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1、第四章 细胞膜、物质跨膜运输与信号转导,单位膜：指任何生物膜在电镜下都呈现“两暗一明”三层结构，这三层结构称为单位膜。,生物膜,细 胞 膜,细胞内膜,生物膜(biomembrane）,细胞膜,细胞质,一、细胞膜的化学组成,脂类 50%,蛋白质 40-50%,糖类 1-10%,细胞膜,第一节 细胞膜的化学组成与分子结构,一般地说：功能多而复杂的膜，蛋白质/脂类 大；功能少而简单的膜，蛋白质/脂类 小。,膜 脂,磷 脂： 最重要的脂类,糖 脂,胆固醇,（一）膜脂构成细胞膜的基本骨架,膜脂：,生物膜上的脂类统称膜脂。,磷脂,磷脂酰肌醇,磷脂酰胆碱（卵磷脂）,磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）,磷脂酰丝氨酸,磷酸
2、甘油酯,神经鞘磷脂：,鞘磷脂,1、磷脂,极性头部基团（亲水）,非极性尾部基团（疏水）,X,甘 油,磷 酸,磷酸化醇,磷脂的分子结构特点： 双亲性分子 （兼性分子）1个亲水头部（磷脂酰碱基） 2条疏水尾（脂肪酸链）,Cell membrane - Structure,半乳糖苷脂,糖 脂 分 子,2、糖脂,3、胆固醇,极性头部,固 醇 环 结 构,非极性尾部,功能：双向调节膜的流动性，增强膜的稳定性,水,水,水,磷脂分子团,磷脂双分子层,磷脂脂质体,实验显示：质膜由两层磷脂分子层组成,（二）膜蛋白执行细胞膜的多种功能,膜蛋白：生物膜所含的蛋白质。,膜蛋白,外在膜蛋白（外周蛋白）：2030%,内在膜
3、蛋白（跨膜蛋白）：7080%,脂锚定蛋白：,1.单 次 穿 膜：,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,3,4,5,2.多 次 穿 膜：,3.直接与脂双层的碳氢链形成共价键进行锚定,4.通过与非胞质面的磷脂酰肌醇（GPI）结合的寡糖链结合而被锚定：,脂锚定蛋白,5.外在蛋白：,内在蛋白,膜糖类,糖类(10%)+膜脂,共价键,糖 脂,糖类(90%)+膜蛋白,糖蛋白,共价键,脂双层,膜蛋白,细胞衣,膜糖类分布特点：,膜的非胞质面,细胞表面（cell surface）：是以质膜为主体，包括质膜和质膜外侧的细胞外被和质膜内侧的胞质溶胶层共同组成的一个多功能复合结构体系。,2.细胞外被（细胞衣、糖萼）中的
4、糖类 与糖蛋白和糖脂相连的糖链。 被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白的糖链。,流动性和不对称性,二、细胞膜的特性,（一）不对称性,1、膜脂分布的不对称性,：种类、数量有明显不同。,胞质侧：磷脂酰乙醇胺 和 磷脂酰丝氨酸,非胞质侧：磷脂酰胆碱 和 鞘磷脂、胆固醇、糖脂,2、膜蛋白分布的不对称性,：分布位置、数量、穿膜方向、活性位点内外不对称,（细胞膜内层多于外层）,糖蛋白、糖脂上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。,3、膜糖类分布的不对称性：非胞质面,4.细胞膜内侧面分布有微管、微丝,不对称性的生物学意义：决定了膜内外表面功能的不对称性。,（1）侧向扩散,（2）旋转运动,（3）翻转运动,膜脂分子的运
5、动方式,（4）弯曲运动,（5）伸缩和振荡运动,2. 膜脂的流动性,3.影响膜脂流动性的因素,1.脂肪酸链的饱和程度,2.脂肪酸链的长度,3.胆固醇的影响,4.卵磷脂/鞘磷脂的比例,6.其它因素,饱和程度高，流动性小 饱和程度低，流动性大,链长，流动性小 链短，流动性大,双向调节膜的流动性。浓度越高，膜流动性越趋于稳定。,此比例小，流动性小 此比例大，流动性大,环境温度，PH、离子强度等,5.膜蛋白的影响,越多，流动性越小,4、膜蛋白的流动性,膜蛋白分子的运动方式,（1）侧向扩散,（2）旋转运动,小鼠细胞,人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）,异核细胞,小鼠膜蛋白抗体 + 荧光素,人膜蛋白抗体 + 罗
6、丹明,小鼠膜蛋白抗体 +小鼠膜蛋白（抗原）,人细胞,孵育（37，40分钟）,三、细胞膜的分子结构模型,1.生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。,2. 膜蛋白以各种形式与脂质双分子层结合。,4.细胞膜具有流动性，膜上各成分处于动态平衡之中,3.细胞膜具有不对称性,镶嵌蛋白界面脂,要点： 1.膜蛋白对脂类分子流动性的控制作用，呈小片点状 分布。2.脂类分子流动的不均一性说明了生物膜既 有流动性又有相对完整性和稳定性。,晶格镶嵌模型,晶格,Jain & White (1977)要点： 流动的脂质双分子层中存在许多大小不同、刚性较大、彼此独立移动的脂质区(有序结构的板块)； 有序结构的板块之
7、间被流动的脂质区(无序结构的板块)所分割； 生物膜是因不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。,板块镶嵌模型,细胞膜的物质运输,膜内外物质的运输,小分子、 离 子,大分子、 颗粒,胞吐作用,胞吞作用,跨膜运输,膜泡运输,简单扩散,主动运输,易化扩散,被动运输,高浓度,低浓度,脂质双分子层,电化学梯度,一 简单扩散 free diffusion,简单扩散：,1、物质的转运是从高浓度向低浓度方向 2、不耗能 3、溶质能直接透过膜,第二节 小分子物质的跨膜运输,能进行简单扩散的物质： 脂溶性物质如苯、醇、甾类激素以及O2、N2等； 某些极性分子(如水、尿素、甘油、CO2等)，不带电荷，分子小；,肺泡与肺
8、毛细血管之间的气体交换,二、膜转运蛋白介导的跨膜运输,易化扩散：,1、物质的转运是从高浓度（电化学梯度）向低浓度（电化学梯度）方向 2、不耗能能量，属于被动运输 3、被转运物质为非脂溶性（或亲水性）的小分子，需要膜转运蛋白（载体蛋白或通道蛋白）协助,膜转运蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度,通道蛋白,离子通道扩散的特点：,通道蛋白在转运过程中不与溶质分子结合 对离子大小和所带电荷具有高度选择性 转运速率高 多数通道蛋白不持续开放，受“闸门”控制,（一）通道蛋白（离子通道）介导的易化扩散,配体门控通道 电压门控通道 应力激活通道,门控通道的类型,高浓度,低浓度,电化学梯度,(1)配体门控通道,典型
9、配体门控通道：乙酰胆碱受体,(2)电压门控通道,闸门开放时间只有几毫秒，随即迅速自发关闭 电压门控通道存在于可兴奋细胞，如神经元细胞、肌细胞,（二）载体蛋白介导的易化扩散,载体蛋白可运输一些亲水性物质，如：氨基酸、葡萄糖、核苷酸。,载体蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度,被转运物质与载体暂时、可逆结合借助构象变化完成运输选择性和特异性可饱和性，存在最大转运速度,载体介导的易化扩散特点：,（三）载体蛋白介导的主动运输,逆浓度梯度或电化学梯度需要能量需载体蛋白参与,主动运输：,1 ATP驱动泵：钠钾泵,化学本质：Na-K ATP酶（既是载体又是酶）,化学组成：,Na+-K+ATP酶,大亚基：,小亚基
10、：,跨膜蛋白，,催化部位，,内侧：,Na+、ATP的结合部位,外侧：,K+、乌本苷结合部位,膜外半嵌入的糖蛋白，,作用不详。,细 胞 内,浓度梯度30倍,浓度梯度13倍,Na+,K+,Na+,Na+,Na+,Pi,Na+,K+,K+,钠结合部位,K+,Pi,钾结合部位,运输过程：,Na+,K+,细胞 外,工作效率,1个ATP酶分子每秒钟水解1000个ATP分子；,每水解1分子ATP所释放的能量可泵出3个Na+，同时泵入2个K+。,生理意义,A、维持渗透压，维持恒定的细胞体积,B、产生和维持膜电位；,C、为某些物质的吸收提供驱动力,D、为蛋白质的合成及代谢活动提供必要的离子浓度,Ca2泵Ca2-
11、 ATP酶,分布位置：肌细胞的肌浆网、所有真核细胞的细胞膜 作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内Ca2+浓度10-7 M，细胞外10-3 M） 工作原理：与Na+-K+泵相似，通过磷酸化和去磷酸化过程使构象改变，结合与释放Ca2+ 特性：泵出2个Ca2+ /每分子ATP 。,2、离子浓度驱动的协同运输,间接消耗ATP，动力来自膜两侧Na+（或H+）电化学梯度 协同运输过程由特异的载体蛋白完成 同向运输与对向运输（根据溶质运输方向与Na+顺浓度转移方向）,共运输（同向运输）：物质运输方向与Na+转移方向相同，如小肠上皮细胞、肾小管上皮细胞对葡萄糖、氨基酸的吸收,Na+,葡萄糖,2Na+/1分
12、子葡萄糖,对向运输：物质运输方向与Na+转移方向相反 举例 动物细胞Na+/H+交换载体（利用Na+顺浓度内流排出细胞内的H+以调节细胞内PH值）Na+/Ca+交换载体（利用Na+内流排出细胞内的Ca+）,壁细胞分泌盐酸时其质膜上多种转运蛋白的协同作用,小分子物质 跨膜运输,被动运输,简单扩散,主动运输,易化扩散,Na-K泵,Ca2+-pump,Na-葡萄糖协同运输,小 结,Na-H+协同运输,巨噬细胞,细胞核,细胞质,第三节 大分子和颗粒物质的膜泡运输,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,
13、细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,细胞的吞噬作用过程,膜的融合与断裂、耗能,吞噬作用,胞饮作用,吞噬体,胞饮体,膜泡运输,胞吞作用,胞吐作用,胞饮作用,吞噬作用,受体介导的内吞作用,1 吞噬作用,仅部分细胞具有吞噬功能，如中性粒细胞、 单核细胞、巨噬细胞 吞噬的对象为入侵的微生物，损伤和死亡 的细胞等 起防御作用,一 胞吞作用,2 胞饮作用,绝大多数细胞具有胞饮功能 细胞进行胞饮时会吞入大量细胞外液,1.概念：是细胞通过受体的介导摄取细胞外专一性 蛋白质或其他化合物的过程。 2. 特点：1.存在配体受体的识别、结合过程，特异性极强2. 具有选择浓缩作用，不需要吞入大量细胞外液；3.网格蛋
14、白包被的膜泡(coated vesicle)运输；,3 受体介导的内吞作用,低密度脂蛋白颗粒,实例：,细胞摄取LDL颗粒，获得胆固醇,LDL颗粒（低密度脂蛋白）,LDL受体,有被小窝,有被小泡,内吞,去被,无被小泡,胞内体,融合,受体与LDL颗粒分开,含受体部分,受体再循环,含LDL颗粒部分,内体性溶酶体,融合,吞 噬 性 溶 酶 体,游离胆固醇,释出,有被小窝（coated pit）：是质膜上受体集中的特定区域，此区域质膜向内凹陷，内表面覆盖一层由网格蛋白和衔接蛋白组成的毛刺状电子致密物。,有被小泡（coated vesicle）：有被小窝形成后进一步内陷，与质膜断离后形成有被小泡进入细胞。
15、,被,网格蛋白:捕获膜受体，牵拉质膜内陷形成有被小泡,衔接蛋白：连接网格蛋白与受体，参与“被”的形成,网格（笼形）蛋白包被的膜泡,受体向有被小窝集中与LDL结合，有被小窝凹陷、缢缩形成有被小泡进入细胞；有被小泡迅速脱去外被形成无被小泡；无被小泡与内体融合，在内体酸性环境下LDL与受体解离；受体经转运囊泡返回质膜，被重新利用。含LDL的内体与溶酶体融合，LDL被分解释放出游离胆固醇。,LDL受体介导的胞吞作用,二、胞吐作用,适用对象激素酶类抗体 未消化的食物残渣,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出细胞之外的过程。,(一) 连续性分泌,定义：连续性分泌途径指分泌蛋白在粗面内质网合成后，转运至高尔基复合体修饰、浓缩、分选、装入分泌膜泡，随即被运送到细胞膜，与质膜融合，将分泌物排出的过程。 分布：普遍存在于所有的动物细胞中,(二) 受调分泌,定义：调节性分泌途径是指细胞分泌蛋白合成后被储存于分泌囊泡内，只有当细胞接受到细胞外信号的刺激，才能启动胞吐过程，将分泌物释放到细胞外。 分布：存在于分泌激素、酶、神经递质的特化细胞中。,
