细胞生物学课程第4章(细胞膜和物质的跨膜运输) (1)

糖类+膜脂
共价键
糖脂
脂 双 层 细胞内
膜 蛋 白
糖类+膜蛋白
共价键
糖蛋白
N-连接；O-连接
糖蛋白功能：有助于膜蛋白的定位与固定，与 细胞识别、信息传递、免疫、癌变等有关。
二、生物膜的特性
不对称性和流动性
（一）细胞膜的不对称性
1.膜脂的不对称性 2.膜蛋白的不对称性 3.膜糖的不对称性
1.膜脂和糖脂的不对称性
（2）功能
功能：作为某些分子的受体，与细胞识 别及信号转导有关。 例如神经节苷脂本身就是一类膜上的 受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、 干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺 激素和5-羟色胺等的受体就是不同的 神经节苷脂。 疾病与糖脂：儿童所患的家族性白痴病 （Tay-sachs disease）就是因为在 其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将 神经节苷脂GM2 加工成为GM3，结果 大量的GM2累积在神经细胞中，导致 中枢神经系统退化。
1.整合蛋白（integral protein）
2.外在蛋白(Peripheral protein)
3.脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)
GPI
4.膜蛋白在膜中的几种结合方式
（三）膜糖——覆盖在细胞表面
糖类约占细胞膜总重量 的2％～10％。
膜 糖 类 （细 糖胞 萼外 ）被
外周蛋白分布的不对称。
3.膜糖的不对称性


糖脂、糖蛋白的寡糖侧链只分布于质膜外表面。 内膜系统中，寡糖侧链分布于膜腔的内侧面
4.膜不对称的生理意义

膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性。 保证了生命活动的高度有序性。


糖脂是位于脂双层的外侧，——可能作为细胞外配体(ligand)的受体。 磷脂酰丝氨基——集中在脂双层的内叶，在生理pH下带负电荷，这种带 电性使得它能够同带正电的物质结合，如同血型糖蛋白A跨膜α 螺旋邻近 的赖氨酸、精氨酸结合。 磷脂酰胆碱——在衰老的淋巴细胞外表面，作为让吞噬细胞吞噬的信号； 磷脂酰胆碱出现在血小板的外表面，作为血凝固的信号。 磷脂酰肌醇——集中在内叶，它们在将细胞质膜的刺激向细胞质传递中 起关键作用。 细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向 性的维持就是靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。
（一）片层结构模型
（二）单位膜模型
（三）流动镶嵌模型
（四）脂筏模型
第二节 小分子物质的跨膜运输
基本途径： 一、简单扩散 二、离子通道 三、易化扩散 四、主动运输
后三者都是需要膜转运蛋白介导的跨膜运输方式
一、简单扩散
热运动 自由扩散 浓度梯度（电化学梯度） 不需要细胞提供能量 无膜蛋白协助
第四章 细胞膜和物质的跨膜运输
目的与要求
1.掌握细胞膜的化学组成、分子结构及细胞生 物学特性，了解生物膜的分子结构模型。 2.掌握小分子物质跨膜运输方式及特点，大分 子和颗粒物质运输的胞吞和胞吐作用，受体 介导的内吞作用。 3.熟悉细胞表面的特化结构，细胞膜异常与疾 病发生的关系。
细胞膜概述
细胞膜（cell memberane)：是包围在细胞外周的一层薄 膜，又称质膜（plasma membrane). 细胞内膜：细胞内除了细胞膜以外的细胞内所有膜性结构。 生物膜：细胞膜和细胞内膜的统称。 单位膜：“二暗一明”的膜式结构叫三层夹板式结构。
3.影响膜脂流动性的因素
影响膜脂流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。 包括： 1.胆固醇： 双向调节：相变温度以上，胆固醇的含量增加会降低膜的流动性； 相变温度以下，胆固醇的含量增加可阻止晶态的形成。 2.脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。 3.脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。
（3）血型与糖脂
ABO血型抗原是一种糖脂，其寡糖部分具有决定 抗原特异性的作用：

A型：膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。 B型：末端是半乳糖，Gal。 O型：末端没有这两种糖基。 AB型：末端同时具有这两种糖基。
4.脂质体（liposome）


膜脂在水溶液中具有形成封闭结构的倾向，常形成以下结构： (a)水溶液中的磷脂分子团； (b)球形脂质体； (c)平面脂 质体膜； (d）用于疾病治疗的脂质体的示意图 脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋 势而制备的人工膜。

通道蛋白
是一类跨膜蛋白，形成水性通道，允许适宜的分子通过。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不 同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输， 并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。 运输特点： ①蛋白不与溶质分子结合，形成跨膜通道介导离子顺浓度梯度通过； ②有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流； ③有些通道蛋白具有选择性和门控性，平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道。主要有： 电压门通道、配体门通道、机械门通道。
脂质双分子层中，各层所含磷脂种类有明显不同。
2.膜蛋白的不对称性
* 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都有特定的排布方
向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。 是生物膜
在时间与空间上有序完成复杂的各种生理功能的保证。 膜蛋白的不对称性包括：


整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目、种类和排序的不对称。
4.卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。
5.其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。
4.膜蛋白的运动
5.膜流动性的生理意义
① 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。 ② 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。 ③ 如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细 胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样 细胞就要停止新陈代谢而死亡。 ④ 膜流动性与信息传递有着极大的关系。 ⑤ 如果没有流动性，能量转换是不可能的。
⑥ 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。
三、细胞膜的分子结构模型
研究简史：
1. E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜， 而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类 物质组成。 2. E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的 脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积， 因而推测细胞膜由双层脂分子组成。 3. J. Danielli & H. Davson 1935 发现质膜的表面张力比油－水界面 的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋 白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的 蛋白质构成的。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具 有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。 4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片， 显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。 它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。单 位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。 5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻 技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。 强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。 6. K.Simons et al (1997): 脂筏模型（lipid rafts model） Functional rafts in Cell membranes. Nature 387:569-572
细胞膜的功能：
维持细胞的形态、内环境稳定、物质运输、能量转换、信息传递、免疫、癌变等。
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、生物膜的特性 三、细胞膜的分子结构模型
一、细胞膜的化学组成
细胞膜的化学组成主要是脂类、蛋白质和糖类.
膜 化 学 组 成
脂类： 约50% 蛋白质： 约40% 糖类： 2～10%
以鞘胺醇代替甘油，长链的不饱
和脂肪酸结合在鞘胺醇氨基上。
鞘 胺 醇
（3）磷脂的特征

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具有一个极性头和两个非极性的尾(脂 肪酸链)（心磷脂除外，位于线粒体内膜上的心磷脂具有4个
非极性尾部）；

脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由 16,18或20个组成； 常含有不饱和脂肪酸（如油酸），多 为顺式，在烃链中产生30º弯曲 。

载体蛋白：
特异性结合溶质分子，通过构象改变进行物质运输的蛋白质，可介导被动运输和主动运输。 运输特点： ①与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质的跨膜转运； ②对所转运的物质具有高度选择性； ③载体蛋白又称为通透酶(Permease): 对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线、可被类似物 竞争性抑制、具有竞争性抑制等酶的特性。但与酶不同的是: 载体蛋白不对转运分子作任何共价修饰。
2.胆固醇
（1）化学结构
极 性 头 部 平 面 甾 环 结 构 非 极 性 尾 部
（2）定位与功能


定位： 胆固醇仅存在真核细胞膜上， 含量一般不超过膜脂的1/3，植物细 胞膜中含量较少。 散布在膜中的磷脂分子中间， 极性羟基紧靠磷脂的极性头部，固 醇环固定在磷脂分子临近头部的烃 链上，疏水缔烃链尾部在脂双层的 中间。 功能： 提高脂双层的力学稳定性，调 节脂双层流动性，降低水溶性物质 的通透性。
3.糖脂
糖脂为含有一 个或几个糖基 的类脂，主要 有脑苷脂和神 经节苷脂。
鞘 胺 醇
半乳糖苷脂
脑苷脂
神经节苷脂
（1）分布与定位
糖脂是含糖而不含磷 酸的脂类，普遍存在于原 核和真核细胞的质膜上 （含量5％以下），神经细 胞膜上含量较高（5-10 ％）。 糖脂是两性分子。其 结构与鞘磷脂很相似，只 是由一个或多个糖残基代 替了磷脂酰胆碱而与鞘氨 醇的羟基结合。糖脂均位 于细胞膜的非细胞质面， 及外侧的脂质分子中。
（1）脂质体的应用
脂质体中裹入DNA可用于基因转移； 在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体 研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；
（二）蛋白质——细胞膜功能的主要执行者


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膜蛋白：生物膜所含的蛋白质。 生物膜的基本结构是由脂双层组成，但是它的特定功能却主要是由蛋白 质完成的 。如： 载体蛋白——膜内外的物质运输 连接蛋白——细胞的相互作用 受体蛋白——信号转导 各类酶——相关的代谢反应 在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，依在膜上存在方式不同 可分为： 1.整合蛋白（integral protein） 2.外周蛋白（peripheral protein） 3.脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）
（一）特点与条件
特点：
①沿浓度梯度（或电化学梯度）由高至低扩散； ②不需要细胞提供能量； ③没有膜蛋白的协助，也称被动扩散；
条件：


溶质在膜两侧保持一定的浓度差； 溶质必须能透过膜
（二）膜的选择通透性
二、膜蛋白介导的跨膜运输
离子通道 易化扩散 主动运输
（一）膜转运蛋白
（一）膜转运蛋白
1.类型：
（一）膜脂——细胞膜的基本组分
生物膜上的脂类统称膜脂。细胞膜中含有3种主 要的脂类：磷脂(含量最丰富)、胆固醇和糖脂。它 们都是双亲性分子，包括1个亲水(极性)末端和1个 疏水(非极性)末端。
1.磷脂
（1）甘油磷脂的化学结构
甘 油 磷 脂
磷脂酰胆碱
磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸
（2）鞘磷脂的化学结构

（二）细胞膜的流动性
细胞膜的流动性： 膜内部的脂和蛋白质分子的运动性。膜 的流动性不仅是膜的基本特性之一，也是 细胞进行生命活动的必要条件。
1. 膜脂双分子层是二维流体
2.膜脂的流动性
膜脂分子的运动
1. 2. 3. 4. 5. 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。 旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶 （flippase）的催化下完成。 6. 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。