细胞生物学细胞膜.ppt

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1、第四章 细胞膜与物质的跨膜运输,第一节 细胞膜的化学组成和分子结构 第二节 小分子物质的跨膜运输 第三节 大分子和颗粒物质的跨膜运输 第四节 细胞连接 第五节 细胞膜与疾病,主要内容,第一节 细胞膜的化学组成和分子结构,细胞膜（cell memberane) 又称质膜（plasma membrane） 细胞内膜 ( endomembrane ) 统称生物膜 (biology membrane ),一、生物膜的化学成分,膜 脂: 膜的基本骨架。 膜蛋白: 膜功能的主要体现者。 膜糖类: 糖脂、糖蛋白。,细胞膜的化学组成和分子结构,细胞膜的化学组成和分子结构,（一）膜脂,生物膜上的脂类统称膜脂。,

2、生物膜的化学组成,膜脂主要包括磷脂、糖脂、胆固醇。,膜脂是双亲性分子：具有极性头部和非极性的尾部。,磷脂：膜的基本成分，约占膜脂的50以上。,生物膜的化学组成,鞘磷脂(SM),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),磷脂,甘油磷脂,胆 碱,磷 酸,甘 油,极性头部（亲水基团）,非极性尾部（疏水基团）,磷脂酰胆碱的分子结构,质膜中的主要磷脂分子,2. 胆固醇：,特点：双亲性分子。含量一般不超过膜脂的1/3。,功能：增加膜稳定性，调节膜的流动性。,生物膜的化学组成,胆固醇主要存在 于真核细胞膜的磷脂分子之间，头部紧靠磷脂极性头部，其余部分游离

3、。,生物膜的化学组成,组成： 寡糖+脂类。约占脂总量的5以下。 定位：动物细胞膜的表面，位于膜的非胞质面。 结构：双亲性分子，亲水的极性头部由糖基构成， 疏水的非极性尾部为脂肪酸链。 功能：作为分子受体，与细胞识别及信号转导有关。,3. 糖脂：,生物膜的化学组成,Glycolipids,生物膜的化学组成,半乳糖脑苷脂,神经节苷脂,唾液酸,膜脂在水溶液中自动形成双层,球状 分子团,脂质体,（二）膜蛋白,1. 膜蛋白的主要功能： 转 运蛋白：转运分子进出细胞 受 体：接受外界信号并传至细胞内 连 接 体：支撑连接细胞骨架成分和间质成分 酶 蛋 白：催化作用,生物膜的化学组成,（二）膜蛋白,2. 膜

4、蛋白的类型,外在膜蛋白（extrinsic proteins）（周围蛋白）,内在膜蛋白（intrinsic proteins）（整合蛋白）,生物膜的化学组成,脂锚定蛋白（lipid-linked protein）（脂连接蛋白）,膜蛋白类型,生物膜的化学组成,生物膜的化学组成,1）膜外在蛋白（extrinsic proteins）,水溶性蛋白，占膜蛋白的20%30 %， 靠离子键或氢键与膜表面的蛋白质分子或脂分子 极性头部非共价结合，易分离。,2）膜内在蛋白（intrinsic proteins）,占膜蛋白的70%80 % 与膜结合紧密，不易分离 跨膜结构域为1-n个疏水螺旋,位于膜两侧，通过共

5、价键与脂双层内的分子结合。 胞质侧蛋白 与脂双层中的碳氢链结合 外表面蛋白 与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合,共价键,共价键,3）脂锚定蛋白（脂双层蛋白）,（三）膜糖类,糖类占膜重的1%10%，多为低聚糖 常见糖类 ：葡萄糖、半乳糖、N-乙酰氨基葡萄糖、 N-乙酰氨基半乳糖、甘露糖、岩藻糖,膜糖类 + 膜 脂,共价键,共价键,糖脂（glycolipid）,膜糖类 + 膜蛋白,糖蛋白（glycoprotein）,生物膜的化学组成,生物膜的化学组成,生物膜的化学组成,细胞外被（cell coat ),位于生物膜非胞质面，由糖蛋白或糖脂组成的周缘区称为细胞外衣或称糖萼。,细胞内,细胞被,脂质双层,生物膜

6、的化学组成,细胞表面（Cell surface）,指细胞外被、细胞膜、细胞膜内缘下富含微管、微丝等成份的胞质溶胶层及细胞特化结构鞭毛、纤毛、微绒毛等所组成的结构。,细胞表面的功能,保护、物质交换、环境稳定、信息传递、细胞识别、细胞连接、细胞代谢、细胞增殖、细胞分化、细胞病变、细胞衰老、细胞癌变等。,二、 生物膜的特性,1. 流动性（fluidity） 2. 不对称性 ( asymmetry ),指膜脂与膜蛋白处于不断的运动状态。,相变：生物膜在生理常温下呈液晶态，温度下降至某一点时，液晶态转变为晶态，温度上升，晶态又可溶解为液晶态，晶态和液晶态之间的相互转变称相变。,相变温度: 引起细胞膜液晶

7、态和晶态转变的临界温度。,生物膜的特性,1. 生物膜的流动性（ fluidity ),（1）膜脂的分子运动,3）旋转运动,1）侧向移动,2）翻转运动,4）左右摆动 (弯曲运动）,5）伸缩震荡运动,生物膜的特性,膜脂的分子运动,生物膜的特性,1）脂肪酸链的饱和程度：不饱和程度膜流动性,3）胆固醇的影响：双向调节,（2）影响膜脂流动性的因素,生物膜的特性,2）脂肪酸链的长度： 长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。,4）卵磷脂/鞘磷脂比值： 卵磷脂和鞘磷脂的比值膜流动性,5）其它因素：温度、离子强度,1）侧向运动,（3）膜蛋白分子的运动,2）旋转运动,生物膜的特性,（4）膜流动性的生理意义 是保证正

8、常功能的必要条件。 膜流动性低于一定阈值时，酶活动和跨膜运输停止。 膜流动性过高，造成膜溶解。,卵磷脂和鞘磷脂多分布在膜外层，磷脂酰乙醇胺、,磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇多分布在膜的内层,2.生物膜的不对称性(asymmetry),（1）膜质分布的不对称：,（2）膜蛋白分布的不对称,1）外在蛋白 ：多在膜的内表面。 2）镶嵌蛋白： 内层多于外层。 3）跨膜蛋白：有方向性。 亲水端长度不同 氨基酸种类顺序不同 。,意义： 膜结构的不对称性决定了膜功能的方向性.,（3）膜糖类分布不对称,膜蛋白与膜脂中糖基全部分布在脂双层的非胞质侧。,生物膜的分子结构模型,三、 生物膜的分子结构模型,一、片层结构模型(

9、1935年Danielli-Davson提出),1959年Robertson 用超薄切片技术获得细胞膜照片， 显示暗-明-暗三层结构，总厚约7.5nm。,二、单位膜模型（1959年 Robertson 提出）,生物膜的分子结构模型,流动的脂双分子层构成膜的连续主体。即具有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。 2. 蛋白分子以以各种形式镶嵌于脂双分子层中。 3.膜脂和膜蛋白具有流动性和不对称性.,对液态镶嵌模型的评价 强调了膜的流动性和不对称性、 忽视了膜蛋白对脂质分子的控制作用和膜各部分流动的不均一性。,三、液态镶嵌模型（fluid mosaic model),生物膜的分子结构模型,（1

10、972年S. J. Singer- G. L. Nicolson 提出）,三、液态镶嵌模型（fluid mosaic model),生物膜的分子结构模型,生物膜的分子结构模型,四、脂筏结构模型,脂筏模型（lipid rafts）：脂质双分子层不是一个完全 均匀的二维流体，膜中富含胆固醇和鞘磷脂的 微区中聚集一些特定的蛋白质区。 特点：比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动性。 周围流动性较高。脂筏提供有利于蛋白质形成 有效构象的变构环境。 功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用及胆固醇 代谢运输等。,脂筏（lipid rafts）模型,本章节重点,1、掌握细胞膜的化学组成。 2、掌握细胞膜的特性

11、。 3、掌握细胞膜的分子结构模型。,第四章 细胞膜与物质的跨膜运输,齐齐哈尔医学院生物遗传教研室 张淑玲,第二节 小分子物质的跨膜转运,一、主要方式：,1、被动运输（passive transport）： 物质顺浓度梯度进出细胞，不消耗能量,2、主动运输（active transport）： 物质逆浓度梯度进出细胞，需要载体、消耗能量。,二、 简单扩散（simple diffusion）,3. 运输对象：疏水分子-CO2、O2、苯等。 小的不带电的极性分子醇、尿素、甘油等。,2. 特点： 不消耗能量； 不需要膜蛋白协助； 运输速度取决于分子的大小和脂溶性。,概念：指物质顺浓度梯度从高浓度一侧通

12、过细胞膜向 低浓度一侧移动的方式，不需消耗能量， 又称被动扩散（passive diffusion） 。,小分子物质的自由扩散,简单扩散,细胞外,细胞内,小分子物质,细胞膜,肺泡与肺毛细血管之间的气体交换,三、膜转运蛋白介导的跨膜运输,膜转运蛋白分类：,载体蛋白（carrier protein),通道蛋白 (channel protein),与特定物质结合改变构象使物质穿越细胞膜。,形成贯穿脂双层之间的通道。,小分子物质的跨膜转运,既介导被动运输，也介导主动运输。,只介导被动运输。,1. 通道蛋白转运离子的特性： 物质的运输速度快。 离子通道具有高度选择性。 大多数离子通道不持续开放，受“闸门

13、”控制。 为被动运输。,（一）通道蛋白介导的跨膜运输,小分子物质的跨膜转运,2. 离子通道的类型 电压闸门通道(voltage-gated channels) 配体闸门通道(ligand-gated channels） (3)应力激活通道,（一）通道蛋白介导的跨膜运输,（二）载体蛋白介导的被动运输易化扩散,2. 运输对象： 葡萄糖、氨基酸及细胞代谢物。,小分子物质的跨膜转运,1. 易化扩散（facilitated diffusion）： 各种极性分子和无机离子通过膜转运蛋白 顺浓度梯度 的跨膜转运过程。,易化扩散,细胞外,细胞内,细胞膜,载体蛋白,（二）载体蛋白介导的被动运输易化扩散,3. 特

14、点： 不消耗代谢能 需要载体蛋白的协助 具有特异性 具有饱和性 可被竞争性阻断剂阻断,4. 运输方式 单向运输：常见于小肠上皮细胞 协同运输：常见于Na+- Ca+，Na+- H+交换载体,小分子物质的跨膜转运,单向运输,协同运输,小分子物质的跨膜转运,（二）载体蛋白介导的主动运输,概念： 由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或化学梯度进行跨膜转运的方式，消耗能量。,主动运输,能量,细胞外,细胞内,细胞膜,小分子物质的跨膜转运, Na-K泵Na-K-ATP酶,（三）载体蛋白介导的主动运输,1.功能：泵入K+ 泵出Na+，形成并保持膜内高钾 膜外高钠的分布。,2. 特性：,ATP,ADP,Na+-K+

15、泵： 膜电位产生，维持 渗透压平衡，保持细胞容积恒定。,细胞外间隙,细胞质,水解1个ATP， 排出3个Na+， 摄入2个K+。,Na-K泵Na-K-ATP酶,构成：2个大亚基、2个小亚基组成4聚体，分布于动物细胞质膜。,Na-K泵Na-K-ATP酶, 细胞内低钠高钾是许多代谢反应的必要条件 维持细胞的渗透性，保持细胞的体积. 维持细胞的静息电位.,钠泵的意义：, Na-K泵Na-K-ATP酶,小分子物质的跨膜转运,Ca2泵Ca2- ATP酶,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） 特性：泵出2个Ca2+ /每ATP 。 位置：肌浆网,小分子物

16、质的跨膜转运,Na-H+交换载体调节细胞内PH,小分子物质的跨膜转运,小分子物质逆浓度梯度转运 需要消耗能量 需要膜上的特异性载体介导,小分子物质的跨膜转运,（四）主动运输的特点,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,通道蛋白介导的扩散,Na-K泵,Ca2+-pump,Na-H+交换载体,小 结,膜泡运输：细胞与环境中的大分子和颗粒物质不能直接进行跨膜运输，必须由膜包围形成小泡进行运输。,第三节 大分子和颗粒物质的跨膜运输,膜泡运输是主动运输的形式之一，它的活动需要 消耗能量。,胞吞作用(endocytosis),胞吐作用 (exocytosis),膜泡运输的方式：,大

17、分子物质和颗粒性物质附着在细胞膜上，质膜内 陷包围物质形成小囊泡，小囊泡脱离细胞膜进入细胞。,一、胞吞作用(endocytosis),1.吞噬作用（phagocytosis）,细胞内吞较大的固体颗粒物质的过程称为吞噬作用，形成的囊泡称为吞噬体。如细菌、细胞碎片等。,2. 胞饮作用（pinocytosis）,细胞吞入液体或极小的颗粒物质的过程称为胞饮作用，形成的囊泡称为吞饮体。,大分子物质如低密度脂蛋白（LDL）进入细胞须与 膜上的特异性受体（镶嵌蛋白质）识别并结合，然后通过膜内陷形成囊泡而入胞。,3. 受体介导的内吞作用,是特异的、高效的摄取细胞外大分子的方式。,LDL颗粒,LDL受体,有被小

18、窝,有被小泡,内吞,去被,无被小泡,胞内体,融合,受体与大分子颗粒分开,胞内体部分,受体再循环,胞内体部分,初级溶酶体,融合,吞 噬 溶 酶 体,笼 蛋 白 的 结 构,笼蛋白的结构 三腿蛋白复合物,重链,轻链,二、胞吐作用(exocytosis),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。,胞吐作用,吞噬作用,胞饮作用,吞噬体,吞饮体,为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境； 选择性物质运输，代谢底物的输入与产物的排出； 提供细胞识别位点，完成细胞内外信息跨膜传递； 提供酶结合位点，使酶促反应高效有序地进行； 介导细胞连接 (细胞间、细胞与基质间）；

19、参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。,细胞膜的功能,第四节 细胞连接,细胞连接（cell junction)：是细胞相互连接处局 部质膜所形成的特化结构。,封闭连接：,将相邻细胞的质膜密切地连接在一起，从而阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入。,锚定连接：,通过骨架系统将细胞与相邻细胞与基质之间连接起来。,通讯连接：,动物细胞最常见的连接方式。,细胞膜,细胞间隙,蛋白质索,（嵴线）,一、封闭连接 （紧密连接）,细胞连接,桥粒与半桥粒,细 胞 膜,细胞间隙,桥粒蛋白,中间纤维,盘状致密斑,二、锚定连接,桥粒与半桥粒：它们似铆钉将相邻细胞或细胞与基质牢牢连接起来, 起支持，附着，抵抗外界压力与张力的

20、作用。,细胞连接,桥粒：是细胞间连接起中心作用的结构，是两个细胞间扣状连接点，可使一组细胞形成一个功能单位。,细胞膜,基底膜,中间纤维,桥粒蛋白,半桥粒：其形态与 桥粒类似，但半桥 粒是细胞与其下方 的基底膜相连。,细胞连接,三、通讯连接,间隙连接,化学突触,细胞膜,细胞间隙,2-4nm,连接子,个间隙连接单位,9-10nm,两个连接子为一,(间隙连接的基本单位),跨膜蛋白的 亚单位,孔道直径,细胞连接,第五节细胞膜与疾病,一、细胞膜与恶性肿瘤,1、细胞外被的糖链残缺不全，失去接触抑制。 2、某些糖蛋白消失，粘着力下降，易转移。 3、细胞连接异常，出现微绒毛、皱褶、变形足等。 4、膜的通透性增

21、强。 5、癌基因表达产物增多。 6、多数癌细胞出现有氧酵解。,二、细胞膜与其他疾病,1、受体异常病：睾丸女性化、 家族性高胆固醇血症 2、自身免疫性受体病：甲状腺亢进 3、继发性受体病：肥胖性糖尿病。 4、葡萄糖载体蛋白异常疾病:肾性糖尿 5、通道蛋白异常性疾病：囊性纤维化,细胞膜与疾病,本章重点,一、细胞膜的化学组成、特征。,三、细胞膜流动镶嵌模型的内容和特点。 四、物质跨膜运输的类型和特点。 五、细胞连接的类型和特点。,二、相变、相变温度的概念。,物质跨膜运输的类型,小 分 子,被动运输,简单扩散,易化扩散,单向扩散,协同扩散,蛋白介导,载体蛋白,通道蛋白,持续开放,不持续开放,电压闸门,配体闸门,应力激活,主动运输,Na KATPase,NaH 泵,Ca 泵,大 分 子,胞吞作用,胞吐作用,吞噬作用,胞饮作用,+,+,+,+,2+,