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1、第二篇 细胞膜及其表面,第二篇 细胞膜及其表面,细胞膜的分子结构和特性 细胞表面及其特化 细胞膜与物质转运 细胞膜与细胞识别 膜受体与细胞的信号转导 细胞膜与医药学,第五章 细胞膜的分子结构和特性molecular structure and character of the cell membrane第一节 膜的化学组成,一、膜脂(一).磷脂,膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型：磷脂：膜脂的基本成分（50以上）;包括甘油磷脂和鞘磷脂二类；1.甘油磷脂：1).具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链）(心磷脂除外)；2).脂肪酸碳链碳原子为偶数（多数由16，18或20个组成)；3).有饱和
2、脂肪酸（如软脂酸）及不饱和脂肪酸（如油酸）之分；,2.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。,鞘磷脂,一、膜脂(二).胆固醇,存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少;功能：提高膜的稳定性，调节流动性，降低水溶性物质的通透性。,胆固醇分子结构(A)及其在细胞膜中的位置(B),一、膜脂(三).糖脂,约占5以下，神经细胞膜含量高，约占5-10；两性分子，含糖而不含磷酸，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合;糖脂结构变化复杂，
3、神经节苷脂是神经元细胞膜中的特征性成分。,脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。直径251000nm不等；脂质体的类型:脂质体的应用:1.研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；2.脂质体中裹入DNA可用于基因转移；3.在临床治疗中，脂质体作为药物或酶等载体;,脂在水中的行为,二、膜蛋白,占核基因组编码蛋白质的30%左右；根据与脂分子的结合方式分为：1.整合蛋白(integral protein);2.外周蛋白(peripheral protein);3.脂锚定蛋白(lipid-anchored protein);,二、膜蛋白(一).膜内在蛋白质,1.内在/整合/镶嵌膜
4、蛋白(intrinsic/integral/mosaic membrane proteins):非水溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂才能从膜上洗涤下来;2.内在膜蛋白与膜脂结合的方式：膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。,某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子，插入脂双层之间，进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力，还有少数蛋白与糖脂共价结合。3.X射线晶体衍射技术分析跨膜蛋白:,二、膜蛋白(二)
5、.膜外在蛋白质,1.外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins):水溶性蛋白，靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离;2.脂质锚定蛋白(lipid-anchored proteins):通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。分为两类：,1).糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白：用磷脂酶C(能识别含肌醇的磷脂)处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。2).另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。,三、膜糖类,膜中的糖约占膜重量的2%10%，糖含
6、量的多少依细胞的不同而不同；细胞质膜上所有的膜糖(membrane carbo-hydrate)都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖都位于内表面；动物细胞质膜上的膜糖种类：葡萄糖、半乳糖、甘露糖、岩藻糖、氮乙酰葡萄糖胺、氮乙酰半乳糖胺和唾液酸7种；膜糖的存在方式：糖脂或糖蛋白；MN血型抗原和ABO血型抗原：,整合蛋白,跨膜多肽链以螺旋的方式穿过脂质双层,外周蛋白,脂锚定蛋白,integral protein；,lipid-anchored protein,peripheral protein；,A typical single-pass trans-membrane protein.Note
7、that the polypeptide chain tra-verses the lipid bilayer as a right-handed a helix and that the oligosaccharide chains and disulfide bonds are all on the noncytosolic surface of the membrane.Disulfide bonds do not form between the sulfhydryl groups in the cytoplasmic domain of the protein because the
8、 reducing environment in the cytosol maintains these groups in their reduced(-SH)form.,糖与多肽连接的两种方式,MN血型糖蛋白在红细胞膜中的结构方式(多肽链含有131个氨基酸残基。在脂质双层中约有30个氨基酸残基以螺旋通过),第五章 细胞膜的分子结构和特性molecular structure and character of the cell membrane第二节 膜的分子结构,膜的分子结构模型 E.Gorter和F.Grendel(1925):“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型；J.D.Robe
9、rtson(1959)：单位膜模型(unit membrane model);S.J.Singer和G.Nicolson(1972):生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model);K.Simons et al(1997)：脂筏模型(lipid rafts model);Functional rafts in Cell membranes.Nature 387:569-572,细胞膜的研究历史,E.Overton(1895)用植物的根毛做实验，发现脂溶性物质很容易进入细胞，而水溶性的物质却不能。Overton实际上发现了亲脂性(lipophilic)物质与细胞的关系;Langmu
10、ir(1917)提出了脂单层的概念，是20世纪初膜结构研究的基础，导致了脂双层的发现；E.Gorter和F.Grendel(1925)根据对红细胞的研究，首次提出质膜的基本结构是双脂分子层；,Danielli和Davson(1935)提出“双分子片层”结构模型(lamella structure model)，即“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型，又叫三明治模型(Sandwich model)；J.D.Robertson(1959)：单位膜模型(unit membrane model)整个膜厚度约为7.5，强调蛋白质为单层伸展的片层折叠；S.J.Singer和G.Nicolson(19
11、72):生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)，根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果提出;,M.K.Jain and H.B.White(1977)提出，板块镶嵌模型：在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，刚度较大的彼此独立移动的类脂板块(有序结构“板块”)。板块之间被流动的脂质区(无序结构的“板块”)分割。膜功能的多样性可能与板块的性质和变化有关。,K.Simons et al(1997)：脂筏模型(lipid rafts model);Functional rafts in Cell membranes.Nature 387:569-572 富含胆固醇和鞘磷脂的
12、微结构域(称微区)。介于无序液体与液晶之间动态结构;在低温下为抗去垢剂膜(detergent resistant membranes，DRMs);象一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系;,在Langmuir水盘中展现脂单层,Danielli-Davson片层膜结构模型(修改后1954),J.D.Robertson的单位膜结构模型,单位膜模型,Cell Membrane,液态镶嵌模型示意图,Mechanisms of raft clustering.(a)Rafts(red)are small at the plasma membrane,containing only
13、 a subset of proteins.(b)Raft size is increased by clustering,leading to a new mixture of molecules.This clustering can be triggered in different way.,脂质双层具有不同的脂筏结构，外层微区主要含有鞘磷脂、胆固醇及GPI-锚定蛋白;内层微区主要含许多酰化的蛋白质，特别是信号传导蛋白等;脂筏在膜内形成的平台，一方面使许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作用；另一方面，提供了有利于蛋白质变构的环境，使蛋白质形成有效的构象;脂筏不仅存在于细胞膜，而且也存在于
14、高尔基体膜上;,Summary:structures about biomembrane.磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；但在脂筏中存在某些有助于其结构相对稳定的功能蛋白。蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者;生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体;,第五章 细胞膜的分子结构和特性molecular structure and character of the cell membrane第三节 膜的特性,一、膜的不对称性(一).膜蛋白分布的不对称,ES(extrocytoplasmic surface
15、)：质膜的细胞外表面;PS(protoplasmic surface)：质膜的原生质表面;EF(extrocytoplasmic face)：质膜的细胞外小页断裂面;PF(protoplasmic face)：原生质小页断裂面；,膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性；膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证;跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性;糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面;某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能。如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要
16、心磷脂存在才具活性;,一、膜的不对称性(二).膜脂分布的不对称,糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础;脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同;无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。,二、膜的流动性(一).膜脂的流动性,膜脂的流动性;脂肪酸链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大;温度对膜脂的运动有明显的影响;在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用;膜脂的种热运动方式：沿膜平面的侧向运动(基本运动方式);脂分子围绕轴心的自旋运动;脂分子尾部的摆动;双层脂分子之间的翻转运动;,膜脂运动的几种形式
17、,二、膜的流动性(二).膜蛋白的运动性,荧光抗体免疫标记与细胞融合实验显示膜蛋白的流动性,荧光抗体免疫标记实验显示:成斑现象(patching),膜蛋白流动性的证据:成帽现象(capping),二、膜的流动性(三).影响膜流动性的因素,膜的流动性受多种因素影响;脂肪酸链的长度和不饱和程度;胆固醇与磷脂之间的比值;卵磷脂和鞘磷脂之间的比值;膜蛋白的影响;其他因素：温度、酸碱度、离子强度等;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；如果流动性过高，又会造成膜的溶解；,细胞膜的冰冻蚀刻图,第六章 细胞表面及其特化cell
18、surface and specificity第一节 细胞外被与胞质溶胶,细胞表面：细胞膜+细胞外被+细胞外基质；细胞表面的功能:保护细胞，使细胞有一个相对稳定的内环境;参与信号的识别和信息的传递；参与细胞运动；维护细胞的各种形态；与免疫、癌变等有十分密切关系；,一、细胞外被,细胞外被：动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼(glycocalyx)。往往与膜蛋白或膜脂共价结合；细胞外被的功能:Mediate cell-cell and cell-substratum interactions.Provide mechanical protection to cell.,Sim
19、plified diagram of the cell coat(glycocalyx),二、胞质溶胶,细胞表面结构示意图,膜骨架：膜骨架的概念：指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，位于细胞质膜下约0.2厚的溶胶层；它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。膜骨架的功能:维持质膜形状并协助质膜完成多种生理功能;,红细胞的生物学特性：血影(ghost)：红细胞经低渗处理破裂后，释放出内容物，留下一个保持原形的空壳；膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度；红细胞质膜蛋白及膜骨架：经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有：,血影蛋白：由结构相似的链、链组成
20、异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体;锚蛋白(ankyrin)：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上;带3蛋白：阴离子载体，通过交换Cl-，使HCO3-进入红细胞。为二聚体，每个单体跨膜12次；血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，有131个氨基酸，N-端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，功能尚不明确，与MN血型有关，与带4.1蛋白相连；,红细胞质膜蛋白及膜骨架问题提出的依据：没有细胞器；质膜是惟一的膜结构；行程：500,000米，要多次穿过小于自身直径一半的微小通道；又要经过心脏内瓣膜涡流冲击;要在脾脏内经受少氧、低pH值的不利条件;但始终保持结构的完整
21、；所以，骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性。,膜骨架的构成：血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维(约1315单体)相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方：1.通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结；2.通过锚蛋白与带3蛋白相连;这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。,(A)考马斯亮蓝染色的胶;(B)表示凝胶上主要蛋白质的位置。,第六章 细胞表面及其特化cell surface and specificity第二节 细胞表面的特化结构,一、微绒毛,质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执
22、行特定功能方面具有重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。,微绒毛(microvilli):是细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面;直径约为0.1。内芯由肌动蛋白丝束组成。肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白(villin)和丝束蛋白(fimbrin)组成的横桥相连;微绒毛的功能:扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍。,小鼠小肠上皮细胞的冰冻断裂电镜照片M为线粒体，MV为微绒毛,冰冻蚀刻示小鼠肾曲管上皮细胞微绒毛,彩色扫描电子显微镜照片看到的气管表面的花粉和尘埃,二、细胞内褶,皱褶(ruffle):细胞表面的扁形突起，也称为片
23、足(lamellipodia).在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。SEM image of alveolar(Lung)macrophage attacking E.coli.(Show ruffle on the cell surface),内褶:内褶(infolding)是质膜由细胞表面内陷形成的结构，以相反的方式扩大了细胞的表面积。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。,三、纤毛和鞭毛,纤毛和鞭毛:纤毛(cilia)和鞭毛(flagella)是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别。,Human sperm,第六章 细胞表面及其特
24、化cell surface and specificity第三节 细胞间的连接,第六章 细胞表面及其特化cell surface and specificity第四节 细胞外基质,细胞外基质(extrocellular matrix,ECM)的结构组成：是指分布于细胞外空间,由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构;主要的功能:连接和支持细胞的框架，负责组织的构建;维系胞外基质三维结构及成份的变化，改变细胞微环境从而对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要的调控作用。胞外基质的信号功能；,macromolecular orgnization of ECM,一、氨基聚糖和蛋白聚糖(一).氨基聚糖,
25、氨基聚糖(glycosaminoglycan,GAG)：氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的无分支直长链多糖，又称为粘多糖;二糖单位通常由氨基已糖和糖醛酸组成;氨基聚糖:透明质酸、4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素等；除HA及肝素外，其他GAG不游离存在；HA是唯一不硫酸化的GAG，含多达10万个糖基。可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性;,透明质酸(hyaluronic acid)：透明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分，也是蛋白聚糖的主要结构组分;透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用;透明质酸使细胞保持彼此分离，使细胞易于运动迁移和增殖并
26、阻止细胞分化；,一、氨基聚糖和蛋白聚糖(二).蛋白聚糖,蛋白聚糖(proteoglycan,PG)：蛋白聚糖见于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面;是由氨基聚糖与核心蛋白(core protein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子;核心蛋白在高尔基体中装配GAG链；先合成4糖连接桥(Xyl-Gal-Gal-GlcUA)连接到Ser上(Ser-Gly-X-Gly)，然后延长糖链;若干蛋白聚糖单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成多聚体;,蛋白聚糖的特性与功能：显著特点是多态性：不同的核心蛋白,不同的氨基聚糖;软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一,赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力;蛋白聚糖可视
27、为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导;,二、胶原和弹性蛋白(一).胶原,胶原(collagen)：是细胞外基质中的一个纤维蛋白家族，动物体内含量最丰富的蛋白(总量的30以上),型胶原含量最丰富,形成类似的纤维结构；但并非所有胶原都形成纤维;已知至少19种，由不同基因编码。I、II、III、V、XI型为有横纹的纤维结构;型胶原纤维束,主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中,具有很强的抗张强度;型胶原主要存在于软骨中;型胶原形成微细的原纤维网；广泛分布于伸展性的组织，如疏松结缔组织;型胶原形成二维网格样结构,是基膜的主要成分及支架；,Collagen,胶原的分子结构：胶原纤维
28、的基本结构单位是原胶原;原胶原是由三条肽链盘绕成的三股螺旋结构;原胶原肽链具有Gly-x-y重复序列，对胶原纤维的高级结构的形成是重要的;在胶原纤维内部，原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列，形成周期性横纹；,Structures of the collagen,胶原的功能：胶原在胞外基质中含量最高，刚性及抗张力强度最大，构成细胞外基质的骨架结构，细胞外基质中的其它组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体;在不同组织中，胶原组装成不同的纤维形式,以适应特定功能的需要;胶原可被胶原酶特异降解，而参入胞外基质信号传递的调控网络中；,二、胶原和弹性蛋白(二).弹性蛋白,弹性蛋白(elastin)：弹性
29、蛋白是弹性纤维的主要成分；主要存在于脉管壁及肺，由2类短肽交替排列构成：1.疏水短肽，赋予分子以弹性;2.富Ala(丙)及Lys(赖)残基的螺旋，负责在相邻分子间交联，形成网状结构；构象呈无规则卷曲状态;老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强,以致组织失去弹性；,三、非胶原糖蛋白(一).层粘连蛋白,层粘连蛋白(laminin)：层粘连蛋白是高分子糖蛋白(820KDa),动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一;其结构由一条重链和两条轻链构成:1.细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上;2.层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位：1).与型胶原的结合部位；2).与细胞质膜上的整合素结合的Arg-G
30、ly-Asp(R-G-D)序列；层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关;,Basal lamina,三、非胶原糖蛋白(二).纤连蛋白,粘连蛋白(Fibronectin,FN)：含糖4.59.5，其亚单位分子量为220-250KDa，有57个有特定功能的结构域;FN有20多种亚单位。同一基因编码，转录后拼接不同，形成异型分子；RGD(Arg-Gly-Asp)三肽序列是为细胞识别的最小结构单位；类型有:1.血浆FN：V字形二聚体，可溶，存在于血浆、体液;2.细胞FN：多聚体，不溶，存在于ECM及细胞表面；纤粘连蛋白的膜蛋白受体为整合素家族成员之一，在其细胞外
31、功能区有与RGD高亲和性结合部位;,fibronectin dimer,细胞外基质的FN与细胞内的微丝比较;纤连蛋白的膜蛋白受体,纤连蛋白的主要功能：介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨 架的组织，促进细胞铺展;在胚胎发生过程中，纤连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必须的;在创伤修复中，纤连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位；在血凝块形成中，纤连蛋白促进血小板附着于 血管受损部位。,Fibronectin helps connect the inside of the cell to the outside,第七章 细胞膜与物质转运cell membrane and subst
32、antial transport,细胞膜的物质转运,第七章 细胞膜与物质转运cell membrane and substantial transport第一节 穿膜运输,不同分子对人工磷脂双层的通透性,一、简单扩散,被动运输(passive transport)：不需要消耗细胞代谢的能量，而将物质从浓度高的一侧经细胞膜转运至浓度低的一侧。,简单扩散(simple diffusion)：不需要消耗细胞自身的代谢能，也不依靠专一膜蛋白分子，而使物质顺浓度梯度从膜的一侧转运到另一侧的运输方式。脂溶性物质(非极性物质):苯、乙醇、尿素、甘油；不带电荷小分子物质：H2O、O2、N2、CO2；,二、离子
33、通道扩散,促进扩散(facilitated diffusion)：离子通道扩散(ionic channel diffusion)：由离子通道蛋白(channel protein)形成贯穿脂双层之间的通道。特点:转运速率高；运输速率同物质浓度呈非线性关系;特异性；饱和性。载体：离子载体、通道蛋白。,通道蛋白介导的协助扩散示意图A：配体闸门通道,通道蛋白介导的协助扩散示意图B：电压闸门通道,电压门控通道：离这类通道的构型变化依据细胞内外带电离子的状态，主要是通过膜电位的变化使其构型发生改变,从而将“门”打开。在很多情况下,门通道有其自己的关闭机制,它能快速地自发关闭。开放往往只有几毫秒时间。在这短
34、暂瞬息时间里，一些离子、代谢物或其它溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜。,含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲就是通过电位-门控通道传递信号的,Peter AgreBorn:30 January 1949,Northfield,MN,USAAffiliation at the time of the award:Johns Hopkins University School of Medicine,Baltimore,MD,USA,Roderick MacKinnonBorn:19 February 1956,Burlington,MA,USAAffiliation at the time of
35、the award:Rockefeller University,New York,NY,USA,Howard Hughes Medical Institute,The Nobel Prize in chemistry 2003 to them：“for discoveries concerning channels in cell membranes”to Peter Agre：“for the discovery of water channels”to Roderick MacKinnon：“for structural and mechanistic studies of ion ch
36、annels”,三、易化扩散,易化(帮助)扩散(facilitated diffusion)借助于载体的帮助不消耗能量物质顺浓度梯度的转运方式称帮助扩散。可运输一些亲水性物质和无机离子等；载体蛋白(carrier protein)：与特定溶质结合改变构象使溶质穿越细胞膜。一种载体蛋白可特异性的连接和传送一种特定的分子跨膜，这种运输方式比单纯扩散速率大大增加。,载体蛋白介导的协助扩散示意图只增加转运速率(葡萄糖：简单扩散的上万倍),The carrier protein,the Glucose transporter(GluT1)in the erythrocyte PM,alter confo
37、rmation to facilitate the transport of glucose.,Kinetics of simple diffusion compared to carrier-mediated diffusion,四、离子泵,主动运输(active transport):主动运输：借助于镶嵌在细胞膜上专一性很强的载体蛋白，通过消耗代谢能量，将物质从低浓度处向高浓度处的运输方式；Na+-K+泵(Na+-K+pump)：Na+-K+泵实际为Na+-K+ATP酶(Na+-K+ATPase)，具有载体和酶的双重作用；,组成：由2个亚基和2个亚基构成四聚体；,作用机理：,Na+-K+泵
38、具有三个重要作用：维持细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的渗透作用；在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力；Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础；,钙泵(Ca2+-pump)，又称为Ca2+-ATP酶(Ca2+-ATPase)：结构：有10个跨膜结构域；两种激活机制：1).Ca2+/钙调蛋白(CaM)复合物的激活；2).蛋白激酶C的激活(内质网型);运输机制:类似于Na+-K+ATPase。每水解一个ATP将两个Ca2+离子从胞质溶胶输出到细胞外;,A coupling active transport to ATP hydroly
39、sis,Jens C.SkouBorn:8 October 1918,Lemvig,DenmarkAffiliation at the time of the award:Aarhus University,Aarhus,Denmark,The Nobel Prize in Chemistry 1997 one half to him：“for the first discovery of an ion-transporting enzyme，Na+，K+-ATPase”,Paul D.BoyerBorn:31 July 1918,Provo,UT,USAAffiliation at the
40、time of the award:University of California,Los Angeles,CA,USA,John E.WalkerBorn:7 January 1941,Halifax,United KingdomAffiliation at the time of the award:MRC Laboratory of Molecular Biology,Cambridge,United Kingdom,The Nobel Prize in Chemistry 1997 one half to them：“for their elucidation of the enzy
41、matic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate(ATP)”,五、伴随运输,伴随/协同运输(co-transport)：载体蛋白介导的物质运输中，许多主动运输不是直接由ATP提供能量，而是由储存在膜上离子梯度中的能量来驱动，这一能量来源于进行耦联运转的蛋白质相联系来完成物质跨膜运输，即一种物质的运输依赖于第二种物质的同时运输；,协同运输又称偶联运输，其特征是：不直接消耗ATP；依赖离子泵(Na+/K+或H+)建立的电化学梯度；离子泵称为初级主动运输(primary active transport)，协同运输称
42、为次级主动运输(secon-dary active transport)；伴随运输的类型：(1).共运输：两种物质运输方向相同。(2).对向运输：两种物质运输方向相反。,共运输(symport)：例：Na+顺浓度梯度运转的同时伴有葡萄糖或氨基酸的逆浓度梯度运转。进入细胞的Na+被Na+-K+-ATP酶泵出，Na+梯度得以维持。Na+梯度越大，葡萄糖或氨基酸的运入速率也越大；,对向运输(antiport)：Na+-Ca+和Na+-H+交换载体，Na+顺浓度梯度进入细胞时供给能量使Ca+逆浓度梯度排出细胞，这是细胞向外环境驱钙的一种重要机制。在动物细胞还普遍存在Na+-H+交换载体，Na+的流入与
43、的H+输出相耦联，从而清除细胞代谢过程中产生的过量H+。Na+-H+交换速率受细胞内pH的调控，pH越低，交换越活跃。植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动;,共运输,对向运输,Summary：Membrane Transport Proteins,第七章 细胞膜与物质转运cell membrane and substantial transport第二节 膜泡运输,膜泡运输(transport by vesicle formation)：大分子及颗粒物质并不直接穿过细胞膜，而是通过一系列膜囊泡形成和融合来完成的转运过程，同样属于主动运输。,吞噬体phagosome,吞饮体pinosome,一
44、、胞吞作用(一).吞噬作用,吞噬作用(phagocytosis)：细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，形成的囊泡较大。吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象。如：在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。,一、胞吞作用(二).胞饮作用,胞饮作用(pinocytosis)：细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质。胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞；,巨噬细胞正在吞噬衰老的红细胞,胞饮作用与吞噬作用的比较,网格蛋白有被小窝(clathrin coated vesicles)：运输途径：质膜
45、 内体；高尔基体 内体；高尔基体 溶酶体、植物液泡；结构：由一个重链(heavy chain)和一个轻链(light chain)构成1个异二聚体，3个异二聚体形成三脚蛋白复合体(triskelion)。clathrin的曲臂交织在一起，形成5边形网孔的笼子。,胞吞所涉及的蛋白：接合素蛋白/衔接蛋白(adaptin)：在网格蛋白被膜小窝形成时，网格蛋白和膜之间有衔接蛋白起衔接作用；发动蛋白(dynamin)：作用是在被膜小窝的颈部聚合，通过水解GTP调节自己收缩，最后将小泡与质膜割开。胞吞泡形成的机制：,一、胞吞作用(三).受体介导的胞吞作用,Review：胞吞作用(endocytosis)胞
46、饮作用(pinocytosis)；吞噬作用(phagocytosis)；受体介导的胞吞作用(receptor mediated endocytosis)；受体介导的胞吞的各种配体分子：,受体介导的低密度脂蛋白(low den-sity lipoprotein,LDL)内吞作用：LDL是一种球形颗粒的脂蛋白，直径为22nm,核心是1500个胆固醇酯；外面由800个磷脂和500个未酯化的胆固醇分子包裹，由于外被脂分子的亲水头露在外部，使LDL能够溶于血液中；最外面有一个相对分子质量为55kDa的蛋白，叫辅基蛋白B-100(apolipoprotein，B-100),它能够与特定细胞的表面受体结合；
47、,LDL的内吞：一旦LDL与受体结合，就会形成被膜小泡被细胞吞入，接着是网格蛋白解聚,受体回到质膜再利用；而LDL被传送给溶酶体,在溶酶体中胆固醇酯被降解,胆固醇被释放出来用于质膜的装配，或进入其他代谢途径。,clathrin coated vesicles,deep-etch view of a typical clathrin lattice,笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型 from Molecular Biology of the Cell.4th ed.2002,bulk-phase endocytosis：the non-specific uptake of ex
48、tracellular fluids,the uptake of large particles,从有被小窝形成有被小泡的电镜图像,Receptor-mediated endocytosis,通过受体介导的内吞作用进入细胞的配体,LDL的内吞,LDL受体介导的 细胞内吞作用示意图,LDL的作用,细胞质,LDL颗粒,LDL受体,有被小窝,有被小泡,无被小泡,胞内体,受体与大分子颗粒分开,胞内体部分,胞内体部分,初级溶酶体,受体再循环,二、胞吐作用,胞内 胞外,外排作用,胞吐作用（exocytosis）的类型:组成型外排途径（constitutive exocytosis pathway）：所有真
49、核细胞；连续分泌过程；用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）；限定途径（default pathway）：除某些有特殊标志的驻留蛋白和调节型分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网 高尔基体 分泌泡 细胞表面;,调节型外排途径（regulated exocytosis pathway）：特化的分泌细胞；储存刺激释放；产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定；,在组成型分泌活动中，胞吐作用是自发进行的，但是在调节型的细胞中，胞吐作用必需有信号的触发。胞吐作用的结果一方面将分泌物释放到细胞外，另一方面小泡的膜融入质膜，使质膜得以补充。,
