医学细胞生物学课件：0412. 细胞膜与物质穿膜运输

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1、l 细胞膜（细胞膜（cell memberane) 除了细胞膜以外的细胞内所除了细胞膜以外的细胞内所有膜性结构。有膜性结构。细胞质细胞质是细胞质与外界相隔开的一层薄膜，是细胞质与外界相隔开的一层薄膜，又称质膜（又称质膜（plasma membrane）。）。细胞膜细胞膜蛋白质蛋白质/ /脂类脂类 :在不同种类生物膜中有所不同。在不同种类生物膜中有所不同。一般情况下：一般情况下： 功能多而复杂的膜，蛋白质功能多而复杂的膜，蛋白质/ /脂类大脂类大 功能少而简单的膜，蛋白质功能少而简单的膜，蛋白质/ /脂类小脂类小细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成生物膜的化学组成生物膜的化学组成甘油磷脂甘油磷脂磷脂

2、酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸鞘磷脂磷脂酰胆碱生物膜中的磷脂生物膜中的磷脂胆胆 碱碱 磷磷 酸酸 甘甘 油油脂脂 肪肪 酸酸 链链极性头部（亲水基团）极性头部（亲水基团）非极性尾部（疏水基团）非极性尾部（疏水基团）肪肪 酸酸链链不不 饱饱 和和脂脂 主要存在真核细胞膜上，主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的含量一般不超过膜脂的1/3。 双亲性分子双亲性分子 功能：增加膜的稳定性，功能：增加膜的稳定性，调节膜流动性，降低水调节膜流动性，降低水溶性物质的通透性。溶性物质的通透性。细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成胆固醇分子散布在磷脂之间，极性的羟基头部紧靠磷脂的极性头部，甾环固定于靠近磷脂碳氢链的位置；

3、提高膜的稳定性。POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O鞘磷脂鞘磷脂POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O鞘磷脂鞘磷脂糖糖(Gal)半半乳乳糖糖苷苷脂脂POCH2CH2NOOCH3CH3CH3神经神经酰胺酰胺O鞘磷脂鞘磷脂糖糖 脂脂 分分 子子糖糖(Gal)糖糖(Gal)糖糖(Gal)糖糖(Gal)唾液酸神经节苷脂半乳糖脑苷脂糖脂糖脂(glycolipid)与细胞之间的相互识别和信息与细胞之间的相互识别和信息传导有关。传导有关。 细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成脂质体的用途：脂质体的用途：1.用于膜功能的用于膜功能的 研究研究2.作为体内药物作为体内药物

4、和和DNA的运输的运输 载体，用于基载体，用于基 因转移或代谢因转移或代谢 性疾病的治疗性疾病的治疗3.脂锚定蛋白（脂锚定蛋白（lipid-linked protein） 位于膜的两侧，通过位于膜的两侧，通过共价键共价键与脂双层内的与脂双层内的脂分子脂分子结结合，又称合，又称脂双层蛋白脂双层蛋白。 以两种方式与脂类分子结合。以两种方式与脂类分子结合。 胞质侧胞质侧的蛋白的蛋白 与脂双层中的碳氢链结合与脂双层中的碳氢链结合() 质膜外表面质膜外表面的蛋白的蛋白 与糖基磷脂酰肌醇（与糖基磷脂酰肌醇（GPI）的寡糖）的寡糖链结合链结合()共价键共价键共价键共价键1、2内在蛋白（穿膜蛋白）内在蛋白（穿

5、膜蛋白）3、4脂锚定蛋白脂锚定蛋白5、6外在蛋白外在蛋白细胞内细胞内脂双层脂双层细胞被细胞被（三）膜糖类（三）膜糖类覆盖细胞膜表面覆盖细胞膜表面糖脂的分布为绝对不对称糖脂的分布为绝对不对称在非胞质面在非胞质面SM：鞘磷脂：鞘磷脂PC：磷脂酰胆碱：磷脂酰胆碱PS：磷脂酰丝氨酸：磷脂酰丝氨酸PE：磷脂酰乙醇胺：磷脂酰乙醇胺PI：磷脂酰肌醇：磷脂酰肌醇CI：二磷脂酰甘油：二磷脂酰甘油2.膜蛋白分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性 穿膜蛋白穿膜蛋白跨越脂双层有一跨越脂双层有一定的方向性，亲水端长度、定的方向性，亲水端长度、氨基酸种类、顺序不同。氨基酸种类、顺序不同。 蛋白的数量在膜内外两侧蛋白的数量在膜

6、内外两侧不同不同不对称性的生物学意义：不对称性的生物学意义： 决定了膜内外表面功能的不对称性。决定了膜内外表面功能的不对称性。细胞膜内侧面分布有微管、微丝细胞膜内侧面分布有微管、微丝生物膜的特性生物膜的特性 (1)(1)侧侧向扩散向扩散(2)(2)旋旋转转(3)(3)摆摆动动(4)(4)翻翻转转（6）烃链的旋转异构运动）烃链的旋转异构运动54质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。当膜的质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。将停止，反之如果流动性过高

7、，又会造成膜的溶解。利利用用细细胞胞融融合合技技术术观观察察蛋蛋白白质质运运动动生物膜的特性生物膜的特性1.膜的流动性膜的流动性2.膜的不对称性膜的不对称性膜脂的流动性膜脂的流动性膜蛋白的运动性膜蛋白的运动性侧向扩散侧向扩散旋转扩散旋转扩散膜蛋白种类数量分布不对称膜蛋白种类数量分布不对称1. E. Overton 1890 发现凡是溶于脂发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞肪的物质很容易透过植物的细胞膜。膜。2. E. Gorter & F. Grendel 1925 年年用有机溶剂提取了人的红细胞质用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，推测膜的脂类成分，推测细胞膜由双细胞膜由双层脂

8、分子组成层脂分子组成。 评价：评价：提出膜形态共性，解释了某些属性提出膜形态共性，解释了某些属性不足之处：不足之处： 无法解释膜的动态结构变化，无法解释膜的动态结构变化， 显示不出各种膜之间的结构功能差异显示不出各种膜之间的结构功能差异1.生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。2.球形膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中。球形膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中。 液态镶嵌模型液态镶嵌模型 ( fluid mosaic model)脂质双分子层脂质双分子层极性头部极性头部疏水尾部疏水尾部外周蛋白外周蛋白镶嵌蛋白镶嵌蛋白 3.3.膜的两侧结构

9、是不对称的，糖链分布在非胞质面。膜的两侧结构是不对称的，糖链分布在非胞质面。 4.4.膜脂和膜蛋白具有一定的流动性和不对称性。膜脂和膜蛋白具有一定的流动性和不对称性。功能：功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及参与信号转导、受体介导的内吞作用以及 胆固醇代谢运输等。胆固醇代谢运输等。 脂筏功能的紊乱涉及多种疾病的发生。脂筏功能的紊乱涉及多种疾病的发生。脂筏（脂筏（lipid rafts）模型）模型 细胞外细胞外细胞内细胞内脂溶性、非极性、不带电荷小分子物质脂溶性、非极性、不带电荷小分子物质细胞膜细胞膜高浓度高浓度低浓度低浓度二、易化扩散二、易化扩散-膜运输蛋白介导的穿膜运输膜运输蛋白介导的

10、穿膜运输膜运输蛋白可分为两类：膜运输蛋白可分为两类： 受受“闸门闸门”控制控制 配体门控通道：乙酰胆碱受体。配体门控通道：乙酰胆碱受体。 电压门控通道：主要存在于可兴奋细胞，电压门控通道：主要存在于可兴奋细胞， 如神经元、肌细胞等。如神经元、肌细胞等。（3 3）应力激活通道：如内耳毛细胞感受声波震动。）应力激活通道：如内耳毛细胞感受声波震动。（4 4）水通道：）水通道：20032003诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 钾通道、钠通道、钾通道、钠通道、 钙通道等钙通道等电压门控通道扩散电压门控通道扩散钾通道、钠通道、钙通道、氯通道等钾通道、钠通道、钙通道、氯通道等细胞外细胞外细胞内细胞内细胞膜细胞膜载体

11、蛋白载体蛋白高浓度高浓度低浓度低浓度（一）（一）ATPATP驱动泵驱动泵ATPATP直接提供能量直接提供能量P-型离子泵（型离子泵（ Na+-K+ 泵、泵、Ca泵）泵）V-型质子泵型质子泵(溶酶体膜、内体膜溶酶体膜、内体膜)F-型质子泵（线粒体内膜）型质子泵（线粒体内膜）ABC转运体转运体负责转运离子负责转运离子负责转运小分子负责转运小分子类型类型1.1.差差13倍倍差差30倍倍NaNa+ +-K-K+ + ATP ATP酶，酶，兼有兼有载体载体和和酶酶的双重功能的双重功能每秒钟发生约每秒钟发生约1000次的构象变化次的构象变化 Na+-K+-泵的生物学效应直接效果：维持胞内低Na+，高K+的

12、特殊离子环境。间接效果：a.调节渗透压维持恒定的细胞体积 b.产生和维持膜电位 c.为某些物质吸收提供驱动力 d.为蛋白质合成及代谢反应提供 必要的离子浓度 Na+-K+-泵的特性 Na -K -泵相似，通过泵相似，通过磷酸化和去磷磷酸化和去磷 酸化酸化过程使构象改变，结合与释放过程使构象改变，结合与释放（二）协同运输（二）协同运输ATP间接供能间接供能 1. 1.动物细胞是利用膜两侧动物细胞是利用膜两侧NaNa离子离子的电化学梯度驱动的电化学梯度驱动2.2.类型类型协同运输协同运输协同转运的离子协同转运的离子转运分子转运分子同向运输同向运输(共运输共运输)以小肠上皮细胞吸收葡萄糖入血为例以小

13、肠上皮细胞吸收葡萄糖入血为例钠钾泵：钠钾泵：将将NaNa+ +泵出细胞，造成胞内外的泵出细胞，造成胞内外的NaNa+ +浓度梯度浓度梯度钠离子驱动的葡萄糖载体蛋白：钠离子驱动的葡萄糖载体蛋白：利用利用NaNa+ + 势能驱动，结合葡萄糖，使之势能驱动，结合葡萄糖，使之与与NaNa+ +相伴进入细胞（相伴进入细胞（因此又称因此又称共运输共运输）低钠离子浓度低钠离子浓度高高高高介导葡萄糖介导葡萄糖易化扩散易化扩散的载体蛋白的载体蛋白Na+驱动驱动葡萄糖同向葡萄糖同向运输运输 肠腔肠腔微绒毛微绒毛紧密连接紧密连接肠上皮细胞肠上皮细胞细胞外液细胞外液H+高浓度高浓度低浓度低浓度高浓度高浓度低浓度低浓度

14、 协同运输协同运输ATP间接供能间接供能 动物细胞是利用膜两侧动物细胞是利用膜两侧NaNa离子离子的电化学梯度驱动的电化学梯度驱动 小分子、离子小分子、离子穿膜运输穿膜运输被动运输被动运输 简单扩散简单扩散主动运输主动运输 易化扩散易化扩散（通道蛋白介导、（通道蛋白介导、载体蛋白介导）载体蛋白介导）Na-K泵泵Ca2+-pumpNa-葡萄糖协同运输葡萄糖协同运输Na-H+协同运输协同运输巨噬巨噬细胞细胞吞噬吞噬扫描扫描电镜电镜观察观察 网格蛋白结构：网格蛋白结构：由由3个重链和个重链和3个轻链组个轻链组成，形成一个具有成，形成一个具有3个曲臂的形状。个曲臂的形状。 许多网格蛋白的许多网格蛋白的

15、曲臂部分交织在一起，曲臂部分交织在一起，形成具有形成具有5边形或边形或6边边形网孔的笼子。形网孔的笼子。3.网格蛋白的结构与功能网格蛋白的结构与功能网格（笼形）蛋白包被的膜泡网格（笼形）蛋白包被的膜泡重链重链轻链轻链 当网格蛋白包被小泡形成时，发动蛋白（当网格蛋白包被小泡形成时，发动蛋白（dynamin）聚集）聚集成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近成一圈围绕在芽的颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于（小于1.5nm），从而导致膜融合，掐断（），从而导致膜融合，掐断（pinch off）有）有被小泡。被小泡。 包被：网格蛋白包被：网格蛋白+衔接蛋白衔接蛋白核心：核心：1500个酯

16、化胆固醇分子个酯化胆固醇分子外围：外围：800磷脂分子磷脂分子 ， 500游离胆固醇，游离胆固醇，apoB100LDL颗粒颗粒LDL受体受体有被小窝有被小窝有被小泡有被小泡内吞内吞去被去被无被小泡无被小泡胞内体胞内体融合融合受体与大分子颗粒分开受体与大分子颗粒分开胞内体部分胞内体部分受体再循环受体再循环胞内体部分胞内体部分 初级溶酶体初级溶酶体融融合合吞吞噬噬溶溶酶酶体体通过胞吐作用外排的物质：酶激素抗体未消化的物质分泌泡的胞吐作用 胞吐作用的两种形式 连续性分泌：无需外界信号，直接进行分泌。 （普遍存在于所有动物细胞） 受调分泌：细胞接受外界信号后，分泌颗粒与质膜融合，进行分泌。（特化细胞：

17、能分泌激素、酶、神经递质的细胞）受调分泌的透射电镜观察受调分泌的透射电镜观察接受外界信号前的状态；接受外界信号后分泌泡迅速将泡内物质外吐。小小 结结受体介导的内吞作用受体介导的内吞作用第四节第四节 细胞膜与信号转导细胞膜与信号转导靶细胞靶细胞产生生物学产生生物学效应效应信号分子信号分子（配体）（配体）转化为胞内信号转化为胞内信号信号转导（信号转导（signal transduction）：）：指细胞将外界信号分子指细胞将外界信号分子携带的信息转变为细胞内信号的过程，进而导致细胞应答反应携带的信息转变为细胞内信号的过程，进而导致细胞应答反应的一系列过程。的一系列过程。 1.1.概念概念 信号分子

18、（信号分子（signal moleculesignal molecule）：）：指细胞外某些化指细胞外某些化学分子，能与相应的受体结合并传递信息。学分子，能与相应的受体结合并传递信息。 2.信号分子的类型 一、信号分子（配体）一、信号分子（配体）内分泌内分泌-激素激素旁分泌旁分泌-生长因子生长因子(局部化学介质局部化学介质)神经递质神经递质自分泌自分泌-生长因子生长因子(局部化学介质局部化学介质)低浓度低浓度10 -10 M 全身性全身性长时效长时效。-8-12不同类型信号分子及其信号转导方式不同类型信号分子及其信号转导方式常见于癌变细胞常见于癌变细胞 （一）概念 二、受体二、受体 （二）类型

19、胞内受体：胞内受体： 膜受体：膜受体： 胞内受体胞内受体（与脂溶性信号分子结合）（与脂溶性信号分子结合） 膜受体膜受体（与水溶性信号分子结合）（与水溶性信号分子结合）受体与信号分子结合的特点：选择性、高亲和力、受体与信号分子结合的特点：选择性、高亲和力、 可饱和性、可逆性可饱和性、可逆性（三）膜受体的类型（三）膜受体的类型 由单一多肽链组成，带有7个跨膜疏水区域；-NH2端朝向细胞外，-COOH端面向细胞质G蛋白偶联受体蛋白偶联受体（四）（四） G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）蛋白（鸟苷酸结合蛋白） 1.共同特征：共同特征： 1）三个亚基组成三个亚基组成 2）亚基能结合亚基能结合GTP或或GDP，具有

20、，具有GTP酶活性酶活性2.功能：功能：构象改变后可激活构象改变后可激活效应蛋白，使后者活化，效应蛋白，使后者活化，实现信号转导。实现信号转导。3.效应蛋白：效应蛋白：离子通道、离子通道、 腺苷酸环化酶（腺苷酸环化酶（AC）、）、 鸟苷酸环化酶（鸟苷酸环化酶（GC） 磷脂酶磷脂酶C 4.G蛋白作用机制蛋白作用机制 在在静息状态静息状态下，下，G G蛋白以异三聚蛋白以异三聚体形式存在于细胞膜上，体形式存在于细胞膜上， 亚基亚基与与GDPGDP相结合，并与受体呈分相结合，并与受体呈分离状态。离状态。 活性受活性受GTP和和GDP调节调节 -GDP：G蛋白处于失活状态（去磷酸化）蛋白处于失活状态（去

21、磷酸化） -GTP：G蛋白处于活性状态（磷酸化）蛋白处于活性状态（磷酸化）G蛋白的作用机制蛋白的作用机制静息状态静息状态受体激活受体激活G蛋白激活蛋白激活 G蛋白蛋白复原失活复原失活G蛋白的作用机制蛋白的作用机制（1）在静息状态下，G蛋白以异三聚体形式存在于细胞膜上，亚基与GDP相结合，并与受体呈分离状态。（2）受体激活：配体与受体结合时，受体蛋白构象改变，使亚基与受体结合，G蛋白构象改变， 亚基与GDP结合力下降，与GTP的结合力增加。3.G蛋白激活: GDP从亚基脱落后， 亚基转而与GTP结合，G蛋白被激活，亚基与亚基分离，同时从受体复合体上脱落成为游离的独立功能亚基，并激活下游靶蛋白。4

22、.G蛋白复原失活:配体与受体解离后，亚基发挥GTP水解酶活性，GTP水解为GDP，亚基与效应白分离，与亚基结合恢复到静息状态。G蛋白的作用机制蛋白的作用机制三、细胞内信使三、细胞内信使 1998年年RFurchgott等三位美国科学家因对等三位美国科学家因对NO信号转信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。Robert F. Furchgott Louis J. Ignarro Ferid Murad NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。 NO的生成细胞的生成细胞:血管内皮细胞血管内皮细胞和和神经细胞神经细胞

23、 NO的生成的生成: 底物底物: L精氨酸精氨酸 酶酶:一氧化氮合酶（一氧化氮合酶（NOS） 产物产物:NO、瓜氨酸。、瓜氨酸。 NO的引起的细胞效应：平滑肌细胞松弛，的引起的细胞效应：平滑肌细胞松弛， 血管舒张血管舒张 NO的作用机理：的作用机理： 乙酰胆碱乙酰胆碱血管内皮膜受体血管内皮膜受体Ca2+浓度升高浓度升高一氧化氮合酶一氧化氮合酶NO平滑肌细胞平滑肌细胞鸟苷酸环化酶鸟苷酸环化酶cGMP血管平滑肌细胞的血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降离子浓度下降平平滑肌舒张滑肌舒张血管扩张、血流通畅。血管扩张、血流通畅。 硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的

24、历史，其作用机理是在体内转化为在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。肌的需氧量。 鸟苷酸环化酶鸟苷酸环化酶乙酰胆碱乙酰胆碱cAMPcAMP信号信号通路通路肾上腺素受体受体ATPcAMP无活性PKA有活性PKA靶蛋白磷酸化胞内效应胞内（第一信号、配体）第二信号BDE胞内5-AMP Ac:腺苷酸环化酶PKA:蛋白激酶ABDE:环核苷酸磷酸二酯酶Mg+2第五节第五节 细胞膜异常与疾病细胞膜异常与疾病一、载体蛋白异常的疾病一、载体蛋白异常的疾病胱氨酸尿症：肾小管上皮细胞转运胱氨酸的载体蛋胱氨酸尿症：肾小管上皮细胞转运胱氨酸的载体蛋 白缺陷，遗传性疾病白

25、缺陷，遗传性疾病。肾性糖尿：肾小管上皮细胞转运葡萄糖的载体功能肾性糖尿：肾小管上皮细胞转运葡萄糖的载体功能 缺陷，葡萄糖重吸收障碍缺陷，葡萄糖重吸收障碍二、离子通道异常的疾病二、离子通道异常的疾病囊性纤维化：白种人的最常见的致死性常染色体隐囊性纤维化：白种人的最常见的致死性常染色体隐 性遗传病，性遗传病，氯离子通道氯离子通道遗传性缺失所遗传性缺失所 致。致。临床特点临床特点： 1.高胆固醇血症。高胆固醇血症。 患者血浆中胆固醇水平较正常人高患者血浆中胆固醇水平较正常人高出出68倍。倍。 2.黄色瘤。肘、膝、足跟、手背黄色瘤。肘、膝、足跟、手背 ，下肢小关节，内眦，下肢小关节，内眦部。部。 3.

26、早发心血管疾病。早发心血管疾病。 4.常染色体显性遗传。杂合子父母至少一个是该病患常染色体显性遗传。杂合子父母至少一个是该病患者。纯合子双亲必定都是患者。者。纯合子双亲必定都是患者。三、膜受体异常的疾病三、膜受体异常的疾病家族性高胆固醇血症家族性高胆固醇血症黄色瘤家族性高胆固醇血症发病机理家族性高胆固醇血症发病机理 受体结构异常的类型受体结构异常的类型A.受体与受体与LDL的结合部位有缺陷，不能与的结合部位有缺陷，不能与LDL结合结合B.受体与有被小窝结合部位有缺陷，不能被固定在有受体与有被小窝结合部位有缺陷，不能被固定在有被小窝处被小窝处治疗策略：治疗策略：杂合子型杂合子型FH ：饮食治疗、饮食治疗、 适当运动适当运动 药物治疗：降胆固醇药物药物治疗：降胆固醇药物 血浆置换疗法、肝脏移植血浆置换疗法、肝脏移植纯合子型纯合子型FH: 血浆置换疗法血浆置换疗法 基因治疗基因治疗 肠肠 腔腔GsCT四、四、G蛋白异常的疾病蛋白异常的疾病霍乱霍乱 (Cholera)ACcAMP Cl-H2ONa+机制机制 (mechanism)霍乱弧菌毒素与受体霍乱弧菌毒素与受体结合后，使结合后，使G蛋白蛋白 亚基丧失亚基丧失GTP酶活性，酶活性，而一直处于激活状态，而一直处于激活状态，cAMP浓度显著增加。浓度显著增加。本章节重点本章节重点