子载体、通道蛋白。

载体蛋白（carrierprotein）载体蛋白（carrierprotein）是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，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。红细胞膜上的葡萄糖转运1.载体蛋白介导的被动转运(易化扩散)

⑴特点——类似于酶-底物反应①结合溶质分子具有特异性②结合溶质分子具有饱和性达到饱和状态时转运速率最大(Vmax)③每种载体对各自溶质均有一结合常数(Km)即V＝1／2Vmax时溶质的浓度④结合可被竞争性或非竞争性抑制剂阻断不同点:载体蛋白对被转运溶质无共价修饰可改变过程的平衡点；⑵不同的运输形式单向运输（uniport）协同运输（coupledtransport）

同向运输（symport）

对向运输（antiport）

2、通道蛋白（channelprotein）通道蛋白（channelprotein）是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。特征：一是离子通道具有选择性；二是离子通道是门控的。

机制在膜上特异性刺激控制下，闸门短暂地开放，随即关闭。配体闸门通道：信号分子电压闸门通道：跨膜电位变化载体蛋白既可介导易化扩散，也可介导逆浓度梯度或电化学梯度的主动运输。通道蛋白只能介导顺浓度梯度或电化学梯度的被动运输。三.载体蛋白介导的主动运输主动运输（activetransport）是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。

主动运输的特点是：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；③都有载体蛋白。

能量来源ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量协同运输中的离子梯度动力

⑴Na+-k+泵ATP直接供能对向运输将Na+逆电化学梯度运出细胞将k+逆电化学梯度运入细胞其动力是自身ATP水解供能—Na+-k+-ATP酶由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体。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。钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程。总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。Na+-K+泵作用是：①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；②维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。钠钾泵机制（2）钙泵（Ca2+-ATP酶）ATP直接供能

通常细胞内钙离子浓度（10-7M）显著低于细胞外钙离子浓度（10-3M），这种浓度差由钙泵维持。位置：质膜和内质网膜上每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。例：肌质网（sarcoplasmicreticulum）上的钙离子泵，肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。

（3）质子泵（H＋泵）ATP直接供能

存在位置：溶酶体膜上作用方式：从胞质中主动将H＋输入溶酶体第三节大分子物质的囊泡转运——胞吞和胞吐

囊泡以出芽方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，这一转运过程称为囊泡转运。根据物质的运输方向：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）共同特点：双向、特异、有序、化学修饰㈠细胞胞吞作用的两种形式：胞吞作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输吞噬（phagocytosis）由专门的吞噬细胞完成,大的颗粒,直径>250nm，最终到达溶酶体被降解。吞饮（pinocytosis）摄入液体和小溶质分子进行消化，直径<150nm。吞噬过程吞饮过程★受体介导的内吞作用——受体-配体结合而引发的吞饮作用⑴特点①所摄入的大分子在质膜上有特异受体②内吞由大分子配体与其受体的识别、结合而激发③受体配体复合物聚集于质膜的有被小窝内，由有被小泡送至内体。胞吞泡的形成：配体和受体结合网格蛋白聚集有被小窝去被的囊泡和胞内体融合有被小泡胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。受体介导的胞吞作用溶酶体受体介导的胞吞作用网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。大分子物质运输中的三种有被小泡网格蛋白（clathrin）

冷冻蚀刻技术发现，有被小凹和小泡上的外被呈网格样结构，这种物质由几种蛋白组成，其中一种就是网格蛋白。网格蛋白在进化上高度保守，分子由3条大肽链和3条小肽链形成三足结构，许多三足结构再组装成六边形或五边形的网格样结构。网格蛋白位于转运小泡的表面，大大提高了小泡的表面张力。（2）COPI衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。（3）COPII主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形成类似于COPI的衣被小泡，酵母COPII衣被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。

不同类型受体的胞内体的分选途径：（1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。㈡细胞胞吐作用1.胞吐作用的途径⑴结构性途径(cons