细胞膜的分子生物学课件.ppt

1、第三章第三章 细胞膜细胞膜 cell memberanecell memberanel 细胞膜（细胞膜（cell memberane)除了细胞膜以外的细胞内所除了细胞膜以外的细胞内所有膜性结构。有膜性结构。细胞质细胞质是细胞质与外界相隔开的一层薄膜，是细胞质与外界相隔开的一层薄膜，又称质膜（又称质膜（plasma membrane）。）。细胞膜细胞膜第一节第一节 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 甘油磷脂甘油磷脂磷脂的分子结构磷脂的分子结构n甘油磷脂：以甘油为骨架，甘油分子的甘油磷脂：以甘油为骨架，甘油分子的1、2位位羟基分别与脂肪酸形成酯键，羟基分别与脂肪酸形成酯键，3位

2、羟基与磷酸位羟基与磷酸形成酯键。磷酸基团分别与形成酯键。磷酸基团分别与 鞘磷脂（鞘磷脂（SMSM）：以鞘氨醇代替甘油。鞘磷脂及其）：以鞘氨醇代替甘油。鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺等参与各种细胞活动，如细胞代谢产物神经酰胺等参与各种细胞活动，如细胞分化、凋亡和增殖。分化、凋亡和增殖。膜脂膜脂n主要存在真核细胞膜上，主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的含量一般不超过膜脂的1/3。n双亲性分子双亲性分子n功能：增加膜的稳定性，功能：增加膜的稳定性，调节膜流动性。调节膜流动性。膜脂在水溶液中自动形成双层膜脂在水溶液中自动形成双层如离子型去如离子型去垢剂垢剂SDS，非离子型去垢剂，非离子型去垢剂Tr

3、iton-X100。多附在膜的内外表面的蛋白多附在膜的内外表面的蛋白。（3）、脂锚定蛋白）、脂锚定蛋白n位于膜的两侧，通过共价键与脂双层内的分子结位于膜的两侧，通过共价键与脂双层内的分子结合，又称脂双层蛋白。合，又称脂双层蛋白。n以两种方式与脂类分子结合。以两种方式与脂类分子结合。胞质侧的蛋白胞质侧的蛋白 与脂双层中的碳氢链结合与脂双层中的碳氢链结合n质膜外表面的蛋白质膜外表面的蛋白 与磷脂酰肌醇相连的与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合寡糖链结合共价键共价键细胞内细胞内脂双层脂双层细胞被细胞被3 膜糖类膜糖类磷脂和胆固醇分布为相对不对称，仅为数量上的差异。磷脂和胆固醇分布为相对不对称，仅为数量上的差

4、异。糖脂的分布为绝对不对称糖脂的分布为绝对不对称2.膜蛋白分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性 跨膜蛋白跨越脂双层有一跨膜蛋白跨越脂双层有一定的方向性，亲水端长度、定的方向性，亲水端长度、氨基酸种类顺序不同。氨基酸种类顺序不同。冷冻断裂：冷冻断裂：内层胞质侧：蛋白颗粒多内层胞质侧：蛋白颗粒多 外层非胞质侧：蛋白颗粒少外层非胞质侧：蛋白颗粒少 外在蛋白分布不对称外在蛋白分布不对称（3）摆动作用）摆动作用 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。当质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流

5、动性过高，又会造成膜膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。的溶解。生物膜的特性生物膜的特性膜的流动性膜的流动性膜的不对称性膜的不对称性膜脂的流动性膜脂的流动性膜蛋白的运动性膜蛋白的运动性侧向扩散侧向扩散旋转扩散旋转扩散膜蛋白不对称膜蛋白不对称1.E.Overton 1890 发现凡是溶于脂肪发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。成。2.E.Gorter&F.Grendel 1925 用有机用有机溶剂提取了人的

6、红细胞质膜的脂类成溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。细胞膜由双层脂分子组成。1935年年 Danielli和和 Davson提出。认为细胞膜是三层夹板提出。认为细胞膜是三层夹板式结构，由蛋白质式结构，由蛋白质 磷脂磷脂 蛋白质组成。蛋白质组成。单位膜模型单位膜模型(unit structure model)：20世纪世纪50年代末年代末Robertson用电镜用电镜观察发现生物膜均呈二暗夹一明的观察发现生物膜均呈二暗夹一明的三层结构，称为单位膜。

7、说明了生物膜在形态上的共性。三层结构，称为单位膜。说明了生物膜在形态上的共性。nJ.D.Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗晰的细胞膜照片，显示暗-明明-暗三层结构，它由厚暗三层结构，它由厚约约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的的蛋白质构成，总厚约蛋白质构成，总厚约7.5nm。液态镶嵌模型液态镶嵌模型(fluid mosaic model)：1972年，年，Singer和和Nicolson提出。认为脂双层构成膜的连续主体，提出。认为脂双层构成膜的连续主体，它即具有固体分子排列的有序性，又具有液体

8、的流动性。它即具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。蛋白分子以不同程度镶嵌于脂双分子层中。蛋白分子以不同程度镶嵌于脂双分子层中。功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等。脂笩功能的紊乱涉及多种疾病的发生。代谢运输等。脂笩功能的紊乱涉及多种疾病的发生。第二节第二节 小分子物质的跨膜转运小分子物质的跨膜转运n一、小分子一、小分子 离子：阴离子离子：阴离子 CLCL-阳离子阳离子 NaNa+,K,K+,Mg,Mg+,Ca,Ca2+2+,H,H+非极性小分子：非极性小分子：OO2 2 极性小分子：极性小分子：COCO2 2,乙醇

9、，乙醇，尿素，类固醇激素尿素，类固醇激素 其他：甘油，其他：甘油，葡萄糖，氨基酸葡萄糖，氨基酸n细胞膜是选择性半透膜，对离子选择细胞膜是选择性半透膜，对离子选择性通透，产生了细胞内外的电位差，性通透，产生了细胞内外的电位差，用以传导电信号。用以传导电信号。n小分子物质通过细胞膜的转运主要有小分子物质通过细胞膜的转运主要有三种方式三种方式 简单扩散（简单扩散（simple diffusionsimple diffusion）易化扩散（易化扩散（facilitated diffusionfacilitated diffusion）主动运输（主动运输（active transportactive t

10、ransport）二、易化扩散二、易化扩散n也称促进扩散（也称促进扩散（facilitated diffusionfacilitated diffusion）。）。n特点：特点：转运速率高；转运速率高；运输速率同物质浓度成运输速率同物质浓度成非线性关系；非线性关系；特异性；特异性；饱和性。饱和性。n载体：离子载体、通道蛋白。载体：离子载体、通道蛋白。载体蛋白（载体蛋白（carrier proteincarrier protein）载体蛋白（载体蛋白（carrier proteincarrier protein）是在生物膜上普遍存在的）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子

11、结合，通多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。红细胞膜上的葡萄糖转运红细胞膜上的葡萄糖转运2 2、通道蛋白（、通道蛋白（channel proteinchannel protein）通道蛋白（通道蛋白（channel proteinchannel protein）是横跨质膜）是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的分子和带的亲水性通道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。特征：一是离子通道具有选择性；二是离特征：一是离子通道具有选择性；二是离子通道

12、是门控的。子通道是门控的。n载体蛋白既可介导易化扩散，载体蛋白既可介导易化扩散，也也可介导逆浓度梯度或电化学梯度的可介导逆浓度梯度或电化学梯度的主动运输。主动运输。n通道蛋白只能介导顺浓度梯度或电通道蛋白只能介导顺浓度梯度或电化学梯度的被动运输。化学梯度的被动运输。三三.载体蛋白介导的主动运输载体蛋白介导的主动运输n主动运输（主动运输（active transportactive transport）是指由载体蛋白介）是指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。主动运

13、输的特点是：主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；运输；需要能量（由需要能量（由ATPATP直接供能）或与释放直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；能量的过程偶联（协同运输）；都有载体蛋都有载体蛋白。白。能量来源能量来源 ATPATP驱动的泵通过水解驱动的泵通过水解ATPATP获得能量获得能量 协同运输中的离子梯度动力协同运输中的离子梯度动力 NaNa+-k-k+泵泵 ATPATP直接供能直接供能对向运输对向运输 将将NaNa+逆电化学梯度运出细胞逆电化学梯度运出细胞 将将k k+逆电化学梯度运入细胞逆电化学梯度运入细胞其动力是自身其动力是自身ATPA

14、TP水解供能水解供能NaNa+-k-k+-ATP-ATP酶酶n由由2 2个大亚基、个大亚基、2 2个小亚基组成的个小亚基组成的4 4聚体。聚体。Na+-K+ATPNa+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与发生构象的变化，导致与Na+Na+、K+K+的亲和的亲和力发生变化。钠钾泵的一个特性是他对离力发生变化。钠钾泵的一个特性是他对离子的转运循环依赖自磷酸化过程子的转运循环依赖自磷酸化过程 。n总的结果是每一循环消耗一个总的结果是每一循环消耗一个ATPATP；转运出；转运出三个三个Na+Na+，转进两个，转进两个K+K+。nNa+-K+Na+-K+

15、泵作用是：泵作用是：维持细胞的渗透性，维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；保持细胞的体积；维持低维持低Na+Na+高高K+K+的细的细胞内环境，维持细胞的静息电位。胞内环境，维持细胞的静息电位。钠钾泵机制钠钾泵机制（2）钙泵（钙泵（Ca2+-ATPCa2+-ATP酶）酶）ATPATP直接供能直接供能n通常细胞内钙离子浓度（通常细胞内钙离子浓度（1010-7-7MM）显著低于）显著低于细胞外钙离子浓度（细胞外钙离子浓度（1010-3-3MM），这种浓度差），这种浓度差由钙泵维持。由钙泵维持。n位置：质膜和内质网膜上位置：质膜和内质网膜上n每分解一个每分解一个ATPATP分子，泵出分子，泵出2 2个

16、个Ca2+Ca2+。n例：肌质网（例：肌质网（sarcoplasmic reticulumsarcoplasmic reticulum）上的）上的钙离子泵钙离子泵 ，肌细胞膜去极化后引起肌质网，肌细胞膜去极化后引起肌质网上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细上的钙离子通道打开，大量钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙胞质，引起肌肉收缩之后由钙离子泵将钙离子泵回肌质网。离子泵回肌质网。（3 3）质子泵（）质子泵（H H泵）泵）ATPATP直接供能直接供能存在位置：溶酶体膜上存在位置：溶酶体膜上作用方式：从胞质中主动将作用方式：从胞质中主动将H H输入溶酶输入溶酶体体囊泡以出芽方式从细胞

17、的一种内膜细胞器脱离后又囊泡以出芽方式从细胞的一种内膜细胞器脱离后又与另一内膜细胞器发生融合，这一转运过程称为与另一内膜细胞器发生融合，这一转运过程称为囊泡转运。囊泡转运。根据物质的运输方向：胞吞作用（根据物质的运输方向：胞吞作用（endocytosisendocytosis）胞吐作用（胞吐作用（exocytosisexocytosis）共同特点：双向、特异、有序、化学修饰共同特点：双向、特异、有序、化学修饰胞吞泡胞吞泡的形成：配体和受体结合的形成：配体和受体结合网格蛋白聚集网格蛋白聚集有被小窝有被小窝去被的囊泡和胞内体融合去被的囊泡和胞内体融合有被小泡有被小泡胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞

18、器，胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。溶酶体中被降解。受体介导的胞吞作用受体介导的胞吞作用溶酶体溶酶体受体介导的胞吞作用网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。溶酶体、以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。（2 2）COP ICOP I衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATPATP的的

19、溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。（3 3）COP IICOP II主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母最早发现于酵母ERER在在ATPATP存在的细胞质液中温育时，存在的细胞质液中温育时，ERER膜上能形成类似于膜上能形成类似于COP ICOP I的衣被小泡，酵母的衣被小泡，酵母COP IICOP II衣衣被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。不同类型受体的胞内体的分选途径：不同类型受体的胞内体的分选途径：（1 1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2 2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3 3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。2.2.基本过程基本过程3.3.结构性分泌途径几乎存在于所有细胞中结构性分泌途径几乎存在于所有细胞中 调节性途径主要存在于特化的分泌细胞中调节性途径主要存在于特化的分泌细胞中4.4.胞吐作用消耗能量胞吐作用消耗能量,属于细胞膜的主动运输属于细胞膜的主动运输5.5.功能功能 补充质膜更新所需的物质补充质膜更新所需的物质 分泌各种分子分泌各种分子