细胞膜与物质的跨膜运输

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1、第四章第四章 细胞膜与物质的跨膜运输细胞膜与物质的跨膜运输教学基本要求教学基本要求细胞生物学教研室：居中华细胞生物学教研室：居中华教学主要内容教学主要内容1. 细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成与生物学特性与生物学特性 （1）细胞膜的化学组成 （2）细胞膜的不对称性和流动性 （3）细胞膜各模型 2.小分子物质的穿膜运输小分子物质的穿膜运输 简单扩散，易化扩散，主动运输，水通道扩散等。 3.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 胞吞作用，胞吐作用,膜流，蛋白质分选等。 4. 细胞膜细胞膜异常异常与与疾病等。疾病等。第四章第四章 细胞膜与物质的跨膜运输细胞膜与物质的跨膜运输引言引言一

2、、膜与细胞一、膜与细胞细胞膜细胞膜细胞细胞内膜系统膜内膜系统膜区域化、物质运输、特异化等。区域化、物质运输、特异化等。古老的原核细胞真核细胞进化中的原核细胞二、细胞的三个层次二、细胞的三个层次Cell surface: plasma membrane, cell coat, cytosolic layer, cell junction, cell membranes specific structure, cell membrane skeleton. 精子的鞭毛精子的鞭毛Human sperm flagella输卵管上皮细胞输卵管上皮细胞cilia in oviducts epithelia

3、l cell小肠上皮细胞的微绒毛小肠上皮细胞的微绒毛（microvilli）和细胞外被和细胞外被(glycocalyx)红细胞膜骨架红细胞膜骨架Red blood cells cell membrane skeleton胞质溶胶胞质溶胶( (cytosolic layer )： 1.1.结构：结构： 是与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网状结构。厚度为 0.2um，无细胞器。有时也称膜骨架。 2.2.功能；功能； 维持膜形状,协助膜完成多种功能，如: 膜流动、膜物质交 换、内吞、外排等.三、细胞膜功能简述：三、细胞膜功能简述：1. 稳定细胞内环境。稳定细胞内环境。2. 完成细胞内外交换（物质、能量

4、、信息等完成细胞内外交换（物质、能量、信息等)。3. 细胞间连接中介。细胞间连接中介。4. 增加代谢反应速度。增加代谢反应速度。第一节第一节 细胞膜的化学组成和生物学特性细胞膜的化学组成和生物学特性一、细胞膜的化学组成一、细胞膜的化学组成细胞膜成分：细胞膜成分：水水（5%）、膜脂、膜脂（40%）、膜蛋白、膜蛋白 （3550）、糖类、糖类（1%10%）、无机盐、无机盐、DNA等等（1%）。2. 细胞膜化学组成的一般描述细胞膜化学组成的一般描述膜成分一般描述（续）膜成分一般描述（续）PEPSPC?3. 糖脂糖脂(glycolipid):（1）糖脂的糖脂的结构：结构：单糖或寡糖与膜脂的磷酸、甘油的羟

5、 基共价连接，双亲媒性。（2）糖脂的特点：糖脂的特点： 1）膜脂的单糖只有）膜脂的单糖只有9种：种： 葡萄糖、葡萄糖胺、乙酰葡萄糖、半乳糖、半乳糖胺、乙酰 氨基半乳糖、甘露糖、岩藻糖、唾液酸。 2）糖链分布于细胞膜外侧面（非胞质面）糖链分布于细胞膜外侧面（非胞质面） 3）细菌和植物细胞糖脂几乎是甘油类糖脂，动物的几乎是）细菌和植物细胞糖脂几乎是甘油类糖脂，动物的几乎是 鞘氨醇类糖脂。鞘氨醇类糖脂。 4）糖脂存在多态现象）糖脂存在多态现象 5）糖脂功能多样）糖脂功能多样：抗原、细胞识别、抗消化、不清楚等。例：例： 半乳糖脑苷脂半乳糖脑苷脂:头部仅连半乳糖，髓鞘中含头部仅连半乳糖，髓鞘中含40%。

6、 神经节苷脂神经节苷脂:头部连多个单糖外加唾液酸，神经细胞膜含头部连多个单糖外加唾液酸，神经细胞膜含7%4. 脂质体脂质体(1iposome):1.结构：结构：双层磷脂分子膜膜泡双层磷脂分子膜膜泡 2. 分类：分类：单层、多层单层、多层水面单层磷脂、分子团、脂质体、单孔膜。水面单层磷脂、分子团、脂质体、单孔膜。1）DNA转导实验研究：转导实验研究：离子脂质体、如：1ipofectmin等。2）药物靶治疗：）药物靶治疗：用特定抗体介导脂质体。1）单）单螺旋链：螺旋链：20Aa左右组成螺旋，疏水氨基酸在外，亲水的在内，不能弯 曲，大部分穿膜段结构！2）多）多螺旋链组合：螺旋链组合：几个螺旋组合，每

7、个螺旋在靠近疏水层的氨基酸是疏氨基酸， 膜内外侧是亲水氨基酸，可以形成亲水通道，例：例：红细胞膜红细胞膜K+离子通道离子通道3）多）多折叠组合折叠组合：几条反平行链组成筒状也称筒筒，中间亲水孔径大成。例：例：线粒体外膜孔道蛋白、线粒体外膜孔道蛋白、大肠杆菌膜上运输铁离子蛋白由大肠杆菌膜上运输铁离子蛋白由22条组成。条组成。 线粒体外膜的孔道蛋白线粒体外膜的孔道蛋白膜内在蛋白结构不对称性：膜内在蛋白结构不对称性：膜内侧二硫键少膜内侧二硫键少膜外侧二硫键多，膜外侧二硫键多，运输蛋白是膜内在运输蛋白是膜内在 蛋白吗？蛋白吗？问：下列膜蛋白链的穿膜方式？问：下列膜蛋白链的穿膜方式？单次穿膜蛋白多次单次

8、穿膜蛋白多次螺旋穿膜蛋白螺旋穿膜蛋白筒穿膜蛋白筒穿膜蛋白 膜内一侧以疏水膜内一侧以疏水螺旋埋入的蛋白。螺旋埋入的蛋白。（1）特点：特点：蛋白以共价键与膜脂相连接，蛋白质本身在膜内蛋白以共价键与膜脂相连接，蛋白质本身在膜内、外侧面外侧面， 蛋白位置的自由度？分离难度？蛋白位置的自由度？分离难度？（2）连接类型：连接类型：1）与）与膜脂的膜脂的肪酸链相连接肪酸链相连接：分布在膜内侧面，该脂肪酸为豆蔻 酸、棕榈酸等。 例例：信号传导G蛋白，G链的N与棕榈酸连接。2）与膜脂的寡糖链相连：）与膜脂的寡糖链相连：分布在膜外侧面，该糖链为磷脂酰肌 醇分子的糖链，磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI-锚定蛋白）。 例例

9、：膜外侧的水解酶、黏附分子等。问：下列是何种膜蛋白？问：下列是何种膜蛋白？（三）（三）膜糖：膜糖：110，单糖种类？单糖种类？ 位置？分类？位置？分类？1. 糖脂糖脂（glycolipid)：膜脂共价连接一条寡链，占膜脂的膜脂共价连接一条寡链，占膜脂的10%2. 糖蛋白糖蛋白（glycoprotein)：膜蛋白共价连接一条或多条寡糖链，占细胞蛋白膜蛋白共价连接一条或多条寡糖链，占细胞蛋白90%。 （1）N型连接糖蛋白：型连接糖蛋白： 糖链与肽链中的天冬酰胺连接，糖链较长，约含糖链与肽链中的天冬酰胺连接，糖链较长，约含10多个单糖多个单糖（2）O型连接糖蛋白：型连接糖蛋白： 糖链与肽链中的丝氨酸

10、或苏氨酸连接，糖链较短，约含糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸连接，糖链较短，约含4个糖。个糖。问：问：N型连接糖蛋白与型连接糖蛋白与O连接糖蛋白有何区别？连接糖蛋白有何区别？（3）蛋白聚糖）蛋白聚糖（proteoglycans）:多聚糖链与膜蛋白共价连接，单糖数量巨大、分支多、常是糖多聚糖链与膜蛋白共价连接，单糖数量巨大、分支多、常是糖 胺聚糖。组成细胞膜外被，细胞外基质等。胺聚糖。组成细胞膜外被，细胞外基质等。细胞外被细胞外被(cell coat)或称或称糖萼糖萼(glycocalyx)定义定义:细胞膜外表面富含糖类的区域细胞膜外表面富含糖类的区域作用作用: 滑润、保护、抗感染、供能滑润、保护、

11、抗感染、供能等。等。膜糖的功能：膜糖的功能：1）保护细胞）保护细胞:保护细胞免受机械和化学损伤。保护细胞免受机械和化学损伤。 2）阻止细胞黏结：）阻止细胞黏结：保持一定距离、阻止蛋白与蛋白作用。保持一定距离、阻止蛋白与蛋白作用。 3）识别细胞：）识别细胞： 例例1：细胞分离与聚集实验细胞分离与聚集实验 例例2：受精过程中精子能识别卵子糖萼中的特殊寡糖。受精过程中精子能识别卵子糖萼中的特殊寡糖。例：例： ABOABO血型决定的糖蛋白血型决定的糖蛋白抗原：抗原： A A型：型： H H物质物质+N-+N-乙酰半乳糖；乙酰半乳糖；B B型型：H H物质物质+ +半乳半乳 糖：糖：ABAB型：型： ？

12、；？； O O型型：？；：？； 孟买型孟买型：？镶嵌蛋白镶嵌蛋白小结：细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成细胞膜细胞膜膜脂膜脂膜蛋白膜蛋白膜糖膜糖糖脂糖脂糖蛋白糖蛋白N型连接糖蛋白型连接糖蛋白O型连接糖蛋白型连接糖蛋白（一）不对称性（一）不对称性(asymmetry)二、细胞膜的生物膜的特征二、细胞膜的生物膜的特征2. 膜糖的不对称性膜糖的不对称性：种类和分布都是绝对不对称。种类和分布都是绝对不对称。（二）流动性（二）流动性(fluidity) （1）膜脂分子流动类型：）膜脂分子流动类型： 1）侧向扩散）侧向扩散 107次次/秒秒,或或1-2um/s， 细菌需细菌需1秒、细胞需秒、细胞需20秒。秒

13、。2）翻转运动）翻转运动 1次次/月，月， 内质网膜有磷脂转位内质网膜有磷脂转位 翻转酶。翻转酶。1. 膜脂分子的运动膜脂分子的运动3）旋转运动：）旋转运动： 速度快。速度快。 4）弯曲运动：）弯曲运动： 磷酸端摆动小磷酸端摆动小 5)伸缩振荡运动：伸缩振荡运动：总结：总结： 侧向扩散侧向扩散 )翻转运动翻转运动 旋转运动旋转运动弯曲运动弯曲运动 伸缩振荡运动伸缩振荡运动2. 影响膜脂运动的因素影响膜脂运动的因素引言：引言：液态相液态相（快速流动态）（快速流动态）和和 晶态相晶态相(凝胶状态凝胶状态) 相变温度相变温度, 区域流动不均。区域流动不均。调节膜脂调节膜脂 流动的方流动的方 法？法？

14、1）脂酸链不饱和度脂酸链不饱和度：成成反反比比， 去饱和酶调节去饱和酶调节 问：为何磷脂分子常是一条不和另一条不饱？问：为何磷脂分子常是一条不和另一条不饱？ 2）脂酸链长度）脂酸链长度： 成反比成反比 3）胆固醇的双重作用：胆固醇的双重作用： 双向调节原理：双向调节原理： 在相变温度之上时，抑制磷脂尾的旋转异构，调低流动。 在相变温度下时，阻止膜晶格形成，调高流动。 胆固醇上下膜翻转频繁 使相变温度范围变宽。胆固醇胆固醇调节细胞膜流动的实验证据调节细胞膜流动的实验证据例例1: 培养细胞中如无胆固醇细胞膜会崩解。培养细胞中如无胆固醇细胞膜会崩解。例例2: 动物细胞含胆固醇多，细胞膜坚韧！动物细胞

15、含胆固醇多，细胞膜坚韧！ 植物细胞膜含量胆固醇少植物细胞膜含量胆固醇少 细胞膜？细胞膜？ 细菌细胞膜不含胆固醇细菌细胞膜不含胆固醇4）卵磷脂比鞘磷脂：卵磷脂比鞘磷脂：卵磷脂比鞘磷脂含更多不饱和脂肪酸，卵磷脂比鞘磷脂的卵磷脂比鞘磷脂含更多不饱和脂肪酸，卵磷脂比鞘磷脂的 粘度小粘度小6倍倍。 例例:深海鱼油、脑黄金与衰老细胞。深海鱼油、脑黄金与衰老细胞。5）蛋白质含量：蛋白质含量： 膜蛋白界面脂膜蛋白界面脂分子分子流动性慢，相变温度范围变宽。流动性慢，相变温度范围变宽。6）温度、离子强度、酸碱度等。温度、离子强度、酸碱度等。3. 膜蛋白的运动性膜蛋白的运动性（1）类型）类型: 侧向扩散、侧向扩散、

16、 旋转运动旋转运动1）侧向扩散）侧向扩散 a.人小鼠细胞融合实验：人小鼠细胞融合实验：膜抗原荧光标记膜抗原荧光标记融合融合10分钟后开始扩散分钟后开始扩散40分钟后完全扩散，荧光显微镜观察到两分类荧光分子混杂。分钟后完全扩散，荧光显微镜观察到两分类荧光分子混杂。b.光漂白和恢复实验：光漂白和恢复实验：测出测出510-11cm2/s, 膜蛋白质比膜脂运动慢得多，膜蛋白质比膜脂运动慢得多，问：问：为什么膜蛋白在人工膜中运动得比较快很快为什么膜蛋白在人工膜中运动得比较快很快?2）旋转运动：）旋转运动：不需要细胞供能不需要细胞供能, 速度慢。速度慢。（2）影响膜蛋白运动的因素：）影响膜蛋白运动的因素：1）膜脂流动性）膜脂流动性 2）蛋白质相互作用）蛋白质相互作用 如如:膜骨架的作用。膜骨架的作用。 3）蛋白