細胞膜的分子生物學(xué)優(yōu)秀公開課件

第三章細胞膜cellmemberane

細胞膜（cellmemberane)細胞膜

細胞內(nèi)膜系統(tǒng)：除了細胞膜以外的細胞內(nèi)所有膜性結(jié)構(gòu)。細胞質(zhì)是細胞質(zhì)與外界相隔開的一層薄膜，又稱質(zhì)膜（plasmamembrane）。生物膜細胞膜(厚7nm)第一節(jié)細胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)

一、生物膜的化學(xué)成分：脂類、蛋白質(zhì)、糖類（以糖脂和糖蛋白的形式存在）。1、膜脂是構(gòu)成細胞膜的基本骨架

膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。磷脂

膜脂是兩親性分子：具有極性頭和非極性的尾部。1).磷脂：是構(gòu)成膜脂的基本成分鞘磷脂(SM)磷脂酰膽堿（卵磷脂PC）磷脂酰乙醇胺（腦磷脂PE）磷脂酰絲氨酸(PS)磷脂酰肌醇(PI)

磷脂磷脂約占整個膜脂的50％以上。甘油磷脂磷脂的分子結(jié)構(gòu)甘油磷脂：以甘油為骨架，甘油分子的1、2位羥基分別與脂肪酸形成酯鍵，3位羥基與磷酸形成酯鍵。磷酸基團分別與膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇結(jié)合，即形成甘油磷脂分子的頭部。

鞘磷脂（SM）：以鞘氨醇代替甘油。鞘磷脂及其代謝產(chǎn)物神經(jīng)酰胺等參與各種細胞活動，如細胞分化、凋亡和增殖。2).膽固醇：主要存在真核細胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3。雙親性分子功能：增加膜的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)膜流動性。組成：是含一個或幾個糖基的脂類，由寡糖+脂類構(gòu)成。含量約占脂總量的5％以下。糖脂也是兩性分子.定位：存在于所有動物細胞膜的表面，糖脂均位于膜的非胞質(zhì)面，并將糖基暴露于細胞表面。結(jié)構(gòu)：雙親性分子，極性頭部由一個或幾個糖基構(gòu)成，疏水尾部為脂肪酸鏈。功能：作為某些分子的受體，與細胞識別及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。3).糖脂：膜脂在水溶液中自動形成雙層球狀分子團脂質(zhì)體整合蛋白質(zhì)表面蛋白質(zhì)細胞膜蛋白質(zhì)（1）、膜內(nèi)在蛋白（intrinsicproteins）

占膜蛋白的70%~80%.與膜結(jié)合緊密，需用去垢劑如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。使膜崩解后才可分離.不同程度鑲嵌或貫穿在脂質(zhì)層的蛋白；主體部分多以α螺旋構(gòu)象穿過膜脂雙層，單次或多次跨膜。（2）、膜外在蛋白（extrinsicproteins）

水溶性蛋白，占膜蛋白的20%~30%，靠離子鍵或氫鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子極性頭部非共價結(jié)合，易分離。多附在膜的內(nèi)外表面的蛋白。細胞內(nèi)脂雙層細胞被細胞外被（cellcoat)：膜糖類以糖蛋白或糖脂的形式均勻分布在生物膜的非胞質(zhì)面。功能：有助于蛋白質(zhì)在膜上的定位與固定，參與細胞識別及與周圍環(huán)境的相互作用。3膜糖類（一）細胞膜的不對稱性(asymmetry)1.膜脂分布的不對稱

磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇，多分布在膜的內(nèi)層

卵磷脂和鞘磷脂多分布在膜外層二、細胞膜的特性磷脂和膽固醇分布為相對不對稱，僅為數(shù)量上的差異。糖脂的分布為絕對不對稱2.膜蛋白分布的不對稱性跨膜蛋白跨越脂雙層有一定的方向性，親水端長度、氨基酸種類順序不同。冷凍斷裂：內(nèi)層胞質(zhì)側(cè)：蛋白顆粒多外層非胞質(zhì)側(cè)：蛋白顆粒少外在蛋白分布不對稱（二）細胞膜的流動性（fluidity):

相變：生物膜在生理常溫下多呈液晶態(tài)，當溫度下降至某一點時，液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，若溫度上升，則晶態(tài)又可溶解為液晶態(tài)。這種狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)變稱相變。引起相變的溫度稱相變溫度。1、膜脂雙分子層是一種二維流體1.膜脂分子的運動形式

⑴側(cè)向擴散運動

（2）

旋轉(zhuǎn)運動

（4）伸縮震蕩運動

⑸翻轉(zhuǎn)運動（3）擺動作用2.影響膜脂流動性的因素（1）脂肪酸鏈的飽和程度：不飽和程度↑膜流動性↑（2）脂肪酸鏈的長度：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。3、膜蛋白分子在質(zhì)膜中的運動1.側(cè)向擴散2.旋轉(zhuǎn)運動4、膜流動性的生理意義

質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。生物膜的特性膜的流動性膜的不對稱性膜脂的流動性膜蛋白的運動性側(cè)向擴散翻轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動彎曲運動伸縮振蕩側(cè)向擴散旋轉(zhuǎn)擴散膜脂不對稱糖脂及糖蛋白不對稱膜蛋白不對稱

（二）單位膜模型單位膜模型(unitstructuremodel)：20世紀50年代末Robertson用電鏡觀察發(fā)現(xiàn)生物膜均呈二暗夾一明的三層結(jié)構(gòu)，稱為單位膜。說明了生物膜在形態(tài)上的共性。J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約7.5nm。（三）液態(tài)鑲嵌模型(fluidmosaicmodel)：1972年，Singer和Nicolson提出。認為脂雙層構(gòu)成膜的連續(xù)主體，它即具有固體分子排列的有序性，又具有液體的流動性。蛋白分子以不同程度鑲嵌于脂雙分子層中。膜脂和膜蛋白具有流動性和不對稱性.四、脂筏結(jié)構(gòu)模型

脂筏模型（lipidrafts）：脂質(zhì)雙分子層不是一個完全均勻的二維流體，膜中富含膽固醇和鞘磷脂的微區(qū)，其中聚集一些特定的蛋白質(zhì)區(qū)。特點：這些區(qū)域比膜的其他部分厚，更有秩序且較少流動性。其周圍是流動性較高的液態(tài)區(qū)。脂筏提供一個有利于蛋白質(zhì)形成有效構(gòu)象的變構(gòu)環(huán)境。功能：參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及膽固醇代謝運輸?shù)?。脂笩功能的紊亂涉及多種疾病的發(fā)生。第二節(jié)小分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運一、小分子

離子：陰離子CL-陽離子Na+,K+,Mg+,Ca2+,H+非極性小分子：O2極性小分子：CO2,乙醇，尿素，類固醇激素其他：甘油，葡萄糖，氨基酸細胞膜是選擇性半透膜，對離子選擇性通透，產(chǎn)生了細胞內(nèi)外的電位差，用以傳導(dǎo)電信號。小分子物質(zhì)通過細胞膜的轉(zhuǎn)運主要有三種方式簡單擴散（simplediffusion）易化擴散（facilitateddiffusion）主動運輸（activetransport）㈠簡單擴散（simplediffusion）影響因素：分子量越小脂溶性越強非極性比極性分子過脂雙層膜速率越快特點：①沿濃度梯度擴散高-低②不需要提供能量③不需要膜蛋白協(xié)助二、易化擴散也稱促進擴散（facilitateddiffusion）。特點：①轉(zhuǎn)運速率高；②運輸速率同物質(zhì)濃度成非線性關(guān)系；③特異性；④飽和性。載體：離子載體、通道蛋白。

載體蛋白（carrierprotein）載體蛋白（carrierprotein）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子?？梢院吞囟ǖ娜苜|(zhì)分子結(jié)合，通過構(gòu)象改變介導(dǎo)溶質(zhì)的主動和被動跨膜運輸。紅細胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運1.載體蛋白介導(dǎo)的被動轉(zhuǎn)運(易化擴散)

⑴特點——類似于酶-底物反應(yīng)①結(jié)合溶質(zhì)分子具有特異性②結(jié)合溶質(zhì)分子具有飽和性達到飽和狀態(tài)時轉(zhuǎn)運速率最大(Vmax)③每種載體對各自溶質(zhì)均有一結(jié)合常數(shù)(Km)即V＝1／2Vmax時溶質(zhì)的濃度④結(jié)合可被競爭性或非競爭性抑制劑阻斷不同點:載體蛋白對被轉(zhuǎn)運溶質(zhì)無共價修飾可改變過程的平衡點；⑵不同的運輸形式單向運輸（uniport）協(xié)同運輸（coupledtransport）

同向運輸（symport）

對向運輸（antiport）

2、通道蛋白（channelprotein）通道蛋白（channelprotein）是橫跨質(zhì)膜的親水性通道，允許適當大小的分子和帶電荷的離子順梯度通過，又稱為離子通道。特征：一是離子通道具有選擇性；二是離子通道是門控的。

機制在膜上特異性刺激控制下，閘門短暫地開放，隨即關(guān)閉。配體閘門通道：信號分子電壓閘門通道：跨膜電位變化載體蛋白既可介導(dǎo)易化擴散，也可介導(dǎo)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度的主動運輸。通道蛋白只能介導(dǎo)順濃度梯度或電化學(xué)梯度的被動運輸。三.載體蛋白介導(dǎo)的主動運輸主動運輸（activetransport）是指由載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度（或化學(xué)梯度）的由濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)的跨膜運輸方式。

主動運輸?shù)奶攸c是：①逆濃度梯度（逆化學(xué)梯度）運輸；②需要能量（由ATP直接供能）或與釋放能量的過程偶聯(lián)（協(xié)同運輸）；③都有載體蛋白。

能量來源ATP驅(qū)動的泵通過水解ATP獲得能量協(xié)同運輸中的離子梯度動力

⑴Na+-k+泵ATP直接供能對向運輸將Na+逆電化學(xué)梯度運出細胞將k+逆電化學(xué)梯度運入細胞其動力是自身ATP水解供能—Na+-k+-ATP酶由2個大亞基、2個小亞基組成的4聚體。Na+-K+ATP酶通過磷酸化和去磷酸化過程發(fā)生構(gòu)象的變化，導(dǎo)致與Na+、K+的親和力發(fā)生變化。鈉鉀泵的一個特性是他對離子的轉(zhuǎn)運循環(huán)依賴自磷酸化過程?？偟慕Y(jié)果是每一循環(huán)消耗一個ATP；轉(zhuǎn)運出三個Na+，轉(zhuǎn)進兩個K+。Na+-K+泵作用是：①維持細胞的滲透性，保持細胞的體積；②維持低Na+高K+的細胞內(nèi)環(huán)境，維持細胞的靜息電位。鈉鉀泵機制（2）鈣泵（Ca2+-ATP酶）ATP直接供能

通常細胞內(nèi)鈣離子濃度（10-7M）顯著低于細胞外鈣離子濃度（10-3M），這種濃度差由鈣泵維持。位置：質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上每分解一個ATP分子，泵出2個Ca2+。例：肌質(zhì)網(wǎng)（sarcoplasmicreticulum）上的鈣離子泵，肌細胞膜去極化后引起肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子通道打開，大量鈣離子進入細胞質(zhì)，引起肌肉收縮之后由鈣離子泵將鈣離子泵回肌質(zhì)網(wǎng)。

（3）質(zhì)子泵（H＋泵）ATP直接供能

存在位置：溶酶體膜上作用方式：從胞質(zhì)中主動將H＋輸入溶酶體第三節(jié)大分子物質(zhì)的囊泡轉(zhuǎn)運——胞吞和胞吐

囊泡以出芽方式從細胞的一種內(nèi)膜細胞器脫離后又與另一內(nèi)膜細胞器發(fā)生融合，這一轉(zhuǎn)運過程稱為囊泡轉(zhuǎn)運。根據(jù)物質(zhì)的運輸方向：胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）共同特點：雙向、特異、有序、化學(xué)修飾㈠細胞胞吞作用的兩種形式：胞吞作用消耗能量,屬于細胞膜的主動運輸吞噬（phagocytosis）由專門的吞噬細胞完成,大的顆粒,直徑>250nm，最終到達溶酶體被降解。吞飲（pinocytosis）攝入液體和小溶質(zhì)分子進行消化，直徑<150nm。吞噬過程吞飲過程★受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用——受體-配體結(jié)合而引發(fā)的吞飲作用⑴特點①所攝入的大分子在質(zhì)膜上有特異受體②內(nèi)吞由大分子配體與其受體的識別、結(jié)合而激發(fā)③受體配體復(fù)合物聚集于質(zhì)膜的有被小窩內(nèi)，由有被小泡送至內(nèi)體。胞吞泡的形成：配體和受體結(jié)合網(wǎng)格蛋白聚集有被小窩去被的囊泡和胞內(nèi)體融合有被小泡胞內(nèi)體是動物細胞內(nèi)由膜包圍的細胞器，其作用是傳輸由胞吞作用攝入的物質(zhì)到溶酶體中被降解。受體介導(dǎo)的胞吞作用溶酶體受體介導(dǎo)的胞吞作用網(wǎng)格蛋白衣被小泡是最早發(fā)現(xiàn)的衣被小泡，介導(dǎo)高爾基體到內(nèi)體、溶酶體、以及質(zhì)膜到內(nèi)膜區(qū)隔的膜泡運輸。大分子物質(zhì)運輸中的三種有被小泡網(wǎng)格蛋白（clathrin）

冷凍蝕刻技術(shù)發(fā)現(xiàn)，有被小凹和小泡上的外被呈網(wǎng)格樣結(jié)構(gòu)，這種物質(zhì)由幾種蛋白組成，其中一種就是網(wǎng)格蛋白。網(wǎng)格蛋白在進化上高度保守，分子由3條大肽鏈和3條小肽鏈形成三足結(jié)構(gòu)，許多三足結(jié)構(gòu)再組裝成六邊形或五邊形的網(wǎng)格樣結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格蛋白位于轉(zhuǎn)運小泡的表面，大大提高了小泡的表面張力。（2）COPI衣被小泡負責回收、轉(zhuǎn)運內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。起初發(fā)現(xiàn)于高爾基體碎片，在含有ATP的溶液中溫育時，能形成非籠形蛋白包被的小泡。（3）COPII主要介導(dǎo)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸。最早發(fā)現(xiàn)于酵母ER在ATP存在的細胞質(zhì)液中溫育時，ER膜上能形成類似于COPI的衣被小泡，酵母COPII衣被蛋白的變異體，會在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累蛋白質(zhì)。

不同類型受體的胞內(nèi)體的分選途徑：（1）返回原來的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)域，重新發(fā)揮受體的作用；（2）進入溶酶體中被消化掉，稱為受體下行調(diào)節(jié)；（3）被運至質(zhì)膜的不同結(jié)構(gòu)域，稱為跨細胞的轉(zhuǎn)運。㈡細胞胞吐作用1.胞吐作用的途徑⑴結(jié)構(gòu)性途徑(cons