细胞质膜与跨膜运输

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1、1,第三章 细胞质膜与跨膜运输Plasma Membrane andTransport Across Membranes,2,Typical plasma Membrane,3,概述红细胞膜结构膜的化学组成膜的分子结构及特点 物质的跨膜运输,4,3.1.1 细胞的膜结构3.1.2 细胞膜的功能,3.1 概述,5,6,细胞内主要的胞质膜,7, 细胞质膜(Plasma Membrane) 内膜系统（Endomembrane System) 生物膜(Biomembrane),请比较质膜、内膜和生物膜在概念上的异同 。,3.1.1 细胞的膜结构,8,细胞膜(cell membrane)又称质膜（pla

2、sma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。真核细胞的生物膜（biomembrane）:细胞的内膜系统（细胞器膜和核膜）和细胞膜（cell membrane）。,9,细胞的生物膜结构,10,细胞质膜模式图,11,3.1.2 细胞膜的功能,界膜和区室化（delineation and compartmentalization) 调节运输（regulation of transport) 功能定位与组织化（localization and organization of function) 信号的检测与传递（detection and transmission o

3、f signal) 参与细胞间的相互作用（intercellular interaction) 能量转换（energy transduction),12,细胞膜的功能,13,有人说红细胞是研究膜结构的最好材料，为什么?,首先是红细胞数量大，取材容易(体内的血库)，极少有其它类型的细胞污染;其次成熟的哺乳动物的红细胞中没有细胞核和线粒体等膜相细胞器，细胞膜是它的惟一膜结构， 所以分离后不存在其它膜污染的问题。,14,3.2 红细胞膜结构 （Erythrocyte Membrane）Red Blood Cells是结构最简单的细胞； 成熟的红细胞没有细胞器； 质膜是红细胞惟一的膜结构； 红细胞质膜

4、易于提纯和分离；,15,3.2.1 Erythrocyte Biology （红细胞的生物学）,红细胞的基本性质 成熟的红细胞呈双面凹或单面凹陷的盘状，直径约为7m，厚度1.7m，表面积为145m2,体积为8.3m3 红细胞的主要功能是携带O2和运输CO2，红细胞的寿命约为120天，一生中要行走500000米。,16,红细胞形态,17,肌体内红细胞的运输作用,18,1925年两位荷兰科学家E.Gorter和 F.Grendel根据对红细胞质膜的研究首次提 出质膜的基本结构是脂双层(lipid bilayer) 。实验结果证明红细胞膜脂与表面积之比约 为1.82.21。,19,推测双脂层的实验,

5、20,3.2.3 红细胞质膜 （Erythrocyte Membrane ）,问题提出的依据行程500,000米要多次穿过小于自身直径一半的微小通道;要在脾脏内经受少氧、低pH值的不利条件;又要经过心脏内瓣膜涡流冲击，但始终保持结构的完整。？,21,红细胞膜骨架 （Erythrocyte Membrane Skeleton）在内侧有一种特殊的结构，是由膜蛋白和纤维蛋白构成的网架，它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成各种生理功能。,22,红细胞血影,23,人红细胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分部,红细胞膜蛋白的组成几种主要的红细胞膜蛋白是 血影蛋白(spectrin) 血型糖蛋白A(gly

6、cophorin A) 带3蛋白(band 3 protein) 肌动蛋白(actin) 锚定蛋白(ankyrin) 带4.1蛋白(band 4.1 protein) 内收蛋白(adducin)(其中血影蛋白、血型糖蛋白、带3蛋白约占膜蛋白的60% 以上),24,Erythrocyte Membrane Skeleton,25,红细胞膜骨架的形成红细胞膜骨架蛋白 （Erythrocyte Membrane Skeleton Proteins ）的主要成分包括: 血影蛋白、肌动蛋白、锚定蛋白、带4.1蛋白，内收蛋白等，这些都是外周蛋白。,26,27,红细胞膜骨架组织,28,3.3 膜的化学组成,

7、细胞膜主要由脂质和蛋白质组成, 还含少量的糖类,29,3.3.1 Membrane Lipids（膜脂）膜脂主要包括磷脂、鞘脂和胆固醇三种类型。,30,磷脂(phospholipids) 动、植物细胞膜上磷脂约占膜脂的50%以上； 磷脂分子的亲水端是磷酸基团，称为头部； 磷脂分子的疏水端是两条长短不一的烃链, 称为尾部,一般含有1424个偶数碳原子； 其中一烃链常含有一个或数个双键,双键的存在造成这条不饱和链有一定角度的扭转。 类型：分为甘油磷脂和鞘磷脂。,31,Phospholipids,32,胆固醇(Cholesterol) 胆固醇一般存在于真核细胞膜中： 动物细胞膜胆固醇的含量较高 大多

8、数植物细胞质膜中没有胆固醇 胆固醇分子包括三部分: 极性的头部：羟基 非极性的类固醇环结构 一个非极性的碳氢尾部。,33,Typical Cholesterol,34,胆固醇在脂双层中的位置,35,鞘脂(Sphingolipid)糖脂普遍存在于原核和真核细胞膜上,含量约占膜脂的5%以下; 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂,它仅有一个半乳糖作为极性头部; 变化最多、最复杂的是神经节苷脂,它是神经元质膜具有的特征性成分。,36,膜脂的功能 构成膜的基本骨架，去除膜脂，则使膜解体; 是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能; 膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活

9、性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应); 膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。,37,膜脂具有自我装配的能力,38,脂质体(Liposome) 磷脂分子自我装配形成脂双层的球形颗粒结构，称为脂质体 脂质体可用作生物膜的研究模型，并可作为生物大分子与药物的运载体，因此脂质体不仅是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料，同时在基因转移药物治疗方面有着诱人的应用前景。,39,脂质体的形成,40,41,3.3.2 MEMBRANE PROTEINS （膜蛋白）,生物膜的特定功能主要是由蛋白质完成的; 膜蛋白约占膜的40%50%,

10、有50余种膜蛋白; 在不同细胞中膜蛋白的种类及含量有很大差异。有的含量不到25%, 有的达到75%; 一般来说,功能越复杂的膜, 其上的蛋白质含量越多。,42,不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量,43,膜蛋白是膜功能的主要体现者。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为：内在蛋白（integral protein） 外周蛋白（peripheral protein） 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）,膜蛋白的分类,44,蛋白与膜的结合方式 、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白,45,整合蛋白(Integral Proteins) 部分或全部镶嵌在细胞膜

11、中或内外两侧的蛋白质； 根据跨膜次数将跨膜蛋白分为单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等； 整合蛋白约占膜蛋白的70-80%,46,Integral Proteins,47,整合蛋白与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来，常用SDS和Triton-X100。,48,十二烷基磺酸钠(SDS)和Triton X-100都是去垢剂，哪一种可用于分离有生物功能的膜蛋白?,去垢剂可分为离子型和非离子型两种。十二烷基磺酸钠(SDS)是常用的离子型去垢剂，它不仅可使细胞膜崩溃，并与膜蛋白的疏水部分结合使其分离，而且还破坏膜蛋白内部的非共价键，使蛋白变性，所以不宜用于分离有功能的膜蛋

12、白。Triton X-100是温和性去垢剂，它可以使膜脂溶解，又不使蛋白变性，可分离到有生物功能的膜蛋白。,49,膜周边蛋白质(peripheral proteins) 膜周边蛋白质为水溶性; 占膜蛋白总量的20%30%,在红细胞中占50%,如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是膜周边蛋白质。,50,Peripheral Proteins,51,膜周边蛋白质又称为外周蛋白、外在蛋白（extrinsic protein）为水溶性的，分布在细胞膜的表面，靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。,52,脂锚定蛋白(Lip

13、id-anchored proteins ) 又称脂连接蛋白(lipid-linked proteins), 以共价结合的方式锚定在脂上。 有两种方式： 一种方式是通过一个糖分子间接同脂双层中的脂结合； 一种是蛋白质直接与脂双层中的脂结合。,53,脂锚定蛋白通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。分两类，一类是糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC就是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。,54,Lipid-anchored proteins,55,膜蛋白的功能 运输

14、蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白，转运特殊的分子和离子进出细胞; 酶：有些是酶，催化相关的代谢反应; 连接蛋白：有些是连接蛋白，起连接作用； 受体：起信号接收和传递作用。,56,FUNCTIONS OF MEMBRANE PROTEINS（膜蛋白的功能）,57,某些膜蛋白及其功能,58,3.3.3 Membrane Carbohydrates（膜糖）,根据细胞类型的不同，膜糖约占膜成分的210%； 细胞质膜上的膜糖都位于细胞质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则面向膜的腔面。,59,自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种, 而在动物细胞膜上的主要是7种： D-葡萄糖（D-

15、Glucose) D-半乳糖 (D-galactose) D-甘露糖 (D-mannose) L-岩藻糖 (L-fucose) N-乙酰半乳糖胺 (N-acetyl-D-galactosamine) N-乙酰基葡萄糖胺 (N-acetyl-glucosamine) 唾液酸 (sialic acid)。,60,膜糖的存在方式 糖同氨基酸的连接主要有两种形式： N-连接：即糖链与肽链中天冬酰胺残基相连 O-连接：则是糖链与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连,61,糖与多肽连接的两种方式,62,糖脂是如何决定血型的?ABO血型是由ABO血型抗原决定的， 称为ABO血型决定子(determinant)，它

16、是一种糖脂， 其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用。ABO血型决定子是短的、分支寡糖链，如A血型的人具有一种酶，这种酶能够将N-乙酰半乳糖胺添加到糖链的末端；B血型的人具有在糖链末端添加半乳糖的酶，AB血型的人具有上述两种酶；O血型的人则缺少上述两种酶，在抗原的末端既无N-乙酰氨基半乳糖，又无半乳糖。,63,糖脂如何决定血型的？,ABO 血型抗原,膜糖的功能,提高膜的稳定性帮助蛋白质进行正确的折叠和维持正确 的结构参与细胞识别、细胞黏着,65,3.4 质膜的分子结构,3.4.1 STRUCTURE MODELS（结构模型） 1890s,E.Overton 发现了脂溶性物质容易透过细胞, 提出了脂肪栅的膜结构设想。, Irving Langmuir将红细胞的脂提取后铺展在Langmuir 水盘(Langmuir Trough)的水面上(图3-8)，提出脂单层(lipid monolayer)的设想。1925年, 荷兰的两位科学家E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出质膜的脂双层(lipid bilayer)结构,