02-膜的分子结构和特性、膜的物质转运.ppt

1、基础医学院 细胞生物学与遗传学教研室,医学细胞生物学,王 敏,细胞膜的分子结构及特性,Contents 细胞膜的分子结构 膜的理化特征,第一节 细胞膜的化学组成,膜的化学组成,一、膜脂 1、磷脂 磷酸甘油酯 鞘磷脂 2、胆固醇 3、糖脂：脑苷脂 、神经节苷脂,磷脂酰胆碱（卵磷脂） 磷脂酰乙醇胺（脑磷脂） 磷脂酰丝氨酸,鞘氨醇,磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰胆碱 鞘磷脂,胆固醇,与磷脂的碳氢链相互作用，增加质膜的强度，降低膜的流动性,糖脂：脑苷脂 、神经节苷脂,半乳糖脑苷脂 GM1神经节苷脂,鞘磷脂,膜脂的共同特征：兼性分子 （双亲媒性分子）,非极性尾部 疏水,极性头部 亲水,膜脂分子的物理

2、特性,脂质体,分子团,磷脂双层,二、膜蛋白 按照与膜的结合关系分类： 1、镶嵌蛋白质 （mosaic protein ） 内在蛋白质 2、周围蛋白质 （peripheral protein） 外在蛋白质,分子结构：膜蛋白主要是球状蛋白质，单体或多聚体。一般为螺旋。,三、膜糖类,1、结构： 一般由110个单糖或单糖衍生物（葡萄糖、葡萄糖胺、半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、岩藻糖、唾液酸等）组成寡糖链（直链、分支链）,2、存在方式：糖脂、糖蛋白,一、膜的分子结构模型,1902，Overton，细胞膜由脂类构成,1925，Gorter等， 膜由双层脂类构成,1935，Denielli等，片层结构模型,19

3、72，S.J.Singer等，液态镶嵌模型,1975，Wallach，晶格镶嵌模型,1977，Jain 等，板块镶嵌模型,1959，Roberson，单位膜模型,一、片层结构模型 ( lamella structure model ),1935年年提出：“球状蛋白-磷脂-球状蛋白”三夹板结构。,二、单位膜模型（unit membrane model）,20世纪50年代提出：“两暗一明”的结构,三、液态镶嵌模型 （ fluid mosaic model ）,液态镶嵌模型 （ fluid mosaic model ）,观点： 1、流动的脂双层构成膜的连续主体； 流动性,有序性 2、球状蛋白质镶嵌在

4、脂双层中； 分布不对称性,缺陷： 忽视蛋白质对脂类流动性的控制； 忽视膜各部分流动性的不均一性。,膜脂分布的不对称性 膜蛋白分布的不对称性 膜糖分布的不对称性,二、膜的理化特征,（一）膜的不对称性,功能的方向性,膜脂分布的不对称性,外层磷脂层,占磷脂总量的百分数,胞质面磷脂层,磷脂总量,神经磷脂,磷脂酰胆碱,磷脂酰丝氨酸,磷脂酰乙醇胺,冰冻蚀刻技术示意图,糖链,外层,内层,蛋白质,磷脂,膜蛋白、膜糖分布的不对称性,蛋白颗粒在内外两层磷脂中的分布不同,跨膜蛋白两亲水端的不对称分布,（二）膜的流动性,1、膜脂的流动性,1. 侧向扩散 2. 旋转运动 3. 摆动运动 4. 伸缩震荡 5.翻转运动 6

5、. 旋转异构,2、膜蛋白的运动性,人-鼠细胞融合过程中膜蛋白的相互扩散运动,成帽反应,3、影响膜流动性的因素,（1）脂肪酸链的长度和不饱和程度 （2）胆固醇与磷脂的比例 （3）卵磷脂与鞘磷脂的比例 （4）膜蛋白的影响 （5）其他因素（环境温度、pH等）,脂肪酸链的长度和不饱和程度的影响,胆固醇的影响,晶态,液晶态,液态,温度对膜流动性的影响,膜蛋白的功能,细胞膜与物质转运,Contents 穿膜运输 膜泡运输,穿膜运输 （气体、离子、小分子）,溶质跨膜运输的两种方式,膜泡运输 （大分子、颗粒物质）,一、穿膜运输 （transmembrane transport）,气体、离子、小分子的运输方式,

6、大部分需借助于膜上的镶嵌蛋白质,耗能或不耗能,（一）穿膜运输的特性,水可以快速穿膜：体积小，膜上有水通道。,分子量小、脂溶性强则容易通过膜：O2，苯；,不带电荷极性分子，小分子比大分子容易穿膜：CO2 乙醇 尿素 甘油 葡萄糖,脂双层膜对所有带电荷的分子或离子高度不通透；,苯、醇、甾类激素,O2，H2O， CO2，N2,葡萄糖、氨基酸,H Na+,人 工 脂 双 层,葡萄糖、带电荷的离子（ H、 Na+、K+ Ca2+等）怎样穿膜？,（二）某些溶质的穿膜工具：转运蛋白,通道蛋白 （channel protein） 水通道、离子通道,载体蛋白 (carrier protein) 葡萄糖载体,（三

7、）控制溶质转运方向的因素,耗能,（四）穿膜运输的方式,1、简单扩散 simple diffusion 2、离子通道扩散 ion channel diffusion 3、易化扩散 facilitated diffusion 4、离子泵 ion pump 5、伴随运输 cotransport,1、简单扩散：simple diffusion,举例 脂溶性物质、气体物质、水,特点 不耗能、不需膜蛋白、依靠物质浓度差。,2、离子通道扩散 ion channel diffusion,分类 A 电压门通道：靠膜电位，Na+、K+、Ca2等离子通道； B 配体门通道：依靠化学物质（配体）与受体的结合，如乙酰胆

8、碱通道。 C 机械门通道：内耳听觉毛细胞,特点 A “通道蛋白”；B 选择性；C 门控性； D 瞬间、大量通过；F 不耗能,通道蛋白（channel protein）,通道蛋白模式图,通道蛋白肽链以螺旋7次穿膜，中间形成亲水通道,离子通道的几种类型:,电压门通道,配体门通道,机械门通道,电压门通道 (voltage-gated channel),配体门通道,机械门通道 (mechanical-gated channel),依靠机械压力，例如：听觉毛细胞,举例 非脂溶性物质，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸进入红细胞。,3、易化扩散（帮助扩散） facilitated diffusion,特点（1）需“

9、载体蛋白”（镶嵌蛋白质） （2）高度特异性 （3）饱和性 （4）不耗能,载体蛋白易位机制,葡萄糖（Glucose）从血液进入红细胞,G结合到 载体上,载体变构,载体变构,G释放至 细胞内,1,2,3,4,特点 1、需“载体蛋白”，具有两种离子的结合位点和ATP酶活性。 2、分解ATP，造成载体与离子亲和力的变化。,4、离子泵 ion pump,举例 Na+-K+泵，Ca2泵，H泵等,Na+-K+泵的结构,ATP酶去磷酸化,ATP酶磷酸化,Na+释放至膜外ATP酶构象变化（亲K+构象）,K + 与ATP酶结合,K释放至膜内ATP酶构象变化（亲Na+构象）,Na+-K+泵作用过程,Na+与ATP酶

10、结合,Na+-K+泵作用过程,作用机理：Ca2+泵（Ca2+ pump）又称Ca2+ATP酶，有约10个跨膜螺旋，细胞内钙调节蛋白与之结合以调节Ca2+泵的活性，每消耗一个ATP分子转运出2个Ca2+。 存在位置：Ca2+泵主要存在于所有真核细胞的细胞膜和某些细胞器（如内质网、叶绿体）膜上，它将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+。Ca2+泵在肌质网储存Ca2+，对调节肌细胞的收缩与舒张至关重要。,Ca2+泵,特点 1、需“载体蛋白”（同向运输载体），不直接利用ATP，利用Na+ 跨膜梯度驱动。 2、需Na+泵消耗ATP转运Na+，造成 膜内外Na+浓度差

11、。,5、伴随运输（cotransport）,举例 小肠上皮细胞吸收葡萄糖和氨基酸等。,根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同运输又分为： 同向运输（symport）和反向运输（antiport）。 （1）同向运输（symport）：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相同。小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物。 （2）反向运输（antiport）：物质跨膜转运方向与离子转移的方向相反。肾小管上皮细胞中的Na+-K+交换和Na+-H+交换 。,同向运输载体利用Na+ 跨膜梯度驱动葡萄糖的转运,小肠上皮对葡萄糖的吸收,Na+-G同向转运载体,G-转运载体,小肠腔中的

12、G,小肠上皮细胞,毛细血管 或细胞间隙,Summary,simple diffusion ion channel diffusion facilitated diffusion,ion pump cotransport,1.穿膜运输方式,2.参与穿膜运输的载体蛋白,3. 载体 蛋 白 参 与 物 质 运 输 形 式,Coupled transport,4.参与穿膜运输的离子通道,大分子（蛋白质、核酸、多糖）颗粒运输方式；,二、膜泡运输 transport by vesicle formation,伴随膜本身结构的融合、重组和移位；,耗能,膜泡运输的两种方式,吞噬作用 胞饮作用 受体介导的内吞作

13、用,（一）胞吞作用（endocytosis）,1、吞噬作用（phagocytosis）,特点 （1）吞入较大固体颗粒或分子复合物 如细菌、无机尘粒和细胞碎片 （2）物质附着膜凹陷膜分离膜融合 （3）形成“吞噬体”或“吞噬泡”,举例 （1）原生动物获取营养的方式 （2）巨噬细胞、单核细胞和中型粒白 细胞防御微生物侵入，清除衰老 和死亡的细胞,吞噬作用示意图,变形虫伸出伪足正在吞噬细菌,巨噬细胞正在接近并吞噬细菌,巨噬细胞正在吞噬红细胞,2、胞饮作用（pinocytosis）,特点 （1）大分子液体溶质或极微小颗粒； （2）液体吸附膜凹陷膜分离膜融 合； （3）形成“胞饮体”或“胞饮小泡”,举例

14、主要存在于变形虫、小肠上 皮细胞、毛细血管内皮细胞等,胞饮作用,电镜照片,阿米巴体内胞饮作用渠道,阿米巴体内胞饮小泡,3、受体介导的内吞作用 （receptor mediated endocytosis）,（3）配体受体识别-质膜凹陷-“有被小 窝”-有被小泡-进入细胞内-无 被小泡-与膜内体结合-受体泡+ 配体泡-受体再循环-配体被消化,举例 铁的吸收，胆固醇的吸收等,特点（1）有受体参与，特异性很强,（2）选择浓缩机制，速度快,胆固醇复合体-低密度脂蛋白（LDL）颗粒,胆固醇,载脂蛋白B,载脂蛋白B,LDL受体介导的内吞过程,有被小窝（泡）,脱衣被,无被小泡,与膜内体融合,H离子泵入，pH

15、下降至56，受体与LDL解离,HH+,LDL转运入溶酶体,溶酶体,水解酶,游离胆固醇,受体泡,受体再循环,受体汇集,受体介导的内吞过程的电镜照片,衣被小窝和衣被小泡的形成过程模式图,衣被的结构和形成,衣被的结构单位,篮网状小泡衣被,衣被的电镜照片,三腿蛋白复合体,（五边形或六边形）,(二)胞吐作用 (外排作用 exocytosis),特点 膜融合；小泡运输；耗能。举例 蛋白质如胰岛素；小分子如组胺。,胞吐途径：组成型途径和调节型调节 1、结构性分泌途径： 从高尔基体分泌的囊泡向质膜流动并与质膜融合的过程，通过这种途径，新合成的囊泡膜的蛋白和脂类不断地供应质膜的更新，确保细胞分裂前质膜的生长；囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，有的形成细胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。 2、调节性分泌途径： 特化的分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）储存在分泌泡内，当细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合将内含物释放出去的过程。,调节分泌途径： 激素、消化酶、 神经递质,结构分泌途径： 膜蛋白、膜脂、 细胞外基质,物 质 进 出 细 胞 膜,穿膜 运输 膜泡 运输,被动运输