细胞膜及跨膜运输.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 细胞膜及其表面,使细胞具有相对独立和稳定的,内环境,是细胞内外,物质、信息、能量,交换的,“,门户,”,细胞膜,cell membrane,概念：,是包围在细胞质外周的一层界膜，又称,质 膜,（,plasma membrane),功能：,生物膜,biological membrane,在细胞中,除了质膜外,细胞内还有丰富的膜性结构由于这些膜与质膜在,化学组成,、,分子结构,和,功能运作,上具有很多共性，把,质膜,和细胞内,各种膜相结构的膜,统称为,生物膜,一、膜的化学组成,生物膜,脂类、蛋白质、糖类,水、无机盐、金属离子,主要成分,少量成分,蛋白质/脂类,:,在不同种类生物膜中有所不同一般地说：,功能多而复杂的膜，蛋白质/脂类 大；,功能少而简单的膜，蛋白质/脂类 小第一节 细胞膜的分子结构和特性,第一节 细胞膜的分子结构和特性,一、膜的化学组成,(,一)膜脂,生物膜上的脂类统称膜脂,膜 脂,磷 脂(,phospholipid),糖 脂 (,glycolipid),胆固醇 (,cholesterol),一、膜的化学组成,(,一)膜脂,1、磷脂,鞘磷脂,磷脂酰胆碱（,卵磷脂,）,磷脂酰乙醇胺（,脑磷脂,）,磷脂酰丝氨酸,类型,磷酸甘油酯,磷脂酸（,前体,）,一、膜的化学组成,(,一)膜脂,1、磷脂,结 构,极性头部（亲水性）,非极性尾部（疏水性）,鞘磷脂,一、膜的化学组成,(,一)膜脂,2、胆固醇,极性头部,固 醇 环 结 构,非极性尾部,一、膜的化学组成,(,一)膜脂,3、糖脂,糖脂与鞘磷脂相似，只是,头部,不同。

常见糖脂：,脑苷脂,；,神经节苷脂,糖脂分子,半乳糖苷脂,鞘胺醇,一、膜的化学组成,(,一)膜脂,膜脂分子的共同特点：,都有,亲水性,和,疏水性,两端，称,兼性分子,或,双亲性分子,(,amphipathic molecule,),脂分子团,脂双分子层,双亲性分子在水溶液中可形成两种排列方式:,水,水,脂质体,一、膜的化学组成,(,二)膜蛋白,是膜功能的主要体现者根据膜蛋白,与膜脂的结合方式,以及在膜中的,位置的不同,，分为：,膜内在蛋白,膜周边蛋白,脂锚定蛋白,一、膜的化学组成,(,二)膜蛋白,1、膜内在蛋白(,integral protein),贯穿脂双层，两端露出膜内外,跨膜蛋白,非胞质面,脂双分子层,胞质面,1,单次穿膜：,单条,a-,螺旋贯穿脂质双层,2,多次穿膜：,数条,a-,螺旋折返穿越脂质双层,内在膜蛋白具有,双亲性,，其亲水区域暴露在膜的内外表面与水相吸，它们的疏水区域嵌入膜内，与脂类分子疏水尾部通过,疏水键,结合，不易分离提纯附在膜的内外表面，非共价地结合在跨膜蛋白上2、膜外在蛋白 (,extrinsic protein),一、膜的化学组成,(,二)膜蛋白,非胞质面,脂双分子层,胞质面,膜外在蛋白都是水溶性蛋白质，多分布在膜的内表面，靠,非共价键,或其它较弱的键与膜表面的,蛋白质分子,或,脂分子,的,极性头部,结合，因此只要改变溶液的,离子强度,甚至,提高温度,就可以从膜上分离下来。

3,、脂锚定蛋白 (,lipid-linked protein),脂锚定蛋白以,共价键,与脂双层内的脂分子结合一、膜的化学组成,(,三)膜糖,单糖或多聚糖+膜 脂,共价键,糖 脂 (,glycolipid),单糖或多聚糖+膜蛋白,糖蛋白(,glycoprotein),共价键,功能：,细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起，形,成一层外被，称,细胞外被或糖萼,，具有重要生理作用，几乎涉及所有,细胞与环境相互作用的生物学现象细胞内,脂双层,膜蛋白,细胞外被,膜蛋白,二、膜的分子结构,生物膜结构描述的历史回顾:,1925年,Gorter,和,Grendell,用丙酮抽提红细胞膜中的脂类并在水和空气界面上铺展成单分子层,测量其所占面积相当于所用红细胞膜总面积的两倍,因而首次提出,细胞膜是由连续的脂双分子层组成的,迄今为止，关于膜的几十种结构模型都是建立在,“,脂双分子层,”,这一基础之上的二、膜的分子结构,（一）片层结构模型（,lamella structure model）,1935年,Danielli,和,Davson,提出,蛋白质,脂双分子层,“,蛋白质-磷脂-蛋白质,”,三夹板结构,（二）单位膜模型（,unit membrane model）,1959年,Robertson,提出,评价：,提出膜形态共性，解释了某些属性,不足之处：,无法解释膜的动态结构变化，显示不出各种膜之间的结构功能差异,二、膜的分子结构,（三）液态镶嵌模型（,fluid mosaic model）,1972年，,Singer,和,Nicolson,总结提出，主要论点：,1.,流动的脂双分子层,构成生物膜的连续主体。

2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂双分子层中或附着在膜表面3.强调了膜的,流动性,和,不对称性,脂双分子层,极性头部,疏水尾部,内在膜蛋白,外在膜蛋白,评价：,液态镶嵌模型可以解释膜中发生的很多现象，为人们普遍接受不足之处,：,忽视了膜各部分流动性的不均匀性，忽视了蛋白质分子对脂分子流动性的控制作用晶格镶嵌模型,板块镶嵌模型,补充完善液态镶嵌模型,二、膜的分子结构,目前对膜的分子结构较为一致的看法：,三、膜的理化特性,不对称性和流动性,（一）膜的不对称性,1、膜蛋白分布的不对称性,1)膜蛋白在脂双分子层中、膜内外的位置分布是不对称的,2)膜蛋白在膜内的排布方向是不对称的,2、膜脂的不对称性,1)磷脂：,磷脂酰胆碱,和,鞘磷脂,多分布在膜外层,磷脂酰乙醇胺,和,磷脂酰丝氨酸,多分布在膜内层,2)胆固醇：主要分布在膜外层3)糖脂:全部分布在膜,外层,膜脂和膜蛋白分布的不对称性决定了膜内外表面功能的不对称性三、膜的理化特性,（二）膜的流动性,1、膜脂的流动性,膜脂的特性,液晶态,晶态,液晶态,液态,相变,相变温度,膜脂分子的运动方式,（1）烃链的旋转异构运动,（2）脂肪酸链的伸缩和振荡运动,（3）膜脂分子的旋转运动,（4）侧向扩散运动,（5）翻转运动,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,2、膜蛋白的运动性,三、膜的理化特性,（二）膜的流动性,运动方式：,侧向扩散,、,旋转扩散,细胞融合实验,“,成帽反应,”,3、影响膜脂流动性的因素,1）脂肪酸链的长度及不饱和程度,链长，流动性小；链短，流动性大,饱和程度高，流动性小；反之，流动性大,2）胆固醇与磷脂的比值,调节膜质流动性，与温度有关,3）卵磷脂/鞘磷脂的比例,此比例小，流动性小；,反之,，流动性大,4）膜蛋白含量,如温度低，流动性小；,反之,，流动性大,5）其他影响因素,含量高，流动性小；,反之,，流动性大,膜的流动性具有十分重要的功能意义。

四、细胞外被和胞质溶胶,（一）细胞外被（糖萼）（,glycocalyx）,细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起，形成一层外被，称细胞外被或糖萼保护，细胞物质运输、识别、分化，并与细胞表面的抗原性有关概念：,作用：,（二）胞质溶胶,概念：,m,的黏滞无结构的液体物质，主要含有蛋白质、微丝和微管抗力，维持细胞形态，调节膜蛋白分布与运动作用：,第二节 小分子物质和离子的穿膜运输,膜的通透性,(,permeability)-,膜,选择性,的,允许或阻止一定物质穿越的性能,概述：,物质运输形式,穿膜运输,(transmembrane transport),小分子和离子的运输,膜泡运输,(transport by vesicle formation),大分子和颗粒物质的运输,一、穿膜运输,膜对物质分子的通透性,-,取决于,物质本身分子特性,及,膜的结构属性,物质本身分子特性,1,、分子量大小,2,、脂溶性程度,3,、电荷极性强弱,人工脂双层膜对不同分子的相对透性,膜结构属性,1,、脂质双层,2,、膜蛋白特性,（一）物质简单扩散依赖于膜的通透选择性,简单扩散,(simple diffusion),特点：,不需要消耗细胞代谢能，不依靠专一膜蛋白分子，使物质,顺浓度梯度从膜一侧转运到另一侧,1,、膜物质转运工具,-,膜运输蛋白：,转运特定类型物质的膜蛋白,载体蛋白,(carrier protein),：,通过蛋白质发生可逆的构象变化进行物质运输,通道蛋白,(channel protein),：,蛋白质在膜上形成一个亲水性通道，允许特定溶质穿越,按运输,机制分类,（二）膜运输蛋白介导物质穿膜运输,2,、膜物质转运方向的控制因素,-,物质的电化学梯度（,包括浓度梯度和跨膜电压）,根据物质转运与能量耦联，分为两类运输方式：,被动转运,(passive transport),：,物质借助于,膜转运蛋白,，顺着电化学梯度自发穿越细胞膜，不需消耗能量,主动转运,(active transport),：,物质借助于,膜转运蛋白,，逆着电化学梯度穿越细胞膜，需消耗能量,载体蛋白,-,既参与主动转运又参与被动转运,通道蛋白,-,只参与被动转运,1,、易化扩散,（,facilitated diffusion),简单扩散速率,与,易化扩散速率,比较,在一定限度内与物质的浓度差成正比，当所有载体蛋白的结合部位全部被占据时，速率达最大并维持在此水平上。

与物质浓度差成正比,特点：,借助于,载体蛋白,的帮助，不消耗,代谢能，顺浓度梯度,“,易位,”,转,运物质,高度专一性,2,、,ATP,驱动泵,特点：,借助于,载体蛋白,的帮助，消耗代谢能,P-,型离子泵,V-,型质子泵,F-,型质子泵,ABC,转运体,负责转运离子,负责转运小分子,2,、,ATP,驱动泵,钠钾泵(,Na,+,-K,+,pump),化学本质：,Na,+,-K,+,ATP,酶，,兼有,载体蛋白,和,酶,的双重活性,化学组成：,大亚基：,跨膜蛋白，,催化部位,小亚基：,膜外半嵌入的糖蛋白，,作用不详,内侧：,Na+、ATP,的结合部位,外侧：,K+、,乌本苷的结合部位,钠钾泵(,Na,+,-K,+,pump),运输过程：,逆电化学梯度转运,Na,+,和,K,+,2,、,ATP,驱动泵,钠钾泵(,Na,+,-K,+,pump),工作效率,1个,ATP,酶分子每秒钟水解1000个,ATP,分子；,每水解1分子,ATP,所释放的能量可泵出3个,Na,+,，,同时泵入2个,K,+,生理意义,A、,维持细胞内外钠、钾离子的浓度梯度；,B、,维持膜电位；,C、,调节细胞内外渗透压；,D、,为细胞主动运输葡萄糖、氨基酸提供驱动力。

2,、,ATP,驱动泵,3,、协同运输(,cotransport),由,Na,+,-K,+,泵,与,载体蛋白,协同作用，靠,间接消耗,ATP,所完成的主动运输方式钠离子浓度梯度驱动的葡萄糖主动运输,由两种,载体蛋白,协同完成,钠钾泵：,将,Na,+,泵出细胞，造成胞内外的,Na,+,浓度梯度,钠驱动葡萄糖载体蛋白：,利用,Na,+,势能驱动，结合葡萄糖，,使之与,Na,+,相伴进入细胞（,因此又,称,共运输,）,4,、离子通道扩散,特点：,快速、特异性强，由,通道蛋白,构成的闸门控制间断开放，,顺电化学梯度转运物质，,不需要消耗细胞代谢能,离子通道蛋白的类型：,A,电压门控通道,(voltage gated channel),B,配体门控通道,(ligand gated channel),C,应力激活通道,(stress-activated channel),(,二,),小分子和离子的穿膜运输方式,思考题：,1、各类小分子物质的穿膜机制有何不同？,各自有哪些穿膜运输方式？,2、为什么细胞中葡萄糖的穿膜运输要有两种,形式？分别是如何完成的？,二、膜泡运输,概念：,大分子及颗粒物质,并不。