第二篇 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能,第四章 細(xì)胞膜與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸,細(xì)胞膜(cell membrane)又稱質(zhì)膜(plasma membrane)，是包圍在細(xì)胞質(zhì)表面的一層薄膜。 細(xì)胞內(nèi)還有豐富的膜結(jié)構(gòu)，形成了細(xì)胞內(nèi)各種膜性細(xì)胞器，稱為細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng) 。,細(xì)胞膜,細(xì)胞質(zhì),通常將質(zhì)膜和細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)總稱為生物膜 (biomembrane)。,電鏡下 生物膜呈現(xiàn)“兩暗一明” 又被稱為單位膜 (unit membrane),第一節(jié) 細(xì)胞膜的化學(xué)組成與分子結(jié)構(gòu) 主要由脂類、蛋白質(zhì)和糖類組成。膜中還含有少量水、無機(jī)鹽和金屬離子等。,一、細(xì)胞膜的化學(xué)組成 （一）膜脂構(gòu)成細(xì)胞膜的基本骨架 細(xì)胞膜上的脂類稱為膜脂(membrane lipid)，它是細(xì)胞膜的基本組成成分，約占膜成分的50。 主要有三種：磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂含量為最多。,膜脂：,生物膜上的脂類統(tǒng)稱膜脂（50%）。,脂 類,油脂：,類脂：,油（液），脂肪（固 ）,磷 脂,糖 脂,甾 類,(類脂) 膜 脂,磷脂 phospholipid,糖脂 glycolipid,膽固醇 cholesterol,1、磷脂構(gòu)成膜脂的基本成分 可分為兩類： 甘油磷脂：磷脂酰膽堿(卵磷脂) 、磷脂酰乙 醇胺(腦磷脂) 、磷脂酰絲氨酸 、 磷脂酰肌醇 鞘磷脂,磷脂酸,磷酸甘油酯,甘油磷脂（甘油，兩條脂肪酸鏈，磷酸與含氮有機(jī)物結(jié)合）。,2H,磷酸甘油酯,極性頭部基團(tuán)（親水）,非極性尾部基團(tuán)（疏水）,N ,甘油,磷 酸,磷酸化醇,雙親性分子 （兼性分子）,鞘磷脂: 以鞘氨醇代替甘油，長(zhǎng)鏈的不飽和脂肪酸結(jié)合在鞘氨醇的氨基上 。 在神經(jīng)元細(xì)胞膜中含量較多。,（一個(gè)鞘氨醇骨架，一條脂肪酸鏈，一個(gè)磷酰膽堿，無甘油）,鞘磷脂及其代謝產(chǎn)物神經(jīng)酰胺、鞘氨醇等，參與細(xì)胞增殖、分化和凋亡等各種細(xì)胞活動(dòng)。,Cell membrane - Structure,2、膽固醇能穩(wěn)定膜和調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性,3、糖脂主要位于質(zhì)膜的非胞質(zhì)面 細(xì)菌和植物細(xì)胞-糖脂均是甘油磷脂的衍生物。 動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜的糖脂幾乎都是鞘氨醇的衍生物稱為鞘糖脂：,鞘胺醇,糖脂與鞘磷脂相似，也是鞘氨醇的衍生物。,半乳糖苷脂,糖 脂 分 子,最簡(jiǎn)單的糖脂是腦苷脂，其極性頭部?jī)H有一個(gè)半乳糖或葡萄糖殘基。較復(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂，其極性頭部可含多達(dá)7個(gè)糖殘基。 所有細(xì)胞中，糖脂均位于質(zhì)膜非胞質(zhì)面，糖基暴露于細(xì)胞表面。,當(dāng)這些兩親性分子被水環(huán)境包圍時(shí)，這樣可能存在兩種形式： 形成球狀的分子團(tuán)(micelk)，把尾部包藏在里面； 形成雙分子層 ，其游離端往往能自動(dòng)閉合，形成自我封閉的脂質(zhì)體 。,水,水,水,磷脂分子團(tuán),磷脂雙層,磷脂脂質(zhì)體,脂質(zhì)體可用于膜功能的研究；脂質(zhì)體也可以作為體內(nèi)藥物或DNA的運(yùn)輸載體。,（二）膜蛋白執(zhí)行細(xì)胞膜的多種重要功能 細(xì)胞膜的許多重要功能主要是由膜中存在的蛋白質(zhì)完成（轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 、酶、連接蛋白 、受體蛋白） 。,根據(jù)膜蛋白與脂雙層結(jié)合的不同方式，膜蛋白可分為三種基本類型： 內(nèi)在膜蛋白(intrinsic membrane protein)或整 合膜蛋白(integral membrane protein) 外在膜蛋白(extrinsic membrane protein) 脂錨定蛋白 (1ipid anchored protein),1、內(nèi)在膜蛋白（整合膜蛋白） 又稱跨膜蛋白(transmembrane protein),占膜蛋白總量的70%80。也是兩親性分子。 分為單次跨膜、多次跨膜和多亞基跨膜蛋白三種類型。,1.單次跨膜：,單條a-螺旋貫穿脂質(zhì)雙層。,脂質(zhì)雙層,非胞質(zhì)面,胞質(zhì)面,1,2,2.多次跨膜：,數(shù)條a-螺旋幾次折返穿越脂質(zhì)雙層。,3.多亞基跨膜蛋白：,內(nèi)在膜蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域是與膜脂結(jié)合的主要部位具體作用方式如下： (1) -螺旋 外部通過范德華力與脂雙層分子脂肪酸鏈相互作用 ，這樣就把蛋白質(zhì)封閉在膜的脂“壁”中。 (2)某些-螺旋內(nèi)側(cè)形成了特異性極性分子的跨膜通道。,2、外在蛋白 又稱外周蛋白(peripheral protein) 占膜蛋白總量的2030，完全位于脂雙層之外，分布在胞質(zhì)側(cè)或胞外側(cè)。 一般通過非共價(jià)鍵(如弱的靜電作用)附著在脂類分子頭部極性區(qū)或跨膜蛋白親水區(qū)的一側(cè)，間接與膜結(jié)合 。,1.單次穿膜：,脂質(zhì)雙層,非胞質(zhì)面,胞質(zhì)面,1,2,2.多次穿膜：,外周蛋白：,附在膜的內(nèi)外表面，非共價(jià)地結(jié)合在內(nèi)在膜（鑲嵌）蛋白上。,跨膜蛋白,例如，紅細(xì)胞的雙凹外形即為外周蛋白（血影蛋白和錨蛋白）維持。 外周蛋白一般用一些溫和的方法，如改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度或pH，即可將它們從膜上分離下來，而不需破壞膜的基本結(jié)構(gòu)。,3、脂錨定蛋白 又稱脂連接蛋白(1ipid-linked protein) 這類膜蛋白位于膜的兩側(cè)，很像外周蛋白，但與其不同的是脂錨定蛋白以共價(jià)鍵與脂雙層內(nèi)的脂分子結(jié)合。,脂錨定蛋白以兩種方式通過共價(jià)鍵結(jié)合于脂類分子 : 一種位于質(zhì)膜胞質(zhì)一側(cè)，直接通過與脂雙層中的碳?xì)滏溞纬晒矁r(jià)鍵而被錨定在脂雙層上。 另一種方式是位于質(zhì)膜外表面的蛋白質(zhì)，通過與脂雙層外層中磷脂酰肌醇分子相連的寡糖鏈共價(jià)結(jié)合而錨定到質(zhì)膜,脂質(zhì)雙層,非胞質(zhì)面,胞質(zhì)面,1,2,脂錨定蛋白1：,不穿越脂質(zhì)雙層的全部，而與胞質(zhì)側(cè)單層脂質(zhì)的烴鏈結(jié)合。,脂錨定蛋白2：與脂雙層外層中磷脂酰肌醇分 子相連的寡糖鏈共價(jià)結(jié)合而錨 定到質(zhì)膜 (GPI),第二種又稱為糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白(GPI) 。 這種錨定形式與跨膜蛋白相比，在理論上有許多優(yōu)點(diǎn)。 運(yùn)動(dòng)性增大，有利于結(jié)合更多的蛋白質(zhì)，有利于和其他細(xì)胞或有生理功能的胞外分子更快地結(jié)合和反應(yīng)。,要分離內(nèi)在膜蛋白必須使用能破壞疏水作用并能瓦解脂雙層的試劑，一般常使用去垢劑。,十二烷基磺酸鈉(SDS)為常用的離子型去垢劑，可把跨膜蛋白與磷脂分開。 Triton X一100是非離子去垢劑，也可使細(xì)胞膜崩解，也用于去除細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)，以便對(duì)細(xì)胞骨架和其他蛋白質(zhì)進(jìn)行研究。,膜糖類,糖類+膜脂,共價(jià)鍵,糖 脂,糖類+膜蛋白,糖蛋白,共價(jià)鍵,脂雙層,膜蛋白,細(xì)胞衣,糖類約占質(zhì)膜重量的210。,（三）膜糖類覆蓋細(xì)胞膜表面,二、細(xì)胞膜的特性,（一）膜的不對(duì)稱性決定膜功能的方向性 膜的不對(duì)稱性-是指細(xì)胞膜中各種成分種類和數(shù)量的分布是不均勻的，這與細(xì)胞膜的功能有密切關(guān)系。,第一：脂質(zhì)雙分子層中，各層所含的磷脂種類有明顯不同。,細(xì)胞膜,非胞質(zhì)側(cè)：,磷脂酰膽堿.鞘磷脂。,胞質(zhì)側(cè)：,磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸,1、膜脂的不對(duì)稱性,第二：糖脂全部分布在非胞質(zhì)側(cè)的單層脂質(zhì)分子中。,帶負(fù)電荷的磷脂酰絲氨酸主要在胞質(zhì)側(cè)，細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)負(fù)電荷大于外側(cè)。,膜脂不對(duì)稱性還表現(xiàn)在不同膜性細(xì)胞器中脂類成分組成不同：,第一.膜蛋白分布是絕對(duì)不對(duì)稱的各種膜蛋白在質(zhì)膜中都有一定的位置。 。,第二.糖蛋白上的低聚糖殘基均位于膜的非胞質(zhì)側(cè)。,第三.膜蛋白顆粒在內(nèi)外兩層中分布的不對(duì)稱。,2、膜蛋白的不對(duì)稱性,膜分子結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性決定了膜內(nèi)表面功能的不對(duì)稱性,冰凍蝕刻技術(shù):,3、膜糖的不對(duì)稱性,細(xì)胞膜糖脂、糖蛋白的寡糖側(cè)鏈只分布于質(zhì)膜外表面(非胞質(zhì)面)； 而在內(nèi)膜系統(tǒng)，寡糖側(cè)鏈都分布于膜腔的內(nèi)側(cè)面(非胞質(zhì)面)。,膜組分分布不對(duì)稱性具有重要的生物學(xué)意義： 膜結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性保證了膜功能的方向性，使膜兩側(cè)具有不同的功能，保證了生命活動(dòng)的高度有序性。,（二）膜流動(dòng)性是膜功能活動(dòng)的保證,流動(dòng)性主要是指膜脂的流動(dòng)性和膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性。,1、膜脂雙分子層是二維流體 即具有液晶態(tài)結(jié)構(gòu)。它的組分既有固體所具有的分子排列的有序性，又具有液體的流動(dòng)性。 相變溫度 ：當(dāng)溫度下降到某一點(diǎn)時(shí)，它可以從流動(dòng)的液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)；溫度上升時(shí)又可以熔融為液晶態(tài)。,（1）側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng): 相鄰分子互換位置速率達(dá)107次/秒, 一個(gè)脂質(zhì)分子移動(dòng)距離達(dá)104nm/20秒。,（2）翻轉(zhuǎn),（3）旋轉(zhuǎn),（4）伸縮和振蕩運(yùn)動(dòng),2、膜脂分子能進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng),(5)烴鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)運(yùn)動(dòng) ： 細(xì)胞膜脂類的脂肪酸烴鏈可以繞CC自由旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體。 在低溫條件下，烴鏈呈全反式構(gòu)象（伸展） ，相對(duì)流動(dòng)性較低；隨著溫度升高，歪扭構(gòu)象逐漸增多，烴鏈流動(dòng)性增高。,(1)脂肪酸鏈的飽和程度 (2)脂肪酸鏈的長(zhǎng)度,3、多種因素影響膜脂的流動(dòng)性,(3)膽固醇的的雙重調(diào)節(jié)作用： 當(dāng)溫度在相變溫度以上時(shí)，由于膽固醇分子的固醇環(huán)與磷脂分子的烴鏈部分相結(jié)合限制了膜的流動(dòng)性，起到穩(wěn)定質(zhì)膜的作用。 當(dāng)溫度在相變溫度以下時(shí)。由于膽固醇位于磷脂分子之間隔開磷脂分子，可有效地防止脂肪酸鏈相互凝聚，干擾晶態(tài)形成。,4.卵磷脂/鞘磷脂的比例 卵磷脂的脂肪酸鏈不飽和程度高，相變溫度較低；鞘磷脂則相反，,5.膜蛋白的影響 嵌入的蛋白越多，界面脂就越多，膜脂的流動(dòng)性越小。,（2）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 1970年，Edidin等人運(yùn)用細(xì)胞融合技術(shù)和熒光免疫技術(shù)，證實(shí)了膜蛋白的流動(dòng)性。,4、膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性,（1）側(cè)向擴(kuò)散：膜蛋白在膜脂中可以自由漂浮和在膜表面擴(kuò)散。,小鼠細(xì)胞,標(biāo)記人膜蛋白抗體+人膜蛋白（抗原）,異核細(xì)胞,抗小鼠膜蛋白抗體+熒光素B,抗人膜蛋白抗體+熒光素A,標(biāo)記小鼠膜蛋白抗體+小鼠膜蛋白（抗原）,人細(xì)胞,孵育（370C,40分鐘）,膜的流動(dòng)性具有十分重要的生理意義： 如物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞識(shí)別、信息轉(zhuǎn)導(dǎo)等功能都與膜的流動(dòng)性有密切關(guān)系。,三、細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)模型,1890年，蘇黎世大學(xué)的Ernest 0verton ,推測(cè)細(xì)胞的表面有類脂層； 1925年EGorter和FGrendel研究血影，第一次提出了脂雙分子層是細(xì)胞膜基本結(jié)構(gòu)的概念。,（一）片層結(jié)構(gòu)模型 1935年，James Danielli和Hugh Davson提出“片層結(jié)構(gòu)模型” ： 細(xì)胞膜是由兩層磷脂分子構(gòu)成，內(nèi)外側(cè)表面還覆蓋著一層球形蛋白質(zhì)分子，形成蛋白質(zhì)-磷脂一蛋白質(zhì)三層夾板式結(jié)構(gòu) 。,脂雙層,蛋白質(zhì),認(rèn)為質(zhì)膜上有穿過脂雙層的孔，小孔由蛋白質(zhì)分子圍成，其內(nèi)表面具有親水基團(tuán)，允許水分子通過。,蛋白質(zhì)：?jiǎn)螌与逆?折疊結(jié)構(gòu),（二）單位膜模型,“兩暗一明”,細(xì)胞膜,細(xì)胞質(zhì),脂雙層,20世紀(jì)60年代以后，一些新技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用，如應(yīng)用冰凍蝕刻技術(shù)顯示膜中有蛋白質(zhì)顆粒存在； 應(yīng)用紅外光譜、旋光色散等技術(shù)證明膜蛋白主要不是片層結(jié)構(gòu)，而是螺旋的球形結(jié)構(gòu)。 S. Jonathan Singer 和Garth Nicolson在1972年提出流動(dòng)鑲嵌模型。,（三）流動(dòng)鑲嵌模型,1. 膜中脂雙層構(gòu)成膜的連貫主體，它既具有晶體分子排列的有序性，又具有液體的流動(dòng)性 。,脂質(zhì)雙分子層,極性頭部,疏水尾部,偏振光條件下的液晶,2.膜中蛋白質(zhì)分子以不同形式與脂雙層分子結(jié)合。,外周蛋白,鑲嵌蛋白,流動(dòng)鑲嵌模型強(qiáng)調(diào)了膜的流動(dòng)性和不對(duì)稱性，較好地解釋了生物膜的功能特點(diǎn)，它是目前被普遍接受的膜結(jié)構(gòu)模型,3.糖類分布在膜的外表面（糖蛋白、糖脂）。,不足：質(zhì)膜在變化過程中怎樣保持膜的相對(duì)完整性和穩(wěn)定性，忽視了膜的各部分流動(dòng)性的不均勻性等。 1975年D.F.Wallach提出了一種“晶格鑲嵌模型” 。 1977年，M.K.Jain和H.B.White又提出了“板塊鑲嵌模型” 。,（四）脂筏模型,近來發(fā)現(xiàn)膜質(zhì)雙層內(nèi)含有由特殊脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的微區(qū)： 富含膽固醇和鞘脂，其中聚集一些特定種類的膜蛋白。較少流動(dòng)，被稱為“脂筏”。 脂筏周圍則是富含不飽和磷脂的流動(dòng)性較高的液態(tài)區(qū)。,外層的微區(qū)主要含有鞘脂、膽固醇及GPI一錨定蛋白。 脂筏中的脂類與相關(guān)的蛋白質(zhì)在膜平面可進(jìn)行側(cè)向擴(kuò)散。,兩個(gè)特點(diǎn)： 1.許多蛋白質(zhì)聚集在脂筏內(nèi)，便于相互作用； 2.脂筏提供一個(gè)有利于蛋白質(zhì)變構(gòu)的環(huán)境，形成有效的構(gòu)象。,脂筏的功能： 是參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及膽固醇代謝運(yùn)輸?shù)取?當(dāng)前的研究來看，脂筏功能的紊亂已涉及HIV、腫瘤、動(dòng)脈粥樣硬化、Alzheimer病、瘋牛病及肌營(yíng)養(yǎng)不良等疾病 。,第二節(jié) 小分子跨膜運(yùn)輸,小分子運(yùn)輸： 簡(jiǎn)單擴(kuò)散、離子通道擴(kuò)散、易化擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸。 大分子和顆粒物質(zhì)的運(yùn)輸: 通過胞吞和胞吐作用進(jìn)行。,一、膜的選擇性通透和簡(jiǎn)單擴(kuò)散,（一）膜的選擇性通透 分子量越小、脂溶性越強(qiáng)，通過脂雙層膜的速率越快。,簡(jiǎn)單擴(kuò)散:,不需要消耗能量和不依靠專一膜蛋白分子而使物質(zhì)順濃度梯度從膜的一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)到另一側(cè)的運(yùn)輸方式。 必須滿足兩個(gè)條件：一是溶質(zhì)在膜兩側(cè)保持一定的濃度差二是溶質(zhì)必須能透過膜。,高濃度,低濃度,脂質(zhì)雙分子層,電化學(xué)梯度,脂溶性物質(zhì)(非極性物質(zhì)):苯.乙醇.氧.氮.SD.,不帶電荷小分子物質(zhì): 水.尿素.二氧化碳,適合自由擴(kuò)散的物質(zhì):,不適合自由擴(kuò)散的物質(zhì):,帶電荷物質(zhì)；較大的分子如甘油通過較慢，葡萄糖則幾乎不能通過。,人類肺部?jī)?nèi)表面。圖中的洞穴是肺氣泡，這里是血液交換氣體的地方。,O2，CO2 N2，苯,H2O 尿素，甘油,葡萄糖 蔗糖,H+，HCO3- Na+，K+, Cl-, Mg2+,人工脂雙層的相對(duì)通透性,二、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的跨膜運(yùn)輸,細(xì)胞膜中有特定的膜蛋白稱為膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(membrane transport protein)。 運(yùn)輸各種離子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸及許多細(xì)胞代謝產(chǎn)物。,所有膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都是跨膜蛋白，它們的肽鏈穿越脂雙層，能使被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)通過細(xì)胞膜。 通常每種膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白只轉(zhuǎn)運(yùn)一種特定類型的溶質(zhì)。,通道蛋白：通道蛋白形成一種水溶性通道，當(dāng)通道開放時(shí)特定的溶質(zhì)(一般是無機(jī)離子)可經(jīng)過通道穿越細(xì)胞膜。,載體蛋白：載體蛋白與特定的溶質(zhì)結(jié)合，改變構(gòu)象使溶質(zhì)穿越細(xì)胞膜。 被動(dòng)運(yùn)輸(passive transport),膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要有兩類：,細(xì)胞也需要逆電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)一些溶質(zhì)，這時(shí)不但需要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的參與，還需要消耗能量(多數(shù)是指ATP)， 我們把細(xì)胞膜的這種利用代謝產(chǎn)生的能量來驅(qū)動(dòng)物質(zhì)的逆濃度梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)稱為主動(dòng)運(yùn)輸(active transport) 。,（一）離子通道高效轉(zhuǎn)運(yùn)各種離子 各種離子的穿膜速率很高，可在數(shù)毫秒內(nèi)完成，這種高效率的轉(zhuǎn)運(yùn)是借助膜上的通道蛋白完成的。,目前已發(fā)現(xiàn)的通道蛋白有100余種， 通道蛋白的中心有一個(gè)對(duì)離子高度親和的親水性通道，又稱離子通道(ion channel) 。,特點(diǎn) ： 通道蛋白介導(dǎo)的是被動(dòng)運(yùn)輸，通道蛋白在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不與溶質(zhì)分子結(jié)合。 離子通道有高度的選擇性。 轉(zhuǎn)運(yùn)速率高，比載體蛋白所介導(dǎo)的最快轉(zhuǎn)運(yùn)速率高約1 000倍。 多數(shù)離子通道不是持續(xù)開放，離子通道開放受“閘門”控制。,高濃度,低濃度,電化學(xué)梯度,通道蛋白,通道蛋白(非門控性),通常根據(jù)通道門控機(jī)制的模式不同和所通透離子的種類將門控通道大致分為三大類： (1)配體門控通道： 實(shí)際上是離子通道型受體，它們與細(xì)胞外的特定配體(1igand)結(jié)合后，發(fā)生構(gòu)象改變，結(jié)果將“門”打開。,物質(zhì)順濃度梯度經(jīng)過通道蛋白擴(kuò)散到細(xì)胞膜的另一側(cè)。,通道蛋白,高濃度,低濃度,電化學(xué)梯度,乙酰膽堿受體(nAChR)是典型的配體門控通道(圖4一18) 。是五聚體跨膜蛋白( 2 ),M2亞基上的亮氨酸殘基伸向孔內(nèi)形成一個(gè)紐扣結(jié)構(gòu)。,(2)電壓門控通道： 膜兩側(cè)跨膜電位的改變是控制電壓門控通道開放與關(guān)閉的直接因素。 電壓門控通道主要存在于神經(jīng)元、肌細(xì)胞及腺上皮細(xì)胞等可興奮細(xì)胞，包括鉀通道、鈣通道、鈉通道和氯通道。,(3)應(yīng)力激活通道： 是通道蛋白感應(yīng)力而改變構(gòu)象，開啟通道使“門”打開離子通過親水通道進(jìn)人細(xì)胞，產(chǎn)生電信號(hào)。 如內(nèi)耳毛細(xì)胞頂部的聽毛細(xì)胞。,（二）載體蛋白介導(dǎo)的易化擴(kuò)散,一些非脂溶性(或親水性)的物質(zhì)，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸以及細(xì)胞代謝物等，需在載體蛋白的介導(dǎo)下 運(yùn)輸。,在載體蛋白的介導(dǎo)下，不消耗細(xì)胞的代謝能量，順物質(zhì)濃度梯度或電化學(xué)梯度進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，這種方式稱為易化擴(kuò)散(facilitated diffusion)或幫助擴(kuò)散。 與簡(jiǎn)單擴(kuò)散相同，二者都被稱為被動(dòng)運(yùn)輸。,可運(yùn)輸一些親水性物質(zhì)和無機(jī)離子等。,載體蛋白,高濃度,低濃度,電化學(xué)梯度,高濃度,低濃度,電化學(xué)梯度,一種載體蛋白可特異性的連接和傳送一種特定的分子跨膜，這種運(yùn)輸方式比單純擴(kuò)散速率大大增加。,易化擴(kuò)散的速率在一定限度內(nèi)同溶質(zhì)的濃度差成正比，當(dāng)擴(kuò)散率達(dá)一定水平，就不再受溶質(zhì)濃度的影響。 與之相比，簡(jiǎn)單擴(kuò)散的速率總是與溶質(zhì)濃度差呈正比 。,Km 轉(zhuǎn)運(yùn)分子濃度,載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散,簡(jiǎn)單擴(kuò)散,轉(zhuǎn)運(yùn)速率,Vmax 1/2Vmax,當(dāng)所有的結(jié)合部位均被溶質(zhì)分子占據(jù)。這時(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)速率達(dá)到最大值(Vmax)。,（三）載體蛋白介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸,主動(dòng)運(yùn)輸是載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度，由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)進(jìn)行的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)方式。 主動(dòng)運(yùn)輸需要能選擇性結(jié)合特定溶質(zhì)分子的載體蛋白，還要消耗代謝能。,動(dòng)物細(xì)胞根據(jù)主動(dòng)運(yùn)輸過程中利用能量的方式不同，主動(dòng)運(yùn)輸可分為： ATP直接提供能量(ATP驅(qū)動(dòng)泵)， ATP間接提供能量?jī)煞N主要類型。,1、離子泵直接水解ATP進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸,1957年后，J. C. Skou發(fā)現(xiàn) Na+-K+-ATP酶 ，實(shí)際上就是膜上的一種ATP酶(ATPase)。 它可以利用水解ATP提供的能量，實(shí)現(xiàn)離子或小分子逆濃度或電化學(xué)梯度的跨膜運(yùn)動(dòng)。,（1）Na+-K+泵： 為Na+-K+ATP 酶，具有載體和酶的雙重作用。,小亞基:為細(xì)胞膜外側(cè)半嵌合糖蛋白,其作用機(jī)制不詳。,大亞基：為貫穿膜全層的脂蛋白,是該酶的催化部位。 膜外表面有2個(gè)高親和K+結(jié)合位點(diǎn)，也是烏本苷高親和結(jié)合位點(diǎn)。 -亞基的胞質(zhì)面有3個(gè)高親和Na+結(jié)合位點(diǎn)，可以結(jié)合3個(gè)Na+。,Pi,鈉結(jié)合部位,鉀結(jié)合部位,Na+,Na+,Na+,Na+,K+,K,+,泵,Mg+,Pi,Pi,K+,K+,K+,Pi,鈉結(jié)合部位,鉀結(jié)合部位,Na+,Na+,Na+,Na+,K+,Mg+,Pi,Pi,K+,K+,K+,水解一個(gè)ATP分子，可輸出3個(gè)Na+，轉(zhuǎn)入2個(gè)K+。每秒鐘可發(fā)生約1 000次構(gòu)象變化。 當(dāng)N+-K+泵抑制劑烏本苷在膜外側(cè)占據(jù)K+的結(jié)合位點(diǎn)后，Na+-K+-ATP酶活性可被抑制；當(dāng)抑制生物氧化作用的氰化物使ATP供應(yīng)中斷時(shí)，Na+-K+泵失去能量來源而停止。,（2）Ca2+泵 ： 真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中含有極低濃度的Ca2+（10-7molL），而細(xì)胞外Ca2+濃度卻高得多（約10-3molL）。 Ca2+泵也是ATP酶，每水解一個(gè)ATP分子，能逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)2個(gè)Ca2+進(jìn)入肌漿網(wǎng)或泵出細(xì)胞。,2、離子濃度驅(qū)動(dòng)的協(xié)同運(yùn)輸,細(xì)胞所建立的各種濃度梯度，如Na+、K+和H+濃度梯度，是儲(chǔ)存自由能的一種方式。 協(xié)同運(yùn)輸(cotransport)： 是一類由Na+- K+泵(或H+泵)與載體蛋白協(xié)同作用，間接消耗ATP所完成的主動(dòng)運(yùn)輸方式。,根據(jù)溶質(zhì)運(yùn)輸方向與Na+順電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)移方向的關(guān)系，又可分為同向運(yùn)輸(symport)與對(duì)向運(yùn)輸(antiport)。 物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)所需要的直接動(dòng)力來自膜兩側(cè)離子的電化學(xué)梯度，而維持這種離子電化學(xué)梯度則是通過Na+- K+泵(或H+泵)消耗ATP所實(shí)現(xiàn)的。,參與葡萄糖同向運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白稱為Na+葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 ： 它在質(zhì)膜外表面結(jié)合2個(gè)Na+和1分子葡萄糖，當(dāng)Na+順濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞時(shí)，葡萄糖就利用Na+電化學(xué)濃度差的勢(shì)能，與Na+相伴隨逆濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞 。,進(jìn)入細(xì)胞的Na+被Na+ - K+- ATP酶泵出細(xì)胞外，以保持Na+的跨膜濃度梯度。 這種運(yùn)輸所消耗的能量，實(shí)際上是由ATP水解間接提供的。 小腸上皮細(xì)胞就是利用這種機(jī)制來吸收葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、氨基酸等。葡萄糖一旦進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，再以易化擴(kuò)散方式通過基膜進(jìn)入血流。,K+,葡萄糖-Na+同向轉(zhuǎn)運(yùn),腸腔,細(xì)胞外液,高葡萄糖濃度,離子濃度梯度也可用來驅(qū)動(dòng)對(duì)向運(yùn)輸。 如Na+ - H+交換載體，這種載體蛋白使Na+順濃度梯度流進(jìn)與H+泵出，從而清除細(xì)胞代謝過程中產(chǎn)生的過多的H+。,上述各種“主動(dòng)運(yùn)輸”方式的特點(diǎn)是： 逆濃度或電化學(xué)梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)； 需要消耗量，可直接利用水解ATP或來自離子電化學(xué)梯度提供能量； 需要膜上特異性載體介導(dǎo)，這些載體有特異的結(jié)合位點(diǎn)，又有結(jié)構(gòu)上的可變性。,第三節(jié) 大分子顆粒物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸,大分子和顆粒物質(zhì)被運(yùn)輸時(shí)通過一系列膜囊泡的形成和融合來完成轉(zhuǎn)運(yùn)過程，故稱為膜泡運(yùn)輸(vesicular transport)。,在這種形式的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中涉及膜泡的融合與斷裂，需要消耗能量，也屬于主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。 這種運(yùn)輸方式常轉(zhuǎn)運(yùn)較大量的大分子或顆粒物質(zhì)，又稱為批量運(yùn)輸(bulk transport)。 膜泡運(yùn)輸不僅發(fā)生在質(zhì)膜的跨膜運(yùn)輸中，胞內(nèi)各種膜性細(xì)胞器之間的物質(zhì)運(yùn)輸也是以這種方式進(jìn)行的。,膜泡運(yùn)輸,胞吞作用,胞吐作用,胞飲作用pinocytosis,吞噬作用phagocytosis,受體介導(dǎo)的胞吞作用receptor mediated endocytosis,吞噬體phagosome,吞飲體pinosome,一、胞吞作用 （一）吞噬作用 動(dòng)物細(xì)胞中，只有中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞及巨噬細(xì)胞等 ，攝取較大的固體顆粒或分子復(fù)合物(直徑250nm)。 吞噬形成的膜泡稱為吞噬體(phagosome)或吞噬泡(phagocytic)。 在機(jī)體防御系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。,（二）胞飲作用 是細(xì)胞非特異地?cái)z取細(xì)胞外液滴的過程。 包圍液體物質(zhì)，形成胞飲體(pinosome)或胞飲泡(pinocytic vesicle)，直徑小于150nm。,分為兩種類型： 一種是液相內(nèi)吞 ：是一種非特異的固有內(nèi)吞作用。 另一種是吸附內(nèi)吞 ：細(xì)胞外大分子和(或)小顆粒物質(zhì)首先以某種方式吸附在細(xì)胞表面，因此具有一定的特異性。,（三）受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用 是細(xì)胞通過受體的介導(dǎo)攝取細(xì)胞外專一性蛋白質(zhì)或其他化合物的過程。 能使細(xì)胞特異地?cái)z取細(xì)胞外含量很低的成分，而不需要攝人大量的細(xì)胞外液。 與非特異的胞吞作用相比。可使特殊大分子的內(nèi)化效率增加1 000多倍。,1、有被小窩和有被小泡的形成 受體集中在質(zhì)膜的特定區(qū)域，稱為有被小窩(coated pits)。 直徑約50100nm，凹陷處的質(zhì)膜內(nèi)表面覆蓋著一層毛刺狀電子致密物，其中包括網(wǎng)格蛋白(clathrin)和銜接蛋白(adaptor protein)。,網(wǎng)格蛋白也稱作籠蛋白，是一種蛋白復(fù)合物 三腿蛋白復(fù)合物 36個(gè)三腿蛋白復(fù)合物聚合 六角形或五角形的籃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，覆蓋于有被小窩細(xì)胞質(zhì)側(cè)表面。,網(wǎng)格蛋白包被有被小窩有兩個(gè)作用： 1）捕獲膜上的受體使其聚集于有被小窩內(nèi)。 2）牽拉質(zhì)膜向內(nèi)凹陷，形成有被小泡。,在包被成分中。還有一種銜接蛋白，介于網(wǎng)格蛋白與配體 - 受體復(fù)合物之間，參與包被的形成并起連接作用。 在受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用中，網(wǎng)格蛋白沒有特異性，其特異性受銜接蛋白的調(diào)節(jié)。,成纖維細(xì)胞質(zhì)面的網(wǎng)格蛋白被膜小窩的電子顯微鏡照片,有被小窩開始內(nèi)陷 有被小泡，還需要 “發(fā)動(dòng)蛋白(dynamin)”的參與。 該蛋白是一個(gè)螺旋狀的領(lǐng)圈結(jié)構(gòu)，環(huán)繞在內(nèi)陷的有被小窩的頸部 水解GTP，構(gòu)象改變 將有被小泡從質(zhì)膜上切離下來 形成網(wǎng)格蛋白有被小泡。,有被小泡的掐斷過程,有被小泡脫離 脫去包被成無被小泡，繼而與早期內(nèi)體融合。 早期內(nèi)體的低pH改變了受體和配體分子的親和狀態(tài)，從而釋放出與其結(jié)合的配體分子。 受體與配體分離后，受體將返回質(zhì)膜。開始下一輪的內(nèi)吞作用 。,2、受體介導(dǎo)的LDL內(nèi)吞作用 膽固醇在肝臟中合成并包裝成低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)在血液中運(yùn)輸。 LDL為球形顆粒=由載脂蛋白（LDL受體的配體 ）+酯化膽固醇 +磷脂+游離膽固醇。,細(xì)胞質(zhì),LDL顆粒,LDL受體,有被小窩,有被小泡,無被小泡,胞內(nèi)體,受體與大分子顆粒分開,胞內(nèi)體部分,胞內(nèi)體部分,初級(jí)溶酶體,受體再循環(huán),細(xì)胞質(zhì),二、胞吐作用,又稱外排作用或出胞作用。 是指細(xì)胞內(nèi)合成的物質(zhì)通過囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜，與質(zhì)膜融合后將物質(zhì)排出細(xì)胞外的過程。 根據(jù)外排方式的不同，將胞吐作用分為結(jié)構(gòu)性分泌途徑和調(diào)節(jié)性分泌途徑兩種形式。,（一）結(jié)構(gòu)性分泌途徑,分泌蛋白,高爾基體,細(xì)胞膜,普遍存在所有動(dòng)物細(xì)胞中。,（二）調(diào)節(jié)性分泌途徑 這種分泌途徑只存在于特化的分泌激素、酶、神經(jīng)遞質(zhì)的細(xì)胞。,分泌蛋白,ER合成,儲(chǔ)存于G.C分泌囊泡,胞內(nèi)Ca2+升高,啟動(dòng)胞吐過程,結(jié)構(gòu)性分泌,調(diào)節(jié)性分泌,綜上所述，細(xì)胞膜對(duì)物質(zhì)運(yùn)輸有多種機(jī)制，概括起來主要有： 小分子和離子的跨膜運(yùn)輸，又分為被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸兩種形式 。 另一種是大分子和顆粒物質(zhì)的膜泡運(yùn)輸，又分為胞吞作用和胞吐作用。,第四節(jié) 細(xì)胞表面及其特化結(jié)構(gòu),細(xì)胞表面(cell surface): 是指包圍在細(xì)胞質(zhì)外層的一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)合體系和多功能體系。 是以質(zhì)膜為主體，包括質(zhì)膜外的細(xì)胞外被(cell coat)和質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的胞質(zhì)溶膠(cytosol)。 廣義的細(xì)胞表面還包括細(xì)胞連接和一些特化結(jié)構(gòu)。,胞質(zhì)溶膠,吸附糖蛋白,蛋白聚糖,一、細(xì)胞外被和胞質(zhì)溶膠 在大多數(shù)真核細(xì)胞表面有富含糖類的周緣區(qū)，被稱為細(xì)胞外被(cell coat)或糖萼(glycocalyx)。厚約1020nm。 細(xì)胞外被中的糖類包括糖蛋白和糖脂相連的低聚糖側(cè)鏈， 分泌出來吸附于細(xì)胞表面的糖蛋白與蛋白聚糖的多糖側(cè)鏈。,現(xiàn)在細(xì)胞外被一般用來指與質(zhì)膜相連接的糖類物質(zhì)（糖蛋白和糖脂向外延伸的寡