細(xì)胞膜與物質(zhì)的穿膜運(yùn)輸

細(xì)胞膜與物質(zhì)的穿膜運(yùn)輸?shù)?頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

細(xì)胞膜(CellMembrane)又稱

質(zhì)膜(plasmamembrane)

第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

細(xì)胞膜的重要性第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

細(xì)胞膜的重要性是細(xì)胞的邊界，使細(xì)胞具有獨(dú)立性；有選擇通透性，使細(xì)胞獲得相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效有序進(jìn)行；與外界環(huán)境進(jìn)行信息交流，接受外界信號(hào)的調(diào)控，使細(xì)胞更適應(yīng)環(huán)境變化；介導(dǎo)細(xì)胞之間、細(xì)胞與外基質(zhì)之間的連接；形成有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

第一節(jié)化學(xué)組成與生物學(xué)特性

第二節(jié)小分子物質(zhì)和離子的穿膜運(yùn)輸

第三節(jié)大分子和顆粒物質(zhì)的囊泡運(yùn)輸?shù)谒墓?jié)細(xì)胞膜異常與疾病內(nèi)容第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二學(xué)習(xí)目的和要求1.掌握細(xì)胞膜的化學(xué)組成,生物學(xué)特性。掌握小分子物質(zhì)穿膜運(yùn)輸方式及特點(diǎn)，大分子和顆粒物質(zhì)運(yùn)輸?shù)陌膛c胞吐作用，受體介導(dǎo)的胞吞作用。2.熟悉細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型。3.了解細(xì)胞膜異常與某些疾病發(fā)生的關(guān)系。

第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)細(xì)胞膜的化學(xué)組成與生物學(xué)特性

一、化學(xué)組成

二、生物學(xué)特性

脂類蛋白質(zhì)糖類

膜的不對(duì)稱性

膜的流動(dòng)性三、分子結(jié)構(gòu)模型第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二一、質(zhì)膜的化學(xué)組成膜脂75%-25%

，構(gòu)成膜的結(jié)構(gòu)骨架和起保護(hù)作用。25%-75%

，生物膜功能的體現(xiàn)者。膜蛋白膜糖類2%-10%，與細(xì)胞的識(shí)別和粘附功能相關(guān)。第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二不同細(xì)胞生物膜的化學(xué)組成

膜的類別蛋白質(zhì)(%)脂類(%)糖類(%)神經(jīng)髓鞘細(xì)胞18793人紅細(xì)胞6040微量大鼠肝細(xì)胞46425-10大鼠骨骼肌細(xì)胞6535微量大鼠線粒體7027-291-2HeLa細(xì)胞60402.4第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二（一）膜脂構(gòu)成細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)骨架主要有三種類型：磷脂（phospholipid）膽固醇（cholesterol）糖脂(glycolipid)第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二三種類型的膜脂磷脂糖脂膽固醇第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二磷脂甘油磷脂：鞘磷脂：磷脂酰膽堿（卵）磷脂酰乙醇胺（腦）磷脂酰絲氨酸磷脂酰肌醇磷脂酰堿基、甘油、脂肪酸磷脂酰堿基、鞘氨醇、脂肪酸1.磷脂

分子中都含有磷酸基團(tuán)，約占膜脂的50%以上。第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二甘油磷脂的化學(xué)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。第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二甘油磷脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)磷酸基團(tuán)可分別與膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇結(jié)合，形成親水的頭部。兩條長短不一的脂肪酸鏈構(gòu)成疏水的尾部，通常為14--24個(gè)碳原子組成，一條烴鏈不含雙鍵（飽和鏈），另一烴鏈含有一個(gè)或幾個(gè)順式排列的雙鍵（不飽和鏈），形成一個(gè)約30°角的彎曲。第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二鞘磷脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)極性頭部基團(tuán)（親水）非極性尾部基團(tuán)（疏水）鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油為骨架,長鏈的不飽和脂肪酸結(jié)合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一個(gè)羥基與膽堿磷酸結(jié)合，另一個(gè)游離羥基可與相鄰脂分子的極性頭部、水分子或膜蛋白形成氫鍵。非極性尾部基團(tuán)（疏水）第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二質(zhì)膜中的主要磷脂分子結(jié)構(gòu)第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

兼性分子：兩親性分子極性頭部：具親水性非極性尾部：具疏水性第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二膽固醇分子化學(xué)結(jié)構(gòu)羥基（極性）

甾環(huán)（非極性）碳?xì)湮膊浚ǚ菢O性）2.膽固醇第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二結(jié)構(gòu)：雙親性分子，極性頭部為羥基，非極性疏水結(jié)構(gòu)為

固醇環(huán)和烴鏈。定位：分布在膜中的磷脂分子之間。極性羥基緊靠磷脂的

極性頭部，固醇環(huán)固定在磷脂分子鄰近頭部的烴鏈

上，疏水的烴鏈尾部埋在脂雙層的中央。功能：調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性，增強(qiáng)膜的穩(wěn)定性。第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二分布：膽固醇散布在磷脂分子之間

第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二3.糖脂結(jié)構(gòu)：雙親性分子，極性頭由一個(gè)或幾個(gè)糖殘基構(gòu)成，疏水尾部為脂肪酸鏈或鞘氨醇衍生的烴鏈。第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二定位：均位于質(zhì)膜非胞質(zhì)面單層，糖基暴露于細(xì)胞表面。組成：由脂類和寡糖構(gòu)成。細(xì)菌和植物細(xì)胞的糖脂幾乎都是甘油磷脂的衍生物；動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜的糖脂幾乎都是鞘氨醇的衍生物。功能：作為某些分子的受體，與細(xì)胞識(shí)別及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)。第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二⑴半乳糖腦苷脂是一種最簡(jiǎn)單的糖脂，頭部極性基團(tuán)僅有一個(gè)

半乳糖，是髓鞘中的主要糖脂。⑵神經(jīng)節(jié)苷脂極性頭部除含有半乳糖和葡萄糖外，還含有一

個(gè)或幾個(gè)唾液酸殘基，神經(jīng)細(xì)胞膜中含量豐富。在神經(jīng)傳導(dǎo)中起重要作用；是膜上的受體，如破傷風(fēng)毒素、霍亂毒素、干擾素、促甲狀腺素、絨毛膜促性腺激素、5-羥色胺等的受體，就是不同的神經(jīng)節(jié)苷脂。第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二膜脂可能的存在形式：形成球狀分子團(tuán)（micelle）形成雙分子層（bilayer）第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二（二）膜蛋白以多種方式與脂雙分子層結(jié)合細(xì)胞膜的不同特性和功能是由膜蛋白決定。不同細(xì)胞中膜蛋白的含量及類型有很大差異，膜的功能越復(fù)雜,蛋白質(zhì)含量越多。第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

根據(jù)膜蛋白與脂雙層結(jié)合的方式可分為三種基本類型：內(nèi)在蛋白（intrinsicprotein）外在蛋白（extrinsicprotein）脂錨定蛋白（lipidanchoredprotein）

第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二1.膜內(nèi)在蛋白又稱穿膜蛋白或整合蛋白占膜蛋白總量的70％-80％大多數(shù)穿膜域都是α-螺旋構(gòu)象，也有以β-折疊片層構(gòu)象穿膜分單次穿膜、多次穿膜和多亞基穿膜三

種類型第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二α-螺旋構(gòu)象穿膜蛋白第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二β-折疊構(gòu)象穿膜蛋白第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

2.膜外在蛋白又稱周邊蛋白（peripheralprotein）占膜蛋白總量的20%-30%是一類不插入脂雙層的蛋白質(zhì)，分布在質(zhì)膜的兩側(cè)動(dòng)態(tài)關(guān)系，根據(jù)功能的需要募集到膜上或從膜上釋放。第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二膜外在蛋白第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二3.脂錨定蛋白又稱脂連接蛋白（lipid-linkedprotein）以兩種方式與脂類分子共價(jià)結(jié)合胞質(zhì)側(cè)的蛋白與磷脂酰肌醇相連的寡糖鏈結(jié)合共價(jià)鍵質(zhì)膜外表面的蛋白與脂雙層中的碳?xì)滏溄Y(jié)合

共價(jià)鍵胞質(zhì)側(cè)的蛋白糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白（GPI）第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二膜蛋白在膜中的幾種結(jié)合方式

？第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

轉(zhuǎn)運(yùn)酶活性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)附著膜蛋白的功能細(xì)胞識(shí)別細(xì)胞連接第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二生物膜的特定功能主要由蛋白質(zhì)完成載體蛋白—胞內(nèi)外的物質(zhì)運(yùn)輸連接蛋白—細(xì)胞間的相互作用受體蛋白—信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)各種酶類—相關(guān)的代謝反應(yīng)第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二糖蛋白：糖脂：糖類（低聚糖或多聚糖）與膜蛋白共價(jià)結(jié)合（93%）糖類（低聚糖）與膜脂共價(jià)結(jié)合（7%）（三）膜糖類覆蓋細(xì)胞膜表面第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二糖蛋白和糖脂上的糖殘基D-葡萄糖D-半乳糖D-甘露糖L-巖藻糖N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰半乳糖胺唾液酸（糖鏈末端，形成細(xì)胞表面負(fù)電荷）第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二糖鏈與蛋白質(zhì)的結(jié)合方式N-連接：糖鏈與多肽鏈中的天冬氨酸殘基側(cè)鏈上的-NH2基團(tuán)連接O-連接：糖鏈與多肽鏈中的絲氨酸或蘇氨酸殘基側(cè)鏈上的-OH基團(tuán)連接第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二細(xì)胞外被(cellcoat)又稱糖萼(glycocalyx)結(jié)構(gòu)組成：指細(xì)胞質(zhì)膜外表面覆蓋的一層粘多糖物質(zhì)，實(shí)際指細(xì)胞表面與質(zhì)膜中的蛋白或脂類分子共價(jià)結(jié)合的糖鏈。功能： 對(duì)膜蛋白起保護(hù)作用,在細(xì)胞識(shí)別中起重要作用。第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二動(dòng)物細(xì)胞表面存在一層絨毛狀多糖物質(zhì)，厚約200nm

，由細(xì)胞膜糖蛋白和糖脂的糖鏈向外伸展交織而成。對(duì)細(xì)胞起支持、保護(hù)作用，并與細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞接觸抑制有關(guān)。

第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二膀胱上皮細(xì)胞表面的糖被，釕紅染色的電鏡超薄切片

第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二（一）膜的不對(duì)稱性膜的不對(duì)稱性是指膜中各種成分（種類和數(shù)量）的分布不均勻，導(dǎo)致膜功能的不對(duì)稱性和方向性，與細(xì)胞膜的功能有密切關(guān)系。二、細(xì)胞膜的生物學(xué)特性第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二1.膜脂的不對(duì)稱性磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸磷脂酰肌醇鞘磷脂磷脂酰膽堿

糖脂膽固醇細(xì)胞外側(cè)胞質(zhì)側(cè)（一）第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二鞘磷脂總磷脂細(xì)胞外側(cè)

胞質(zhì)側(cè)磷脂酰膽堿磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸膜脂的不對(duì)稱分布僅是含量上的差異第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二2.膜蛋白的不對(duì)稱性穿膜蛋白穿越脂雙層有一定方向性。糖蛋白上的低聚糖殘基均位于膜的非胞質(zhì)側(cè)。膜蛋白在內(nèi)外兩層中分布不對(duì)稱。第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二3.膜糖類的不對(duì)稱性第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二膜不對(duì)稱性的生理意義為膜兩側(cè)功能上的不對(duì)稱性提供了結(jié)構(gòu)條件，保證了膜功能的方向性。第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二（二）膜的流動(dòng)性1.脂雙層為液晶態(tài)二維流體由于溫度的變化導(dǎo)致膜狀態(tài)的改變稱為“相變”（phasetransition）。在相變溫度以上，膜處于流動(dòng)的液晶態(tài)。第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二

側(cè)向擴(kuò)散(lateraldiffusion)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(rotation)

彎曲運(yùn)動(dòng)(flexion)

翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(flip-flop)

2.膜脂分子的運(yùn)動(dòng)方式第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二內(nèi)在蛋白與膜脂結(jié)合內(nèi)在蛋白與骨架作用

3.影響膜脂流動(dòng)性的因素脂肪酸鏈的飽和程度和長度膽固醇的影響卵磷脂/鞘磷脂的比例蛋白質(zhì)的影響第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二4.膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二側(cè)向運(yùn)動(dòng)小鼠-人細(xì)胞融合過程示膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二5.膜流動(dòng)性的意義物質(zhì)運(yùn)輸酶的活性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞識(shí)別第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期二三、分子結(jié)構(gòu)模型細(xì)胞膜研究簡(jiǎn)史1890年，E.Overton初步明確細(xì)胞膜是由脂類組成。1925年，E.Gorter和F.Grendel提出紅細(xì)胞膜是由雙層磷脂分子組成。1935年，J.Danielli和H.Davson提出“片層結(jié)構(gòu)模型”。1959年，J.D.Robertson提出“單位膜模型”。1972年，S.J.Singer和G.Nicolson提出“流動(dòng)鑲嵌模型”。1975年，Wallach提出“晶格鑲嵌模型”。1977年，Jain和White提出“板塊鑲嵌模型”。近年提出“脂筏模型”