大学精品课件：细胞4-七年制.ppt

1、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。,相关的概念,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），维持细胞特有的内环境。 内膜系统（endo-membrane system) 生物膜(biomembrane) 单位膜（unit membr

2、ane),细胞膜 内膜系统,单位膜 生物膜有着共同的形态特征，在透射电镜下呈现为“两暗夹一明”的三层结构，即内外两个电子致密的“暗”层中间夹着电子密度低的“亮”层，其总厚度约为7.5nm，这三层结构称为单位膜。,第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性,化学组成、分子结构 细胞膜的生物学特征 细胞膜的分子结构模型,一、细胞膜的化学组成,脂类基本骨架 蛋白质功能的主要担负者 糖类细胞外被 水、无机盐、金属离子,主体,返回,(一)膜脂（membrane lipid）构成细胞膜的结构骨架,1、组成 磷脂 (phospholipid) 含量最高 胆固醇(cholesterol) 糖脂(glycolipid

3、) 2、特点：双亲性分子 3、存在方式（水溶液中） 球状的胶态分子团 脂质双分子层,脂质体,1 磷脂 磷脂分子：均含有极性基团、磷酸基团和非极性基团，形成亲水头部和疏水尾部，称为双亲性分子或兼性分子。,甘油磷脂以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸形成 酯键。, 甘油磷脂的化学结构, 鞘磷脂的化学结构,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，分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合。鞘磷脂及其代谢产物参与各种细胞活动，如细胞分化、凋亡和增殖等。,细胞膜上唯一不以甘油为骨架的磷脂,2.胆固醇,结构：双亲性分子，极性头部为羟基，非极性疏水结构为 固

4、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。,质膜中胆固醇与磷脂分子的关系示意图,结构：双亲性分子，极性头由一个或几个糖残基构成，疏水 尾部为脂肪酸链或鞘氨醇衍生的烃链。 功能：作为某些分子的受体，与细胞识别及信号转导相关。,定位：均位于质膜非胞质面单层，糖基暴露于细胞表面。 组成：由脂类和寡糖构成。细菌和植物细胞的糖脂几乎都是 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。,3.糖脂,返回, 半乳糖脑苷脂 是一种最简单的糖脂，头部极性基团

5、仅有一个半乳糖，是髓鞘中的主要糖脂。, 神经节苷脂 极性头部除含有半乳糖和葡萄糖外，还含有一个或几个唾液酸残基，神经细胞膜中含量丰富。,脂质体 (liposome),脂质分子在水环境中排列形成脂双分子层，为了避免 脂双分子层两端疏水尾部与水接触，其游离端往往能自动闭 合，形成充满液体的球状小泡，称为脂质体（liposome）。,脂质体的应用： 用于膜功能的研究。 作为DNA或体内药物的运载体，用于基因转移或治疗某些遗传性代谢病。,脂双层作为生物膜理想结构的特点： 1.构成分隔两个水溶性环境的屏障； 2.具有自相融合形成封闭性腔室的倾向； 3.具有柔性，可变形。,返回,(二) 膜蛋白以多种方式与

6、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。,根据膜蛋白与脂双层结合的不同方式，膜蛋白可分为三种基本类型：,3. 膜蛋白的基本类型,膜内在蛋白（intrinsic protein）,膜外在蛋白（extrinsic protein）,脂锚定蛋白（lipid anchored protein）,Cell Membrane an

7、d Membrane Transport, 膜内在蛋白（整合膜蛋白） 占膜蛋白总量的7080%。 主体部分多以螺旋构象穿过脂双层，又称穿膜蛋白（transmembrane protein），可单次跨膜、多次跨膜或多亚基跨膜。 穿膜蛋白与膜结合紧密，需用去垢剂处理才能分离。,Cell Membrane and Membrane Transport, 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。,膜外在蛋白 膜内在蛋白,占20%-30% 膜的内外表面，内表面为

8、主 不与脂质的疏水区连接 水溶性蛋白 结合力较弱 离子键 静电作用 分离条件：温和 不破坏膜结构 改变离子强度、提高温度,占70%-80% 多数为跨膜蛋白 嵌入或贯穿脂双层，直接与脂质的疏水区相作用 双亲性分子 与膜结合紧密 去垢剂使膜崩解,多见于功能复杂的细胞膜, 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：,Cell Membrane and Membrane Transport,返回,(三) 膜糖类覆盖细胞膜表面,含量：细胞膜中含有的糖类称为膜糖类，约占细胞 膜重量的21

9、0。 形成方式：,膜糖类,糖类（低聚糖）+膜脂,共价键,糖脂,糖类（低聚糖或多聚糖 ）+膜蛋白,糖蛋白,共价键,Cell Membrane and Membrane Transport,功能：有助于蛋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。,返回,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。,不对称性生物膜的近胞质面和非胞质面在结构 (asymmetry) 和功能上存在差异 流动性膜脂和膜蛋白不断的运动 （fluidi

10、ty） 生理常温生物膜是液晶态 要维持在一定的限度内，影响因素,生物 膜 的 特 征,排列有序 可流动,返回,1. 膜脂的不对称性 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。,2.膜蛋白的不对称性 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。 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。,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。,EF,PF,小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻,膜脂分子的运动,侧向(

11、lateral diffusion) 翻转(flip-flop) 旋转(rotation) 弯曲(flexion) 伸缩振荡 旋转异构运动,膜蛋白分子的运动,方式：侧向运动 旋转（不耗能） 特点：速度慢 区域性 并非所有的蛋白质分子 在膜上都能自由的运动,返回,返回,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。 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。,影响膜流动性的因素,脂肪酸链的饱和程度和长度 不饱和脂肪

12、酸越多 烃链越短 胆固醇的含量 双重调节作用 防止烃链的凝集 防止在温度降低时流动性突然降低 增加膜的稳定性 卵磷脂和鞘磷脂的比值：比值越高，流动性越强。 膜蛋白的影响：嵌入疏水区，降低流动性 其他：环境温度、离子强度、酸碱度等。,相变温度越低 流动性越大,返回,细胞膜的分子结构模型,片层结构模型 (lamella structure model) 单位膜模型 (unit membrane model) 液态镶嵌模型 (fluid mosaic model) 脂筏模型 (lipid rafts model),(一) 片层结构模型（lamella structure model）,1935年，由

13、J. Danielli & H. Davson提出。 细胞膜是蛋白质磷脂蛋白质的三层夹板样结构。,(二) 单位膜模型 (unit membrane model),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”的单位膜结构。 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。,1972年由Singer和Nilson提出，较好地解释了生物膜的功能特点，为普遍接受的膜结构模型。,(三) 流动镶嵌模型（fluid mosaic model）,液态镶嵌模型(fl

14、uid mosaic model),1.脂双分子层构成膜的主体，它既有固体（晶体）的 有序性又有液体的流动性。 2.膜蛋白分子以各种形式与脂双分子层结合，有的贯 穿其中，有的镶嵌在其表面。 3.膜糖类（糖脂和糖蛋白）分布在非细胞质侧，形成 糖萼。 4.该模型强调了膜的流动性和不对称性。,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。,（四）脂筏结构模型,功能：参与信号转导、受体介导的内吞作用以及

15、胆 固醇代谢运输等，脂筏功能的紊乱涉及多种 疾病的发生。,Lipid rafts, shown in orange, are thicker than the rest of the bilayer. The rafts primarily contain sphingomyelin and cholesterol. The sharp, yellow spikes are GPIanchored proteins.,第二节 小分子物质和离子的穿膜运输,一、简单扩散 二、膜运输蛋白介导的穿膜运输,易化扩散 主动运输 离子通道 水通道,Cell Membrane and Membrane Tra

16、nsport,小分子 物质的跨膜运输,被动运输(passive transport )：高低、不耗能 简单扩散(simple diffusion)：一些物质不需要膜蛋白的帮助， 不需要消耗能量，顺浓度梯度自由扩散通过膜 的脂双层的跨膜运输方式 易化扩散(facilitated diffusion )：在膜转运蛋白的帮助下， 物质顺其浓度或电化学梯度进行跨膜运输， 不需要消耗能量 主动运输(active transport )：消耗细胞代谢所产生的能量， 借助细胞膜上载体蛋白的帮助，将物质逆浓 度梯度或电化学梯度运输的方式。,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

17、不带电荷小分子物质 不易通过膜的物质： 带电荷物质 大分子物质,膜的选择通透性,Cell Membrane and Membrane Transport,二、膜运输蛋白介导的物质穿膜运输 （一）膜运输蛋白（ membrane transport protein ） 定义 细胞膜上负责转运不能通过简单扩散穿膜的各种极性分子和离子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸及细胞代谢产物的膜蛋白 特点 都是跨膜蛋白 ，通常每种膜转运蛋白只转运一种特定类型的物质 类型 载体蛋白(carrier protein ) 通道蛋白(channel protein ),载体蛋白（carrier protein） 与特定溶质分子结

18、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（channel 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。,Cell Membrane and Membrane Transport,(二) 载体蛋白所介导的易化扩散（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。,Cell Membrane and Membrane Transport,运输物质： 极性分子和离子，如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等。 转运过程： 溶质分子特异的结合位点结合溶质

19、构象变化完成,载体蛋白介导的易化的扩散,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,(三) 载体蛋白所介导的主动运输,载体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。 ATP直接提供能量（ATP驱动泵） ATP间接提供能量,主动运输,Cell Membrane and Membrane Transport,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”。

20、具有专一性,如钠钾泵、氢泵、钙泵等。 具有载体和酶的双重功能,ATP驱动泵类型,P-型离子泵(P-type ion pump) V-型质子泵 (V-type pump),Cell Membrane and Membrane Transport,F-型质子泵 (F-type pump) ABC转运体 (ATP-binding cassette transporter ),（1）P-型离子泵（P-class ion pump）-驱动阳离子跨膜转运 Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳类胃腺分泌细胞上的H-K泵等都属于此种类型。,Na+-K+泵,Na+-K+泵,结构组成 由2个亚基（大亚基）和2个亚基（

21、小亚基）组成。亚基是一个多次穿膜的膜整合蛋白，具有ATP酶活性，亚基具有组织特异性，功能不清楚。,功能 水解一个ATP分子，可向细胞外输出3Na+，转入2K+。 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。,Ca 2+ 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）V -型质子泵（V-class proton pump

22、） 主要指存在于真核细胞的膜性酸性区室。 V-型质子泵也是由多个穿膜和胞质侧亚基组成， 其作用是利用ATP水解供能，将H+从胞质基质中 逆H+电化学梯度转运。,（3）F-型质子泵（F-class proton pump）： 主要存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体膜中，它使H顺浓度梯度运动 。 （4）ABC转运体（ABC transports）： ABC转运体是一类以ATP供能的运输蛋白，ABC超家族是哺乳类细胞膜上磷脂、胆固醇、肽、亲脂性药物和其他小分子的运输蛋白。,A. P-型离子泵 B. V-型质子泵 C. F-型质子泵 D. ABC转运体,2.协同运输 (coupled transpor

23、t ),一些转运蛋白在转运一种溶质分子的同时或随后伴随有另外一种物质的转运。, 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）：也称同向协同运输，物质运输方向与离子转移方向相同，如：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,同 向 协 同 运 输,小肠吸收上皮

24、,1）葡萄糖和钠离子 的同向协同运输 2）载体蛋白介导的 易化扩散 3）钠-钾泵,Na顺浓度梯度转运 同时伴有葡萄糖或氨基酸的转运,对向协同运输调节细胞内的pH Na+-H+交换载体 清除细胞代谢过程中产生的H+，使细胞内pH值升高。 Cl-HCO3-交换载体 从细胞中排出HCO3-交换Cl-进入细胞，使细胞内pH 值降低。,（四）通道蛋白所介导的运输方式,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。,1. 离子通道高效转运各种离子,门控通道的类型 配体门控通道（ligand-gated channel） 电压门控通道（voltage-gat

25、ed channel） 应力激活通道 （stress-activated channel）,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,2.水通道介导水的快速转运,定义： 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。,Cell Membrane and Membrane Transport,分类： 目前发现哺乳动物水通道蛋白家族已有13个成员 （AQP0AQP12）。 AQP1、2、4、5、6、0：专一性通透水分子 AQ

26、P3、7、9、10：通透水及甘油尿素等中小分子 AQP8：氨、甘油、尿素、水 AQP11、12：功能尚不明确,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,Cell Membrane and Membrane Transport,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。,Cell Membrane and

27、Membrane Transport,第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输,一、胞吞作用（endocytosis） (一) 吞噬作用 （phagocytosis） (二) 胞饮作用 （pinocytosis） (三) 受体介导的胞吞作用 二、胞吐作用（exocytosis）,Cell Membrane and Membrane Transport,小泡运输 (vesicular transport): 定义：大分子和颗粒物质被运输时并不穿过细胞膜， 物质进出是由膜包围，形成囊泡，通过一系 列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程。 发生位点：质膜及胞内各种膜性细胞器之间的物质 运输。 作用：促进细胞内

28、外物质交换、信息交流等。,一、胞吞作用,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。,Cell Membrane and Membrane Transport,类型： 根据胞吞物质的大小、状态及特异程度不同： 吞噬作用； 胞饮作用； 受体介导的胞吞作用。,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 。,定义：细胞质膜内陷，非特异性摄

29、入溶质或液体 的过程，形成的小囊泡称胞饮体或胞饮泡。,(二) 胞饮作用,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。,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。,(三) 受体介导的胞吞作用,1.有被小窝和有被小泡的形成,有被小窝（coated pit）：是质膜上受体集中的特定区域，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。,Cell Membrane and Membrane Transport,有被

30、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： 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。,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。,2.无被小泡形成并与内体融合,3.受体介

31、导的LDL胞吞作用,LDL：LDL颗粒的分子结构为中心含有大约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。,低密度脂蛋白（LDL）颗粒,Cell Membrane and Membrane Transport,LDL受体介导的胞吞作用,Cell Membrane and Membrane Transport,二、胞吐作用,细胞内合成的物质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程称为胞吐作用，也称为外排作用或出胞作用

32、。,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。,Cell Membrane an

33、d Membrane Transport,连续性分泌和受调分泌,（自学）,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,Cell Membrane and Membrane Transport,1.胱氨酸尿症 由于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，原尿中四种氨基酸重吸收发生障碍。尿中高浓度胱氨酸析出成结晶，形成尿路结石，引起肾损伤。,一、载体蛋白异常与疾病,Cell Membrane and Membrane Transport,2.肾性糖尿 由于患者肾小管上皮细胞转运葡萄糖的载体蛋白功能缺陷，引起葡萄糖重吸

34、收障碍，出现血糖正常情况的肾性糖尿。,二、离子通道缺陷与疾病,囊性纤维化：是一种常见的遗传性离子通道异常疾病。 相关基因：引起CF的相关基因囊性纤维跨膜转导调节子（CFTR）定位于染色体7q31。 病因：CFTR是位于细胞质膜上一个受cAMP调节的氯离子通道。CFTR异常导致细胞向外转运Cl减少，分泌的黏液水化不足粘度增大，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。 临床症状：慢性咳嗽、大量粘痰及反复发作的难治性肺部感染。长期慢性腹泻、吸收不良综合征、生长发育迟缓等。,三、膜受体异常与疾病,编码LDL受体的基因突变引起常染色体显性遗传病。 LDL受体异常主要包括：受体缺乏和受体结

35、构异常。 由于细胞不能摄取LDL颗粒，引起血液中胆固醇浓度升高并在血液中沉积，患者会过早地发生动脉粥样硬化和冠心病 。,家族性高胆固醇血症,Cell Membrane and Membrane Transport,细胞膜上LDL受体缺陷示意图,Summary of Chapter Four Basic Functions of PM 1. Defines the cell extent and maintains the essential differences between its contents and the environment. 2. Acts as a highly sel

36、ective filter and a devise for active transport to control the entry of nutrients and the exit of waste and toxic products. 3. Generates differences of ion concentration between the interior and exterior of the cells. 4. Acts as a sensor of external signals, allowing the cells to respond.,Basic feat

37、ures of PM 1. Biological membranes share a common general structure. 2. Assembled by lipid and protein molecules by noncovalent（非共价）interactions. 3. PM is dynamic, fluid structure in which lipids and proteins are able to move in the plane of the membrane. 4. Lipid molecules are arranged as a continu

38、ous double layer in 5nm thick. 5. The lipid bilayer acts as a relatively impermeable barrier to water-soluble molecules.,6. Protein molecules in the bilayer mediates other functions of the membrane: transportation, enzymes, structural linkers to cytoskeleton and/or extracellar matrix or adjacent cel

39、ls as well as receptors for signal transduction. 7. The lipid and protein compositions of PM is asymmetrical: the outside and inside faces are different in the ways that reflect the different functions performed at the two surfaces of the membrane. 8. The specific lipid and protein components vary g

40、reatly from one cell type to others, reflecting the differences of their biological functions.,Proteins in PM and their functional roles Lipid bilayer provides the basic structure of biological membrane, while membrane proteins carry out most of the specific functions. The amounts and types of prote

41、ins are highly variable in cell dependent fashion. In average, about 50% of the mass being protein in a ratio of 50 lipids versus 1 protein by number. Basically they can be classified into two groups based on physical distribution. 1. Integral proteins: embedded within the cell membrane and pass one

42、 or multiple times through the membrane. 2. Peripheral proteins：loosely associated with membrane surfaces.,Cell must ingest essential nutrients and excrete metabolic wastes and therefore has to evolve special ways to transfer water-soluble molecules across the membrane. Specialized membrane transpor

43、t proteins can acts as carrier or channel to transfer a specific molecule or a group of closely related molecules in or out of cells. Carrier/transporter proteins: bind the specific solute to be transported and undergo a conformation change in order to transfer the solute across the membrane. Channe

44、l proteins: form water filled pores that extend across the bilayer when these pores are open. They allow specific solutes (usually inorganic ions) to pass through them and thereby cross the membrane.,Two kinds of trans-membrane transportation Passive transport: all channel proteins and many carrier

45、proteins allow solutes to cross the membrane only passively (downhill). Active transport: mediated by carrier proteins that actively pump certain solutes across the membrane against their electrochemical gradient (uphill).,Apparently, the transport mediated by carrier proteins can be either active o

46、r passive, whereas transport by channel proteins is always passive. Some carrier proteins simply transport a single solute from one side of the membrane to the other, they are called uniports. Others function as coupled transporters, in which the transfer of one solute depends on the simultaneous tr

47、ansfer of a second solute, either in the same direction (symport) or in the opposite direction (antiport).,Membrane transport of macromolecules and particles The proteins that mediate small polar molecules across the membrane cannot transport macromolecules. Yet most cells are able to ingest and sec

48、rete macromolecules via sequential formation and fusion of membrane bounded vesicles. The vesicles fuse with the plasma membrane and open to the extracellular space is called exocytosis. Ingestion of macromolecules and particles by a similar mechanism but with the reversed sequence: enclosed by a sm

49、all portion of the plasma membrane, invaginates(摄入) and pinches off (脱落) to form an intracellular vesicle containing the ingested materials is called endocytosis. The important feature of endo- and exocytosis is that the secreted or ingested macromolecules are enclosed （封闭于）in vesicles and do not mix with most of the othe