第四章細胞膜與物質的跨膜運輸

第四章

細胞膜與物質的跨膜運輸第一節(jié)細胞膜的化學組成和分子結構第二節(jié)小分子物質的跨膜運輸第三節(jié)大分子物質的膜泡轉運當前1頁，總共75頁。第一節(jié)

細胞膜的化學組成和分子結構序---生物膜概述一、細胞膜的化學組成二、細胞膜的特性三、細胞膜的分子結構模型當前2頁，總共75頁。序---生物膜概述1.生物膜(1)生物膜的組成(2)細胞膜的功能2.細胞表面當前3頁，總共75頁。(1).生物膜組成細胞膜(cellmembrane)---質膜（plasmamembrane）細胞內膜(internalmembrane)細胞核膜(Nuclear

envolop/menbrane)線粒體膜(Mitochondrion)內膜系統(endomembranesystem)當前4頁，總共75頁。(2)細胞膜的功能當前5頁，總共75頁。細胞膜的功能1.為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內環(huán)境；2.選擇性的物質運輸(代謝底物的輸入與代謝產物的排出)；3.提供細胞識別位點，并完成細胞內外信息的跨膜傳遞；4.為多種酶提供結合位點，使酶促反應高效而有序地進行；5.介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接；6.參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。當前6頁，總共75頁。序---生物膜概述2.細胞表面細胞外被(cellcoat)細胞膜(cellmembrane)細胞皮層（cellcortex）細胞外被---細胞膜表面寡糖鏈形成，或糖萼(glycocalyx)細胞皮層---細胞膜下的表層溶膠中具有細胞骨架成分組成的網絡結構，為細胞膜提供強度和韌性，維持細胞的形態(tài)，并與細胞膜的功能有關。這部分細胞骨架又稱膜骨架，或細胞皮層。當前7頁，總共75頁。第一節(jié)

細胞膜的化學組成和分子結構序---生物膜概述一、細胞膜的化學組成二、細胞膜的特性三、細胞膜的分子結構模型當前8頁，總共75頁。一、細胞膜的化學組成當前9頁，總共75頁。細胞膜的化學組成（一）脂類排列成5nm厚的連續(xù)脂雙分子層，是膜的基本骨架。（二）蛋白質通過非共價鍵與脂雙分子層結合，執(zhí)行膜的各種功能（三）糖類通過共價鍵與脂類和蛋白質結合，組成糖脂或糖蛋白膜的主體（四）水、無機鹽和少量的金屬離子蛋白質/脂類比值反應膜功能：高膜的功能復雜，低膜的功能簡單當前10頁，總共75頁。（一）膜脂1.兼性分子2.膜脂分子的種類3.膜脂的流動性4.膜脂的不對稱性生物膜上的脂類稱為膜脂membranelipid,是細胞膜的主要成分，包括磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂最多。當前11頁，總共75頁。1.膜脂分子都是兼性分子當前12頁，總共75頁。1.膜脂分子都是兼性分子1.1兼性分子（amphipathicmolecule）：有一個親水的極性末端和一個疏水的非極性末端的分子，既具親水性又具有疏水性。在水溶液中自動聚攏，使親水的頭部暴露在外面，與水接觸；疏水的尾部埋在里面，避開水相。1.2在水溶液中的存在狀態(tài)*球狀的膠態(tài)分子團*脂質雙分子層---自我組裝和自我修復

脂質體（liposome）：可用于膜功能研究，藥物或DNA載體當前13頁，總共75頁。當前14頁，總共75頁。2.膜脂分子的種類2.1磷脂⑴主要特征⑵種類⑶分子運動2.2膽固醇⑴存在⑵含量⑶功能2.3糖脂

當前15頁，總共75頁。2.1磷脂⑴主要特征當前16頁，總共75頁。A.representedschematicallyB.informulaC.space-fillingmodelD.symbol

當前17頁，總共75頁。主要特征①兼性分子：具有一個極性頭和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈）②疏水尾部---脂肪酸碳鏈---偶數*長度：一般在14～24C，多數為16，18或20個，長短不一*飽和性：一條鏈為飽和鏈；另一條鏈為不飽和鏈，常含有1個或幾個雙鍵

*烴鏈的長度和飽和狀態(tài)影響膜的流動性③親水頭部---磷酸+堿基（磷脂酰堿基）

不同的磷脂分子頭部的大小、形狀、結構、所帶電荷的不同決定溶解于其中的蛋白質的功能的發(fā)揮。2.1磷脂當前18頁，總共75頁。⑵種類：①甘油磷脂，②鞘磷脂2.1磷脂磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸磷脂酰膽堿磷脂酰肌醇①甘油磷脂結構特點：以甘油為骨架，在骨架上結合兩個脂肪酸鏈和一個磷酸基團，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團連接到脂分子上。當前19頁，總共75頁。甘油磷脂的種類磷脂酰膽堿（卵磷脂）phosphatidylcholine，PC磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）phosphatidylethanolamine，PE磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油（心磷脂）Diphosphatidylglycerol,DPG2.1磷脂當前20頁，總共75頁。②鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在腦和神經細胞膜中特別豐富。以鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結合。原核細胞、植物中沒有鞘磷脂。2.1磷脂當前21頁，總共75頁。⑶分子運動2.1磷脂1.側向擴散運動（lateraldiffusion）4.伸縮震蕩運動2.旋轉運動（rotation）5.翻轉運動（flip-flop）3.擺動運動（flexion）6.旋轉異構化運動當前22頁，總共75頁。分子運動形式：側向擴散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進行伸縮震蕩運動。翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層。旋轉異構化運動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉，反式構象和歪扭式構象。2.1磷脂當前23頁，總共75頁。2.膜脂分子的種類2.1磷脂⑴主要特征⑵種類⑶分子運動2.2膽固醇

⑴存在⑵含量⑶功能2.3糖脂

當前24頁，總共75頁。2.2膽固醇(A)分子式(B)示意圖(C)空間占用模型當前25頁，總共75頁。在脂雙層中膽固醇分子的羥基靠近磷脂分子頭部的極性集團其甾環(huán)和磷脂分子臨近頭部的烴鏈部分相互作用使之相互固定膽固醇的碳氫鏈可以彎曲2.2膽固醇當前26頁，總共75頁。膽固醇⑴存在：主要存在真核細胞的膜上⑵含量：約為膜脂的1/3，最多可與磷脂分子以1：1存在⑶功能:①調節(jié)脂雙層流動性②降低水溶性物質的通透性③提高脂雙層的力學穩(wěn)定性eg.

2.2膽固醇當前27頁，總共75頁。2.膜脂分子的種類2.1磷脂⑴主要特征⑵種類⑶分子運動2.2膽固醇⑴存在⑵含量⑶功能2.3糖脂

當前28頁，總共75頁。2.3糖脂糖脂：是由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基通過糖苷鍵結合的雙親性分子，是含糖而不含磷酸的脂類。當前29頁，總共75頁。葡聚糖腦苷脂糖脂結構與鞘磷脂SM很相似，糖脂-——〉一個或多個糖殘基+鞘氨醇鞘磷脂——〉磷脂酰膽堿+鞘氨醇當前30頁，總共75頁。糖脂⑵含糖而不含磷酸⑶糖側鏈存在于非胞質側⑷含量：2%～10%⑴糖脂是兩性分子

只是由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基結合。糖側鏈存在于非胞質側當前31頁，總共75頁。①半乳糖腦苷脂②神經節(jié)苷脂唾液酸（NANA）⑸兩種糖脂①半乳糖腦苷脂---最簡單的糖脂，在髓鞘的多層膜中含量豐富；②神經節(jié)苷脂---變化最多、最復雜的糖脂，是神經元質膜中具有特征性的成分，頭部包含一個或幾個唾液酸和糖的殘基。當前32頁，總共75頁。（一）膜脂1.兼性分子2.膜脂分子的種類3.膜脂的流動性4.膜脂的不對稱性生物膜上的脂類稱為膜脂membranelipid,是細胞膜的主要成分，包括磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂最多。當前33頁，總共75頁。3.膜脂的流動性3.1膜脂雙分子層是二維流體3.2膜脂分子的運動3.3影響膜脂流動性的因素當前34頁，總共75頁。3.1膜脂雙分子層是二維流體（1）液晶態(tài)（liquid-crystalstate）作為生物膜主體的脂質雙分子層，即具有固體排列的有序性，又具有液體的流動性，這種晶態(tài)和液態(tài)兼有的狀態(tài)成為液晶態(tài)。（2）相變(phasetransition)

由同一種類型的磷脂合成的脂雙層，可在一個凝固點上由液晶態(tài)轉變成晶態(tài)（凝膠狀態(tài)），這種物態(tài)轉變稱為相變。發(fā)生相變的溫度稱為相變溫度。當前35頁，總共75頁。3.2膜脂分子的運動⑴側向擴散運動lateraldiffusion⑵旋轉運動rotation⑶擺動運動flexion⑷伸縮震蕩運動⑸翻轉運動flip-flop⑹旋轉異構化運動當前36頁，總共75頁。3.3影響膜脂流動性的因素⑴膽固醇：抑制由溫度的改變而引起的相變；膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。⑵脂肪酸鏈的鏈長長鏈脂肪酸越長、相變溫度越高，膜流動性越低。⑶脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈所含雙鍵越多、越不飽和，膜流動性越強。⑷卵磷脂/鞘磷脂比例越高、膜流動性越強，反之亦然。⑸其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。當前37頁，總共75頁。（一）膜脂1.兼性分子2.膜脂分子的種類3.膜脂的流動性4.膜脂的不對稱性生物膜上的脂類稱為膜脂membranelipid,是細胞膜的主要成分，包括磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂最多。當前38頁，總共75頁。4.膜脂的不對稱性非胞質側----PC卵磷脂、SM鞘磷脂、糖脂胞質側----PE腦磷脂、PS磷脂酰絲氨酸當前39頁，總共75頁。當前40頁，總共75頁。4.膜脂的不對稱性4.1膜脂的不對稱性：

⑴相對不對稱性：脂類分子在脂雙層中分布種類、數量不同

⑵絕對不對稱性：質膜外小葉具有脂筏結構。4.2膜糖脂的不對稱性：絕對不對稱性：糖脂只分布于細胞膜的外表面。膜脂的不對稱性當前41頁，總共75頁。Mechanismsofraftclustering.(a)Rafts(red)aresmallattheplasmamembrane,containingonlyasubsetofproteins.(b)Raftsizeisincreasedbyclustering,leadingtoanewmixtureofmolecules.Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway.當前42頁，總共75頁。脂筏（lipidraft）是富含膽固醇和鞘磷脂的微結構域（microdomain）。直徑約70nm左右，是一種動態(tài)結構，位于質膜的外小頁。介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。就像一個蛋白質停泊的平臺，與細胞內吞、囊泡轉運、膜的信號轉導、蛋白質分選均有密切的關系。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜（detergent-resistantmembranes，DRMs）。當前43頁，總共75頁。細胞膜的化學組成（一）脂類排列成5nm厚的連續(xù)脂雙分子層，是膜的基本骨架。（二）蛋白質

通過非共價鍵與脂雙分子層結合，執(zhí)行膜的各種功能（三）糖類通過共價鍵與脂類和蛋白質結合，組成糖脂或糖蛋白膜的主體（四）水、無機鹽和少量的金屬離子蛋白質/脂類比值反應膜功能：高膜的功能復雜，低膜的功能簡單當前44頁，總共75頁。(二)膜蛋白質1.膜蛋白功能2.膜蛋白的分類2.1整合蛋白（integralprotein）2.2外周蛋白（peripheralprotein）2.3脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）3.膜蛋白的分子運動4.膜蛋白分子的不對稱性當前45頁，總共75頁。1.膜蛋白功能是膜功能的主要體現者。據估計核基因組編碼的蛋白質中30%左右的為膜蛋白。（1）作為轉運蛋白（載體或通道）轉運分子進出細胞（2）作為受體感受各種環(huán)境信號傳遞到細胞內。（3）結合于膜上的各種酶催化新陳代謝的各步反應。（4）作為結構蛋白參與細胞間連接及連接細胞骨架成分。當前46頁，總共75頁。2.膜蛋白的分類①,②膜內在蛋白integralprotein；⑤,⑥外周蛋白peripheralprotein③,④脂錨定蛋白lipid-anchoredprotein當前47頁，總共75頁。2.1整合蛋白（integralprotein）⑴跨膜蛋白（tansmembraneproteins）和鑲嵌蛋白整合蛋白的跨膜結構域可以是1至多個疏水的α螺旋，β折疊

⑵是兩性分子⑶與膜脂以范德華力結合，非常緊密⑷只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。

⑸含量：占膜蛋白的70～80%當前48頁，總共75頁。2.2外周蛋白（peripheralprotein）⑴位置：與膜表面的蛋白質分子或脂分子的親水部分結合⑵是水溶性分子⑶與膜蛋白或與膜脂的結合力非共價鍵，力量較弱⑷提純只要改變溶液的離子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來⑸含量：占膜蛋白的20～30%*有時很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是因為一個蛋白質可以由多個亞基構成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結合在膜的外部。當前49頁，總共75頁。2.3脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）定義：以共價鍵與脂雙層中的脂分子結合的蛋白（1）非胞質側---通過非胞質側磷脂酰肌醇(GPI)寡糖鏈連接的蛋白通過蛋白質的C端與寡糖鏈共價結合在膜上的運動性增大，有利于結合更多蛋白，有利于和其他細胞或有功能的胞外分子更快的結合和反應許多細胞表面的受體、酶、細胞粘附分子都是這類蛋白。（2）胞質側---直接與胞質側脂的長碳氫鏈結合地蛋白當前50頁，總共75頁。(二)膜蛋白質1.膜蛋白功能2.膜蛋白的分類2.1整合蛋白（integralprotein）2.2外周蛋白（peripheralprotein）2.3脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）3.膜蛋白的分子運動4.膜蛋白分子的不對稱性當前51頁，總共75頁。3.膜蛋白的分子運動3.1運動的方式：側向擴散--可用光脫色恢復技術和細胞融合技術檢測側向擴散旋轉擴散3.2影響因素：其側向運動受細胞外被糖側鏈和細胞骨架的限制

破壞微絲的藥物如細胞松弛素B能促進膜蛋白的側向運動。當前52頁，總共75頁。Motilityofmembraneprotein.Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335)當前53頁，總共75頁。（四）膜蛋白分子的不對稱性1.跨膜蛋白跨越脂雙層有一定的方向性bacteriorhodopsinmolecule噬菌調理素分子當前54頁，總共75頁。樣品經冰凍斷裂處理后，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細胞外表面（extrocytoplasmicsurface）EF，細胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）PS，原生質表面（protoplasmicsurface）PF，原生質小頁斷面（protoplasmicface）非胞質側胞質側當前55頁，總共75頁。小鼠肝細胞膜冰凍蝕刻斷面：EF細胞外小頁斷面；PF原生質小頁斷面2.脂雙層PF蛋白質顆粒多，EF蛋白質顆粒少當前56頁，總共75頁。Figure.Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.InthisexamplefunctionalNa+-K+ATPasemoleculesarepurifiedandincorporatedintophospholipidvesicles.TheNa+-K+ATPaseisanionpumpthatispresentintheplasmamembraneofmostanimalcells;itusestheenergyofATPhydrolysistopumpNa+outofthecellandK+in.3.同一類酶分子在膜的同一側表面具有相同的作用點當前57頁，總共75頁。4.細胞骨架蛋白質分子結合于胞質側的蛋白質5.低聚糖殘基均位于膜的非胞質側當前58頁，總共75頁。膜蛋白分子的不對稱性1.跨膜蛋白跨越脂雙層有一定的方向性2.脂雙層胞質側小葉蛋白質顆粒多，非胞質側小葉蛋白質顆粒少3.同一類酶分子在膜的同一側表面具有相同的作用點4.細胞骨架蛋白質分子結合于胞質側的蛋白質5.低聚糖殘基均位于膜的非胞質側當前59頁，總共75頁。一、細胞膜的化學組成1.脂類排列成5nm厚的連續(xù)脂雙分子層，是膜的基本骨架。2.蛋白質通過非共價鍵與脂雙分子層結合，執(zhí)行膜的各種功能3.糖類通過共價鍵與脂類和蛋白質結合，組成糖脂或糖蛋白膜的主體此外還含有水、無機鹽和少量的金屬離子不同類型的細胞膜化學成分比例的差異反應膜功能：蛋白質/脂類比值高膜的功能復雜蛋白質/脂類比值低膜的功能簡單當前60頁，總共75頁。三.膜糖類--所有真核細胞膜1.結構特點---動物細胞以鞘氨醇為骨架、不含磷酸2.含量---占膜重量的2%～10%3.種類（動物細胞）

半乳糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸4.存在形式與膜脂結合糖脂---1個低聚糖側鏈與膜蛋白結合糖蛋白----若干低聚糖側鏈蛋白聚糖---幾條長的多聚糖側鏈+蛋白質核心由于組成寡糖的單糖的數量、種類、排列順序以及有無分支等不同，低聚糖或多聚糖鏈出現了千變萬化的組合形式當前61頁，總共75頁。5.位置---非胞質側在質膜上位于細胞外側，構成細胞外被在各種細胞器的細胞內膜上，位于細胞器的腔側面(6)作用：有助于某些跨膜蛋白在脂雙層中的定位及固定參與細胞識別、信號轉導等多種生物學過程細胞外被示糖側鏈當前62頁，總共75頁。第一節(jié)

細胞膜的化學組成和分子結構序---生物膜概述一、細胞膜的化學組成二、細胞膜的特性三、細胞膜的分子結構模型當前63頁，總共75頁。二、生物膜的特性（一）膜的流動性是膜功能活動的保證1.膜脂分子運動及其影響因素2.膜蛋白的分子運動及其影響因素3.膜流動的生理意義（二）膜的不對稱性決定膜功能的方向性質膜內外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性，膜結構的不對稱性保證了膜功能的。1.膜脂分子的不對稱性2.膜蛋白分子的不對稱性3.膜糖類分子的不對稱性當前64頁，總共75頁。1.膜脂分子運動及其影響因素⑴膜脂分子運動側向擴散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進行伸縮震蕩運動。翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層。旋轉異構化運動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉。流動性當前65頁，總共75頁。⑵影響因素①膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。②脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈所含雙鍵越多、越不飽和，使膜流動性增加。③脂肪酸鏈的鏈長長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。④卵磷脂/鞘磷脂比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。⑤其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。流動性當前66頁，總共75頁。2.膜蛋白的分子運動及其影響因素1.運動的方式：主要有側向擴散和旋轉擴散兩種運動方式2.影響因素：膜蛋白的側向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細胞松弛素B能促進膜蛋白的側向運動。流動性當前67頁，總共75頁。3.膜流動的生理意義質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