细胞膜与物质运输.ppt

医学细胞生物学,医用生物学教研室 李延兰 E-mail:Tel:3831928(O)2010.03,第二章 细胞膜与物质运输Cell Membrane and Transmembrane Transport,李延兰 医用生物学教研室 ,2,第二章 细胞膜与物质运输,第一节 细胞膜的分子结构和特性第二节 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 细胞膜与疾病,李延兰 医用生物学教研室 ,3,细胞膜(cell memberane)是细胞质和外界相隔的一层薄膜，又称质膜(plasma m.)。在生命进化过程中细胞膜的形成是关键的一步，因为没有细胞膜，细胞形式的生命就不能存在。细胞膜围在每个细胞的外面，使细胞内外环境之间保持必要的差别。细胞膜不是被动的屏障，它是有高度选择性的半透膜，能进行主动运输，在细胞内外形成不同的离子浓度。细胞膜还是接受外界信号的传感器，使细胞能对环境变化产生适当的反应。,李延兰 医用生物学教研室 ,4,生物膜,细胞膜,细胞内膜：,除了细胞膜以外的细胞内所有膜性结构。,细胞内膜系统(cell endomembrane system)：细胞质内在形态结构、功能和发生上具有相互联系的膜相结构的总称，包括核膜、内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体以及细胞质内各种膜性小泡。细胞膜功能：维持细胞形态、界膜、内环境稳定、物质运输、能量转换、信息传递、免疫、癌变等。,(Biomembrane),李延兰 医用生物学教研室 ,5,1 细胞膜的分子结构和特性 Molecular Structure and Properties of Cell Membrane,膜的化学组成膜的分子结构膜的理化特性,李延兰 医用生物学教研室 ,6,脂和蛋白质是膜的主要成分，还有少量的糖类。构成膜的蛋白质与脂的比例依据膜的类型(如质膜、内质网膜)、细胞类型(肌细胞、肝细胞)、生物类型(动物、植物)的不同而不同。一般而言，脂占50%，蛋白质占40%，碳水化合物约占110%。,一、膜的化学组成,李延兰 医用生物学教研室 ,7,细胞膜的化学组成主要是脂类、蛋白质和糖类.,李延兰 医用生物学教研室 ,8,不同生物膜中的蛋白、脂和碳水化合物的量,李延兰 医用生物学教研室 ,9,(一)膜 脂,生物膜上的脂类统称膜脂(Membrane lipid)。膜脂以磷脂和胆固醇为主，并含糖脂。,膜脂,磷 脂：,膜的主要成份,糖 脂,胆固醇,李延兰 医用生物学教研室 ,10,1.磷脂,磷脂,磷酸甘油酯,鞘磷脂(SM),X,极性头部基团（亲水）,非极性尾部基团(疏水),磷脂酰胆碱,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰丝氨酸,鞘胺醇,磷脂酰肌醇(IP),PE,PS,SM,兼性分子,PC,李延兰 医用生物学教研室 ,11,2.胆固醇,极性头部,平面甾环结构,非极性尾部,李延兰 医用生物学教研室 ,12,CHOLESTEROL,CH3,OH,C8H17,A,B,C,D,李延兰 医用生物学教研室 ,13,鞘胺醇,鞘胺醇,糖脂分子,半乳糖苷脂,糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。,李延兰 医用生物学教研室 ,14,表5-2 某些生物膜膜脂的组成(脂总重量百分数),李延兰 医用生物学教研室 ,15,表5-3 某些膜脂的功能,李延兰 医用生物学教研室 ,16,水,水,水,磷脂分子团,磷脂双层,磷脂脂质体,脂类分子是兼性分子，在水溶液中能自动形成双分子层结构。当兼性分子被水环境包围时，它们就聚集起来，使疏水的尾部埋藏在里面，亲水的头部露在外面，与水接触。可能存在有两种形式，形成球状的分子团(micelle)，或把尾部包在里面；形成双分子层(bilayer)，把疏水的尾部夹在头部的中间。,李延兰 医用生物学教研室 ,17,Liposome,李延兰 医用生物学教研室 ,18,(二)膜蛋白,在不同细胞中膜蛋白(membrane proteins)的含量及类型有很大差异。,李延兰 医用生物学教研室 ,19,依在膜上存在方式不同可分为两大类(五小类)。,膜蛋白：,生物膜所含的蛋白质。,膜蛋白,外周蛋白(周围蛋白)：,镶嵌蛋白(整合蛋白)：,多附在膜的内外表面，为水溶的，非共价地结合在镶嵌蛋白上。,不同程度镶嵌在脂双层的内部，也称膜内在蛋白。有的跨越膜双层，也称做跨膜蛋白(transmembrane protein)。,1.膜蛋白的类型,李延兰 医用生物学教研室 ,20,1.单次穿 膜：,单条-螺旋贯穿脂质双层。,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,3,4,5,2.多次穿膜：,数条-螺旋几次折返穿越脂质双层。,3.非穿越性 共价结合：,不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。,4.与磷脂酰 肌醇结合：,镶嵌蛋白通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌醇（在非胞质面的单层）共价结合。,镶嵌蛋白,5.外周蛋白：,附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白上。,跨膜蛋白,人红细胞血影,李延兰 医用生物学教研室 ,21,Integral membrane proteins:1,2,3,and 4,Peripheral membraneproteins:5 and 6,李延兰 医用生物学教研室 ,22,膜周边蛋白(外在蛋白)不直接与脂双层疏水部分相互连接，它们常常通过内在蛋白间接与膜连接，或直接与脂类分子极性头部结合，例如血影蛋白(spectrin,)、锚定蛋白(ankyrin)和细胞骨架蛋白结合于红细胞的细胞膜的内表面，而糖被的一些蛋白结合于外表面。,大多数膜周边蛋白溶解于水，通过离子键或弱键与特定的膜内在蛋白相结合。用高浓度盐溶液或某些化学物质可以将许多周边蛋白从膜上除去，高盐溶液可以破坏离子键。多数膜周边蛋白不用去垢剂溶解，它们不与膜的疏水部分直接连接。膜周边蛋白一般约占膜蛋白的2030，而红细胞膜中占50左右。,李延兰 医用生物学教研室 ,23,2.膜蛋白的功能,维持细胞的形态（机械支持）物质运输能量转换信息传递免疫癌变,李延兰 医用生物学教研室 ,24,表5-4 某些膜蛋白及其功能,李延兰 医用生物学教研室 ,25,膜中含有的糖类称为膜糖类或膜碳水化合物。,膜糖类,糖类+膜脂,共价键,糖脂,糖类+膜蛋白,糖蛋白N-连接；O-连接,共价键,细胞内,(三)膜糖类(membrane carbohydrates),脂双层,膜蛋白,细胞被(糖萼)：,细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起，形成一层外被，称细胞衣或糖萼。,细胞被,糖蛋白功能：与细胞识别、信息传递、免疫、癌变等有关。,李延兰 医用生物学教研室 ,26,glycoprotein,李延兰 医用生物学教研室 ,27,血型抗原(膜糖类),李延兰 医用生物学教研室 ,28,二、细胞膜的分子结构 Molecular Structure of the Cell Membrane,1890年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。1925年E.Gorter和F.Grendel根据对红细胞的研究，提出细胞的外面有一个双脂分子层结构。上世纪以来对于膜的分子结构问题进行了很多研究，并提出各种膜分子结构模型。,李延兰 医用生物学教研室 ,29,细胞的表面张力显著低于油-水界面的表面张力，因此，细胞膜不可能是单纯由脂类构成的，推想细胞膜除脂类外，可能还吸附有蛋白质。,(一)片层结构模型,蛋白质-磷脂-蛋白质三层夹板式结构。,1935年提出片层结构模型(lamella structure model)。模型表明，细胞膜中有两层磷脂分子，分子的疏水脂肪酸链在膜的内部彼此相对，而分子的亲水端则朝向膜的内外表面，球形蛋白质分子附着在脂双层的两侧表面。,李延兰 医用生物学教研室 ,30,Pr-磷脂-Pr，电镜下：暗-亮-暗,“两暗一明”,蛋白质：单层肽链 折叠结构,脂双层,细胞膜,细胞质,(二)单位膜模型(unit membrane model),20世纪50年代电镜下发现膜都呈三层式结构，内外两侧为电子密度高的暗线，中间为电子密度低的明线，把这种两暗一明的结构称为单位膜。把膜的结构和电镜图像联系起来，但忽略了动态结构变化。,李延兰 医用生物学教研室 ,31,(三)液态镶嵌模型(fluid mosaic model),1.生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。,2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中。,总之：,生物膜是嵌有球形蛋白质的脂类二维排列的液态体。,脂质双分子层,极性头部,疏水尾部,镶嵌蛋白,外周蛋白,晶格镶嵌模型（1975）板块镶嵌模型（1977）,李延兰 医用生物学教研室 ,32,Fluid mosaic model,Hydrophobic environment,OUTSIDE,INSIDE,李延兰 医用生物学教研室 ,33,晶格镶嵌模型(1975)认为镶嵌蛋白和其周围的类脂分子形成膜中晶态部分，而具有流动性的类脂呈小片的点状分布。因此类脂的流动性是局部的，并非整个类脂双分子层都在流动。,1977年提出了板块镶嵌模型，认为在流动的脂双层中存在许多大小不同、刚性较大的能独立移动的类脂板块(有序结构的板块)，在这些有序结构的板块之间被流动的类脂区(无序结构的板块)分开。因而生物膜是由同时存在不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。,李延兰 医用生物学教研室 ,34,(四)脂筏模型(lipid rafts model),1.最近发现，膜各部分脂质分布不是均匀的，膜中有富含胆固醇和鞘磷脂的微区(mocrodomain)，其中聚集一些特定的蛋白质，这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且缺少流动，称为脂筏(lipid rafts)。,2.脂筏直径约70-100nm，其上载有数百个蛋白质分子。细胞膜上的脂筏与小窝蛋白(caveolin-1)结合后内陷形成小窝(caveolae)，参与胞吞过程及信号转导等。,李延兰 医用生物学教研室 ,35,李延兰 医用生物学教研室 ,36,李延兰 医用生物学教研室 ,37,Plasma membrane,Phospholipid,Polar head,Non polar tails,Hydrophobic environment,李延兰 医用生物学教研室 ,38,Plasma membrane,Phospholipid(75%),Hydrophobic environment,OUTSIDE,INSIDE,李延兰 医用生物学教研室 ,39,Plasma membrane,Phospholipid(75%),Hydrophobic environment,Cholesterol(20%),OUTSIDE,INSIDE,李延兰 医用生物学教研室 ,40,Plasma membrane,Phospholipid(75%),Hydrophobic environment,Cholesterol(20%),Glycolipids(5%),OUTSIDE,INSIDE,李延兰 医用生物学教研室 ,41,Plasma membrane,Phospholipid(75%),Integral protein,Hydrophobic environment,Peripheral protein,Cholesterol(20%),Glycolipids(5%),OUTSIDE,INSIDE,李延兰 医用生物学教研室 ,42,三、细胞膜的理化特性(properties of cell membranes),(一)细胞膜的不对称性,膜的内外两层在结构和功能上有很大的差异,称膜的不对称性(asymmetry)。,李延兰 医用生物学教研室 ,43,1.脂质双分子层的不对称性,(1)脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。,非胞质侧：头部含有胆碱的磷脂分子（磷脂酰胆碱和鞘磷脂）。,胞质侧：末端含有氨基的磷脂分子（磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸）。,(2)糖脂全部分布在非胞质侧的单层脂质分子中。,李延兰 医用生物学教研室 ,44,Membrane asymmetry,The inner and outer leaflets of the membrane have different compositions of lipids and proteins,李延兰 医用生物学教研室 ,45,2.膜蛋白分布的不对称性,(1)跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性。,(2)糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。,(3)膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。,膜分子结构的不对称性决定了膜内外表面功能的不对称性。,李延兰 医用生物学教研室 ,46,冰冻蚀刻复型技术,李延兰 医用生物学教研室 ,47,李延兰 医用生物学教研室 ,48,膜蛋白的不对称性,冰冻蚀刻复型术得到膜的两个剖面，可见膜蛋白颗粒的分布是非随机的。,freeze etching replica,李延兰 医用生物学教研室 ,49,两相邻细胞质膜冷冻复型断裂面电镜图PF：示细胞质膜内叶层的外面（蛋白颗粒多）EF：示细胞质膜外叶层的内面（蛋白颗粒少）,李延兰 医用生物学教研室 ,50,(二)细胞膜的流动性(mobility),1.膜脂的流动性,(1)侧向扩散,(2)膜脂分子旋转,(3)摆动,(4)翻转运动,(脂肪酸链的伸缩运动，链的旋转异构运动),李延兰 医用生物学教研室 ,51,侧向扩散,旋转,翻转,弯曲摆动,fluidity,李延兰 医用生物学教研室 ,52,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（黏度大）的比例。,膜脂功能：构成膜的支架；膜上很多酶活性依赖膜脂存在。,(5)其它因素(遗传、理化、药物、pH等)。,李延兰 医用生物学教研室 ,53,2.膜蛋白的流动性,侧向扩散,旋转扩散,光致漂白荧光恢复法(Fluorescence photobleaching recover,FPR),小鼠细胞,标记人膜蛋白抗体+人膜蛋白（抗原）,异核细胞,抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素B,抗人膜蛋白抗体+荧光素A,标记小鼠膜蛋白抗体+小鼠膜蛋白（抗原）,人细胞,孵育(37,40分),细胞融合实 验,李延兰 医用生物学教研室 ,55,细胞融合(cell fusion)使指两个或两个以上细胞合并形成一个细胞的过程。自然融合 人工融合 融合剂 异核体(hetrokaryon)杂种细胞(hybrid cell)单克隆抗体,李延兰 医用生物学教研室 ,56,四、细胞膜的功能,提供稳定的内环境物质运输信号转导酶促反应(酶结合点)细胞连接细胞表面特化结构,李延兰 医用生物学教研室 ,57,小 结,1细胞膜的化学组成成分：2细胞膜的分子结构：3细胞膜的理化特性4细胞膜的分子结构模型：,李延兰 医用生物学教研室 ,58,作业与思考题,1生物膜主要是由哪些分子组成的？它们在膜结构中各起什么作用?2以红细胞血影为例,说明膜蛋白有哪些类型？各有何功能？3比较说明单位膜模型及液态镶嵌模型有何不同特点？并给予评价。4举例说明膜的不对称性和流动性。5、名词解释:cell membrance，cell fusion，biomembrane，fluid mosaic model。,李延兰 医用生物学教研室 ,59,参 考 文 献,1.翟中和等主编.细胞生物学，第3版,高等教育出版社，2007 2.韩贻仁主编.分子细胞生物学(第3版),高等教育出版社,2007 3.艾伯茨等著，赵寿元等译.基础细胞生物学，上海科学技术出版社，2002 4.王金发.细胞生物学,科学出版社，2004 5.杨 恬.细胞生物学，人民卫生出版社，2005 6.Karp G.Cell and Molecular Biology,4th ed(2005),高等教育出版社,2007 7.Lodish H et al.Molecular Cell Biology.4th ed.W H Freeman and Company,2000,李延兰 医用生物学教研室 ,60,参 考 网 站,1.新乡医学院精品课程 http:/2.细胞生物学 http:/202.116.64.20/wjf/index.htm(中山大学)3.细胞生物学 http:/221.10.254.145/204/show.asp?id=49(川大)4.细胞生物学在线 http:/5.生物软件网 http:/www.bio-6.细胞生物学专业信息网 http:/www.xa-7.http:/www.bio-medicine.org/8.http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/9.http:/www.sciencekomm.at/advice/dict.html 10.中国医科大学精品课程 细胞生物学 http:/,李延兰 医用生物学教研室 ,61,Thanks for your watching and listening!,Bye-bye!,