細胞生物學(xué)第四章細胞膜與物質(zhì)的穿膜運輸課件

1、第四章 細胞膜與物質(zhì)的跨膜運輸 主要內(nèi)容 細胞膜的化學(xué)組成與分子結(jié)構(gòu) 小分子物質(zhì)和離子的穿膜運輸 大分子和顆粒物質(zhì)的穿膜運輸 細胞膜異常與疾病細胞膜（cell membrane）細胞的界膜，又稱質(zhì)膜（plasma membrane）選擇性運輸物質(zhì)感受外界信號，傳遞信息細胞膜與細胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)相同，統(tǒng)稱生物膜（biological membrane） 單位膜，透射電鏡下呈“兩暗夾一明”的三層結(jié)構(gòu)，厚約8nm第一節(jié) 細胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)細胞膜結(jié)構(gòu)一、細胞膜的化學(xué)組成脂類（lipid） 50蛋白質(zhì)（protein） 4050糖類（glucide） 110其它：水、無機鹽、金屬離子 少量（一）膜脂（

2、membrane lipid）1.磷脂分子磷脂構(gòu)成細胞膜的基本成分，占膜的50多常見磷脂分子：磷脂酰膽堿、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂、磷脂酰肌醇共同結(jié)構(gòu)特征： 磷脂酰堿基 甘油 脂肪酸 頭部：磷脂酰堿基部分，有極性，親水 尾部：脂肪酸鏈，1424個C，無極性，疏水 膜脂是兩親性分子，膜上內(nèi)外兩側(cè)是親水的磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸磷脂酰膽堿鞘磷脂磷脂分子 2.膽固醇（cholesterol）散布在磷脂分子之間的中性脂質(zhì)極性頭部為羥基團，緊靠磷脂極性頭部非極性疏水結(jié)構(gòu)為甾環(huán)和烴鏈穩(wěn)定膜，調(diào)節(jié)膜的流動性 甾環(huán)結(jié)構(gòu)使與之相鄰的磷脂疏水尾部的一部分不易活動 3.糖脂（glycolipid）占膜脂分

3、子的5，由脂類和寡糖構(gòu)成糖基暴露在細胞外側(cè)細菌和植物細胞的糖脂由甘油酯類衍生來的，一般為磷脂酰膽堿動物細胞的糖脂是由鞘氨醇衍生來的，稱為鞘磷脂不同類型的糖脂主要區(qū)別在于極性頭部不同最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂,存在髓鞘中最復(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂（ganglioside）,含1個以上唾液酸殘基，存在神經(jīng)細胞膜上腦苷脂 神經(jīng)節(jié)苷脂唾液酸殘基膜脂在水中自動形成雙層親水頭部露在外面疏水尾部藏在里面形成脂雙分子層或 磷脂分子團(脂質(zhì)體)（二）膜蛋白（membrane protein）約占50，線粒體內(nèi)膜高達75，神經(jīng)髓鞘低于25膜蛋白的功能： 轉(zhuǎn)運分子、傳遞信息、支撐連接、酶活性三類膜蛋白：內(nèi)在膜蛋白、外

4、在膜蛋白和脂錨定蛋白 1. 內(nèi)在膜蛋白（intrinsic proteins）又稱跨膜蛋白（transmembrane protein），占膜蛋白7080，全部或部分插入細胞膜內(nèi)大部分跨膜蛋白以螺旋單次或多次穿膜，帶蛋白少數(shù)跨膜蛋白以- 折疊多次穿膜形成筒狀結(jié)構(gòu)，如孔蛋白（porin）。2. 外在膜蛋白（extrinsic proteins）也稱外周蛋白（peripheral protein） 占2030，位于膜的內(nèi)外表面，內(nèi)面較多主要是水溶性蛋白質(zhì)連接較松散，溫和處理就與膜分離 周邊蛋白通過離子鍵、氫鍵或靜電作用與膜脂分子相互作用 高鹽溶液可破壞離子鍵，不需用去垢劑 如：血影蛋白、錨蛋白。細

5、胞色素C等3.脂錨定蛋白又稱脂連接蛋白（lipid-linked protein）兩種方式以共價鍵與質(zhì)膜的脂類分子結(jié)合一種是直接與質(zhì)膜的脂質(zhì)分子碳氫鏈結(jié)合在胞質(zhì)側(cè)，如Src和Ras，這種錨定與細胞惡性轉(zhuǎn)化有關(guān)（胞質(zhì)側(cè)碳氫鏈+Src/Ras）另一種是質(zhì)膜外表面的蛋白質(zhì)與外層磷脂酰肌醇分子相連的寡糖鏈共價結(jié)合（糖鏈+蛋白質(zhì)），稱糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白，如多種水解酶、免疫球蛋白、細胞黏附分子、膜受體和G蛋白等100多種。（三）膜糖類占質(zhì)膜重量的2%-10%糖蛋白和糖脂的糖鏈位于質(zhì)膜外側(cè)7種單糖：半乳糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺和唾液酸單糖的數(shù)量、種類、排列順序及其分支不同組成千差萬

6、別的組合形式唾液酸殘基常見于糖鏈的末端，形成真核細胞表面的負(fù)電荷ABO血型Glu：葡萄糖Gal：半乳糖GalNAc： N-乙酰半乳糖胺Fuc：海藻糖二、細胞膜的特性（一）膜不對稱性（membrane asymmetry）1、膜脂分布的不對稱內(nèi)外兩層的脂類分子不對稱 膜外層：磷脂酰膽堿和鞘磷脂 膜內(nèi)層：磷脂酰絲氨酸、磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰肌醇糖脂 只分布膜外側(cè)和內(nèi)膜系統(tǒng)的非胞質(zhì)側(cè) 不同膜性細胞器脂類組成不同質(zhì)膜 鞘磷脂、磷脂酰膽堿、膽固醇核膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、線粒體外膜 磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇高爾基復(fù)合體膜 脂類組成介于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與質(zhì)膜之間線粒體內(nèi)膜 富含心磷脂2. 膜蛋白分布的不對稱跨膜蛋

7、白的方向性 血型糖蛋白N端在膜的非胞質(zhì)側(cè)（外） 帶蛋白的N端在膜的胞質(zhì)側(cè)（內(nèi)）酶蛋白的分布不同 膜外表面：Mg2+-ATP酶、5核苷酸酶、 磷酸二酯酶 膜內(nèi)表面：腺苷酸環(huán)化酶（AC）紅細胞膜的冰凍斷裂技術(shù)顯示內(nèi)層膜蛋白顆粒比外層多1倍（外層為1400個/m2）3.膜糖的不對稱性寡糖鏈連接在質(zhì)膜的外表面內(nèi)膜系統(tǒng)的寡糖鏈連接在膜腔的內(nèi)側(cè)面糖脂分布在極性上皮細胞的游離面，磷脂酰膽堿主要是分布在基底面上膜糖、脂類和蛋白質(zhì)的不對稱，保證了膜兩側(cè)的功能不同和方向性（二）膜的流動性 1. 膜脂的流動 脂雙層是一種二維流體，因細胞內(nèi)外的水環(huán)境阻止膜脂分子自雙層中逸出，只能在雙層內(nèi)運動和交換位置1）膜脂分子的運

8、動形式烴鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)運動（流動性的主要因素） C一C 自由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體 反式構(gòu)象 歪扭構(gòu)象側(cè)向擴散（lateral diffusion） 同一單分子層內(nèi)脂類分子交換位置，107次/秒。 擴散距離為12 m/秒翻轉(zhuǎn)運動（flip-flop） 膜脂分子從一層翻轉(zhuǎn)到另一層，慢而少，但在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上頻繁，造成膜的不對稱性旋轉(zhuǎn)運動（rotation） 膜脂分子垂直于膜平面圍繞其縱軸快速轉(zhuǎn)動伸縮振蕩運動 膜脂的脂肪酸鏈沿著與膜平面垂直的長軸進行伸縮、振蕩運動。2）影響膜脂的流動性脂肪酸鏈的飽和程度 不飽和脂肪酸（雙鍵） 流動性脂肪酸鏈的長短 鏈短 相變溫度 流動性膽固醇的雙重調(diào)節(jié)作用 相變溫度之上：膽

9、固醇 流動性 穩(wěn)定 相變溫度之下：膽固醇 干擾烴鏈相互凝集 防止膜流動性突然降低烴鏈長短和飽和程度 鏈短、含雙鍵 流動性大相變溫度 相變： 溶膠（液態(tài)） 凝膠（晶態(tài)） 鏈短、含雙鍵 相變溫度低相分離（phase separation） 以不同飽和程度磷脂組成的人工膜有多個相變點，在某相變點時同時存在溶膠和凝膠狀態(tài)。卵磷脂與鞘磷脂的比值 哺乳動物細胞中，卵磷脂與鞘磷脂各為50%， 卵磷脂：不飽和脂肪酸多，相變溫度低 鞘磷脂：飽和脂肪酸多，相變溫度高 比值大 流動性 ，比值小 流動性膜蛋白的影響 膜蛋白嵌入膜脂類分子結(jié)合形成界面脂，降低膜的流動性膜蛋白多 膜微粘度增加 流動性低2. 膜蛋白的流動（

10、1）膜蛋白運動形式側(cè)向擴散 膜蛋白在同一層漂浮擴散，沒有翻轉(zhuǎn)運動 細胞融合實驗 用培養(yǎng)的人和小鼠成纖維細胞進行融合，形成人-小鼠雜交細胞 人熒光（紅）標(biāo)記膜蛋白抗體 人膜蛋白 小鼠熒光（綠）標(biāo)記膜蛋白抗體 小鼠膜蛋白旋轉(zhuǎn)運動 圍繞垂直于膜平面的軸旋轉(zhuǎn) 自發(fā)的熱運動，不需能量變構(gòu)運動 通道蛋白構(gòu)形改變，執(zhí)行相關(guān)功能 載體蛋白膜的流動性與膜功能的完成有著密切的關(guān)系三、細胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型1、片層結(jié)構(gòu)模型(lamella structure model)1935年Danielli和Davson提出第一個膜的分子結(jié)構(gòu)模型雙層磷脂分子的疏水脂肪酸鏈在膜的內(nèi)側(cè)相對，親水端朝向膜的內(nèi)外表面球形蛋白質(zhì)附著在脂

11、雙層的兩側(cè)表面，形成蛋白質(zhì)-磷脂-蛋白質(zhì)三層甲板式結(jié)構(gòu)2、單位膜模型(unit membrane model)1959年Robertson提出電鏡下生物膜呈兩暗夾一明的三層結(jié)構(gòu)，稱單位膜磷脂雙分子層構(gòu)成膜的主體，極性頭部向外與附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成暗帶，疏水尾部向內(nèi)構(gòu)成明帶膜蛋白是單層肽鏈以折疊通過靜電作用與磷脂極性端結(jié)合單位膜模式圖電鏡下細胞膜1972年Singer和Nicolson提出磷脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體強調(diào)球形蛋白質(zhì)鑲嵌在脂雙分子層內(nèi)膜是一種動態(tài)的、不對稱的具有流動性特點的結(jié)構(gòu)3、流動鑲嵌模型(fluid mosaic model)1975年Wallach提出晶格鑲嵌模型 鑲嵌蛋白及周圍形

12、成晶態(tài)，流動性的脂類呈小片點狀分布（液態(tài)），說明了流動性、穩(wěn)定性和完整性。1977年Jouin和White提出板塊鑲嵌模型脂雙層中剛性較大的脂類板塊獨立移動板塊之間是流動的脂類區(qū)晶格鑲嵌模型及板塊鑲嵌模型和液態(tài)鑲嵌模型實際上沒有本質(zhì)的差異，不過是膜流動性的分子基礎(chǔ)進行了補充說明4、脂筏模型（lipid rafts model）近年發(fā)現(xiàn)含膽固醇和鞘磷脂的微區(qū)，聚集了特定的蛋白質(zhì)這種含特殊脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的微區(qū)較膜其它部位厚，更有序，較少流動，稱脂筏脂筏直徑約70100nm，其上數(shù)百個蛋白質(zhì)形成小窩（caveolae），它可轉(zhuǎn)運生物活性分子入細胞，參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)脂筏的特點 一是聚集蛋白質(zhì)，便于相互作用

13、二是提供蛋白質(zhì)變構(gòu)環(huán)境，形成有效的變構(gòu)脂筏功能的紊亂已涉及HIV、腫瘤、動脈粥樣硬化、老年癡呆、瘋牛病等第二節(jié) 小分子物質(zhì)和離子的跨膜運輸一、膜的選擇通透性和簡單擴散1. 細胞膜是選擇性半透膜膜的通透性（permeability） 質(zhì)膜選擇性的允許或阻止一些物質(zhì)通過的特性。離子濃度差 細胞膜的選擇通透性造成細胞內(nèi)外的離子濃度差2.簡單擴散（simple diffusion）小分子非極性分子高濃度到低濃度不需要跨膜運輸?shù)鞍讌f(xié)助不需要細胞提供能量常見物質(zhì)：O2、CO2、乙醇、固醇類激素、尿素等人工脂雙層對各種分子的相對通透性人工脂雙層對各種分子的相對通透性二、膜轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)的跨膜運輸兩類膜轉(zhuǎn)運蛋白

14、： 一類為載體蛋白（carrier protein），結(jié)合特定溶質(zhì)，改變構(gòu)象，跨膜運輸 一類為通道蛋白（channel protein），形成（開放）通道，讓特定溶質(zhì)穿膜運動被動運輸與主動運輸 被動運輸：通道蛋白及許多載體蛋白介導(dǎo)，順濃度梯度，不消耗代謝能 主動運輸：特定的載體蛋白介導(dǎo)，逆濃度梯度，消耗代謝能量（一）離子通道轉(zhuǎn)運各種離子屬被動運輸 順梯度，運輸時不與溶質(zhì)結(jié)合轉(zhuǎn)運速率高 106108個/秒高度選擇性 特異性的通道離子通道的開關(guān)受閘門控制1.配體門控通道 ( ligand-gated channel ) 受配體（激素、藥物）控制的通道乙酰膽堿受體是典型的配體門控通道N沖動傳至神經(jīng)末

15、梢，電壓閘門Ca2+通道瞬時開放Ca2+內(nèi)流使突觸小泡釋放AchAch結(jié)合突觸后膜受體，使Na+通道開放肌細胞膜Na+內(nèi)流使電壓閘門Na+通道短暫開放肌細胞膜去極化，肌漿網(wǎng)上Ca2+通道開放Ca2+內(nèi)流，引起肌原纖維收縮神經(jīng)肌肉接頭處離子通道乙酰膽堿是五聚體跨膜蛋白（2）2.電壓門控通道 ( voltage-gated channel )受跨膜電壓變化調(diào)節(jié)的通道3.應(yīng)力激活通道（stress-activated channel）感應(yīng)力使構(gòu)象改變，通道打開，膜電位變化內(nèi)耳毛細胞傳遞聲波信號給聽覺神經(jīng)元（二）載體蛋白介導(dǎo)的易化擴散（facilitated diffusion）概念 物質(zhì)在載體蛋白的

16、幫助下，順濃度梯度或電化學(xué)梯度通過膜的運輸方式，不消耗能量運輸對象 葡萄糖、氨基酸、核苷酸或金屬離子等擴散速率 受膜兩側(cè)被轉(zhuǎn)運物質(zhì)濃度、載體蛋白數(shù)量及結(jié)合位點影響 有人將載體蛋白稱為通透酶(permease),它有特異性、Vmax和結(jié)合常數(shù)（Km），抑制劑可阻斷它紅細胞膜上的葡萄糖載體蛋白特性 葡萄糖轉(zhuǎn)運載體蛋白分子量55kD，為12次跨膜螺旋，占膜總蛋白的5轉(zhuǎn)運機制 通過載體蛋白構(gòu)象可逆性變化轉(zhuǎn)運葡萄糖易化擴散的特點極性分子和無機離子順濃度差載體蛋白幫助不需要消耗能量運輸?shù)奈镔|(zhì)：葡萄糖、氨基酸、核苷酸及細胞代謝物載體蛋白作用機理協(xié)同運輸（coupled transport）單向運輸（unip

17、ort） 載體蛋白將一種溶質(zhì)分子從膜一側(cè)轉(zhuǎn)運到另一側(cè)，如葡萄糖的轉(zhuǎn)運協(xié)同運輸（ coupled transport ） 載體蛋白轉(zhuǎn)運一種溶質(zhì)分子時同時或隨后伴隨轉(zhuǎn)運另一種溶質(zhì)分子同向運輸（symport） 協(xié)同運輸時兩種溶質(zhì)轉(zhuǎn)運方向相同對向運輸（antiport） 協(xié)同運輸時兩種溶質(zhì)轉(zhuǎn)運方向相反（三）載體蛋白介導(dǎo)的主動運輸依耗能方式分為：離子泵和離子梯度驅(qū)動的協(xié)同運輸離子泵 離子泵是一種稱為ATP酶的膜蛋白1. Na+ - K+泵 (Na+ - K+ ATPase)概念 一種能對Na+和K+逆電化學(xué)梯度對向運輸?shù)腁TPase（1957年丹麥生理學(xué)家Skou提出）結(jié)構(gòu) 大亞基 含810個跨膜螺旋

18、 ，催化單位。 小亞基 含1個跨膜區(qū)段的糖蛋白，作用不詳Na+- K+ 泵示意圖Na+-K+泵的工作原理過程 Na+催化亞基磷酸化釋放Na+，結(jié)合K+催化亞基去磷酸化釋放K+，重新與Na+結(jié)合（消耗細胞能量的70， 1000次/ 秒構(gòu)象變化）動力與方向 ATP酶驅(qū)動的泵構(gòu)型改變，水解1分子ATP，泵出3個Na+ ，泵入2個K+ Na+ 內(nèi) 外、K+ 外 內(nèi)Na+-K+泵的工作過程Na+-K+泵的作用直接作用 產(chǎn)生細胞內(nèi)外Na+、k+濃度差，維持胞內(nèi)Na+ 、K+ 的離子梯度間接作用 控制細胞容積 驅(qū)動主動運輸 調(diào)節(jié)滲透壓 維持膜電位洋地黃（digitalis） 一種從洋地黃植物中獲得的類固醇，

19、能抑制鈉泵而加強心臟收縮（升高心肌細胞內(nèi)Ca2+），它被用來治療充血性心臟病已有200多年2.Ca2+泵（Ca2+-pump）細胞膜及某些細胞器膜上的Ca2+-ATP酶含10個跨膜螺旋，4個與Ca2+結(jié)合形成Ca2+通道泵構(gòu)型改變由ATP酶驅(qū)動轉(zhuǎn)運方向 Ca2+ 泵入肌漿網(wǎng)或泵出胞外作用 調(diào)節(jié)細胞內(nèi)Ca2+濃度降低細胞內(nèi)Ca2+ ，使肌肉舒張3.離子梯度驅(qū)動的主動運輸由離子電化學(xué)梯度貯存的能量驅(qū)動另一物質(zhì)的主動運輸，不是直接水解ATP提供驅(qū)動力通常是Na+的電化學(xué)梯度提供驅(qū)動主動轉(zhuǎn)運另一種分子的能量小腸細胞和腎細胞同向運輸Na+和葡萄糖就是Na+提供的動力 Na+-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運（同向協(xié)同）轉(zhuǎn)

20、運方向 Na+ ：外內(nèi) 葡萄糖或氨基酸：外內(nèi)Na+ 濃度葡萄糖轉(zhuǎn)運速率Na+ 的電化學(xué)梯度由Na+-K+泵維持。 作用小腸上皮細胞吸收葡萄糖和氨基酸腸上皮細胞對葡萄糖的運輸 Na+-H+交換載體（ Na+-H+ exchange carrier）Na+驅(qū)動的對向運輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)運方向 Na+胞外胞內(nèi)； H+胞內(nèi)胞外作用 清除細胞代謝產(chǎn)生的過量H+ ，維持胞質(zhì)酸堿度（pH一般在7.17.2）交換載體的活動受細胞pH調(diào)節(jié)，交換載體激活和引起pH升高促進細胞增殖，Ph7.4時活性最強，Ph7.7以上即停止活動 Cl- -HCO3-交換器(Cl- -HCO3-exchanger)相似于紅細胞膜的帶蛋白的Cl

21、- -HCO3-交換器交換方向與Na+-H+交換載體相反pH 交換器活性HCO3- ：內(nèi)外；Cl - ：外內(nèi)。結(jié)果胞質(zhì)pH4.其它驅(qū)動泵V-型質(zhì)子泵 存在膜性酸性區(qū)室，將H+轉(zhuǎn)入細胞器和囊泡中F-型質(zhì)子泵 存在細菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體膜，逆濃度轉(zhuǎn)運H+，偶聯(lián)質(zhì)子轉(zhuǎn)移和ATP合成ABC轉(zhuǎn)運體 運輸?shù)鞍祝?00多種，有底物特異性，在肝、小腸、腎細胞膜表達豐富，降低有毒物質(zhì)，多藥抗性運輸?shù)鞍字鲃舆\輸?shù)奶攸c小分子逆濃度梯度或電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運直接消耗ATP或由離子梯度提供能量載體蛋白介導(dǎo)及其構(gòu)型改變轉(zhuǎn)運物質(zhì)第三節(jié) 大分子與顆粒物質(zhì)的跨膜運輸一、入胞作用吞噬作用吞飲作用受體介導(dǎo)的胞吞作用1.胞吞作用（e

22、ndocytosis） 胞吞作用是通過細胞膜內(nèi)陷形成囊泡胞飲作用 胞吞溶液，囊泡小，稱胞飲（pinocytosis）吞噬作用 胞吞顆粒，囊泡大，稱吞噬（phagocytosis）胞吞與吞噬的區(qū)別胞吞泡大小不同 胞飲泡 150nm，吞噬泡 250nm胞吞物不同 胞飲液體， 吞噬固體形成機制不同 吞飲泡需網(wǎng)格蛋白幫助 吞噬泡需要微絲及其結(jié)合蛋白幫助 2.受體介導(dǎo)的胞吞作用過程大分子物質(zhì)結(jié)合受體網(wǎng)格蛋白參與形成有被小窩（coated pits）膜內(nèi)陷成有被小泡（coated vesicles）脫包被后與內(nèi)體融合（受體返回膜上）大分子物質(zhì)被轉(zhuǎn)運至溶酶體作用機制LDL顆粒 + 細胞質(zhì)膜上的LDL受體有被小窩形成有被小泡形成有被小泡脫被，相互融合成內(nèi)吞泡 含LDL的內(nèi)體+溶酶體 內(nèi)體酸性使受體和配 體分離 LDL被消化 帶受體的質(zhì)膜與細胞質(zhì)膜融合 （釋放膽固醇） 受體回到質(zhì)膜（受體再循環(huán)）網(wǎng)格蛋白三腿復(fù)合物受體介導(dǎo)的胞吞有被小泡的運輸LDL顆粒二、出胞作用胞吐作用分泌型途徑調(diào)節(jié)型途徑胞吐作用（exocytosis）細