1、第三章 细胞质膜和跨膜运输Cell Membrane and membrane transport细胞质膜模式图细胞膜的功能1I.细胞质膜II.细胞表面的分化III.跨膜运输主要内容2第一节 细胞质膜细胞膜（cell membrane）：细胞结构中分隔细胞内、外不同介质和组成成份的界面。质膜（plasma membrane）：包围在细胞表面的一层膜，有时称细胞膜。主要由膜脂和膜蛋白组成。内膜（internal membrane）：形成各种细胞器的膜。生物膜（biomembrane）：细胞膜和内膜的总称。细胞被（cell coat）：也叫糖萼，质膜表面一层富含糖类的结构。膜骨架（membrane
2、 skeleton）：质膜下起支撑作用的纤维蛋白网络结构。细胞表面（cell surface）：细胞与细胞外环境的边界，由细胞被、质膜和表层胞质溶胶构成。3Membrane lipids are amphipathic（两性分子）There are three major classes of lipids:Phospholipids（磷脂）Phosphoglyceride(甘油磷脂)and sphingolipid(鞘磷脂)Glycolipids（糖脂）Sterols（固醇）(is only found in animals)一.质膜的化学组成（膜脂+膜蛋白）1.膜脂 Membrane Li
3、pids4磷脂约占膜脂的50以上。主要特征：一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。脂肪酸碳链为偶数：16，18或20个碳原子。常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。5The parts of a phospholipid molecule.Phosphatidylcholine,representedschematically(A),in formula(B),as a space-filling model(C),and as a symbol(D).The kink due to the cis-double bond is exaggerated in these drawings foremp
4、hasis.6磷脂酰胆碱（卵磷脂）7糖脂糖脂约占5以下，神经细胞膜含量高，约占5-10。两性分子，含糖而不含磷酸，由一个或多个糖基与鞘氨醇的羟基结合。（葡萄糖神经酰胺）（鞘胺醇）（油酸）glycolipids8半乳糖脑苷脂神经节苷脂糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元细胞膜中的特征成分。GlycolipidsN-乙酰神经氨酸/唾液酸9胆固醇胆固醇存在真核细胞膜上，含量约占膜脂的1/3，植物细胞膜中没有。功能：提高膜的稳定性，调节流动性，降低水溶性物质的通透性。10脂质体脂质体（liposome）是一种人工生物膜。双层或单层脂分子球体，直径251000nm。人工脂质体可用于：转基因药物载体研究生
5、物膜的特性11占核基因组编码蛋白质的30%。根据与脂分子的结合方式分为：2.膜蛋白 Membrane proteins整合蛋白（integral protein）外周蛋白（peripheral protein）脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。12整合蛋白：为跨膜蛋白（transmembraneproteins），两性分子。跨膜结构域为1至多个疏水的螺旋。与膜的结合紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。整合蛋白13外周蛋白外周蛋白：周边蛋白/附着蛋白。靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来。14脂锚定蛋白脂连接
6、蛋白。通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。有两种结合方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是通过一个糖分子间接同脂结合。脂锚定蛋白15,integralprotein；,peripheralprotein.,lipid-anchoredprotein；16二.质膜的结构1.质膜结构的研究历史E.Overton 1895y 推测细胞膜由连续的脂类物质组成。E.Gorter 等 1925y 推测细胞膜由双层脂分子组成。17J.Danielli&H.Davson 1935y 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，提出三明治模型/片层结构模型（蛋白质-脂类-蛋白质）。片层膜
7、结构模型18单位膜结构模型JD.Robertson 1959y 根据电镜观察提出单位膜（unit membrane）模型：生物膜由脂双层及嵌合的蛋白质构成。膜厚约7.5nm。19Singer 和Nicolson 1972y 根据免疫荧光、冰冻蚀刻的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。Fluid-mosaic model20细胞膜由流动的脂双层和镶嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。2.质膜的流动镶嵌模型211）质膜的流动性）质膜的流动性（膜脂和蛋白质分子的运动）膜脂分子的运动
8、膜脂分子的运动：侧向扩散运动；旋转运动；摆动运动伸缩震荡运动；翻转运动；旋转异构化运动。22影响膜脂流动性的因素影响膜脂流动性的因素胆固醇脂肪酸链的饱和度脂肪酸链的链长卵磷脂/鞘磷脂比值其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。23膜蛋白的分子运动膜蛋白的分子运动随机运动定向运动局部移动24人鼠细胞融合实验膜蛋白流动性的研究方法25用荧光染料标记细胞表面分子用激光处理使表面形成漂白斑通过扩散标记分子进入漂白斑，反差减小标记分子进一步扩散，斑点消失光脱色荧光恢复技术光脱色荧光恢复（fluorescencerecovery after photobleaching,FRAP）技术观察膜的流动性26影响膜
9、蛋白流动的因素影响膜蛋白流动的因素*膜骨架与膜蛋白结合*细胞外成分与整合蛋白结合*细胞间膜蛋白相互作用*膜上其它不动蛋白27质膜流动性的生理意义质膜流动性的生理意义适当的流动性是质膜行使功能的必要条件。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。28292.质膜的流动镶嵌模型1）质膜的流动性）质膜的流动性（膜脂和蛋白质分子的运动）2）膜的不对称性）膜的不对称性(membraneasymmetry)二.质膜的结构1.质膜结构的研究历史2）膜的不对称性）膜的不对称性(membrane asymmetry)脂双层中各种成分的不均匀分布（种类和数量
10、），称为膜的不对称性。A膜脂分布的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：磷脂酰胆碱（PC）和鞘磷脂（SM）主要分布在外小叶，磷脂乙醇胺（PE）和磷脂丝氨酸（PS）分布在内小叶。人红细胞膜中磷脂的不对称分布30膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致膜功能的不对称性和方向性，保证了生命活动的高度有序性。B膜蛋白的不对称性：如细胞色素C位于线粒体内膜M（基质）侧。C膜糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。膜糖的不对称分布313）脂筏）脂筏lipid raft1992年Brown和RoseH发现、提出。是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域（microdomain）。约70nm左右
11、，是一种动态结构，位于质膜的外小叶。具有独特的物理化学特性。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，有助于蛋白质构象改变，与膜的信号转导、跨细胞运输、胆固醇运送、蛋白质分选均有密切的关系。32Intracellularspace or cytosolExtracellular space orvesicle/GolgiapparatuslumenLipid raft organization,region(1)is standard lipid bilayer,whileregion(2)is a lipid raft5.Glycosylation modifications(糖基化修饰)on glyc
12、oproteins andglycolipids)6.GPI-anchored protein7.Cholesterol8.Glycolipid1.Non-raft membrane2.Lipid raft3.Lipid raft associated transmembraneprotein4.Non-raft membrane protein3334Mechanismsof raft clustering.(a)Rafts(red)are small at theplasma membrane,containing only a subset of proteins.(b)Raft siz
13、e is increased by clustering,leading to a new mixtureof molecules.This clustering can be triggered in different way.Sean Munro.Lipid Rafts.Cell,2003,14 November,115(4):377-388.三.质膜的功能1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境（保护）；2.组织和功能定位：为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；3.选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出（运输）；4.提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传
14、递（信号检测）；5.介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接、通讯；6.参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。35第二节 细胞表面 cell surface包括细胞被、膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等结构。36一、细胞被一、细胞被 cell coat动物细胞表面富含糖类的结构，也称为糖萼/糖被。用钌红染色后，在电镜下可显示厚约1020 nm的结构。作用：保护、通信、并与细胞表面抗原性有关。cell coat(glycocalyx)3738二、膜骨架二、膜骨架membrane skeleton质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于质膜下约0.2m厚的溶胶层。主要作用：维持质膜的形态。模式材料
15、：红细胞，经低渗处理破裂释放出内容物，留下一个保持外形的空壳，称为 血影（ghost）。39红细胞膜骨架血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约1315单体）相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方：通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结；通过锚蛋白与带3蛋白相连。该骨架系统赋予红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。4041三、质膜的特化结构三、质膜的特化结构如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛，结构细微，大多只能在电镜下观察到。42（一）微绒毛（一）微绒毛 microvilli是细胞表面伸出的细长突起，直径约为0.1 m。内芯由肌动蛋白丝束组成。肌动蛋白丝
16、之间由许多微绒毛蛋白和丝束蛋白组成的横桥相连。作用：扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。（如小肠上皮细胞微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍）43SEM image of alveolar(Lung)macrophageattacking E.coli.(Show ruffle on the cell surface)（二）皱褶（二）皱褶（ruffle）细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia）。巨噬细胞表面的皱褶与吞噬颗粒物质有关。44（三）内褶（三）内褶（infolding）由细胞质膜表面内陷形成的结构，常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。45（四）（四）纤毛
17、和鞭毛纤毛和鞭毛 cilia&flagella是细胞表面的运动装置，结构相似，都来源于中心粒。其详细结构和功能在细胞骨架一章学习。细菌细胞形态46第三节第三节 跨膜运输跨膜运输Membrane transport47被动运输：被动运输：简单扩散、协助扩散。跨膜运输跨膜运输 主动运输：主动运输：钠钾泵、钙离子泵、质子泵、ABC 转运器、协同运输。膜泡运输：膜泡运输：吞噬作用、胞饮作用、外排作用、穿胞运输、胞内膜泡运输。48被动运输与主动运输49两 类 主 要 转 运 蛋 白：Membrane TransportProteins通道蛋白：能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过。载体蛋白：又称载体、通
18、透酶和转运器。50物质跨膜运输的四种基本方式被动运输被动运输Passive transport物质进出细胞，顺浓度梯度的扩散 方式。51一、简单扩散一、简单扩散也叫自由扩散（free diffusion）沿浓度（或电化学）梯度扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白协助。通透性P=KD/t ，K为分配系数，D为扩散系数，t为膜的厚度。52简单扩散和渗透的比较人工膜对各类物质的通透率：脂溶性越高通透性越大；小分子比大分子易透过；非极性分子比极性容易透过；极性不带电荷的小分子可透过人工脂双层人工膜对带电荷的物质，如离子是高度不通透的。53二、协助扩散二、协助扩散也称促进扩散（facilitateddiff
19、usion）特点：转运速率高；运输速率同物质浓度成非线性关系；特异性（选择性）；饱和性。载体：离子载体、通道蛋白。54（一）离子载体（ionophore）选择地结合专一离子，并携带其穿过不透性膜的脂溶性小分子，能够提高膜对某些离子的通透性。根据改变离子通透性机制的不同，离子载体分为两种类型：通道形成离子载体(channel-forming ionophore)和离子运载的离子载体(ion-carryingionophore)。大多数离子载体是细菌产生的抗生素，能够杀死某些微生物。作用机制：提高了靶细胞膜通透性，使得靶细胞无法维持细胞内离子的正常浓度梯度而死亡。55缬氨霉素(valinomyci
20、n)：链霉菌产生的由12个氨基酸组成的脂溶性环形小肽。将缬氨霉素插入脂质体后，通过环的疏水面与脂双层相连，极性的内部能精确地固定K+。然后向内侧移动通过脂双层，在另一侧将K+释放（运载K+，运载离子载体）。可使K+的扩散速率提高100,000倍。缬氨霉素的化学结构（重复三次的L-缬氨酸、D-羟基异戊酸、D-缬氨酸、L-乳酸盐序列的环状肽）56短杆菌肽A(gramicidin A)杆菌属细菌产生的由15个氨基酸组成的线性肽（8个L-氨基酸，7个D-氨基酸）。具有疏水的侧链，两个分子在一起形成跨膜的通道，所以是一种形成通道离子载体。能够有选择地将单价阳离子顺电化学梯度通过膜，并不显著提高运输速度。
21、可被短杆菌肽A离子通道运输的阳离子 H+、NH4+、K+、Na+、Li+。GramicidinA:an antibiotic that acts as an ion pore57（二）通道蛋白（二）通道蛋白（channel protein）跨膜亲水性通道，允许特定离子顺浓度梯度通过膜蛋白带电荷的亲水区所形成的水性通道，又称离子通道（ionchannel）。通道蛋白参与被动运输，在运输过程中并不与被运输的分子结合，也不会移动，并且是从高浓度向低浓度运输，所以运输时不消耗能量。58有些通道长期开放，如钾通道；有些通道平时处于关闭状态，仅在特定条件下才打开，称为门通道gatedchannel（配体门
22、通道、电位门通道、环核苷酸门通道、机械门通道）。59协助扩散被动运输被动运输主动运输主动运输简单扩散60跨膜运输跨膜运输离子载体通道蛋白(门通道)（载体）膜泡运输膜泡运输通道离子载体(短杆菌肽A)运载离子载体(缬氨霉素)机械门通道配体门通道电位门通道环核苷酸门通道1、配体门通道、配体门通道(ligandgated channel)Ach受体(2)特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改变，“门”打开，又称离子通道型受体。分为阳离子通道（如乙酰胆碱受体）和阴离子通道（如氨基丁酸受体）。当 亚单位结合Ach时，引起通道构象改变，通道瞬间开启，膜外Na+内流，膜内K+外流形成肌细胞动作电位，引起
23、肌肉收缩。Ach释放后，即被乙酰胆碱酯酶水解，通道瞬间内关闭。612、电位门通道、电位门通道(voltage gated channel)特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。结构：四聚体，每个单体跨膜6次。K+、Na+、Ca2+电位门通道结构相似，由同一受器。个远祖基因演化而来。Voltage gated K+channelK+电位门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜螺旋(S1-S6)，N和C端均位于胞质面。连接S5-S6段的发夹样折叠，构成通道内衬，大小允许K+通过。目前认为S4段是电压感62引起钠 Cyclic nucleotide 膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。3、环
24、核苷酸门通道、环核苷酸门通道(cycle nucleotide gated channel,CNG)CNG结构与电位门钾通道相似，也有6个跨膜带电荷片段，整个通道为四聚体结构。细胞内的C末端较长，有环核苷酸的结合位点。分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。Voltage 酶Binding domain如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化 sensor，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，N离子内流，C634、机械门通道、机械门通道(mechanics gated channel)感受各种力学刺激：摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将力刺激信
25、号转化为电/化学信号最终引起细胞响应的过程称为力信号转导（mechanotransduction）。目前比较明确的两类机械门通道：对牵张stretch敏感的离子通道（细胞膜受牵拉引起离子通道开放或关闭）。连接细丝听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理64MSCs65对剪切力shearstress敏感离子通道，多发现于内皮细胞和心肌细胞。Blood flowFluid shear and strain applied to cellsShear stress血流动力对细胞的作用66（三）水的被动运输（三）水的被动运输水不溶于脂，具有极性，水不溶于脂，具有极性，但也很容易过膜。大多数水可直接通过脂双
26、层但也很容易过膜。大多数水可直接通过脂双层进入细胞，部分水是通过进入细胞，部分水是通过水通道蛋白水通道蛋白进行扩散。进行扩散。AQP1是由四个相同的亚基构成，每个亚基的相对分子质量为28 kDa，每个亚基有六个跨膜结构域，在跨膜结构域2与3、5与6之间有一个环状结构，是水通过的通道。67AQP1水通道蛋白水通道蛋白的跨膜结构域阿阿 麦麦美国科学家彼得美国科学家彼得格雷和罗德里克格雷和罗德里克金农，对细胞膜水通道、金农，对细胞膜水通道、离子通道结构和机理研究共享离子通道结构和机理研究共享2003年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。PeterAgreRoderick MacKinnon68主动运输
27、主动运输active transport69定义：物质逆浓度梯度，在载体协助和能量作用下运进或运出细胞膜的过程。特点：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量；都有载体蛋白（泵pump）；选择性和特异性。能量来源：协同运输中的离子梯度动力；ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量；光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。70一、钠钾泵一、钠钾泵构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的四聚体，也叫Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。工作原理：对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type离子泵。每个周期转运个钠离子，个钾离子。钠钾泵的作用：维持细胞的渗透性，保持细胞体积；维持低Na+高K+的
28、细胞内环境；维持细胞的静息电位。71二、钙离子泵二、钙离子泵作用：维持细胞内较低钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M，胞外10-3M）。位置：质膜、内质网膜。类型：P型离子泵，每水解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌细胞内质网上的钙离子泵占肌细胞内质网膜蛋白质的90%。钠钙交换器（Na+-Ca2+exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。Ca+ATPase72P-type：利用ATP使自身磷酸化，发生构象的改变来转移质子。如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。V-type：存在于各类小泡（vacuole）膜上，水解ATP产生能量，但不发
29、生磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。F-type：氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（factor）利用质子动力势合成ATP（释放能量与ATP合成耦联），即ATP合酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上。三、质子泵三、质子泵能逆浓度梯度转运氢离子通过膜的膜整合糖蛋白。泵的驱动依赖于ATP水解释放的能量，在泵出氢离子时造成膜两侧的pH梯度和电位梯度。73四、四、ABC 转运器（转运器（ABC transporter）最早发现于细菌的一种蛋白家族，有两个高度保守的ATP结合区（ATPbinding cassette）。结合ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移
30、至膜的另一侧。一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同成员可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、蛋白质；可催化脂双层的脂类在两层之间翻转。74五、协同运输五、协同运输cotransport靠间接提供能量完成主动运输。所需能量来自膜两侧离子的浓度梯度。动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。根据运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向分为：同向协同（symport）运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。某些细菌对乳糖的吸收伴随着H+的进入。反向协同（antiport）跨膜运输的方向与离子转移的方向相反。如Na+驱动的C
31、l-HCO3-交换，即Na+与HCO3-的进入伴随着Cl-和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。75胞外脂双层细胞质葡萄糖Na+钠驱动的葡萄糖载体蛋白Na+钠浓度梯度ATPADP +PiK+Na+K+ATP酶P119,图 3-67Glucose is absorbed by 76symportComparison of two classes of transportP122,Table 3-877The differenceof active transport betweenanimal and plant cells(P123,Fig.3-71)78膜泡运输膜泡运输active t
32、ransport真核细胞通过内吞作用（endocytosis）和外排作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，通过质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。79细胞内吞较大的固体颗粒物质(大于1m)，如细菌、细胞碎片等。一、吞噬作用phagocytosis80Receptor-mediated endocytosis81参阅 P395,Fig 9-61细胞吞入液体或极小的颗粒物质。细胞不靠通透性而是借助质膜向胞内生芽形成内吞小泡或主动运输方式从外界摄取可溶性物质的过程。二、胞饮作用 pinocy
33、tosis82三、外排作用 exocytosis包含内容物的囊泡移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出细胞之外。exocytosis83在细胞的一侧形成胞饮小泡穿越细胞质，另一侧使小泡中的物质释放出去。如：植物根部细胞对水分、矿物质的运输；母鼠血液中的抗体经穿胞运输进入乳汁。四、穿胞运输（跨细胞运输 transcellular transport）84母鼠抗体的穿胞运输五、胞内膜泡运输（胞内运输intracellular transport）真核细胞内膜系统各个部分之间的物质传递以及与细胞内环境进行的物质交换。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体等。85Next topic:细胞环境与互作86
