1、第二篇 细胞的结构与功能,第四章 细胞膜与物质的穿膜运输,Cell Membrane and Membrane Transport,学习目的和要求,掌握细胞膜的化学组成分子、生物学特性及细胞膜的分子结构模型。 掌握小分子物质穿膜运输方式及特点，大分子和颗粒物质运输的胞吞与胞吐作用，受体介导的胞吞作用。 熟悉细胞表面的特化结构，细胞膜异常时与某些疾病发生的关系。,细胞膜(cell membrane)是包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜(plasma membrane) 。细胞内还有丰富的膜结构，形成了细胞内各种膜性细胞器，称为细胞的内膜系统 。,细胞膜,细胞质,把质膜和细胞内膜系统总称为生物膜
2、 。(biomembrane)。,电子显微镜下， 生物膜呈“两暗一明”又被称为单位膜 (unit membrane) 。,第一节 细胞膜的化学组成与分子结构,一、细胞膜的化学组成二、细胞膜的生物学特性,脂类 蛋白质 糖类膜的不对称性 膜的流动性,三、细胞膜的分子结构模型,一、细胞膜的化学组成 （一）膜脂构成细胞膜的基本骨架细胞膜上的脂类称为膜脂(membrane lipid)，它是细胞膜的基本组成成分，约占膜成分的50。主要有三种类型：磷脂、胆固醇和糖脂，其中以磷脂含量为最多。,膜脂：,生物膜上的脂类统称膜脂（50%）。,脂 类,油脂：,类脂：,油（液），脂肪（固 ）,磷 脂,糖 脂,甾 类,
3、(类脂) 膜 脂,磷脂 phospholipid：,糖脂 glycolipid,胆固醇cholesterol,1、磷脂构成膜脂的基本成分 可分为两类： 甘油磷脂：磷脂酰胆碱(卵磷脂) 、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂) 、磷脂酰丝氨酸 、 磷脂酰肌醇 。 鞘磷脂：,磷脂酸,磷酸甘油酯,甘油磷脂（甘油，两条脂肪酸链，磷酸与含氮有机物结合）。,2H,磷酸甘油酯,极性头部基团（亲水）,非极性尾部基团（疏水）,N,甘油,磷 酸,磷酸化醇,双亲性分子 （兼性分子）,鞘磷脂:以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上 。在神经元细胞膜中含量较多。,（一个鞘氨醇骨架，一条脂肪酸链，一个磷酰胆碱，无甘油）
4、,鞘磷脂及其代谢产物神经酰胺、鞘氨醇等，参与细胞增殖、分化和凋亡等各种细胞活动。,Cell membrane - Structure,2、胆固醇能稳定膜和调节膜的流动性,结构：双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为固醇环和烃链。定位：分布在膜中的磷脂分子之间。极性羟基紧靠磷脂的极性头部，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。 功能：调节膜的流动性，增强膜的稳定性。,3、糖脂主要位于质膜的非胞质面细菌和植物细胞-糖脂均是甘油磷脂的衍生物。动物细胞质膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物称为鞘糖脂：,鞘胺醇,糖脂与鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。,半乳糖苷脂,糖 脂
5、分 子,最简单的糖脂是脑苷脂，其极性头部仅有一个半乳糖或葡萄糖残基。较复杂的糖脂是神经节苷脂，其极性头部可含多达7个糖残基。 所有细胞中，糖脂均位于质膜非胞质面，糖基暴露于细胞表面。,当这些两亲性分子被水环境包围时，这样可能存在两种形式： 形成球状的分子团(micelk)，把尾部包藏在里面； 形成双分子层 ，其游离端往往能自动闭合，形成自我封闭的脂质体 。,水,水,水,磷脂分子团,磷脂双层,磷脂脂质体,脂质体可用于膜功能的研究；脂质体也可以作为体内药物或DNA的运输载体。,（二）膜蛋白以多种方式与脂双分子层结合,1. 生物膜的特定功能主要由蛋白质完成载体蛋白胞内外的物质运输连接蛋白细胞间的相互
6、作用受体蛋白信号转导各种酶类相关的代谢反应,2. 膜蛋白含量 膜蛋白约占膜含量的40%50%。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%。 膜的功能越复杂, 其中的蛋白质含量越多。,3. 膜蛋白的基本类型 膜内在蛋白(intrinsic membrane protein) 膜外在蛋白(extrinsic membrane protein) 脂锚定蛋白 (1ipid anchored protein),（1）膜内在蛋白（整合膜蛋白） 又称跨膜蛋白(transmembrane protein),占膜蛋白总量的70%80。也是两亲性分子。 分为单次跨膜、多次跨膜和多
7、亚基跨膜蛋白三种类型。 穿膜蛋白与膜结合紧密，需用去垢剂处理才能分离。,1.单次跨膜：,单条a-螺旋贯穿脂质双层。,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,2.多次跨膜：,数条a-螺旋几次折返穿越脂质双层。,3.多亚基跨膜蛋白：,（2）膜外在蛋白 占膜蛋白总量的2030%。 位于脂双层的内、外表面，通过非共价键间接与膜结合，又称外周蛋白（peripheral protein）。 外周蛋白与膜结合较弱，较易从膜上分离。,1.单次穿膜：,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,2.多次穿膜：,外周蛋白：,附在膜的内外表面，非共价地结合在内在膜（镶嵌）蛋白上。,跨膜蛋白,例如，红细胞的双凹外形即为外周蛋白（
8、血影蛋白和锚蛋白）维持。外周蛋白一般用一些温和的方法，如改变溶液的离子强度或pH，即可将它们从膜上分离下来，而不需破坏膜的基本结构。,（3）脂锚定蛋白 位于膜的两侧，通过共价键与脂双层内的脂分子结合，又称脂连接蛋白（lipid-linked protein）。 脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合：, 脂锚定蛋白,脂质双层,非胞质面,胞质面,1,2,脂锚定蛋白1：,不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。,脂锚定蛋白2：与脂双层外层中磷脂酰肌醇分子相连的寡糖链共价结合而锚 定到质膜 (GPI),A、B、C. 穿膜蛋白，以一次或多次穿膜的螺旋和筒形式； D. 位于胞质侧，通过暴露于
9、蛋白质表面的螺旋的疏水面与胞质面脂单层相互作用而与膜结合； E. 位于胞质侧的脂锚定蛋白，以共价键直接与胞质面脂单层中的脂肪酸链结合。 F. 位于质膜外表面的脂锚定蛋白GPI； G、H. 膜外在蛋白，与内在蛋白亲水区以非共价键相互作用间接与膜结合,第二种又称为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(GPI) 。 这种锚定形式与跨膜蛋白相比，在理论上有许多优点。运动性增大，有利于结合更多的蛋白质，有利于和其他细胞或有生理功能的胞外分子更快地结合和反应。,膜糖类,糖类+膜脂,共价键,糖 脂,糖类+膜蛋白,糖蛋白,共价键,脂双层,膜蛋白,细胞衣,糖类约占质膜重量的210。,（三）膜糖类覆盖细胞膜表面,功能：有助于蛋
10、白质在膜上的定位与固定，参与细胞识别及与周围环境的相互作用。,1.细胞外被（cell coat） 大多数真核细胞膜外表面富含糖类的周缘区，也称糖萼。,2.细胞外被中的糖类 与糖蛋白和糖脂相连的低聚糖侧链。 被分泌出来又吸附于细胞表面的糖蛋白与蛋白聚糖的多糖侧链。,二、细胞膜的生物学特性,（一）膜的不对称膜的不对称性-是指细胞膜中各种成分种类和数量的分布是不均匀的，这与细胞膜的功能有密切关系。,磷脂和胆固醇分布为相对不对称，仅为数量上的差异。 糖脂的分布为绝对不对称，糖脂仅分布于脂双层的非胞质面。 不同膜性细胞器中脂类组成成分不同。,（一）膜脂的不对称性,人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布,2、膜
11、蛋白的不对称性,膜蛋白分布是绝对不对称，各种膜蛋白在质膜中都有一定的位置。 膜蛋白在脂双层内、外两层中分布的数量不同。 穿膜蛋白穿越脂双层有一定的方向性，两个亲水端的长度、氨基酸的种类和排列顺序不同。,膜分子结构的不对称性决定了膜内表面功能的不对称性,冰冻蚀刻技术:,3、膜糖的不对称性,细胞膜糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面(非胞质面)；而在内膜系统，寡糖侧链都分布于膜腔的内侧面(非胞质面或者是向腔面)。,膜组分分布不对称性具有重要的生物学意义：膜结构上的不对称性保证了膜功能的方向性，使膜两侧具有不同的功能，保证了生命活动的高度有序性。,（二）膜的流动性,流动性主要是指膜脂的流动性和膜
12、蛋白的运动性。,1.脂双层为液晶态二维流体 生理条件下，膜脂分子既有固体分子排列的有序性，又具有液体的流动性，是居于晶态和液态之间的液晶态。 温度的改变使膜可以在液晶态和晶态之间转换，这种膜脂状态的改变称为相变。发生相变的临界温度称为膜的相变温度。 相变温度越低，流动性越大！ 液晶态的膜处于流动状态，与运动状态的膜蛋白协同完成膜的各项功能活动。,（1）侧向扩散运动: 相邻分子互换位置速率达107次/秒, 一个脂质分子移动距离达104nm/20秒。,（2）翻转,（3）旋转,（4）弯曲运动 （5） 伸缩和振荡运动,2、膜脂分子能进行多种运动,(1)脂肪酸链的饱和程度（不饱和）(2)脂肪酸链的长度（
13、短）,3、多种因素影响膜脂的流动性,(3)胆固醇的的双重调节作用：当温度在相变温度以上时，由于胆固醇分子的固醇环与磷脂分子的烃链部分相结合限制了膜的流动性，起到稳定质膜的作用。当温度在相变温度以下时。由于胆固醇位于磷脂分子之间隔开磷脂分子，可有效地防止脂肪酸链相互凝聚，干扰晶态形成。,4.卵磷脂/鞘磷脂的比例卵磷脂的脂肪酸链不饱和程度高，相变温度较低；鞘磷脂则相反，,5.膜蛋白的影响 嵌入的蛋白越多，界面脂就越多，膜脂的流动性越小。 膜脂的极性基团、环境温度、pH值、离子强度及金属离子等均可对膜脂的流动性产生一定的影响.,（2）旋转运动1970年，Edidin等人运用细胞融合技术和荧光免疫技术
14、，证实了膜蛋白的流动性。,4、膜蛋白的运动性,（1）侧向扩散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面扩散。,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（370C,40分钟）,膜的流动性具有十分重要的生理意义：如物质运输、细胞识别、信息转导等功能都与膜的流动性有密切关系。,细胞膜研究简史 1890年， E. Overton 初步明确细胞膜是由脂类组成。 1925年， E.Gorter和F.Grendel 提出红细胞膜是由双层磷脂 分子组成。 1935年，J. Danielli 和
15、 H. Davson提出“片层结构模型”。 1959年，J. D. Robertson提出“单位膜模型”。 1972年，S.J. Singer和G. Nicolson提出“流动镶嵌模型”。 1975年，Wallach提出“晶格镶嵌模型”。 1977年，Jain和White 提出“板块镶嵌模型”。 近年提出“脂筏模型”。,三、细胞膜的分子结构模型,（一）片层结构模型1935年，James Danielli和Hugh Davson提出“片层结构模型” ：细胞膜是由两层磷脂分子构成，内外侧表面还覆盖着一层球形蛋白质分子，形成蛋白质-磷脂一蛋白质三层夹板式结构 。,脂双层,蛋白质,认为质膜上有穿过脂双
16、层的孔，小孔由蛋白质分子围成，其内表面具有亲水基团，允许水分子通过。,1959年，由J. D. Robertson提出。表明了各种生物膜在形态结构上的共同特点，把膜的分子结构同膜的电镜图像联系起来。 细胞膜在电镜下呈现 “两暗夹明” 单位膜结构内外两层暗线各厚约2nm，中间的明线厚约3.5nm，膜的总厚度约为7.5nm,（二）单位膜模型(unit membrane model),蛋白质：单层肽链 折叠结构,“两暗一明”,细胞膜,细胞质,脂双层,20世纪60年代以后，一些新技术的发明和应用，如应用冰冻蚀刻技术显示膜中有蛋白质颗粒存在；应用红外光谱、旋光色散等技术证明膜蛋白主要不是片层结构，而是螺
17、旋的球形结构。 S. Jonathan Singer 和Garth Nicolson在1972年提出流动镶嵌模型。,（三）流动镶嵌模型,1. 膜中脂双层构成膜的连贯主体，它既具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性 。,脂质双分子层,极性头部,疏水尾部,偏振光条件下的液晶,2.膜中蛋白质分子以不同形式与脂双层分子结合。,外周蛋白,镶嵌蛋白,流动镶嵌模型强调了膜的流动性和不对称性，较好地解释了生物膜的功能特点，它是目前被普遍接受的膜结构模型,3.糖类分布在膜的外表面（糖蛋白、糖脂）。,不足：质膜在变化过程中怎样保持膜的相对完整性和稳定性，忽视了膜的各部分流动性的不均匀性等。 1975年D.F
18、.Wallach提出了一种“晶格镶嵌模型” 。1977年，M.K.Jain和H.B.White又提出了“板块镶嵌模型” 。,（四）脂筏模型,近来发现膜质双层内含有由特殊脂质和蛋白质组成的微区：富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜蛋白。较少流动，被称为“脂筏”。脂筏周围则是富含不饱和磷脂的流动性较高的液态区。,定义：脂质双分子层不是一个完全均匀的二维流体，内部存在富含胆固醇和鞘脂以及特定种类膜蛋白组成的微区称为脂筏。 特点：脂筏区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动。其周围是流动性较高的液态区。 脂筏提供一个有利于蛋白质形成有效构象的变构环境。,外层的微区主要含有鞘脂、胆固醇及GPI一锚
19、定蛋白。 脂筏中的脂类与相关的蛋白质在膜平面可进行侧向扩散。,功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等，脂筏功能的紊乱涉及多种疾病的发生。,脂筏的功能：是参与信号转导、受体介导的内吞作用以及胆固醇代谢运输等。 当前的研究来看，脂筏功能的紊乱已涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬化、Alzheimer病、疯牛病及肌营养不良等疾病 。,第二节 小分子物质和离子的穿膜运输,小分子运输：简单扩散、离子通道扩散、易化扩散和 主动运输。 大分子和颗粒物质的运输:通过胞吞和胞吐作用进行。,一、物质简单扩散依赖于膜的通透选择性,易于通过膜的物质： 脂溶性物质 不带电荷小分子物质 不易通过膜的物质：
20、带电荷物质（离子） 大分子物质,1.膜的选择通透性,2.简单扩散（simple diffusion） 特点 溶质分子通过质膜进行自由扩散，不需要膜转运蛋白协助，也称被动扩散(passive diffusion) 。 转运是由高浓度向低浓度方向进行，所需要的能量来自高浓度本身所包含的势能，不需要细胞提供能量。, 条件 溶质在膜两侧保持一定的浓度差； 溶质必须能透过膜。,高浓度,低浓度,脂质双分子层,电化学梯度,脂溶性物质(非极性物质):苯.乙醇.氧.氮.SD.,不带电荷小分子物质: 水.尿素.二氧化碳,适合自由扩散的物质:,不适合自由扩散的物质:,带电荷物质；较大的分子如甘油通过较慢，葡萄糖则几
21、乎不能通过。,人类肺部内表面。图中的洞穴是肺气泡，这里是血液交换气体的地方。,二、膜运输蛋白介导的穿膜运输,膜运输蛋白（membrane transport protein）是指细胞膜上负责转运不能通过简单扩散穿膜的物质的蛋白质。 如负责转运各种离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸及各种代谢产物的载体蛋白和通道蛋白。,所有膜运输蛋白都是跨膜蛋白，它们的肽链穿越脂双层，能使被转运的物质通过细胞膜。通常每种膜运输蛋白只转运一种特定类型的溶质。,膜转运蛋白主要有两类：,载体蛋白（carrier protein）与特定溶质分子结合，通过构象改变进行物质转运，既介导被动运输又介导主动运输。 通道蛋白（chann
22、el protein）在膜上形成亲水孔道，贯穿脂双层，介导特定离子转运，仅介导被动运输。,被动运输（passive transport）：通过简单扩散或易化扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要消耗细胞的代谢能。主动运输（active transport）：载体蛋白介导、利用代谢产生的能量驱动物质的逆电化学梯度的转运。,被动运输与主动运输,(一) 易化扩散(facilitated diffusion) 是载体蛋白介导的被动运输,1.定义在特异性的载体蛋白介导下，一些非脂溶性（或亲水性）的物质顺电化学梯度的跨膜转运。不消耗细胞的代谢能，属于被动运输。 如
23、葡萄糖、氨基酸、核苷酸。,载体蛋白构象改变介导溶质易化扩散,2.特点 具有选择性、特异性 转运速率远高于简单扩散 具有饱和性，存在最大转运速度,可运输一些亲水性物质和无机离子等。,载体蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度,高浓度,低浓度,电化学梯度,一种载体蛋白可特异性的连接和传送一种特定的分子跨膜，这种运输方式比单纯扩散速率大大增加。,Km 转运分子浓度,载体介导的易化扩散,简单扩散,转运速率,Vmax1/2Vmax,当所有的结合部位均被溶质分子占据。这时的转运速率达到最大值(Vmax)。,葡萄糖载体蛋白(GlUT1 )通过易化扩散转运葡萄糖,（二）主动运输是载体蛋白逆浓度梯度的耗能运输,-载体
24、蛋白介导的物质逆电化学梯度、由低浓度一侧向高浓度一侧进行的穿膜转运方式。与某种释放能量的过程相偶联，能量来源包括ATP水解、光吸收、电子传递、顺浓度梯度的离子运动等。,动物细胞根据主动运输过程中利用能量的方式不同，主动运输可分为以下两种主要类型： ATP直接提供能量(ATP驱动泵)， ATP间接提供能量（协同运输）,1. ATP驱动泵,特点： 属穿膜蛋白，在膜的胞质侧有一个或多个ATP结合位点，能够水解ATP使自身磷酸化，利用ATP水解所释放的能量将被转运分子或离子从低浓度向高浓度转运，所以常称之为“泵”。 具有专一性,如钠钾泵、氢泵、钙泵等。,P-型离子泵驱动阳离子跨膜转运，如钠钾泵。V-型
25、质子泵 需ATP供能，对H+的转运。F-型质子泵 合成ATP，在能量转换中起重要作用，如线粒体ATP酶。ABC转运体参与糖、氨基酸及小分子物质(如药物)的运输。,P-型离子泵 B. V-型质子泵 C. F-型质子泵 D. ABC转运体,（1）P-型离子泵1）Na+-K+泵： 为Na+-K+ATP 酶，具有载体和酶的双重作用。,小亚基:为细胞膜外侧半嵌合糖蛋白,其作用机制不详。,大亚基：为贯穿膜全层的脂蛋白,是该酶的催化部位。 -亚基的非胞质面有2个高亲和K+结合位点，也是乌本苷高亲和结合位点。 -亚基的胞质面有3个高亲和Na+结合位点，可以结合3个Na+。,Na+-K+泵,功能 水解一个ATP
26、分子，可向细胞外输出3个Na+，转入2个K+ 。 维持渗透压平衡、保持细胞容积恒定、产生和维持膜电位、为某些物质的吸收提供驱动力。 为蛋白质合成及代谢活动提供必要的离子浓度。,Pi,钠结合部位,钾结合部位,Na+,Na+,Na+,Na+,K+,K,+,泵,Mg+,Pi,Pi,K+,K+,K+,Pi,钠结合部位,钾结合部位,Na+,Na+,Na+,Na+,K+,Mg+,Pi,Pi,K+,K+,K+,水解一个ATP分子，可输出3个Na+，转入2个K+。每秒钟可发生约1 000次构象变化。当N+-K+泵抑制剂乌本苷在膜外侧占据K+的结合位点后，Na+-K+-ATP酶活性可被抑制；当抑制生物氧化作用的
27、氰化物使ATP供应中断时，Na+-K+泵失去能量来源而停止。,2）Ca2+泵 ：,存在部位：主要存在于肌浆网上。 原理：工作过程与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+ 功能：使钙离子浓度在胞质中保持低水平；参与控制细胞的许多重要活动，如细胞分泌、神经递质释放、跨膜信息转导等。,2.协同运输, 特点 由Na+-K+泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，间接消耗 ATP所完成的主动运输方式。 物质穿膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度。 通过Na+-K+泵（或H+泵）维持这种离子电化学浓度。,共运输（symport）：物质运输方向与离子转移方向相同，如
28、：小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。对向运输（antiport）：物质运输方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过Na+/H+反向协同运输的方式来转运H+以调节细胞内的pH值。, 类型,小肠上皮细胞顶端质膜中的Na+/葡萄糖协同运输蛋白，运输2个Na+的同时转运1个葡萄糖分子，使胞质内产生高葡萄糖浓度；质膜基底面和侧面的葡萄糖易化扩散运输蛋白，转运葡萄糖离开细胞，形成葡萄糖的定向转运。Na+-K+泵将回流到细胞质中的Na+转运出细胞，维持Na+穿膜浓度梯度。,共运输,壁细胞分泌盐酸时其质膜上多种转运蛋白的协同作用,对向运输, 逆电化学梯度运输。 需要能量。主动运输所需的能量来源主要有
29、：通过水解ATP获得能量 （直接）离子浓度梯度（间接） 都由载体蛋白介导。,3.主动运输的特点,主要的载体蛋白类型,(三) 离子通道高效转运各种离子,1.离子通道的特点 介导被动运输； 对离子有高度选择性； 转运速率高； 不持续开放，受“闸门”控制。,2. 门控通道的类型配体门控通道（ligand-gated channel） 电压门控通道（voltage-gated channel） 应力激活通道（stress-activated channel）, 配体门控通道,离子通道型受体 与胞外特定配体结合后构象改变，“闸门”打开，允许某种离子（一般为阳离子）快速跨膜转运。如乙酰胆碱受体是典型的配体
30、门控通道。,高浓度,低浓度,电化学梯度,通道蛋白,通道蛋白(非门控性),物质顺浓度梯度经过通道蛋白扩散到细胞膜的另一侧。,通道蛋白,高浓度,低浓度,电化学梯度, 电压门控通道,跨膜电位的改变诱发通道蛋白构象变化，使通道开放，离子顺浓度梯度自由扩散通过细胞膜。 通道开放时间只有几毫秒，随即迅速自发关闭。 电压门控通道主要存在于可兴奋细胞，如神经元、肌细胞及腺上皮细胞等。, 应力激活通道,通道蛋白受应力作用，引起构象改变而开启“闸门”，离子通过亲水通道进入细胞，引起膜电位变化，产生电信号。 如内耳毛细胞感受声波震动。,神经-肌接头处的离子通道协同活动示意图,（四）水通道介导水的快速转运,1.定义：
31、细胞膜上由水孔蛋白（aquaporin，AQP）形成的专一性转运水分子的通道。,2.分类：目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有11个成员（AQP0AQP10）。 AQP1、2、4、5、6、0：专一性通透水分子AQP3、7、9、10：通透水及甘油尿素等中小分子AQP8：功能尚不明确,3.水通道蛋白的结构,水通道在质膜上是由四个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体，每个亚基(即一个AQP1分子)的中心存在一个只允许水分子通过的中央孔，孔的直径约0.28nm，稍大于水分子直径。,水通道模式图,4.水通道对水分子的筛选机制,（1）AQP1中央孔通道的直径（0.28nm）的限制。 （2）AQP1中央孔通道
32、内溶质结合位点的控制。,5.水通道的特点 （1）持续开放的膜通道蛋白。 （2）转运速度快：一个AQP1通道蛋白每秒钟可允许3109个 水分子通过。 （3）水分子移动方向完全由膜两侧的渗透压差决定。,第三节 大分子颗粒物质的跨膜运输,大分子和颗粒物质被运输时通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程，故称为小泡运输(vesicular transport)。,膜泡运输,胞吞作用,胞吐作用,胞饮作用pinocytosis,吞噬作用phagocytosis,受体介导的胞吞作用receptor mediated endocytosis,在这种形式的转运过程中涉及膜泡的融合与断裂，需要消耗能量，也属于主
33、动转运。这种运输方式常转运较大量的大分子或颗粒物质，又称为批量运输(bulk transport)。膜泡运输不仅发生在质膜的跨膜运输中，胞内各种膜性细胞器之间的物质运输也是以这种方式进行的。,吞噬体phagosome,吞饮体pinosome,定义：指质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程 ，又称入胞作用或内吞作用。,一、胞吞作用,定义：细胞膜凹陷或形成伪足，摄入直径大于250nm的颗 粒物质（如细菌、细胞碎片等）的过程，形成的小囊泡称吞噬体或吞噬泡。,(一) 吞噬作用,细胞分布：具有吞噬功能的细胞。中性粒细胞单核细胞巨噬细胞 功能：在机体防御系统中发挥重要作用 。,（
34、二）胞饮作用,定义：细胞质膜内陷，非特异性摄入溶质或液体的过程，形成的小囊泡称胞饮体或胞饮泡。,细胞分布：常见于巨噬细胞、白细胞、毛细血管内皮细胞、肾小管内皮细胞、小肠上皮细胞等。,分为两种类型：一种是液相内吞 ：是一种非特异的固有内吞作用。 另一种是吸附内吞 ：细胞外大分子和(或)小颗粒物质首先以某种方式吸附在细胞表面，因此具有一定的特异性。,（三）受体介导的内吞作用,定义：细胞通过受体的介导摄取细胞外特异性蛋白质或其他化合物的过程。为细胞提供了高效、选择性地摄取细胞外大分子 物质的方式。 特点：具有选择性和高效性。,1、有被小窝和有被小泡的形成,有被小窝（coated pit）：是质膜上受
35、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）：细胞外溶质（配体）同有被小窝处的受体结合形成配体-受体复合物，网格蛋白聚集在有被小窝的胞质侧，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。,网格蛋白（clathrin）组成及装配：网格蛋白由3条重链和3条轻链组成三腿蛋白复合物，36个三腿蛋白复合物聚合成六角形或五角形的篮网状结构，覆盖于有被小窝（或有被小泡）的细胞质侧表面。功能：网格蛋白具有牵拉质膜内陷形成有被小泡的作用。,网格蛋白包被有被小窝有两个作用： 1）捕获膜上的受体使其聚集于有被
36、小窝内。 2）牵拉质膜向内凹陷，形成有被小泡。,成纤维细胞质面的网格蛋白被膜小窝的电子显微镜照片,衔接蛋白（adaptin）,介于网格蛋白与配体-受体复合物之间，参与包被的形成并起连接作用。 具有特异性地结合不同种类受体的作用。,有被小窝和有被小泡的形成过程,有被小窝开始内陷 有被小泡，还需要 “发动蛋白(dynamin)”的参与。该蛋白是一个螺旋状的领圈结构，环绕在内陷的有被小窝的颈部 水解GTP，构象改变 将有被小泡从质膜上切离下来 形成网格蛋白有被小泡。,有被小泡的掐断过程,2.无被小泡形成并与内体融合,有被小泡脱离 脱去包被成无被小泡，继而与早期内体融合。早期内体的低pH改变了受体和配
37、体分子的亲和状态，从而释放出与其结合的配体分子。受体与配体分离后，受体将返回质膜。开始下一轮的内吞作用 。,3、受体介导的LDL内吞作用,LDL： 中心含有大约1500个酯化的胆固醇分子 其外包围着800个磷脂分子和500个游离的胆固醇分子 载脂蛋白ApoB100将酯化胆固醇、磷脂、游离胆固醇组装成球形颗粒。,LDL受体：由839个氨基酸残基构成的单次穿膜糖蛋白。,细胞质,LDL颗粒,LDL受体,有被小窝,有被小泡,无被小泡,胞内体,受体与大分子颗粒分开,胞内体部分,胞内体部分,初级溶酶体,受体再循环,细胞质,二、胞吐作用,又称外排作用或出胞作用。是指细胞内合成的物质通过囊泡转运至细胞膜，与质
38、膜融合后将物质排出细胞外的过程。,胞吐作用分为两种类型：连续性分泌（constitutive secretion） 受调分泌（regulated secretion）,(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。,连续性分泌和受调分
39、泌,综上所述，细胞膜对物质运输有多种机制，概括起来主要有： 小分子和离子的跨膜运输，又分为被动运输和主动运输两种形式 。 另一种是大分子和颗粒物质的膜泡运输，又分为胞吞作用和胞吐作用。,第四节 细胞膜异常与疾病,一、载体蛋白异常与疾病二、离子通道蛋白异常与疾病三、膜受体异常与疾病,一、载体蛋白异常与疾病 1、胱氨酸尿症 是一种遗传性膜转运异常疾病。是肾小管上皮细胞转运胱氨酸及二氨基氨基酸(赖氨酸、精氨酸及鸟氨酸)的载体蛋白缺陷引起的疾病。,病人肾小管上皮细胞对四种氨基酸重吸收发生障碍，患者尿中胱氨酸超标，结晶析出，形成尿路结石，引起肾损伤。,2、肾性糖尿 是肾小管上皮细胞葡萄糖重吸收障碍，在血
40、糖正常情况下尿中出现葡萄糖。,二、离子通道异常与疾病囊性纤维化 (cystic fibrosis，CF）是白种人中最常见的致死性常染色体隐性遗传病。由于大量黏液阻塞全身外分泌腺所致慢性阻塞性肺疾病和胰腺功能不全。 临床表现：咳嗽、黏痰及肺部感染、长期慢性腹泻、吸收不良综合征、生长发育迟缓等。,患者的质膜上缺失囊性纤维跨膜转导调节子 （CFTR）： Cl-离子通道，Cl-和水不能进入呼吸道分泌的黏液中去，水化严重不足，黏度增大，造成纤毛摆动困难，不能向外排除分泌物而易于引发细菌感染。,三、膜受体异常与疾病 1、家族性高胆固醇血症 是一种常染色体显性遗传病， LDL受体缺乏或受体结构异常，重型纯合子病人常在20岁前后出现动脉硬化，死于冠心病。,细胞膜上LDL受体缺陷示意图 （受体异常导致其失去了定位于有被小窝的能力）,胞吐作用,
