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1、(Cell Membrane and Transmembrane Transport)细胞生物学系：郑贤红,第四章细胞膜与物质穿膜运输,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,一、基本概念 细胞膜(cell membrane):包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasma membrane）。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,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
2、膜的结构骨架-每个动物细胞质膜上约有109个脂分子（二）膜蛋白:决定细胞膜的功能（三）糖类,（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架,膜脂（membrane lipid）主要有三种类型：磷脂（phospholipid）胆固醇（cholesterol）糖脂(glycolipid),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。,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。,两亲性分子或兼性分子头部基团（hea
3、d group）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。,脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子,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。,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%
4、,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。,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。,Table 10-1 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),3.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。,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
5、 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%。,Figure 10-18 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),膜脂可能的存在形式：形成球状分子团（micelle）形成双分子层（bilayer）,人工合成膜结构：脂质体25nm-1um用途：运载体,（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%,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（intrinsic protein）
6、或整合蛋白 外在蛋白（extrinsic protein）脂锚定蛋白（lipid anchored protein）,1.膜内在蛋白 又称穿膜蛋白（transmembrane protein）占膜蛋白总量的7080，是两亲性分子 大多数穿膜蛋白穿膜域都是-螺旋构象，也有的 穿膜蛋白以-折叠片层（-pleated sheet）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,-螺旋构象穿膜蛋白,-折叠构象穿膜蛋白,2.膜外在蛋白又称周边蛋白（peripheral protein）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。,膜外在蛋白,3.脂锚定
7、蛋白 又称脂连接蛋白（lipid-linked protein）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,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,Figure 10-30 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),Figure 10-31 Mo
8、lecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),Figure 10-41a Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),Figure 10-41b Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),Figure 10-42 Molecular Biology of the Cell(Garland Sc
9、ience 2008),Figure 10-42a Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),（三）膜糖,约占质膜重量的210。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,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,F
10、igure 10-28a Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),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 各种成分的分布是不均匀 包括种类和数量上都有很大差异 与细胞膜的功能有密切关系。,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,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,Figure 10
11、-16 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),2.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。,膜蛋白的绝对不对称性,3.膜糖的显著不对称性 质膜外表面 内膜系统膜腔,（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”（phase transition）。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。,2.膜脂分子的运动方式（1）侧向扩散（lateral diffusion）（2）翻转运动（flip-flop
12、）（3）旋转运动（rotation）（4）弯曲运动（flexion）,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 主要运动方式:侧向扩散 旋转运动,小鼠人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图,影响脂双层流动性的因素,Figure 10-12 Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),不饱和脂肪酸链对膜流动性的影响,胆固醇对膜流动性的影响,温度对膜流动性的影响,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,（二）单位膜模型体现膜形态结构的共 同特点-蛋白质以
13、单条肽链片层形式,单位膜模型-蛋白质以单条肽链片层形式，通过静电作用与磷脂极性头部结合,（三）流动镶嵌模型,“流动镶嵌模型”（fluid mosaic model）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。,流动镶嵌模型 膜蛋白主要以螺旋的球形结构,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（lipid rafts）：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
14、。,脂筏结构模式图,Figure 10-14a Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),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（vesicular transport）。,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）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
15、,吞噬作用,胞饮作用,（三）受体介导的胞吞：提高效率,LDL受体介导的LDL胞吞过程,有被小窝与有被小泡,有被小窝：受体集中的质膜区域，10-20倍，占质膜2%有被小泡 1.网格蛋白 二聚体：1条重链和1条轻链 3个二聚体：三腿蛋白复合物（网格蛋白）36个三腿蛋白复合物：六角形或五角形，篮网状结构 2.衔接蛋白：多种 3.发动蛋白：GTP结合蛋白,有被小窝与有被小泡的形成,笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型 引自Molecular Biology of the Cell.4th ed.2002,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LD
16、L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,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,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,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,连续性分泌和受调分泌,
17、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：小肠上皮吸收细胞：1000-3000根,微绒毛,二、纤毛（cilia)和鞭毛(flagella),呼吸道上皮细胞的纤毛电镜照片,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,三、褶皱,厚度：0.1um高：几微米,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,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。,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。,
