医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输培训课件.ppt

1、医学细胞生物学细胞医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输膜和物质的穿膜运输细胞膜的化学组成与生物学特性细胞膜的成分：脂类、蛋白质、糖类脂类与蛋白质所占比例：1:44:1；功能复杂的膜，蛋白质比例高 细胞膜的化学组成 膜脂构成细胞膜的基本骨架细胞膜的脂类膜脂，细胞膜的脂类膜脂，约占50%，主要分为三个类型：磷脂(phospholipid)、胆固醇(cholesterol)、糖脂(glycolipid)1.磷脂构成膜脂的基本成分磷脂占整个膜脂50%以上，分为两类：甘油磷脂 和 鞘磷脂甘油磷脂：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)甘油磷脂的共同

2、特征：甘油分子的1、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键；3位羟基与磷酸形成酯键，磷酸基团结合 胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇 2医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输脂肪酸链长短不一，通常1424个碳原子，一条脂肪酸链不含双键，另一条含有一个或几个双键，形成30弯曲细胞膜的化学组成与生物学特性磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱鞘磷脂磷脂酰肌醇3医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输细胞膜的化学组成与生物学特性磷脂酰胆碱4医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输鞘磷脂(sphingomyelin,SM)是细胞膜上唯一不以甘油为骨架的磷脂，在膜中含量较少，在神经元细胞膜中含量较多鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，鞘氨醇的氨基

3、结合不饱和脂肪酸链鞘磷脂的代谢产物 神经酰胺、鞘氨醇、1-磷酸鞘氨醇 参与细胞活动；神经酰胺 是第二信使、1-磷酸鞘氨醇 在细胞外通过 G蛋白偶联受体起作用，在细胞内与靶蛋白作用 2.胆固醇能够稳定膜和调节膜流动性胆固醇分子较小，散布在磷脂分子之间；动物细胞胆固醇含量高，在有的膜内胆固醇与磷脂之比达1:1；植物细胞膜中含胆固醇极少胆固醇极性头部为羟基团，紧靠磷脂极性头部；非极性疏水结构为甾环和烃链，对磷脂的脂肪酸尾部的运动有干扰作用胆固醇分子 调节膜的流动性和加强膜的稳定性，没有胆固醇，细胞膜会解体细胞膜的化学组成与生物学特性5医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输细胞膜的化学组成与生物学特性6

4、医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 3.糖脂主要位于质膜的非胞质面糖脂含量占膜脂总量5%以下，遍布原核、真核细胞表面细菌和植物的糖脂 均是 甘油磷脂衍生物，一般是 磷脂酰胆碱 衍生来动物糖脂 都是 鞘氨醇衍生物，称为 鞘糖脂，糖基取代磷脂酰胆碱，成为极性头部已发现40多种糖脂，区别在于 极性头部不同，由1至几个糖残基构成细胞膜的化学组成与生物学特性最简单的糖脂是 脑苷脂，极性头部只是一个 半乳糖/葡萄糖 残基最复杂的糖脂是 神经节苷脂，极性头部有七个糖残基；在神经细胞膜中最丰富，占总膜脂5%10%7医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输细胞膜的化学组成与生物学特性8医学细胞生物学细胞膜和物质的

5、穿膜运输 膜蛋白执行细胞膜的多种重要功能膜蛋白：转运蛋白、酶、连接蛋白、受体蛋白膜蛋白含量：轴突髓鞘25%、线粒体内膜75%、大多膜 50%(蛋白质分子数：脂类分子数=1:50)根据膜蛋白与脂双层结合方式，分为三类：内在膜蛋白、外在膜蛋白、脂锚定蛋白细胞膜的化学组成与生物学特性3.-sheet barrel5.共价连接脂肪酸链 6.连接寡糖链锚定细胞外表面 7.8.非共价连接其他膜蛋白9医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 1.内在膜蛋白又称 跨膜蛋白，占膜蛋白总量70%80%；分 单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜 三种类型跨膜区域 2030个 疏水氨基酸残基，通常N端在细胞外侧内在膜蛋白 跨膜

6、结构域 与膜脂结合区域，作用方式：疏水氨基酸形成-螺旋，跨膜并与脂双层脂肪酸链通过范德华力相互作用某些-螺旋外侧非极性，内侧是极性链，形成特异性畸形分子的跨膜通道多数跨膜区域是-螺旋，也有以-折叠片多次穿膜形成筒状结构，称-筒，如 孔蛋白(porin)2.外在膜蛋白又称 外周蛋白，占膜蛋白总量20%30%；完全在脂双层之外，胞质侧或胞外侧，通过 非共价键 附着膜脂或膜蛋白细胞膜的化学组成与生物学特性10医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输胞质侧的 外周蛋白形成 纤维网络，为膜提供机械支持，也连接 整合蛋白，如 红细胞的 血影蛋白 和锚蛋白外周蛋白为水溶性蛋白，与膜结合较弱，改变溶液 离子浓度或

7、pH，可分离它们 而不破坏膜结构 3.脂锚定蛋白又称 脂连接蛋白，位于膜的两侧，以共价键 结合于 脂类分子；此种锚定方式 与细胞恶变有关还有 糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI)，通过蛋白质C端 与磷脂酰肌醇连接的 寡糖链 共价结合脂锚定蛋白 在膜上 运动性增大，有利于结合更多蛋白，有利于更快地与 胞外蛋白 结合、反应GPI-锚定蛋白 分布极广，100种以上，如 多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、膜受体等细胞膜的化学组成与生物学特性11医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输研究膜蛋白功能，可用去垢剂将膜蛋白分离出来；如 离子型去垢剂：十二烷基磺酸钠(SDS)(引起蛋白质变性)；非离子去垢剂：Tr

8、iton X-100(对蛋白质比较温和)细胞膜的化学组成与生物学特性12医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 膜糖类覆盖细胞膜表面细胞膜的糖类，占质膜重量2%10%；大多以 低聚糖或多聚糖 共价 结合膜蛋白，形成 糖蛋白；或以 低聚糖 共价结合 膜脂，形成糖脂所有糖链 朝向 细胞外表面形成 低聚糖 的单糖类型：半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖胺、葡萄糖、葡萄糖胺、唾液酸 等唾液酸残基 在糖链末端，形成 细胞外表面 净负电荷细胞膜的化学组成与生物学特性糖蛋白和糖脂中 低聚糖 侧链细胞外被Cell coat 或糖萼glycocalyx，1020nm厚。基本功能：可能帮助蛋白质膜上定位、固定，防止翻转

9、；参与细胞与外环境的作用；保护细胞 抵御损伤；建立胞外含水微环境ABO血型抗原13医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 细胞膜的生物学特性脂双层与蛋白质围成屏障，还执行 物质运输、信号转导、细胞识别、能量转化 等功能 膜的不对称性决定膜功能的方向性 1.膜脂的不对称性脂双层的膜脂分布不对称，在含量、比例上有差异细胞膜的化学组成与生物学特性 SM：鞘磷脂；PC：磷脂酰胆碱；PS：磷脂酰丝氨酸；PE：磷脂酰乙醇胺；PI：磷脂酰肌醇；CL：胆固醇人红细胞膜的膜脂分布14医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输不同膜性细胞器的脂质组成不同：质膜：鞘磷脂、磷脂酰胆碱、胆固醇 等核膜、内质网膜、线粒体外膜：磷

10、脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇线粒体内膜：心磷脂 2.膜蛋白的不对称性各种膜蛋白在质膜中有特定位置，分布绝对不对称：酶和受体多分布于质膜的外侧面，而 腺苷酸环化酶 定位内侧面跨膜蛋白有一定方向性：多数N外 C内，两端肽链长度、氨基酸种类、活性位点不同 3.膜糖的不对称性糖脂、糖蛋白的寡糖链 只分布于 质膜外表面(远离细胞质)；而内膜系统的 寡糖链 只分布于 膜腔内表面(远离细胞质)细胞膜的化学组成与生物学特性又名：双磷脂酰甘油15医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输膜组分分布不对称的意义：各组分 分布不对称 跟 膜功能不对称、膜的方向性有关，保证了膜功能方向性和生命活动的高度有序性 膜的流

11、动性是膜功能活动的保证膜的流动性 主要是 膜脂流动性、膜蛋白的运动性 1.脂双层是液晶态二维流体细胞内外的水环境 使膜脂分子不能从脂双层逸出，只能在二维平面交互位置脂双分子层既有有序的固定性，又有液体的流动性液晶态正常体温下，膜呈液晶态；当温度下降到 临界温度(膜的 相变温度)，膜脂转为 晶态膜的流动性 是膜功能活动的保证细胞膜的化学组成与生物学特性16医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 2.膜脂分子的运动方式在相变温度以上，膜脂分子可进行如下5种运动：侧向扩散：脂质分子间 交换位置；107次/秒；主要运动方式翻转运动：从脂双层一层翻转到另一层，需要 翻转酶，在内质网发生旋转运动：膜脂分子

12、自旋运动弯曲运动：膜脂分子的烃链是有韧性、可弯曲的，分子的尾部弯曲、摆动幅度大，而靠近极性亲水头部弯曲摆动 幅度小。此外，膜脂的脂肪酸链 沿着膜垂直的轴 进行 伸缩振荡运动细胞膜的化学组成与生物学特性17医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 3.影响膜脂流动性的因素脂肪酸链的饱和程度：磷脂分子长的饱和脂肪酸链 呈直线型，有聚集排列紧密成凝胶状态；不饱和脂肪酸链 在双键处呈弯曲状，排列比较疏松，增加了膜的流动性温度下降时，去饱和酶 催化单键去饱和为双键，在不同磷脂分子间重组脂肪酸链，产生含两个不饱和脂肪酸链的磷脂分子，增强膜的流动性脂肪酸链的长短：脂肪酸链短，相互作用弱，流动性大，相变温度低；脂

13、肪酸链长 则反之胆固醇的双重调节作用：相变温度以上时，胆固醇的固醇环结合磷脂分子靠近头部的烃链，稳定膜；相变温度以下时，胆固醇隔开磷脂分子，干扰晶态形成，防止低温时膜流动性的突然降低卵磷脂与鞘磷脂的比值：哺乳类，卵磷脂+鞘磷脂 占膜脂50%；卵磷脂 不饱和程度高，流动性大；而鞘磷脂相反随着衰老，细胞膜中 卵磷脂与鞘磷脂的比值 下降，流动性也随之下降细胞膜的化学组成与生物学特性18医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输相变温度以上相变温度以下细胞膜的化学组成与生物学特性膜蛋白的影响：膜蛋白嵌入膜脂疏水区，使周围脂类分子不能单独活动，形成“界面脂”，界面脂越多，膜流动性越小。此外，膜脂的极性基团、环

14、境温度、pH值、离子强度等 都对膜脂流动性产生一定影响。环境温度高，膜脂流动性大；相变温度内，每下降10，膜的粘性增加3倍，膜流动性降低19医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 4.膜蛋白的运动性侧向扩散：人鼠杂交细胞表面抗原分布变化 可证明旋转运动：速度 比侧向扩散 慢；不同膜蛋白速度不同，有些膜蛋白无法运动；膜蛋白周围脂质的流动性影响膜蛋白的流动性膜蛋白的运动 不需要消耗能量膜的流动性意义重大：物质运输、细胞识别、信息传导 等；生物膜的各种功能都是在膜的流动状态下进行的，膜的流动过低，代谢终止细胞膜的化学组成与生物学特性20医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 细胞膜的分子结构模型1890

15、年，Ernest Overton 发现溶于脂肪的物质容易穿过膜，而非脂溶性难；1925年，E.Gorter和F.Grendel 从血影中抽提出磷脂，在水面上铺成单分子层，其面积与血影面积之比 约为2:1脂双层 片层结构模型具有三层夹板式结构特点1935年，James Danielli 和 Hugh Davson发现 细胞膜的表面张力 显著低于 油-水 界面表面张力，推测 质膜中有 蛋白质；提出 “片层结构模型”(蛋白-磷脂-蛋白 三层夹板式结构)细胞膜的化学组成与生物学特性21医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 单位膜模型体现膜形态结构的共同特点1959年，J.D.Robertson 电镜观

16、察细胞膜“两暗夹一明”单位膜单位膜模型：膜蛋白是单层肽链以折叠 通过静电作用 与磷脂极性端结合；能对膜的某些属性进行解释，被普遍采用，但是把膜作为 静止的单一结构细胞膜的化学组成与生物学特性22医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 流动镶嵌模型是被普遍接受的模型1972年提出Fluid mosaic model：磷脂双层构成膜的连续主体，具有晶体的有序性和液体的流动性；球形蛋白质分子以不同形式结合脂双层分子；膜是一种动态的、不对称的具有流动性结构1975年，“晶格镶嵌模型”：膜脂可逆地进行“有序(液态)”和“无序(晶态)”相变，膜蛋白对膜脂的运动具有限制作用，流动性是局部的1977年，“板块镶

17、嵌模型”：流动的脂双层中 存在能独立移动 脂类板块细胞膜的化学组成与生物学特性23医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 脂筏模型深化了对膜结构和功能的认识脂双层中 由特殊脂质和蛋白质 组成的微区，富含 胆固醇和鞘脂类，聚集特定种类膜蛋白；此膜区 较厚（鞘脂类脂肪酸链较长），称“脂筏”Lipid rafts，其周围富含不饱和磷脂，流动性较高脂筏的两个特点：许多蛋白聚集在脂筏内，便于相互作用；脂筏提供有利于蛋白质变构的环境，形成有效构象脂筏功能：参与信号转导、受体介导内吞作用、胆固醇代谢运输 等细胞膜的化学组成与生物学特性24医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输细胞在生命活动中，与细胞外环境频繁物

18、质交换，有几条不同途径 膜的选择性通透和简单扩散小分子透过脂双层的速度，取决于分子的大小和它在脂质中的相对溶解度；分子量越小，脂溶性越强，通过脂双层的速率越快简单扩散(simple diffusion):小分子的 热运动 使分子自由地由膜一侧扩散到另一侧，前提：溶质在膜两侧有一定浓度差，溶质必须能透过膜脂溶性物质 如 醇、苯、甾类激素、O2、CO2、NO、H2O 通过简单扩散 跨膜简单扩散 不需要 运输蛋白协助，顺浓度梯度 由高浓 度向低浓度方向扩散，不消耗能量；也称“被动扩散”passive diffusion小分子物质和离子的跨膜运输25医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 膜转运蛋白介导

19、的跨膜运输除了水和非极性小分子，绝大多数溶质 如 各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸等 都不能简单扩散穿膜转运特定膜蛋白膜运输蛋白(跨膜蛋白，每种只转运一种特定类型溶质)膜运输蛋白分两类：载体蛋白carrier protein、通道蛋白channel protein载体蛋白：与特定溶质结合，改变构象使溶质穿越细胞膜通道蛋白：形成水溶性通道，贯穿脂双层，通道开放时，特定溶质(无机离子)可穿越脂双层所有通道蛋白和许多载体蛋白，转运溶质分子不消耗能量，消耗顺电化学浓度梯度的势能，称 被动运输 passive transport逆电化学浓度梯度 转运溶质，需要 载体蛋白 参与，还需要 消耗能量ATP；这

20、种利用代谢产生能量的进行逆浓度梯度的转运，称“主动运输”active transport小分子物质和离子的跨膜运输26医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输小分子物质和离子的跨膜运输27医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 易化扩散是载体蛋白介导的被动运输非脂溶性或亲水性小分子，不能简单扩散通过细胞膜，需 载体蛋白介导 不消耗代谢能量，顺 物质浓度梯度 或电化学梯度 进行转运，称 易化扩散 facilitated diffusion特定 易化转运蛋白 介导特定物质 在两个方向的穿膜运输，取决于 该物质在膜两侧的相对浓度转运特异性强，速率快载体蛋白对所转溶质具有高度专一性，其分子上的结合位点与某一

21、溶质 进行短暂的 可逆的结合，引起载体蛋白 构象变化，转运溶质分子从膜一侧到另一侧；载体与溶质亲和力下降，释放溶质，构象恢复小分子物质和离子的跨膜运输28医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输葡萄糖是人体最基本的最直接的能量来源，多数细胞(低浓度葡萄糖)从血流和组织液中(高浓度葡萄糖)，通过 易化扩散 获取葡萄糖人类基因组编码14种葡萄糖转运载体蛋白glucose transporter,GLUT，均含有12次跨膜的-螺旋，-螺旋含有丝氨酸、苏氨酸、天冬氨酸和谷氨酸残基，其侧链与葡萄糖羟基形成氢键，是葡萄糖结合位点GLUT的异常或缺陷是2型糖尿病的病因之一红细胞膜上存在5万个葡萄糖载体蛋白，占膜

22、总蛋白5%小分子物质的跨膜运输小分子物质和离子的跨膜运输29医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输细胞内的K+浓度是细胞外的20倍以上；而Na+正好相反而细胞外的Ca2+浓度要高于细胞内10000倍这些浓度梯度由主动运输产生，对维持生命活动至关重要主动运输需要消耗能量，能量来源包括：ATP、光吸收、电子传递、顺浓度梯度的其他物质的流动等；可分为：ATP直接供能、ATP间接供能 1.ATP驱动泵在胞质侧有一个或多个ATP结合位点，水解ATP从低浓度向高浓度转运P-型离子泵转运阳离子，工作过程中形成 磷酸化中间体，P表示 磷酸化Na+-K+泵（Na+-K+-A

23、TP酶）：由两个亚基两个亚基组成四聚体，亚基具有ATP酶活性，其胞质面有3个高亲和Na+结合位点；亚基膜外表面有2个高亲和K+（乌本苷）结合位点小分子物质的跨膜运输小分子物质和离子的跨膜运输30医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输小分子物质的跨膜运输水解1分子ATP，输出3个Na+，转入2个K+；每秒1000次构象变化多数动物细胞 消耗1/3的ATP 维持Na+-K+泵；胞内低Na+胞外高K+，维持渗透压、产生维持膜电位、为某些物质的吸收提供驱动力、为各种新陈代谢提供必要离子浓度小分子物质和离子的跨膜运输31医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输Ca2+泵：小分子物质的跨膜运输Ca2+泵：Ca2

24、+泵：真核细胞胞质中含极低浓度的Ca2+，而细胞外的Ca2+浓度却极高Ca2+泵 有10次穿膜的螺旋，1000aa构成，与Na+-K+-ATP酶的亚基 同源Ca2+-ATP酶 同样有 磷酸化和去磷酸化 过程，并改变构象，每水解1分子ATP，逆浓度梯度转出细胞或泵入肌浆网2个Ca2+胞内Ca2+浓度升高，激活Ca2+反应蛋白，引起多种重要活动肌浆网 是肌细胞特化的 内质网，是Ca2+储存场所，肌肉细胞内Ca2+升高，引起肌肉细胞收缩胞内Ca2+浓度升高，促进细胞分泌、神经递质释放、信号传导等V-型质子泵主要存在于真核细胞 膜性酸性区室，如：网格蛋白有被小泡、内体、溶酶体、高尔基复合体、分泌泡 等

25、小分子物质和离子的跨膜运输32医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输V-型质子泵 由多个穿膜和胞质侧亚基组成，利用ATP，将H+从胞质中 逆H+电化学梯度 转运到上述细胞器或囊泡中，使其内成为酸性环境，并保持细胞质的pH中性；不形成磷酸化中间体F-型质子泵存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体内膜，利用H+顺浓度梯度的运动，释放能量将ADP合成ATP，即是 氧化磷酸化 或 光合磷酸化；因此，此质子泵 又称：H+-ATP合成酶ABC转运体ATP供能的运输蛋白，100多种，从细菌到各类生物都有，称：ABC超家族 动物细胞有50种不同ABC运输蛋白每种 ABC运输蛋白 有特异底物，运输哺乳类质膜上 磷脂、

26、胆固醇、肽、亲脂性药物等，在肝、小肠、肾细胞 表达丰富，将毒素、药物代谢物等排出小分子物质和离子的跨膜运输33医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 2.协调运输细胞主动运输 建立膜两侧的各种离子浓度梯度，储存了膜两侧的势能，此势能可供细胞此势能可供细胞运输其它溶质分子协同运输(cotransport)：由Na+-K+泵(或H+泵)与载体蛋白 协同作用，间接消耗ATP完成的主动运输方式此种跨膜运输的 直接动力 来自膜两侧的离子电化学梯度，这种梯度是Na+-K+泵等消耗ATP实现的动物细胞的协同运输，利用膜两侧Na+电化学梯度驱动；植物细胞和细菌 利用膜两侧H+电化学梯度来驱动根据溶质分子与顺电化

27、学梯度转移的离子的方向，分为：共运输symport 和 对向运输 antiport共运输 两种溶质分子 同一方向穿膜运输小分子物质和离子的跨膜运输34医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输如：肠腔细胞膜的“Na+/葡萄糖协同运输蛋白”Na+/glucose cotransporter在质膜外表面结合2个Na+和1分子葡萄糖，当Na+顺浓度梯度进入细胞，葡萄糖利用Na+电化学浓度差的势能，与相伴进入细胞；载体蛋白构象变化，失去对葡萄糖的亲和力，与之分离，并恢复构象进入细胞的Na+被 Na+-K+泵 泵出细胞外，以保持的跨膜浓度梯度小肠上皮、肾细胞等 在质膜上均含大量 顺Na+跨膜浓度梯度 驱动的

28、共运输 载体蛋白，每种载体蛋白 专一地 转入细胞 某一种糖 或 氨基酸葡萄糖一旦进入小肠细胞，再以 易化扩散 方式 进入血流小分子物质的跨膜运输小分子物质和离子的跨膜运输35医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输对向运输 一种膜运输蛋白，将不同离子或分子 反向穿膜运输脊椎动物细胞都有一种或多种 对向运输载体，以维持胞质pH7.2左右如 Na+-H+交换载体，此载体 藕联Na+顺浓度梯度流进 与H+泵出，从而清除细胞代谢过程产生的过多H+，胞内pH上升Na+-H+交换载体 的激活和引起pH升高 对启动 细胞增殖 很重要许多真核细胞 有阴离子载体，称“Cl-HCO3-交换器”，在调节细胞内pH方面

29、起重要作用，泵出HCO3-，胞内pH下降以上两种交换载体，在pH升高或降低时 激活或失活，调节胞内pH哺乳类胃腺 壁细胞 分泌HCL进入胃腔，杀菌并为胃蛋白酶提供酸性环境；壁细胞顶部质膜含H+-K+泵，将H+运出 细胞，会有相当的OH-与细胞内CO2结合成为 HCO3-，离开细胞，配合Cl-HCO3-交换器，将Cl-转入细胞（89页 图4-19）小分子物质的跨膜运输小分子物质和离子的跨膜运输36医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输小分子物质的跨膜运输小分子物质和离子的跨膜运输主动运输 特点：逆浓度或电化学梯度 跨膜转运消耗能量，直接水解ATP或离子电化学梯度提供能量膜上特异性载体蛋白介导，载体

30、特异结合转运溶质，载体构象可变37医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 离子通道高效转运各种离子各种阴阳带电离子，难以直接穿膜转运，而其 高效率的 穿膜速率 是借助膜上的 通道蛋白 完成；已发现100余种通道蛋白，跨膜转运各种离子，也称“离子通道”离子通道 在膜上形成 亲水跨膜孔道，有选择地 让某些离子 通过到质膜另一侧 1.离子通道的特点：只介导 被动运输，溶质从膜的 高浓度一侧 自由扩散到 低浓度一侧离子通道 对被转运离子的大小 所带电荷 有高度选择性转运效率高，通道允许106108个特定离子/秒 通过，比最快效率的载体蛋白 高1000倍离子通道不是持续开放，有开和关 两种构象，受信号调控

31、 2.离子通道的类型（三类）小分子物质的跨膜运输小分子物质和离子的跨膜运输38医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输小分子物质的跨膜运输配体门控通道(ligand-gated channel)离子通道型受体，与细胞外特定配体结合，构象改变，允许某种离子快速跨膜扩散如 乙酰胆碱受体(acetylcholine receptor,nAChR)：4种5个穿膜亚单位组成（2），每个亚单位 由1个大的跨膜N端，4段跨膜序列(M1M4)和1个短的C端组成；各亚单位靠 非共价键 组成梅花状通道结构受体上有两个乙酰胆碱Ach结合位点，无Ach时，各个M2共同组成的孔道关闭，M2上的 亮氨酸残基 伸向孔内 形成纽

32、扣结构；结合Ach后，孔区构象改变，亮氨酸残基滑出，孔道开放，可通过Na+、K+、Ca2+小分子物质和离子的跨膜运输39医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输神经-肌肉 接头处 离子通道 活动：神经冲动神经末梢细胞去极化电压门控Ca2+通道开放细胞外Ca2+涌入细胞胞内 突触小泡 释放 乙酰胆碱 至 突触间隙释放的乙酰胆碱结合突触后膜的 乙酰胆碱受体通道开放，Na+流入肌细胞肌细胞膜 局部去极化肌细胞去极化诱发膜上Na+通道开放大量Na+涌入肌细胞，使整个肌细胞膜进一步去极化肌细胞膜的去极化使肌浆网上Ca2+通道开放Ca2+大量释放如胞质肌原纤维收缩小分子物质和离子的跨膜运输40医学细胞生物学细

33、胞膜和物质的穿膜运输其它神经递质的受体 作为离子通道，如 氨基丁酸受体、甘氨酸受体、5-羟色胺受体等，都是单一肽链4次穿膜 形成亚单位，5个亚单位组成 跨膜离子通道乙酰胆碱受体与5-羟色胺受体通道，通透Na+、K+、Ca2+等阳离子，其它受体通道，通透Cl-电压门控通道(voltage-gated channel)膜两侧 跨膜电位 的改变是控制 电压门控通道 开放与关闭 直接因素此类通道蛋白分子 部分基团或亚单位 对跨膜电位改变 敏感，可改变构象 打开通道，开放时间只有几毫秒，随即自发关闭主要分布在 神经元、肌细胞、腺上皮细胞 等可兴奋细胞，包括：钾通道、钙通道、钠通道、氯通道小分子物质的跨膜

34、运输小分子物质和离子的跨膜运输41医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输小分子物质的跨膜运输小分子物质和离子的跨膜运输应力激活通道(stress-activated channel)通道蛋白 感受应力 而改变构象，通道开放，离子跨膜，膜电位变化内耳 听觉毛细胞 顶部的听毛 具有应力激活通道，受到声波振动 而弯曲，应力门控通道 开放，离子跨膜进入毛细胞 改变膜电位，将声波信号 传递给 听觉神经元细菌与古细菌的 应力激活通道 均为跨膜蛋白 五聚体，通透阳离子42医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 4.水通道介导的水的快速转运1988年，美国学者P.Agre发现质膜上有 构成水通道的膜蛋白，命名为水

35、孔蛋白aquaporin,AQP；Agre 因此获得2003年 诺贝尔化学奖水通道的分类哺乳类 水通道蛋白家族已有11个，根据功能特性的差异，分为两个家族：AQP1、2、4、5、6和AQP0 基因结构类似，氨基酸序列同源30%50%，只能通透水，经典的 选择性水通道；AQP3、7、9、10 除通透水，对甘油、尿素等中性小分子也具有通透性，第二家族水-甘油通道；AQP8位于水选择型与甘油渗透型之间水通道蛋白的结构AQP1由4个对称排列的圆筒状亚基围成的四聚体，每个亚基 中心的中央孔 直径0.28nm，只允许水分子通过小分子物质和离子的跨膜运输43医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输大分子物质 不

36、能通过 膜转运蛋白 进入细胞，由膜包围形成膜泡，然后通过膜泡形成和融合来完成转运小泡运输细胞摄入大分子或颗粒物质的过程，称 胞吞作用(endocytosis)细胞排出大分子或颗粒物质的过程，称 胞吐作用(exocytosis)胞吞胞吐 涉及膜泡的 融合与断裂，需要消耗能量，属于 主动运输以上膜泡运输转运量较大，也称 批量运输；膜泡运输 也发生于胞内各种 膜性细胞器 胞吞作用（三种：吞噬作用、胞饮作用、受体介导胞吞作用）吞噬作用(phagocytosis)是吞噬细胞摄入颗粒物质的过程 免疫系统具有吞噬功能的 中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞 在摄取大固体颗粒或分子复合物(直径250nm)时 进行细

37、胞膜凹陷或形成伪足，将大颗粒包裹 摄入细胞，形成膜泡“吞噬体”这些免疫细胞 通过此方式 吞噬入侵微生物、清除损伤和死亡细胞大分子和颗粒物质的跨膜运输45医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 胞饮作用(pinocytosis)是细胞吞入液体和可溶性物质的过程细胞非特异摄取细胞外液的过程；胞饮发生在质膜的特殊区域，质膜内陷 形成小窝，包围液体物质，形成“胞饮体”，直径小于150nm胞饮作用 分为两种类型：液相内吞：非特异 固有内吞作用，摄入细胞外液及可溶性物质；吸附内吞：细胞外大分子/小颗粒物质 以某种方式 吸附在细胞表面，具有一定特异性在能形成伪足和转运功能活跃的细胞中多见，如 巨噬细胞、白细胞

38、、毛细血管细胞、肾小管上皮细胞、小肠上皮细胞 等 受体介导的胞吞提高摄取特定物质的效率受体介导的内吞作用receptor mediated endocytosis 是细胞通过受体的介导 选择性高效摄取细胞外 特定大分子物质的过程可特异性摄入胞外含量很低的成分，比胞饮作用 内化效率 高1000多倍大分子和颗粒物质的跨膜运输46医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 1.有被小窝和有被小泡的形成细胞膜上有多种受体蛋白，往往同类受体蛋白 集中在膜特定区域，称“有被小窝”coated pit；小窝内受体浓度是质膜其它处的1020倍各种有被小窝 约占质膜表面积2%，此处质膜向内凹陷，直径50100 nm，

39、此处质膜内表面 覆盖 网格蛋白和衔接蛋白网格蛋白，又称“笼蛋白”，由3条重链和3条轻链组成；3个 重链轻链的二聚体，形成 三腿蛋白复合物自我装配，自动形成 篮网状结构网格蛋白作用：牵拉质膜向内 凹陷，参与捕获特定膜受体 使其汇聚有被小窝大分子和颗粒物质的跨膜运输47医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输衔接蛋白 参与有被小泡组成，处于 网格蛋白 与 配体-受体复合物 间不同类型的衔接蛋白 结合不同类型 膜受体，使细胞捕获不同配体网格蛋白没有特异性 2.无被小泡形成并与内体融合配体结合膜上受体，通过衔接蛋白，网格蛋白聚集在膜的胞质侧，网格由6边形转变成5边形，促进网格蛋白外被弯曲变成笼形，牵动质膜

40、凹陷发动蛋白(dynamin)GTP结合蛋白，自动组装成一个 螺旋状领圈结构，水解GTP，构象改变，将有被小泡 从质膜上 切离下来，形成网格蛋白有被小泡大分子和颗粒物质的跨膜运输有被小泡很快脱去包被 (笼蛋白 重新利用)无被小泡 与早期内体融合48医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输大分子和颗粒物质的跨膜运输内体：动物细胞中经胞吞作用形成的膜包围的细胞器，作用是运输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解内体膜上有ATP驱动的质子泵，将H+泵入内体腔，降低腔内pH（pH56）低pH使受体与配体分离，内体出芽形成运载受体的小囊泡，返回质膜；受体重新利用，含配体的内体与溶酶体融合49医学细胞生物学细胞

41、膜和物质的穿膜运输 3.受体介导的LDL胞吞作用胆固醇是构成膜的成分，也是类固醇激素的前体；动物细胞通过 受体介导的胞吞作用 摄入所需 大部分胆固醇胆固醇 在肝脏 合成并包装成 低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)，在血液中运输LDL球状，分子量3106，直径22nm；中心是1500个酯化的胆固醇分子，外面包围800个磷脂分子和500个游离胆固醇分子载脂蛋白ApoB100 是细胞膜上LDL受体 的配体，组装LDL成颗粒大分子和颗粒物质的跨膜运输LDL受体由839aa组成的单次跨膜蛋白，当细胞需要利用胆固醇时，制造LDL受体，摄入胆固醇；当细胞内游离胆固醇过多，

42、停止合成LDL受体50医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输大分子和颗粒物质的跨膜运输大分子和颗粒物质的跨膜运输动物细胞的许多重要物质的摄取 都依赖 受体介导的内吞作用，如 50种以上的不同 蛋白质、激素、生长因子、淋巴因子、铁、维生素等流感病毒和HIV病毒 通过此途径 感染细胞；肝细胞转运IgA 也通过这种方式大分子和颗粒物质的跨膜运输51医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 胞吐作用与胞吞作用相反，细胞内合成的物质(酶、激素或未分解物质)通过膜泡 转运到细胞膜，与质膜 融合后，排出细胞外的过程；分为两种形式：1.连续性分泌是不受调节持续不断的细胞分泌分泌蛋白在 粗面内质网 合成后，转运到 高

43、尔基体 进行修饰、浓缩、分选，形成分泌泡，被转运到 细胞膜，与膜融合，外排蛋白的过程分泌蛋白：驻留蛋白、膜蛋白、细胞外基质组分 等 2.受调分泌是细胞外信号调控的选择性分泌分泌蛋白合成后，包裹于分泌囊泡，储存于胞质中，受到细胞外信号刺激，引起细胞内Ca2+浓度瞬时升高，才启动 胞吐作用此种分泌途径 只存在于 特化细胞，如分泌激素、酶、神经递质的细胞大分子和颗粒物质的跨膜运输52医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输大分子和颗粒物质的跨膜运输53医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输细胞膜异常与疾病 载体蛋白异常与疾病 1.胱氨酸尿症是载体蛋白异常性疾病 遗传性肾小管膜转运异常疾病，肾小管上皮重吸收

44、胱氨酸减少，尿中含量增加 引起尿路胱氨酸结石肾小管上皮细胞膜上 参与转运 胱氨酸、二氨基氨基酸(赖氨酸、精氨酸、鸟氨酸)载体蛋白缺陷(基因突变导致)，尿中此四种氨基酸 过量，血液中 过低；其中 胱氨酸不溶于水，易形成 尿路结石，引起 肾损伤患者小肠上皮细胞也会有类似缺陷，一般不造成营养不良 2.肾性糖尿是葡萄糖载体蛋白异常性疾病肾小管上皮细胞 葡萄糖重吸收 障碍（转运葡萄糖的载体蛋白缺陷），血糖正常，尿糖高54医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输 离子通道蛋白异常与疾病囊性纤维化cystic fibrosis,CF：白种人常见(每2500个婴儿 有1个病患儿)致死性 常染色体 隐性遗传病，定位

45、染色体7q31：囊性纤维穿膜转导调节子CFTR细胞膜上 受cAMP调节的 氯离子通道，cAMP介导下，CFTR发生磷酸化，通道开放，每分钟向胞外转运106个Cl-病患质膜上缺失CFTR离子通道，导致细胞向外 转运Cl-减少，Cl-和水不能进入呼吸道粘液，粘液水化不足 粘度增大，纤毛摆动困难，引发细菌感染(蓝绿假单胞杆菌)胆管、肠、胰腺细胞 也存在类似机制，产生相应临床症状 膜受体异常与疾病家族性高胆固醇血症，常染色体显性遗传疾病，患者LDL受体 异常(缺乏或结构异常)，血液中胆固醇升高，易发 动脉粥样硬化 和冠心病细胞膜异常与疾病55医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输1.构成细胞膜的脂类有哪

46、三种？2.磷脂分为哪两种？3.哪一种磷脂在神经细胞含量多，其他细胞含量少？4.胆固醇分子对膜的流动性有何影响？5.动物细胞膜的糖脂 由何磷脂 衍生而来？6.膜功能的活跃与否 跟什么成分的含量 密切相关？7.根据与脂双层结合方式，膜蛋白 可分为哪三类？8.内在膜蛋白的跨膜区，通常是 哪类氨基酸残基 构成的什么结构？9.外在膜蛋白 通过什么键 附着膜脂或膜蛋白？10.脂锚定蛋白 在膜两侧 以什么键 结合于什么分子？11.膜糖链的唾液酸残基，在细胞外表面形成什么电荷？12.膜的不对称性 主要体现在 哪三点？13.膜脂分子能进行哪些运动？14.影响膜脂的流动性的因素 有哪些？15.流动镶嵌模型 主要内

47、容是什么？16.脂筏模型的主要内容 和特点 各是什么？17.膜转运蛋白 分为哪两类？复习题56医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输18.哪些溶质能 简单扩散到膜另一侧？19.被动扩散 和 主动运输 主要区别 是什么？20.离子通道 的四个特点 是什么？21.易化扩散的特点是什么？哪些物质易化扩散入膜？22.动物细胞哪种离子泵 耗掉1/3的ATP？23.Na+-K+泵 消耗1分子ATP，怎样转运多少Na+和K+？24.肌细胞内 什么细胞器 是Ca2+储存场所？25.什么是 协同运输？26.参与葡萄糖同向运输的载体蛋白 是什么？27.调节细胞内pH的 有哪些 离子载体蛋白？28.主动运输有哪三个特点？29.胞吞胞吐是被动运输还是主动运输？30.什么是 受体介导的胞吞作用？有什么特点？31.有被小窝中，网格蛋白、衔接蛋白和发动蛋白 各有什么作用？32.LDL如何进入细胞？33.胞吐作用的两种分泌途径 有何不同？34.胱氨酸尿症 是哪类遗传疾病？复习题57医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输35.囊性纤维化 是什么结构异常导致的？36.家族性高胆固醇血症 是什么结构异常导致的？复习题58医学细胞生物学细胞膜和物质的穿膜运输