细胞生物学细胞膜.ppt

第四章 细胞膜与物质的跨膜运输,第一节 细胞膜的化学组成和分子结构第二节 小分子物质的跨膜运输第三节 大分子和颗粒物质的跨膜运输第四节 细胞连接第五节 细胞膜与疾病,主要内容,第一节 细胞膜的化学组成和分子结构,细胞膜（cell memberane)又称质膜（plasma membrane）细胞内膜(endomembrane)统称生物膜(biology membrane),一、生物膜的化学成分,膜 脂:膜的基本骨架。膜蛋白:膜功能的主要体现者。膜糖类:糖脂、糖蛋白。,细胞膜的化学组成和分子结构,细胞膜的化学组成和分子结构,（一）膜脂,生物膜上的脂类统称膜脂。,生物膜的化学组成,膜脂主要包括磷脂、糖脂、胆固醇。,膜脂是双亲性分子：具有极性头部和非极性的尾部。,磷脂：膜的基本成分，约占膜脂的50以上。,生物膜的化学组成,鞘磷脂(SM),磷脂酰胆碱（卵磷脂PC）,磷脂酰乙醇胺（脑磷脂PE）,磷脂酰丝氨酸(PS),磷脂酰肌醇(PI),磷脂,甘油磷脂,胆 碱,磷 酸,甘 油,极性头部（亲水基团）,非极性尾部（疏水基团）,磷脂酰胆碱的分子结构,质膜中的主要磷脂分子,2.胆固醇：,特点：双亲性分子。含量一般不超过膜脂的1/3。,功能：增加膜稳定性，调节膜的流动性。,生物膜的化学组成,胆固醇主要存在于真核细胞膜的磷脂分子之间，头部紧靠磷脂极性头部，其余部分游离。,生物膜的化学组成,组成：寡糖+脂类。约占脂总量的5以下。定位：动物细胞膜的表面，位于膜的非胞质面。结构：双亲性分子，亲水的极性头部由糖基构成，疏水的非极性尾部为脂肪酸链。功能：作为分子受体，与细胞识别及信号转导有关。,3.糖脂：,生物膜的化学组成,Glycolipids,生物膜的化学组成,半乳糖脑苷脂,神经节苷脂,唾液酸,膜脂在水溶液中自动形成双层,球状分子团,脂质体,（二）膜蛋白,1.膜蛋白的主要功能：转 运蛋白：转运分子进出细胞受 体：接受外界信号并传至细胞内连 接 体：支撑连接细胞骨架成分和间质成分酶 蛋 白：催化作用,生物膜的化学组成,（二）膜蛋白,2.膜蛋白的类型,外在膜蛋白（extrinsic proteins）（周围蛋白）,内在膜蛋白（intrinsic proteins）（整合蛋白）,生物膜的化学组成,脂锚定蛋白（lipid-linked protein）（脂连接蛋白）,膜蛋白类型,生物膜的化学组成,生物膜的化学组成,1）膜外在蛋白（extrinsic proteins）,水溶性蛋白，占膜蛋白的20%30%，靠离子键或氢键与膜表面的蛋白质分子或脂分子 极性头部非共价结合，易分离。,2）膜内在蛋白（intrinsic proteins）,占膜蛋白的70%80%与膜结合紧密，不易分离 跨膜结构域为1-n个疏水螺旋,位于膜两侧，通过共价键与脂双层内的分子结合。胞质侧蛋白 与脂双层中的碳氢链结合外表面蛋白 与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合,共价键,共价键,3）脂锚定蛋白（脂双层蛋白）,（三）膜糖类,糖类占膜重的1%10%，多为低聚糖 常见糖类：葡萄糖、半乳糖、N-乙酰氨基葡萄糖、N-乙酰氨基半乳糖、甘露糖、岩藻糖,膜糖类+膜 脂,共价键,共价键,糖脂（glycolipid）,膜糖类+膜蛋白,糖蛋白（glycoprotein）,生物膜的化学组成,生物膜的化学组成,生物膜的化学组成,细胞外被（cell coat),位于生物膜非胞质面，由糖蛋白或糖脂组成的周缘区称为细胞外衣或称糖萼。,细胞内,细胞被,脂质双层,生物膜的化学组成,细胞表面（Cell surface）,指细胞外被、细胞膜、细胞膜内缘下富含微管、微丝等成份的胞质溶胶层及细胞特化结构鞭毛、纤毛、微绒毛等所组成的结构。,细胞表面的功能,保护、物质交换、环境稳定、信息传递、细胞识别、细胞连接、细胞代谢、细胞增殖、细胞分化、细胞病变、细胞衰老、细胞癌变等。,二、生物膜的特性,1.流动性（fluidity）2.不对称性(asymmetry),指膜脂与膜蛋白处于不断的运动状态。,相变：生物膜在生理常温下呈液晶态，温度下降至某一点时，液晶态转变为晶态，温度上升，晶态又可溶解为液晶态，晶态和液晶态之间的相互转变称相变。,相变温度:引起细胞膜液晶态和晶态转变的临界温度。,生物膜的特性,1.生物膜的流动性（fluidity),（1）膜脂的分子运动,3）旋转运动,1）侧向移动,2）翻转运动,4）左右摆动(弯曲运动）,5）伸缩震荡运动,生物膜的特性,膜脂的分子运动,生物膜的特性,1）脂肪酸链的饱和程度：不饱和程度膜流动性,3）胆固醇的影响：双向调节,（2）影响膜脂流动性的因素,生物膜的特性,2）脂肪酸链的长度：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。,4）卵磷脂/鞘磷脂比值：卵磷脂和鞘磷脂的比值膜流动性,5）其它因素：温度、离子强度,1）侧向运动,（3）膜蛋白分子的运动,2）旋转运动,生物膜的特性,（4）膜流动性的生理意义 是保证正常功能的必要条件。膜流动性低于一定阈值时，酶活动和跨膜运输停止。膜流动性过高，造成膜溶解。,卵磷脂和鞘磷脂多分布在膜外层，磷脂酰乙醇胺、,磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇多分布在膜的内层,2.生物膜的不对称性(asymmetry),（1）膜质分布的不对称：,（2）膜蛋白分布的不对称,1）外在蛋白：多在膜的内表面。2）镶嵌蛋白：内层多于外层。3）跨膜蛋白：有方向性。亲水端长度不同 氨基酸种类顺序不同。,意义：膜结构的不对称性决定了膜功能的方向性.,（3）膜糖类分布不对称,膜蛋白与膜脂中糖基全部分布在脂双层的非胞质侧。,生物膜的分子结构模型,三、生物膜的分子结构模型,一、片层结构模型(1935年Danielli-Davson提出),1959年Robertson 用超薄切片技术获得细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，总厚约7.5nm。,二、单位膜模型（1959年 Robertson 提出）,生物膜的分子结构模型,流动的脂双分子层构成膜的连续主体。即具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。2.蛋白分子以以各种形式镶嵌于脂双分子层中。3.膜脂和膜蛋白具有流动性和不对称性.,对液态镶嵌模型的评价强调了膜的流动性和不对称性、忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用和膜各部分流动的不均一性。,三、液态镶嵌模型（fluid mosaic model),生物膜的分子结构模型,（1972年S.J.Singer-G.L.Nicolson 提出）,三、液态镶嵌模型（fluid mosaic model),生物膜的分子结构模型,生物膜的分子结构模型,四、脂筏结构模型,脂筏模型（lipid rafts）：脂质双分子层不是一个完全 均匀的二维流体，膜中富含胆固醇和鞘磷脂的 微区中聚集一些特定的蛋白质区。特点：比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动性。周围流动性较高。脂筏提供有利于蛋白质形成 有效构象的变构环境。功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用及胆固醇 代谢运输等。,脂筏（lipid rafts）模型,本章节重点,1、掌握细胞膜的化学组成。2、掌握细胞膜的特性。3、掌握细胞膜的分子结构模型。,第四章 细胞膜与物质的跨膜运输,齐齐哈尔医学院生物遗传教研室 张淑玲,第二节 小分子物质的跨膜转运,一、主要方式：,1、被动运输（passive transport）：物质顺浓度梯度进出细胞，不消耗能量,2、主动运输（active transport）：物质逆浓度梯度进出细胞，需要载体、消耗能量。,二、简单扩散（simple diffusion）,3.运输对象：疏水分子-CO2、O2、苯等。小的不带电的极性分子醇、尿素、甘油等。,2.特点：不消耗能量；不需要膜蛋白协助；运输速度取决于分子的大小和脂溶性。,概念：指物质顺浓度梯度从高浓度一侧通过细胞膜向 低浓度一侧移动的方式，不需消耗能量，又称被动扩散（passive diffusion）。,小分子物质的自由扩散,简单扩散,细胞外,细胞内,小分子物质,细胞膜,肺泡与肺毛细血管之间的气体交换,三、膜转运蛋白介导的跨膜运输,膜转运蛋白分类：,载体蛋白（carrier protein),通道蛋白(channel protein),与特定物质结合改变构象使物质穿越细胞膜。,形成贯穿脂双层之间的通道。,小分子物质的跨膜转运,既介导被动运输，也介导主动运输。,只介导被动运输。,1.通道蛋白转运离子的特性：物质的运输速度快。离子通道具有高度选择性。大多数离子通道不持续开放，受“闸门”控制。为被动运输。,（一）通道蛋白介导的跨膜运输,小分子物质的跨膜转运,2.离子通道的类型 电压闸门通道(voltage-gated channels)配体闸门通道(ligand-gated channels）(3)应力激活通道,（一）通道蛋白介导的跨膜运输,（二）载体蛋白介导的被动运输易化扩散,2.运输对象：葡萄糖、氨基酸及细胞代谢物。,小分子物质的跨膜转运,1.易化扩散（facilitated diffusion）：各种极性分子和无机离子通过膜转运蛋白 顺浓度梯度 的跨膜转运过程。,易化扩散,细胞外,细胞内,细胞膜,载体蛋白,（二）载体蛋白介导的被动运输易化扩散,3.特点：不消耗代谢能 需要载体蛋白的协助 具有特异性 具有饱和性 可被竞争性阻断剂阻断,4.运输方式 单向运输：常见于小肠上皮细胞 协同运输：常见于Na+-Ca+，Na+-H+交换载体,小分子物质的跨膜转运,单向运输,协同运输,小分子物质的跨膜转运,（二）载体蛋白介导的主动运输,概念：由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或化学梯度进行跨膜转运的方式，消耗能量。,主动运输,能量,细胞外,细胞内,细胞膜,小分子物质的跨膜转运,Na-K泵Na-K-ATP酶,（三）载体蛋白介导的主动运输,1.功能：泵入K+泵出Na+，形成并保持膜内高钾 膜外高钠的分布。,2.特性：,ATP,ADP,Na+-K+泵：膜电位产生，维持 渗透压平衡，保持细胞容积恒定。,细胞外间隙,细胞质,水解1个ATP，排出3个Na+，摄入2个K+。,Na-K泵Na-K-ATP酶,构成：2个大亚基、2个小亚基组成4聚体，分布于动物细胞质膜。,Na-K泵Na-K-ATP酶,细胞内低钠高钾是许多代谢反应的必要条件维持细胞的渗透性，保持细胞的体积.维持细胞的静息电位.,钠泵的意义：,Na-K泵Na-K-ATP酶,小分子物质的跨膜转运,Ca2泵Ca2-ATP酶,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度。（细胞内Ca2+浓度10-7 M，细胞外10-3 M）特性：泵出2个Ca2+/每ATP。位置：肌浆网,小分子物质的跨膜转运,Na-H+交换载体调节细胞内PH,小分子物质的跨膜转运,小分子物质逆浓度梯度转运需要消耗能量需要膜上的特异性载体介导,小分子物质的跨膜转运,（四）主动运输的特点,小分子物质跨膜运输,被动运输,简单扩散,主动运输,易化扩散,通道蛋白介导的扩散,Na-K泵,Ca2+-pump,Na-H+交换载体,小 结,膜泡运输：细胞与环境中的大分子和颗粒物质不能直接进行跨膜运输，必须由膜包围形成小泡进行运输。,第三节 大分子和颗粒物质的跨膜运输,膜泡运输是主动运输的形式之一，它的活动需要 消耗能量。,胞吞作用(endocytosis),胞吐作用(exocytosis),膜泡运输的方式：,大分子物质和颗粒性物质附着在细胞膜上，质膜内陷包围物质形成小囊泡，小囊泡脱离细胞膜进入细胞。,一、胞吞作用(endocytosis),1.吞噬作用（phagocytosis）,细胞内吞较大的固体颗粒物质的过程称为吞噬作用，形成的囊泡称为吞噬体。如细菌、细胞碎片等。,2.胞饮作用（pinocytosis）,细胞吞入液体或极小的颗粒物质的过程称为胞饮作用，形成的囊泡称为吞饮体。,大分子物质如低密度脂蛋白（LDL）进入细胞须与 膜上的特异性受体（镶嵌蛋白质）识别并结合，然后通过膜内陷形成囊泡而入胞。,3.受体介导的内吞作用,是特异的、高效的摄取细胞外大分子的方式。,LDL颗粒,LDL受体,有被小窝,有被小泡,内吞,去被,无被小泡,胞内体,融合,受体与大分子颗粒分开,胞内体部分,受体再循环,胞内体部分,初级溶酶体,融合,吞噬溶酶体,笼蛋白的结构,笼蛋白的结构 三腿蛋白复合物,重链,轻链,二、胞吐作用(exocytosis),包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出细胞之外的过程。,胞吐作用,吞噬作用,胞饮作用,吞噬体,吞饮体,为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性物质运输，代谢底物的输入与产物的排出；提供细胞识别位点，完成细胞内外信息跨膜传递；提供酶结合位点，使酶促反应高效有序地进行；介导细胞连接(细胞间、细胞与基质间）；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。,细胞膜的功能,第四节 细胞连接,细胞连接（cell junction)：是细胞相互连接处局 部质膜所形成的特化结构。,封闭连接：,将相邻细胞的质膜密切地连接在一起，从而阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入。,锚定连接：,通过骨架系统将细胞与相邻细胞与基质之间连接起来。,通讯连接：,动物细胞最常见的连接方式。,细胞膜,细胞间隙,蛋白质索,（嵴线）,一、封闭连接（紧密连接）,细胞连接,桥粒与半桥粒,细 胞 膜,细胞间隙,桥粒蛋白,中间纤维,盘状致密斑,二、锚定连接,桥粒与半桥粒：它们似铆钉将相邻细胞或细胞与基质牢牢连接起来,起支持，附着，抵抗外界压力与张力的作用。,细胞连接,桥粒：是细胞间连接起中心作用的结构，是两个细胞间扣状连接点，可使一组细胞形成一个功能单位。,细胞膜,基底膜,中间纤维,桥粒蛋白,半桥粒：其形态与桥粒类似，但半桥粒是细胞与其下方的基底膜相连。,细胞连接,三、通讯连接,间隙连接,化学突触,细胞膜,细胞间隙,2-4nm,连接子,个间隙连接单位,9-10nm,两个连接子为一,(间隙连接的基本单位),跨膜蛋白的亚单位,孔道直径,细胞连接,第五节细胞膜与疾病,一、细胞膜与恶性肿瘤,1、细胞外被的糖链残缺不全，失去接触抑制。2、某些糖蛋白消失，粘着力下降，易转移。3、细胞连接异常，出现微绒毛、皱褶、变形足等。4、膜的通透性增强。5、癌基因表达产物增多。6、多数癌细胞出现有氧酵解。,二、细胞膜与其他疾病,1、受体异常病：睾丸女性化、家族性高胆固醇血症2、自身免疫性受体病：甲状腺亢进 3、继发性受体病：肥胖性糖尿病。4、葡萄糖载体蛋白异常疾病:肾性糖尿5、通道蛋白异常性疾病：囊性纤维化,细胞膜与疾病,本章重点,一、细胞膜的化学组成、特征。,三、细胞膜流动镶嵌模型的内容和特点。四、物质跨膜运输的类型和特点。五、细胞连接的类型和特点。,二、相变、相变温度的概念。,物质跨膜运输的类型,小分子,被动运输,简单扩散,易化扩散,单向扩散,协同扩散,蛋白介导,载体蛋白,通道蛋白,持续开放,不持续开放,电压闸门,配体闸门,应力激活,主动运输,Na KATPase,NaH 泵,Ca 泵,大分子,胞吞作用,胞吐作用,吞噬作用,胞饮作用,+,+,+,+,2+,