膜分子結(jié)構(gòu)和特性膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運

1、醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué) 王 敏1細胞膜的分子結(jié)構(gòu)及特性2Contents 細胞膜的分子結(jié)構(gòu) 膜的理化特征3第一節(jié) 細胞膜的化學(xué)組成膜的化學(xué)組成2%-10%糖 類20%-70%蛋白質(zhì)水、無機鹽、金屬離子等其 他30%-60%脂 質(zhì)含量成分5 一、膜脂1、磷脂 磷酸甘油酯 鞘磷脂 2、膽固醇3、糖脂：腦苷脂 、神經(jīng)節(jié)苷脂磷脂酰膽堿（卵磷脂）磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）磷脂酰絲氨酸6鞘氨醇磷脂酰乙醇胺 磷脂酰絲氨酸 磷脂酰膽堿 鞘磷脂 7 膽固醇與磷脂的碳氫鏈相互作用，增加質(zhì)膜的強度，降低膜的流動性 8 糖脂：腦苷脂 、神經(jīng)節(jié)苷脂半乳糖腦苷脂 GM1神經(jīng)節(jié)苷脂鞘磷脂9膜脂的共同特征：兼性分子 （雙親媒性分子）非極

2、性尾部疏水極性頭部親水10膜脂分子的物理特性脂質(zhì)體分子團磷脂雙層11二、膜蛋白 按照與膜的結(jié)合關(guān)系分類： 1、鑲嵌蛋白質(zhì)（mosaic protein ） 內(nèi)在蛋白質(zhì) 2、周圍蛋白質(zhì)（peripheral protein） 外在蛋白質(zhì)12 分子結(jié)構(gòu)：膜蛋白主要是球狀蛋白質(zhì)，單體或多聚體。一般為螺旋。13三、膜糖類1、結(jié)構(gòu)： 一般由110個單糖或單糖衍生物（葡萄糖、葡萄糖胺、半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、巖藻糖、唾液酸等）組成寡糖鏈（直鏈、分支鏈）14 2、存在方式：糖脂、糖蛋白15一、膜的分子結(jié)構(gòu)模型1902，Overton，細胞膜由脂類構(gòu)成1925，Gorter等， 膜由雙層脂類構(gòu)成1935，D

3、enielli等，片層結(jié)構(gòu)模型1972，S.J.Singer等，液態(tài)鑲嵌模型1975，Wallach，晶格鑲嵌模型1977，Jain 等，板塊鑲嵌模型1959，Roberson，單位膜模型16一、片層結(jié)構(gòu)模型 ( lamella structure model ) 1935年年提出：“球狀蛋白-磷脂-球狀蛋白”三夾板結(jié)構(gòu)。17二、單位膜模型（unit membrane model）20世紀(jì)50年代提出：“兩暗一明”的結(jié)構(gòu)18三、液態(tài)鑲嵌模型 （ fluid mosaic model ）19 液態(tài)鑲嵌模型 （ fluid mosaic model ）觀點：1、流動的脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體； 流動

4、性,有序性2、球狀蛋白質(zhì)鑲嵌在脂雙層中； 分布不對稱性缺陷：忽視蛋白質(zhì)對脂類流動性的控制；忽視膜各部分流動性的不均一性。201、液態(tài)與晶態(tài)、有序與無序之間變化；2、強調(diào)流動的局部性。（四）晶格鑲嵌模型1、有序結(jié)構(gòu)板塊被無序的流動板塊分割；2、板塊流動性不同。（五）板塊鑲嵌模型21 膜脂分布的不對稱性膜蛋白分布的不對稱性 膜糖分布的不對稱性二、膜的理化特征（一）膜的不對稱性功能的方向性22膜脂分布的不對稱性 外層磷脂層占磷脂總量的百分?jǐn)?shù) 胞質(zhì)面磷脂層 磷脂總量神經(jīng)磷脂磷脂酰膽堿磷脂酰絲氨酸磷脂酰乙醇胺23冰凍蝕刻技術(shù)示意圖糖鏈外層內(nèi)層蛋白質(zhì)磷脂24膜蛋白、膜糖分布的不對稱性蛋白顆粒在內(nèi)外兩層磷脂

5、中的分布不同 跨膜蛋白兩親水端的不對稱分布25（二）膜的流動性1、膜脂的流動性1. 側(cè)向擴散 2. 旋轉(zhuǎn)運動 3. 擺動運動 4. 伸縮震蕩 5.翻轉(zhuǎn)運動 6. 旋轉(zhuǎn)異構(gòu)262、膜蛋白的運動性45分鐘后人細胞小鼠細胞融合細胞人-鼠細胞融合過程中膜蛋白的相互擴散運動27成帽反應(yīng) 熒光素標(biāo)記蛋白激光漂白某一區(qū)域熒光恢復(fù)熒光漂白恢復(fù)法28 3、影響膜流動性的因素（1）脂肪酸鏈的長度和不飽和程度（2）膽固醇與磷脂的比例（3）卵磷脂與鞘磷脂的比例（4）膜蛋白的影響（5）其他因素（環(huán)境溫度、pH等）29脂肪酸鏈的長度和不飽和程度的影響膽固醇的影響30晶態(tài)液晶態(tài)液態(tài)溫度對膜流動性的影響31膜蛋白的功能轉(zhuǎn)運蛋

6、白連接蛋白受 體酶X Y32細胞膜與物質(zhì)轉(zhuǎn)運Contents穿膜運輸膜泡運輸34 穿膜運輸（氣體、離子、小分子）溶質(zhì)跨膜運輸?shù)膬煞N方式 膜泡運輸（大分子、顆粒物質(zhì)）35一、穿膜運輸（transmembrane transport） 氣體、離子、小分子的運輸方式 大部分需借助于膜上的鑲嵌蛋白質(zhì) 耗能或不耗能36（一）穿膜運輸?shù)奶匦?水可以快速穿膜：體積小，膜上有水通道。 分子量小、脂溶性強則容易通過膜：O2，苯； 不帶電荷極性分子，小分子比大分子容易穿膜：CO2 乙醇 尿素 甘油 葡萄糖 脂雙層膜對所有帶電荷的分子或離子高度不通透；3738 苯、醇、甾類激素O2，H2O， CO2，N2葡萄糖、氨

7、基酸 H Na+人工脂雙層葡萄糖、帶電荷的離子（ H、 Na+、K+ Ca2+等）怎樣穿膜？轉(zhuǎn)運蛋白參與！39（二）某些溶質(zhì)的穿膜工具：轉(zhuǎn)運蛋白 通道蛋白（channel protein） 水通道、離子通道載體蛋白(carrier protein)葡萄糖載體4041（三）控制溶質(zhì)轉(zhuǎn)運方向的因素順濃度梯度順電化學(xué)梯度 被動運輸（passive transport）“下坡”逆濃度梯度逆電化學(xué)梯度 “上坡” 主動運輸（active transport）耗能42（四）穿膜運輸?shù)姆绞?、簡單擴散 simple diffusion2、離子通道擴散 ion channel diffusion3、易化擴散 f

8、acilitated diffusion4、離子泵 ion pump5、伴隨運輸 cotransport43 1、簡單擴散：simple diffusion舉例 脂溶性物質(zhì)、氣體物質(zhì)、水特點 不耗能、不需膜蛋白、依靠物質(zhì)濃度差。442、離子通道擴散 ion channel diffusion分類 A 電壓門通道：靠膜電位，Na+、K+、Ca2等離子通道； B 配體門通道：依靠化學(xué)物質(zhì)（配體）與受體的結(jié)合，如乙酰膽堿通道。 C 機械門通道：內(nèi)耳聽覺毛細胞特點 A “通道蛋白”；B 選擇性；C 門控性； D 瞬間、大量通過；F 不耗能45通道蛋白（channel protein）通道蛋白模式圖通道

9、蛋白肽鏈以螺旋7次穿膜，中間形成親水通道46離子通道的幾種類型:電壓門通道配體門通道機械門通道47電壓門通道(voltage-gated channel)48配體門通道49機械門通道 (mechanical-gated channel) 依靠機械壓力，例如：聽覺毛細胞5051舉例 非脂溶性物質(zhì)，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸進入紅細胞。3、易化擴散（幫助擴散） facilitated diffusion特點（1）需“載體蛋白”（鑲嵌蛋白質(zhì)） （2）高度特異性 （3）飽和性 （4）不耗能52載體蛋白易位機制53葡萄糖（Glucose）從血液進入紅細胞G結(jié)合到載體上載體變構(gòu)載體變構(gòu)G釋放至細胞內(nèi)1234

10、54特點 1、需“載體蛋白”，具有兩種離子的結(jié)合位點和ATP酶活性。 2、分解ATP，造成載體與離子親和力的變化。4、離子泵 ion pump 舉例 Na+-K+泵，Ca2泵，H泵等55Na+-K+泵的結(jié)構(gòu)56ATP酶去磷酸化ATP酶磷酸化Na+釋放至膜外ATP酶構(gòu)象變化（親K+構(gòu)象）K + 與ATP酶結(jié)合K釋放至膜內(nèi)ATP酶構(gòu)象變化（親Na+構(gòu)象）Na+-K+泵作用過程Na+與ATP酶結(jié)合57Na+-K+泵作用過程58作用機理：Ca2+泵（Ca2+ pump）又稱Ca2+ATP酶，有約10個跨膜螺旋，細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)蛋白與之結(jié)合以調(diào)節(jié)Ca2+泵的活性，每消耗一個ATP分子轉(zhuǎn)運出2個Ca2+。存在

11、位置：Ca2+泵主要存在于所有真核細胞的細胞膜和某些細胞器（如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體）膜上，它將Ca2+輸出細胞或泵入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中儲存起來，以維持細胞內(nèi)低濃度的游離Ca2+。Ca2+泵在肌質(zhì)網(wǎng)儲存Ca2+，對調(diào)節(jié)肌細胞的收縮與舒張至關(guān)重要。 Ca2+泵59特點1、需“載體蛋白”（同向運輸載體），不直接利用ATP，利用Na+ 跨膜梯度驅(qū)動。 2、需Na+泵消耗ATP轉(zhuǎn)運Na+，造成 膜內(nèi)外Na+濃度差。5、伴隨運輸（cotransport）舉例 小腸上皮細胞吸收葡萄糖和氨基酸等。60根據(jù)物質(zhì)運輸方向與離子順電化學(xué)梯度的轉(zhuǎn)移方向的關(guān)系，協(xié)同運輸又分為：同向運輸（symport）和反向運輸（antiport）

12、。（1）同向運輸（symport）：物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相同。小腸上皮細胞和腎小管上皮細胞吸收葡萄糖或氨基酸等有機物。（2）反向運輸（antiport）：物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反。腎小管上皮細胞中的Na+-K+交換和Na+-H+交換 。61同向運輸載體利用Na+ 跨膜梯度驅(qū)動葡萄糖的轉(zhuǎn)運62小腸上皮對葡萄糖的吸收Na+-G同向轉(zhuǎn)運載體G-轉(zhuǎn)運載體小腸腔中的G小腸上皮細胞毛細血管或細胞間隙6364Summarysimple diffusionion channel diffusionfacilitated diffusionion pumpcotransportPassi

13、ve transportActive transport1.穿膜運輸方式652.參與穿膜運輸?shù)妮d體蛋白載體蛋白位置能量來源功能葡萄糖載體蛋白大多數(shù)動物細胞質(zhì)膜無被動輸入葡萄糖Na+驅(qū)動的葡萄糖泵腎與腸上皮細胞頂部質(zhì)膜Na+梯度主動輸入葡萄糖Na+-H+交換器動物細胞質(zhì)膜Na+梯度主動輸出H+離子，調(diào)節(jié)pHNa+- K+泵（Na+-K+-ATP酶）大多數(shù)動物細胞質(zhì)膜水解ATP主動輸出Na+,輸出K+Ca2+泵（Ca2+-ATP酶）真核細胞質(zhì)膜水解ATP主動運輸Ca2+H+泵動物細胞溶酶體膜水解ATP從細胞質(zhì)中主動輸入H+66單運輸共運輸對運輸協(xié)同運輸3.載體蛋白參與物質(zhì)運輸形式Coupled t

14、ransport67離子通道典型位置功能K+通道大多數(shù)動物細胞膜維持膜靜息電位電壓門控Na+通道神經(jīng)細胞軸突質(zhì)膜產(chǎn)生動作電位電壓門控K+通道神經(jīng)細胞軸突質(zhì)膜在一個動作電位之后恢復(fù)靜息電位電壓門控Ca2+通道神經(jīng)終末質(zhì)膜激發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)釋放乙酰膽堿受體通道肌細胞（在神經(jīng)肌肉接頭處）質(zhì)膜興奮性突觸信號GABA (-氨基丁酸)受體（GABA門控Cl-通道）多數(shù)神經(jīng)元（突觸）質(zhì)膜抑制性突觸信號壓力激活的陰離子通道內(nèi)耳聽覺毛細胞感覺聲波震動4.參與穿膜運輸?shù)碾x子通道68 大分子（蛋白質(zhì)、核酸、多糖）顆粒運輸方式；二、膜泡運輸 transport by vesicle formation 伴隨膜本身結(jié)構(gòu)的融合

15、、重組和移位； 耗能69膜泡運輸?shù)膬煞N方式一、胞吞作用（endocytosis）二、胞吐作用（exocytosis）吞噬作用 胞飲作用受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用70（一）胞吞作用（endocytosis）1、吞噬作用（phagocytosis）特點（1）吞入較大固體顆粒或分子復(fù)合物 如細菌、無機塵粒和細胞碎片（2）物質(zhì)附著膜凹陷膜分離膜融合（3）形成“吞噬體”或“吞噬泡”舉例 （1）原生動物獲取營養(yǎng)的方式 （2）巨噬細胞、單核細胞和中型粒白 細胞防御微生物侵入，清除衰老 和死亡的細胞71吞噬作用示意圖變形蟲伸出偽足正在吞噬細菌巨噬細胞正在接近并吞噬細菌巨噬細胞正在吞噬紅細胞722、胞飲作用（pinoc

16、ytosis）特點 （1）大分子液體溶質(zhì)或極微小顆粒；（2）液體吸附膜凹陷膜分離膜融 合；（3）形成“胞飲體”或“胞飲小泡”舉例 主要存在于變形蟲、小腸上 皮細胞、毛細血管內(nèi)皮細胞等73胞飲作用電鏡照片阿米巴體內(nèi)胞飲作用渠道阿米巴體內(nèi)胞飲小泡743、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用（receptor mediated endocytosis）（3）配體受體識別-質(zhì)膜凹陷-“有被小 窩”-有被小泡-進入細胞內(nèi)-無 被小泡-與膜內(nèi)體結(jié)合-受體泡+ 配體泡-受體再循環(huán)-配體被消化舉例 鐵的吸收，膽固醇的吸收等特點（1）有受體參與，特異性很強（2）選擇濃縮機制，速度快75膽固醇復(fù)合體-低密度脂蛋白（LDL）顆粒膽固

17、醇載脂蛋白B載脂蛋白B76LDL受體介導(dǎo)的內(nèi)吞過程有被小窩（泡）脫衣被無被小泡與膜內(nèi)體融合H離子泵入，pH下降至56，受體與LDL解離HH+LDL轉(zhuǎn)運入溶酶體溶酶體水解酶游離膽固醇受體泡受體再循環(huán)受體匯集LDL受體LDL顆粒細胞膜77受體介導(dǎo)的內(nèi)吞過程的電鏡照片衣被小窩和衣被小泡的形成過程模式圖78衣被的結(jié)構(gòu)和形成衣被的結(jié)構(gòu)單位籃網(wǎng)狀小泡衣被衣被的電鏡照片三腿蛋白復(fù)合體（五邊形或六邊形）79(二)胞吐作用 (外排作用 exocytosis)特點 膜融合；小泡運輸；耗能。舉例 蛋白質(zhì)如胰島素；小分子如組胺。80胞吐途徑：組成型途徑和調(diào)節(jié)型調(diào)節(jié)1、結(jié)構(gòu)性分泌途徑： 從高爾基體分泌的囊泡向質(zhì)膜流動并與質(zhì)膜融合的過程，通過這種途徑，新合成的囊泡膜的蛋白和脂類不斷地供應(yīng)質(zhì)膜的更新，確保細胞分裂前質(zhì)膜的生長；囊泡內(nèi)可溶性蛋白分泌到細胞外，有的成為質(zhì)膜外周蛋白，有的形成細胞外基質(zhì)組分，有的作為營養(yǎng)成分或信號分子擴散到胞外液。2、調(diào)節(jié)性分泌途徑： 特化的分泌細胞產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）儲存在分泌泡內(nèi)，當(dāng)細胞受到胞外信號刺激時，分泌泡與質(zhì)膜融合將內(nèi)含物釋放出去的過程。81調(diào)節(jié)分泌途徑：激素、消